一种混合型疲劳试验方法与流程

本发明涉及材料的疲劳寿命试验方法，具体涉及一种可同时进行普通疲劳和两种不同接触类型(共形接触和非共形接触)的微动疲劳的整体式混合型疲劳(普通疲劳与微动疲劳)试验及方法。

背景技术：

疲劳导致构件在远低于其结构强度的应力水平时即发生断裂失效，严重影响构件的服役寿命和服役安全性，是构件服役寿命极大降低的主要原因，被称为“工业癌症”。关重件在列装服役前都需要进行材料的疲劳寿命试验，用于指导构件的结构设计、加工工艺的制定和表面强化技术的选择，以及精准预测构件的疲劳寿命。对于普通疲劳试验，其试验设备和方法相对固定，有相应的国家标准供参考，如gb/t6398-2017(金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法)、gb/t12443-2017(金属材料扭矩控制疲劳试验方法)、gb/t4337-2015(金属材料疲劳试验旋转弯曲方法)、gb/t26077-2010(金属材料疲劳试验轴向应变控制方法)、gb/t3075-2008(金属材料疲劳试验轴向力控制方法)、gb/t15248-2008(金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法)和gb/t12443-2007(金属材料扭应力疲劳试验方法)。此外，专利cn103900916a中揭示了一种拉弯扭多轴加载普通疲劳试验机，将拉伸组件、弯曲组件和扭转组件结合在一起，实现拉弯扭多轴疲劳试验；专利cn103471843a揭示了一种拉弯多轴疲劳试验机构，对试样施加轴向拉伸载荷的同时，用激振器对试验样件施加弯曲振动载荷，实现拉弯载荷的加载，同样该结构只能进行拉弯载荷下的普通疲劳试验；专利us6718833b2揭示了一种高频疲劳试验机，但分别采用三个独立的驱动器产生拉弯扭载荷。而对于微动疲劳试验，还没有标准化的试验方法，使得微动疲劳试验的开展缺乏依据，导致试验结果具有很大的分散性。对于微动疲劳试验，现有文献中广泛采用的试验装置以微动块和试件的接触类型可分为三种：桥式(平面-平面接触或圆柱-平面接触)、单触点式(圆柱-平面接触或圆柱-圆柱接触)和抓取式(圆柱-平面接触)。上述三种微动疲劳试验装置中的接触类型都经过简化以便于满足赫兹接触理论。然而，实际应用中，绝大多数构件连接的接触都是不满足赫兹接触理论的共形接触，如压装或缩装接头、铆接接头、螺栓接头、轮轴总成、齿轮轴和花键轴等。专利cn104297046a中揭示一种针对钢丝的多轴微动疲劳试验装置，能够开展拉-拉疲劳、扭转和变交叉角摆动等复合运动模式下钢丝的多轴微动疲劳实验；专利cn108627389a公开了一种由齿轮驱动的载荷加载疲劳试验机，能够独立施加弯曲和扭转载荷。然而，现有的微动疲劳试验装置及相关专利中，试验前都需要仔细对齐调整微动块与试件之间的接触状态，以保证二者的良好接触。此外，现有文献中针对构件疲劳失效问题的研究大多是将构件实际服役过程中所承受的载荷进行剥离简化后分别独立研究普通疲劳和微动疲劳问题。然而，在构件真实服役过程中，常面临的问题是，同一个构件既存在普通疲劳问题，也存在微动疲劳问题。而针对于此类综合普通疲劳与微动疲劳的混合型疲劳相关的研究和相应试验装置的开发，都还很少。

总之，上述专利和文献中揭示的现有技术存在的不足有：①现有的微动疲劳试验研究大都只针对简化的接触类型，如圆柱-平面接触、平面-平面接触和圆柱-圆柱接触，不符合实际应用中广泛存在构件共形接触形式；②尚没有较具体的研究共形接触微动疲劳的试验装置和试验方法，同时也缺乏对比不同接触类型的微动疲劳装置；③普通疲劳试验和微动疲劳试验分别孤立进行研究，忽略了实际构件服役中，同一构件既存在普通疲劳，也存在微动疲劳的问题，导致试验结果与实际结果有较大出入；④现有微动疲劳装置中，疲劳试验前需要非常仔细地调整微动块和试件的接触表面状态，由于试验装置的差异性和调整的可靠度，导致试验结果的分散性大。因此，针对现有疲劳试验装置和方法尚存在的不足，需要进一步改进和完善。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提出一种混合型疲劳试验装置及方法，利用普通疲劳试验机的载荷激振器，通过本发明提出的装置和方法，实现弯曲载荷加载下构件的普通疲劳和两种不同的接触形式的微动疲劳，模拟构件在服役环境中的受载条件，通过单次加载同时得到普通疲劳和两种微动疲劳组合的混合型疲劳试验结果，揭示在相同试验环境、相同实验条件和相同试验参数下，哪种类型的疲劳和哪种接触类型会导致构件首先发生疲劳失效。

为解决以上技术问题，本发明采用如下的技术方案：

①构建混合型疲劳试验装置；

所述混合型疲劳试验装置包括：疲劳试验机、夹头、试件、设有卡簧槽的销轴和卡簧，所述夹头呈y形，且设有两个，所述疲劳试验机设有上固定槽和下固定槽，所述夹头的两端分别设置在在疲劳试验机的上固定槽和下固定槽之间，所述夹头的个数为2个，且对称分布；

