CN117129312A - 一种实现ct试样负应力比高温疲劳裂纹扩展试验的夹具及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现CT试样负应力比高温疲劳裂纹扩展试验的夹具及方法，包括试验机液压杆、夹具转接头、试验机拉杆、试验夹具、中心顶杆和销轴，其中：试验机液压杆为一对，上下相向设置；试验夹具为一对分别与两个试验机液压杆端部紧密贴合；两个试验夹具之间用于放置CT试验件；夹具转接头为一对，分别与两个试验夹具近试验机液压杆一端连接；试验机拉杆为一对，分别与两个夹具转接头连接；中心顶杆穿插于试验夹具的通孔中，一端与试验机液压杆端部紧密贴合，另一端与CT试验件紧密贴合；销轴横向插入试验夹具的销钉孔中。本发明能够满足在高温状态下CT试样拉‑压疲劳载荷下稳定夹持的需求。
Description
技术领域
本发明属于金属材料疲劳性能试验设备技术领域，特别涉及一种金属材料的单轴拉-压疲劳试验夹具。
背景技术
盘类零件是航空燃气涡轮发动机常见的关键件，这些零件都处于高速旋转的工作状态，其破裂通常会造成非包容性的毁坏，所造成的后果往往是灾难性的。损伤容限设计要求轮盘等构件具有足够的裂纹扩展寿命，从而提高其在发动机寿命期中的安全性和可靠性。裂纹扩展预测的分析技术是其中的关键，但前提是建立能够准确有效描述材料裂纹扩展行为规律的裂纹扩展模型。很多情况下轮盘危险部位应力水平较高，会进入小范围屈服状态，导致危险部位应力重新分布，使得在应力集中部位产生负应力比疲劳循环，影响该部位的疲劳裂纹扩展行为和扩展过程。因此，为了研究不同材料负应力比拉-压循环下的裂纹扩展行为，需要设计一套试验夹具以满足拉-压应力比加载试验条件。
中华人民共和国国家标准GB/T6398-2017中描述了标准紧凑拉伸试样(简称CT试样)，可以通过销轴连接施加轴向拉-拉的疲劳载荷，研究材料裂纹扩展行为。CT试样裂纹扩展有效段较长，所需试验机加载力较小，且试样紧凑，相对节约材料。但以销轴连接的情况下，由于销轴与试验件和夹具间存在间隙，使得这种连接方式不能稳定施加拉-压载荷。
中国发明专利CN 108548716A公开了一种圆棒试件高温拉压疲劳试验夹具及试验方法。解决了多种尺寸的圆棒试件的稳定夹持问题，并实现其在高温条件下的单轴拉伸、拉伸/压缩疲劳。但是夹具只适用于圆棒试样，不能应用于CT试样。
中国发明专利CN 111595695A公开了一种适用于低温拉压疲劳测试的间隙消除装置和方法。解决了低温拉压疲劳测试的间隙问题，且随着测试温度下降，间隙消除效果越好，为超低温环境下的拉压疲劳测试提供了解决方案。但其连接方式为锥度夹板连接，不适用于CT试样，且无法实现高温状态下的稳定夹持。
中国发明专利CN 115420591A公开了一种棒状试件的高温拉压疲劳试验夹具及使用方法。解决了现有的试验夹具在进行高温拉压疲劳试验时容易存在螺纹间隙再次复现而造成试验不准确的问题。但其不适用于CT试样的高温疲劳裂纹扩展试验。
中国发明专利CN 109724873A公开了一种适应拉压载荷的CT试样裂纹扩展试验夹具。解决了拉压交变载荷加载时夹具、试样间不产生间隙，并保持加载轴线不变的问题。但是其夹具较为复杂，零部件较多，并在消除间隙方案采用紧固螺钉和楔形块顶紧，其在高温情况下，紧固螺钉可能会由于温度变化而无法提供足够的预紧力。不能解决在高温下拉-压裂纹扩展试验的可靠度问题。
综上，现有试验夹具的设计不能可靠的用于高温下CT试样拉-压载荷裂纹扩展试验，需要另行设计夹具，以满足在高温状态下CT试样拉-压疲劳载荷下稳定夹持的需求，具体要求包括：（1）高温状态下使得夹具、试样间不产生间隙；（2）拉-压加载轴线不变；（3）可以由拉-拉夹具低成本加工而来，且不改变拉-拉夹具本身功能；（4）装配方便且可靠。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现CT试样负应力比高温疲劳裂纹扩展试验的夹具，以满足在高温状态下CT试样拉-压疲劳载荷下稳定夹持的需求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种实现CT试样负应力比高温疲劳裂纹扩展试验的夹具，包括试验机液压杆、夹具转接头、试验机拉杆、试验夹具、中心顶杆和销轴，其中：
