CN104237007B - 一种测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料测试技术领域，涉及一种测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置。本装置包括板状的试样，还包括用于通过第二夹具机构对所述试样施加拉伸、剪切、扭转作用的第一夹具机构；所述第二夹具机构用于夹持所述试样，并与第一夹具机构相配合使试样产生复合型疲劳裂纹；本装置还包括用于测量并记录所述试样上产生的复合型疲劳裂纹长度的疲劳裂纹测量仪。本装置通过普通拉压型或拉压+扭转型疲劳试验机驱动第一夹具机构和第二夹具机构对所述试样施加拉伸、剪切、扭转作用，从而可完全满足I型、II型、III型及复合型疲劳裂纹扩展速率试验测试的要求，为实现关键机械零件和工程构件在复杂使役条件下的疲劳寿命精确预测奠定了基础。

Description

一种测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置
技术领域
本发明属于材料测试技术领域，涉及一种测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置。
背景技术
疲劳破坏是机械零部件和工程构件的主要失效模式之一，且多为脆性破坏形式，易造成较大的经济财产损失，因此长期以来疲劳破坏问题一直受到人们的广泛关注。通过大量的试验研究和实际工程应用，基于不同的理念已经形成了一些疲劳破坏的描述方法。其中，基于损伤容限理念形成的疲劳裂纹扩展速率描述方法，在含裂纹构件的疲劳寿命评价中取得了较好的效果。疲劳裂纹扩展速率不仅是表征材料抵抗疲劳裂纹扩展的重要参数，也是对基于弹塑性力学的疲劳强度总寿命设计理念的重要拓展。随着断裂力学的不断发展与完善，该方法在疲劳设计与分析中得到了越来越广泛的应用。对于实际机械零部件和工程构件而言，由于结构和使役条件复杂，疲劳破坏大多为复合型，因此，研究复合型疲劳裂纹扩展导致的破坏具有十分重要的理论意义和工程价值。
根据疲劳裂纹与受力情况可将疲劳裂纹分为I型(裂纹承受垂直正应力作用)、II型(裂纹承受面内剪应力作用)、III型(裂纹承受面外剪应力作用)三种。目前已经开展了许多关于疲劳裂纹扩展速率的试验研究，但大多集中在采用标准夹具和试样测试裂纹在I型疲劳载荷作用下的扩展速率，而关于II型、III型及复合型疲劳裂纹扩展速率的研究较少，试验数据较为匮乏。当今商用疲劳试验机仍以轴向拉压型为主，即使采用轴向拉压+扭转型试验机，对于标准夹具和试样通常也只能开展I型、III型和I-III型复合型疲劳裂纹扩展试验。而掌握裂纹在各种类型疲劳载荷作用下的扩展速率，将有利于实现对机械零件和工程构件在复杂应力场下的疲劳寿命进行精确预测。
发明内容
本发明的目的是提供一种测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置，本装置能够较好地测量各类复合型疲劳裂纹的扩展速率，实现复合型疲劳载荷作用下的裂纹扩展试验，研究复杂交变应力场作用下材料的疲劳裂纹扩展规律，进而为关键机械零件和工程构件在复杂使役条件下的疲劳寿命精确预测提供参考和依据。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置，包括板状的试样，本装置包括如下组成部分：
第一夹具机构，用于通过第二夹具机构对所述试样施加拉伸、剪切、扭转作用；
第二夹具机构，用于夹持所述试样，并与第一夹具机构相配合使试样产生复合型疲劳裂纹；
