CN105223070B - 一种机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的方法及装置，该方法通过紧固螺钉将带有特制V型槽的两个U型板件固定在疲劳试样表面，高温动态引伸计前端嵌入两V型槽内，避免了动态引伸计在疲劳试验过程中的滑动。该装置主要由薄板和紧固螺钉组成，薄板开有特制V型槽，装置结构简单，加工容易。本发明在不改变疲劳试样表面形貌的基础上，有效避免了高温疲劳试验过程中动态引伸计的滑动，准确测量了疲劳试验过程中试样的变形，保证了疲劳试验的顺利进行，具有通用性强，操作简单，装置易加工且可重复使用的特点。
Description
技术领域
本发明属于材料试验，具体涉及一种机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的方法及装置。
背景技术
疲劳失效作为金属结构最典型的失效形式之一，从上个世纪二三十年代以来，就已经成为机械结构面临的核心课题，主要研究方向集中在金属的疲劳裂纹扩展，疲劳损伤机理以及疲劳寿命的预测模型等。目前，基于实验室中测量的疲劳试验结果进行材料的疲劳损伤和寿命分析，是最重要也是最基础的研究方式。疲劳试验的控制方式主要有应力控制、应变控制以及应力应变复合控制三种控制方式。根据研究者的需要，多数的疲劳试验都需要测量试样的变形值，尤其对于应变控制方式的疲劳试验，准确测量试样的应变值，是保证试验顺利进行的首要前提。然而，在高温疲劳试验中，由于疲劳试样的表面异常光滑，测量试样变形的动态引伸计极容易在试验过程中产生滑动，导致试验失败，浪费了大量的人力和财力。
动态引伸计滑动主要有三个方面的原因：其一，材料的疲劳失效对材料表面缺陷比较敏感，因此疲劳试样的表面非常光滑；其二，疲劳试验的动态载荷(尤其是拉压载荷)使得动态引伸计承受拉伸和压缩的往复作用；其三，较高频率和较大振幅的疲劳试验要求动态引伸计进行较高频次的同步响应。
目前，针对以上问题，国内已经在固定高温动态引伸计的方法上进行了一些尝试，提出了通过在疲劳试样表面上涂刷耐高温涂料，增大表面粗糙度，进而增大引伸杆与表面摩擦力，避免了疲劳试验中动态引伸计的滑动，确保试验的顺利进行。然而，高温涂料大都采用硅酸盐与其它配料按照一定的配比混合得到，其对使用温度有一定的要求，并且高温条件下很脆，试验过程中较易破碎和脱落。另外，高温涂料不仅制备麻烦，无法重复回收使用，固化时间较长，而且试样表面的涂料阻碍了试样在高温条件下的表面氧化，严重影响了高温疲劳试验结果的准确性，并且无法观察试验之后试样表面的高温腐蚀形貌。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的方法及装置，使试验过程中动态引伸计与疲劳试样表面保持相对固定，保证疲劳试验的顺利进行。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的装置，包括长条形薄板和紧固螺钉，沿薄板长度方向，在薄板两侧对称设置螺钉孔，将薄板弯曲，弯曲半径与疲劳试样平行段的半径相同，薄板与疲劳试样相接触表面的粗糙度与疲劳试样平行段的表面粗糙度相同；沿薄板宽度方向，距离薄板边缘宽度的1/3处，设有一个V型槽，V型槽长度方向的中心与薄板外表面长度方向的中心重合，紧固螺钉设置在上述螺钉孔中，通过紧固螺钉将薄板固定在疲劳试样表面；引伸计前端嵌入上述V型槽内。
上述V型槽的深度为不小于薄板厚度的2/5，长度比动态引伸计前端的宽度长1～2mm，开口角度不大于动态引伸计陶瓷杆前端的角度，保证动态引伸计陶瓷杆前端可嵌入V型槽内。
