一种波形控制条件下进行环境疲劳实验的装置及试验方法与流程

本发明属于材料实验领域，具体涉及到一种波形控制条件下进行环境疲劳实验的装置及试验方法。
背景技术：
：疲劳是结构材料的主要失效形式之一。结构材料大多服役于特定的环境中，所以材料的环境疲劳性能对于工程构件的设计、服役环境的控制、剩余寿命预测、失效机制的确定都有重要意义，实际服役过程中疲劳应变大多不是规则的波形。目前，国内外在模拟材料实际服役环境中不同波形条件下材料的环境疲劳性能的研究很少，尤其是核电关键材料服役的高温高压水环境。商用疲劳试验机为了获得较大的位移行程，配备的位移传感器量程较大(±25mm或±50mm)。位移传感器的精度随量程的增大而降低。在进行波形控制试验时，疲劳试验机配备的位移传感器的精度无法满足不同波形条件下进行疲劳试验的要求。如果减小疲劳试验机的位移传感器来提高精度，就无法满足拆装样品时位移行程的要求，能够将高温空气、高温保护性气氛、高温高压水环境的模拟与精确控制集成到一套设备上难度很大。目前，世界范围内很少有能同时满足波形控制并进行环境疲劳试验要求的成套试验装置。因此，研发能够在波形控制条件下进行环境疲劳试验的技术，对于积累不同波形条件下材料的环境疲劳数据、工程构件的合理设计都有很大的应用价值。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种波形控制条件下进行环境疲劳实验的装置及试验方法，解决商用疲劳试验机位移传感器精度不够、设备制造难度高等问题，可以结合实际服役环境评价材料的疲劳性能。本发明的技术方案如下：一种波形控制条件下进行环境疲劳实验的装置，该装置包括疲劳试验机、环境施加与控制系统、小变形位移控制系统，试样置于环境施加装置内，试样与疲劳试验机加载轴连接，环境施加与控制系统控制试样所处的环境，疲劳试验机通过小变形位移控制系统进行不同波形下的疲劳试验，环境施加与控制系统提供稳定的试验环境、控制试验环境的参数；小变形位移控制系统包括：支撑固定装置、位移传感器、连接杆，支撑固定装置将位移传感器固定在疲劳试验机基座上，疲劳试验机加载轴通过连接杆与位移传感器的移动端连接，位移传感器通过数据采集单元与疲劳试验机控制柜中的控制系统连接，通过小变形位移控制系统能精确控制不同波形下的疲劳试验；环境施加与控制系统包括：环境施加装置、环境控制装置，疲劳试验机加载轴穿过环境施加装置，两者之间采用动密封的密封方式，密封处通过冷却水冷却保证密封件能长时间稳定运行，试样通过夹具与加载轴连接，加载轴与疲劳试验机的传动装置连接，实现在腐蚀环境中对试样进行循环加载。所述的波形控制条件下进行环境疲劳实验的装置，环境施加装置固定于疲劳试验机上，试样置于环境施加装置内，实验过程中，环境控制装置控制试样所处的环境，保证实验过程中样品所处环境各项参数的稳定。一种波形控制条件下进行环境疲劳实验的试验方法，首先将清洗完的样品装到环境施加装置内，通过夹具与疲劳试验机加载轴连接；然后，安装小变形位移控制系统；接着，调节位移传感器移动端与连接杆的相对位置并清零；最后，通过环境施加与控制系统为试验提供稳定的实验环境，当环境稳定后开始不同波形条件下的环境疲劳试验。所述的波形控制条件下进行环境疲劳实验的试验方法，具体包括如下步骤：a)清洗试验样品；b)将样品装到环境施加装置的内部，样品通过夹具与疲劳试验机加载轴连接；c)样品装夹完毕后，安装小变形位移控制系统，将位移传感器通过支撑固定装置固定于指定位置，将连接杆与位移传感器的移动端连接，将位移传感器与数据采集单元连接；d)调节位移传感器移动端相对于连接杆的位置，使位移传感器在疲劳试验机控制面板上的示数接近零；e)在疲劳试验机控制面板上对位移传感器进行相对清零；f)施加试验环境，环境控制装置控制试样所处的环境参数；g)试验环境稳定后，设置波形试验参数，开始疲劳试验，疲劳试验机通过小变形位移控制系统精确控制疲劳加载；h)试验达到设定条件后停止试验，撤去试验环境，将位移传感器移动端与连接杆分开；i)将试样拆下。