一种高温超高周疲劳试验系统及试验方法与流程

本发明属于力学性能测试技术领域，涉及一种高温超高周疲劳试验系统及试验方法。

背景技术：

疲劳失效是工程材料常见的破坏形式。针对工程材料开展疲劳性能测试，获取特定应力水平下的疲劳破坏寿命，对于工程结构件的设计和寿命预测具有非常重要的意义。以往，高周疲劳测试的最大循环数通常不超过10⁷，疲劳设计中也常将10⁷的疲劳寿命作为设计寿命。近年来，随着工业技术的发展，先进材料的抗疲劳能力得到极大提升，部分工业装备(飞机、高铁等)对关键部件的抗疲劳性能也提出了更高的要求，要求部分关键部件的疲劳寿命达到10⁸甚至是10¹⁰，例如，美国空军的“发动机结构完整性大纲”在修订中明确要求“发动机部件高周疲劳寿命最低应达到10⁹”，因此基于传统10⁷高周疲劳测试不能完全满足现代材料疲劳性能的测试需求，亟需开展10⁹超高周疲劳性能测试。传统的高频疲劳试验机最大加载频率不超过300hz，如果完成一根10⁹疲劳试验，也需要接近40天时间，而完成一条完整的疲劳应力-寿命(s-n)曲线大概需要1年的时间，试验效率较低。而采用最新的超声疲劳试验机，加载频率可达到20khz，尽管试验效率较高，但由于测试频率极高，试样过热等不利因素对测试结果会产生较大影响，此外，超声疲劳测试条件下与普通高频疲劳测试条件下的材料破坏机理是否相同还处于争议中。因此，国内外主流疲劳试验标准并没有接受20khz的超声疲劳测试方法。

技术实现要素：

本发明的目的是：提出一种高温超高周疲劳试验系统及试验方法，以便提高试验效率，降低试验成本。

本发明的技术方案是：一种高温超高周疲劳试验系统，包括电磁振动台1，被测试样8带有上螺纹段8a和下螺纹段8b；其特征在于：还包括蜗轮蜗杆装置2、力传感器3、配重体4、静态机架5、试样夹具、高温炉7和主控计算机；静态机架5包括两个支板5a和一个横梁5b，支板5a的下边缘通过螺栓固定在电磁振动台1的台架上，横梁5b的两端分别与两个支板5a的上边缘连接为整体，在横梁5b的中心有一个通孔5c；蜗轮蜗杆装置2固定在横梁5b上，蜗轮蜗杆装置2的蜗杆从上述通孔5c向下穿出；力传感器3的上端与蜗杆的下端连接，试样夹具包括上夹具6a和下夹具6b，力传感器3的下端与上夹具6a的上端连接，上夹具6a的下端与试样8的上螺纹段8a连接，试样8的下螺纹段8b与下夹具6b的上端连接，下夹具6b的下端与电磁振动台1的输出轴1a连接；配重体4是带有中心孔的金属圆饼，配重体4套在电磁振动台1的输出轴1a上并且固定在电磁振动台1的振动台面上；高温炉7带有对开式炉体，试样8位于高温炉7的炉腔内；电磁振动台1的控制信号输入端与主控计算机的控制信号输出端连接，力传感器3的信号输出端与主控计算机的力传感器信号输入端连接。

一种高温超高周疲劳试验方法，使用如权利要求1所述的高温超高周疲劳试验系统，其特征在于，试验的步骤如下：

1、输入试验参数：在正式加载前，将加载频率、应力比、最大载荷和最大循环数输入主控计算机；

2、装卡试样和加热：将试样8装卡在试样夹具上，当试验大纲要求进行高温试验时，在试样上安装热电偶，合上高温炉7，通电对试样8进行加热，待试样达到试验大纲规定的温度后，保温；

3、试样加载：根据应力比执行不同步骤：

3.1、当试验大纲规定的应力比为-1时：调节蜗轮蜗杆装置2，使得力传感器3输出载荷值为0；启动电磁振动台1，进行加载，同时开始循环计数，直至试样发生疲劳破坏或达到规定最大循环数时即停止试验；

3.2、当试验大纲规定的应力比>0时：

3.2.1、计算配重体质量：所加配重体的质量可以通过下面的公式计算得到：

式中：

m配—配重体的质量,单位kg；

σm—平均应力，单位mpa；

s—试样危险截面的横截面积，单位mm²；

m动—振动台运动部件质量，单位kg；

其中振动台运动部件质量为电磁振动台1的设备参数，平均应力σm通过下式计算得到：

式中：

σmax—最大应力值，单位mpa；

r—应力比；

3.2.2、根据计算结果加装配重体4；

3.2.3、计算平均载荷fm，fm＝σms；然后调节蜗轮蜗杆装置2对试样进行静态加载，同时力传感器3同步测量试样8所受载荷值，当达到平均载荷fm时，停止静态加载；