上述薄板的宽度为3～6mm，薄板厚度为0.3～0.6mm，两个螺钉孔间距为疲劳试样平行段横截面的周长，螺钉孔直径为2.5～3mm。
上述薄板的材料不锈钢，薄板厚度为0.5mm，两个螺钉孔间距为疲劳试样平行段横截面的周长，螺钉孔直径为2.5～3mm，薄板的宽度为4～6mm，V型槽的深度为0.4mm，长度比动态引伸计前端的宽度长1～2mm,开口角度不大于动态引伸计陶瓷杆前端的角度，保证动态引伸计陶瓷杆前端可嵌入V型槽内。
一种机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的方法，包括以下步骤：
步骤1)选择厚度为δ、长为L、宽为W的薄板，在薄板上对称设置两个相距为L1，直径为d的螺钉孔；在薄板的外表面，沿宽度方向，距离薄板边缘1/3W处，设有一个深度为h、开口角度为θ、长度为L3的V型槽，V型槽长度方向的中心与薄板外表面长度方向的中心重合；
步骤2)以疲劳试样平行段的圆柱为标准，沿着薄板长度方向的中心位置，将两个薄板弯曲成半径为R1的与试样平行段的半径R相同的U型板件，并通过紧固螺钉固定在疲劳试样表面，动态引伸计前端的两个陶瓷杆分别固定在两个U型板件外表面的V型槽内，薄板与疲劳试样相接触表面的粗糙度与疲劳试样平行段的表面粗糙度相同。
动态引伸计的标距L4＝1/3W+1/3W+L5＝2/3W+L5，其中L5为位于动态引伸计之间的两个U型板件边缘的距离。
上述V型槽的深度为不小于薄板厚度的2/5，长度比动态引伸计前端的宽度长1～2mm，开口角度不大于动态引伸计陶瓷杆前端的角度，保证动态引伸计陶瓷杆前端可嵌入V型槽内。
上述薄板的宽度为3～6mm，薄板厚度为0.3～0.6mm，两个螺钉孔间距为疲劳试样平行段横截面的周长，螺钉孔直径为2.5～3mm。
上述薄板的材料为不锈钢，其厚度δ为0.5mm，螺钉孔距L1为疲劳试样平行段横截面的周长，螺钉孔直径d为2.5～3mm；薄板的宽度W为4～6mm,V型槽的深度为0.4mm，长度比动态引伸计前端的宽度长1～2mm,开口角度不大于动态引伸计陶瓷杆前端的角度，保证动态引伸计陶瓷杆前端可嵌入V型槽内。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明提供了一种可靠的机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的方法，该方法能够保证疲劳试验过程中动态引伸计在试样表面牢靠固定，准确测量试样的变形，该方法成本低，操作简单，拆装都极其方便，U型板件的制作方法简单，且可重复使用。
(2)本发明可以通过调整螺钉的松紧度，确保U型板件和疲劳试样表面之间不产生滑动，V型槽与动态引伸计前端的镶嵌确保了动态引伸计与U型板件的固定位置，采用本发明不会对疲劳试样测量段的表面产生任何影响，可以观察试验结束后试样表面的氧化物形貌。
(3)本发明可根据不同的疲劳试样尺寸和动态引伸计型号，更改薄板的尺寸、V型槽的尺寸以及两个U型板件上V型槽之间的安装距离，使其适用于不同尺寸的圆棒试样和不同型号的高温动态引伸计，具有很强的通用性。
(4)薄板材料采用不锈钢材料，不仅具有较好的塑性，价格低廉，并且使用条件不受试验温度的严格控制。
附图说明
图1为本发明的薄板示意图，其中(a)为主视图，(b)为左视图。
图2为本发明的U型板件示意图。
图3为本发明的V型槽局部放大图。
图4为本发明的机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计装置示意图。
图5为应变控制方式的高温疲劳应力应变曲线图。
