專利名稱：裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種試驗(yàn)方法及裝置，特別是一種裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法及裝置。
背景技術(shù)：
材料與試件的裂紋擴(kuò)展特性對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和承載能力起著至關(guān)重要的作用。 機(jī)械結(jié)試件在制備的過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)各種各樣的缺陷和微裂紋，這些缺陷和微裂紋在交變應(yīng)力作用下會(huì)擴(kuò)展，甚至斷裂，造成重大損失。為了更清楚的了解試件裂紋的擴(kuò)展特性， 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并在出現(xiàn)裂紋后及時(shí)進(jìn)行止裂設(shè)計(jì)，進(jìn)行試件裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)具有重要意義。目前的試件裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)多采用疲勞拉伸機(jī)的實(shí)驗(yàn)方法，即通過(guò)液壓系統(tǒng)對(duì)試件施加循環(huán)載荷，由于液壓系統(tǒng)本身固有的缺陷，能夠施加的載荷類型少，實(shí)驗(yàn)的頻率低。這種試件裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法制造成本較高，結(jié)構(gòu)龐大、笨重，能源損耗大，能夠模擬的載荷類型很少，裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)效率很低。而且傳統(tǒng)的裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)方法是制作多個(gè)相同的試件，每個(gè)試件上分別施加不同的載荷，然后研究各個(gè)試件在其對(duì)應(yīng)載荷下的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，因此每研究一個(gè)載荷下裂紋的擴(kuò)展規(guī)律就需要一個(gè)試件和一次實(shí)驗(yàn)，這樣試驗(yàn)效率很低，成本高。技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種操作方便、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高、能源消耗小、可有效提高裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)成本的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法。—種裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法，包括如下步驟首先預(yù)制一個(gè)截面積連續(xù)變化的試件，然后在所述試件上的不同截面處預(yù)置裂紋，對(duì)所述試件施加循環(huán)載荷，同時(shí)測(cè)定裂紋處的載荷大小，每隔一定的循環(huán)次數(shù)以后測(cè)量所述試件表面的裂紋長(zhǎng)度。本方法中，所述方法通過(guò)調(diào)整配重的大小改變載荷的大小，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器與功率放大器調(diào)整激振儀的振幅和頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)載荷頻率調(diào)整。本方法中，所述測(cè)定裂紋處的載荷大小采用X射線儀以及動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀直接測(cè)定。本方法中，所述測(cè)量工件表面的裂紋長(zhǎng)度采用工業(yè)掃描儀來(lái)測(cè)量。本方法中，所述方法中的激振儀可以是電磁式激振儀也可以是偏心塊式激振儀。一種裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，所述支架安裝在所述底座上，所述支架上安裝有夾裝試件的第一夾具，所述底座上設(shè)有滑槽，所述滑槽內(nèi)安裝有滑動(dòng)塊，所述底座上設(shè)有與所述滑動(dòng)塊對(duì)應(yīng)的固定塊，所述滑動(dòng)塊中部設(shè)有螺孔，所述螺孔內(nèi)安裝有端部頂壓在所述固定塊上的所述旋轉(zhuǎn)螺桿，所述滑動(dòng)塊和所述固定塊上設(shè)有第二夾具。采用上述方案，本方法與裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)1)利用試件截面的變化使得試件在同一載荷的作用下不同的截面處產(chǎn)生不同的應(yīng)力。由于試件截面積是連續(xù)變化的，因此各截面上的應(yīng)力也是沿著截面的法向連續(xù)分布的，利用一個(gè)試件并在試件上的不同截面處預(yù)置裂紋，一次試驗(yàn)就可以實(shí)現(xiàn)試件在其上最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之間多個(gè)應(yīng)力載荷作用下裂紋擴(kuò)展的規(guī)律，可以極大的提高裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)效率。
