一种用于薄壁管材疲劳测试试样以及测试方法

本发明涉及力学性能测试领域，特别提供一种用于薄壁管材疲劳测试试样以及测试方法。

背景技术：

疲劳破坏是机械部件早期的主要失效形式，据不完全统计，80％以上的零部件的失效是由疲劳引起，其中大部分会发生突然的断裂，造成的损失往往比较严重。实际工况中很多零部件都是管状的(如航空发动机中的燃油导管以及核工业中的包壳管等)，这些管状试样在服役的过程中通常会承受长期的应力或者振动，从而产生裂纹甚至发生失效断裂。因此，在管状工件在投入使用之前，要求通过疲劳试验对其疲劳性能进行研究并进行相应的设计改进，进而提高其使用安全性和使用寿命。由于许多管材试样的壁厚非常薄，很难像棒状试样或者板状试样那样加工成适用的疲劳试样，因此，大部分的管材疲劳试样采用整管试样。但是由于试样的截面积相同，导致断裂位置比较随机，从而造成了试样过程中的应变控制难以进行。为了解决这个问题，专利“一种高温合金薄壁焊接管材的疲劳试验件的制备方法”中采用的是砂纸打磨的方法制备高温合金薄壁管材疲劳试样。此方法虽然能够使得管材疲劳断裂位置在工作段(即采用砂纸打磨的部分)，并在一定程度上反应薄壁管材的疲劳性能，但是该方法却存在很多的缺点：首先，此方法难以保证减薄厚度均匀，疲劳加载时，试样很容易从减薄后管壁较薄处开裂，从而造成材料性能测试误差；其次样品表面经过打磨后，无法反应原始工件表面状态对于材料疲劳性能的影响；而且由于打磨后管材工作段的横截面面积难以计算，从而造成无法准确测量应力值。因此，上述方法无法反映真实的薄壁管材的疲劳性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于薄壁管材疲劳测试试样以及测试方法，以解决现有技术中的薄壁管材试样无法真实反映管材疲劳性能的技术问题，为薄壁管材疲劳疲劳试验提供可行的设计和综合测试方法。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

本发明提供了一种用于薄壁管材疲劳测试试样，包括管材主体和夹持件；管材主体为管状结构，夹持件设置有两个，两个夹持件分别穿设管材主体的两端；

管材主体上设置有多个大小形状相同的镂空结构，且所述镂空结构均匀环绕设置在管材主体上；管材主体包括负载部、过渡部与连接部；管材主体横截面积最小的部分为负载部，管材主体横截面积最大的部分为所述连接部，管材主体横截面积由最小到最大的过渡部分为所述过渡部；其中，所述过渡部包括左过渡部与右过渡部，所述连接部包括左连接部与右连接部；左连接部、左过渡部、负载部、右过渡部与右连接部在管材主体上依次设置；

夹持件的轴截面呈“凸”字形；夹持件包括大圆柱部和小圆柱部，大圆柱部和小圆柱部的中心轴线在同一条直线上；其中一个夹持件上的小圆柱部穿设左连接部，且与左连接部相配合；另一个夹持件上的小圆柱部穿设右连接部，且与右连接部相配合；管材主体的左连接部外壁与其中一个夹持件上的大圆柱部通过角焊接连接，管材主体的右连接部外壁与另一个夹持件上的大圆柱部通过角焊接连接；