所述试验机液压杆为一对，上下相向设置；
所述试验夹具为一对，上下相向设置，分别与两个试验机液压杆端部紧密贴合；两个试验夹具之间用于放置CT试验件；所述试验夹具中心竖向开设有通孔，试验夹具两侧开设有销钉孔；
所述夹具转接头为一对，分别与两个试验夹具近试验机液压杆一端连接；
所述试验机拉杆为一对，分别与两个夹具转接头连接；
所述中心顶杆穿插于试验夹具的通孔中，一端与试验机液压杆端部紧密贴合，另一端与CT试验件紧密贴合；
所述销轴横向插入试验夹具的销钉孔中。
所述夹具转接头内壁设置有内螺纹，试验夹具外壁设置有外螺纹，夹具转接头和试验夹具通过螺纹连接。
所述试验机拉杆内壁设置有内螺纹，夹具转接头外壁设置有外螺纹，试验机拉杆和夹具转接头通过螺纹连接。
所述试验机液压杆的端部与试验夹具和中心顶杆紧密贴合，加压顶紧，使得试验夹具、销轴、CT试验件和中心顶杆间不产生间隙，并与试验机拉杆成为一个整体。
所述中心顶杆与试验机液压杆和CT试验件相接触，通过试验机液压杆保持顶紧状态，传递压缩载荷。
一种实现CT试样负应力比高温疲劳裂纹扩展试验的夹具的使用方法，包括以下步骤：
（1）先把夹具转接头安装在实验机拉杆上，确保夹具转接头贴合实验机拉杆；
（2）把试验夹具安装在夹具转接头上，拧至夹具转接头的底部，保证上下两个试验夹具方向一致，在试验夹具中心孔插入中心顶杆；
（3）将CT试样放在两个试验夹具之间，两个试验夹具的上端下端分别对准试验夹具的销钉孔，把销轴插进销钉孔；
（4）加压，在试验机液压杆的手动打压杆处进行压力操作；此时CT试样间隙随着压力上升而消失并紧箍。
有益效果：本发明一方面可以使得在加载轴线不变的情况下完成拉压交变加载，并在高温状态下仍然可以使得夹具、试样间不产生间隙。另一方面可以利用常用的拉-拉试验夹具加工中心通孔，附加一个中心顶杆，将其转换为可以施加拉压交变载荷的夹具，并且不需要加工其他复杂配件，没有改变原有拉-拉试验夹具功能。整个装置装配简单，极大地节约了加工试验夹具的成本和周期。
附图说明
图1为本发明的夹具的立体结构示意图；
图2为本发明的夹具的纵向剖面结构示意图；
图3为夹具转接头的结构示意图；
图4为试验夹具的正视图；
图5为试验夹具的立体结构示意图；
图6为中心顶杆的结构示意图；
图7为使用此新型夹具实际装配示意图；
图8为CT试验件采用此新型夹具进行R=-1的650℃疲劳裂纹扩展试验件效果图；
图9为CT试验件采用此新型夹具进行R=-1的650℃疲劳裂纹扩展试验件与中心顶杆接触面效果图；
图中：
1-试验机液压杆，2-夹具转接头，3-试验机拉杆，4-试验夹具，5-CT试验件，6-中心顶杆，7-销轴。
实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至5所示，本发明的一种实现CT试样负应力比高温疲劳裂纹扩展试验的夹具，其特征在于：包括试验机液压杆1、夹具转接头2、试验机拉杆3、试验夹具4、中心顶杆6和销轴7，其中：
试验机液压杆1为一对，上下相向设置。
试验夹具4为一对，上下相向设置，分别与两个试验机液压杆1端部紧密贴合；两个试验夹具4之间用于放置CT试验件5；试验夹具4中心竖向开设有通孔，试验夹具4两侧开设有销钉孔。
夹具转接头2为一对，分别与两个试验夹具4近试验机液压杆1一端连接；具体的，夹具转接头2内壁设置有内螺纹，试验夹具4外壁设置有外螺纹，夹具转接头2和试验夹具4通过螺纹连接。
试验机拉杆3为一对， 分别与两个夹具转接头2连接；具体的，试验机拉杆3内壁设置有内螺纹，夹具转接头2外壁设置有外螺纹，试验机拉杆3和夹具转接头2通过螺纹连接。
中心顶杆6穿插于试验夹具4的通孔中，一端与试验机液压杆1端部紧密贴合，另一端与CT试验件5紧密贴合。
销轴7横向插入试验夹具4的销钉孔中。
试验机液压杆1的端部与试验夹具4和中心顶杆6紧密贴合，加压顶紧，使得试验夹具4、销轴7、CT试验件5和中心顶杆6间不产生间隙，并与试验机拉杆成为一个整体。
