CN112763318B - 一种金属材料残余应力模拟试验装置及方法 - Google Patents

一种金属材料残余应力模拟试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料试验技术领域，公开了一种金属材料残余应力模拟试验装置及方法。通过机械载荷对测试试件产生机械预应力，模拟结构内部残余应力分布和大小。优点在于可以精确控制整个系统内的残余应力分布和大小。该装置可用于残余应力对材料疲劳或蠕变特性的试验研究。此试验装置可以预设残余应力分布类型和残余应力量级，可以测量两端压缩中间拉伸分布和两端拉伸中间压缩分布状态下的试验件力学响应。本发明可以推广，可以用于含残余应力材料或结构的力学性能研究问题，也可用于含装配应力结构的试验研究。

Description

一种金属材料残余应力模拟试验装置及方法
技术领域
本发明属于材料试验技术领域，涉及一种金属材料残余应力模拟试验装置及方法。
背景技术
残余应力又称内应力是指外力去除后，仍留在材料或工件内部且平衡于其内部的应力。残余应力的存在对材料的力学性能有着重大的影响，精确控制材料内部的残余应力分布非常困难，目前研究残余应力对材料性能的影响，均需要采用热处理或加工形成残余应力，采用中子衍射或X射线衍射测量出材料内部的残余应力量值，进而进行试验或理论研究。该方法的缺点在于实施过程比较复杂，残余应力量值和分布不容易控制。
发明内容
本发明提供一种金属材料残余应力模拟试验装置及方法，通过机械载荷对测试试件产生机械预应力，模拟结构内部残余应力分布和大小。优点在于可以精确控制整个系统内的残余应力分布和大小。可用于残余应力对材料疲劳或蠕变特性的试验研究。
一种金属材料残余应力模拟试验装置，包括左中右三组金属材料试验件和上、下两组结构相同的载荷传递单元；
每组载荷传递单元包括：加载接头、支撑块和两块传载板；所述加载接头和支撑块分别通过螺栓固定在两块传载板之间的上下两端；所述加载接头上沿加载方向设有加载轴与试验机连接；
上、下两组载荷传递单元的两个支撑块通过三组金属材料试验件连接。
进一步，每组金属材料试验件均包括一体成型的上支撑段、试验段和下支撑段；
每组金属材料试验件的上支撑段和下支撑段均设有外螺纹；
上、下两个支撑块沿加载方向均设有左、中、右三个通孔；
所述左中右三组金属材料试验件的上支撑段和下支撑段分别穿过上、下两个支撑块上的左中右三个通孔并通过螺母与支撑块连接。
进一步，每组金属材料试验件的上支撑段套设有两组螺母，两组螺母分别位于上支撑块上下两侧。
进一步，每组金属材料试验件的下支撑段沿径向设有外六方结构；
每组金属材料试验件的下支撑段套设有一组螺母且位于下支撑块下侧；
所述外六方结构与下支撑块下侧的一组螺母将下支撑段与下支撑块固定。
进一步，中金属材料试验件的试验段上设有引伸计。
进一步，中金属材料试验件的上支撑段上套设有两个压片式测力传感器；
两个压片式测力传感器分别位于上支撑块上下两侧的两组螺母之间。
一种金属材料拉伸残余应力模拟试验方法，用于所述的装置，包括以下步骤：
步骤一：将所述残余应力模拟试验装置装入试验机，并松开中金属材料试验机上支撑段上的两组螺母和左右金属材料试验件上的上支撑块上侧的螺母；锁紧左右金属材料试验件上的上支撑块下侧的螺母；
步骤二：通过试验机对残余应力模拟试验装置施加预压缩载荷FC0，通过试验机位移控制压缩量为δ；保持试验机位置，拧紧左右金属材料试验件上的上支撑块上侧的螺母，及中金属材料试验机上支撑段上的两组螺母；