具体地，过渡部设置的目的是为了实现加载应力从夹持件平缓过渡到负载部(类似棒状试样的过渡圆弧部分)，从而避免应力集中导致的人为疲劳失效；

具体地，小圆柱部穿设连接部，与连接部相配合，可以起到支撑管材主体的目的。

进一步地，任意两个所述镂空结构均能够以管材主体的中心轴线对称。

进一步地，所述连接部的横截面积与负载部横截面积之间比值的大于等于2。

进一步地，负载部的长度l0与所述连接部外径r1之间的比值范围为2-5。

进一步地，所述过渡部为圆滑过渡，且所述过渡部圆弧部分的曲率半径r与连接部外径r1之间的比值大于等于3。

进一步地，所述连接部长度l1与所述连接部外径r1之间的比值范围为2-5。

进一步地，小圆柱部的长度与连接部外径r1之间的比值范围为2～5，且不小于连接部的长度l1。

具体地，小圆柱部的长度大于等于20mm。

进一步地，负载部和所述过渡部通过机加工一体成型。

进一步地，大圆柱部的外壁上设置有与疲劳试验机相配合的螺纹。

本发明还提供了一种使用所述测试试样进行疲劳测试的方法，其具体步骤如下：

步骤一：制备薄壁管材疲劳测试试样的管材本体部分，采用机加工的方法在获得负载部和过渡部；

步骤二：制备夹持件，其是用于将管材主体和测试机的塞头连接在一起；小圆柱部塞入薄壁管材后不应松动或者使管材发生变形；

步骤三，将夹持件的小圆柱部塞入管材主体后，采用手工钨极氩弧焊焊接的方式进行连接，即制得测试试样；

步骤四，将疲劳测试试样装配到疲劳试验机上，进行相应疲劳测试。

本发明提供一种用于薄壁管材疲劳测试试样以及测试方法，试验测试的管材本体是在原始管材上通过机加工的方式完成，使得管材本体负载部的表面状态与原始管材的表面状态相同，提高测试的真实度；且管材本体的中间负载部的横截面积大小一致，通过合理设计更加便于引伸计的夹持；而且由于负载部的横截面积小于两端连接部，可以保证疲劳断裂在负载部，保证了疲劳数据与实际薄壁管材性能的一致性，提高了薄壁管材疲劳寿命评估结果的准确性，可以广泛应用于不同条件下(温度，应力，应变水平等)，薄壁管材的高、低周疲劳性能测试。

附图说明

图1为本发明所述薄壁管材疲劳测试试样结构示意图。

图2为本发明所述薄壁管材疲劳测试试样管材主体结构示意图。

图3为本发明所述薄壁管材疲劳测试试样管材主体立体示意图。

图4为本发明所述薄壁管材疲劳测试试样夹持件结构示意图。

图5为本发明所述薄壁管材疲劳测试试样负载部横截面面积计算示意图。

图6为本发明所述zr4合金薄壁管材高温高周疲劳-寿命曲线。

图7为本发明所述tc4合金薄壁管材高温高周疲劳-寿命曲线。

附图标记：1-管材主体；11-负载部；121-左过渡部；122-右过渡部；131-左连接部；132-右连接部；2-夹持件；21-大圆柱部；22-小圆柱部。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种用于薄壁管材疲劳测试试样，参考附图1-4，包括管材主体1和夹持件2；管材主体1为管状结构，夹持件2设置有两个，两个夹持件2分别穿设管材主体1的两端；

管材主体1上设置有多个大小形状相同的镂空结构，且所述镂空结构均匀环绕设置在管材主体1上；管材主体1包括负载部11、过渡部与连接部；管材主体1横截面积最小的部分为负载部11，管材主体1横截面积最大的部分为所述连接部，管材主体1横截面积由最小到最大的过渡部分为所述过渡部；其中，所述过渡部包括左过渡部121与右过渡部122，所述连接部包括左连接部131与右连接部132；左连接部131、左过渡部121、负载部11、右过渡部122与右连接部132在管材主体1上依次设置；

夹持件2的轴截面呈“凸”字形；夹持件2包括大圆柱部21和小圆柱部22，大圆柱部21和小圆柱部22的中心轴线在同一条直线上；其中一个夹持件2上的小圆柱部22穿设左连接部131，且与左连接部131相配合；另一个夹持件2上的小圆柱部22穿设右连接部132，且与右连接部132相配合；管材主体1的左连接部131外壁与其中一个夹持件2上的大圆柱部21通过角焊接连接，管材主体1的右连接部132外壁与另一个夹持件2上的大圆柱部21通过角焊接连接；

具体地，过渡部设置的目的是为了实现加载应力从夹持件平缓过渡到负载部类似棒状试样的过渡圆弧部分，从而避免应力集中导致的人为疲劳失效；

具体地，小圆柱部22穿设连接部，与连接部相配合，可以起到支撑管材主体1的目的。

进一步地，任意两个所述镂空结构均能够以管材主体1的中心轴线对称。

进一步地，所述连接部的横截面积与负载部11横截面积之间比值的大于等于2。

进一步地，负载部11的长度l0与所述连接部外径r1之间的比值范围为2-5。

进一步地，所述过渡部为圆滑过渡，且所述过渡部圆弧部分的曲率半径r与连接部外径r1之间的比值大于等于3。

进一步地，所述连接部长度l1与所述连接部外径r1之间的比值范围为2-5。

进一步地，小圆柱部22的长度与连接部外径r1之间的比值范围为2～5，且不小于连接部的长度l1。

具体地，小圆柱部22的长度大于等于20mm。

进一步地，负载部11和所述过渡部通过机加工一体成型。

进一步地，大圆柱部21的外壁上设置有与疲劳试验机相配合的螺纹。

实施例2

本实施例提供一种疲劳测试的方法，对zr-4合金薄壁管材壁厚≦1mm高温低周疲劳性能的进行测试。zr-4合金是美国开发研制的，其名义成分为zr-1.5sn-0.2fe-0.1cr,该合金具有优异的抗腐蚀性能，广泛应用于压水堆和重水的的包壳材料。研究表明，包壳材料服役过程中，疲劳是其最主要的失效方式之一，因此需要对zr-4合金管材的疲劳性能进行测试。

