一种基于柔度原理的高温疲劳裂纹扩展试验方法及装置与流程

1.本发明涉及一种基于柔度原理的高温疲劳裂纹扩展试验方法及装置。


背景技术：

2.疲劳裂纹扩展性能是衡量材料及结构件断裂性能的重要指标，在工程构件的结构完整性评定中起着至关重要的作用。对于含ⅰ型张开裂纹的结构件，获取其疲劳裂纹扩展性能的传统方法是采用紧凑拉伸试样通过拉伸疲劳加载方式进行测试。高温环境下的疲劳裂纹扩展测试，可用目测法、柔度法或电位法实现试样的实时裂纹长度测量。目测法需采用专用的显微测量仪器配合特制的高温炉，造价相对昂贵，其测量精度也易受高温气氛的影响。电位法测试原理清晰、操作简单，但其在疲劳加载下的测试精度受高温环境的影响较大。在缺乏高温cod引伸计条件下，目前尚无有效的基于柔度法的疲劳裂纹扩展性能检测技术。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供一种基于柔度原理的高温疲劳裂纹扩展试验方法及装置,以实现金属材料的高温疲劳裂纹扩展速率测定试验。
4.本发明实施例通过下述技术方案实现：
5.第一方面，本发明实施例提供一种基于柔度原理的高温疲劳裂纹扩展试验装置，包括：
6.第一夹具，第一夹具的夹端与滑臂的一端连接；
7.滑臂，滑臂的另一端设有滑块；
8.第二夹具，设有用于与所述滑块滑动连接的滑轨，第二夹具的夹端用于配合第一夹具的夹端夹住试样；
9.延伸柱，设于远离第二夹具夹端的一端并靠近所述滑轨；以及
10.cod引伸计，分别通过安装部与滑臂的另一端和延伸柱连接以实现试样加载线位移的延伸测量。
11.进一步的，所述第一夹具的夹端和第二夹具的夹端均具有u型开口；所述u型开口设有用于固定试样的固定孔。
12.进一步的，所述滑臂为沿第一夹具的长度方向延伸的直臂，所述滑轨为沿第二夹具的长度方向延伸的直线导轨。
13.进一步的，所述cod引伸计为室温cod引伸计。
14.进一步的，所述安装部为可移动的标准刀口。
15.进一步的，所述试样通过加载销穿过固定孔固定在第一夹具和第二夹具上。
16.第二方面，本发明实施例提供一种基于柔度原理的高温疲劳裂纹扩展试验方法，包括：
17.将所述试验装置与试验机连接；
18.将试样通过第一夹具和第二夹具固定；
19.将试样置于高温炉内，cod引伸计置于高温炉外；
20.将试样加热到试验温度，保温。
21.进一步的，还包括：
22.柔度标定：
23.试样采用标定试样；
24.对标定试样施加包含两级疲劳载荷的疲劳载荷谱块，直至试样失稳破坏，得到载荷p、循环数和加载线位移lld；
25.标定试样失稳破坏后，从试样断面上测量不同循环次数下由第二级疲劳载荷勾勒出的实时裂纹长度a；
26.采用载荷p、循环数、加载线位移lld以及实时裂纹长度a，根据公式
[0027][0028]
c＝lld/p(2)
[0029]
得到d1和d2；其中，w为试样宽度，b为试样厚度，e为材料弹性模量,c为试样柔度，u
x
为中间变量。
[0030]
进一步的，所述两级疲劳载荷中，第一级疲劳载荷为试验载荷，循环20000次；第二级疲劳载荷为第一级疲劳载荷的50％-70％，循环5000次。
[0031]
进一步的，还包括：
[0032]
疲劳裂纹扩展速率测试：
[0033]
试样采用测试试样；
[0034]
对测试试样施加包含两级疲劳载荷的疲劳载荷谱块，直至试样失稳破坏，得到载荷p、循环数和加载线位移lld；
[0035]
标定试样失稳破坏后，采用柔度标定计算得到的d1和d2，根据公式
[0036][0037]
c＝lld/p(2)
[0038]
计算得到实时裂纹长度a，进而计算得到疲劳裂纹扩展速率。
[0039]
本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0040]
本发明实施例的一种基于柔度原理的高温疲劳裂纹扩展试验方法及装置，通过第一夹具和第二夹具固定试样，通过滑臂上的滑块与滑轨的滑动连接，阻止了滑臂在疲劳加载过程中的横向振动，从而消除横向振动对试样加载线位移测量精度的影响；通过将cod引伸计同时安装在滑臂和延伸柱上，实现了当滑臂在滑轨与延伸柱之间的空隙往复滑动时，试验机通过cod引伸计对试样加载线位移的延伸测量；又通过采用所述装置对标定试样标定后对测试试样检测，实现了对测试试样疲劳裂纹扩展速率的测量。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要