疲劳裂纹测量仪，用于测量并记录所述试样上产生的复合型疲劳裂纹长度。
同时，本发明还可以通过以下技术措施得以进一步实现：
优选的，所述第一夹具机构包括两个第一夹具，所述第一夹具的一端设置为呈圆柱状的长杆，另一端设置为便于与第二夹具机构中的夹具相连的U型夹持部；所述长杆和U型夹持部整体成型。
优选的，所述第二夹具机构包括第一法兰式夹具和第二法兰式夹具，所述第一法兰式夹具和第二法兰式夹具均由法兰盘和法兰颈构成，且构成同一个法兰式夹具的法兰盘和法兰颈整体成型；
所述法兰盘和法兰颈均呈扇形，且法兰盘的突出在法兰颈外侧的弧形边缘处沿法兰盘的周向均匀地分布有若干个贯穿盘体的加载孔；
所述扇形法兰颈的圆心处设置有便于所述试样安装的夹持面，所述夹持面垂直于法兰盘的盘面，所述第一法兰式夹具的法兰颈和第二法兰式夹具的法兰颈分别从试样的两个侧面将所述试样夹持固定，且绝缘连 接部件穿过试样伸入法兰颈并将所述试样紧固在夹持面处；所述夹持面与所述试样的侧面之间设置有绝缘垫片；处于夹持状态的第一法兰式夹具的法兰盘和第二法兰式夹具的法兰盘共面，且第一法兰式夹具的法兰盘和第二法兰式夹具的法兰盘半径相同且共圆心；
所述第一夹具的U型夹持部通过连接部件与所述法兰盘上的加载孔固接，且两个第一夹具上的U型夹持部分别与第一法兰式夹具的法兰盘和第二法兰式夹具的法兰盘相连；与U型夹持部相连的第一法兰式夹具的法兰盘上的加载孔中心和第二法兰式夹具的法兰盘上的加载孔中心共同构成加载线，所述加载线穿过法兰盘的圆心；
所述加载线与两个第一夹具对试样进行拉伸作用时在试样上产生的预制疲劳裂纹面共面。
优选的，所述板状的试样呈长方形，所述试样上设置有一个自试样的边缘处沿试样的宽度方向向试样内部延伸的机加工缺口，所述机加工缺口设置在试样的沿其长度方向一侧的中部，且所述机加工缺口的位于试样内部的封闭端呈尖峰状，所述机加工缺口的尖峰状封闭端的峰线与所述预制疲劳裂纹面共面；所述机加工缺口的两侧对称设置有供绝缘连接部件穿过的固定孔，所述固定孔的孔中心连线垂直于所述预制疲劳裂纹面。
进一步的，所述第一法兰式夹具的法兰盘和第二法兰式夹具的法兰盘的所对应的圆心角均为90度。
进一步的，每个法兰盘上的加载孔均布设为5～9个，且两个法兰盘上的加载孔的数量相同。
优选的，所述连接部件为紧固螺栓，螺栓的螺杆穿过所述U型夹持部和加载孔将第一夹具和法兰盘连接在一起，螺栓螺杆伸出在U型夹持部外侧的端部紧固有螺母。
优选的，所述绝缘连接部件为绝缘螺栓，所述法兰颈的夹持面上设有与所述绝缘螺栓相对应的螺纹孔。
优选的，所述疲劳裂纹测量仪为直流电位式疲劳裂纹测量仪，直流电位式疲劳裂纹测量仪的两个电压探头与所述机加工缺口的开口端的两侧分别相连；所述直流电位式疲劳裂纹测量仪的两个电流探头分别连接在所述固定孔的孔中心连线和试样的沿试样长度方向的两个端面的相交处。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明在工作时，由第二夹具机构夹持固定试样，然后将第一夹具机构与第二夹具机构相连，并使第一夹具机构与普通拉压型或拉压+扭转型疲劳试验机相连，然后使疲劳裂纹测量仪与试样相连，通过普通拉压型或拉压+扭转型疲劳试验机驱动第一夹具机构和第二夹具机构对所述试样施加拉伸、剪切、扭转作用，从而可完全满足I型、II型、III型及复合型疲劳裂纹扩展速率试验测试的要求，为实现关键机械零件和工程构件在复杂使役条件下的疲劳寿命精确预测奠定了基础。
2)、本发明中的第一夹具的长杆和U型夹持部整体成型，克服了传统的分体式螺纹连接夹具无法有效传递疲劳扭矩的缺点；同时第一夹具的U型夹持部通过螺栓螺母紧固的方式与法兰盘上的加载孔固定连接，在保证试验过程中不发生侧向滑动的同时，使拉扭疲劳载荷传递得更加平稳顺畅。