2)所述試驗(yàn)方法利用X射線儀以及動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀直接測(cè)定裂紋處的載荷大小，比傳統(tǒng)的通過(guò)拉伸力或者位移來(lái)間接表征裂紋處的應(yīng)力更加準(zhǔn)確；3)所述試驗(yàn)方法利用工業(yè)掃描儀不但可以準(zhǔn)確的測(cè)量工件表面的裂紋長(zhǎng)度，而且可以準(zhǔn)確的描繪工件內(nèi)部裂紋的形貌與長(zhǎng)度，比傳統(tǒng)的利用相機(jī)、千分尺以及磁粉來(lái)測(cè)量裂紋長(zhǎng)度的方法更加精確。4)所述試驗(yàn)方法也可利用本裝置第一夾具來(lái)模擬垂直載荷的變化，只需將試件垂直夾裝在第一夾具上，利用配重和激振儀對(duì)試件施加循環(huán)載荷，來(lái)模擬裂紋載荷的變化；5)所述試驗(yàn)方法也可利用本裝置第一夾具來(lái)模擬彎曲載荷的變化，只需將試件水平夾裝在第一夾具上，利用配重和激振儀對(duì)試件施加循環(huán)載荷，來(lái)模擬裂紋載荷的變化；5)所述試驗(yàn)方法也可利用本裝置第二夾具來(lái)承受拉彎組合載荷的變化，只需將試件水平夾裝在滑動(dòng)塊和固定塊之間第二夾具上，利用配重和激振儀對(duì)試件施加循環(huán)載荷， 來(lái)模擬裂紋載荷的變化；綜上所述，本方法及裝置簡(jiǎn)單方便，可對(duì)試件實(shí)現(xiàn)彎、拉、壓等多種形式載荷的加載；該方法及裝置可一次測(cè)試多條裂紋在不同載荷下的擴(kuò)展規(guī)律，也可一次性研究多個(gè)試件的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，能夠在很大程度上減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)和成本，效率極高；在本發(fā)明中，通過(guò)調(diào)整裂紋的初始長(zhǎng)度與位置、配重的大小、加載的方式、激振頻率的大小、激振力的大小來(lái)研究裂紋初始長(zhǎng)度與位置、載荷的大小、加載的方式、振動(dòng)頻率與應(yīng)力比對(duì)試件裂紋擴(kuò)展特性的影響。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、操作方便、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高、能源消耗小、可有效裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的效率，降低試驗(yàn)成本。


圖1 (a)本發(fā)明試件受力圖；圖1 (b)本發(fā)明試件受力圖；圖1 (c)本發(fā)明試件受力圖；圖2本發(fā)明豎直固定試件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明水平固定試件的結(jié)構(gòu)示意具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例本實(shí)驗(yàn)的裝置包括底座和支架，所述支架2安裝在所述底座1上，所述支架2上安裝有夾裝試件的第一夾具3，所述第一夾具包括固定懸臂梁試件的夾頭和豎直放置的試件的夾頭；所述底座1上設(shè)有滑槽7，所述滑槽7內(nèi)安裝有滑動(dòng)塊5，所述底座1上設(shè)有與所述滑動(dòng)塊5對(duì)應(yīng)的固定塊6，所述滑動(dòng)塊6中部設(shè)有螺孔，所述螺孔內(nèi)安裝有端部頂壓在所述固定塊6上的所述旋轉(zhuǎn)螺桿8，所述滑動(dòng)塊5和所述固定塊6上設(shè)有第二夾具4，用于固定做拉彎實(shí)驗(yàn)的試件。本裝置中，所述方法中的激振儀可以是電磁式激振儀也可以是偏心塊式激振儀， 振動(dòng)頻率、振幅與激振力可調(diào)。本方法所述試驗(yàn)方法包括下述步驟
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第一步利用數(shù)控加工制作多個(gè)截面積連續(xù)變化的試件(一般為3到7個(gè))，該試件表面要求研磨平整光滑，截面要關(guān)于截面中心對(duì)稱；第二步利用電火花或者納米劃痕儀在試件上預(yù)置裂紋；第三步根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析的需要選擇試件的固定方式，可采用豎直固定或水平固定， 單端固定或者兩端固定，并將試件固定在試驗(yàn)臺(tái)上；第四步做懸臂梁與拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)利用配重和激振儀對(duì)試件施加循環(huán)載荷，并通過(guò)調(diào)整配重的大小改變載荷的大小，配重產(chǎn)生的載荷不應(yīng)超過(guò)材料的彈性極限，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要通過(guò)信號(hào)發(fā)生器與功率放大器調(diào)整激振儀的振幅和頻率。