CN112945716A - 一种金属管材环向疲劳试验夹具及试验方法 - Google Patents

一种金属管材环向疲劳试验夹具及试验方法 Download PDF

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CN112945716A CN202110380582.0A CN202110380582A CN112945716A CN 112945716 A CN112945716 A CN 112945716A CN 202110380582 A CN202110380582 A CN 202110380582A CN 112945716 A CN112945716 A CN 112945716A
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Abstract

本发明涉及一种金属管材环向疲劳试验夹具及试验方法，包括上D型件、下D型件、上固定件、下固定件，上固定件与上D型件连接，下固定件与下D型件连接，在上D型件的弧形面上设置上定位槽，在下D型件的弧形面上设置下定位槽，金属管材试样设置于上定位槽与下定位槽内。通过对多个金属管材试样进行拉断测试并计算出相应的公式，再通过正式试样进行疲劳试验。避免了传统管材疲劳试验只能切取轴向弧形试样导致试样因加工硬化或变形而造成结果不准确的问题；得出试验机载荷与金属管材试样工作段所受应力之间的关系，避免需要采用仿真软件进行载荷计算的复杂性；适用于不同管径的管材进行环向应力控制的拉‑拉疲劳试验。

Description

一种金属管材环向疲劳试验夹具及试验方法
技术领域
本发明涉及金属管材性能测试技术领域，尤其是涉及一种金属管材环向疲劳试验夹具及试验方法，其针对金属管材环向应力控制的拉-拉疲劳性能测试。
背景技术
金属管材包括管线管、锅炉管、机械结构管、液压及气动系统用管、石油及天然气输送用管、化工用管等，由于使用场合和使用目的不同，通常对管材材质和力学性能有不同的要求。
目前对管材力学性能测试方法有：采用管材轴向力学性能测试代替环向力学性能测试，即沿轴向切取一段管材或切取弧形试样进行力学性能测试；或将管材沿轴向切开，然后展平再进行力学性能测试。但金属管材一般容易因为织构原因存在材料力学性能各向异性的问题，尤其对于无缝管，如挤压管或冷拔管，管材沿轴向和环向的力学性能有很大差别。将管材沿轴向切开然后展平的过程加工硬化将引起管材性能的变化，这将影响到管材力学性能测试结果的准确性。
疲劳性能测试是评估金属管材综合力学性能的一项重要测试。现有专利如专利申请公布号为CN105388061A，提出了一种小管径金属管材环向疲劳试验夹具，但所能测试的金属管材直径不超过50mm，由于其结构用于定位管材的夹具一端悬空，载荷是通过夹具另一端传至夹具上，会导致夹具出现在垂向方向上摆动，不适用于大管径的管材疲劳试验。现有管材环向拉伸性能测试专利如授权公告号为CN100487416C、CN102445384B以及CN202693413U等，介绍了管材环向拉伸试验夹具或方法，但未将试样固定，即试样仍可进行轴向或环向滑动，导致疲劳试验机可能无法启振或振动频率不高，因此无法采用此类夹具进行管材环向疲劳测试。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种不会出现轴向以及环向滑动且适用于较大管径的金属管材环向疲劳试验夹具及试验方法。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种金属管材环向疲劳试验夹具，安装于用于拉伸的试验机上，包括上D型件、下D型件、与试验机连接的上固定件、与试验机连接的下固定件，所述的上固定件与上D型件连接，所述的下固定件与下D型件连接，所述的上D型件与下D型件组成用于固定金属管材试样的圆形块，在所述的上D型件的弧形面上设置上定位槽，在所述的下D型件的弧形面上设置下定位槽，所述的金属管材试样设置于上定位槽与下定位槽内。
进一步具体的，所述的上固定件与下固定件的受力轴线重合且通过圆形块的中心。
进一步具体的，所述的上固定件与下固定件结构一致均包括U型块以及设置于U型块上的圆棒，所述的U型块包括固定端以及位于固定端两端向同侧伸出的伸出端，所述的圆棒固定于固定端上。
