CN115046831A - 一种石墨轴向疲劳测试的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石墨轴向疲劳测试的方法，包括样品制作、疲劳测试和数据分析，所述用于测试的石墨样品的柱体上分别开设有定位轴段和测量轴段；通常采用直接法或间接法测量石墨的抗拉强度数据，但间接法会受石墨的各向异性而影响，造成测量的抗拉强度数据不够准确；同时，直接法或间接法均不适用于直接对石墨进行疲劳测试，目前针对材料疲劳测试的研究比较多，而石墨疲劳测试大多尚处于理论研究阶段，未有统一的方法；本发明通过将石墨制成带阶梯轴段的柱体作为样品，实现对石墨的抗拉强度以及其轴向疲劳性能以直接法的方式进行测试，且能够将石墨样品类比于常见杆状金属材料的轴向加荷疲劳试验方法进行测试。

Description

一种石墨轴向疲劳测试的方法

技术领域

本发明涉及石墨技术领域，尤其涉及一种石墨轴向疲劳测试的方法。

背景技术

石墨材料应用广泛，其中石墨凭借其耐高温、抗辐照、稳定的化学性质、不易吸收中子等特性，在各反应堆中充当中子慢化剂、反射层材料，同时也是重要的结构材料；石墨构件的完整性将会影响到反应堆的实际使用寿命。因此，对石墨进行断裂力学分析是很有必要的；槽、卯等是石墨构件中常见的结构，对于工程实际使用的石墨断裂载荷会有显著的影响。

由于是脆性材料，石墨的抗拉强度是构件设计和应用过程中需要考虑的关键力学参数之一，所以，测量石墨材料的抗拉强度显得尤为重要。测量材料抗拉强度的方法主要有直接法和间接法两种。对于脆性材料抗拉强度的测量，在一些领域也使用间接法，即传统巴西劈裂法进行测试。

关于对石墨抗拉强度测量的研究，可参见：林广等.基于等半径圆弧劈裂法的石墨圆盘抗拉强度测量[J].现代应用物理,2021,12(02):116-122.文中通过圆盘压缩试验，对比了平板压裂法、垫条劈裂法、ISRM标准圆弧劈裂法和等半径圆弧劈裂法测量抗拉强度的适用性；得出了只有等半径圆弧劈裂法可以保证石墨圆盘从中心起裂，从而获得准确的抗拉强度的测量数据的结论。

但是该测量方法中采用间接法测量石墨的抗拉强度数据，会受石墨的各向异性而影响，造成测量的抗拉强度数据不够准确，同时，无论是直接法还是间接法均不适用于直接对石墨进行疲劳测试，易在疲劳加荷过程中由于装夹精度不足导致石墨样品的损坏，特别是柱体样品的折断，影响到石墨的轴向疲劳测试，目前针对材料疲劳测试的研究比较多，而石墨疲劳测试大多尚处于理论研究阶段，未有统一的方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提供一种石墨轴向疲劳测试的方法，通过使用模具进行压制或振动成型的方式，将石墨制成带阶梯轴段的柱体作为样品，实现对石墨的抗拉强度以及其轴向疲劳性能以直接法的方式进行测试，且能够将石墨样品类比于常见杆状金属材料的轴向加荷疲劳试验方法进行测试，解决采用间接法无法在进行轴向疲劳测试时受石墨样品各向异性导致测量精度不足的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种石墨轴向疲劳测试的方法，包括：

S10、样品制作：在石油焦和沥青焦的混合物中加入黏结剂并混合，并采用模具经压制或振动成型为柱体，最后经高温石墨化形成人造核级石墨的样品，并加工成带阶梯轴段的柱体；

S20、疲劳测试：取若干个经S10成型的石墨样品，将柱体的轴向两端装夹在试验机的夹头上，接着试验机对测试样品施加循环的拉力加荷，测试样品的疲劳极限以及有效寿命参数；

S30、数据分析：根据在疲劳测试中记录的应力水平以及循环周次的数据，采用S-N曲线、条件疲劳寿命以及等寿命曲线中的一种或多种计算拟合样品的轴向疲劳性能。

进一步，石墨样品柱体上的阶梯轴段包括：

定位轴段，开设于柱体的中段并与柱体的柱面间形成第二过渡弧；

测量轴段，开设于所述定位轴段中部并与定位轴段的柱面间形成第一过渡弧；

所述过渡段包括第一过渡弧和第二过渡弧；所述测量轴段的表面粗糙度要求高于其他区域。

进一步，第一过渡弧和第二过渡弧采用圆角过渡，且第一过渡弧和第二过渡弧中的至少一侧分别与测量轴段和定位轴段相切，第一过渡弧的圆角半径大于第二过渡弧的圆角半径。

进一步，疲劳测试工序还包括：

S21、参数测量：测量石墨样品的尺寸精度参数，并在石墨样品的柱体表面标记若干个点位，同样记录点位之间测量的尺寸精度参数，以及点位与设置在其两端夹头上的参考点之间相对位置的变化量；

