CN112697576A - 材料表面循环冲击疲劳试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料表面循环冲击疲劳试验装置及试验方法，所述装置包括L型摆臂、摆臂座、第一支架、滑槽斜盘、加热组件、第一固定座、第二固定座和电机驱动机构。所述L型摆臂的水平段端部与摆臂座活动连接，L型摆臂的竖直段端部与滑槽斜盘的滑槽通过滚动头接触，L型摆臂的水平段上设置有下可调式电磁体；所述第一支架上则设置有上可调式电磁体，且上可调式电磁体置于下可调式电磁体正上方；试验时，第一固定座固定上试样，从加热组件内向外伸出，并与下可调式电磁体固定连接，第二固定座固定下试样，并置于加热组件内；所述电机驱动机构与滑槽斜盘连接。本发明装置可以实现最高800℃的高温条件下较高冲击频率的循环冲击。

Description

材料表面循环冲击疲劳试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种材料表面高温循环冲击疲劳试验装置及试验方法，属于材料机械性能测试技术领域。

背景技术

冲击疲劳指在固定或不固定的循环冲击载荷作用下，零部件表面发生裂纹的萌生、积累甚至材料剥落或断裂的失效现象，其也是生活中普遍发生的疲劳形式之一。特别是设备运行中产生的或环境条件带来的振动是造成零部件间发生刚性冲击的关键因素，为社会的工业生产活动带来了大量不必要的经济损失。高温循环冲击疲劳则是在高于常温环境下受到循环载荷作用发生的冲击疲劳行为，比较典型的如发动机运行过程中气门温度可达到400～800℃，这将恶化气门与座圈接触副在气门周期性开合过程中接触副表面的抗冲击疲劳性能。随着人们对各类设备性能要求的不断提升，使得零件表面工况也愈加复杂恶劣。工程技术人员更多地将表面改性强化技术应用于零部件表面以提升抗冲击疲劳性能，这其中包括了自纳米化梯度改性、激光熔覆层及离子涂覆等技术。但目前材料的冲击性能考核仍旧主要依赖于常温摆锤式冲击试验机，无法考核这类较薄改性层在循环载荷下的疲劳行为，缺乏广泛的适用性及针对性。

发明内容

本发明的目的是针对可用于材料表面在高温条件下循环冲击疲劳试验装置中结构及试样加工成本上的一些不足之处，提供一种材料表面高温循环冲击疲劳试验装置，该装置解决了目前冲击性能考核依赖夏比法(charpy)、艾式法(izod)及落球法，缺乏特定高温工况下循环冲击疲劳考核评价装置的现状，同时该装置可以实现疲劳试样的小型化标准化，试样结构简便易于加工，能有效控制试验成本。

本发明的另一目的在于提供一种材料表面高温循环冲击疲劳试验方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种材料表面高温循环冲击疲劳试验装置，所述装置包括L型摆臂、摆臂座、第一支架、滑槽斜盘、加热组件、第一固定座、第二固定座和电机驱动机构，所述L型摆臂的水平段端部与摆臂座活动连接，L型摆臂的竖直段端部与滑槽斜盘的滑槽接触， L型摆臂的水平段上设置有下可调式电磁体，所述第一支架上设置有上可调式电磁体，且上可调式电磁体位于下可调式电磁体正上方，所述第一固定座和第二固定座上下相对设置，第一固定座用于固定上试样，第一固定座从加热组件内向外伸出，并与下可调式电磁体固定连接，第二固定座用于固定下试样，第一固定座置于加热组件内，所述电机驱动机构与滑槽斜盘连接。

进一步的，所述加热组件包括管式电阻炉、第二支架和铰链，所述第二支架通过铰链与管式电阻炉连接，所述第一固定座从管式电阻炉的炉腔内向外伸出，所述第二固定座置于管式电阻炉的炉腔内。

进一步的，所述加热组件还包括限位块，所述限位块为两个，两个限位块与管式电阻炉的炉体外径一致，用于实现对试验过程中管式电阻炉的炉体位置固定。

进一步的，所述装置还包括控制盒、温度传感器和压力传感器，所述第二固定座中设置有压力传递块，所述温度传感器和压力传感器置于加热组件内，温度传感器设置在第二固定座上，压力传感器与压力传递块接触，所述控制盒分别与温度传感器、压力传感器、加热组件、上可调式电磁体、下可调式电磁体、电机驱动机构连接。

