CN112362456A - 一种紧凑拉伸试样的连接结构及基于其的工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于疲劳裂纹扩展试验领域，具体公开了一种紧凑拉伸试样的连接结构，包括至少两个紧凑拉伸试样，每个紧凑拉伸试样的材料不同，每个紧凑拉伸试样上都开有上通孔和下通孔，最上侧的紧凑拉伸试样与试验机相连，最下侧的紧凑拉伸试样与试验机相连；在相邻两个紧凑拉伸试样的两侧对称设有第一双孔吊板，相邻两个紧凑拉伸试样记为第一紧凑拉伸试样和第二紧凑拉伸试样，第一紧凑拉伸试样和第二紧凑拉伸试样通过第一双孔吊板连接；在第一紧凑拉伸试样的两侧且位于第一双孔吊板的外侧对称设有第二双孔吊板；在第二紧凑拉伸试样的两侧且位于第一双孔吊板的外侧对称设有第三双孔吊板。还公开了基于上述连接结构的工作方法。

Description

一种紧凑拉伸试样的连接结构及基于其的工作方法
技术领域
本发明属于疲劳裂纹扩展试验领域，特别涉及一种紧凑拉伸试样的连接结构及基于其的工作方法。
背景技术
近年来氢能产业的迅速发展对管道输氢技术提出了要求，若要确保输氢管道的安全运行，首先需要解决管线钢与氢气环境相容性问题。有研究指出，氢气环境可降低管线钢材料塑性，对疲劳裂纹扩展有显著影响。因此需针对不同管道材料开展不同氢压力环境中疲劳裂纹扩展速率试验研究。
金属材料在氢气环境中的疲劳裂纹扩展试验已有相关标准，但是疲劳试验本身周期长，尤其氢气环境具有较高的危险行，对疲劳试验能力提出了更高的要求，导致氢气环境中的疲劳裂纹扩展试验效率低，费用高昂。如果能在常规疲劳试验方法基础上进行改进，提高试验效率，那么对于降低试验成本提高研究积极性具有推动作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑拉伸试样的连接结构及基于其的工作方法，解决了在氢气环境中进行疲劳裂纹扩展试验效率低的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种紧凑拉伸试样的连接结构，包括至少两个紧凑拉伸试样，每个紧凑拉伸试样的材料不同，每个紧凑拉伸试样上都开有上通孔和下通孔，位于最上侧的紧凑拉伸试样的上通孔与试验机相连，位于最下侧的紧凑拉伸试样的下通孔与试验机相连；
在相邻两个紧凑拉伸试样的两侧对称设有第一双孔吊板，相邻两个紧凑拉伸试样记为第一紧凑拉伸试样和第二紧凑拉伸试样，第一紧凑拉伸试样的下端和第二紧凑拉伸试样的上端通过第一双孔吊板连接；
在第一紧凑拉伸试样的两侧且位于第一双孔吊板的外侧对称设有第二双孔吊板，第二双孔吊板的下端与第一双孔吊板的上端和第一紧凑拉伸试样的下通孔连接，第二双孔吊板的上端与第一紧凑拉伸试样的上通孔连接；
在第二紧凑拉伸试样的两侧且位于第一双孔吊板的外侧对称设有第三双孔吊板，第三双孔吊板的上端与第一双孔吊板的下端和第二紧凑拉伸试样的上通孔连接，第三双孔吊板的下端与第二紧凑拉伸试样的下通孔连接。
进一步，第一双孔吊板上开有上通孔和下通孔，第一双孔吊板的上通孔和第一紧凑拉伸试样的下通孔通过销钉连接，第一双孔吊板的下通孔和第二紧凑拉伸试样的上通孔通过销钉连接；第一双孔吊板的上通孔和下通孔的直径等于销钉的外径。
进一步，第二双孔吊板上开有上通孔和下通孔，第二双孔吊板的上通孔和第一紧凑拉伸试样的上通孔通过销钉连接；第二双孔吊板的上通孔的直径大于销钉的外径。