S22、样品装夹：使试验机的夹头均匀地夹紧在柱体的定位轴段上，且在测试过程中，使样品与夹头之间不产生相对滑移；

S23、参数设定：根据试验机的应力加荷范围以及工作频率范围，划分成不同的等级水平，当一个样品不到规定循环周次就断裂，则后一个样品就在低一级应力水平下进行实验，若前一个样品在达到规定循环周次未断裂，则随后一个样品就在高一级应力水平下进行实验；

S24、数据记录：根据S23中对试验机的参数设定步骤，如此往复获取若干个样品试验的有效数据进行记录，并记录标记在样品上的若干个点位以及参考点之间位置变化量的数据。

进一步，在试验机的夹头均匀地夹紧在定位轴段的过程中，还包括：

连接于夹头末端上的钳口抵靠在定位轴段端部的第二过渡弧上，试验机通过对称抵靠在第二过渡弧上的钳口对石墨样品进行应力加荷。

进一步，所述样品装夹工序之后还包括：

装夹检测工序，夹头外侧的锤击机构通过力锤敲击石墨样品，配合分别贴附在夹头以及柱体表面的加速度传感器进行检测。

进一步，在钳口抵靠至第二过渡弧上的过程中，还包括：

连接于夹头与钳口之间的应力部在试验机应力加荷过程中监测应力值，应力部包括若干个环绕均布的应力传感器，当应力部中监测到的最大应力值与最小应力值之差超过设定值后，暂停试验机的应力加荷过程。

作为一种优选，在试验机应力加荷过程暂停的过程中，还包括：

锤击机构中的一个力锤调整至监测到最小应力值的应力传感器一侧的测量轴段上或对设的两个力锤分别调整至监测到最大应力值的应力传感器一侧的测量轴段上；

力锤对石墨样品的定位轴段进行敲击，当应力部监测到其中的应力差值恢复至设定值之内后，停止力锤敲击并继续进行应力加荷。

进一步，在所述力锤敲击石墨样品的过程中，还包括：

试验机上的回转部驱动夹头转动，使应力部中检测到最大应力值的应力传感器一侧随柱体转动朝向锤击机构，并在力锤敲击的过程中，回转部带动柱体在设定角度内往复回转。

进一步，在所述回转部转动夹头的过程中，还包括：

锤击机构中的力锤沿平行于柱体的导轨滑移，导轨上的牵引部带动力锤沿导轨往复移动于柱体两端测量轴段的位置，对设的两个力锤分别固连于牵引部的两端并关于测量轴段的中心对称分布。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明通过使用模具进行压制或振动成型的方式，将石墨制成带阶梯轴段的柱体作为样品，实现对石墨的抗拉强度以及其轴向疲劳性能以直接法的方式进行测试，且能够将石墨样品类比于常见杆状金属材料的轴向加荷疲劳试验方法进行测试。

（2）本发明通过开设在柱体表面的定位轴段和测量轴段形成阶梯轴段，使试验机的夹头夹持在定位轴段上，疲劳测试出现的裂纹位于石墨样品的测量轴段上，测量轴段较高的表面粗糙度，提高了观察到裂纹的精细度，其他区域较低的表面粗糙度要求降低了石墨样品的加工难度，并增加了表面摩擦因数，便于夹头的夹紧。

（3）本发明通过夹头上的钳口抵靠在第二过渡弧上，作为试验机加荷过程中应力作用的主要位置，以避免试验机加荷过程中，仅依靠夹头与柱体间的静摩擦力不足会产生滑动，而施加过大的挤压力进行夹紧易导致脆性材料的石墨样品产生碎裂的问题。

（4）本发明通过布置于试验机外侧的锤击机构，控制力锤敲击石墨样品，使柱体作自由振动，并被加速度传感器捕获加速度信号，使分别贴附在柱体与夹头上的加速度传感器，获取柱体与夹头的振动频率差异，进而判断石墨样品装夹的紧固程度，确保石墨样品疲劳测试过程的稳定。