3)、本发明中的第二夹具机构包括第一法兰式夹具和第二法兰式夹具，所述第一法兰式夹具和第二法兰式夹具分别从试样的两侧夹持固定试样，同时由于试样的固定孔对称设置在机加工缺口的两侧，因此本发明中的第二夹具机构在夹持固定试样时留出了试样的整个测试部分，从而便于疲劳试验过程中进行裂纹长度测试与扩展路径观察。
4)、在试验过程中，本发明中的试样不但能够单独实现拉伸、剪切、扭转试验，而且能够同时实现拉伸、剪切、扭转中的两种或三种共同试验，也即本发明中的试样可以同时满足I型、II型、III型及复合型疲劳裂纹扩展试验，因此本发明中的试样也被称为CTST拉剪扭试样；本 发明中的CTST拉剪扭试样的独特结构除保留了紧凑拉伸试样即CT试样的有效裂纹疲劳扩展长度大的优点外，还易于预制I型疲劳裂纹。
5)、本发明通过绝缘螺栓将试样夹持固定在第一法兰式夹具和第二法兰式夹具之间，所述绝缘螺栓和绝缘垫片的设置阻隔了两法兰式夹具和CTST拉剪扭试样之间的电流导通，降低了疲劳试验测试过程中监测电压信号的信噪比。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是第一夹具的结构示意图。
图3是连接第一夹具的U型夹持部与法兰盘上的加载孔的螺栓螺母的结构示意图。
图4是第一法兰式夹具的结构示意图。
图5是第二法兰式夹具的结构示意图。
图6、7是第一法兰式夹具和第二法兰式夹具彼此配合时的结构示意图。
图8是试样的结构示意图。
图9是直流电位式疲劳裂纹测量仪和试样相连接的结构示意图。
图10是第一夹具对试样预制I型疲劳裂纹时的结构示意图。
图中标记的含义如下：
10—第一夹具 11—长杆 12—U型夹持部
20A—第一法兰式夹具 20B—第二法兰式夹具 21—法兰盘
22—法兰颈 23—加载孔 24—夹持面 30—试样
31—机加工缺口 32—固定孔 33—封闭端
40—疲劳裂纹测量仪 41—电压探头 42—电流探头
50—绝缘螺栓 60—紧固螺栓 61—螺母
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作过程做进一步说明。
如图1～10所示，本测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置包括如下组成部分：
两个第一夹具10，所述第一夹具10的一端设置为呈圆柱状的长杆11，另一端设置为便于与第二夹具机构中的夹具相连的U型夹持部12；所述长杆11和U型夹持部12整体成型。如图2所示，所述U型夹持部12有两个彼此相邻且平行设置的耳板构成，两个耳板之间设置有便于容纳法兰盘21的间隙，且两个耳板上对应设置有供紧固螺栓60穿过的工艺孔。
第一法兰式夹具20A和第二法兰式夹具20B，所述第一法兰式夹具20A和第二法兰式夹具20B均由法兰盘21和法兰颈22构成，且构成同一个法兰式夹具的法兰盘21和法兰颈22整体成型；所述法兰盘21和法兰颈22均呈扇形，且法兰盘21的突出在法兰颈22外侧的弧形边缘处沿法兰盘21的周向均匀地分布有若干个贯穿盘体的加载孔23，如图4、5、6所示。
所述扇形法兰颈22的圆心处设置有便于所述试样30安装的夹持面24，所述夹持面24垂直于法兰盘21的盘面，且夹持面24上设有螺纹孔；所述第一法兰式夹具20A的法兰颈22和第二法兰式夹具20B的法兰颈22分别从试样30的两个侧面将所述试样30夹持固定，且绝缘螺栓50穿过试样30并伸入到夹持面24上的螺纹孔中以将所述试样30紧固在两个夹持面24之间，如图7所示，所述夹持面24与所述试样30的侧面之间设置有绝缘垫片；处于夹持状态的第一法兰式夹具20A的法兰盘21和第二法兰式夹具20B的法兰盘21共面，且第一法兰式夹具20A的法兰盘21和第二法兰式夹具20B的法兰盘21半径相同且共圆心，如图6所示，为简洁起见，图6中并未画出试样30。