进一步，第三双孔吊板上开有上通孔和下通孔，第三双孔吊板的下通孔和第二紧凑拉伸试样的下通孔通过销钉连接；第三双孔吊板的下通孔的直径大于销钉的外径。
进一步，销钉两端安装有限位器。
进一步，第一双孔吊板、第二双孔吊板及第三双孔吊板的材料采用承受载荷高于试验材料的微合金钢、不锈钢、铝合金或钛合金。
进一步，第一双孔吊板、第二双孔吊板及第三双孔吊板的材质和尺寸保持一致。
本发明还公开了基于所述连接结构的工作方法，包括以下步骤：
S1、根据紧凑拉伸试样尺寸计算出第一双孔吊板、第二双孔吊板及第三双孔吊板厚度，及第二双孔吊板的上通孔和第三双孔吊板的下通孔的直径；
S2、将第一双孔吊板、第二双孔吊板及第三双孔吊板与紧凑拉伸试样安装固定好；将位于最上侧的紧凑拉伸试样的上通孔与试验机相连，位于最下侧的紧凑拉伸试样的下通孔与试验机相连；
S3、在第一紧凑拉伸试样和第二紧凑拉伸试样上放置断裂韧性引伸计，关闭环境箱，调节环境箱内气体组分及压力，开展紧凑拉伸试样的串联疲劳裂纹扩展试验。
进一步，步骤S1中，第一双孔吊板、第二双孔吊板及第三双孔吊板厚度记为B1，B1通过下式计算：
Figure BDA0002795931100000031
式中，η为安全系数，σ2为试验材料屈服强度，W为紧凑拉伸试样上的通孔中心到试样底边距离，a为预制缺陷长度，B为紧凑拉伸试样厚度，σ1为双孔吊板材料屈服强度，r为紧凑拉伸试样上的通孔半径。
进一步，第二双孔吊板的上通孔和第三双孔吊板的下通孔的直径相同，记为D2；D2通过以下公式计算：
Figure BDA0002795931100000032
式中，r为紧凑拉伸试样上的通孔半径，W为紧凑拉伸试样上的通孔中心到试样底边距离，D1为紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展测得断裂韧性引伸计最大张开位移，d为断裂韧性引伸计最大张开位移对应的紧凑拉伸试样剩余韧带宽度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种紧凑拉伸试样的连接结构，包括至少两个紧凑拉伸试样，相邻两个紧凑拉伸试样通过第一双孔吊板连接，在第一紧凑拉伸试样的两侧且位于第一双孔吊板的外侧对称设有第二双孔吊板，这样就可以保证相邻两个试样的载荷传递，结构简单，制作方面且便于试验拆装，可在同一环境条件下同时开展不同试样疲劳裂纹扩展试验，提高了试验效率，降低了时间成本及费用成本，同时可串联更多紧凑拉伸试样，进一步提高试验效率。
进一步，第二双孔吊板的上通孔的直径大于销钉的外径，第三双孔吊板的下通孔的直径大于销钉的外径，允许紧凑拉伸试样上下通孔在试验机载荷作用下产生一定位移。
进一步，销钉两端安装有限位器，防止双孔吊板和试样在试验过程中脱落。
本发明公开了基于上述连接结构的工作方法，可在同一环境条件下同时开展两个试样的疲劳裂纹扩展试验，提高了试验效率。此外，紧凑拉伸试样两侧双孔吊板孔径需根据不同材料疲劳裂纹扩展试验需求确定尺寸，以防止其中某一试样疲劳裂纹失稳扩展后无法将试验载荷传递至另一试样。本发明给出了具体的计算公式，方便计算出双孔吊板的厚度和直径。
附图说明
图1为本发明的两个紧凑拉伸试样和第一双孔吊板连接后的结构示意图；
图2为本发明的一种紧凑拉伸试样的连接结构示意图；
图3为图2的侧视图；
图4为本发明所用到的紧凑拉伸试样结构示意图；
图5为X70管线钢紧凑拉伸试样的串联疲劳裂纹扩展试验结果图。
其中，1为第一紧凑拉伸试样，2为第二紧凑拉伸试样，3为第一双孔吊板，4为第二双孔吊板，5为第三双孔吊板。