3.2.4、启动电磁振动台1进行加载，同时开始循环计数，直至试样发生疲劳破坏或达到规定最大循环数时停止试验。

本发明的优点是：提出了一种高温超高周疲劳试验系统及试验方法，大幅度提高了试验效率，降低了试验成本。本发明的一个实施例，经试验证明，试验效率提高了10倍以上。

附图说明

图1是本发明的系统结构原理示意图。

图2是本发明中典型被测试样示意图。

图3是本发明中静态机架的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。参见图1至图3，一种高温超高周疲劳试验系统，包括电磁振动台1，被测试样8带有上螺纹段8a和下螺纹段8b；其特征在于：还包括蜗轮蜗杆装置2、力传感器3、配重体4、静态机架5、试样夹具、高温炉7和主控计算机；静态机架5包括两个支板5a和一个横梁5b，支板5a的下边缘通过螺栓固定在电磁振动台1的台架上，横梁5b的两端分别与两个支板5a的上边缘连接为整体，在横梁5b的中心有一个通孔5c；蜗轮蜗杆装置2固定在横梁5b上，蜗轮蜗杆装置2的蜗杆从上述通孔5c向下穿出；力传感器3的上端与蜗杆的下端连接，试样夹具包括上夹具6a和下夹具6b，力传感器3的下端与上夹具6a的上端连接，上夹具6a的下端与试样8的上螺纹段8a连接，试样8的下螺纹段8b与下夹具6b的上端连接，下夹具6b的下端与电磁振动台1的输出轴1a连接；配重体4是带有中心孔的金属圆饼，配重体4套在电磁振动台1的输出轴1a上并且固定在电磁振动台1的振动台面上；高温炉7带有对开式炉体，试样8位于高温炉7的炉腔内；电磁振动台1的控制信号输入端与主控计算机的控制信号输出端连接，力传感器3的信号输出端与主控计算机的力传感器信号输入端连接。

一种高温超高周疲劳试验方法，使用如权利要求1所述的高温超高周疲劳试验系统，其特征在于，试验的步骤如下：

1、输入试验参数：在正式加载前，将加载频率、应力比、最大载荷和最大循环数输入主控计算机；

2、装卡试样和加热：将试样8装卡在试样夹具上，当试验大纲要求进行高温试验时，在试样上安装热电偶，合上高温炉7，通电对试样8进行加热，待试样达到试验大纲规定的温度后，保温；

3、试样加载：根据应力比执行不同步骤：

3.1、当试验大纲规定的应力比为-1时：调节蜗轮蜗杆装置2，使得力传感器3输出载荷值为0；启动电磁振动台1，进行加载，同时开始循环计数，直至试样发生破坏或达到规定最大循环数时即停止试验；

3.2、当试验大纲规定的应力比>0时：

3.2.1、计算配重体质量：所加配重体的质量可以通过下面的公式计算得到：

式中：

m配—配重体的质量,单位kg；

σm—平均应力，单位mpa；

s—试样危险截面的横截面积，单位mm²；

m动—振动台运动部件质量，单位kg；

其中振动台运动部件质量为电磁振动台1的设备参数，平均应力σm通过下式计算得到：

式中：

σmax—最大应力值，单位mpa；

r—应力比；

3.2.2、根据计算结果加装配重体4；

3.2.3、计算平均载荷fm，fm＝σms；然后调节蜗轮蜗杆装置2对试样进行静态加载，同时力传感器3同步测量试样8所受载荷值，当达到平均载荷fm时，停止静态加载；

3.2.4、启动电磁振动台1进行加载，同时开始循环计数，直至试样发生破坏或达到规定最大循环数时停止试验。

实施例1

采用tc17钛合金试样，试样形状如图2所示，试样长50mm，危险截面直径为φ4mm，螺纹规格为m10×1mm，针对该试样实施超高周疲劳试验，最大循环数为10⁹，加载频率为1000hz，应力比为-1，最大应力值为350mpa.将这些试验参数输入主控计算机，将试样装卡在试样夹具上，安装热电偶，合上高温炉7，通电对试样进行加热，达到规定的试验温度300℃，保温。调节蜗轮蜗杆装置2，使得力传感器3输出载荷值为0；启动电磁振动台1，按照预设试验参数进行加载，同时开始循环计数，当循环数达到8.96×10⁸时，试样发生破坏，试验结束。

实施例2

采用与实施例1相同的tc17钛合金试样，针对该试样实施超高周疲劳试验，最大循环数为10⁹，加载频率为1000hz，应力比为0.1，最大应力值为400mpa.将这些试验参数输入主控计算机，将试样装卡在试样夹具上，安装热电偶，合上高温炉7，通电对试样进行加热，达到规定的试验温度300℃，保温。按照公式[2]得到平均应力σm为220mpa，则平均载荷fm可以计算得到2763n，振动台运动部件质量为15kg，则根据公式[1]可以得到配重体的质量267kg，根据此质量值安装配重体，调节蜗轮蜗杆装置2，使得力传感器3输出载荷值为平均载荷fm，即2763n；启动电磁振动台1，按照预设试验参数进行加载，同时开始循环计数，当循环数达到7.25×10⁸时，试样发生破坏，试验结束。