本發(fā)明屬于力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高溫超高周疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

疲勞失效是工程材料常見(jiàn)的破壞形式。針對(duì)工程材料開(kāi)展疲勞性能測(cè)試，獲取特定應(yīng)力水平下的疲勞破壞壽命，對(duì)于工程結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測(cè)具有非常重要的意義。以往，高周疲勞測(cè)試的最大循環(huán)數(shù)通常不超過(guò)10⁷，疲勞設(shè)計(jì)中也常將10⁷的疲勞壽命作為設(shè)計(jì)壽命。近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)材料的抗疲勞能力得到極大提升，部分工業(yè)裝備(飛機(jī)、高鐵等)對(duì)關(guān)鍵部件的抗疲勞性能也提出了更高的要求，要求部分關(guān)鍵部件的疲勞壽命達(dá)到10⁸甚至是10¹⁰，例如，美國(guó)空軍的“發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱”在修訂中明確要求“發(fā)動(dòng)機(jī)部件高周疲勞壽命最低應(yīng)達(dá)到10⁹”，因此基于傳統(tǒng)10⁷高周疲勞測(cè)試不能完全滿足現(xiàn)代材料疲勞性能的測(cè)試需求，亟需開(kāi)展10⁹超高周疲勞性能測(cè)試。傳統(tǒng)的高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)最大加載頻率不超過(guò)300hz，如果完成一根10⁹疲勞試驗(yàn)，也需要接近40天時(shí)間，而完成一條完整的疲勞應(yīng)力-壽命(s-n)曲線大概需要1年的時(shí)間，試驗(yàn)效率較低。而采用最新的超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)，加載頻率可達(dá)到20khz，盡管試驗(yàn)效率較高，但由于測(cè)試頻率極高，試樣過(guò)熱等不利因素對(duì)測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響，此外，超聲疲勞測(cè)試條件下與普通高頻疲勞測(cè)試條件下的材料破壞機(jī)理是否相同還處于爭(zhēng)議中。因此，國(guó)內(nèi)外主流疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有接受20khz的超聲疲勞測(cè)試方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提出一種高溫超高周疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法，以便提高試驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)成本。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種高溫超高周疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，包括電磁振動(dòng)臺(tái)1，被測(cè)試樣8帶有上螺紋段8a和下螺紋段8b；其特征在于：還包括蝸輪蝸桿裝置2、力傳感器3、配重體4、靜態(tài)機(jī)架5、試樣夾具、高溫爐7和主控計(jì)算機(jī)；靜態(tài)機(jī)架5包括兩個(gè)支板5a和一個(gè)橫梁5b，支板5a的下邊緣通過(guò)螺栓固定在電磁振動(dòng)臺(tái)1的臺(tái)架上，橫梁5b的兩端分別與兩個(gè)支板5a的上邊緣連接為整體，在橫梁5b的中心有一個(gè)通孔5c；蝸輪蝸桿裝置2固定在橫梁5b上，蝸輪蝸桿裝置2的蝸桿從上述通孔5c向下穿出；力傳感器3的上端與蝸桿的下端連接，試樣夾具包括上夾具6a和下夾具6b，力傳感器3的下端與上夾具6a的上端連接，上夾具6a的下端與試樣8的上螺紋段8a連接，試樣8的下螺紋段8b與下夾具6b的上端連接，下夾具6b的下端與電磁振動(dòng)臺(tái)1的輸出軸1a連接；配重體4是帶有中心孔的金屬圓餅，配重體4套在電磁振動(dòng)臺(tái)1的輸出軸1a上并且固定在電磁振動(dòng)臺(tái)1的振動(dòng)臺(tái)面上；高溫爐7帶有對(duì)開(kāi)式爐體，試樣8位于高溫爐7的爐腔內(nèi)；電磁振動(dòng)臺(tái)1的控制信號(hào)輸入端與主控計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)輸出端連接，力傳感器3的信號(hào)輸出端與主控計(jì)算機(jī)的力傳感器信號(hào)輸入端連接。

一種高溫超高周疲勞試驗(yàn)方法，使用如權(quán)利要求1所述的高溫超高周疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，試驗(yàn)的步驟如下：

1、輸入試驗(yàn)參數(shù)：在正式加載前，將加載頻率、應(yīng)力比、最大載荷和最大循環(huán)數(shù)輸入主控計(jì)算機(jī)；

2、裝卡試樣和加熱：將試樣8裝卡在試樣夾具上，當(dāng)試驗(yàn)大綱要求進(jìn)行高溫試驗(yàn)時(shí)，在試樣上安裝熱電偶，合上高溫爐7，通電對(duì)試樣8進(jìn)行加熱，待試樣達(dá)到試驗(yàn)大綱規(guī)定的溫度后，保溫；

