在受控气氛中以受控应变率在高循环状态下执行材料疲劳试验的装置和方法
【专利摘要】一种用于在高压下执行样本（12）的高周疲劳试验的装置（10），包括：压力容器（14）；加载系，由第一角状件（16）和第二角状件（18）构成，在第一角状件（16）与第二角状件（18）之间设置样本（12）；其中所述加载系被设置在压力容器（14）的内部室中；以及变换器（24），适于通过激励第一角状件（16）而将超声波施加到加载系中，以便对样本（12）施加动应力。第二角状件（18）的基部(30)被以可动方式安设在压力容器（14）中，使得在压力容器（14）中形成两个单独的室（26、28），并且第一室（26）用以容纳样本，其中两个室（26、28）都能够被供给气体并被加载不同的气压，从而对样本施加静应力。
【专利说明】在受控气氛中以受控应变率在高循环状态下执行材料疲劳试验的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在受控气氛中以受控应变率在高循环状态(high cycleregime )下执行样本的材料疲劳试验的装置和方法。
[0002]本发明更具体地涉及在借助超声波激励的超高循环状态(超过IO5循环)下，以最小应变与最大应变之间的可变的应变率R并且在可变的压力水平环境下进行的材料高周疲劳(HCF，高循环疲劳)试验。
[0003]本发明尤其能够改进用于处于长时期机械动载荷下、并且存在如氢气氛等有危险的气氛中的航天应用的不同材料的特征。
[0004]与本发明相关的工作已经收到来自“授权协议”n° 218849下的欧盟第七框架计划(FP7/2007-2013)的基金投入。
【背景技术】
[0005]惯例上，材料的机械性能由在单向拉伸载荷期间的极限抗拉强度及其屈服强度(弹性极限)来表示。
[0006]另一项重要参数是材料疲劳,其是在材料受到循环载荷(cyclic loading,周期载荷)时发生的渐进的且局部的结构损伤。在本文中致力于研究处于非零静载荷的样品的疲劳或者将高频循环载荷加载到低频疲劳。
[0007]专利文献FR2680003公开了一种被开发为用于材料的疲劳试验的装置，该装置用于燃气轮机工业和航天工业，并且能够将恒定或缓慢改变的张力以及可调整幅值的纵向和/或横向振动疲劳力施加到一样本。该装置包括:液压起重器，其能够施加恒定的张力或者设定循环的张力；以及两个超声波换能器，以介于IO-1OOkHz之间的频率工作。样本被设置在一对角状件(horn)(即位移放大器)之间。该装置还包括静力传动系统和用于测量振动幅值的光学装置，该静力传动系统由钢架(或镫形件)构成。
[0008]专利文献AT354146公开了另一种技术方案，该方案用于在高循环疲劳状态以及恒定或可变的载荷叠加的条件下试验样本，并且因此消除了对称的推拉模式的限制。
[0009]对于如航天应用之类的一些应用，理想的是对样本进行这样的疲劳试验:该试验处于受控的气氛下(例如存在氢或者其它确定的气体或气体的混合物，其可能具有潜在危险性并且处于高压下，这样可能造成一危险的环境)。以上公知的装置不能够容易地与高压相关联地使用。实际上，在受控的气氛下，这些装置依赖机械杆来将载荷的恒定部分传递到样本，并且会需要使用馈入装置或波纹管，这在高压下是难以实现的。
【发明内容】
[0010]因此，本发明的目的在于提供一种借助超声波激励，在高压下以及在例如氢气氛等潜在的危险气氛中更为安全地且以受控的应变率R (其中R=最小应变/最大应变)对样本执行高周疲劳试验的装置和方法。该构思能够使用较小的气体工作容量，对安全设计更为有利。
[0011]该目的借助如独立权利要求中限定的根据本发明的装置和方法来实现。本发明的其它的实施例为从属权利要求中所描述的主题。
[0012]作为本发明的根基的主要思想是使用用于样本的压力容器或压热器(autoclave，高压釜)，并且将其划分成能以不同的气压充注的两个室，使得能够在压热器中设置的加载系(load train，载荷列)中引起静应力，使得能够在压热器中将样本静态地加压，并且不需要任何波纹管或杆的馈入装置。两个室中的气压之差决定了样本上施加的静应力。
[0013]根据本发明的一个方案，本发明涉及一种用于在受控的气氛中，以受控的应变率R在高循环状态执行样本的材料疲劳试验的装置，该装置包括:
[0014]压力容器，具有外壁，该外壁限定一内部室；
[0015]加载系，由第一角状件和第二角状件构成，在该第一角状件与该第二角状件之间设置样本；其中所述加载系具有纵轴线y’ -y,并且基本上设置在所述压力容器的所述内部室中；以及
[0016]变换器，适于通过激励第一角状件而将超声波施加到加载系中，以便沿平行于所述纵轴线I，-J的方向对该样本施加动应力，
[0017]其特征在于，所述内部室被划分为限定围绕所述加载系的至少一部分的自由容积的第一室以及沿着所述纵轴线y’ _y与所述第一室轴向对齐的第二室，所述第二角状件包括基部，该基部部分地且可移动地接合到所述第二室中，以在所述第二室中限定与所述第一室的第一自由容积分隔开的第二自由容积，第一衬垫插设于所述基部与大体上平行于所述纵轴线y’ -y的所述压力容器的外壁的一部分之间，以将所述第一室与第二室以密封方式分隔开，并且设置第一供给装置和第二供给装置一向所述第一和第二室的第一和第二自由容积分别供给有具有不同气压的气体，以便对样本施加预定的静应力。
[0018]能够以不同的气压充注的两个室的构思使得能够更换用于将静应力施加到样本的机械装置(诸如杆或波纹管)。因此，由于不需要用于杆或者相似物的馈入装置，显著地减小了任何泄漏的风险，这使得甚至在有危险的气氛的环境中也能够进行试验。
[0019]根据本发明的另一方案，该第一角状件包括:基部，具有圆柱形部，该圆柱形部突出到压力容器之外以被附接到变换器，以及肩部，该肩部设置在与大体垂直于所述纵轴线的压力容器的外壁的一部分相对的位置；第二衬垫设置在所述肩部与所述外壁的部分之间的界面处，以将所述第一角状件的所述基部与所述压力容器的所述外壁以密封方式分隔开，同时使所述第一角状件能够纵向振荡。
[0020]第一角状件、第二角状件以及样本的尺寸有利地被设定为以通过变换器耦联到加载系中的超声波的频率共振，并且第一衬垫和第二衬垫以及样本的中心优选地位于所述加载系的位移的节点处(即位移幅值为零的位置)，在所述节点处所述应力处于最大值的。
[0021]这样将有助于使样本的应力施加优化，并且尤其有助于控制最大应力的施加，同时在两个室之间保持恒定的压力差(其将导致施加到样本的恒定的应力)，或者在两个室之间施加缓慢变化的循环压力差(其将导致施加到样本的缓慢变化的循环应力)。
[0022]可注意到的是，如本领域技术人员所公知的，术语“角状件”在此是指起共振元件的作用、并且允许放大或扩大由变换器/换能器施加的振动运动的一般呈渐缩形的元件。在大多数传统的设计中，角状件是呈线性、指数型或者阶梯形式的渐缩形。连续变细的角形(至少对于顶端部分)是优选的，这是由于它们允许利用样本中的应力的集中，尤其是利用样本的中部中的应力的最大值而在样本上以优化方式施加应力(该样本优选地具有沙漏形状，并且它的最窄部分在样本的中间)。因此，第一和第二角状件有利地设计为从它们的基部到连接到样本的它们的顶端具有通常逐渐变细形状的构件。
[0023]第二角状件的基部可包括外围槽，该外围槽装配有衬垫，用于将两个室彼此大体密封地分隔开。衬垫尤其用以减小从一个室到另一室中的泄漏。
[0024]根据本发明的一个方案，第一和第二供给装置的各自包括:至少一个气体源，具有预定成分；控制装置，用以限定预定的气体压力；气体导管以及至少一个通道，设置在压力容器的外壁中，用以分别与第一自由容积或第二自由容积连通。
[0025]根据一具体实施例，第一供给装置包括:第一气体源，具有预定的成分；控制装置，用以为取自第一气体源的气体限定一预定气压；第一气体导管，连接到所述第一气体源，并且连接到输出至所述第一自由容积中的进入通道；以及出口通道，与所述第一自由容积连通，并且输出至连接到所述第一气体源的第二气体导管中，所述控制装置还限定流经第一自由容积的预定气体，该第一自由容积大于第一室与第二室的第一自由容积与第二自由容积之间的剩余泄流。
[0026]因此，该压力容器可包括至少一个通向上部室的第一通道以及至少一个通向下部室的第二通道，其中这些通道的形成是用于将气体供给到这些室，并且允许气体导管的附接。因此，这些通道使该装置能够与气流控制系统耦联，这样能够控制通过控制该装置中的气流，尤其是控制压力容器中的两个气体室之间的压力差来控制对样本施加的静应力。