进一步具体的，所述的上D型件上设置上连接通孔，所述的上固定件的两个伸出端上分别设置上连接孔，在所述的上连接通孔与上连接孔内穿插入上销轴将上固定件、上D型件进行连接；所述的下D型件上设置下连接通孔，所述的下固定件的两个伸出端上分别设置下连接孔，在所述的下连接通孔与下连接孔内穿插入下销轴将下固定件、下D型件进行连接。
进一步具体的，在所述的固定端上设置有螺纹孔，在所述的圆棒上设置有螺纹，所述的螺纹与螺纹孔配合。
进一步具体的，所述的下固定件的圆棒的一端穿过固定端抵住下定位槽内的金属管材试样上。
一种金属管材环向疲劳试验方法，该试验方法为，
S1、从金属管材上截取多个金属管材试样以及一个正式试样备用；
S2、通过疲劳试验夹具固定金属管材试样并将疲劳试验夹具固定于试验机上，同时保证疲劳试验夹具的受力轴线通过金属管材试样的中心；
S3、以恒定的速度拉伸金属管材试样直至断裂，记录最大载荷；
S4、选取下一个金属管材试样，返回步骤S2同时保证该金属管材试样旋转至另一个角度，该角度与前述被拉断的金属管材试样的角度不同，直至所有金属管材试样全部完成测试；
S5、通过对多个金属管材试样进行受力分析，将上述试验结果处理得出金属管材试样与疲劳试验夹具之间的摩擦系数，并得出试验机所施加的载荷与金属管材试样工作段所受应力之间的关系；
S6、根据步骤S5得出的试验机所施加的载荷与金属管材试样工作段所受应力之间的关系，再根据疲劳试验设定的峰值应力与谷值应力，计算出试验机所需设定的最大载荷与最小载荷；
S7、选取正式试样，并按照步骤S2进行安装并固定同时保证正式试样的工作段的中心位于受力轴线上，进行疲劳试验；
S8、疲劳试验结束后取下正式试样。
进一步具体的，所述的金属管材试样至少两个。
进一步具体的，所述步骤S7中正式试样在完成装夹后通过一固定件保证正式试样不会转动。
进一步具体的，所述步骤S5中试验机所施加的载荷与金属管材试样工作段所受应力之间的关系为：
Figure BDA0003012785060000031
其中，F(θ)为所受的环向拉力，P为圆形块所受拉力，μ为金属管材试样与圆形块之间的摩擦系数，θ为金属管材试样工作段与水平方向的夹角。
本发明的有益效果是：1.通过环向疲劳试验，避免了传统管材疲劳试验只能切取轴向弧形试样(或板材试样)导致试样因加工硬化或变形而造成结果不准确的问题；2.通过试样受力分析及疲劳试验前的拉伸试验结果处理，得出试验机载荷与金属管材试样工作段所受应力之间的关系，避免需要采用仿真软件进行载荷计算的复杂性；3.试验夹具简单易加工，试验方法易操作，适用于不同管径的管材进行环向应力控制的拉-拉疲劳试验。
附图说明
图1是本发明环向疲劳试验夹具的组装结构示意图；
图2是本发明上D型块与下D型块的结构示意图；
图3是本发明上固定件与下固定件的结构示意图；
图4是本发明金属管材试样与正式试样的结构示意图；
图5是本发明试验方法的流程示意图；
图6是本发明试样工作段中心径向与水平方向的夹角示意图；
图7是本发明试样受力分析示意图；
图8是本发明当θ＝0°时，环向疲劳试样受力示意图。
图中：1、上固定件；2、下固定件；3、上D型件；4、下D型件；5、金属管材试样；11、上U型块；12、上圆棒；21、下U型块；22、下圆棒；31、上连接通孔；32、上定位槽；41、下连接通孔；42、下定位槽；51、工作段；111、固定端；112、伸出端。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1所示一种金属管材环向疲劳试验夹具，安装于用于拉伸的试验机上，包括上D型件3、下D型件4、与试验机连接的上固定件1、与试验机连接的下固定件2，所述的上固定件1与上D型件3连接，试验机通过上固定件1与上D型件3将一部分力传至金属管材试样5上，所述的下固定件2与下D型件4连接，试验机通过下固定件2与下D型件4将一部分力传递至金属管材试样5上，所述的上D型件3与下D型件4组成用于固定金属管材试样5的圆形块，在所述的上D型件3的弧形面上设置上定位槽32，在所述的下D型件4的弧形面上设置下定位槽42，所述的金属管材试样5设置于上定位槽32与下定位槽42内，上D型件3与下D型件4之间不连接，通过向相反方向拉动上D型件3与下D型件4实现对金属管材试样5的拉伸。
