一种适用于超低温环境下的金属圆柱试样疲劳测试装置

1.本发明涉及超低温材料疲劳检测技术领域，尤其是涉及一种适用于超低温环境下的金属圆柱试样疲劳测试装置。


背景技术：

2.随着我国经济建设的发展，船舶及海洋石油、天然气等工业迎来了高速增长期。船舶及海洋石油、天然气等工业的飞速发展对造船及相应金属材料的数量及质量提出了更高的要求。鉴于海洋环境中存在的波浪、海潮、风暴及寒冷流冰等严峻的服役条件，相应金属材料不仅要具有高强度、高韧性等优良力学性能，还必须能够满足超低温下的长期服役条件。过去一百五十多年的统计中，金属制零部件在使用过程中有80%以上的失效是由疲劳引起的。更重要的是疲劳失效没有预兆，难以发现，经常会造成突发性灾难事故，危及人身、财产，甚至是国家的国防安全。因此疲劳失效作为金属材料的主要失效方式之一，一直是金属材料的研究热点。然而超低温疲劳试验一直是行业内的难点，现有的试验装置复杂且成本昂贵，无法满足金属材料超低温疲劳研究的广泛开展。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种适用于超低温环境下的金属圆柱试样疲劳测试装置，能够实现实验环境的持续低温，且大幅降低液氮消耗量，成本低且结构可靠，安全性高。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种适用于超低温环境下的金属圆柱试样疲劳测试装置，包括低温环境箱、液氮箱、动夹头和定夹头，所述液氮箱穿过所述低温环境箱，所述液氮箱为圆柱形，所述液氮箱的内部顶端设置有所述动夹头，所述动夹头与所述液氮箱之间设置有动夹头座板，所述液氮箱中部的侧壁上设置有进气口和出气口，所述进气口和所述出气口位于所述动夹头与所述定夹头之间，所述进气口与液氮泵低温导管连通，所述出气口上设置有出气阀，所述液氮箱的内部底端设置有所述定夹头，所述定夹头与所述液氮箱螺纹连接，所述动夹头和所述定夹头分别与圆柱疲劳试样的两端螺纹连接。
5.优选的，所述动夹头的顶部设置有顶盖，所述顶盖的中央设置有第一内螺纹孔，所述第一内螺纹孔向下延伸至所述动夹头的中部，所述动夹头的底部中央设置有第二内螺纹孔，所述圆柱疲劳试样的顶端伸入所述第二内螺纹孔内并与所述动夹头螺纹连接。
6.优选的，所述动夹头座板设置于所述液氮箱的顶部，所述顶盖的下表面与所述动夹头座板的上表面相接触，所述动夹头座板与所述液氮箱通过若干紧固螺钉固定连接，所述动夹头座板的底部设置有lng密封圈，所述动夹头的底部穿过所述动夹头座板和所述lng密封圈。
7.优选的，所述定夹头的顶部中央设置有第三内螺纹孔，所述圆柱疲劳试样的底端伸入所述第三内螺纹孔并与所述定夹头螺纹连接，所述定夹头的外壁上设置有外螺纹部，所述外螺纹部与所述液氮箱底部的内螺纹部螺纹连接，所述定夹头的底部设置有底托，所述底托与所述液氮箱的下表面相接触，所述底托的中央设置有第四内螺纹孔，所述第四内
螺纹孔向上延伸至所述定夹头的中部。
8.因此，本发明采用上述结构的一种适用于超低温环境下的金属圆柱试样疲劳测试装置，通过小型低温液氮箱和低温环境箱的配合实现实验环境的持续低温，并且大幅降低液氮消耗量，节约测试成本；圆柱疲劳试样与实验装置内的夹头通过螺纹连接，通过牵引夹头运动对圆柱疲劳试样施加不同压力，与疲劳试验机有效结合；动夹头和定夹头螺纹口径可自由加工，适用于不同规格的圆柱疲劳试样。本发明结构简单易操作，成本低且结构可靠，安全性高，适合超低温环境下的各种圆柱试样疲劳测试。
9.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
10.图1为本发明一种适用于超低温环境下的金属圆柱试样疲劳测试装置实施例的结构示意图。
