CN117664764A - 单应力小冲杆疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单应力小冲杆疲劳试验装置，包括上冲杆、下冲杆、上夹具、下夹具和连杆；下夹具固定于试验机上，下夹具设有相互连通的第一槽体以及第一导向孔，上夹具设有相互连通的第二槽体以及第二导向孔，第一槽体和第二槽体围成试样放置槽，第一导向孔与第二导向孔同轴心；试样设有两个直槽口，两个直槽口之间的区域为冲击区；上冲杆插入第二导向孔内滑移，下冲杆插入第一导向孔内滑移；上冲杆及下冲杆与冲击区接触的面均为弧面；连杆与试验机的传动轴连接使上冲杆和下冲杆同步活动。本发明的试验装置实现了试样进行小冲杆试验时只受到单应力作用，能够测试各向异性材料的疲劳性能，属于材料疲劳性能测试技术领域。

Description

单应力小冲杆疲劳试验装置

技术领域

本发明涉及材料疲劳性能测试技术领域，具体涉及一种单应力小冲杆疲劳试验装置。

背景技术

疲劳性能，在评价材料的性能，以及对结构进行完整性评价起着非常重要作用。虽然疲劳性能可以通过标准的疲劳试验测试，但当材料尺寸太小而无法制备标准试样时，确定这些参数就变得具有挑战性。而且对于在役设备而言，也没法进行大面取样制成标准试样。另外，对于核辐照试验的研究，由于辐照成本很高，也希望尽可能采用微试样的测试方法。因此，基于微试样测试材料的疲劳性能，对于核电、化工等各行业结构完整性的评价具有非常重要的意义。

小冲杆试验采用的是一种微试样，标准的小冲杆试验通常使用直径为10mm，厚度为0.5mm的圆片试样，也可以进一步的使用直径3mm，厚度0.25mm的圆片试样。标准的小冲杆试验方法已经用于测试材料的疲劳性能。然而由于标准小冲杆试验用的试样，在试验过程中受到的是双应力，因此，与标准的单轴疲劳性能测试关联时并不是太好，而且也不太适合用于研究各向异性材料的疲劳性能。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种单应力小冲杆疲劳试验装置，实现试样在进行小冲杆试验时只受到单应力作用，能够测试各向异性材料的疲劳性能，解决现有技术通过小冲杆试验测试材料的疲劳性能时试样受到双应力作用，以及不适合用于研究各向异性材料的疲劳性能的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单应力小冲杆疲劳试验装置，包括上冲杆、下冲杆、上夹具、下夹具和连杆；下夹具固定于试验机上，下夹具设有相互连通的第一槽体以及第一导向孔，上夹具设有相互连通的第二槽体以及第二导向孔，上夹具和下夹具连接贴合时，第一槽体和第二槽体围成试样放置槽，第一导向孔与第二导向孔同轴心；试样设有两个直槽口，两个直槽口之间的区域为冲击区；试样放置于试样放置槽时，冲击区的位置对应于第一导向孔以及第二导向孔；上冲杆插入第二导向孔内且相对于第二导向孔滑移，下冲杆插入第一导向孔内且相对于第一导向孔滑移；上冲杆以及下冲杆与冲击区接触的面均为弧面；连杆与试验机的传动轴连接，连杆能够使上冲杆和下冲杆同步活动。

作为一种优选，上冲杆包括第一连接段、第一限位段、第一导向段和第一冲头，第一连接段、第一限位段、第一导向段和第一冲头依次连接，第一连接段与连杆连接，第一限位段位于连杆与上夹具之间，且第一限位段与连杆贴合，第一限位段与上夹具之间具有间隙，第一导向段相对于第二导向孔滑移，第一冲头与冲击区接触的面为第一弧面。

作为一种优选，第一冲头为第一长方体块，第一长方体块的一端和第一导向段一体成型，第一弧面设置在第一长方体块的另一端。

作为一种优选，下冲杆包括第二连接段、第二限位段、第二导向段和第二冲头，第二连接段、第二限位段、第二导向段和第二冲头依次连接，第二连接段与连杆连接，第二限位段位于连杆与下夹具之间，且第二限位段与连杆贴合，第二限位段与下夹具之间具有间隙，第二导向段相对于第一导向孔滑移，第二冲头与冲击区接触的面为第二弧面。