若一次性研究多試件的裂紋擴(kuò)展，則需利用模態(tài)分析儀分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的固有頻率，再利用信號(hào)發(fā)生器控制激振儀振動(dòng)頻率使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生共振。第五步利用X射線儀以及動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀直接測(cè)定裂紋處的載荷大?。坏诹酵ㄟ^(guò)信號(hào)發(fā)生器與功率放大器調(diào)整激振儀的振幅和頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)載荷頻率調(diào)整，當(dāng)載荷循環(huán)達(dá)到設(shè)定的次數(shù)或者載荷變化達(dá)到設(shè)定的值以后，停止振動(dòng)，并利用工業(yè)CT掃描儀記錄裂紋長(zhǎng)度與對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。采用上述步驟，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下首先制作一個(gè)側(cè)面為等腰梯形板的試件(后簡(jiǎn)稱梯形試件)，將表面研磨光滑平整，并在梯形試件的兩側(cè)面上利用電火花線切割預(yù)置多條對(duì)稱且間距相同長(zhǎng)度一致的裂紋，(預(yù)制的裂紋在相鄰兩個(gè)裂紋互相不影響的情況下，間隔越小越好)如圖1所示；在梯形試件的中心高線與每條裂紋的延長(zhǎng)線上分別貼上主應(yīng)變片，并在主應(yīng)變片的兩側(cè)各貼一個(gè)副應(yīng)變片以備用，同時(shí)利用與梯形試件相同的材料(形狀不限)制作一溫度補(bǔ)償試件并在溫度補(bǔ)償試件上貼上應(yīng)變片作為動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的溫度補(bǔ)償片，利用接線端子和信號(hào)線將應(yīng)變片與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接好，并將動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀與PC機(jī)連接好；將梯形試件的一端固定在第二夾具固定懸臂梁試件的夾頭上，并用X射線儀對(duì)試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，并輸入預(yù)先設(shè)定好的專用程序中(這個(gè)專用程序?yàn)榭刂萍ふ衿黝l率和振幅的程序)； 在梯形試件的另一端固定配重對(duì)試件進(jìn)行加載(載荷最好不要超過(guò)材料彈性極限的三分之一)，并利用專用程序控制激振器對(duì)載荷和試件施加豎直方向上的振動(dòng)，待顯示器中信號(hào)穩(wěn)定以后(顯示器中信號(hào)穩(wěn)定表示系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定，外界干擾小)，記錄載荷的峰值并開(kāi)始實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中PC機(jī)實(shí)時(shí)記錄載荷的狀況；按照實(shí)驗(yàn)的精度要求設(shè)定每一步載荷變化值(比如0. 05Mpa或者)，當(dāng)各裂紋處載荷的峰值比實(shí)驗(yàn)初始峰值增大0. 05Mpa(或者)時(shí)停止本次實(shí)驗(yàn)循環(huán)，記錄載荷循環(huán)次數(shù)并利用CT掃描儀測(cè)量與記錄裂紋的長(zhǎng)度。 或者是設(shè)定每一步實(shí)驗(yàn)的載荷作用次數(shù)(例如5000次)，具體的次數(shù)要根據(jù)實(shí)驗(yàn)者載荷和試件材料的特性來(lái)確定；記錄好相應(yīng)的數(shù)據(jù)以后，將本次載荷的峰值作為下一步實(shí)驗(yàn)的初始值，進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)，直到兩相鄰裂紋中，靠近梯形試件橫截面大端的載荷達(dá)到或接近橫截面小載荷，這時(shí)停止試驗(yàn)。為了提高實(shí)驗(yàn)精度，降低隨機(jī)性，應(yīng)做幾個(gè)同樣的試件，多做幾次實(shí)驗(yàn)求平均值，最后分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合不同載荷下裂紋的擴(kuò)展曲線。本發(fā)明中，在拉伸或者壓縮載荷的作用下的原理如附圖1(b)所示；具體實(shí)施方法首先將試件的兩端在第二夾具4上固定，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺桿8驅(qū)動(dòng)夾裝機(jī)構(gòu)的一端沿著滑槽7運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)試件拉伸載荷的加載；彎曲載荷同樣是通過(guò)配重和激振儀來(lái)進(jìn)行施加和改變。 