进一步的，所述装置还包括红外计数器，所述红外计数器设置在滑槽斜盘的底部，并与控制盒连接。

进一步的，所述电机驱动机构包括驱动电机和传动组件，所述驱动电机通过传动组件与滑槽斜盘连接。

进一步的，所述传动组件包括传动轴、止推轴承、上深沟球轴承、上轴承座、上轴承限位环、下深沟球轴承、下轴承座和斜齿轮，所述斜齿轮分别与传动轴下端、驱动电机的输出轴连接，所述传动轴的上端与滑槽斜盘采用轴键连接，所述止推轴承与滑槽斜盘接触，所述上深沟球轴承与传动轴的上部连接，并通过上轴承座和上轴承限位环固定，所述下深沟球轴承与传动轴的下部连接，并通过下轴承座固定。

进一步的，所述L型摆臂的竖直段端部设置有摆臂滚动头，所述摆臂滚动头与滑槽斜盘的滑槽接触。

进一步的，所述装置还包括壳体，所述壳体的顶面为试验平台，所述摆臂座、第一支架、滑槽斜盘、加热组件和第二固定座设置在试验平台上，所述电机驱动机构设置在壳体内。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种材料表面高温循环冲击疲劳试验方法，基于上述装置实现，所述方法包括：

将上试样固定在第一固定座上，以及将下试样固定的第二固定座上；

通过电机驱动机构带动滑槽斜盘转动，滑槽斜盘在转动过程中带动L型摆臂做上下往复性运动，从而带动第一固定座上的上试样做上下往复运动，以实现上试样与下试样之间的循环冲击；

通过调节上可调式电磁体和下可调式电磁体的电流参数，实现对材料表面在不同载荷大小条件下的循环冲击疲劳性能考核；通过提高管式电阻炉温度进一步考核不同高温工况对材料疲劳性能的影响。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

本发明装置利用电机驱动机构较高的转速，较部分基于夏比法、艾式法及落球法的高温冲击试验装置，具有结构紧凑、试样尺寸简单易加工、通用性好的优势，可以实现对常规金属基体、自纳米化梯度改性层、激光熔覆层及离子涂覆层等改性强化层材料最高800℃高温条件下较高冲击频率的循环冲击；同时，通过调节上、下可调式电磁体和管式电阻炉的电流参数，可以实现对材料表面在不同载荷及温度条件下的循环冲击疲劳试验及抗冲击疲劳性能考核评价，由于本发明装置可实现小型化，非常适合于强化层厚度相对较小的金属材料的循环冲击疲劳试验；本发明装置同样可用于常温环境下材料表面循环冲击疲劳性能的测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例的材料表面高温循环冲击疲劳试验装置的立体结构示意图。

图2为本发明实施例的材料表面高温循环冲击疲劳试验装置中正视结构示意图。

图3为图2中A区域的放大示意图。

图4为图2中B区域的放大示意图。

图5为本发明实施例的材料表面高温循环冲击疲劳试验装置中俯视结构示意图。

图6为本发明实施例的材料表面高温循环冲击疲劳试验装置所采用的上试样形状尺寸图。

图7为本发明实施例的材料表面高温循环冲击疲劳试验装置所采用的下试样形状尺寸图。

其中，1-L型摆臂，101-摆臂滚动头，2-摆臂座，3-第一支架，4-滑槽斜盘，401- 加强筋，402-顶盖，403-滑槽，5-第一固定座，6-第二固定座，7-壳体，8-底座脚，9- 下可调式电磁体，10-上可调式电磁体，11-橡胶垫，12-驱动电机，13-传动轴，14-止推轴承，15-上深沟球轴承，16-上轴承座，17-上轴承限位环，18-下深沟球轴承，19-下轴承座，20-斜齿轮，21-轴键，22-管式电阻炉，23-第二支架，24-铰链，25-限位块，26- 上试样，27-紧固螺丝，28-下试样，29-控制盒，30-温度传感器，31-压力传感器，32- 压力传递块，33-红外计数器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1～图2所示，本实施例提供了一种材料表面高温循环冲击疲劳试验装置，该装置包括L型摆臂1、摆臂座2、第一支架3、滑槽斜盘4、加热组件、第一固定座5、第二固定座6和电机驱动机构。

