CN103954483B - 超高强钢板状疲劳试样、夹持部位加工方法及其高周疲劳试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高强钢板状疲劳试样、夹持部位加工方法及其高周疲劳试验方法，该板状疲劳试样的夹持部两侧面均开设有若干平行的V型槽；V型槽的方向与加载方向的夹角为θ，相邻V型槽的中心间距为a；V型槽的深度为b；a=夹持超高强钢板状疲劳试样的楔块的咬齿间距；θ=楔块的咬齿与加载方向的夹角；b＜楔块咬齿深度。本发明可有效提高试样夹持力，防止疲劳试样夹持部位断裂失效，提高试验结果稳定性和准确性。该方法是主要针对相对韧性较差，裂纹敏感性强的超高强钢在高周疲劳试验中，由于加载载荷过大导致夹持部位由于过大的夹紧力在试样表面产生塑性变形微裂纹，引发在疲劳试验中夹持部位经常出现断裂失效，试验效率过低的问题。

Description

超高强钢板状疲劳试样、夹持部位加工方法及其高周疲劳试验方法

【技术领域】

本发明属于材料性能检测领域，涉及一种超高强钢板状疲劳试样、夹持部位加工方法及其高周疲劳试验方法。

【背景技术】

超高强钢主要指抗拉强度在1500MPa以上，或者屈服强度在1300MPa以上，同时具有足够的韧性和良好的工艺性能的合金钢，其主要应用在航空和航天工业中承受高应力的重要结构部件。在实际应用中疲劳失效是金属使用中发生断裂破坏的主要形式之一，疲劳强度往往低于抗拉强度，特别是超高强钢中，其对裂纹缺陷非常敏感，并且由于非金属夹杂物等缺陷因素导致疲劳极限远小于抗拉强度。所以对于超高强钢的疲劳性能检测是其实际应用前一个必要性能检测环节，特别近些年来随着国内航空航天的快速发展，对超高强钢的需求日益增多，对超高强钢力学性能的深入研究，是促进超高强钢广泛应用的必要手段。

在高周疲劳试验中，对板状试样进行疲劳性能检测是一种常用的材料疲劳属性检测方式。板状疲劳试样1加工，抛光后，进行疲劳试验时，利用螺栓2顶力对夹持面为锯齿状的楔块3进行加载，在试验夹头4的拘束作用下达到对板状试样进行紧固的目的（图1）。对于一般平板试样夹头，在螺栓紧固的条件下，很难使平板左右楔块夹持面与试样保持完全平行，所以导致试样表面受力不均匀，实际受力面积变小，局部区域受力过大。在试样加载过程中，为了防止试样与楔块之间出现滑动，增大楔块与试样之间的摩擦力，夹具加载力必须增大（图3）。但由于表面受力的不均匀性，导致试样表面局部出现加载力过大，使局部区域出现塑形变形区，对于超高强钢往往会出现表面微裂纹，由于超高强钢对裂纹比较敏感，导致这些微裂纹在循环载荷条件下直接起裂并扩展，从而出现高周疲劳试验中在夹头处出现断裂失效的问题。为了防止该问题的产生，有效提高楔块和试样之间的咬合力，同时避免楔块锯齿面对试样表面由于加紧力过大，导致在试样表面出现损伤行为，对试样加载部位表面的预处理和加工方法的研究，在各种金属板状试样高周疲劳试验中，特别是对于强度高，韧性相对较差，对裂纹敏感性较强的材料，可以有效提高试验效率，增强试验结果的准确性。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种超高强钢板状疲劳试样、夹持部位加工方法及其高周疲劳试验方法，以解决板状高强钢试样在疲劳试验中夹头加紧导致表面受力不均匀性，局部受力过大导致高强钢表面微裂纹缺陷的产生，使试样加载部位成为失效主要原因的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

超高强钢板状疲劳试样，该超高强钢板状疲劳试样的夹持部两侧面均开设有若干平行的V型槽；V型槽的方向与加载方向的夹角为θ，相邻V型槽的中心间距为a；V型槽的深度为b；a=夹持超高强钢板状疲劳试样的楔块的咬齿间距；θ=楔块的咬齿与加载方向的夹角；b＜楔块咬齿深度。