图6为应变应力复合控制方式的复杂载荷高温疲劳应力应变曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1、图2、图3和图4，一种机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的装置，包括长条形薄板和紧固螺钉，沿薄板长度方向，在薄板两侧对称设置螺钉孔，将薄板弯曲，弯曲半径与疲劳试样平行段的半径相同，薄板与疲劳试样相接触表面的粗糙度与疲劳试样平行段的表面粗糙度相同；沿薄板宽度方向，距离薄板边缘宽度的1/3处，设有一个V型槽，V型槽长度方向的中心与薄板外表面长度方向的中心重合，紧固螺钉设置在上述螺钉孔中，通过紧固螺钉将薄板固定在疲劳试样表面；引伸计前端嵌入上述V型槽内。
上述V型槽的深度为不小于薄板厚度的2/5，长度比动态引伸计前端的宽度长1～2mm，开口角度不大于动态引伸计陶瓷杆前端的角度，保证动态引伸计陶瓷杆前端可嵌入V型槽内。
上述薄板的宽度为3～6mm，薄板厚度为0.3～0.6mm，两个螺钉孔间距为疲劳试样平行段横截面的周长，螺钉孔直径为2.5～3mm。
上述薄板的材料为不锈钢，薄板厚度为0.5mm，两个螺钉孔间距为疲劳试样平行段横截面的周长，螺钉孔直径为2.5～3mm，薄板的宽度为4～6mm，V型槽的深度为0.4mm，长度比动态引伸计前端的宽度长1～2mm,开口角度不大于动态引伸计陶瓷杆前端的角度，保证动态引伸计陶瓷杆前端可嵌入V型槽内。
一种机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的方法，包括以下步骤：
步骤1)选择厚度为δ、长为L、宽为W的薄板，在薄板上对称设置两个相距为L1，直径为d的螺钉孔；在薄板的外表面，沿宽度方向，距离薄板边缘1/3W处，设有一个深度为h、开口角度为θ、长度为L3的V型槽，V型槽长度方向的中心与薄板外表面长度方向的中心重合；
步骤2)以疲劳试样平行段的圆柱为标准，沿着薄板长度方向的中心位置，将两个薄板弯曲成半径为R1的与试样平行段的半径R相同的U型板件，并通过紧固螺钉固定在疲劳试样表面，动态引伸计前端的两个陶瓷杆分别固定在两个U型板件外表面的V型槽内，薄板与疲劳试样相接触表面的粗糙度与疲劳试样平行段的表面粗糙度相同。
动态引伸计的标距L4＝1/3W+1/3W+L5＝2/3W+L5，其中L5为位于动态引伸计之间的两个U型板件边缘的距离。
上述V型槽的深度为不小于薄板厚度的2/5，长度比动态引伸计前端的宽度长1～2mm，开口角度不大于动态引伸计陶瓷杆前端的角度，保证动态引伸计陶瓷杆前端可嵌入V型槽内。
上述薄板的宽度为3～6mm，薄板厚度为0.3～0.6mm，两个螺钉孔间距为疲劳试样平行段横截面的周长，螺钉孔直径为2.5～3mm。
上述薄板的材料为不锈钢，其厚度δ为0.5mm，螺钉孔距L1为疲劳试样平行段横截面的周长，螺钉孔直径d为2.5～3mm；薄板的宽度W为4～6mm,V型槽的深度为0.4mm，长度比动态引伸计前端的宽度长1～2mm,开口角度不大于动态引伸计陶瓷杆前端的角度，保证动态引伸计陶瓷杆前端可嵌入V型槽内。
实施例1：
应变控制方式的高温疲劳试验，疲劳试样平行段半径R为5mm，测量疲劳试样变形的动态引伸计标距L4为25mm。
1)选择一块厚度δ＝0.5mm的不锈钢薄板，在薄板上对称加工出直径d＝3mm，孔距L1＝31.4mm的两个螺钉孔；
2)采用线切割加工技术，将步骤1中的薄板加工成宽W＝5mm，长L＝50mm的矩形，矩形的对称中心与两螺钉孔的对称中心重合，如图1所示，并将薄板中长度为50mm、宽度为5mm的两个面中的一个表面的粗糙度打磨至Ra0.2；