为了方便进行试验，本实施例的材料表面高温循环冲击疲劳试验装置还可包括壳体7，壳体7的顶面为试验平台，摆臂座2、第一支架3、滑槽斜盘4、加热组件和第二固定座6设置在试验平台上，电机驱动机构设置在壳体7内；为了方便搬运，壳体7 底部的四个角分别设置有底座脚8；为了减少滑槽斜盘4的质量，滑槽斜盘4采用了中空结构加加强筋401设计，滑槽斜盘4的顶部用顶盖402封闭。

如图1～图5所示，L型摆臂1和摆臂座2构成了摆臂部分，L型摆臂1具有第一水平段和第一竖直段，摆臂座2通过螺栓固定在试验平台上，且置于加热组件的右侧，第一水平段端部与摆臂座2活动连接，可实现L型摆臂1的单自由度转动，本实施例的L型摆臂1能够相对摆臂座2上下转动；第一竖直段端部与滑槽斜盘4的滑槽403 接触，为了保护滑槽斜盘4的滑槽403，第一竖直段端部设置有摆臂滚动头101，摆臂滚动头101与滑槽斜盘4的滑槽403接触，实现了滑槽斜盘4在转动过程中带动L型摆臂1的上下往复性运动；第一水平段上设置有下可调式电磁体9，第一支架3通过螺栓固定在试验平台上，第一支架3上设置有上可调式电磁体10，具体地，第一支架3 具有第二水平段和两个第二竖直段，两个第二竖直段分别置于加热组件的前后两侧，两个第二竖直段的下端通过螺栓固定在试验平台上，两个第二竖直段的上端分别与第二水平段连接，上可调式电磁体10设置在第二水平段上，上可调式电磁体10置于下可调式电磁体9正上方，上可调式电磁体10和可调式电磁体9构成了载荷加载部分，当接通电流后将在上可调式电磁体10与下可调式电磁体9之间产生相互排斥的电磁力，在L型摆臂1上移过程中将实现冲击能量的积累，并在摆臂滚动头101滑至滑槽斜盘4顶部后快速下降，实现冲击能量的释放；滑槽斜盘4的底面可以设置橡胶垫11，该橡胶垫11可降低摆臂滚动头101对滑槽斜盘4的冲击损伤。

进一步地，电机驱动机构包括驱动电机12和传动组件，驱动电机12通过传动组件与滑槽斜盘4连接，能够驱动滑槽斜盘顺时针转动；具体地，传动组件包括传动轴 13、止推轴承14、上深沟球轴承15、上轴承座16、上轴承限位环17、下深沟球轴承 18、下轴承座19和斜齿轮20，斜齿轮20分别与传动轴13下端、驱动电机的输出轴连接，传动轴13的上端与滑槽斜盘4采用轴键21连接，止推轴承分别与滑槽斜盘4、试验平台接触，上深沟球轴承15与传动轴13的上部连接，并通过上轴承座16和上轴承限位环17固定，下深沟球轴承18与传动轴13的下部连接，并通过下轴承座19固定，分别从上下两处对传动轴13上下部位置进行了有效的固定。

进一步地，通过加热组件可以实现高温下的循环冲击，加热组件设置在试验平台上，且位于下可调式电磁体9的下方，具体地，加热组件包括管式电阻炉22、第二支架23和铰链24，管式电阻炉22为可调温式的管式电阻炉，通过对管式电阻炉22加热可将冲击面温度增加至潜在考核材料实际应用工况，如凸轮-挺柱接触副飞脱冲击、气门-座圈接触副冲击等，第二支架23通过螺栓固定于试验平台上，第二支架23通过铰链24与管式电阻炉22连接，通过铰链24可以实现管式电阻炉22的多自由度移动，便于换装试样及炉体维修；加热组件还可包括限位块25，限位块25为两个，两个限位块25与管式电阻炉22的炉体外径一致，可实现对试验过程中管式电阻炉22的炉体位置固定，避免对冲击试样及管式电阻炉22的炉腔损伤。