（5）本发明利用分别贴附在柱体与夹头上的加速度传感器，在力锤的敲击作用下分别获取柱体与夹头的振动频率，进而判断石墨样品装夹的紧固程度，确保石墨样品疲劳测试过程的稳定。

（6）本发明通过环绕固定安装于夹头与钳口之间的应力传感器，在试验机的应力加荷过程中，在应力传感器中检测到的应力差值达到应力加荷值的10%后，停止试验机的应力加荷，随后通过力锤敲击石墨样品的柱体，使柱体的定位轴段趋向重合于试验机夹头的轴向，提高装夹的同轴度精度，防止疲劳测试过程中的石墨核样品发生折断情况。

综上所述，本发明具有采用直接法测量石墨材料的轴向疲劳性能，并避免在测试过程中出现样品折断情况等优点。

附图说明

图1为本发明测试方法流程图；

图2为本发明整体结构示意图；

图3为本发明试验机结构示意图；

图4为本发明柱体结构示意图；

图5为本发明夹头结构爆炸图；

图6为本发明锤击机构示意图；

图7为本发明采用单力锤实施例示意图；

图8为本发明采用双力锤实施例示意图；

图9为图8中A处的局部放大图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一

如图1-4所示，本实施例提供一种石墨轴向疲劳测试的方法，包括：

S10、样品制作：在石油焦和沥青焦的混合物中加入黏结剂并混合，并采用模具经压制或振动成型为柱体1，最后经高温石墨化形成人造核级石墨的样品，并加工成带阶梯轴段11的柱体1；

S20、疲劳测试：取若干个经S10成型的石墨样品，将柱体1的轴向两端装夹在试验机2的夹头21上，接着试验机2对测试样品施加循环的拉力加荷，测试样品的疲劳极限以及有效寿命参数；

S30、数据分析：根据在疲劳测试中记录的应力水平以及循环周次的数据，采用S-N曲线、条件疲劳寿命以及等寿命曲线中的一种或多种计算拟合样品的轴向疲劳性能。

本实施例中，通过使用模具进行压制或振动成型的方式，将石墨制成带阶梯轴段11的柱体1作为样品，使柱体1的长度不小于120mm，阶梯轴段11处的柱体1直径不小于3mm，过渡段12采用弧形过渡，使试验机2的夹头21和钳口211能够分别夹紧抵靠在石墨样品阶梯轴段11的柱体1和过渡段12的劣弧表面，实现对石墨的抗拉强度以及其轴向疲劳性能以直接法的方式进行测试，相比与现有间接法的测量方式，避免了因石墨构件各向异性造成的测量数据误差，且能够将石墨样品类比于常见杆状金属材料的轴向加荷疲劳试验方法进行测试，便于石墨轴向测试方法理论研究的开发实践；且通过多种数据分析方法，进一步验证石墨的轴向疲劳性能数据。

具体的，如图4所示，石墨样品柱体1上的阶梯轴段11包括：

定位轴段111，开设于柱体1的中段并与柱体1的柱面间形成第二过渡弧122；

测量轴段112，开设于所述定位轴段111中部并与定位轴段111的柱面间形成第一过渡弧121；

所述过渡段12包括第一过渡弧121和第二过渡弧122；所述测量轴段112的表面粗糙度要求高于其他区域。

本实施例中，通过开设在柱体1表面的定位轴段111和测量轴段112形成阶梯轴段11，并与柱体1件形成的第一过渡弧121和第二过渡弧122，使第一过渡弧121为圆角过度且其半径不小于两倍测量轴段112的直径，第二过渡弧122为圆角过度且其半径不大于第一过渡弧121半径的一半，在试验机2施加应力荷载进行轴向疲劳测试时，使试验机2的夹头21夹持在定位轴段111上，疲劳测试出现的裂纹位于石墨样品的测量轴段112上，配合测量轴段112较高的表面粗糙度，提高了石墨样品表面在轴向疲劳测试中观察到裂纹的精细度，其他区域较低的表面粗糙度要求降低了石墨样品的加工难度，并增加了表面摩擦因数，便于夹头21的夹紧。

具体的，如图4所示，第一过渡弧121和第二过渡弧122采用圆角过渡，且第一过渡弧121和第二过渡弧122中的至少一侧分别与测量轴段112和定位轴段111相切，第一过渡弧121的圆角半径大于第二过渡弧122的圆角半径：

在本实施例中，使过渡段12中的一侧与柱体1表面相切，减小石墨样品的截面变量，避免在轴向疲劳测试中的裂纹出现在石墨样品的变截面处；同样的，在第二过渡弧122中较小的圆角半径，便于钳口211稳定地抵靠在测量轴段112端部的第二过渡弧122上进行应力加荷。