基于上述结构，为了保证拉伸的稳定以及平衡，试验机在对上固定件1与下固定件2施加载荷时，需要保证载荷通过上固定件1、下固定件2的轴心，同时上固定件1与下固定件2的受力轴线重合且通过圆形块的中心，也就是受力轴线需要通过金属管材试样5的中心。
如图2a、图2b与图3所示上述所述的上固定件1与下固定件2结构一致，均包括U型块以及设置于U型块上的圆棒，同时U型块包括横向设置的固定端111以及位于固定端111两端部向同侧伸出的伸出端112，圆棒固定于固定端111的中心位置上，即上固定件1包括上U型块11与上圆棒12，下固定件2包括下U型块21与下圆棒22；上D型件3与下D型件4均呈半弧形，并在该半弧形的中心位置设置连接通孔，在该连接通孔内设置销轴，同时在相应的伸出端上设置连接孔，即上D型件3对应有上连接通孔31、上连接孔与上销轴，下D型件4对应有下连接通孔41、下连接孔与下销轴；上D型件3插入至上U型块11两伸出端112之间，同时上销轴穿过上连接孔、上连接通孔31后固定在两个伸出端112上，此时上D型件3与上U型块11可围绕上销轴的轴心相对转动；下D型件4插入至下U型块21两伸出端112之间，同时下销轴穿过下连接孔、下连接通孔41后固定在两个伸出端112上，此时下D型件4与下U型块21可围绕下销轴的轴心相对转动。
金属管件试样5的安装过程为，首先将上D型件3与下D型件4卡入金属管材试样5内部，保证金属管材试样5卡入上定位槽32与下定位槽42内，此时上D型件3与下D型件4组成圆形块，将上连接轴插入上连接通孔31内，同时将上连接轴固定于上U型块12的两个伸出端112上，将下连接轴插入下连接通孔41内，同时将下连接轴固定于下U型块21的两个伸出端112上，此时完成了金属管件试样5的安装，之后将上圆棒12与下圆棒22固定于试验机上即可开始进行试验。
圆棒与固定端111之间可以有多种连接方式，例如焊接、螺纹连接等，其中圆棒、固定端111以及伸出端112也可以一体成型；在本方案中，圆棒与固定端111之间采用螺纹连接的方式进行连接，即在固定端111的中心位置设置螺纹孔，在圆棒上设置螺纹，该螺纹与螺纹孔进行配合实现固定连接；在对金属管材试样5进行固定后，可通过下圆棒22通过螺纹与螺纹孔的配合穿过固定端111后抵在位于下定位槽42内的金属管材试样5上。
上定位槽32与下定位槽42的结构一致，其用于固定金属管材试样5的凹槽宽度一致，同时该凹槽的宽度等于或者略大于金属管材试样5的宽度，能够保证其在轴向方向上的定位。
基于上述夹具的结构，提供一种新的金属管材环向疲劳试验方法，以下对规格为ψ90mm(直径)×3.0mm(壁厚)的某牌号管材进行应力比R＝0.1的疲劳试验，如图5所示其步骤如下，
S1、从金属管材上截取多个金属管材试样5以及一个正式试样备用，同时需要在金属管材试样5以及正式试样上加工出工作段51(如图4所示)；其中，金属管材试样5至少2个，也可以根据选取更多个金属管材试样5，在本方案中对于金属管材试样5选取3个即可；金属管材试样5与正式试样结构相同，其宽度为25mm，工作段51长度为25mm，工作段51与非工作段之间过渡弧半径为12.5mm，工作段51宽度为12.5mm。
S2、首先，通过疲劳试验夹具固定第一个金属管材试样5并将疲劳试验夹具固定于试验机上，保证第一个金属管材试样5的工作段51位于第一个角度30°，同时保证疲劳试验夹具的受力轴线通过第一个金属管材试样5的中心；后续的金属管材试样5与正式试样均通过上述金属管材试样5的安装方式进行安装，同时需要在环形块与试样之间涂抹润换油或垫聚四氟乙烯薄膜，以减小试样与环形块之间的摩擦力。
S3、启动试验机，以2mm/min的横梁位移速度拉伸第一个金属管材试样5直至断裂，记录第一个金属管材试样5所承受的最大载荷为66700N。
S4、选取第二个金属管材试样5，按照步骤S2的方式对第二个金属管材5试样进行装夹，同时保证第二个金属管材试样5旋转至第二个角度60°，并以步骤S3的方式对第二个金属管材试样5进行拉伸试验，并记录第二个金属管材试样5所承受的最大载荷为68975N。