中心顶杆6与试验机液压杆1和CT试验件5相接触，通过试验机液压杆1保持顶紧状态，传递压缩载荷。
当疲劳机施加的载荷为拉力时，拉力由试验机拉杆通过螺纹传递给夹具转接头；夹具转接头通过螺纹与试验夹具连接，将拉力传递到试验夹具；试验夹具通过销轴将拉力传递到CT试样上。
当疲劳机施加的载荷为压力时，压力由试验机液压杆传递给中心顶杆；中心顶杆通过接触面将压力传给CT试样。
本发明的夹具的使用方法，包括以下步骤：
（1）先把夹具转接头2安装在实验机拉杆3上，确保夹具转接头2贴合实验机拉杆3；
（2）把试验夹具4安装在夹具转接头2上，拧至夹具转接头2的底部，保证上下两个试验夹具4方向一致，在试验夹具4中心孔插入中心顶杆6；
（3）将CT试样5放在两个试验夹具4之间，两个试验夹具4的上端下端分别对准试验夹具4的销钉孔，把销轴7插进销钉孔；
（4）加压，在试验机液压杆1的手动打压杆处进行压力操作；此时CT试样5间隙随着压力上升而消失并紧箍。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种实现CT试样负应力比高温疲劳裂纹扩展试验的夹具，其特征在于：包括试验机液压杆（1）、夹具转接头（2）、试验机拉杆（3）、试验夹具（4）、中心顶杆（6）和销轴（7），其中：
所述试验机液压杆（1）为一对，上下相向设置；
所述试验夹具（4）为一对，上下相向设置，分别与两个试验机液压杆（1）端部紧密贴合；两个试验夹具（4）之间用于放置CT试验件（5）；所述试验夹具（4）中心竖向开设有通孔，试验夹具（4）两侧开设有销钉孔；
所述夹具转接头（2）为一对，分别与两个试验夹具（4）近试验机液压杆（1）一端连接；
所述试验机拉杆（3）为一对，分别与两个夹具转接头（2）连接；
所述中心顶杆（6）穿插于试验夹具（4）的通孔中，一端与试验机液压杆（1）端部紧密贴合，另一端与CT试验件（5）紧密贴合；
所述销轴（7）横向插入试验夹具（4）的销钉孔中。
2.根据权利要求1所述的实现CT试样负应力比高温疲劳裂纹扩展试验的夹具，其特征在于：所述夹具转接头（2）内壁设置有内螺纹，试验夹具（4）外壁设置有外螺纹，夹具转接头（2）和试验夹具（4）通过螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的实现CT试样负应力比高温疲劳裂纹扩展试验的夹具，其特征在于：所述试验机拉杆（3）内壁设置有内螺纹，夹具转接头（2）外壁设置有外螺纹，试验机拉杆（3）和夹具转接头（2）通过螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的一种实现CT试样负应力比高温疲劳裂纹扩展试验的夹具设计，其特征在于：所述试验机液压杆（1）的端部与试验夹具（4）和中心顶杆（6）紧密贴合，加压顶紧，使得试验夹具（4）、销轴（7）、CT试验件（5）和中心顶杆（6）间不产生间隙，并与试验机拉杆成为一个整体。
5.根据权利要求1所述的一种实现CT试样负应力比高温疲劳裂纹扩展试验的夹具设计，其特征在于：所述中心顶杆（6）与试验机液压杆（1）和CT试验件（5）相接触，通过试验机液压杆（1）保持顶紧状态，传递压缩载荷。
6.一种权利要求1所述的实现CT试样负应力比高温疲劳裂纹扩展试验的夹具的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）先把夹具转接头（2）安装在实验机拉杆（3）上，确保夹具转接头（2）贴合实验机拉杆（3）；
（2）把试验夹具（4）安装在夹具转接头（2）上，拧至夹具转接头（2）的底部，保证上下两个试验夹具（4）方向一致，在试验夹具（4）中心孔插入中心顶杆（6）；
（3）将CT试样（5）放在两个试验夹具（4）之间，两个试验夹具（4）的上端下端分别对准试验夹具（4）的销钉孔，把销轴（7）插进销钉孔；
（4）加压，在试验机液压杆（1）的手动打压杆处进行压力操作；此时CT试样（5）间隙随着压力上升而消失并紧箍。
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