第一固定座5和第二固定座6构成了冲击部分，且第一固定座5和第二固定座6 上下相对设置，第一固定座5用于固定上试样26，上试样26通过紧固螺丝27固定在第一固定座5上，上试样26的形状尺寸如图6所示，第一固定座5从加热组件内伸出，具体从管式电阻炉22的炉腔内向外伸出，并与下可调式电磁体9固定连接；第二固定座6用于固定下试样28，下试样28通过盈配合、螺纹或紧固螺丝方式固定在第二固定座6上，下试样28的形状尺寸如图7所示，第二固定座6固定在试验平台上，且第二固定座6置于加热组件内，具体置于管式电阻炉22的炉腔内；上试样26在L型摆臂1的带动下做上下往复运动，以实现上试样26与下试样28之间的循环冲击。

为了动态调节管式电阻炉22的炉腔温度，以及上可调式电磁体10和可调式电磁体9的电流，本实施例的材料表面高温循环冲击疲劳试验装置还可包括控制盒29、温度传感器30和压力传感器31，第二固定座6中设置有压力传递块32，温度传感器30 和压力传感器31置于管式电阻炉22的炉腔内，温度传感器30设置在第二固定座6上，压力传感器31与压力传递块32接触，控制盒29设置在壳体7内，且控制盒29分别与温度传感器30、压力传感器31、管式电阻炉22、上可调式电磁体10、下可调式电磁体9、驱动电机12连接，通过温度传感器30能够监测管式电阻炉22的炉腔内温度的变化情况，通过压力传感器31能够监测冲击载荷变化情况，温度传感器30和压力传感器31监测的信号可以反馈给控制盒29，使控制盒29能够对管式电阻炉22的炉腔温度、上可调式电磁体10和下可调式电磁体9的电流进行动态调节。

进一步地，本实施例的材料表面高温循环冲击疲劳试验装置还可包括红外计数器33，红外计数器33设置在滑槽斜盘4的底部，并与控制盒29连接，统计上上试样26 与下试样28之间的循环冲击次数。

本实施例还提供了一种材料表面高温循环冲击疲劳试验方法，该方法基于上述的材料表面高温循环冲击疲劳试验装置实现，包括以下步骤：

S1、将上试样固定在第一固定座上，以及将下试样固定的第二固定座上。

S2、通过电机驱动机构带动滑槽斜盘转动，滑槽斜盘在转动过程中带动L型摆臂做上下往复性运动，从而带动第一固定座上的上试样做上下往复运动，以循环冲击第二固定座上的下试样。

S3、通过调节上可调式电磁体和下可调式电磁体的电流参数，实现对材料表面在不同载荷大小条件下的循环冲击疲劳性能考核。

上述步骤S2和S3可以在常温下进行，也可以在管式电阻炉设定的高温条件下进行；管式电阻炉的炉腔温度、上可调式电磁体和下可调式电磁体的电流可以由控制盒根据温度传感器和压力传感器反馈的信号进行动态调节。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和约定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

综上所述，本发明装置利用电机驱动机构较高的转速，较部分基于夏比法、艾式法及落球法的高温冲击试验装置，具有结构紧凑、试样尺寸简单易加工、通用性好的优势，可以实现对常规金属基体、自纳米化梯度改性层、激光熔覆层及离子涂覆层等改性强化层材料最高800℃高温条件下较高冲击频率的循环冲击；同时，通过调节上可调式电磁体和下可调式电磁体的电流参数，可以实现对材料表面在不同载荷大小条件下的循环冲击疲劳试验及抗冲击疲劳性能考核评价，由于本发明装置可实现小型化，非常适合于强化层厚度相对较小的金属材料的循环冲击疲劳试验；本发明装置同样可用于常温环境下材料表面循环冲击疲劳性能的测试。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种材料表面循环冲击疲劳试验装置，其特征在于，所述装置包括L型摆臂、摆臂座、第一支架、滑槽斜盘、加热组件、第一固定座、第二固定座和电机驱动机构，所述L型摆臂的水平段端部与摆臂座活动连接，L型摆臂的竖直段端部与滑槽斜盘的滑槽接触，L型摆臂的水平段上设置有下可调式电磁体，所述第一支架上设置有上可调式电磁体，且上可调式电磁体位于下可调式电磁体正上方，所述第一固定座和第二固定座上下相对设置，第一固定座用于固定上试样，第一固定座从加热组件内向外伸出，并与下可调式电磁体固定连接，第二固定座用于固定下试样，第一固定座置于加热组件内，所述电机驱动机构与滑槽斜盘连接。