所述第一法兰式夹具20A的法兰盘21和第二法兰式夹具20B的法兰盘21共面，即两个法兰盘21的处于同一侧的盘面彼此重合或共面。
如图6所示，所述第一法兰式夹具20A的法兰盘21和第二法兰式 夹具20B的法兰盘21的所对应的圆心角均为90度，且每个法兰盘21上的加载孔23均布设为5个。
如图6所示，加载孔A1与加载孔A2彼此对应且二者的连线即加载线穿过圆心；加载孔B1与加载孔B2彼此对应且二者的连线即加载线穿过圆心；加载孔C1与加载孔C2彼此对应且二者的连线即加载线穿过圆心；加载孔D1与加载孔D2彼此对应且二者的连线即加载线穿过圆心；加载孔E1与加载孔E2彼此对应且二者的连线即加载线穿过圆心。
如图8所示，所述板状的试样30呈长方形，试样30上设置有一个自试样30的边缘处沿试样30的宽度方向向试样30内部延伸的机加工缺口31，所述机加工缺口31设置在试样30的沿其长度方向一侧的中部，且所述机加工缺口31的位于试样30内部的封闭端33呈尖峰状，所述机加工缺口31的尖峰状封闭端33的峰线与所述预制疲劳裂纹面共面；所述机加工缺口31的两侧对称设置有供绝缘连接部件穿过的固定孔32，所述固定孔32的孔中心连线垂直于所述预制疲劳裂纹面。
如图9所示，所述疲劳裂纹测量仪40为直流电位式疲劳裂纹测量仪，直流电位式疲劳裂纹测量仪的两个电压探头41与所述机加工缺口31的开口端的两侧部分别相连；所述直流电位式疲劳裂纹测量仪的两个电流探头42分别连接在所述固定孔32的孔中心连线和试样30的沿试样长度方向的两个端面的相交处。
下面结合图1、10对本发明的试验过程做详细说明。
试验时的结构如图1所示，以试样30为中心，首先通过四个绝缘螺栓50将试样30固定连接到第一法兰式夹具20A和第二法兰式夹具20B的夹持面24之间；然后将一个紧固螺栓60的螺杆依次穿过U型夹持部12的耳板上的工艺孔和第一法兰式夹具20A的法兰盘21上加载孔A1，在螺杆的伸出端拧上螺母61，使第一夹具10和第一法兰式夹具20A的法兰盘21固定连接，再使用另一个紧固螺栓60的螺杆依次穿过U型夹持部12的耳板上的工艺孔和第二法兰式夹具20A的法兰盘21上加载孔 A2，在螺杆的伸出端拧上螺母61，使第一夹具10和第二法兰式夹具20A的法兰盘21固定连接；再将两个第一夹具10分别连接到疲劳试验机上，最后连接直流电位式裂纹测量仪40与CTST拉剪扭试样30，电压探头41即电压测试端导线分别接在机加工缺口31的开口端附近，电流探头42即电流源导线分别接在试样的四个固定孔32的孔中心连线和试样30的沿试样长度方向的两个端面的相交处。
所述加载孔A1和加载孔A2相连构成的加载线与两个第一夹具10对试样30进行拉伸作用时即单独施加轴向拉伸载荷在试样30上产生的预制疲劳裂纹面共面。
当改变加载孔以重新对试样30施加作用时，改变后的两个加载孔的连线所得到的加载线仍然需要穿过两个法兰盘21的圆心，同时改变后的两个加载孔的连线所得到的加载线与两个第一夹具10对试样30进行拉伸作用时即单独施加轴向拉伸载荷在试样30上产生的预制疲劳裂纹面共面。
试验方法按如下步骤进行：