作为一种优选，第二冲头为第二长方体块，第二长方体块的一端和第二导向段一体成型，第二弧面设置在第二长方体块的另一端。

作为一种优选，连杆包括第一连接板和第二连接板，第一连接板设有第一上凹槽和第一下凹槽，第二连接板设有第二上凹槽和第二下凹槽，第一连接板和第二连接板结构相同，第一连接板和第二连接板通过螺栓连接贴合，第一上凹槽和第二上凹槽围成上冲杆连接孔，第一下凹槽和第二下凹槽围成下冲杆连接孔，第一连接段与上冲杆连接孔连接，第二连接段与下冲杆连接孔连接。

作为一种优选，连杆包括第一水平段、第一竖直段和第二水平段，第一水平段和第二水平段的一端均与第一竖直段一体成型，第一水平段和第二水平段的另一端均向外延伸，第一水平段和第二水平段相互平行，上冲杆连接孔位于第一水平段，下冲杆连接孔位于第二水平段。

作为一种优选，第二导向孔的横截面为矩形，第一导向段包括依次连接的第一圆柱、第一方块、第二圆柱、第二方块和第三圆柱。

作为一种优选，第一导向孔的横截面为矩形，第二导向段包括依次连接的第四圆柱、第三方块、第五圆柱、第四方块和第六圆柱。

作为一种优选，上夹具和下夹具通过螺栓连接。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.本发明的装置在进行小冲杆试验时，使得试样受力为单应力状态，因而能够测试不同方向的疲劳性能，实现对各向异性材料在不同方向疲劳性能的测试。

2.本发明的装置通过连杆使上冲杆和下冲杆的移动方向完全一致，实现试样在应力比为0时，完全对称的向上凸和向下凹的疲劳试验。

3.本发明的装置通过连杆使上冲杆和下冲杆的移动方向完全一致，试样发生塑性变形后，可实现对试样的反向压缩。

附图说明

图1为一种单应力小冲杆疲劳试验装置的立体图。

图2为一种单应力小冲杆疲劳试验装置的剖视图。

图3为图2中A处的放大图。

图4为第一连接板的立体图。

图5为第二连接板的立体图。

图6为上冲杆的立体图。

图7为下冲杆的立体图。

图8为图6中的B处放大图。

图9为上夹具的立体图。

图10为试样的立体图。

图11为下夹具的立体图。

图12为上冲杆、下冲杆与试样接触的示意图。

图13为试样冲击区受力示意图。

其中，1为连杆，2为下冲杆，3为下夹具，4为上夹具，5为上冲杆，6为试样，7为直槽口，8为第一连接板，9为第二连接板，10为第一水平段，11为第一竖直段，12为第二水平段，13为第一下凹槽，14为第一上凹槽，15为第二上凹槽，16为第二下凹槽，17为第一连接段，18为第一限位段，19为第一圆柱，20为第一方块，21为第二圆柱，22为第二方块，23为第一冲头，24为第一弧面，25为第二连接段，26为第二限位段，27为第四圆柱，28为第三方块，29为第五圆柱，30为第四方块，31为第二冲头，32为第二弧面，33为第二槽体，34为第二导向孔，35为冲击区，36为第一槽体，37为第一导向孔，38为第三圆柱，39为第六圆柱。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

如图1-13所示，本实施例提供的一种单应力小冲杆疲劳试验装置，包括上冲杆5、下冲杆2、上夹具4、下夹具3和连杆1；下夹具3固定于试验机上，下夹具3设有相互连通的第一槽体36以及第一导向孔37，上夹具4设有相互连通的第二槽体33以及第二导向孔34，上夹具4和下夹具3连接贴合时，第一槽体36和第二槽体33围成试样放置槽，第一导向孔37与第二导向孔34同轴心；试样6设有两个直槽口7，两个直槽口7之间的区域为冲击区35；试样6放置于试样放置槽时，冲击区35的位置对应于第一导向孔37以及第二导向孔34；上冲杆5插入第二导向孔34内且相对于第二导向孔34滑移，下冲杆2插入第一导向孔37内且相对于第一导向孔37滑移；上冲杆5以及下冲杆2与冲击区35接触的面均为弧面；连杆1与试验机的传动轴连接，连杆1能够使上冲杆5和下冲杆2同步活动。

