CN109100219A - 微动疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微动疲劳试验装置及微动疲劳试验方法，属于材料性能测试技术领域。本发明的微动疲劳试验装置包括轴向加载机构，滑动机构和微动疲劳夹具。轴向加载机构用于对试件施加轴向疲劳载荷。滑动机构用于连接试验垫块并提供法向载荷。微动疲劳夹具包括夹持件和夹持垫块，夹持垫块位于两块夹持件之间且对称地设于试件两侧，夹持垫块的厚度大于试件的厚度，多个夹持垫块之间形成预留通道，且预留通道与试件垂直，试验垫块能够置于预留通道内，夹持垫块用于抵顶试验垫块，从而在滑动机构提供法向载荷时使试验垫块不会随试件发生随动。该微动疲劳试验装置能够保证试件与试验垫块之间处于理想的微动状态。

Description

微动疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明属于材料性能测试技术领域，尤其涉及一种微动疲劳试验装置及微动疲劳试验方法。

背景技术

微动是指两个相互接触物体表面之间非常微小的移动，其位移幅值一般为几十到一百多微米之间。当紧密接触构件承受交变疲劳载荷时，其表面将极易产生疲劳裂纹，从而导致结构发生微动疲劳失效。微动疲劳现象广泛存在于汽车、船舶、航空航天等领域的紧密配合部件中，研究表明，微动状态下的疲劳寿命会降低超过30％。为了更好地分析材料的微动疲劳行为，揭示其损伤失效机理，材料级微动疲劳试验受到重点关注。

目前，通常采用桥式、单卡头式或爪式的材料级微动疲劳试验和基于结构模拟件的结构级微动疲劳试验来开展微动疲劳研究。现有的桥式、单卡头式或爪式结构并不能很好地解决高温微动疲劳试验中试验垫块和试件之间的随动问题，而试验垫块和试件发生随动会造成高温微动疲劳试验测得的高温微动疲劳寿命不准确。高温条件下试验垫块和试件之间的随动问题亟待解决。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微动疲劳试验装置及微动疲劳试验方法，以解决试验垫块和试件之间的随动问题。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种微动疲劳试验装置，包括：

轴向加载机构，其上设有固定组件，所述固定组件用于固接试件，所述轴向加载机构用于对所述试件施加轴向疲劳载荷；

滑动机构，固接于所述轴向加载机构，用于连接试验垫块并提供法向载荷；

微动疲劳夹具，包括夹持件和夹持垫块，所述夹持垫块位于两块所述夹持件之间且对称地设于所述试件两侧，所述夹持垫块的厚度大于所述试件的厚度，多个所述夹持垫块之间形成预留通道，且所述预留通道与所述试件垂直，所述试验垫块能够置于所述预留通道内，所述夹持垫块用于抵顶所述试验垫块，从而在所述滑动机构提供法向载荷时使所述试验垫块不会随所述试件发生随动。

在本发明的一种示例性实施例中，所述滑动机构包括：

法向载荷加载平台，固接于所述轴向加载机构；

滑块，能够沿所述法向载荷加载平台移动；

法向连杆，固接于所述滑块；

法向载荷夹头，其一端连接所述法向连杆，另一端连接所述试验垫块；

测力计，与所述法向连杆连接，位于所述法向连杆和所述滑块之间，用于测量法向载荷的大小；

丝杠，固接于所述轴向加载机构和所述滑块，用于推动所述滑块移动。

在本发明的一种示例性实施例中，所述固定组件包括：

轴向载荷夹头，与所述试件固接；

轴向连杆，其一端与所述轴向载荷夹头固接，另一端与所述轴向加载机构固接。

在本发明的一种示例性实施例中，所述固定组件还包括：

夹持件固定器，其上设有卡槽，所述卡槽用于卡接所述夹持件，所述夹持件固定器与一所述轴向连杆连接。

在本发明的一种示例性实施例中，所述轴向加载机构包括：

疲劳试验夹头，所述疲劳试验夹头的一端固接于所述轴向加载机构，另一端和所述轴向连杆连接。

在本发明的一种示例性实施例中，所述微动疲劳试验装置还包括：

高温炉，位于一对所述滑动机构之间，所述微动疲劳夹具位于所述高温炉内，所述高温炉上设有固定组件伸入孔和滑动机构伸入孔，所述固定组件通过所述固定组件伸入孔置于所述高温炉内并连接所述试件，所述滑动机构通过所述滑动机构伸入孔伸入所述高温炉内连接所述试验垫块，并通过所述试验垫块顶住所述试件。