具体的，如图1、4所示，疲劳测试工序还包括：

S21、参数测量：测量石墨样品的尺寸精度参数，并在石墨样品的柱体1表面标记若干个点位100，同样记录点位100之间测量的尺寸精度参数，以及点位100与设置在其两端夹头21上的参考点210之间相对位置的变化量；

S22、样品装夹：使试验机2的夹头21均匀地夹紧在柱体1的定位轴段111上，且在测试过程中，使样品与夹头21之间不产生相对滑移；

S23、参数设定：根据试验机2的应力加荷范围以及工作频率范围，划分成不同的等级水平，当一个样品不到规定循环周次就断裂，则后一个样品就在低一级应力水平下进行实验，若前一个样品在达到规定循环周次未断裂，则随后一个样品就在高一级应力水平下进行实验；

S24、数据记录：根据S23中对试验机2的参数设定步骤，如此往复获取若干个样品试验的有效数据进行记录，并记录标记在样品上的若干个点位100以及参考点210之间位置变化量的数据。

在本实施例中，参数测量步骤中记录的尺寸精度参数包括柱体1以及阶梯轴段11段的长度及其直径，还包括同轴度、垂直度、平行度以及表面粗糙度等参数，将应力试验机2的应力加荷范围均分成4-5级作为应力加荷值，分别进行加荷测试，例如以试验机2最大加荷力的20%、40%、60%以及80%进行分级加荷；同样的，依据试验机2的运行频率范围，设定与应力加荷值级数对应的运行频率级数；易于想到的，还可以设置动态变化的运行频率，增强对样品测试的拟真效果；配合标记的若干个点位100，获得石墨样品标记的点位100区域在疲劳测试过程中的变化状态。

具体的，如图2、7-8所示，在试验机2的夹头21均匀地夹紧在定位轴段111的过程中，还包括：

连接于夹头21末端上的钳口211抵靠在定位轴段111端部的第二过渡弧122上，试验机2通过对称抵靠在第二过渡弧122上的钳口211对石墨样品进行应力加荷。

本实施例中，通过夹头21上的钳口211抵靠在第二过渡弧122上，作为试验机2加荷过程中应力作用的主要位置，以避免试验机2加荷过程中，仅依靠夹头21与柱体1间的静摩擦力不足会产生滑动，而施加过大的挤压力进行夹紧易导致脆性材料的石墨样品产生碎裂。

实施例二

如图1、6所示，其中与实施例一中相同或相应的部件采用与实施例一相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例一的区别点。该实施例二与实施例一的不同之处在于：

所述样品装夹工序之后还包括：

装夹检测工序，夹头21外侧的锤击机构3通过力锤31敲击石墨样品，配合分别贴附在夹头21以及柱体1表面的加速度传感器32进行检测。

本实施例中，布置于试验机2外侧的锤击机构3，在石墨样品的柱体装夹至试验机后，控制力锤31敲击石墨样品，使柱体1作自由振动，并被加速度传感器32捕获加速度信号，分别贴附在柱体1与夹头21上的加速度传感器32，可以通过力锤31的敲击分别获取柱体1与夹头21的振动频率差异，进而判断石墨样品装夹的紧固程度，确保石墨样品疲劳测试过程的稳定。

具体的，如图5、7-8所示，在钳口211抵靠至第二过渡弧122上的过程中，还包括：

连接于夹头21与钳口211之间的应力部20在试验机2应力加荷过程中监测应力值，应力部20包括若干个环绕均布的应力传感器201，当应力部20中监测到的最大应力值与最小应力值之差超过设定值后，暂停试验机2的应力加荷过程；

同样的，还可在石墨样品的柱体表面包裹纸质垫片等材料，用于缓冲敲击摆正石墨过程中造成的碰撞及振动，并降低对石墨样品装夹精度的影响。

更具体的，如图7-8所示，在试验机2应力加荷过程暂停的过程中，还包括：

锤击机构3中的一个力锤31调整至监测到最小应力值的应力传感器201一侧的测量轴段112上或对设的两个力锤31分别调整至监测到最大应力值的应力传感器201一侧的测量轴段112上；