在步骤b)中，不同形状的样品采用不同夹具与疲劳试验机加载轴连接，夹具与疲劳试验机加载轴之间靠转接头连接，样品安装完后将环境施加装置密封。在步骤c)中，位移传感器的移动端为螺纹连接结构，所述移动端的螺杆穿过连接杆上的光孔，两个螺母分别位于连接杆的上下两侧。在步骤d)中，调节位移传感器移动端螺杆位于连接杆上侧的螺母，使疲劳试验机控制面板上位移传感器的示数接近于零，旋紧所述移动端螺杆位于连接杆下侧的螺母，将所述移动端与连接杆连接。在步骤h)中，试验结束后，先将位移传感器与连接杆之间的连接分开，保护位移传感器。本发明的优点及有益效果是：1、本发明的小变形位移控制系统能够精确控制不同波形条件的环境疲劳试验，可实现多种波形的组合，加载的不同阶段改变应变速率等，用于解决进行波形试验时疲劳试验机控制精度不够，加载速率转换点控制不稳等问题。2、本发明的小变形位移控制系统安装拆卸、方便，不会对疲劳试验机原有功能产生影响。3、本发明可以进行标准试验样品(如：棒状、片状等)、非标准准试验样品(如：管状等)在不同波形下的环境疲劳试验。4、本发明的环境施加与控制系统，能够实现对温度(室温到360℃)、样品所处环境(如：空气、保护性气体(氮气或氩气)、高温高压水)的精确控制，如果环境为高温高压水环境，控制系统可实现对压力(0～20mpa)、溶解氧等水化学参数的精确控制，能够模拟高温空气、保护性气体环境、轻水堆核电站高温高压水环境。5、本发明整套装置为模块化设计，根据实验的需求随时更换相应装置。例如：如果进行低温环境下的试验，可将环境施加装置更换为低温环境试验箱；如果进行盐雾试验，可将环境施加装置更换为烟雾试验箱；如果进行腐蚀性介质条件下的试验，可将环境施加装置更换为能装腐蚀性介质的实验槽。6、本发明可满足模拟多种环境，维护简便，集成度高。7、本发明设备运行稳定、安全。附图说明图1为本发明实验装置的结构示意图。图中，1-疲劳试验机；2-环境施加装置；3-连接杆；4-位移传感器；5-支撑固定装置；6-加载轴；7-环境控制装置；8-疲劳试验机控制柜；9-数据采集单元。图2为一种波形试验参数的目标波形；图中，横坐标time代表时间(s)，纵坐标strain代表应变(mm)。图3为利用疲劳试验机配备的位移传感器进行图2波形条件下试验的实际波形；图中，横坐标time代表时间(s)，纵坐标strain代表应变(mm)。图4为利用小变形位移控制系统进行图2波形条件下试验的实际波形；图中，横坐标time代表时间(s)，strain代表应变(mm)。图5为325℃、13mpa、溶解氧含量小于5ppb的高温高压水环境中进行波形条件下环境疲劳试验结束时样品的状态。图6为325℃、13mpa、溶解氧含量小于5ppb的高温高压水环境中进行波形条件下环境疲劳试验后样品断口的宏观形貌。具体实施方式如图1所示，本发明提供的一种波形控制条件下进行环境疲劳实验的装置，该装置包括：疲劳试验机、环境施加与控制系统、小变形位移控制系统，试样置于环境施加装置内，试样与疲劳试验机加载轴连接，环境施加与控制系统控制试样所处的环境，疲劳试验机通过小变形位移控制系统进行不同波形下的疲劳试验，环境施加与控制系统提供稳定的试验环境、控制试验环境的参数。小变形位移控制系统包括：支撑固定装置5、位移传感器4、连接杆3，支撑固定装置5将位移传感器4固定在疲劳试验机1的基座上，疲劳试验机加载轴6通过连接杆3与位移传感器4的移动端连接，位移传感器4通过数据采集单元9与疲劳试验机控制柜8中的控制系统连接，通过小变形位移控制系统能精确控制不同波形下的疲劳试验。环境施加与控制系统包括：环境施加装置2、环境控制装置7，疲劳试验机加载轴6穿过环境施加装置2，两者之间采用动密封的密封方式，密封处通过冷却水冷却，保证密封件能长时间稳定运行，试样通过夹具与加载轴6连接，加载轴6与疲劳试验机1的传动装置连接，实现在腐蚀环境中对试样进行循环加载。