本实施例设置连杆1使得上冲杆5和下冲杆2同步活动是为了在进行疲劳试验时，连杆1向下加力或位移，则力或位移传递到上冲杆5后作用到试样6顶部的冲击区35，而下冲杆2不受力。同理，若连杆1向上加力或位移，则力或位移传递到下冲杆2后作用到试样6底部的冲击区35，而上冲杆5不受力。

本实施例的试样6的横截面为圆形，其直径为10mm，厚度为0.5mm；第一槽体36和第二槽体33的横截面均为矩形，其长度和宽度均为10mm，深度为0.1mm；上冲杆5以及下冲杆2与冲击区35接触的面的半径为1mm，宽度为2.6mm，冲击区35的宽度为2mm。

本实施例中，试验机为现有小冲杆试验所用到的试验机亦可设计专门的试验机与之相匹配，下夹具3固定安装在试验机上，上夹具4则是可调式的与下夹具3连接，在放置试样6时，将上夹具4相对于下夹具3移开放置试样6，下夹具3的第一槽体36朝上，第一槽体36位于下夹具3的顶部平面，上夹具4的第二槽体33朝下，第二槽体33位于上夹具4的底部平面，第一导向孔37则是贯穿了下夹具3的顶部和底部，从而下冲杆2可以从下夹具3的底部朝向下夹具3的顶部活动，第二导向孔34则是贯穿了上夹具4的顶部和底部，从而上冲杆5可以从上夹具4的顶部朝上夹具4的底部活动；进行试验时，上夹具4和下夹具3连接贴合在一起，将试样6夹紧在试样放置槽，此时第一导向孔37和第二导向孔34正对，试样6的冲击区35包括试样6顶部的冲击区35和试样6底部的冲击区35，试样6顶部的冲击区35和试样6底部的冲击区35分别与第二导向孔34和第一导向孔37对应，第一导向孔37对下冲杆2的活动方向进行导向，使得下冲杆2在向下夹具3顶部活动时可以顺利挤压试样6底部的冲击区35，同理，第二导向孔34对上冲杆5的活动方向进行导向，使得上冲杆5在向上夹具4的底部活动时可以顺利挤压试样6顶部的冲击区35。由于试样6的冲击区35设置在两个直槽口7之间，并且上冲杆5和下冲杆2与冲击区35接触的面是弧面，因此通过这样设置的试样6以及上冲杆5和下冲杆2的配合实现试样6只受单应力作用，因而能够测试材料不同方向的疲劳性能，实现对各向异性材料在不同方向疲劳性能的测试。

如图6-8所示，在一些实施例中，上冲杆5包括第一连接段17、第一限位段18、第一导向段和第一冲头23，第一连接段17、第一限位段18、第一导向段和第一冲头23依次连接，第一连接段17与连杆1连接，第一限位段18位于连杆1与上夹具4之间，且第一限位段18与连杆1贴合，第一限位段18与上夹具4之间具有间隙，第一导向段相对于第二导向孔34滑移，第一冲头23与冲击区35接触的面为第一弧面24。第一冲头23为第一长方体块，第一长方体块的一端和第一导向段一体成型，第一弧面24设置在第一长方体块的另一端。下冲杆2包括第二连接段25、第二限位段26、第二导向段和第二冲头31，第二连接段25、第二限位段26、第二导向段和第二冲头31依次连接，第二连接段25与连杆1连接，第二限位段26位于连杆1与下夹具3之间，且第二限位段26与连杆1贴合，第二限位段26与下夹具3之间具有间隙，第二导向段相对于第一导向孔37滑移，第二冲头31与冲击区35接触的面为第二弧面32。第二冲头31为第二长方体块，第二长方体块的一端和第二导向段一体成型，第二弧面32设置在第二长方体块的另一端。