力锤31对石墨样品的定位轴段111进行敲击，当应力部20监测到其中的应力差值恢复至设定值之内后，停止力锤31敲击并继续进行应力加荷。

在本实施例中，石墨样品的柱体1在装夹到试验机2的夹头21后具有同轴度偏差，当试验机2进行应力加荷时，过大的同轴度偏差会在钳口211与石墨样品的接触面上产生应力集中，进而对石墨样品在疲劳测试过程中产生裂纹、折断等状况而造成影响，影响到石墨样品的疲劳测试过程；通过环绕固定安装于夹头21与钳口211之间的应力传感器201，在试验机2的应力加荷过程中，应力传感器201中检测到的应力差值达到应力加荷值的10%后，停止试验机2的应力加荷，随后通过力锤31敲击石墨样品的柱体1，使柱体1的定位轴段111趋向重合于试验机2夹头21的轴向，提高装夹的同轴度精度；同样的，在力锤31敲击时，同步降低试验机2的应力加荷值，降低柱体1在钳口211中的拉紧力度，便于敲击过程中柱体1定位轴段111的端部在钳口211中移动调整。

具体的，如图6-8所示，在所述力锤31敲击石墨样品的过程中，还包括：

试验机2上的回转部22驱动夹头21转动，使应力部20中检测到最大应力值的应力传感器201一侧随柱体1转动朝向锤击机构3，并在力锤31敲击的过程中，回转部22带动柱体1在设定角度内往复回转。

本实施例中，夹头21在回转部22例如固定在试验机2上的转角电机221的驱动下，通过齿轮传动带动夹头21转动，使得石墨样品转动，将疲劳测试过程中柱体1表面出现裂纹的一面朝向试验机2外侧，以便于观察；同样的，在调整装夹的石墨样品的同轴度参数时，回转部22的转角电机将柱体1上待力锤31敲击的一侧转向锤击机构3的方向，并在力锤31敲击过程中带动柱体1在设定角度例如30°内往复回转，提高敲击柱体1修正同轴度精度的效果。

具体的，如图8-9所示，在所述回转部22转动夹头21的过程中，还包括：

锤击机构3中的力锤31沿平行于柱体1的导轨34滑移，导轨34上的牵引部341带动力锤31沿导轨34往复移动于柱体1两端测量轴段112的位置，对设的两个力锤31分别固连于牵引部341的两端并关于测量轴段112的中心对称分布。

在本实施例中，沿导轨34移动的力锤31配合回转部22驱动夹头21的转动，实现对石墨样品柱体1上测量轴段112任一位置的敲击，保持柱体1装夹在夹头21中的同轴度精度；利用牵引部341例如在卷绕在电动转盘342上的钢丝绳343两端分别固连对设的力锤31，满足力锤31在石墨样品柱体1表面对侧的对称分布状态，便于控制对设的力锤31在柱体1长度方向上的分布位置。

实施例三

如图2-3所示，本实施例还提供了一种用于石墨轴向疲劳测试的设备，包括：用于对石墨进行轴向疲劳测试的试验机2，固设于试验机2上用于装夹石墨样品柱体1的夹头21，固设于试验机2上用于记录测试数据的应力传感器201或加速度传感器32中的一种或多种，以及布置于试验机2一侧用于测试石墨样品装夹紧固程度的锤击机构3.

在本实施例中，使试验机2的夹头21分别夹紧抵靠在石墨样品的柱体1表面，实现对石墨的抗拉强度以及其轴向疲劳性能以直接法的方式进行测试，相比与现有间接法的测量方式，避免了因石墨构件各向异性造成的测量数据误差，且能够将石墨样品类比于常见杆状金属材料的轴向加荷疲劳试验方法进行测试，并通过多种数据分析方法，进一步验证石墨的轴向疲劳性能数据；

值得说明的是，利用布置于试验机2一侧的锤击机构3，在夹头21夹紧石墨样品的柱体1过程中，通过锤击机构3敲击试验机2上装夹的石墨样品的柱体1，使夹头21与抵靠接触石墨样品的柱体1之间存在的空隙在锤击机构3的敲击作用下产生不同的振动频率，并被应力传感器201或加速度传感器32捕捉到相应参数，从而调整夹头21对石墨样品柱体1的夹持状态，确保对石墨样品夹紧的稳固性，从而保持试验机2对石墨样品柱体1的轴向疲劳测试数据的准确性。

如图2、4所示，试验机2上用于测试的石墨样品的柱体1上开设有阶梯轴段11，所述阶梯轴段11包括开设于柱体1的中段并与柱体1的柱面间形成第二过渡弧122的定位轴段111；开设于所述定位轴段111中部并与定位轴段111的柱面间形成第一过渡弧121的测量轴段112；所述测量轴段112的表面粗糙度要求高于其他区域；