3、試樣加載：根據(jù)應(yīng)力比執(zhí)行不同步驟：

3.1、當(dāng)試驗(yàn)大綱規(guī)定的應(yīng)力比為-1時(shí)：調(diào)節(jié)蝸輪蝸桿裝置2，使得力傳感器3輸出載荷值為0；啟動(dòng)電磁振動(dòng)臺(tái)1，進(jìn)行加載，同時(shí)開(kāi)始循環(huán)計(jì)數(shù)，直至試樣發(fā)生疲勞破壞或達(dá)到規(guī)定最大循環(huán)數(shù)時(shí)即停止試驗(yàn)；

3.2、當(dāng)試驗(yàn)大綱規(guī)定的應(yīng)力比>0時(shí)：

3.2.1、計(jì)算配重體質(zhì)量：所加配重體的質(zhì)量可以通過(guò)下面的公式計(jì)算得到：

式中：

m配—配重體的質(zhì)量,單位kg；

σm—平均應(yīng)力，單位mpa；

s—試樣危險(xiǎn)截面的橫截面積，單位mm²；

m動(dòng)—振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，單位kg；

其中振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量為電磁振動(dòng)臺(tái)1的設(shè)備參數(shù)，平均應(yīng)力σm通過(guò)下式計(jì)算得到：

式中：

σmax—最大應(yīng)力值，單位mpa；

r—應(yīng)力比；

3.2.2、根據(jù)計(jì)算結(jié)果加裝配重體4；

3.2.3、計(jì)算平均載荷fm，fm＝σms；然后調(diào)節(jié)蝸輪蝸桿裝置2對(duì)試樣進(jìn)行靜態(tài)加載，同時(shí)力傳感器3同步測(cè)量試樣8所受載荷值，當(dāng)達(dá)到平均載荷fm時(shí)，停止靜態(tài)加載；

3.2.4、啟動(dòng)電磁振動(dòng)臺(tái)1進(jìn)行加載，同時(shí)開(kāi)始循環(huán)計(jì)數(shù)，直至試樣發(fā)生疲勞破壞或達(dá)到規(guī)定最大循環(huán)數(shù)時(shí)停止試驗(yàn)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：提出了一種高溫超高周疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法，大幅度提高了試驗(yàn)效率，降低了試驗(yàn)成本。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，經(jīng)試驗(yàn)證明，試驗(yàn)效率提高了10倍以上。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2是本發(fā)明中典型被測(cè)試樣示意圖。

圖3是本發(fā)明中靜態(tài)機(jī)架的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)圖1至圖3，一種高溫超高周疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，包括電磁振動(dòng)臺(tái)1，被測(cè)試樣8帶有上螺紋段8a和下螺紋段8b；其特征在于：還包括蝸輪蝸桿裝置2、力傳感器3、配重體4、靜態(tài)機(jī)架5、試樣夾具、高溫爐7和主控計(jì)算機(jī)；靜態(tài)機(jī)架5包括兩個(gè)支板5a和一個(gè)橫梁5b，支板5a的下邊緣通過(guò)螺栓固定在電磁振動(dòng)臺(tái)1的臺(tái)架上，橫梁5b的兩端分別與兩個(gè)支板5a的上邊緣連接為整體，在橫梁5b的中心有一個(gè)通孔5c；蝸輪蝸桿裝置2固定在橫梁5b上，蝸輪蝸桿裝置2的蝸桿從上述通孔5c向下穿出；力傳感器3的上端與蝸桿的下端連接，試樣夾具包括上夾具6a和下夾具6b，力傳感器3的下端與上夾具6a的上端連接，上夾具6a的下端與試樣8的上螺紋段8a連接，試樣8的下螺紋段8b與下夾具6b的上端連接，下夾具6b的下端與電磁振動(dòng)臺(tái)1的輸出軸1a連接；配重體4是帶有中心孔的金屬圓餅，配重體4套在電磁振動(dòng)臺(tái)1的輸出軸1a上并且固定在電磁振動(dòng)臺(tái)1的振動(dòng)臺(tái)面上；高溫爐7帶有對(duì)開(kāi)式爐體，試樣8位于高溫爐7的爐腔內(nèi)；電磁振動(dòng)臺(tái)1的控制信號(hào)輸入端與主控計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)輸出端連接，力傳感器3的信號(hào)輸出端與主控計(jì)算機(jī)的力傳感器信號(hào)輸入端連接。

一種高溫超高周疲勞試驗(yàn)方法，使用如權(quán)利要求1所述的高溫超高周疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，試驗(yàn)的步驟如下：

1、輸入試驗(yàn)參數(shù)：在正式加載前，將加載頻率、應(yīng)力比、最大載荷和最大循環(huán)數(shù)輸入主控計(jì)算機(jī)；

2、裝卡試樣和加熱：將試樣8裝卡在試樣夾具上，當(dāng)試驗(yàn)大綱要求進(jìn)行高溫試驗(yàn)時(shí)，在試樣上安裝熱電偶，合上高溫爐7，通電對(duì)試樣8進(jìn)行加熱，待試樣達(dá)到試驗(yàn)大綱規(guī)定的溫度后，保溫；

