一种极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统的制作方法
【专利摘要】一种极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，它由疲劳试验机、上、下转换接头、上、下试样夹具、冷却机、高温炉、定位销钉、裂纹观测系统和试样组成；上、下试样夹具通过上、下转换接头安装在疲劳试验机上，试样与上、下试样夹具连接，并通过定位销钉穿过上、下试样夹具和试样的定位孔进行定位；冷却机通过进、出水管与上、下转换接头相连；高温炉将试样中间的测试部位包在里面，通过电阻丝加热实现极高温环境；裂纹观测系统通过显微镜由计算机记录裂纹扩展情况。本发明结构简单、操作方便，用于极高温环境下裂纹扩展性能试验测试，测试结果对于结构损伤容限评定具有重要的工程应用价值。
【专利说明】一种极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，属于试验测试【技术领域】。
【背景技术】
[0002]工程材料与结构在使用过程中，都承受着交变载荷，会发生疲劳破坏，为保障其安全性，需要测试其疲劳性能，经多年技术发展，业已形成完善的疲劳性能测试标准；但是，工程材料与结构特别是发动机材料常常在极高温环境下服役使用，因此，必须测定其极高温环境下的裂纹扩展性能，用于其极高温环境下的损伤容限评估。目前，国内外对裂纹扩展性能测试，主要通过放大镜划线靠人工观测和记录，精度低而且难以用于极高温环境下的疲劳裂纹扩展性能测试，而对于在1000°c以上的极高温环境，目前尚缺乏有效的裂纹扩展性能试验测试系统。为此，本发明将常规疲劳试验机、转换接头、试样夹具、冷却机、高温炉、裂纹观测系统和试样集成为极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，用于极高温环境下裂纹扩展性能试验测试，测试结果对于结构损伤容限评定具有重要的工程应用价值。
【发明内容】
[0003]1、目的:本发明的目的是提供一种极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，以用于材料或结构在极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试。
[0004]2、技术方案:本发明一种极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，由疲劳试验机、上、下转换接头、上、下试样夹具、冷却机、高温炉、定位销钉、裂纹观测系统和试样组成。它们之间的位置连接关系如下:上、下试样夹具通过上、下转换接头安装在疲劳试验机上，试样与上、下试样夹具连接，并通过定位销钉穿过上、下试样夹具和试样的定位孔进行定位；冷却机通过进、出水管与上、下转换接头相连；高温炉将试样中间的测试部位包在里面，通过电阻丝加热实现极高温环境；裂纹观测系统通过显微镜由计算机记录裂纹扩展情况。其中，疲劳试验机、上、下转换接头、上、下试样夹具、定位销钉和试样按串联顺序连接在一起:
[0005]疲劳试验机一上转换接头一冷却机一上试样夹具一定位销钉一试样一定位销钉—下试样夹具一冷却机一下转换接头一疲劳试验机
[0006]所述的疲劳试验机为常规用低频疲劳试验机，用以对试样施加交变疲劳载荷，疲劳试验机的载荷范围需大于试样的试验载荷，可以是常规的MTS、INSTR0N等疲劳试验机或者自制疲劳试验机。
[0007]所述的试样为各种不同材料和类型的裂纹扩展试样，该试样为两端各有5孔的矩形条状件，裂纹扩展试样两端的夹持端能够与试样夹具连接在一起，并施加交变疲劳载荷。试样的尺寸和形状可以参照《测量疲劳裂纹扩展率的试验方法》(ASTM E647-2008: StandardTest Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates)中的标准进行设计。
[0008]所述的上、下两个转换接头是多台阶轴状件，用以连接疲劳试验机和试样夹具，上、下转换接头上有冷却孔，用于连接冷却水管，需根据高/低温环境箱的结构形式设计和制造，可以采用普通合金钢材料制作。