1、如图10所示，直接通过紧固螺栓60和螺母61使两个第一夹具10即一体式U型夹具与试样30即CTST拉剪扭试样的机加工缺口31两侧的对称分布的两个固定孔32相连，疲劳试验机通过第一夹具10向试样30施加轴向拉伸载荷预制疲劳裂纹，得到预制疲劳裂纹面。为减少预制疲劳裂纹所用时间，先采用较高的载荷产生疲劳裂纹，之后分级降载，每级下降率不得大于20％，预制疲劳裂纹最后一级的最大力值不得超过开始记录试验数据时的最大力值。
2、预制完疲劳裂纹后，从第一夹具10即一体式U型夹具上卸下CTST拉剪扭试样，通过绝缘螺栓50将CTST拉剪扭试样固定连接在第一法兰式夹具20A和第二法兰式夹具20B的夹持面24之间，夹持面24与CTST拉剪扭试样之间垫有绝缘垫片，再使第一法兰式夹具20A的法兰盘21上的加载孔和第二法兰式夹具20B的法兰盘21上的加载孔分别与两个 第一夹具10即一体式U型夹具的U型夹持部相连，之后按照图9所示的结构连接直流电位式裂纹测量仪40与CTST拉剪扭试样，设定相应的试验频率、波形、载荷类型与比例进行所需的复合型疲劳裂纹扩展试验，通过不同加载孔对的轴向拉伸实现II型、III型加载，通过轴向扭转实现I型加载。
3、复合型疲劳裂纹扩展试验开始前开启直流电位式裂纹测量仪实时记录每个疲劳周次下CTST拉剪扭试样的电位值，每隔一定周次暂停试验，采用醋酸纤维素薄膜和丙酮进行表面复型(具体周次视裂纹扩展速率而定，近门槛值区段内可每104～105周次测量复型一次，Paris区段内可每103～104周次测量复型一次，高速扩展区段内需要复型的频率更高)，开展标定试验。
4、完成试验后，比较标定试验结果与直流电位式裂纹测量仪记录数据，分析不同疲劳周次下裂纹长度和测量电压之间的关系，采用如下关系式表示：
a/a0＝P0+P1(V/V0)+P2(V/V0)2+P3(V/V0)3
(1)
式中，a0、a、V0、V分别为初始裂纹长度、裂纹长度、初始电压值、测量电压值，P1、P2、P3、P4是拟合系数。通过回归计算出裂纹长度-疲劳周次曲线，进而微分得到疲劳裂纹扩展速率，再结合有限元数值计算得到复合型应力强度因子范围，最终获得复合型疲劳裂纹扩展速率曲线。

Claims (7)

1.一种测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置，包括板状的试样(30)，其特征在于本装置包括如下组成部分：
第一夹具机构，用于通过第二夹具机构对所述试样(30)施加拉伸、剪切、扭转作用；
第二夹具机构，用于夹持所述试样(30)，并与第一夹具机构相配合使试样(30)产生复合型疲劳裂纹；
疲劳裂纹测量仪(40)，用于测量并记录所述试样(30)上产生的复合型疲劳裂纹长度；
所述第一夹具机构包括两个第一夹具(10)，所述第一夹具(10)的一端设置为呈圆柱状的长杆(11)，另一端设置为便于与第二夹具机构中的夹具相连的U型夹持部(12)；所述长杆(11)和U型夹持部(12)整体成型；
所述第二夹具机构包括第一法兰式夹具(20A)和第二法兰式夹具(20B)，所述第一法兰式夹具(20A)和第二法兰式夹具(20B)均由法兰盘(21)和法兰颈(22)构成，且构成同一个法兰式夹具的法兰盘(21)和法兰颈(22)整体成型；
所述法兰盘(21)和法兰颈(22)均呈扇形，且法兰盘(21)的突出在法兰颈(22)外侧的弧形边缘处沿法兰盘(21)的周向均匀地分布有若干个贯穿盘体的加载孔(23)；
所述扇形法兰颈(22)的圆心处设置有便于所述试样(30)安装的夹持面(24)，所述夹持面(24)垂直于法兰盘(21)的盘面，所述第一法兰式夹具(20A)的法兰颈(22)和第二法兰式夹具(20B)的法兰颈(22)分别从试样(30)的两个侧面将所述试样(30)夹持固定，且绝缘连接部件穿过试样(30)伸入法兰颈(22)并将所述试样(30)紧固在夹持面(24)处，所述夹持面(24)与所述试样(30)的侧面之间设置有绝缘垫片；处于夹持状态的第一法兰式夹具(20A)的法兰盘(21)和第二法兰式夹具(20B)的法兰盘(21)共面，且第一法兰式夹具(20A)的法兰盘(21)和第二法兰式夹具(20B)的法兰盘(21)半径相同且共圆心；