本发明进一步的改进在于：V型槽的槽底部曲率半径R为0.02mm；θ=45度。

本发明进一步的改进在于：楔块的表面HRC硬度大于或等于55。

本发明进一步的改进在于：超高强钢板状疲劳试样的抗拉强度大于1500MPa或者屈服强度大于1300MPa。

本发明进一步的改进在于：所述超高强钢板状疲劳试样的材质为30CrMnSiNi2A，经过调制处理，组织为回火马氏体，硬度HRC为50。

超高强钢板状疲劳试样夹持部位加工方法包括以下步骤：

首先按照实验标准确定超高强钢板状疲劳试样的尺寸，采用线切割对试样进行切割，然后采用铣床对试样上下表面进行加工，使超高强钢板状疲劳试样的尺寸到达试验要求；

采用磨床对加工后的超高强钢板状疲劳试样的表面和侧面进行磨削，达到试验要求精度：表面粗糙度Ra为0.8；

通过铣床采用四刃铣刀对疲劳试样两端进行加工，相邻V型槽的中心间距a等于楔块的咬齿间距；V型槽的方向与加载方向的夹角θ等于楔块的咬齿与加载方向的夹角；V型槽的加工深度b小于楔块的咬齿深度；V型槽的槽底部曲率半径R为0.02mm；加工完V型槽后对两边铣削痕迹进行打磨。

本发明进一步的改进在于：a=2mm；θ=45度；b为楔块咬齿深度的三分之一，取0.2mm。

超高强钢板状疲劳试样进行高周疲劳试验的方法，包括以下步骤：

在夹持试样阶段，首先对螺栓采用5～7Kg力进行紧固，当超高强钢板状疲劳试样上下端紧固好后，将试样预先加载到试验测试的平均应力水平，然后对夹具螺栓再次进行紧固，紧固力为5～7Kg，此时，楔块的咬齿与超高强钢板状疲劳试样的V型槽相配合；当紧固完后启动具有应力幅的振动，如超高强钢板状疲劳试样出现松动，停机再次紧固，紧固力仍为5～7Kg；对超高强钢板状疲劳试样在载荷条件下进行测试。

本发明进一步的改进在于：步骤中对超高强钢板状疲劳试样在800～1100MPa载荷条件下进行测试，应力比选择为0.06，仪器加载平均载荷为21200～29150KN，交变载荷18800～25850KN。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

通过该技术处理疲劳试样两端表面后，可以有效缓解楔块表面锯齿对疲劳试样表面的破坏。特别是由于表面平行V型槽为试样在很小的夹紧力条件下对试样加载方向提供了更大的夹紧力，有效紧固了试样，使试样与试验机之间得到了有效固定。同时由于V型槽的使用，使试样夹持部位在试验载荷方向受力不再以依靠楔块紧固力使楔块表面与试样之间产生的摩擦力进行紧固，而是依靠楔块锯齿面与V型槽之间的咬合达到紧固目的。并且由于V型槽具有一定深度，有效缓解了试样加载部位受力不均匀的现象产生。通过采用该试样夹持部位进行处理方法，有效提高了高强钢在高周疲劳试验中试验结果的稳定性和准确性。

本发明通过铣削的方法，在疲劳试样夹持部位加工出具有一定深度和宽度，并且相互平行的V型槽，利用楔块锯齿面和V型槽的相互咬合，增大夹具夹持力，减小螺栓紧固力，从而减小对试样表面破坏，有效防止夹持部位微裂纹的产生，达到提高高强钢在高周疲劳试验中结果可靠性的目的。

【附图说明】

图1:板状疲劳试样高周疲劳试验加载示意图；

图2:为板状疲劳试样示意图；

图3：试样表面夹持受力示意图；

图4（a）-图4（d）：分别为试验夹具楔块的侧视图、主视图、局部放大图和咬齿的测试图；

图5：为板状疲劳试样夹持处处理整体加工示意图；

图6（a）-图6（c）：分别为试样夹持部位主视图、侧视图和局部放大图；

图7（a）和7（b）：分别为预处理后板状试样夹持部位加载前和加载后紧固示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。

本实施采用超高强钢30CrMnSiNi2A，该材料经过调制处理，组织为回火马氏体，硬度HRC为50。板状高周疲劳试样夹持部位进行预处理，对加工过程以及夹持效果进行对比说明。在该实验中采用GPS2000微机控制高频疲劳试验机，试验频率为130Hz左右，溢出判据为10⁷，试验材料为板状，试验夹持装置也为板状夹具（图1）。由于实验材料硬度比较大，而传统的夹具不仅尺寸不合适，同时硬度偏小，在本试验中采用碳素工具钢T8为楔块3制作材料，采用淬火处理，表面HRC硬度大于或等于55（图4（a）-图4（d））。