[0027]该装置还可包括气体入口和排出控制装置，该排出控制装置适于在第一室与第二室之间保持近于恒定的预设压力差。借助该气体入口以及与至少一个室关联的气体排出装置，可形成流经所述室的气流，使得该室能够以新鲜的气体连续地充注。
[0028]该控制装置可被构造成能够特别地通过保持流过第一室的气流来控制第一室中的气体成分，该气流大于第一室与第二室之间的泄流。
[0029]在第一室或第二室中填充的气体可以是例如氢气或氩气等纯气体，或者例如氢气与至少另一气体(如氩气)的混合物之类的不同气体的混合物。
[0030]这样允许在装置中的所要求的危险环境中执行样本的试验。
[0031]该装置可被设计为使第一和第二室的第一和第二自由容积中的压力能够上升到lOOObar，例如从200bar到500bar。这样允许在高压的条件下以及有危险的气氛中试验样本。
[0032]优选地，加载系的纵轴线f -y大体上是竖直的，第一角状件限定上部角状件，而第二角状件限定下部角状件。
[0033]根据本发明的另一方案，提出一种在受控的气氛中，借助如以上描述的本发明的装置，以受控的应变率R在高循环状态下执行的样本的材料疲劳试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0034]通过将样本的一端固定到第一角状件的顶端并且将该样本的相反端固定到第二角状件的顶端，而将样本定位在第一室中，
[0035]在压力容器的第一和第二室中供给气体，使得由于第一和第二室两者中的压力差而将期望的静应力施加到该样本，[0036]控制变换器，使得通过激励从变换器耦联到加载系中的超声波而将动应力施加到该样本，并且
[0037]通过控制经由所述第一和第二供给装置流动到第一和第二室的气体，在第一室与第二室之间保持近于恒定的一预设压力差。
[0038]如果使用纯气体来供给第一和第二室的第一和第二自由容积，则在第一室与第二室之间保持近于恒定的一预设压力差的步骤可包括:
[0039]控制从第一和第二室之中具有较低压力的一者的排气,并且增加流入第一和第二室之中具有较高压力的另一者中的气体，使得所述第一室与第二室之间的泄流被补偿。
[0040]或者，如果使用气体混合物来供给第一和第二室的第一和第二自由容积，则在第一室与第二室之间保持近于恒定的一预设压力差的步骤可包括:
[0041]保持预定的气流经过第一和第二室之中具有较高压力的一者，所述预定的气流大于第一室与第二室之间的泄流，从而控制在所述第一和第二室之中具有较高的压力的一者中的气体成分。
[0042]因此，该方法包括通过控制流动到多个室的气流，而在第一室与第二室之间保持近于恒定的一预设压力差的操作。
[0043]本发明的以上和其它的目的、特征和优点将从下文与附图配合的描述及随附的权利要求书中变得显而易见，其中相似的部件或元件由相似的附图标记标示。
[0044]以下将参照示范性实施例更详细地描述本发明。然而，本发明不局限于这些示范性实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0045]图1示出本申请的用于执行高周疲劳试验的装置的一个实施例的立体图，该装置以沿纵向平面切割的半部视图示出，以更好地展示内部部件；
[0046]图2示出图1的实施例的纵向剖视图；
[0047]图3示出在共振条件下，图1的实施例的上部角状件中的轴向位移幅值和轴向应力幅值的分布的FEM计算的结果；
[0048]图4示出当在图1的实施例中的共振下被激励时，沿着上部角状件的轴线的轴向应力幅值及位移幅值的曲线图；
[0049]图5示出在共振条件下，在图1的实施例中进行试验的样本中的标准化轴向位移幅值及轴向应力幅值的分布的FEM计算的结果；
[0050]图6示出当在图1的实施例中的共振下被激励时，沿着样本的轴线的轴向应力幅值及位移幅值的曲线图；以及
[0051]图7示出在图1的实施例中气体流动的概况，以及与该装置关联的气体供给单元的简图。
【具体实施方式】
[0052]在下文中，在功能方面相似或相同的元件可具有相同的附图标记。