步骤三：将中金属材料试验机上的引伸计和压片式测力传感器数据清零，并将试验机载荷卸载到零，通过引伸计读取中金属材料试验件的伸长量，通过压片式测力传感器读取中金属材料试验件所受拉伸载荷FT；
步骤四：通过载荷平衡关系，计算出左右两侧金属材料试验件所受压缩载荷为
步骤五：通过试验机对残余应力模拟试验装置施加疲劳或蠕变载荷F进行试验，并通过引伸计和压片式测力传感器监控试验件应变和载荷变化。
一种金属材料压缩残余应力模拟试验方法，用于所述的装置，方法包括以下步骤：
步骤一：将所述残余应力模拟试验装置装入试验机，并松开中金属材料试验机上支撑段上的两组螺母和左右金属材料试验件上的上支撑块下侧的螺母；锁紧左右金属材料试验件上的上支撑块上侧的螺母；
步骤二：通过试验机对残余应力模拟试验装置施加预拉伸载荷FT0，通过试验机位移控制压缩量为δ’；保持试验机位置，拧紧左右金属材料试验件上的上支撑块下侧的螺母，及中金属材料试验机上支撑段上的两组螺母；
步骤三：将中金属材料试验机上的引伸计和压片式测力传感器数据清零，并将试验机载荷卸载到零，通过引伸计读取中金属材料试验件的压缩量，通过压片式测力传感器读取中金属材料试验件所受压缩载荷FC；
步骤四：通过载荷平衡关系，计算出左右两侧金属材料试验件所受压缩载荷为
步骤五：通过试验机对残余应力模拟试验装置施加疲劳或蠕变载荷F进行试验，并通过引伸计和压片式测力传感器监控试验件应变和载荷变化。
通过本发明的装置，能够采用机械方法实现材料内部残余应力的精确控制和模拟，保证残余应力分布的精确性。此试验装置可以预设残余应力分布类型和残余应力量级，可以测量CTC两端压缩中间拉伸分布和TCT两端拉伸中间压缩分布状态下的试验件力学响应。本发明可以推广，可以用于含残余应力材料或结构的力学性能研究问题，也可用于含装配应力结构的试验研究。
附图说明
图1为一种金属材料残余应力模拟试验装置示意图；
图2为一种金属材料残余应力模拟试验装置两端压缩中间拉伸原理图；
图3为一种金属材料残余应力模拟试验装置两端拉伸中间压缩原理图；
图中，1加强件，2悬挂支臂，3上沉头高锁螺栓，4第一平头高锁螺栓，5下沉头高锁螺栓，6梁板面，7第二平头高锁螺栓。
具体实施方式
使本发明实施的目的、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更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
一种模拟残余应力的试验装置，如图1所示，包括上、下加载接头1，上、下支撑块2，四块传载板3，三组试验件4、5、6，两个压片式测力传感器10，八个固定螺栓8，九组锁紧螺母7，一个引伸计8。
加载接头和支撑块分别通过螺栓固定在两块传载板之间的上下两端；加载接头上沿加载方向设有加载轴与试验机连接；
每组金属材料试验件均包括一体成型的上支撑段、试验段和下支撑段；
每组金属材料试验件的上支撑段和下支撑段均设有外螺纹；
上、下两个支撑块沿加载方向均设有左、中、右三个通孔；
左中右三组金属材料试验件的上支撑段和下支撑段分别穿过上、下两个支撑块上的左中右三个通孔并通过螺母与支撑块连接。
每组金属材料试验件的上支撑段套设有两组螺母，两组螺母分别位于上支撑块上下两侧。
每组金属材料试验件的下支撑段沿径向设有外六方结构；每组金属材料试验件的下支撑段套设有一组螺母且位于下支撑块下侧；外六方结构与下支撑块下侧的一组螺母将下支撑段与下支撑块固定。
中金属材料试验件的试验段上设有引伸计。
中金属材料试验件的上支撑段上套设有两个压片式测力传感器；两个压片式测力传感器分别位于上支撑块上下两侧的两组螺母之间。