通过将上冲杆5和下冲杆2设置成上述结构，在试样6安装好后，第一限位段18与连杆1的表面完全贴合，但第一限位段18与上夹具4的上表面有一定的间隙，第一冲头23与试样6直接接触，但没有力；同理，第二限位段26与连杆1的表面完全贴合，但第二限位段26的上表面与下夹具3的上表面有一定的间隙，第二冲头31与试样6直接接触，但没有力。

如图1、4和5所示，在一些实施例中，连杆1包括第一连接板8和第二连接板9，第一连接板8设有第一上凹槽14和第一下凹槽13，第二连接板9设有第二上凹槽15和第二下凹槽16，第一连接板8和第二连接板9结构相同，第一连接板8和第二连接板9通过螺栓连接贴合，第一上凹槽14和第二上凹槽15围成上冲杆连接孔，第一下凹槽13和第二下凹槽16围成下冲杆连接孔，第一连接段17与上冲杆连接孔连接，第二连接段25与下冲杆连接孔连接。在该实施例中，第一连接段17可以相对于上冲杆连接孔滑移，第二连接段25可以相对于下冲杆连接孔滑移，通过这样设置的连杆1，方便与试验机的传动轴连接，也方便上冲杆5和下冲杆2与连杆1的装配。

如图1、4和5所示，在一些实施例中，连杆1包括第一水平段10、第一竖直段11和第二水平段12，第一水平段10和第二水平段12的一端均与第一竖直段11一体成型，第一水平段10和第二水平段12的另一端均向外延伸，第一水平段10和第二水平段12相互平行，上冲杆5连接孔位于第一水平段10，下冲杆2连接孔位于第二水平段12。通过将连杆1设置成上述结构，从而使得上夹具4和下夹具3都位于第一水平段10和第二水平段12之间，方便同步带动上冲杆5和下冲杆2进行活动。

如图6和9所示，在一些实施例中，第二导向孔34的横截面为矩形，第一导向段包括依次连接的第一圆柱19、第一方块20、第二圆柱21、第二方块22和第三圆柱38。通过这样设置的第二导向孔34以及第一导向段，减少上冲杆5在上夹具4中移动的摩擦力。

如图7和11所示，在一些实施例中，第一导向孔37的横截面为矩形，第二导向段包括依次连接的第四圆柱27、第三方块28、第五圆柱29、第四方块30和第六圆柱39。通过这样设置的第一导向孔37以及第二导向段，减少下冲杆2在下夹具3中移动的摩擦力。

如图1、9和11所示，在一些实施例中，上夹具4和下夹具3通过螺栓连接。上夹具4和下夹具3分别设置了两个螺栓孔，在放置了试样6之后将上夹具4和下夹具3，用螺栓穿过螺栓孔配合螺母拧紧固定。

试验原理：试样6冲击区35受到上冲杆5加载力后的变形，如图13所示，试样6在冲击区35只受到单应力或应变的作用，该应力或应变可用有限元算出或者根据理论计算出。若试样6冲击区35受到下冲杆2加载力，则变形相反。因此，试样6的受力形式与单轴疲劳试验类似。但是试样6无论是受到上冲杆5还是下冲杆2的作用，试样6冲击区35受到的都是拉应力，因此该试验装置只能用于测试应力比大于0的情况。对于各向异性材料，由于该试验只测出材料在某一方向的力学性能，因此在不同的方向制取试样6时，该试验装置可用于测试各向异性材料的疲劳性能。若上冲杆5和下冲杆2具有弧面的冲头换成半球形，试样6中间不开两个镂空的直槽口7变成标准的小冲杆试样6，则该试验装置变成为标准的小冲杆疲劳试验装置。