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，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1～3所示，本发明公开了一种用于疲劳裂纹扩展试验的紧凑拉伸试样的连接结构，包括至少两个紧凑拉伸试样，每个紧凑拉伸试样的材料不同，每个紧凑拉伸试样上都开有上通孔和下通孔，位于最上侧的紧凑拉伸试样的上通孔与试验机相连，位于最下侧的紧凑拉伸试样的下通孔与试验机相连；
在相邻两个紧凑拉伸试样的两侧对称设有第一双孔吊板3，相邻两个紧凑拉伸试样记为第一紧凑拉伸试样1和第二紧凑拉伸试样2，第一紧凑拉伸试样1的下端和第二紧凑拉伸试样2的上端通过第一双孔吊板3连接；
在第一紧凑拉伸试样1的两侧且位于第一双孔吊板3的外侧对称设有第二双孔吊板4，第二双孔吊板4的下端与第一双孔吊板3的上端和第一紧凑拉伸试样1的下通孔连接，第二双孔吊板4的上端与第一紧凑拉伸试样1的上通孔连接；
在第二紧凑拉伸试样2的两侧且位于第一双孔吊板3的外侧对称设有第三双孔吊板5，第三双孔吊板5的上端与第一双孔吊板3的下端和第二紧凑拉伸试样2的上通孔连接，第三双孔吊板5的下端与第二紧凑拉伸试样2的下通孔连接。
如图3所示，第一双孔吊板3上开有上通孔和下通孔，第一双孔吊板3的上通孔和第一紧凑拉伸试样1的下通孔通过销钉连接，第一双孔吊板3的下通孔和第二紧凑拉伸试样2的上通孔通过销钉连接；第一双孔吊板3的上通孔和下通孔的直径等于销钉的外径。
如图3所示，第二双孔吊板4上开有上通孔和下通孔，第二双孔吊板4的上通孔和第一紧凑拉伸试样1的上通孔通过销钉连接；第二双孔吊板4的上通孔的直径大于销钉的外径。
如图3所示，第三双孔吊板5上开有上通孔和下通孔，第三双孔吊板5的下通孔和第二紧凑拉伸试样2的下通孔通过销钉连接；第三双孔吊板5的下通孔的直径大于销钉的外径。
更优地，销钉两端安装有限位器，防止双孔吊板和试样在试验过程中脱落。
第一双孔吊板3、第二双孔吊板4及第三双孔吊板5的材料采用能承受载荷高于试验材料的微合金钢、不锈钢、铝合金或钛合金。
安装于紧凑拉伸试样两侧的两个第一双孔吊板3、两个第二双孔吊板4、两个第三双孔吊板5材质及尺寸应分别保持一致且在紧凑拉伸试样两侧对称分布，以保证实验过程中各部件受载均匀。
两个紧凑拉伸试样上下通孔通过双孔吊板连接并将试验机载荷传递至各试样，并且每个紧凑拉伸试样两个通孔之间采用孔径大于销钉的双孔吊板连接，以确保该紧凑拉伸试样在失稳扩展或试验完成后仍可将试验载荷传递至下一紧凑拉伸试样。
基于所述连接结构的工作方法，包括以下步骤：
S1、根据紧凑拉伸试样计算出第一双孔吊板3、第二双孔吊板4及第三双孔吊板5厚度，及第二双孔吊板4的上通孔和第三双孔吊板5的下通孔的直径；
第一双孔吊板3、第二双孔吊板4及第三双孔吊板5厚度记为B1，B1通过下式计算：
Figure BDA0002795931100000061
式中，η为安全系数，σ2为试验材料屈服强度，W为紧凑拉伸试样上的通孔中心到试样底边距离，a为预制缺陷长度，B为紧凑拉伸试样厚度，σ1为双孔吊板材料屈服强度，r为紧凑拉伸试样上的通孔半径。
第二双孔吊板4的上通孔和第三双孔吊板5的下通孔的直径相同，记为D2；D2通过以下公式计算：
Figure BDA0002795931100000062