如图2、4所示，所述过渡段12包括第一过渡弧121和第二过渡弧122，第一过渡弧121和第二过渡弧122采用圆角过渡，且第一过渡弧121和第二过渡弧122中的至少一侧分别与测量轴段112和定位轴段111相切，第一过渡弧121的圆角半径大于第二过渡弧122的圆角半径。

在本实施例中，通过开设在柱体1表面的定位轴段111和测量轴段112形成阶梯轴段11，并与柱体1件形成的第一过渡弧121和第二过渡弧122，使第一过渡弧121为圆角过度且其半径不小于两倍测量轴段112的直径，第二过渡弧122为圆角过度且其半径不大于第一过渡弧121半径的一半，在试验机2施加应力荷载进行轴向疲劳测试时，使试验机2的夹头21夹持在定位轴段111上，疲劳测试出现的裂纹位于石墨样品的测量轴段112上，配合测量轴段112较高的表面粗糙度，提高了石墨样品表面在轴向疲劳测试中观察到裂纹的精细度，其他区域较低的表面粗糙度要求降低了石墨样品的加工难度，并增加了表面摩擦因数，便于石墨样品的柱体1在轴向疲劳测试承受的往复应力过程中保持被夹紧状态，确保测试数据的准确性。

如图3、5、9所示，所述夹头21的末端设置有用于抵靠在定位轴段111端部的第二过渡弧122上的钳口211，且钳口211用于对石墨样品进行应力加荷。

本实施例中，通过夹头21上的钳口211抵靠在第二过渡弧122上，作为试验机2加荷过程中应力作用的主要位置，以避免试验机2加荷过程中，仅依靠夹头21与柱体1间的静摩擦力不足会产生滑动，而施加过大的挤压力进行夹紧易导致脆性材料的石墨样品产生碎裂，确保石墨样品的柱体1在轴心疲劳测试过程中的稳固性。

如图7-9所示，所述锤击机构3包括用于敲击石墨样品的力锤31以及贴附在夹头21和柱体1表面的加速度传感器32。

本实施例中，通过控制力锤31敲击石墨样品，使柱体1作自由振动，并被加速度传感器32捕获加速度信号，分别贴附在柱体1与夹头21上的加速度传感器32，可以通过力锤31的敲击分别获取柱体1与夹头21的振动频率差异，进而判断石墨样品装夹的紧固程度，进而调整夹头21及钳口211对石墨样品柱体1的夹紧状态。

如图5、7-8所示，还包括用于检测试验机2的应力加荷值的应力部20，应力部连接于夹头21与钳口211之间，所述应力部20包括若干个环绕均布的应力传感器201。

本实施例中，当钳口211抵靠至第二过渡弧122上时，应力部20中实时监测应力值的变化，当应力部20中监测到的最大应力值与最小应力值之差超过设定值后，暂停试验机2的应力加荷过程，接着锤击机构3中的一个力锤31调整至监测到最小应力值的应力传感器201一侧的测量轴段112上或对设的两个力锤31分别调整至监测到最大应力值的应力传感器201一侧的测量轴段112上；然后力锤31对石墨样品的定位轴段111进行敲击，当应力部20监测到其中的应力差值恢复至设定值之内后，停止力锤31敲击并继续进行应力加荷。

值得说明的是，石墨样品的柱体1在装夹到试验机2的夹头21后具有同轴度偏差，当试验机2进行应力加荷时，过大的同轴度偏差会在钳口211与石墨样品的接触面上产生应力集中，进而对石墨样品在疲劳测试过程中产生裂纹、折断等状况而造成影响，影响到石墨样品的疲劳测试过程；通过环绕固定安装于夹头21与钳口211之间的应力传感器201，在试验机2的应力加荷过程中，应力传感器201中检测到的应力差值达到应力加荷值的10%后，停止试验机2的应力加荷，随后通过力锤31敲击石墨样品的柱体1，使柱体1的定位轴段111趋向重合于试验机2夹头21的轴向，提高装夹的同轴度精度；同样的，在力锤31敲击时，同步降低试验机2的应力加荷值，降低柱体1在钳口211中的拉紧力度，便于敲击过程中柱体1定位轴段111的端部在钳口211中移动调整。

如图6-8所示，所述试验机2上还固设有用于驱动夹头21转动的回转部22，回转部22用于在锤击机构3的敲击过程中带动柱体1在设定角度内往复回转。

本实施例中，在所述力锤31敲击石墨样品的过程中，试验机2上的回转部22驱动夹头21转动，使应力部20中检测到最大应力值的应力传感器201一侧随柱体1转动朝向锤击机构3，夹头21在回转部22例如固定在试验机2上的转角电机221的驱动下，通过齿轮传动带动夹头21转动，使得石墨样品转动，将疲劳测试过程中柱体1表面出现裂纹的一面朝向试验机2外侧，以便于观察；同样的，在调整装夹的石墨样品的同轴度参数时，回转部22的转角电机将柱体1上待力锤31敲击的一侧转向锤击机构3的方向，并在力锤31敲击过程中带动柱体1在设定角度例如30°内往复回转，提高敲击柱体1修正同轴度精度的效果。