11.附图标记1、低温环境箱；11、缺口；2、液氮箱；21、进气口；22、液氮泵低温导管；23、出气口；24、出气阀；3、动夹头；31、顶盖；32、第一内螺纹孔；33、第二内螺纹孔；4、定夹头；41、底托；42、第三内螺纹孔；43、第四内螺纹孔；44、外螺纹部；5、圆柱疲劳试样；6、动夹头座板；61、紧固螺钉；62、lng密封圈。
具体实施方式
12.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
13.实施例如图所示，一种适用于超低温环境下的金属圆柱试样疲劳测试装置，包括低温环境箱1、液氮箱2、动夹头3和定夹头4。低温环境箱1的顶部和底部均设置有缺口11，疲劳试验机的上下夹头穿过缺口11与液氮箱2相连接。低温环境箱1和液氮箱2的双重降温措施能够使测试环境保持持续低温，使该试验装置可进行-196℃的超低温疲劳实验。低温环境箱1的箱门上设置有观察窗，用于观察液氮箱2的出气状态。在低温环境箱1的底部安装导轨，可以实现装置在试样方向的自由移动。低温环境箱1通过压缩泵降温，能够减缓液氮箱2内液氮的气化速度，特殊情况下可不采用低温环境箱1，在液氮箱2外缠上5cm厚度的保温棉也可达到-196℃的测试环境。
14.液氮箱2为圆柱形，液氮箱2的内部顶端设置有动夹头3，动夹头3与液氮箱2之间设置有动夹头座板6。液氮箱2顶部内壁为阶梯形，动夹头座板6设置于该阶梯上，动夹头座板6的内径等于液氮箱2的内径。动夹头座板6与液氮箱2通过若干紧固螺钉61固定连接，紧固螺钉61分布在动夹头座板6的上表面圆周上。动夹头座板6的底部设置有lng密封圈62，减少液氮溢出。
15.动夹头3的顶部设置有顶盖31，顶盖31与动夹头3一体连接。顶盖31的中央设置有第一内螺纹孔32，第一内螺纹孔32向下延伸至动夹头3的中部，第一内螺纹孔32用于与疲劳试验机的上夹头进行连接。动夹头3的底部中央设置有第二内螺纹孔33，圆柱疲劳试样5的顶端伸入第二内螺纹孔33内并与动夹头3螺纹连接。顶盖31的下表面与动夹头座板6的上表面相接触，动夹头3的底部穿过动夹头座板6和lng密封圈62。
16.液氮箱2中部的侧壁上设置有进气口21和出气口23，进气口21和出气口23位于动夹头3与定夹头4之间，进气口21与液氮泵低温导管22连通，向液氮箱2内输入低温液氮，提供低温试验环境。出气口23上设置有出气阀24，保证液氮箱2内的液氮在进氮初期气化过程中的内压释放，保障试验装置的安全性。
17.液氮箱2的内部底端设置有定夹头4，定夹头4的顶部中央设置有第三内螺纹孔42，圆柱疲劳试样5的底端伸入第三内螺纹孔42并与定夹头4螺纹连接。定夹头4的外壁上设置有外螺纹部44，外螺纹部44与液氮箱2底部的内螺纹部螺纹连接，使定夹头4与液氮箱2保持固定。定夹头4的底部设置有底托41，底托41与定夹头4一体连接，底托41与液氮箱2的下表面相接触。底托41的中央设置有第四内螺纹孔43，第四内螺纹孔43向上延伸至定夹头4的中部，第四内螺纹孔43与疲劳试验机的下夹头螺纹连接。
18.圆柱疲劳试样5两端的螺纹长度应大于第二内螺纹孔33、第三内螺纹孔42的长度，实现加载压力后螺纹自锁，结构可靠，防止循环加载过程中试样松动。
19.因此，本发明采用上述结构的一种适用于超低温环境下的金属圆柱试样疲劳测试装置，通过小型低温液氮箱2和低温环境箱1的配合实现实验环境的持续低温，并且大幅降低液氮消耗量，节约测试成本；圆柱疲劳试样5与实验装置内的夹头通过螺纹连接，通过牵引夹头运动对圆柱疲劳试样5施加不同压力，与疲劳试验机有效结合；动夹头3和定夹头4螺纹口径可自由加工，适用于不同规格的圆柱疲劳试样5。本发明结构简单易操作，成本低且结构可靠，安全性高，适合超低温环境下的各种圆柱试样疲劳测试。
20.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。