3、試樣加載：根據(jù)應(yīng)力比執(zhí)行不同步驟：

3.1、當(dāng)試驗(yàn)大綱規(guī)定的應(yīng)力比為-1時(shí)：調(diào)節(jié)蝸輪蝸桿裝置2，使得力傳感器3輸出載荷值為0；啟動(dòng)電磁振動(dòng)臺(tái)1，進(jìn)行加載，同時(shí)開(kāi)始循環(huán)計(jì)數(shù)，直至試樣發(fā)生破壞或達(dá)到規(guī)定最大循環(huán)數(shù)時(shí)即停止試驗(yàn)；

3.2、當(dāng)試驗(yàn)大綱規(guī)定的應(yīng)力比>0時(shí)：

3.2.1、計(jì)算配重體質(zhì)量：所加配重體的質(zhì)量可以通過(guò)下面的公式計(jì)算得到：

式中：

m配—配重體的質(zhì)量,單位kg；

σm—平均應(yīng)力，單位mpa；

s—試樣危險(xiǎn)截面的橫截面積，單位mm²；

m動(dòng)—振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，單位kg；

其中振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量為電磁振動(dòng)臺(tái)1的設(shè)備參數(shù)，平均應(yīng)力σm通過(guò)下式計(jì)算得到：

式中：

σmax—最大應(yīng)力值，單位mpa；

r—應(yīng)力比；

3.2.2、根據(jù)計(jì)算結(jié)果加裝配重體4；

3.2.3、計(jì)算平均載荷fm，fm＝σms；然后調(diào)節(jié)蝸輪蝸桿裝置2對(duì)試樣進(jìn)行靜態(tài)加載，同時(shí)力傳感器3同步測(cè)量試樣8所受載荷值，當(dāng)達(dá)到平均載荷fm時(shí)，停止靜態(tài)加載；

3.2.4、啟動(dòng)電磁振動(dòng)臺(tái)1進(jìn)行加載，同時(shí)開(kāi)始循環(huán)計(jì)數(shù)，直至試樣發(fā)生破壞或達(dá)到規(guī)定最大循環(huán)數(shù)時(shí)停止試驗(yàn)。

實(shí)施例1

采用tc17鈦合金試樣，試樣形狀如圖2所示，試樣長(zhǎng)50mm，危險(xiǎn)截面直徑為φ4mm，螺紋規(guī)格為m10×1mm，針對(duì)該試樣實(shí)施超高周疲勞試驗(yàn)，最大循環(huán)數(shù)為10⁹，加載頻率為1000hz，應(yīng)力比為-1，最大應(yīng)力值為350mpa.將這些試驗(yàn)參數(shù)輸入主控計(jì)算機(jī)，將試樣裝卡在試樣夾具上，安裝熱電偶，合上高溫爐7，通電對(duì)試樣進(jìn)行加熱，達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)溫度300℃，保溫。調(diào)節(jié)蝸輪蝸桿裝置2，使得力傳感器3輸出載荷值為0；啟動(dòng)電磁振動(dòng)臺(tái)1，按照預(yù)設(shè)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行加載，同時(shí)開(kāi)始循環(huán)計(jì)數(shù)，當(dāng)循環(huán)數(shù)達(dá)到8.96×10⁸時(shí)，試樣發(fā)生破壞，試驗(yàn)結(jié)束。

實(shí)施例2

采用與實(shí)施例1相同的tc17鈦合金試樣，針對(duì)該試樣實(shí)施超高周疲勞試驗(yàn)，最大循環(huán)數(shù)為10⁹，加載頻率為1000hz，應(yīng)力比為0.1，最大應(yīng)力值為400mpa.將這些試驗(yàn)參數(shù)輸入主控計(jì)算機(jī)，將試樣裝卡在試樣夾具上，安裝熱電偶，合上高溫爐7，通電對(duì)試樣進(jìn)行加熱，達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)溫度300℃，保溫。按照公式[2]得到平均應(yīng)力σm為220mpa，則平均載荷fm可以計(jì)算得到2763n，振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量為15kg，則根據(jù)公式[1]可以得到配重體的質(zhì)量267kg，根據(jù)此質(zhì)量值安裝配重體，調(diào)節(jié)蝸輪蝸桿裝置2，使得力傳感器3輸出載荷值為平均載荷fm，即2763n；啟動(dòng)電磁振動(dòng)臺(tái)1，按照預(yù)設(shè)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行加載，同時(shí)開(kāi)始循環(huán)計(jì)數(shù)，當(dāng)循環(huán)數(shù)達(dá)到7.25×10⁸時(shí)，試樣發(fā)生破壞，試驗(yàn)結(jié)束。