在本发明的一种示例性实施例中，所述微动疲劳试验装置还包括冷却环，设于所述法向连杆和所述轴向连杆。

在本发明的一种示例性实施例中，所述冷却环包括冷却水流入口和冷却水流出口。

在本发明的一种示例性实施例中，所述滑动机构与所述试验垫块之间设有加载滑块，且所述加载滑块置于所述预留通道内。

根据本发明的一个方面，提供一种微动疲劳试验方法，应用于上述任意一项所述的微动疲劳试验装置，所述微动疲劳试验方法包括：

将试件放入所述微动疲劳试验装置；

对所述试件施加一轴向载荷，保证所述试件轴线与加载方向一致；

为所述试件提供试验所需的法向载荷；

对所述试件施加轴向疲劳载荷，记录所述试件受疲劳载荷的循环次数直到试件失效，所述循环次数即为所述试件的微动疲劳寿命。

本发明提供的微动疲劳试验装置通过微动疲劳夹具夹持试件，并通过在夹持件内设置夹持垫块，以形成对称且垂直于试件的预留通道，置于预留通道内的试验垫块受夹持垫块抵顶，从而在滑动机构提供法向载荷时使试验垫块不会随试件的移动而发生随动。该微动疲劳试验装置可通过约束试验垫块的位移，避免试验垫块因试件受到疲劳载荷而发生随动，保证试验垫块与试件处于理想的微动状态，从而提高微动疲劳的试验精度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本示例实施例的微动疲劳试验装置的结构示意图。

图2示出本示例实施例的高温微动疲劳加载示意图。

图3示出本示例实施例的微动疲劳夹具示意图。

图4示出本示例实施例的冷却环示意图。

图5示出本示例实施例的微动疲劳试验装置剖面视图。

图6示出本示例实施例的微动疲劳试验方法流程图。

其中：1、轴向加载机构；11、横梁；12、立柱；121、固接块；13、固定组件；131、轴向载荷夹头；132、轴向连杆；133、夹持件固定器；134、轴向载荷转换头；14、支撑平台；15、疲劳试验夹头；2、滑动机构；21、滑块；22、法向连杆；23、法向载荷夹头；24、测力计；25、丝杠；26、滑动机构安装杆；27、法向载荷加载平台；3、微动疲劳夹具；31、夹持件；32、夹持垫块；4、高温炉；41、安装杆；42、固定组件伸入孔；43、滑动机构伸入孔；5、试件；6、试验垫块；7、加载滑块；8、冷却环；81、冷却环入口；82、冷却环出口。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本发明。

在对本发明的不同示例性实施方式的描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之间”、“一端”、“两侧”“下部”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。

用语“一个”、“一”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

参见图1、图2和图3，图1为本示例实施例的微动疲劳试验装置的结构示意图；图2为本实施方式的高温微动疲劳加载示意图；图3为本实施方式的微动疲劳夹具3示意图。该微动疲劳试验装置主要包括轴向加载机构1，滑动机构2和微动疲劳夹具3。以下结合上述附图，对本发明提出的微动疲劳试验装置的各主要组成部分的结构、连接方式或功能关系进行详细说明。

参见图1、图2和图3，在本实施方式中，轴向加载机构1可以包括固定组件13，试件5通过固定组件13固接，轴向加载机构1用于对试件5施加轴向疲劳载荷。滑动机构2连接试验垫块6并提供法向载荷。微动疲劳夹具3包括夹持件31和夹持垫块32，夹持垫块32位于两块所述夹持件31之间且对称地设于试件5两侧，夹持垫块32的厚度大于试件5的厚度，多个夹持垫块32之间形成预留通道，且预留通道与试件5垂直，试验垫块6能够置于预留通道内，夹持垫块32用于抵顶试验垫块6，从而在滑动机构2提供法向载荷时使试验垫块6不会随试件5发生随动。

