CN106092731A - 一种可提供不同液体介质环境的形状记忆合金材料疲劳试验皿 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可提供不同液体介质环境的形状记忆合金材料疲劳试验皿，包括盛装液体的容器（6）和套管（7）、连接容器及套管的紧固内螺纹圈（4）和橡胶圈（5）以及相应夹头。本发明试验夹具可用于将材料试样置于不同液体环境中，适用于形状记忆合金在不同液体介质中的单轴或多轴疲劳试验，具有结构简单，功能齐全，加工方便，经济适用，密封性好，可反复使用等优点。

Description

一种可提供不同液体介质环境的形状记忆合金材料疲劳试 验皿

技术领域

本发明属于智能材料热力学性能测试技术领域，尤其是镍钛形状记忆合金在不同液体环境下的疲劳实验领域。

背景技术

由于工作环境对材料的力学性能影响较大，因此开展不同液体例如水、油、电解质、酸液等环境中材料的力学行为实验对构件的设计及安全性评价有非常重要的意义。

近几十年来，形状记忆合金因其特有的超弹性、形状记忆效应和生物相容性，被广泛的应用于微机电系统，生物医学，航空航天和汽车等领域。由于形状记忆合金器件常作为工程构件中重要的组成元件，在实际服役过程中不可避免地承受各种不同频率的循环荷载和温度作用，其服役环境包括海水、人体体液、水、油和酸液等不同介质。循环变形行为、损伤累积和疲劳失效问题决定了器件的服役可靠性和使用寿命。因此，对不同介质、不同频率和不同温度下的，形状记忆合金材料开展循环变形行为及疲劳失效的实验研究对器件的设计及可靠性评价有十分重要的意义。

与普通金属不同，形状记忆合金的率相关特性是由于其在变形过程中强烈的热力耦合作用引起的。一方面，在非弹性变形中，机械耗散和相变潜热的共同贡献会引起合金内部热生成。内部热生成和合金内部以及边界的热传导、热对流形成竞争关系；在加载率很低时，合金内部的热量有足够的时间通过热传导和热对流与合金周围介质进行热交换，并很快达到动态平衡，合金近似于等温状态；而在加载率很高时，由于变形时间极短，内部热生成来不及与外界发生热交换，合金近似处于绝热状态，热量将滞留于材料内部而引起温度显著升高。另一方面，镍钛形状记忆合金的相变应力强烈地依赖于材料的温度。以上两方面原因的相互影响导致了形状记忆合金对加载率的强烈依赖性。

目前已有对形状记忆合金材料的率相关疲劳实验，实验工况主要集中于0.1HZ以上的较高频率，而对于更低频率的疲劳实验研究则较少。这主要是由于更低频率的疲劳实验用时太长，完成难度非常大。因此，开发特殊的从低频到高频完整的率相关疲劳实验装置对形状记忆合金的疲劳失效评估十分必要。

然而，现有实验方法仍存在着很多不足：

（1）已有的率相关疲劳大多在空气中进行，对于低频率的疲劳实验，几乎不可能完成；相对于空气而言，液体的热传导性更好，将被测试样置于不同液体环境中，使得形状记忆合金内部热量能够更快的传递出去，从而等效于材料在空气中进行的低速率工况，可以有效地解决低频率耗时太久的问题，还可进一步研究在不同液体环境中形状记忆合金的循环变形特性及疲劳性能。

（2）已有的实验研究主要集中于镍钛形状记忆合金丝试样的弯曲和扭转实验，这是由于用于镍钛形状记忆合金丝试样的试验机较小且是横向放置，可以直接将实验机置于水中，而对于拉扭组合的多轴加载MTS试验机而言，需要开发夹持试样又能密封住液体的夹具。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是建立一种基于MTS试验机系统的可提供不同液体介质环境的材料形状记忆合金疲劳试验皿，使试样在不同液体环境中进行实验的材料试验夹具，该夹具能够很好地夹持试样，且密封性好，可以反复使用。

本发明的目的是通过如下的手段实现的：一种可提供不同液体介质环境的形状记忆合金材料疲劳试验皿，包括可用于盛装液体的容器（6）和置于容器中心的试样夹持机构；所述试样夹持机构主要由上夹头（1）、下夹头（3）和套管（7）组成；套管（7）的下端为盲口，上端外侧平台上置有外螺纹圈；套管（7）穿过容器（6）的中心通孔，紧固内螺纹圈（4）套在套管（7）的外螺纹圈上，实现套管（7）与容器（6）的密闭联接；上夹头（1）和下夹头（3）均为侧面有开口的盲头圆管；实验安装时，被测圆筒试样上下端分别插入上夹头（1）和下夹头（3）内；下夹头（3）插入套管（7）内。

进一步地，紧固内螺纹圈（4）与容器（6）内底面间设置有橡胶圈（5）。

进一步地，所述上夹头（1）和下夹头（3）的内径与被测圆筒试样的外径相当。

本发明可提供不同液体介质环境的材料形状记忆合金疲劳试验皿用于MTS控制及采集系统，实现将试样放置于不同液体环境中进行实验。

该发明适用于各种液体环境，如水、油、电解质、酸液等，可以用来研究形状记忆合金在不同液体介质中的疲劳失效行为。

附图说明

图1为本发明实验装置所述系统的整体结构示意图。

图2为本发明实验装置的试样、夹块及容器的整体装配示意图。

图3为本发明实验装置除容器外的部件结构示意图。

图4为本发明实验装置除容器外的部件结构装配示意图。

图5为本发明实验方法测得不同频率下液体介质水中镍钛形状记忆合金的应力-应变曲线。

图6为本发明实验方法测得液体介质水中镍钛形状记忆合金的温度演化曲线。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的装置做进一步的详述。