2.根据权利要求1所述的材料表面循环冲击疲劳试验装置，其特征在于，所述加热组件包括管式电阻炉、第二支架和铰链，所述第二支架通过铰链与管式电阻炉连接，所述第一固定座从管式电阻炉的炉腔内向外伸出，所述第二固定座置于管式电阻炉的炉腔内。

3.根据权利要求2所述的材料表面循环冲击疲劳试验装置，其特征在于，所述加热组件还包括限位块，所述限位块为两个，两个限位块与管式电阻炉的炉体外径一致，用于实现对试验过程中管式电阻炉的炉体位置固定。

4.根据权利要求1-3任一项所述的材料表面循环冲击疲劳试验装置，其特征在于，所述装置还包括控制盒、温度传感器和压力传感器，所述第二固定座中设置有压力传递块，所述温度传感器和压力传感器置于加热组件内，温度传感器设置在第二固定座上，压力传感器与压力传递块接触，所述控制盒分别与温度传感器、压力传感器、加热组件、上可调式电磁体、下可调式电磁体、电机驱动机构连接。

5.根据权利要求4所述的材料表面循环冲击疲劳试验装置，其特征在于，所述装置还包括红外计数器，所述红外计数器设置在滑槽斜盘的底部，并与控制盒连接。

6.根据权利要求1-3、5任一项所述的材料表面循环冲击疲劳试验装置，其特征在于，所述电机驱动机构包括驱动电机和传动组件，所述驱动电机通过传动组件与滑槽斜盘连接。

7.根据权利要求6所述的材料表面循环冲击疲劳试验装置，其特征在于，所述传动组件包括传动轴、止推轴承、上深沟球轴承、上轴承座、上轴承限位环、下深沟球轴承、下轴承座和斜齿轮，所述斜齿轮分别与传动轴下端、驱动电机的输出轴连接，所述传动轴的上端与滑槽斜盘采用轴键连接，所述止推轴承与滑槽斜盘接触，所述上深沟球轴承与传动轴的上部连接，并通过上轴承座和上轴承限位环固定，所述下深沟球轴承与传动轴的下部连接，并通过下轴承座固定。

8.根据权利要求1-3、5、7任一项所述的材料表面循环冲击疲劳试验装置，其特征在于，所述L型摆臂的竖直段端部设置有摆臂滚动头，所述摆臂滚动头与滑槽斜盘的滑槽接触。

9.根据权利要求1-3、5、7任一项所述的材料表面循环冲击疲劳试验装置，其特征在于，所述装置还包括壳体，所述壳体的顶面为试验平台，所述摆臂座、第一支架、滑槽斜盘、加热组件和第二固定座设置在试验平台上，所述电机驱动机构设置在壳体内。

10.一种材料表面循环冲击疲劳试验方法，基于权利要求1-9任一项所述的装置实现，其特征在于，所述方法包括：

将上试样固定在第一固定座上，以及将下试样固定的第二固定座上；

通过电机驱动机构带动滑槽斜盘转动，滑槽斜盘在转动过程中带动L型摆臂做上下往复性运动，从而带动第一固定座上的上试样做上下往复运动，以实现上试样与下试样之间的循环冲击；

通过调节上可调式电磁体和下可调式电磁体的电流参数，实现对材料表面在不同载荷大小条件下的循环冲击疲劳性能考核；通过提高管式电阻炉温度进一步考核不同高温工况对材料疲劳性能的影响。

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