[0009]所述的上、下试样夹具是由圆柱及带槽的5孔矩形件组合成一体，用以安装夹持试样，需根据试样夹持端的形状和尺寸设计和制造，能够将试样牢固夹持并施加交变疲劳载荷。
[0010]所述的冷却机通过进、出水管与上、下试样夹具相连，由水泵输送纯净水循环，以对上、下试样夹具制冷。
[0011]所述的高温炉为电阻丝加热炉，呈对开式圆筒状，可以利电阻丝的加热实现炉心的极高温环境，控制电阻丝加热功率可实现对不同温度范围的调节，其温度范围要满足试验要求。需要特别注意，高温炉必须设置可透视的观察窗口，以便裂纹观测系统观测裂纹扩展情况。
[0012]所述的裂纹测量系统是三轴随动的，配有高分辨率和放大倍数的显微镜，通过计算机自动记录裂纹扩展情况(包括裂纹形貌的图片信息和标定的裂纹尺寸)，可以得到在给定的交变载荷下不同循环次数对应的裂纹扩展情况。
[0013]所述定位销钉是常规用的带有台肩和通孔的圆轴件。
[0014]所有装置根据试验要求连接和调试完毕后，便可根据具体试验要求完成极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试。该套系统有效解决了极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试问题。
[0015]3、优点及功效:本发明的有益效果是可以完成材料或结构在极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试，而且该系统具有操作方便和测量精度高的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0017]图1是用于极高温疲劳试验的M(T)试样示意图。
[0018]图2是上、下转接接头示意图。
[0019]图3是上、下试样夹具示意图。
[0020]图4是定位销钉示意图。
[0021]图5是用于进行极高温裂纹扩展试验的高温炉示意图。
[0022]图6是冷却机示意图。
[0023]图7是疲劳试验机示意图。
[0024]图8是极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统结构图。
[0025]图8中:1.疲劳试验机，2.上、下转换接头，3.上、下试样夹具，4.定位销钉，5.高温炉,6.试样，7.裂纹测量系统，8.冷却机
【具体实施方式】
[0026]【具体实施方式】一:结合图1至图8说明本发明的【具体实施方式】。本发明一种极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，由疲劳试验机1、上、下转换接头2、上、下试样夹具3、定位销钉4、高温炉5、试样6、裂纹观测系统7和冷却机8组成。在图8中，上、下试样夹具3与试样6连接，并通过定位销钉4穿过上、下试样夹具3和试样6的定位孔进行定位，能够保证试样6均匀轴向加载；通过上、下转接接头2将疲劳试验机I和上、下试样夹具3连接；冷却机8通过进、出水管分别与上、下转换接头2相连；通过用计算机控制的三轴随动裂纹测量系统7对试样的裂纹扩展过程进行监控和记录。以上设备和装置集成对接后，便组成了极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统。
[0027]在极高温疲劳试验中，试样的设计非常关键，必须能够保证均匀施加轴向交变载荷，图1具体给出了一种用于极高温疲劳试验的中心缺口板状试样，具体尺寸参数可参见图1，在试样两端的夹持部位设计了定位孔，能够起到轴向定位作用。上、下试样夹具3的尺寸参数如图3所示，有四个紧固螺栓的孔和一个定位孔。上、下转接接头2和定位销钉4的具体尺寸参数如图2和图4所示。冷却机如图7所示，通过进、出水管与上下试样夹具相连，由水泵输送纯净水循环，以对试样夹具制冷。疲劳试验机如图7所示，可以使用商用的MTS、INSTR0N等疲劳试验机或者自制疲劳试验机。将试样6与上、下试样夹具3通过定位销钉4连接定位并用紧固螺栓夹紧后，再通过上、下转接接头2将试样夹具3与配备有高温炉5的疲劳试验机I相连。