式中，r为紧凑拉伸试样上的通孔半径，W为紧凑拉伸试样上的通孔中心到试样底边距离，D1为紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展测得断裂韧性引伸计最大张开位移，d为断裂韧性引伸计最大张开位移对应的紧凑拉伸试样剩余韧带宽度。
S2、将第一双孔吊板3、第二双孔吊板4及第三双孔吊板5与紧凑拉伸试样安装固定好；将位于最上侧的紧凑拉伸试样的上通孔与试验机相连，位于最下侧的紧凑拉伸试样的下通孔与试验机相连；
S3、在第一紧凑拉伸试样1和第二紧凑拉伸试样2上放置断裂韧性引伸计，关闭环境箱，调节环境箱内气体组分及压力，开展紧凑拉伸试样的串联疲劳裂纹扩展试验。
试验过程中，第一双孔吊板3将试验机载荷由第一紧凑拉伸试样1传递至第二紧凑拉伸试样2，使裂纹在疲劳载荷作用下扩展；若第一紧凑拉伸试样1裂纹扩展速率快，则裂纹扩展至一定尺寸后，第一紧凑拉伸试样1不再承受试验载荷，而由第二双孔吊板4承担试验载荷，这种情况下第二紧凑拉伸试验裂纹持续扩展，直至试验结束。若第二紧凑拉伸试样2裂纹扩展速率快，则裂纹扩展至一定尺寸后，第二紧凑拉伸试样2不再承受试验载荷，而由第三双孔吊板5承担试验载荷，这种情况下第一紧凑拉伸试验裂纹持续扩展，直至试验结束。
试验过程中，销钉两端均设有限位器，防止双孔吊板和紧凑拉伸试样在试验过程中脱落。
试验材料采用X70管线钢，按照图4所示加工紧凑拉伸试样2件，其中紧凑拉伸试样厚度B为10mm，通孔中心到试样底边距离W为40mm，通孔半径r为5mm，预制缺陷a为20mm，可计算出双孔吊板厚度B1为16mm；常规疲劳裂纹扩展试压中断裂引伸计最大张开位移D1为9.3mm，对应的试样剩余韧带宽度d为12mm，可计算出第二双孔吊板4的上通孔和第三双孔吊板5的下通孔的直径尺寸为23.7mm。
按照上述尺寸加工双孔吊板，按照图3中结构连接试样和双孔吊板，并开展紧凑拉伸试样串联疲劳裂纹扩展试验，得到实验数据如图5所示，可以看到试验获得了两个紧凑拉伸试样稳定的疲劳裂纹扩展试验数据，验证了本发明的有效性。

Claims (10)

1.一种紧凑拉伸试样的连接结构，其特征在于，包括至少两个紧凑拉伸试样，每个紧凑拉伸试样的材料不同，每个紧凑拉伸试样上都开有上通孔和下通孔，位于最上侧的紧凑拉伸试样的上通孔与试验机相连，位于最下侧的紧凑拉伸试样的下通孔与试验机相连；
在相邻两个紧凑拉伸试样的两侧对称设有第一双孔吊板(3)，相邻两个紧凑拉伸试样记为第一紧凑拉伸试样(1)和第二紧凑拉伸试样(2)，第一紧凑拉伸试样(1)的下端和第二紧凑拉伸试样(2)的上端通过第一双孔吊板(3)连接；
在第一紧凑拉伸试样(1)的两侧且位于第一双孔吊板(3)的外侧对称设有第二双孔吊板(4)，第二双孔吊板(4)的下端与第一双孔吊板(3)的上端和第一紧凑拉伸试样(1)的下通孔连接，第二双孔吊板(4)的上端与第一紧凑拉伸试样(1)的上通孔连接；
在第二紧凑拉伸试样(2)的两侧且位于第一双孔吊板(3)的外侧对称设有第三双孔吊板(5)，第三双孔吊板(5)的上端与第一双孔吊板(3)的下端和第二紧凑拉伸试样(2)的上通孔连接，第三双孔吊板(5)的下端与第二紧凑拉伸试样(2)的下通孔连接。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑拉伸试样的连接结构，其特征在于，第一双孔吊板(3)上开有上通孔和下通孔，第一双孔吊板(3)的上通孔和第一紧凑拉伸试样(1)的下通孔通过销钉连接，第一双孔吊板(3)的下通孔和第二紧凑拉伸试样(2)的上通孔通过销钉连接；第一双孔吊板(3)的上通孔和下通孔的直径等于销钉的外径。