本發(fā)明中，在研究多個(gè)試件不同裂紋長(zhǎng)度的擴(kuò)展特性時(shí)，首先將多個(gè)含裂紋試件的一端固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的頂部夾裝位置，并根據(jù)研究需要可選擇在試件的另一端添加配重。 然后利用激振儀將整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)起來(lái)，并通過(guò)配重與信號(hào)發(fā)生器調(diào)整實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的阻尼和激振儀的振動(dòng)頻率，使系統(tǒng)發(fā)生共振，從而一次性實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)試件進(jìn)行加載。
權(quán)利要求
1.一種裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法，其特征在于首先預(yù)制一個(gè)截面積連續(xù)變化的試件，然后在所述試件上的不同截面處預(yù)置裂紋，對(duì)所述試件施加循環(huán)載荷，同時(shí)測(cè)定裂紋處的載荷大小，最后測(cè)量所述試件表面的裂紋長(zhǎng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法，其特征在于上述方法中采用配重和激振儀對(duì)試件施加循環(huán)載荷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法，其特征在于所述方法通過(guò)調(diào)整配重的大小改變載荷的大小，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器與功率放大器調(diào)整激振儀的振幅和頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)載荷頻率調(diào)整。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法，其特征在于所述測(cè)定裂紋處的載荷大小采用X射線儀以及動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀直接測(cè)定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法，其特征在于所述測(cè)量工件表面的裂紋長(zhǎng)度采用工業(yè)掃描儀來(lái)測(cè)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法，其特征在于所述方法中的激振儀可以是電磁式激振儀也可以是偏心塊式激振儀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，包括底座和支架，其特征在于所述支架安裝在所述底座上，所述支架上安裝有夾裝試件的第一夾具，所述底座上設(shè)有滑槽，所述滑槽內(nèi)安裝有滑動(dòng)塊，所述底座上設(shè)有與所述滑動(dòng)塊對(duì)應(yīng)的固定塊，所述滑動(dòng)塊中部設(shè)有螺孔，所述螺孔內(nèi)安裝有端部頂壓在所述固定塊上的所述旋轉(zhuǎn)螺桿，所述滑動(dòng)塊和所述固定塊上設(shè)有第二夾具。
全文摘要
本專利涉及一種裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法及裝置，首先預(yù)制一個(gè)截面積連續(xù)變化的試件，然后在所述試件上的不同截面處預(yù)置裂紋，對(duì)所述試件施加循環(huán)載荷，同時(shí)測(cè)定裂紋處的載荷大小，設(shè)定每次實(shí)驗(yàn)的循環(huán)步長(zhǎng)，并測(cè)量每個(gè)循環(huán)步長(zhǎng)后所述試件表面的裂紋長(zhǎng)度，本發(fā)明通過(guò)調(diào)整裂紋的初始長(zhǎng)度與位置、配重的大小、加載的方式、激振頻率的大小、激振力的大小來(lái)研究裂紋初始長(zhǎng)度與位置、載荷的大小、加載的方式、振動(dòng)頻率與應(yīng)力比對(duì)試件裂紋擴(kuò)展特性的影響。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、操作方便、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高、能源消耗小、可有效提高裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的效率，降低試驗(yàn)成本。
文檔編號(hào)G01N3/32GK102564870SQ20111042596
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者吳中懷, 吳運(yùn)新, 李益華, 王小燕, 袁海洋, 陳磊, 龔海 申請(qǐng)人:中南大學(xué)