本发明提供的微动疲劳试验装置通过微动疲劳夹具3夹持试件5，并通过在夹持件31内设置夹持垫块32，以形成对称且垂直于试件5的预留通道，置于预留通道内的试验垫块6受夹持垫块32抵顶，从而在滑动机构2提供法向载荷时使试验垫块6不会随试件5发生随动。该微动疲劳试验装置可通过约束试验垫块6的位移，避免试验垫块6因试件5受到疲劳载荷而发生随动，保证试验垫块6与试件5处于理想的微动状态，从而提高微动疲劳的试验精度。

参见图1、图2和图3，在本实施方式中，轴向加载机构1可包括横梁11、立柱12、固定组件13和支撑平台14，横梁11能够沿立柱12滑动，试件5通过固定组件13固接于横梁11，轴向加载机构1用于对试件5施加轴向疲劳载荷。

进一步地，在本实施方式中，固定组件13可包括轴向载荷夹头131和轴向连杆132。轴向载荷夹头131的末端可为双耳结构，能够通过销钉与试件5连接。轴向连杆132的一端与轴向载荷夹头131固接，另一端与横梁11固接。固定组件13还可以包括夹持件固定器133，夹持件固定器133上端设有卡槽，卡槽用于卡接夹持件31，夹持件固定器133与一轴向连杆132连接。夹持件固定器133可通过螺纹与下端的轴向连杆132连接，并可根据实际需求进行更换。卡槽可以为T型卡槽，也可为其他形状，在此不作限定。

进一步地，在本实施方式中，轴向加载机构1还可包括疲劳试验夹头15，一疲劳试验夹头15固接于横梁11，另一疲劳试验夹头15固接于支撑平台14。疲劳试验夹头15和轴向连杆132连接。

参见图1、图2和图3，滑动机构2可包括法向载荷加载平台27，滑块21，法向连杆22，法向载荷夹头23，测力计24和丝杠25。法向载荷加载平台27可固接于轴向加载机构1的立柱12上。滑块21能够沿法向载荷加载平台27移动。法向连杆22连接于滑块21。法向载荷夹头23的一端连接法向连杆22，另一端连接加载滑块7，连接加载滑块7的一端可为圆弧状，也可为球状，在此不作限定。测力计24与法向连杆22连接，位于法向连杆22和滑块21之间，用于测量法向载荷的大小。丝杠25连接于固接块121和滑块21，用于推动滑块21移动。

进一步地，参见图2，在本实施方式中，轴向连杆132与轴向载荷夹头131之间可通过螺栓连接，当轴向载荷夹头131失效时，可以通过更换轴向载荷夹头131来提高试验效率，降低试验成本。轴向载荷夹头131的末端可为双耳结构，与试件5可通过销钉连接，从而可以实现轴向交变疲劳载荷的加载。法向连杆22与法向载荷夹头23之间可通过螺栓连接，当法向载荷夹头23失效时，亦可进行更换。法向载荷夹头23末端可为圆弧结构，也可为球状，在此不作限定。该结构可以降低法向载荷夹头23与加载滑块7之间的摩擦，保证法向载荷的加载。本实施方式的微动疲劳试验装置具有两种可拆卸式夹具，分别为轴向载荷夹头131和法向载荷夹头23。两种夹具通过不同的连接形式实现了微动疲劳载荷的加载，且可以避免由于夹具失效而需重新加工夹具的问题，可有效地控制微动疲劳试验的成本。参见图1、图2和图3，微动疲劳夹具3主要包括夹持件31和夹持垫块32，夹持垫块32的厚度大于试件5的厚度，夹持垫块32位于两块夹持件31之间。夹持垫块32可以为偶数个，例如可以为4个，将4个夹持垫块32对称地设于试件5两侧，试件5两侧的两个夹持垫块32之间形成对称的两条预留通道，预留通道与试件5垂直，两个试验垫块6置于两条预留通道内，夹持垫块32用于抵顶试验垫块6，从而在提供法向载荷时使试验垫块6不会随试件5的位移发生随动。夹持垫块32也可以为其他个数，在试件5的两侧形成多条对称的预留通道用于置放试验垫块6，不以本实施方式为限。