本发明一种超高强钢板状疲劳试样夹持部位加工方法，包括以下步骤：

（1）首先按照实验标准确定疲劳试样1的尺寸（图2），采用线切割对试样进行切割，然后采用铣床对试样上下表面进行加工，使疲劳试样1的尺寸到达试验要求。

（2）采用磨床对加工后的疲劳试样1的表面和侧面进行磨削，达到试验要求精度：表面粗糙度Ra为0.8；

（3）请参阅图6（a）至图（6c）所示，通过对疲劳试验机夹具楔块3进行测量确定疲劳试样1夹持部位V型槽10的方向与加载方向的夹角θ，相邻V型槽10的中心间距a、V型槽10的深度b和槽底部曲率半径为R。

（4）请参阅图5至图（6c）所示，通过铣床采用四刃铣刀对疲劳试样两端进行加工，相邻V型槽10的中心间距为a等于楔块3的咬齿间距，本实施例取a=2mm；V型槽10的方向与加载方向的夹角θ等于楔块3的咬齿与加载方向的夹角，本实施例取45度；为了减小由于表面缺口导致的应力集中，加工深度b选择为楔块3咬齿深度的三分之一，取0.2mm，尖端过渡圆弧半径R为0.02mm。完成后对两边铣削痕迹进行打磨。

本发明一种超高强钢板状疲劳试样的高周疲劳试验方法，包括以下步骤：

（1）在高周疲劳试验过程中，在夹持试样阶段，首先对螺栓2采用较小的公斤力（5～7Kg）进行紧固（图7（a），也有可能一次达到图7（b）的咬合状态），当试样1上下端紧固好后，将试样预先加载到试验测试的平均应力水平，然后对夹具螺栓2再次进行紧固，紧固力为5～7Kg，此时，楔块3的咬齿与试样1的V型槽10相配合（图7（b））。当紧固完后启动具有应力幅的振动，如试样1出现松动，停机再次紧固，紧固力仍为5～7Kg。

（2）对试样1在800～1100MPa载荷条件下进行测试，应力比选择为0.06，仪器加载平均载荷为21200～29150KN，交变载荷18800～25850KN。

对比不同处理后的疲劳试样夹紧力，对于未处理的板状疲劳试样，通过螺栓的加紧力最小为10Kg，才能达到防止试样打滑的效果，并且试样表面出现明显的夹持痕迹，使表面出现严重的塑性变形；而通过对夹持部位进行V型槽预处理的试样，螺栓夹紧力为5～7Kg时便可以达到紧固效果。对比没有进行刻槽和带有V型槽的疲劳试样夹持部位，没有经过处理的试样即使在循环载荷很小的条件下夹持部位仍然很容易出现裂纹，卸载后发现未处理试样夹持部位加载不均匀，只有少部分完全被夹持住，并且明显出现塑性变形区域。而对于具有V型槽的试样，表面夹持部位增加，同时夹持所引入的表面损伤也明显减小。分别对20组试样进行测试，结果显示未进行处理的试样夹持处失效断裂为80%左右，而经过处理的试样100%完整，完全解决了夹持起裂现象的产生。

最后说明的是，本实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (2)

1.超高强钢板状疲劳试样，其特征在于，该超高强钢板状疲劳试样的夹持部两侧面均开设有若干平行的V型槽(10)；V型槽(10)的方向与加载方向的夹角为θ，相邻V型槽(10)的中心间距为a；V型槽(10)的深度为b；a＝夹持超高强钢板状疲劳试样的楔块(3)的咬齿间距；θ＝楔块(3)的咬齿与加载方向的夹角；b＜楔块(3)咬齿深度；

V型槽(10)的槽底部曲率半径R为0.02mm；θ＝45度；

所述超高强钢板状疲劳试样的材质为30CrMnSiNi2A，经过调制处理，组织为回火马氏体，硬度HRC为50；

楔块(3)的表面HRC硬度大于或等于55；

超高强钢板状疲劳试样的抗拉强度大于1500MPa或者屈服强度大于1300MPa。

2.权利要求1所述的超高强钢板状疲劳试样进行高周疲劳试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在夹持试样阶段，首先对螺栓(2)采用5～7Kg力进行紧固，当超高强钢板状疲劳试样(1)上下端紧固好后，将试样预先加载到试验测试的平均应力水平，然后对夹具螺栓(2)再次进行紧固，紧固力为5～7Kg，此时，楔块(3)的咬齿与超高强钢板状疲劳试样(1)的V型槽(10)相配合；当紧固完后启动具有应力幅的振动，如超高强钢板状疲劳试样(1)出现松动，停机再次紧固，紧固力仍为5～7Kg；

(2)对超高强钢板状疲劳试样(1)在载荷条件下进行测试；

步骤(2)中对超高强钢板状疲劳试样(1)在800～1100MPa载荷条件下进行测试，应力比选择为0.06，仪器加载平均载荷为21200～29150KN，交变载荷18800～25850KN。