将冷却机8上的冷却水管与上、下转换接头2上的冷却孔相连以对试样夹具制冷。需要特别注意，高温炉上必须设置可透视的观察窗口，以便裂纹测试系统7监测裂纹扩展情况。裂纹测量系统7监测试样6裂纹扩展情况，裂纹测量系统7是三轴随动的，配有高分辨率和放大倍数的显微镜，通过计算机自动记录裂纹扩展情况(包括裂纹形貌的图片信息和标定的裂纹尺寸)，可以得到在给定的交变载荷下不同循环次数对应的裂纹扩展情况。所有装置根据试验要求连接和调试完毕后，便可根据具体试验要求完成极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试。
[0028]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一的不同点在于试样的设计，试样可以是中心带开孔或不带开孔的板件，尺寸参数可以与【具体实施方式】一中的不同，极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统其它的设计思想和连接方式与【具体实施方式】一相同。
[0029]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一的不同点在于试样的设计，试样可以棒形的或者其他结构形式，极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统其它的设计思想和连接方式与【具体实施方式】一相同。
[0030]图5、图6、图7是用于进行极高温裂纹扩展试验的高温炉、冷却机和疲劳试验机示意图。
【权利要求】
1.一种极高温环境下的疲劳裂纹扩展试验测试系统，其特征在于:它由疲劳试验机、上、下转换接头、上、下试样夹具、冷却机、高温炉、定位销钉、裂纹观测系统和试样组成；上、下试样夹具通过上、下转换接头安装在疲劳试验机上，试样与上、下试样夹具连接，并通过定位销钉穿过上、下试样夹具和试样的定位孔进行定位；冷却机通过进、出水管与上、下转换接头相连；高温炉将试样中间的测试部位包在里面，通过电阻丝加热实现极高温环境；裂纹观测系统通过显微镜由计算机记录裂纹扩展情况；其中，疲劳试验机、上、下转换接头、上、下试样夹具、定位销钉和试样按串联顺序连接在一起: 疲劳试验机一上转换接头一冷却机一上试样夹具一定位销钉一试样一定位销钉一下试样夹具一冷却机一下转换接头一疲劳试验机 所述的疲劳试验机为低频疲劳试验机，用以对试样施加交变疲劳载荷，疲劳试验机的载荷范围需大于试样的试验载荷，是常规的疲劳试验机或者自制疲劳试验机； 所述的试样为各种不同材料和类型的裂纹扩展试样，该试样为两端各有5孔的矩形条状件，裂纹扩展试样两端的夹持端能够与试样夹具连接在一起，并施加交变疲劳载荷；试样的尺寸和形状参照《测量疲劳裂纹扩展率的试验方法》中的标准进行设计； 所述的上、下两个转换接头是多台阶轴状件，用以连接疲劳试验机和试样夹具，上、下转换接头上有冷却孔，用于连接冷却水管，需根据高/低温环境箱的结构形式设计和制造，采用普通合金钢材料制作； 所述的上、下试样夹具是由圆柱及带槽的5孔矩形件组合成一体，用以安装夹持试样，需根据试样夹持端的形状和尺寸设计和制造，能够将试样牢固夹持并施加交变疲劳载荷；所述的冷却机通过进、出水管与上、下试样夹具相连，由水泵输送纯净水循环，以对上、下试样夹具制冷； 所述的高温炉为电阻丝加热炉，呈对开式圆筒状，利电阻丝的加热实现炉心的极高温环境，控制电阻丝加热功率实现对不同温度范围的调节，其温度范围要满足试验要求；高温炉必须设置可透视的观察窗口，以便裂纹观测系统观测裂纹扩展情况； 所述的裂纹测量系统是三轴随动的，配有高分辨率和放大倍数的显微镜，通过计算机自动记录裂纹扩展情况，包括裂纹形貌的图片信息和标定的裂纹尺寸，得到在给定的交变载荷下不同循环次数对应的裂纹扩展情况； 所述定位销钉是带有台肩和通孔的圆轴件。
【文档编号】G01N3/18GK104034600SQ201410213309
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】熊峻江, 马阅军, 付裕 申请人:北京航空航天大学