一种金属材料拉伸残余应力模拟试验方法，如图2所示，包括以下步骤：
①试验装置组装，装入MTS试验机，松开中间试验件4上、下部锁紧螺母，松开两侧试验件上部锁紧螺母，拧紧两侧试验件下部锁紧螺母。压片式测力传感器10接入信号转换器，信号转换器可接入监控电脑读出压片式测力传感器测力数据。
②通过试验机对整个装置施加预压缩载荷FC1，通过试验机位移控制压缩量为δ，保持试验机位置，拧紧两侧试验件上部锁紧螺母，拧紧中间试验件上下部锁紧螺母。
③将中间试验件上的引伸计8和压片式测力传感器10数据清零，随后将试验机载荷卸载到零，通过引伸计8读取中间试验件4伸长量，通过中间试验件上部压片式测力传感器10读取中间试验件4所受拉伸载荷FT。
④通过载荷平衡关系，可推出两侧试验件4所受压缩载荷为
⑤拧紧试验件所有锁紧螺母，通过MTS试验机对整个装置施加疲劳或蠕变载荷F进行试验，通过引伸计8和压片式测力传感器10监控试验件应变和载荷变化。
一种金属材料拉压缩余应力模拟试验方法，如图3所示，包括以下步骤：
①试验装置组装，装入MTS试验机，松开中间试验件4上、下部锁紧螺母，松开两侧试验件下部锁紧螺母，拧紧两侧试验件上部锁紧螺母。压片式测力传感器10接入信号转换器，信号转换器可接入监控电脑读出压片式测力传感器测力数据。
②通过试验机对整个装置施加预拉伸载荷FTC，通过试验机位移控制拉伸量为δ’，保持试验机位置，拧紧两侧试验件下部锁紧螺母，拧紧中间试验件上、下部锁紧螺母。
③将中间试验件4上的引伸计8和压片式测力传感器10数据清零，随后将试验机载荷卸载到零，通过引伸计8读取中间试验件4压缩量，通过中间试验
件4下部压片式测力传感器10读取中间试验件4所受压缩载荷FC。
④通过载荷平衡关系，可推出两侧试验件4所受拉伸载荷为
⑤拧紧试验件所有锁紧螺母7，通过MTS试验机对整个装置施加疲劳或蠕变载荷F进行试验，通过引伸计8和压片式测力传感器10监控试验件应变和载荷变化。
对于CTC两端压缩中间拉伸残余应力分布，假设预加压缩变形为δ，根据弹性范围的载荷平衡关系有：δ＝FC0/(2A)，即/>
对于TCT两端拉伸中间压缩残余应力分布，假设预加拉伸压缩变形为Δl，根据弹性范围的载荷平衡关系有δ＝FT0/(2A)，即/>
式中，δ为对试验装置预加拉伸/压缩变形量，σT为试验件拉伸残余应力，σC为试验件压缩残余应力，FT为试验件拉伸残余载荷，FC为试验件压缩残余载荷，E为试验件材料弹性模量，l为试验件试验段长度，A为试验件试验段横截面积。
试验装置完全自平衡后，通过试验机施加外载荷产生的名义应力σ＝F/(3A)。
通过本发明的装置，能够采用机械方法实现材料内部残余应力的精确控制和模拟，保证残余应力分布的精确性。此试验装置可以预设残余应力分布类型和残余应力量级，可以测量CTC两端压缩中间拉伸分布和TCT两端拉伸中间压缩分布状态下的试验件力学响应。本发明可以推广，可以用于含残余应力材料或结构的力学性能研究问题，也可用于含装配应力结构的试验研究。

Claims (6)

1.一种金属材料残余应力模拟试验装置，其特征在于：所述装置包括左中右三组金属材料试验件(4、5、6)和上、下两组结构相同的载荷传递单元；
每组载荷传递单元包括：加载接头(1)、支撑块(2)和两块传载板(3)；所述加载接头(1)和支撑块(2)分别通过螺栓(11)固定在两块传载板(3)之间的上下两端；所述加载接头(1)上沿加载方向设有加载轴与试验机连接；
上、下两组载荷传递单元的两个支撑块(2)通过三组金属材料试验件连接；