[0053]根据本发明的装置能够借助超声波激励在超过IO5循环(例如IO9循环)的高周及超高周疲劳状态下进行材料的疲劳试验。该装置允许在高压下、在有危险的气体(如氢气)中并且以受控的应变率R执行这些试验，其中R=最小值应变/最大值应变。
[0054]如专利文献AT354146中所公开的样本的超声波激励造成对称的推拉模式，其中压应力和拉应力具有相同的幅值。在该模式中，应变率是-1。然而，在通常的应用中，是将循环应力(例如来自涡轮机的回转部分)叠加到恒定应力(例如来自离心应力)，这使得以正应变率进行的试验更为适宜。
[0055]为了消除在以(应变率)R=-1的对称推拉模式工作的限制，应将额外的(通常是张力的)静应力或准静应力应施加到样本。根据本发明，该额外的应力能够借助高压容器来产生，样本被设于该高压容器中。该容器被分成具有不同气压的两个室，这能够使样本上被施加成比例的0?称的)力。
[0056]图1示出用于对样本12进行试验的装置10的实施例，该装置10包括采用压热器14的形式的压力容器。在压热器14中，在其第一室26内，设有包括上部的第一角状件16和下部的第二角状件18的加载系。样本12被置于第一室26中并位于角状件顶端20、22之间。变换器24 (未全部示出)包括超声波换能器，用以产生上部角状件16的超声波激励，该变换器24耦联到上部角状件16。在该变型中，变换器24位于压热器14的外部。因此，第一角状件16的基部的圆柱形区段25被容置在压热器14的顶壁上的通孔27中。该圆柱形部25的外端被牢固地附接到变换器24。在第一室26的内部，圆柱形区段25沿轴向继续进入到肩部区段或凸缘部29中。衬垫38位于该肩部区段29与围绕通孔27的密封表面之间。
[0057]由于在肩部区段29与大体垂直于加载系的纵轴线? -y的压热器14的外壁的部分39之间的间隙中设有聚合物密封件38，使得圆柱形区段25的振动能够不产生泄漏。
[0058]上部角状件16将 超声波激励传递到样本12，该样本12位于上部角状件16的顶端20 (图1和图2中的下部)与下部角状件18的顶端22 (图1和图2中的上部)之间。例如借助螺钉或任何其它合适的装置，将样本12的一端固定到顶端20并将其另一端固定到顶端22。下部角状件18的基部30被可移动地安设在压热器14的下部中，更具体而言被安设在盲孔31中，(并且因此沿轴向被引导)。该盲孔31的长度使其可限定下部室28，该下部室的空腔保留在底部角状件18以下。该空腔形成第二室28的自由容积，并且被第二角状件18的基部30的底表面、孔31以及压热器14的底壁43限定。
[0059]衬垫32安装在第二角状件18的基部30上的外围槽中，并因此阻挡第一室26与第二室28的自由容积之间的气体的交换。当第一室26与第二室28之间的气体的流动被衬垫32阻碍的同时，下部角状件18的基部30仍然能够在加载系受到振荡时在压热器14的盲孔31中移动。基部30还可根据样本的不同而适应不同的纵向位置，从而将样本的长度可能根据试验材料的不同而改变这一情况考虑在内。
[0060]两个室26、28 (即它们的自由容积)均能够被供给气体，从而控制除从变换器24经由上部角状件16施加到样本12的动应力之外的施加到样本12的拉应力或压应力。所施加的应力实质上取决于两个室26、28之间的压力差。两个室26与28之间的恒定压力差导致样本12上被施加恒定的应力。
[0061]通过调节这些压力室之间的压力差，下部角状件18的位置可被稍微改变，因为作用在加载系上的应力将使其长度被稍微更改。然而在实践中，长度的变化是极小的(远小于Imm)并且不会显著地改变下部角状件18的实际位置。之外)从角状件的基部(上部)25到角状件类似方式被成形，其直径通常从其基部30；角状件16的直径到样本12的中心逐渐减1、引起(动)应力的最大值，使得样本12的断
勺内部；其仅在孔31中被沿轴向引导，并且宣26中的压力大于下部室28中的压力时，I施加静拉应力。样本的中心的截面与将两了用于静载荷的放大因数。该放大因数乘1:的静应力。:口果0是正弦应变的幅值(例如由超声波激
I勺压力差所导致),则8能够被写成:
直。:发明的装置的实施例的典型操作参数(其I；它值也被涵盖于本发明的范围之内。[0070]下一个图表示出典型的动应力幅值、压力差以及产生的应变率R:
[0071]
【权利要求】
1.一种用于在受控的气氛中，以受控应变率(R)在高循环状态下执行样本(12)的材料疲劳试验的装置(10)，包括: 压力容器(14)，具有外壁，该外壁限定一内部室， 加载系，由第一角状件(16)和第二角状件(18)构成，在所述第一角状件(16)与所述第二角状件(18)之间设置所述样本(12)，其中所述加载系具有纵轴线(y’ -y)，并且所述加载系基本上被设置在所述压力容器(14)的所述内部室中，以及 变换器(24)，适于通过激励所述第一角状件(16)而将超声波施加到所述加载系中，以便沿平行于所述纵轴线(y’ _y)的方向对所述样本(12)施加动应力， 其特征在于，所述内部室被划分为限定围绕所述加载系的至少一部分的自由容积的第一室(26)以及沿着所述纵轴线(y’ _y)与所述第一室(26)轴向对齐的第二室(28)，所述第二角状件(18)包括基部(30)，所述基部部分地且可移动地接合到所述第二室(28)中，以在所述第二室(28)中限定与所述第一室(26)的第一自由容积分隔开的第二自由容积，第一衬垫(32)插设于所述基部(30)与大体上平行于所述纵轴线(y’ -y)的所述压力容器(14)的外壁的一部分之间，以将所述第一室(26)与所述第二室(28)以密封方式分隔开，并且设置第一供给装置(34)和第二供给装置(36)以向所述第一室(26)和第二室(28)的所述第一自由容积及第二自由容积分别供给具有不同气压的气体，以便对所述样本(12)施加预定的静应力。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一角状件(16)包括:基部(25)，具有圆柱形部，所述圆柱形部突出到所述压力容器(14)之外以被附接到所述变换器(24);以及肩部(29)，所述肩部设置在与大体垂直于所述纵轴线(y’ -y)的所述压力容器(14)的外壁的一部分(39)相对的位置，第二衬垫(38)设置在所述肩部(29)与所述外壁的部分(39)之间的界面处，以将所述第一角状件(16)的所述基部(25)与所述压力容器(14)的所述外壁以密封方式分隔开，同时使所述第一角状件(16)能够纵向振荡。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一角状件(16)、所述第二角状件 (18)以及具有中心(O)的所述样本(12)的尺寸被设定为以通过所述变换器(24)耦联到所述加载系中的超声波的频率共振，并且所述第一衬垫(32)和所述第二衬垫(38)以及所述样本12的中心(O)位于所述加载系的位移的节点处，在所述节点处所述应力处于最大值。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一供给装置(34)和所述第二供给装置(36)各自包括:至少一个气体源(340、360)，具有预定成分；控制装置(341、361)，用以限定预定的气体压力；气体导管(342、345、362、365)以及至少一个通道(343、344、363、364)，设置在所述压力容器(14)的所述外壁中，用以分别与所述第一室(26)的所述第一自由容积或所述第二室(28)的所述第二自由容积连通。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一供给装置(34)包括:第一气体源(340)，具有预定的成分；控制装置(341)，用以为取自所述第一气体源(340)的气体限定一预定气压；第一气体导管(342)，连接到所述第一气体源(340)，并且连接到输出至所述第一室(26)中的所述第一自由容积中的进入通道(343);以及出口通道(344)，与所述第一室(26)的所述第一自由容积连通，并且输出至连接到所述第一气体源(340)的第二气体导管(345)中，所述控制装置(341)还限定流经所述第一自由容积的预定气体，所述第一自由容积大于所述第一室(26)及第二室(28)的所述第一自由容积与第二自由容积之间的剩余泄流(35)。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述纵轴线(y’-y)大体上是竖直的，所述第一角状件(16)限定上部角状件，而所述第二角状件(18)限定下部角状件。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的装置，其特征在于，在所述第一室(26)或所述第二室(28)中所要供给的气体是纯气体。