进一步地，在本实施方式中，滑动机构1和试验垫块6之间设有加载滑块7，且加载滑块7置于预留通道内。加载滑块7与试验垫块6可以加工成单个部件或拆分成两个部件，拆分成两个部件的原因在于试验垫块6材料希少，价格高，通过这样的设计可以节省试验成本。

参见图3，本实施方式中，试件5与前后两个夹持件31可通过销钉连接。4个高温夹持垫块32安装在两个夹持件31中间，形成了对称的法向载荷加载通道。高温夹持垫块32的厚度要求大于试件5的厚度，可避免试件5与夹持件31之间由于接触而影响试验结果。两个夹持件31可通过一卡槽与夹持件固定器133连接，从而实现试件5下端的固定。试验垫块6可预留在通道中，与加载滑块7接触。加载滑块7与试验垫块6均预留在通道中。

进一步地，在本实施方式中，微动疲劳试验装置还可包括高温炉4，可将微动疲劳夹具3夹持的试件5提前置于高温炉4内。高温炉4位于一对滑动机构2之间，可通过安装杆41连接于固接块121上，为微动疲劳试验提供高温环境。包括高温炉4的微动疲劳试验装置可做高温微动疲劳试验，从而测得试件5的高温微动疲劳寿命。具体而言，可在高温炉4上设置固定组件伸入孔42(未在图中示出)和滑动机构伸入孔43(未在图中示出)，轴向载荷夹头131和轴向连杆132可通过固定组件伸入孔42置于高温炉4内连接试件5。法向连杆22和法向载荷夹头23通过滑动机构伸入孔43伸入高温炉4内抵顶加载滑块7，并通过试验垫块6顶住试件5。高温炉4可为两个半圆柱体，当试件5放入夹持件31，加载滑块7和试验垫块6放入夹持垫块32之间连接好后，法向载荷夹头23抵顶加载滑块7，轴向载荷夹头131固接夹持件固定器133。然后合上两个半圆柱体，进行高温微动疲劳试验。进行高温微动疲劳试验时由于轴向载荷夹头131、轴向连杆132、法向连杆22和法向载荷夹头23都需进入高温环境，轴向载荷夹头131、轴向连杆132、法向连杆22和法向载荷夹头23的材质可选用耐高温材质。该微动疲劳试验装置通过采用高温炉4可以将整个试件5放置在炉腔内，保证高温微动疲劳试验所需要的均匀、稳定的高温环境。避免试件5受热不均匀，从而保证高温微动疲劳试验的精度。

进一步地，在本实施方式中，轴向连杆132和法向连杆22上均安装有冷却环8，可避免由于高温造成测力仪器损伤，例如测力计24的损坏。冷却水通过冷却环入口81流入，由冷却环出口82流出，从而实现对轴向连杆132与法向连杆22的冷却，参见图4。该微动疲劳试验装置通过在轴向连杆132、法向连杆22上安装冷却环8，可以有效地实现上述两类部件的冷却，避免了由于高温传导而影响测力计24及试验机的正常工作。

参见图5，为本实施方式的微动疲劳试验装置剖面视图。在本实施方式中，可以更直观地看到载荷的加载方式。法向连杆22连接在测力计24上，并共同固定在滑块21上。丝杠25推动着滑块21移动，滑块21带动法向连杆22穿过高温炉4壁侧面的滑动机构伸入孔43，推动法向载荷夹头23实现法向载荷的加载。试件5全部位于高温炉4内，可以保证试件5处于均匀、稳定的高温环境。该装置还包括轴向载荷转换头134和滑动机构安装杆26。

在本实施方式中，微动疲劳试验装置的试验步骤举例如下：试件5放置在夹持件31中，并通过销钉固定试件5下部位置；将夹持件31插入夹持件固定器133中，并固定在下部轴向连杆132上。试件5上端通过销钉与轴向载荷夹头131连接，通过调整夹持件31的位置来保证竖直方向对中；控制轴向加载机构1，使试件5承受较小的轴向载荷，从而确定试件5的试验位置；将试验垫块6和加载滑块7依次插入夹持件31所形成的通道中，并压向试件5；调整法向载荷加载平台27，使得法向载荷夹头23与加载滑块7良好接触；通过丝杠25调整法向载荷到指定数值，然后利用轴向加载机构1施加轴向疲劳载荷；记录试件5受载的循环次数，循环次数即为试件5的疲劳寿命。