3)将已打磨的薄板表面与试样表面贴合，以疲劳试样平行段的圆柱为标准，沿着薄板长度方向的中心位置，将薄板弯曲成半径R1＝5mm的U型板件1，如图2所示；
4)将U型板件1用台钳固定，采用4号三角锉刀在U型板件1长度方向的中心位置和距离U型1板一边距离W1＝1.6mm的位置打磨出L3＝5mm，h＝0.4mm，θ＝60°的V型槽4，如图1和图3所示；
5)选取M3×18的耐高温内六角花型圆柱头螺钉2两个，用于紧固U型板件1。按照图4所示安装两个U型板件1，保证两个V型槽4之间的距离等于动态引伸计的标距，L4＝25mm，最后拧紧两个紧固螺钉2，确保U型板件1与疲劳试样3之间不产生滑动。
6)U型板件1的制作及其在疲劳试样3上的安装完成，将动态引伸计陶瓷杆前端嵌入到两个V型槽4内，设置疲劳试验参数，进行正常的疲劳试验。
在本次疲劳试验过程中，动态引伸计并未产生任何滑动，准确测量了试验过程中试样的变形，保证了试验的顺利进行，图5给出了本次疲劳试验第一周的应力应变曲线，曲线光滑完整，并未出现明显突变台阶。本次试验制作的两个U型板件可以重复使用在平行段直径R＝10mm的疲劳时试样上，且对所使用引伸计的标距没有要求。
实施例2：
应变应力复合控制方式的复杂载荷高温疲劳试验，疲劳试样平行段半径R为3mm，测量疲劳试样变形的动态引伸计标距L4为12.5mm。
1)选择一块厚度δ＝0.5mm的不锈钢薄板，在薄板上对称加工出直径d＝2.5mm，孔距L1＝18.8mm的两个螺钉孔；
2)采用线切割加工技术，将步骤1中的薄板加工成宽W＝4mm，长L＝37mm的矩形，矩形的对称中心与两螺钉孔的对称中心重合，如图1所示，并将薄板中长度为37mm、宽度为4mm的两个面中的一个表面的粗糙度打磨至Ra0.2；
3)将已打磨的薄板表面与试样表面贴合，以疲劳试样3平行段的圆柱为标准，沿着薄板长度方向的中心位置，将薄板弯曲成半径R1＝3mm的U型板件1，如图2所示；
4)将U型板件1用台钳固定，采用4号三角锉刀在U型板件1长度方向的中心位置和距离U型板1一边距离W1＝1.3mm的位置打磨出L3＝5mm，h＝0.4mm，θ＝60°的V型槽4，如图1和图3所示；
5)选取M2.5×17的耐高温内六角花型圆柱头螺钉2两个，用于紧固U形板件1。按照图4所示安装两个U型板件1，保证两个V型槽4之间的距离等于动态引伸计的标距，L4＝12.5mm，最后拧紧两个紧固螺钉2，确保U型板件1与疲劳试样3之间不产生滑动。
6)U型板件1的制作及其在疲劳试样3上的安装完成，将动态引伸计陶瓷杆前端嵌入到两个V型槽内，设置疲劳试验参数，进行正常的疲劳试验。
在本次疲劳试验过程中，动态引伸计并未产生任何滑动，准确测量了试验过程中试样的变形，保证了试验的顺利进行，图6给出了本次疲劳试验第一周的应力应变曲线，曲线光滑完整，并未出现明显突变台阶。另外，本次试验制作的两个U型板件可以重复使用在平行段半径R＝3mm的疲劳试样上，且对所使用引伸计的标距没有要求。
Claims (9)
1.一种机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的装置，其特征在于：包括长条形薄板和紧固螺钉，沿薄板长度方向，在薄板两侧对称设置螺钉孔，将薄板弯曲，弯曲半径与疲劳试样平行段的半径相同，薄板与疲劳试样相接触表面的粗糙度与疲劳试样平行段的表面粗糙度相同；沿薄板宽度方向，距离薄板边缘宽度的1/3处，设有一个V型槽，V型槽长度方向的中心与薄板外表面长度方向的中心重合，紧固螺钉设置在上述螺钉孔中，通过紧固螺钉将薄板固定在疲劳试样表面；引伸计前端的两个陶瓷杆分别嵌入两个U型板件外表面的V型槽内。