如图6-9所示，还包括固设于锤击机构3中并平行于柱体1的导轨34，导轨34上固设有用于带动力锤31沿导轨34往复移动于柱体1两端测量轴段112位置的牵引部341，牵引部341的两端关于测量轴段112的中心对称分布有固连的两个力锤31。

本实施例中，在回转部22转动夹头21的过程中，锤击机构3中的力锤31沿平行于柱体1的导轨34滑移，导轨34上的牵引部341带动力锤31沿导轨34往复移动于柱体1两端测量轴段112的位置，沿导轨34移动的力锤31配合回转部22驱动夹头21的转动，实现对石墨样品柱体1上测量轴段112任一位置的敲击，保持柱体1装夹在夹头21中的同轴度精度；利用牵引部341例如在卷绕在电动转盘342上的钢丝绳343两端分别固连对设的力锤31，满足力锤31在石墨样品柱体1表面对侧的对称分布状态，便于控制对设的力锤31在柱体1长度方向上的分布位置。

工作步骤

步骤一、通过使用模具进行压制或振动成型的方式，将石墨原料制成带阶梯轴段11的柱体1作为样品，使石墨样品的长度≥120mm，测量轴段的直径≥3mm，第一过渡弧121的半径≥6mm，第二过渡弧122的半径≤3mm，石墨样品柱体1的同轴度、垂直度以及平行度满足≤0.015mm，测量轴段的表面粗糙度≤1.2μm，其他区域的表面粗糙度≤2.0μm；

步骤二、通过开设在柱体1表面的定位轴段111和测量轴段112形成阶梯轴段11，并与柱体1件形成的第一过渡弧121和第二过渡弧122，使试验机2的夹头21夹持在定位轴段111上，试验机2的钳口211抵靠在第二过渡弧122上，对石墨样品进行装夹定位，进行轴向疲劳测试；

步骤三、以试验机2最大加荷力的20%、40%、60%以及80%进行分级加荷；同样的设定与应力加荷值级数对应的运行频率级数；还可以设置动态变化的运行频率，增强对样品测试的拟真效果；配合标记的若干个点位100，记录点位100之间测量的尺寸精度参数，以及点位100与设置在其两端夹头21上的参考点210之间相对位置的变化量；

步骤四、布置于试验机2外侧的锤击机构3，在石墨样品的柱体1装夹至试验机2后，控制力锤31敲击石墨样品，使柱体1作自由振动，并被加速度传感器32捕获加速度信号，分别贴附在柱体1与夹头21上的加速度传感器32，可以通过力锤31的敲击分别获取柱体1与夹头21的振动频率差异，进而判断石墨样品装夹的紧固程度；

步骤五、环绕固定安装于夹头21与钳口211之间的应力传感器201，在试验机2的应力加荷过程中，应力传感器201中检测到的应力差值达到应力加荷值的10%后，停止试验机2的应力加荷，随后通过力锤31敲击石墨样品的柱体1，使柱体1的定位轴段111趋向重合于试验机2夹头21的轴向，提高装夹的同轴度精度；

步骤六、在调整装夹的石墨样品的同轴度参数时，回转部22的转角电机将柱体1上待力锤31敲击的一侧转向锤击机构3的方向，并在力锤31敲击过程中带动柱体1在设定角度例如30°内往复回转；

步骤六、分别贴附在柱体1与夹头21上的加速度传感器32，通过力锤31的敲击分别获取柱体1与夹头21的振动频率，判断石墨样品装夹的紧固程度；并根据在疲劳测试中记录的应力水平以及循环周次的数据，采用S-N曲线、条件疲劳寿命以及等寿命曲线方法中的一种或多种计算拟合样品的轴向疲劳性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨轴向疲劳测试的方法，其特征在于，包括：

S10、样品制作：在石油焦和沥青焦的混合物中加入黏结剂并混合，并采用模具经压制或振动成型为柱体，最后经高温石墨化形成人造核级石墨的样品，并加工成带阶梯轴段的柱体；

S20、疲劳测试：取若干个经S10成型的石墨样品，将柱体的轴向两端装夹在试验机的夹头上，接着试验机对测试样品施加循环的拉力加荷，测试样品的疲劳极限以及有效寿命参数；