每组金属材料试验件均包括一体成型的上支撑段、试验段和下支撑段；每组金属材料试验件的上支撑段和下支撑段均设有外螺纹；上、下两个支撑块沿加载方向均设有左、中、右三个通孔；左中右三组金属材料试验件的上支撑段和下支撑段分别穿过上、下两个支撑块上的左中右三个通孔并通过螺母(7)与支撑块连接；
中金属材料试验件(4)的试验段上设有引伸计(8)；中金属材料试验件的上支撑段上套设有两个压片式测力传感器(10)。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料残余应力模拟试验装置，其特征在于：每组金属材料试验件的上支撑段套设有两组螺母(7)，两组螺母(7)分别位于上支撑块上下两侧。
3.根据权利要求2所述的一种金属材料残余应力模拟试验装置，其特征在于：每组金属材料试验件的下支撑段沿径向设有外六方结构(9)；
每组金属材料试验件的下支撑段套设有一组螺母且位于下支撑块下侧；
所述外六方结构与下支撑块下侧的一组螺母将下支撑段与下支撑块固定。
4.根据权利要求3所述的一种金属材料残余应力模拟试验装置，其特征在于：两个压片式测力传感器分别位于上支撑块上下两侧的两组螺母之间。
5.一种金属材料拉伸残余应力模拟试验方法，所述方法用于权利要求1-4任一权利要求所述的装置，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：将所述残余应力模拟试验装置装入试验机，并松开中金属材料试验件上支撑段上的两组螺母和左右金属材料试验件上的上支撑块上侧的螺母；锁紧左右金属材料试验件上的上支撑块下侧的螺母；
步骤二：通过试验机对残余应力模拟试验装置施加预压缩载荷FC0，通过试验机位移控制压缩量为δ；保持试验机位置，拧紧左右金属材料试验件上的上支撑块上侧的螺母，及中金属材料试验件上支撑段上的两组螺母；
步骤三：将中金属材料试验件上的引伸计和压片式测力传感器数据清零，并将试验机载荷卸载到零，通过引伸计读取中金属材料试验件的伸长量，通过压片式测力传感器读取中金属材料试验件所受拉伸载荷FT；
步骤四：通过载荷平衡关系，计算出左右两侧金属材料试验件所受压缩载荷为
步骤五：通过试验机对残余应力模拟试验装置施加疲劳或蠕变载荷F进行试验，并通过引伸计和压片式测力传感器监控试验件应变和载荷变化。
6.一种金属材料压缩残余应力模拟试验方法，所述方法用于权利要求1-4任一权利要求所述的装置，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：将所述残余应力模拟试验装置装入试验机，并松开中金属材料试验件上支撑段上的两组螺母和左右金属材料试验件上的上支撑块下侧的螺母；锁紧左右金属材料试验件上的上支撑块上侧的螺母；
步骤二：通过试验机对残余应力模拟试验装置施加预拉伸载荷FT0，通过试验机位移控制压缩量为δ’；保持试验机位置，拧紧左右金属材料试验件上的上支撑块下侧的螺母，及中金属材料试验件上支撑段上的两组螺母；
步骤三：将中金属材料试验件上的引伸计和压片式测力传感器数据清零，并将试验机载荷卸载到零，通过引伸计读取中金属材料试验件的压缩量，通过压片式测力传感器读取中金属材料试验件所受压缩载荷FC；
步骤四：通过载荷平衡关系，计算出左右两侧金属材料试验件所受压缩载荷为
步骤五：通过试验机对残余应力模拟试验装置施加疲劳或蠕变载荷F进行试验，并通过引伸计和压片式测力传感器监控试验件应变和载荷变化。
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