选取第三个金属管材试样5，按照步骤S2的方式对第三个金属管材试样5进行装夹，同时保证第三个金属管材试样5旋转至第三个角度90°，并以步骤S3的方式对第三个金属管材试样5进行拉伸试验，并记录第三个金属管材试样5所承受的最大载荷为71799N。
S5、通过对上述三个金属管材试样5进行受力分析，将上述三次拉伸试样的不同角度值与
Figure BDA0003012785060000071
值进行直线拟合，得到该直线的斜率为0.0703，则金属管材试样5与疲劳试验夹具(环形块)之间的摩擦系数μ＝0.0703，将该摩擦系数μ带入式(8)中，并得出试验机所施加的载荷与金属管材试样5工作段51所受应力之间的关系，
Figure BDA0003012785060000081
S6、根据步骤S5得出的试验机所施加的载荷与金属管材试样5工作段51所受应力之间的关系，再根据疲劳试验设定的峰值应力与谷值应力，计算出试验机所需设定的最大载荷与最小载荷。
S7、选取正式试样，并按照步骤S2进行安装并固定同时保证正式试样的工作段51的中心位于受力轴线上，同时，正式试样完成装夹后通过下圆棒22抵住正式试样完成固定，保证正式试样不会轴向转动，之后进行疲劳试验，读取相应的结果。
S8、疲劳试验结束后取下正式试样。
上述步骤S5中金属管材试样的受力分析如下：
在试样上任一位置切取受力单元，其受力状态如附图7所示，根据其径向和环向受力平衡可得：
Figure BDA0003012785060000082
Figure BDA0003012785060000083
式中：F(θ)为所受的环向拉力，N(θ)是环形块的支撑力，为金属管材试样5与圆形块之间的摩擦系数，θ为金属管材试样5工作段51与水平方向的夹角(如图6所示)。
当θ很小时，
Figure BDA0003012785060000084
此时式(1)和(2)可简化为：
Figure BDA0003012785060000085
μN(θ)+dF(θ)＝0 (4)；
式(3)中，略去高阶无穷小
Figure BDA0003012785060000086
代入式(4)可得如下微分方程：
Figure BDA0003012785060000087
由微分方程式(5)可得，试样所受拉力满足：
F(θ)＝exp(-μθ-c) (6)；
由附图8中力的平衡可知边界条件为：θ＝0时，
Figure BDA0003012785060000091
其中P为圆形块所受拉力，与试验机所加轴向载荷相等。
将上述边界条件代入式(6)可确定
Figure BDA0003012785060000092
因此，试样所受环向拉力为：
Figure BDA0003012785060000093
本发明环向疲劳试验中，试样工作段中心位于上D形件的上顶点处，即
Figure BDA0003012785060000094
(角度用弧度表示)，代入式(7)得：
Figure BDA0003012785060000095
再根据正式疲劳试验前的三次拉伸试验结果计算摩擦系数μ值：
拉伸试验过程中试样受力分析与上述受力分析相同，将式(7)两边取对数得：
Figure BDA0003012785060000096
即
Figure BDA0003012785060000097
式(9)中，μθ相对于P和F(θ)来说非常小，因此可以基本认为，当θ一定时，P和F(θ)之间成正比关系。试样拉断前试验机的最大载荷为Pmax，此时试样工作段所受环向拉力最大，为F(θ)max，而(θ)max/S0等于试样环向抗拉强度(S0为试样工作段横截面积)，理论上试样环向抗拉强度为一定值，因此F(θ)max为定值。将Pmax和F(θ)max代入式(9)中得：
Figure BDA0003012785060000098
三次拉伸试验中，试样工作段中心径向与水平方向所呈角度不同，即采用三种不同的值。
式(10)中，令
Figure BDA0003012785060000099
θ＝x，lnF(θ)max＝，μ＝b，则式(10)可写成：
y＝a+bx (11)；
根据三次拉伸试验得到不同的
Figure BDA00030127850600000910
值，然后将三次不同的θ值与不同的
Figure BDA0003012785060000101
值进行直线拟合，得到的直线的斜率即为摩擦系数μ值。