2.根据权利要求1所述的机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的装置，其特征在于：上述V型槽的深度为不小于薄板厚度的2/5，长度比动态引伸计前端的宽度长1~2mm，开口角度不大于动态引伸计陶瓷杆前端的角度，保证动态引伸计陶瓷杆前端可嵌入V型槽内。
3.根据权利要求1所述的机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的装置，其特征在于：上述薄板的宽度为3~6mm，薄板厚度为0.3~0.6mm，两个螺钉孔间距为疲劳试样平行段横截面的周长，螺钉孔直径为2.5~3mm。
4.根据权利要求1所述的机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的装置，其特征在于：上述薄板的材料为不锈钢，薄板厚度为0.5mm，两个螺钉孔间距为疲劳试样平行段横截面的周长，螺钉孔直径为2.5~3mm，薄板的宽度为4~6mm，V型槽的深度为0.4mm，长度比动态引伸计前端的宽度长1~2mm, 开口角度不大于动态引伸计陶瓷杆前端的角度，保证动态引伸计陶瓷杆前端可嵌入V型槽内。
5.一种机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）选择厚度为δ、长为L、宽为W的薄板，在薄板上对称设置两个相距为L1，直径为d的螺钉孔；在薄板的外表面，沿宽度方向，距离薄板边缘1/3W处，设有一个深度为h、开口角度为θ、长度为L3的V型槽，V型槽长度方向的中心与薄板外表面长度方向的中心重合；
步骤2）以疲劳试样平行段的圆柱为标准，沿着薄板长度方向的中心位置，将两个薄板弯曲成半径为R1的与试样平行段的半径R相同的U型板件，并通过紧固螺钉固定在疲劳试样表面，动态引伸计前端的两个陶瓷杆分别固定在两个U型板件外表面的V型槽内，薄板与疲劳试样相接触表面的粗糙度与疲劳试样平行段的表面粗糙度相同。
6.根据权利要求5所述的机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的方法，其特征在于：动态引伸计的标距L4=1/3W+1/3W+L5=2/3W+L5，其中L5为位于动态引伸计之间的两个U型板件边缘的距离。
7.根据权利要求5所述的机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的方法，其特征在于：上述V型槽的深度为不小于薄板厚度的2/5，长度比动态引伸计前端的宽度长1~2mm，开口角度不大于动态引伸计陶瓷杆前端的角度，保证动态引伸计陶瓷杆前端可嵌入V型槽内。
8.根据权利要求5所述的机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的方法，其特征在于：上述薄板的宽度为3~6mm，薄板厚度为0.3~0.6mm，两个螺钉孔间距为疲劳试样平行段横截面的周长，螺钉孔直径为2.5~3mm。
9.根据权利要求5所述的机械式固定高温疲劳试验中动态引伸计的方法，其特征在于，上述薄板的材料为不锈钢，其厚度δ为0.5mm，螺钉孔距L1为疲劳试样平行段横截面的周长，螺钉孔直径d为2.5~3mm；薄板的宽度W为4~6mm, V型槽的深度为0.4mm，长度比动态引伸计前端的宽度长1~2mm, 开口角度不大于动态引伸计陶瓷杆前端的角度，保证动态引伸计陶瓷杆前端可嵌入V型槽内。
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