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑拉伸试样的连接结构，其特征在于，第二双孔吊板(4)上开有上通孔和下通孔，第二双孔吊板(4)的上通孔和第一紧凑拉伸试样(1)的上通孔通过销钉连接；第二双孔吊板(4)的上通孔的直径大于销钉的外径。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑拉伸试样的连接结构，其特征在于，第三双孔吊板(5)上开有上通孔和下通孔，第三双孔吊板(5)的下通孔和第二紧凑拉伸试样(2)的下通孔通过销钉连接；第三双孔吊板(5)的下通孔的直径大于销钉的外径。
5.根据权利要求2～4任意一项所述的一种紧凑拉伸试样的连接结构，其特征在于，销钉两端安装有限位器。
6.根据权利要求1所述的一种紧凑拉伸试样的连接结构，其特征在于，第一双孔吊板(3)、第二双孔吊板(4)及第三双孔吊板(5)的材料采用承受载荷高于试验材料的微合金钢、不锈钢、铝合金或钛合金。
7.根据权利要求1所述的一种紧凑拉伸试样的连接结构，其特征在于，第一双孔吊板(3)、第二双孔吊板(4)及第三双孔吊板(5)的材质和尺寸保持一致。
8.基于权利要求1～7任意一项所述连接结构的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据紧凑拉伸试样尺寸计算出第一双孔吊板(3)、第二双孔吊板(4)及第三双孔吊板(5)厚度，及第二双孔吊板(4)的上通孔和第三双孔吊板(5)的下通孔的直径；
S2、将第一双孔吊板(3)、第二双孔吊板(4)及第三双孔吊板(5)与紧凑拉伸试样安装固定好；将位于最上侧的紧凑拉伸试样的上通孔与试验机相连，位于最下侧的紧凑拉伸试样的下通孔与试验机相连；
S3、在第一紧凑拉伸试样(1)和第二紧凑拉伸试样(2)上放置断裂韧性引伸计，关闭环境箱，调节环境箱内气体组分及压力，开展紧凑拉伸试样的串联疲劳裂纹扩展试验。
9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，步骤S1中，第一双孔吊板(3)、第二双孔吊板(4)及第三双孔吊板(5)厚度记为B1，B1通过下式计算：
Figure FDA0002795931090000031
式中，η为安全系数，σ2为试验材料屈服强度，W为紧凑拉伸试样上的通孔中心到试样底边距离，a为预制缺陷长度，B为紧凑拉伸试样厚度，σ1为双孔吊板材料屈服强度，r为紧凑拉伸试样上的通孔半径。
10.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，第二双孔吊板(4)的上通孔和第三双孔吊板(5)的下通孔的直径相同，记为D2；D2通过以下公式计算：
Figure FDA0002795931090000032
式中，r为紧凑拉伸试样上的通孔半径，W为紧凑拉伸试样上的通孔中心到试样底边距离，D1为紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展测得断裂韧性引伸计最大张开位移，d为断裂韧性引伸计最大张开位移对应的紧凑拉伸试样剩余韧带宽度。
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