S30、数据分析：根据在疲劳测试中记录的应力水平以及循环周次的数据，采用S-N曲线、条件疲劳寿命以及等寿命曲线中的一种或多种计算拟合样品的轴向疲劳性能。

2.根据权利要求1所述的一种石墨轴向疲劳测试的方法，其特征在于，

所述石墨样品柱体上的阶梯轴段包括：

定位轴段，开设于柱体的中段并与柱体的柱面间形成第二过渡弧；

测量轴段，开设于所述定位轴段中部并与定位轴段的柱面间形成第一过渡弧；

所述过渡段包括第一过渡弧和第二过渡弧；所述测量轴段的表面粗糙度要求高于其他区域。

3.根据权利要求2所述的一种石墨轴向疲劳测试的方法，其特征在于，

所述第一过渡弧和第二过渡弧采用圆角过渡，且第一过渡弧和第二过渡弧中的至少一侧分别与测量轴段和定位轴段相切，第一过渡弧的圆角半径大于第二过渡弧的圆角半径。

4.根据权利要求2-3中任一所述的一种石墨轴向疲劳测试的方法，其特征在于，

所述疲劳测试工序还包括：

S21、参数测量：测量石墨样品的尺寸精度参数，并在石墨样品的柱体表面标记若干个点位，同样记录点位之间测量的尺寸精度参数，以及点位与设置在其两端夹头上的参考点之间相对位置的变化量；

S22、样品装夹：使试验机的夹头均匀地夹紧在柱体的定位轴段上，且在测试过程中，使样品与夹头之间不产生相对滑移；

S23、参数设定：根据试验机的应力加荷范围以及工作频率范围，划分成不同的等级水平，当一个样品不到规定循环周次就断裂，则后一个样品就在低一级应力水平下进行实验，若前一个样品在达到规定循环周次未断裂，则随后一个样品就在高一级应力水平下进行实验；

S24、数据记录：根据S23中对试验机的参数设定步骤，如此往复获取若干个样品试验的有效数据进行记录，并记录标记在样品上的若干个点位以及参考点之间位置变化量的数据。

5.根据权利要求4所述的一种石墨轴向疲劳测试的方法，其特征在于，

在试验机的夹头均匀地夹紧在定位轴段的过程中，还包括：

连接于夹头末端上的钳口抵靠在定位轴段端部的第二过渡弧上，试验机通过对称抵靠在第二过渡弧上的钳口对石墨样品进行应力加荷。

6.根据权利要求4所述的一种石墨轴向疲劳测试的方法，其特征在于，

所述样品装夹工序之后还包括：

装夹检测工序，夹头外侧的锤击机构通过力锤敲击石墨样品，配合分别贴附在夹头以及柱体表面的加速度传感器进行检测。

7.根据权利要求5所述的一种石墨轴向疲劳测试的方法，其特征在于，

在钳口抵靠至第二过渡弧上的过程中，还包括：

连接于夹头与钳口之间的应力部在试验机应力加荷过程中监测应力值，应力部包括若干个环绕均布的应力传感器，当应力部中监测到的最大应力值与最小应力值之差超过设定值后，暂停试验机的应力加荷过程。

8.根据权利要求7所述的一种石墨轴向疲劳测试的方法，其特征在于，

在试验机应力加荷过程暂停的过程中，还包括：

锤击机构中的一个力锤调整至监测到最小应力值的应力传感器一侧的测量轴段上或对设的两个力锤分别调整至监测到最大应力值的应力传感器一侧的测量轴段上；

力锤对石墨样品的定位轴段进行敲击，当应力部监测到其中的应力差值恢复至设定值之内后，停止力锤敲击并继续进行应力加荷。

9.根据权利要求8所述的一种石墨轴向疲劳测试的方法，其特征在于，

在所述力锤敲击石墨样品的过程中，还包括：

试验机上的回转部驱动夹头转动，使应力部中检测到最大应力值的应力传感器一侧随柱体转动朝向锤击机构，并在力锤敲击的过程中，回转部带动柱体在设定角度内往复回转。

10.根据权利要求9所述的一种石墨轴向疲劳测试的方法，其特征在于，

在所述回转部转动夹头的过程中，还包括：

锤击机构中的力锤沿平行于柱体的导轨滑移，导轨上的牵引部带动力锤沿导轨往复移动于柱体两端测量轴段的位置，对设的两个力锤分别固连于牵引部的两端并关于测量轴段的中心对称分布。

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