使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0042]
图1为上延伸臂的结构示意图；
[0043]
图2为延伸柱的结构示意图；
[0044]
图3为上u型夹具的结构示意图。
[0045]
图4为基于柔度原理的高温疲劳裂纹扩展试验装置。
[0046]
图5为某材料试样高温疲劳裂纹扩展速率测试现场图。其中，图(a)为安装高温炉前的高温疲劳裂纹扩展试验装置图；图(b)为安装高温炉后的高温疲劳裂纹扩展试验装置图。
[0047]
附图中标记及对应的零部件名称：
[0048]
1-上延伸臂，2-安装部，3-延伸柱，4-上u型夹具，5-上u型口，6-试样，7-下u型夹具，8-滑块，9-下u型口。
具体实施方式
[0049]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0050]
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
[0051]
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0052]
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“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保护范围的限制。
[0053]
实施例
[0054]
参考图1-5所示，本发明实施例提供一种基于柔度原理的高温疲劳裂纹扩展试验方法及装置,以实现金属材料的高温疲劳裂纹扩展速率测定试验。第一方面，本发明实施例提供一种基于柔度原理的高温疲劳裂纹扩展试验装置，包括：第一夹具，第一夹具的夹端与滑臂的一端连接；滑臂，滑臂的另一端设有滑块；第二夹具，设有用于与所述滑块滑动连接的滑轨，第二夹具的夹端用于配合第一夹具的夹端夹住试样；延伸柱，设于远离第二夹具夹端的一端并靠近所述滑轨；以及cod引伸计，分别通过安装部与滑臂的另一端和延伸柱连接
以实现试样加载线位移的延伸测量。
[0055]
从而，本发明实施例通过第一夹具和第二夹具固定试样，通过滑臂上的滑块与滑轨的滑动连接，阻止了滑臂在疲劳加载过程中的横向振动，从而消除横向振动对试样加载线位移测量精度的影响；通过将cod引伸计同时安装在滑臂和延伸柱上，实现了当滑臂在滑轨与延伸柱之间的空隙往复滑动时，试验机通过cod引伸计对试样加载线位移的延伸测量；又通过采用所述装置对标定试样标定后对测试试样检测，实现了对测试试样疲劳裂纹扩展速率的测量。
[0056]
进一步的，所述第一夹具的夹端和第二夹具的夹端均具有u型开口；所述u型开口设有用于固定试样的固定孔。
[0057]
参考图1-4所示，所述试验装置包括第一夹具和第二夹具；第一夹具即上u型夹具4；第二夹具即下u型夹具7；上u型夹具4的下端具有上u型口5；下u型夹具的上端具有下u型口9；上u型夹具4下端的上u型口5与滑臂的上端连接；上u型口和下u型口之间用于固定试样6；滑臂即上延伸臂1；上延伸臂的下端与滑块8连接；上延伸臂靠近其下端位置设有安装部2；下u型夹具7上设有滑轨；滑块8与滑轨滑动连接；可选地，上延伸臂的滑块通过滑轨于延伸柱3与滑块8之间的间隙内滑动。cod延伸计一部分通过安装部连接在上延伸臂上；cod延伸计的另一部分连接在延伸柱上，以实现试样加载线位移的延伸测量。
[0058]
可选地，所述滑臂为沿第一夹具的长度方向延伸的直臂，所述滑轨为沿第二夹具的长度方向延伸的直线导轨。
[0059]
在下u型夹具7上安装直线导轨的导轨部分，并将直线导轨的滑块部分与上延伸臂3固定，以阻止上延伸臂1在疲劳加载过程中的横向振动，从而消除横向振动对试样加载线位移测量精度的影响。分别在上延伸臂1和延伸柱3上安装可移动的标准刀口，cod引伸计安装在刀口上以实现试样加载线位移的延伸测量。