环境施加装置2固定于疲劳试验机1上，试样置于环境施加装置2内，实验过程中，环境控制装置7控制试样所处的环境，保证实验过程中样品所处环境各项参数的稳定。在具体实施过程中，本发明提供的一种波形控制条件下进行环境疲劳实验的试验方法，首先将清洗完的样品装到环境施加装置2内，通过夹具与疲劳试验机加载轴6连接；然后，安装小变形位移控制系统；接着，调节位移传感器4移动端与连接杆3的相对位置并清零；最后，通过环境施加与控制系统为试验提供稳定的实验环境，当环境稳定后开始不同波形条件下的环境疲劳试验。具体的，首先将试验用的样品清洗干净，将样品装到环境施加装置2内，通过夹具与疲劳试验机加载轴6连接，夹具与疲劳试验机加载轴6之间靠转接头连接，样品安装完后将环境施加装置2密封。然后，安装小变形位移控制系统，将位移传感器4通过支撑固定装置5固定于疲劳试验机1基座的指定位置，将连接杆3与位移传感器4移动端连接，位移传感器4的移动端为顶部有螺纹的螺杆，所述移动端的螺杆穿过连接杆3上的光孔，两个螺母分别位于连接杆3的上下两侧；将位移传感器4与数据采集单元9连接，数据采集单元9接入疲劳试验机1的控制系统。接着，调节位移传感器移动端螺杆位于连接杆3上侧的螺母，使疲劳试验机1控制面板上位移传感器4的示数接近于零；在疲劳试验机1控制面板上对位移传感器4进行相对清零，旋紧所述移动端螺杆位于连接杆3下侧的螺母，将所述移动端与连接杆3固定。最后，环境施加与控制系统为试验提供稳定的实验环境，当环境稳定后，设置波形试验参数，开始疲劳试验，疲劳试验机控制系统通过小变形位移控制系统精确控制疲劳加载。试验达到设定条件后停止试验，将位移传感器移动端与连接杆3分开，撤去试验环境，打开环境控制装置7，将夹具拆下、样品取出。下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。实施例1本实施例中，316不锈钢在325℃、13mpa、溶解氧含量小于5ppb的高温高压水环境中的环境疲劳试验，试验采用位移控制(小变形位移控制系统控制)，表1为试验采用的波形参数。表1波形参数时间(s)0405366106111116应变(％)00.20.60.20-0.60试样材料为316不锈钢，加工成标准的棒状试样，标距段长度16mm，直径8mm。如图1所示，将试样装到环境施加装置2中，通过夹具与疲劳试验机加载轴6连接，将环境施加装置2密封，安装小变形位移控制系统并与数据采集单元9连接，通过环境控制装置7控制试验环境，待试验环境稳定后按表1设置试验试验参数，疲劳试验机控制柜8通过小变形位移控制系统进行控制，开始疲劳试验，当疲劳试验机位移超过设定范围疲劳试验停止。图5是波形条件下的环境疲劳试验结束后样品的状态，疲劳裂纹位于标距段内且垂直于加载轴，样品表面有腐蚀产物。图6是试验结束后样品断口的宏观形貌，断口表面有腐蚀产物覆盖，一定程度上说明环境对疲劳裂纹的扩展起到促进作用。本实施例中，在应变速率的转折点处，小变形位移控制系统所得到的波形(图4)与目标波形(图2)的符合程度要比采用疲劳试验机配备的位移传感器控制得到的波形(图3)与目标波形(图2)的符合程度高。实施例结果表明，本发明已安全、稳定运行6000h，实验过程中设备稳定，没有出现过失稳、环境条件不满足试验要求等问题。本发明操作简单、维护方便，可实现多种波形的组合，加载的不同阶段改变应变速率等，在应变速率的转折点处的控制精度较好。本发明的使用范围广，可以实现对标准棒状、片状样品，非标准(管状)试样的环境疲劳试验，实验环境涵盖室温到360℃的空气、保护性气体(氮气、氩气)、高温高压水等环境。整套装置为模块化设计，可以根据试验的需求更换相应的模块，实现整套装置功能的改变，如可实现低温、盐雾、腐蚀性液体介质(低于100℃)等环境下的疲劳试验。对于深入理解不同环境条件下波形参数对材料的疲劳性能的影响规律、揭示环境疲劳的机理、积累结构材料在模拟实际服役环境中疲劳性能的基础数据、提高工程构件设计的合理性及运行的可靠性都有重大意义。当前第1页12