图1给出了该发明实验装置未装配之前的各个结构构件示意图。

图2为图1中各个结构构件装配完成后的整体示意图。

图3为除容器外，该夹具的各个部件结构示意图。

图4为图3中各个结构构件装配完成后的示意图。

图5为镍钛形状记忆合金在两种频率下分别于空气和水中的单轴疲劳实验中第一圈与最后一圈的应力-应变曲线对比图。

图6为镍钛形状记忆合金在两种频率下分别于空气和水中的单轴疲劳实验中，四种工况下前100圈的温度演化曲线。

实施例

实施例如图1，组装完成后如图2所示。形状记忆合金被测试样2为薄壁微管，实验时，用两个刚性堵头将试样2的上下两端堵住，然后用上下夹头将试样2两端夹持住。夹头上端直径较大，有台阶，其作用为防止试样掉入套管7中。

容器6为承装液体的容器，一方面，该容器的大小应能盛装500ml的液体，这是由于形状记忆合金对温度十分敏感，温度的改变会造成其力学行为的变化，容器6可保证在整个疲劳试验过程中试样2所释放的热量不足以使液体环境温度改变。另一方面，容器的直径大于试验机上夹头的直径，从而保证试样2在拉伸和扭转的实验过程中能够完全浸入液体环境中。套管7底部封口，内部有一台阶，对应与下夹头3上端的台阶，防止夹块3掉入套管内部。套管7外侧有一伸出6mm的平台，用来架起盛装液体的容器6。在套管7的端部，有外螺纹，用来与紧固内螺纹圈4相连接，从而固定容器6。另外在紧固内螺纹圈4与容器6之间放有一橡胶圈5，其作用为防止容器6中的液体通过连接处渗出，本发明的安装顺序如图3所示。组装完成后（如图4所示），用防水软胶将紧固内螺纹圈4与套管顶部连接的地方、容器6与橡胶圈5之间的部分粘住。这样就可以保证该装置中的液体不会渗出。套管7的作用为夹持试样。将装有试样2的下夹头3放入套管7中，再放入试验机的下夹头中，将试样加持住。套管采用尼龙材料制成，其原因是由于PC材料是一种较软的材料，并且弹性变形很大不容易产生塑性变形，可反复加持。因此可以保证试验机透过套管紧紧的将下夹头3夹紧。整个装置保证了能够夹紧试样的同时，能够将试样处于液体环境中进行疲劳实验。

将试样2中部绑上热电偶8，用于测量试样2在整个疲劳实验中温度的波动情况。最后将组装好的装置连同试样2安装到MTS试验机上，实现了在液体环境中进行形状记忆合金的疲劳实验。

应用实施例：

本实例为镍钛形状记忆合金在空气和水中的单轴疲劳实验，首先在室温下将镍钛形状记忆合金放置于空气中，进行了应变幅值为6%，加载频率分别为0.025Hz和0.125Hz两种频率的单轴疲劳实验。然后又利用本发明的实验夹具，将镍钛形状记忆合金放置于水中，进行了应变幅值为6%，加载频率分别为0.025Hz和0.125Hz两种频率的单轴疲劳实验。

实验结果如图5和图6所示。首先图5(a)给出了四种工况下镍钛形状记忆合金第一圈的应力-应变曲线，5(b)为疲劳实验最后一圈的应力-应变曲线。由图可以看出空气中，镍钛形状记忆合金的相变硬化模量比在水中的硬化模量大。并且空气中，镍钛形状记忆合金的疲劳失效时的残余应变高于在水中的残余应变。

图6所示为四种工况下，前100圈镍钛形状记忆合金温度的演化曲线。由图可见，空气中镍钛形状记忆合金在循环过程中的温度幅值整体上高于在水中的温度幅值。

在疲劳寿命上，在空气中频率为0.125Hz的工况材料寿命最短，水中频率为0.025Hz的工况材料寿命最长，而空气中频率为0.025Hz和水中频率为0.125Hz的工况，材料的疲劳寿命介于上述两种工况之间，并且相差不多。

通过以上实验结果可以说明，将镍钛形状记忆合金放置于液体介质水中进行实验可以等效于在空气中进行频率较低的工况，并可以解决低频率疲劳试验用时过长的问题。

通过该实例的验证表明本发明的一种可提供不同液体环境的形状记忆合金疲劳试验夹具有效可行。

Claims (3)

1.一种可提供不同液体介质环境的形状记忆合金材料疲劳试验皿，其特征在于，包括可用于盛装液体的容器（6）和置于容器中心的试样夹持机构；所述试样夹持机构主要由上夹头（1）、下夹头（3）和套管（7）组成；套管（7）的下端为盲口，上端外侧平台上置有外螺纹圈；套管（7）穿过容器（6）的中心通孔，紧固内螺纹圈（4）套在套管（7）的外螺纹圈上，实现套管（7）与容器（6）的密闭联接；上夹头（1）和下夹头（3）均为侧面有开口的盲头圆管；实验安装时，被测圆管试样上下端分别插入上夹头（1）和下夹头（3）内；下夹头（3）插入套管（7）内。

2.根据权利要求1所述之可提供不同液体介质环境的形状记忆合金材料疲劳试验皿，其特征在于，紧固内螺纹圈（4）与容器（6）内底面间设置有橡胶圈（5）。

3.根据权利要求1所述之可提供不同液体介质环境的形状记忆合金材料疲劳试验皿，其特征在于，所述上夹头（1）和下夹头（3）的内径与被测圆筒试样的外径相当。