参见图6，本发明实施方式还提供一种微动疲劳试验方法，该方法可以包括如下步骤：

S61、将试件放入微动疲劳试验装置；

S62、对试件施加一轴向载荷，保证试件的轴线与加载方向一致；

S63、为试件提供试验所需的法向载荷；

S64、对试件施加轴向疲劳载荷，记录试件受疲劳载荷的循环次数直到试件失效，所述循环次数即为试件的微动疲劳寿命。

本实施方式的微动疲劳试验方法已在上述实施方式微动疲劳试验装置中进行过详细描述，在此不再详述。

本发明提出的微动疲劳试验方法，采用分段式接触加载方法实现法向载荷的加载，保证试件处于微动疲劳状态，从而提高了微动疲劳试验的精度。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (10)

1.一种微动疲劳试验装置，其特征在于，包括：

轴向加载机构，其上设有固定组件，所述固定组件用于固接试件，所述轴向加载机构用于对所述试件施加轴向疲劳载荷；

滑动机构，固接于所述轴向加载机构，用于连接试验垫块并提供法向载荷；

微动疲劳夹具，包括夹持件和夹持垫块，所述夹持垫块位于两块所述夹持件之间且对称地设于所述试件两侧，所述夹持垫块的厚度大于所述试件的厚度，多个所述夹持垫块之间形成预留通道，且所述预留通道与所述试件垂直，所述试验垫块能够置于所述预留通道内，所述夹持垫块用于抵顶所述试验垫块，从而在所述滑动机构提供法向载荷时使所述试验垫块不会随所述试件发生随动。

2.根据权利要求1所述的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述滑动机构包括：

法向载荷加载平台，固接于所述轴向加载机构；

滑块，能够沿所述法向载荷加载平台移动；

法向连杆，固接于所述滑块；

法向载荷夹头，其一端连接所述法向连杆，另一端连接所述试验垫块；

测力计，与所述法向连杆连接，位于所述法向连杆和所述滑块之间，用于测量法向载荷的大小；

丝杠，固接于所述轴向加载机构和所述滑块，用于推动所述滑块移动。

3.根据权利要求2所述的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述固定组件包括：

轴向载荷夹头，与所述试件固接；

轴向连杆，其一端与所述轴向载荷夹头固接，另一端与所述轴向加载机构固接。

4.根据权利要求3所述的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述固定组件还包括：

夹持件固定器，其上设有卡槽，所述卡槽用于卡接所述夹持件，所述夹持件固定器与一所述轴向连杆连接。

5.根据权利要求3所述的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述轴向加载机构包括：

疲劳试验夹头，所述疲劳试验夹头的一端固接于所述轴向加载机构，另一端和所述轴向连杆连接。

6.根据权利要求3所述的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述微动疲劳试验装置还包括：

高温炉，位于一对所述滑动机构之间，所述微动疲劳夹具位于所述高温炉内，所述高温炉上设有固定组件伸入孔和滑动机构伸入孔，所述固定组件通过所述固定组件伸入孔置于所述高温炉内并连接所述试件，所述滑动机构通过所述滑动机构伸入孔伸入所述高温炉内连接所述试验垫块，并通过所述试验垫块顶住所述试件。

7.根据权利要求6所述的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述微动疲劳试验装置还包括冷却环，设于所述法向连杆和所述轴向连杆。

8.根据权利要求7所述的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述冷却环包括冷却水流入口和冷却水流出口。

9.根据权利要求1所述的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述滑动机构与所述试验垫块之间设有加载滑块，且所述加载滑块置于所述预留通道内。

10.一种微动疲劳试验方法，应用于权利要求1～9任一项所述的微动疲劳试验装置；其特征在于，所述微动疲劳试验方法包括：

将试件放入所述微动疲劳试验装置；

对所述试件施加一轴向载荷，保证所述试件的轴线与加载方向一致；

为所述试件提供试验所需的法向载荷；

对所述试件施加轴向疲劳载荷，记录所述试件受疲劳载荷的循环次数直到试件失效，所述循环次数即为所述试件的微动疲劳寿命。