[0060]
进一步的，所述cod引伸计为室温cod引伸计。该装置可在缺乏专用高温cod引伸计情形下实现金属材料的高温疲劳裂纹扩展速率测定试验。由于高温cod引伸计造价昂贵，采用本发明技术方案，在保证测试精度的前提下可大幅降低试验成本，且测试效果理想。
[0061]
进一步的，所述安装部为可移动的标准刀口。
[0062]
进一步的，所述试样通过加载销穿过固定孔固定在第一夹具和第二夹具上。
[0063]
第二方面，本发明实施例提供一种基于柔度原理的高温疲劳裂纹扩展试验方法，包括：
[0064]
将所述试验装置与试验机连接；将试样通过第一夹具和第二夹具固定；将试样置于高温炉内，cod引伸计置于高温炉外；将试样加热到试验温度，保温。
[0065]
试验装置的安装：
[0066]
a)在上u型夹具和下u型夹具之间放入试样，用加载销进行连接。
[0067]
b)在下u型夹具上安装直线导轨的导轨部分，并将直线导轨的滑块部分与上延伸臂3固定。
[0068]
c)分别在上延伸臂和延伸柱上安装可移动的标准刀口，将室温cod引伸计安装在刀口上。
[0069]
d)将安装好试样的夹具系统与试验机连接。
[0070]
e)将高温炉安装到相应位置，使试样位于高温炉内，而室温cod引伸计位于高温炉
外。
[0071]
进一步的，还包括：
[0072]
柔度标定：
[0073]
试样采用标定试样；
[0074]
对标定试样施加包含两级疲劳载荷的疲劳载荷谱块，直至试样失稳破坏，得到载荷p、循环数和加载线位移lld；
[0075]
标定试样失稳破坏后，从试样断面上测量不同循环次数下由第二级疲劳载荷勾勒出的实时裂纹长度a；
[0076]
采用载荷p、循环数、加载线位移lld以及实时裂纹长度a，根据公式
[0077][0078]
c＝lld/p(2)
[0079]
得到d1和d2；其中，w为试样宽度，b为试样厚度，e为材料弹性模量,c为试样柔度，u
x
为中间变量。
[0080]
柔度标定遵循以下步骤：
[0081]
a)按照上述试样安装步骤安装标定试样。
[0082]
b)将标定试样加热到试验温度，并保温一定时间。
[0083]
c)待标定试样的温度恒定后，对试样施加包含两级疲劳载荷的疲劳载荷谱块。第一级疲劳载荷为试验载荷，循环20000次，第二级疲劳载荷为第一级疲劳载荷的50％～70％，循环5000次。第二级疲劳载荷用于勾勒第一级疲劳载荷下的实时裂纹长度。以该载荷谱块对标定试样疲劳加载到失稳破坏。试验过程中记录载荷p、循环数、加载线位移lld等信息。
[0084]
d)待标定ct试样失稳破坏后，将试样打开，并从试样断面上测量不同循环次数下由上述第二级疲劳载荷勾勒出的实时裂纹长度。
[0085]
e)借助采集的载荷、循环数、lld数据以及实测的裂纹长度根据式(1)确定线性关系式的系数d1和d2。
[0086]
进一步的，所述两级疲劳载荷中，第一级疲劳载荷为试验载荷，循环20000次；第二级疲劳载荷为第一级疲劳载荷的50％-70％，循环5000次。
[0087]
进一步的，还包括：
[0088]
疲劳裂纹扩展速率测试：
[0089]
试样采用测试试样；
[0090]
对测试试样施加包含两级疲劳载荷的疲劳载荷谱块，直至试样失稳破坏，得到载荷p、循环数和加载线位移lld；
[0091]
标定试样失稳破坏后，采用柔度标定计算得到的d1和d2，根据公式
[0092][0093]
c＝lld/p(2)
[0094]
计算得到实时裂纹长度a，进而计算得到疲劳裂纹扩展速率。
[0095]
对于疲劳裂纹扩展速率测试用试样，按照上述方法安装好试样，并加热到试验温度，然后根据标准柔度试验程序对试样进行疲劳加载直至试样破坏。试样的实时裂纹长度依据前述标定结果计算得到，进而获得被测试样的疲劳裂纹扩展速率结果。
[0096]
某材料试样高温疲劳裂纹扩展速率测试现场，参考图5所示。
[0097]
从而，本发明实施例可以方便地实现金属材料高温疲劳裂纹扩展试验，装置结构简单，易于安装，方法可操作性强。
[0098]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。