再将得到的μ值代入式(8)即可得到疲劳试验时试验机载荷与金属管材试样工作段所受应力之间的关系。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种金属管材环向疲劳试验夹具，安装于用于拉伸的试验机上，包括上D型件、下D型件、与试验机连接的上固定件、与试验机连接的下固定件，所述的上固定件与上D型件连接，所述的下固定件与下D型件连接，所述的上D型件与下D型件组成用于固定金属管材试样的圆形块，其特征在于，在所述的上D型件的弧形面上设置上定位槽，在所述的下D型件的弧形面上设置下定位槽，所述的金属管材试样设置于上定位槽与下定位槽内。
2.根据权利要求1所述的金属管材环向疲劳试验夹具，其特征在于，所述的上固定件与下固定件的受力轴线重合且通过圆形块的中心。
3.根据权利要求1所述的金属管材环向疲劳试验夹具，其特征在于，所述的上固定件与下固定件结构一致均包括U型块以及设置于U型块上的圆棒，所述的U型块包括固定端以及位于固定端两端向同侧伸出的伸出端，所述的圆棒固定于固定端上。
4.根据权利要求3所述的金属管材环向疲劳试验夹具，其特征在于，所述的上D型件上设置上连接通孔，所述的上固定件的两个伸出端上分别设置上连接孔，在所述的上连接通孔与上连接孔内穿插入上销轴将上固定件、上D型件进行连接；所述的下D型件上设置下连接通孔，所述的下固定件的两个伸出端上分别设置下连接孔，在所述的下连接通孔与下连接孔内穿插入下销轴将下固定件、下D型件进行连接。
5.根据权利要求3所述的金属管材环向疲劳试验夹具，其特征在于，在所述的固定端上设置有螺纹孔，在所述的圆棒上设置有螺纹，所述的螺纹与螺纹孔配合。
6.根据权利要求3所述的金属管材环向疲劳试验夹具，其特征在于，所述的下固定件的圆棒的一端穿过固定端抵住下定位槽内的金属管材试样上。
7.一种金属管材环向疲劳试验方法，其特征在于，该试验方法为，
S1、从金属管材上截取多个金属管材试样以及一个正式试样备用；
S2、通过疲劳试验夹具固定金属管材试样并将疲劳试验夹具固定于试验机上，同时保证疲劳试验夹具的受力轴线通过金属管材试样的中心；
S3、以恒定的速度拉伸金属管材试样直至断裂，记录最大载荷；
S4、选取下一个金属管材试样，返回步骤S2同时保证该金属管材试样旋转至另一个角度，该角度与前述被拉断的金属管材试样的角度不同，直至所有金属管材试样全部完成测试；
S5、通过对多个金属管材试样进行受力分析，将上述试验结果处理得出金属管材试样与疲劳试验夹具之间的摩擦系数，并得出试验机所施加的载荷与金属管材试样工作段所受应力之间的关系；
S6、根据步骤S5得出的试验机所施加的载荷与金属管材试样工作段所受应力之间的关系，再根据疲劳试验设定的峰值应力与谷值应力，计算出试验机所需设定的最大载荷与最小载荷；
S7、选取正式试样，并按照步骤S2进行安装并固定同时保证正式试样的工作段的中心位于受力轴线上，进行疲劳试验；
S8、疲劳试验结束后取下正式试样。
8.根据权利要求7所述的金属管材环向疲劳试验方法，其特征在于，所述的金属管材试样至少两个。
9.根据权利要求7所述的金属管材环向疲劳试验方法，其特征在于，所述步骤S7中正式试样在完成装夹后通过一固定件保证正式试样不会转动。
10.根据权利要求7所述的金属管材环向疲劳试验方法，其特征在于，所述步骤S5中试验机所施加的载荷与金属管材试样工作段所受应力之间的关系为：
Figure FDA0003012785050000021
其中，F(θ)为所受的环向拉力，P为圆形块所受拉力，μ为金属管材试样与圆形块之间的摩擦系数，θ为金属管材试样工作段与水平方向的夹角。
CN202110380582.0A 2021-04-09 2021-04-09 一种金属管材环向疲劳试验夹具及试验方法 Pending CN112945716A (zh)

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CN113959833A (zh) * 2021-09-09 2022-01-21 中国航发南方工业有限公司 疲劳裂纹扩展c(t)试样u型夹具装置

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