8.根据权利要求1到6中任一项所述的装置，其特征在于，在所述第一室(26)或所述第二室(28)中所要供给的气体是不同气体成分的混合物。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的装置，其特征在于，在所述第一室(26)或所述第二室(28)中所要供给的气体至少包括氢气。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一角状件(16)和所述第二角状件(18)被设计为具有从它们的基部(25、30)到它们的顶端(20、22)通常呈渐缩形的构件，所述顶端连接到所述样本(12)。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一室(26)和第二室(28)的所述第一自由容积和第二自由容积中的压力低于lOOObar。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一室(26)和第二室(28)的所述第一自由容积和第二自由容积中的压力介于200bar与500bar之间。
13.一种用于在受控的气氛中，借助如权利要求1到9中任一项所述的装置，以受控的应变率(R)在高循环状态下执行的样本(12)的材料疲劳试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 通过将所述样本(12)的一端固定到所述第一角状件(16)的所述顶端(20)并且将所述样本(12)的相反端固定到所述第二角状件(18)的所述顶端(22)而将所述样本(12)定位在所述第一室(26)中， 在所述压力容器(14)的所述第一室(26)和第二室(28)中供给气体，使得由于所述第一室(26)和第二室(28)两者之间的压力差而将期望的静应力施加到所述样本(21)， 控制所述变换器(24)，使得通过激励从所述变换器(24)耦联到所述加载系中的超声波而将动应力施加到所述样本，并且 通过控制经由所述第一供给装置(34)和第二供给装置(36 )流动到所述第一室(26 )和第二室(28)的气体，在所述第一室(26)与第二室(28)之间保持近于恒定的一预设压力差。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使用纯气体来供给所述第一室(26)和第二室(28)的所述第一自由容积和第二自由容积，并且在所述第一室(26)与第二室(28)之间保持近于恒定的一预设压力差的步骤包括: 控制从所述第一室(26)和第二室(28)之中具有较低压力的一者的排气，并且增加流入所述第一室(26)和第二室(28)之中具有较高压力的另一者中的气体，使得所述第一室(26)与第二室(28)之间的泄流被补偿。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使用气体混合物来供给所述第一室(26)和第二室( 28)的所述第一自由容积和第二自由容积，并且在所述第一室(26)与第二室(28)之间保持近于恒定的一预设压差的步骤包括:保持预定的气流经过所述第一室(26)和第二室(28)之中具有较高压力的一者，所述预定的气流大于所述第一室(26)与第二室(28)之间的泄流，以便控制所述第一室(26)和第二室(28)之中具有较高压力的一者中的气体成分。
【文档编号】G01N3/38GK103842795SQ201180073602
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2011年7月22日 优先权日:2011年7月22日
【发明者】马蒂亚斯·布鲁克豪森, 彼得·哈纳, 伯克哈特·菲舍, 丹尼尔·科尔尼, 克里斯托弗·于雷尔, 让-皮埃尔·勒科尔尼 申请人:斯奈克玛公司, 欧盟委员会代表的欧洲联盟