试验方法：

(1)制作试样6；

(2)把试样6放在下夹具3的第一槽体36，然后装上夹具4，最后用螺栓拧紧上夹具4和下夹具3夹紧试样6；

(3)在上夹具4和下夹具3分别插入上冲杆5和下冲杆2；

(4)上冲杆5和下冲杆2分别装在连杆1的上冲杆5连接孔和下冲个连接孔；

(5)连杆1连接到试验机的传动轴，通过传动轴施加的疲劳载荷进行疲劳试验；

在材料的不同方向制取试样6，然后重复步骤(2)-(5)能测出材料在不同方向的疲劳性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.单应力小冲杆疲劳试验装置，其特征在于：包括上冲杆、下冲杆、上夹具、下夹具和连杆；下夹具固定于试验机上，下夹具设有相互连通的第一槽体以及第一导向孔，上夹具设有相互连通的第二槽体以及第二导向孔，上夹具和下夹具连接贴合时，第一槽体和第二槽体围成试样放置槽，第一导向孔与第二导向孔同轴心；

试样设有两个直槽口，两个直槽口之间的区域为冲击区；试样放置于试样放置槽时，冲击区的位置对应于第一导向孔以及第二导向孔；

上冲杆插入第二导向孔内且相对于第二导向孔滑移，下冲杆插入第一导向孔内且相对于第一导向孔滑移；上冲杆以及下冲杆与冲击区接触的面均为弧面；

连杆与试验机的传动轴连接，连杆能够使上冲杆和下冲杆同步活动。

2.按照权利要求1所述的单应力小冲杆疲劳试验装置，其特征在于：上冲杆包括第一连接段、第一限位段、第一导向段和第一冲头，第一连接段、第一限位段、第一导向段和第一冲头依次连接，第一连接段与连杆连接，第一限位段位于连杆与上夹具之间，且第一限位段与连杆贴合，第一限位段与上夹具之间具有间隙，第一导向段相对于第二导向孔滑移，第一冲头与冲击区接触的面为第一弧面。

3.按照权利要求2所述的单应力小冲杆疲劳试验装置，其特征在于：第一冲头为第一长方体块，第一长方体块的一端和第一导向段一体成型，第一弧面设置在第一长方体块的另一端。

4.按照权利要求2所述的单应力小冲杆疲劳试验装置，其特征在于：下冲杆包括第二连接段、第二限位段、第二导向段和第二冲头，第二连接段、第二限位段、第二导向段和第二冲头依次连接，第二连接段与连杆连接，第二限位段位于连杆与下夹具之间，且第二限位段与连杆贴合，第二限位段与下夹具之间具有间隙，第二导向段相对于第一导向孔滑移，第二冲头与冲击区接触的面为第二弧面。

5.按照权利要求4所述的单应力小冲杆疲劳试验装置，其特征在于：第二冲头为第二长方体块，第二长方体块的一端和第二导向段一体成型，第二弧面设置在第二长方体块的另一端。

6.按照权利要求4所述的单应力小冲杆疲劳试验装置，其特征在于：连杆包括第一连接板和第二连接板，第一连接板设有第一上凹槽和第一下凹槽，第二连接板设有第二上凹槽和第二下凹槽，第一连接板和第二连接板结构相同，第一连接板和第二连接板通过螺栓连接贴合，第一上凹槽和第二上凹槽围成上冲杆连接孔，第一下凹槽和第二下凹槽围成下冲杆连接孔，第一连接段与上冲杆连接孔连接，第二连接段与下冲杆连接孔连接。

7.按照权利要求6所述的单应力小冲杆疲劳试验装置，其特征在于：连杆包括第一水平段、第一竖直段和第二水平段，第一水平段和第二水平段的一端均与第一竖直段一体成型，第一水平段和第二水平段的另一端均向外延伸，第一水平段和第二水平段相互平行，上冲杆连接孔位于第一水平段，下冲杆连接孔位于第二水平段。

8.按照权利要求2所述的单应力小冲杆疲劳试验装置，其特征在于：第二导向孔的横截面为矩形，第一导向段包括依次连接的第一圆柱、第一方块、第二圆柱、第二方块和第三圆柱。

9.按照权利要求4所述的单应力小冲杆疲劳试验装置，其特征在于：第一导向孔的横截面为矩形，第二导向段包括依次连接的第四圆柱、第三方块、第五圆柱、第四方块和第六圆柱。

10.按照权利要求1所述的单应力小冲杆疲劳试验装置，其特征在于：上夹具和下夹具通过螺栓连接。