所述第一夹具(10)的U型夹持部(12)通过连接部件与所述法兰盘(21)上的加载孔(23)固接，且两个第一夹具(10)上的U型夹持部(12)分别与第一法兰式夹具(20A)的法兰盘(21)和第二法兰式夹具(20B)的法兰盘(21)相连；与U型夹持部(12)相连的第一法兰式夹具(20A)的法兰盘(21)上的加载孔(23)中心和第二法兰式夹具(20B)的法兰盘(21)上的加载孔(23)中心共同构成加载线，所述加载线穿过法兰盘的圆心；
所述加载线与两个第一夹具(10)对试样(30)进行拉伸作用时在试样(30)上产生的预制疲劳裂纹面共面。
2.根据权利要求1所述的测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置，其特征在于：所述板状的试样(30)呈长方形，所述试样(30)上设置有一个自试样(30)的边缘处沿试样(30)的宽度方向向试样(30)内部延伸的机加工缺口(31)，所述机加工缺口(31)设置在试样(30)的沿其长度方向一侧的中部，且所述机加工缺口(31)的位于试样(30)内部的封闭端呈尖峰状，所述机加工缺口(31)的尖峰状封闭端的峰线与所述预制疲劳裂纹面共面；所述机加工缺口(31)的两侧对称设置有供绝缘连接部件穿过的固定孔(32)，所述固定孔(32)的孔中心连线垂直于所述预制疲劳裂纹面。
3.根据权利要求1所述的测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置，其特征在于：所述第一法兰式夹具(20A)的法兰盘(21)和第二法兰式夹具(20B)的法兰盘(21)的所对应的圆心角均为90度。
4.根据权利要求1所述的测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置，其特征在于：每个法兰盘(21)上的加载孔(23)均布设为5～9个，且两个法兰盘(21)上的加载孔(23)的数量相同。
5.根据权利要求1所述的测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置，其特征在于：所述连接部件为紧固螺栓(60)，螺栓(60)的螺杆穿过所述U型夹持部(12)和加载孔(23)将第一夹具(10)和法兰盘连接在一起，螺栓(60)的螺杆伸出在U型夹持部(12)外侧的端部紧固有螺母(61)。
6.根据权利要求2所述的测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置，其特征在于：所述绝缘连接部件为绝缘螺栓(50)，所述法兰颈(22)的夹持面(24)上设有与所述绝缘螺栓(50)相对应的螺纹孔。
7.根据权利要求2所述的测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置，其特征在于：所述疲劳裂纹测量仪(40)为直流电位式疲劳裂纹测量仪，直流电位式疲劳裂纹测量仪的两个电压探头与所述机加工缺口(31)的开口端的两侧分别相连；所述直流电位式疲劳裂纹测量仪的两个电流探头分别连接在所述固定孔(32)的孔中心连线和试样(30)的沿试样长度方向的两个端面的相交处。
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