其具体对zr-4合金薄壁管材进行疲劳测试步骤如下：

步骤一：制备zr-4合金薄壁管材疲劳测试试样的管材本体1部分，采用机加工的方法在获得负载部11和过渡部；

步骤二：制备夹持件2，其是用于将管材主体1和测试机的塞头连接在一起；小圆柱部22塞入管材主体1后不应松动或者使管材发生变形；

步骤三：将夹持件2的小圆柱部22塞入管材主体1后，采用手工钨极氩弧焊焊接的方式进行连接，即制得测试试样；具体地，zr-4合金测试试样结构与实施例1相同，其中，镂空结构设置有两个；

步骤四：将zr-4合金测试试样装配到疲劳试验机上，进行相应疲劳测试。

zr-4合金薄壁管材高温高周疲劳试验是按照gb/t3075《金属材料疲劳实验轴向力控制方法》进行的。首先，将加工的zr-4合金疲劳薄壁管材试样装配到instrone10000电子式动、静态拉扭试验机上，然后采用应力控制，在400℃进行，应变比为0.1，正弦波加载、加载的频率为30hz。失效判据为试样发生断裂，循环周次达到107时终止试验。

在计算疲劳试样受到加载应力，应首先要对于本实施例zr-4合金测试试样的负载部11的截面积进行计算，在测量得到所述连接部的外径尺寸r1以及内径尺寸r2后，参考附图5，其负载部11的横截面积s可通过式(ⅰ)计算得出：

式(ⅰ)中，h1为单个镂空结构相对于原始管材去除的外径对应弧长；

h2为单个镂空结构相对于原始管材去除的内径对应弧长；

n为镂空结构的个数。

h1可通过式(ⅱ)得出，

h2可通过式(ⅲ)得出，

式(ⅱ)与(ⅲ)中，d1为负载部11的镂空结构外径对应的宽度；

d2为负载部11的镂空结构内径对应的宽度。

最终绘制出其疲劳-寿命曲线，如图6所示。

实施例3

本实施例提供一种疲劳测试的方法，对壁厚为0.6mm的tc4钛合金薄壁管材室温高轴疲劳性能的进行测试。tc4合金(ti-6al-4v)属于(α+β)两相钛合金，具有良好的的综合力学性能，优良的耐腐蚀性，较高的比强度。在航空航天，石油化工以及医药领域都具有广泛的应用。本实施例采用本发明方法一种用于薄壁管材疲劳测试试样和测试方法，对tc4合金管材的的高周疲劳特性进行了探究。对tc4合金薄壁管材进行疲劳测试步骤如下：

步骤一：制备tc4合金薄壁管材疲劳测试试样的管材本体1部分，采用机加工的方法在获得负载部11和过渡部；

步骤二：制备夹持件2，其是用于将管材主体1和测试机的塞头连接在一起；小圆柱部22塞入管材主体1后不应松动或者使管材发生变形；

步骤三：将夹持件2的小圆柱部22塞入管材主体1后，采用手工钨极氩弧焊焊接的方式进行连接，即制得测试试样；具体地，tc4合金测试试样结构与实施例1相同，其中，镂空结构设置有4个；

步骤四：将tc4合金测试试样装配到疲劳试验机上，进行相应疲劳测试。

tc4合金薄壁管材高温高周拉压疲劳试验是按照gb/t3075《金属材料疲劳实验轴向力控制方法》进行的。首先，将加工的tc4合金疲劳薄壁管材试样装配到landmark电液伺服疲劳试验机上，然后采用应力控制，在25℃进行，应变比为-1，正弦波加载、加载的频率为30hz。失效判据为试样发生断裂，循环周次达到10⁷时终止试验。

在计算疲劳试样受到加载应力，应首先要对于本实施例tc4合金测试试样的负载部11的截面积进行计算，在测量得到所述连接部的外径尺寸r1以及内径尺寸r2后，参考附图5，其负载部11的横截面积s可通过式(ⅰ)计算得出：

式(ⅰ)中，h1为单个镂空结构相对于原始管材去除的外径对应弧长；

h2为单个镂空结构相对于原始管材去除的内径对应弧长；

n为镂空结构的个数。

h1可通过式(ⅱ)得出，

h2可通过式(ⅲ)得出，

式(ⅱ)与(ⅲ)中，d1为负载部11的镂空结构外径对应的宽度；

d2为负载部11的镂空结构内径对应的宽度。

最终根据试验结果，绘制出tc4钛合金薄壁管材疲劳-寿命曲线，如图7所示。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。