所述试件的上端设有燕尾孔，下端设有圆孔；所述试件上端设于一个夹头的u形槽内，所述销轴穿过夹头凸耳上的通孔和燕尾孔设置在夹头上；所述试件下端设于另一个夹头的u形槽内，所述销轴穿过夹头凸耳上的通孔和圆孔设置在另一个夹头上；所述卡簧沿轴向方向设置在卡簧槽内；

所述试件为一板状零件，所述燕尾孔和圆孔之间设有连接柄，所述连接柄中部的宽度小于试件的两端宽度，所述连接柄分别与燕尾孔和圆孔与光滑圆弧相接，燕尾孔和圆孔均位于试件的宽度方向的中线上；

②建立辅助校正装置及裂纹萌生扩展监测系统；

③根据所建立的混合型疲劳试验装置，确定混合型疲劳试验方法。

所述步骤②包括：所述辅助校正装置包括：底座、立座、片簧、校正块和螺钉，所述立座底部通过螺钉设置在底座上，所述立座设有两个且相对设置；所述立座内端面设有第一矩形槽，所述第一矩形槽底部设有两个第三矩形槽，所述立座外端面设有第二矩形槽；所述第一矩形槽、第二矩形槽和第三矩形槽在立座内部相交，所述片簧从第一矩形槽内穿过后分别设于所述的两个第三矩形槽内；所述校正块从第二矩形槽内穿入并设于第二矩形槽和第一矩形槽的相交区域内；所述裂纹萌生扩展监测系统包括高倍数字显微镜和计算机；所述辅助校正装置设置、高倍数字显微镜和计算机共同构成监测系统。

所述步骤③包括：

第一步，选用电磁振动式疲劳试验机并设定试验条件，外加循环载荷的最大峰值不能超过试件薄弱处的材料强度极限，将载荷比设置为大于0；

第二步，开始试验并设置试验停止标准，当试件发生疲劳断裂或超过设定最大试验循环次数后，试验停止；

第三步，使用白光干涉仪分析微动痕形貌和疲劳裂纹宏观形貌，并利用扫描电镜拍摄疲劳断口，分析断口形貌特征，确定疲劳断裂类型；

第四步，考虑试件的内应力和接触区域的载荷分布，分析普通疲劳应力、燕尾孔接触区域和圆孔接触区域的载荷分布特征，建立与试件的疲劳裂纹的扩展、断口形貌的形成之间的联系，应力和载荷分布按照如下数学模型进行：

试件的连接柄为普通疲劳的试验区段，其横截面上承受均布的轴向载荷，其单位面积上的均布载荷即为其内应力σ值，表示为：

σ＝p/sa(一)

式(一)中，p为外载载荷，sa为试件中间窄部的横截面面积；

对于两种不同接触类型的微动疲劳而言，燕尾孔和圆孔与销轴的接触区域的载荷分布为：

在燕尾孔区域，销轴与燕尾孔两侧表面的接触类型为圆柱-平面接触，满足赫兹接触条件，接触区域的载荷可简化为：

求得接触峰值应力为：

式(二)和式(三)中，α为燕尾孔的半锥角角度值，e1和ν1分别为试件的材料的杨氏模量和泊松比，e2和ν2分别为销轴的材料的杨氏模量和泊松比，pn和pt分别为燕尾孔的接触表面上法向和切向载荷，r0为销轴中部的半径；

在圆孔区域，销轴与圆孔为共形接触，不满足赫兹接触条件，接触区域内的接触载荷分布为：

式(四)中，y为与共形接触区域空间位置相关的未知数，b和b分别为：

式(六)中，ε共形接触区域的半接触角度，e^*为有效弹性模量，平面应变时为平面应力时为其中i＝1,2，分别表示试件和销轴的材料属性参数，△r为圆孔与销轴的半径之差。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明通过所提出的混合疲劳试验装置，模拟实际构件服役过程中所承受的弯曲载荷、产生的微动现象和疲劳现象，能够精确的复现构件的普通疲劳和微动疲劳现象，提高疲劳寿命的试验精度，减小试验结果的分散性；本发明既满足普通疲劳试验对试件的要求，又能实现两种不同接触形式的微动疲劳试验，集普通疲劳试件和微动疲劳试件于一身，通过单次试验即可完成混合型疲劳试验，便于研究构件的不同类型的疲劳失效问题和哪种类型的疲劳是疲劳失效的主因；本发明通过试件上的连接柄设计，满足标准化的普通疲劳试验要求，可以实现普通疲劳与两种微动疲劳问题(燕尾孔和圆孔)的对比；本发明通过试件上的燕尾孔和圆孔设计，模拟满足赫兹接触的圆柱-平面接触形式和不满足赫兹接触的销-孔共形接触形式，将两种类型的微动疲劳问题引入到同一个试验中，以用于对比不同接触类型的微动疲劳问题，以确定哪种接触类型的微动疲劳是构件微动疲劳失效的主因；本发明通过燕尾孔和圆孔的设计，利用其特殊的几何自对中特性，使得销轴与燕尾孔和圆孔的可靠自对中接触，试验前无需再仔细调整接触状态，降低试验结果的分散性，提升试验的可靠性；本发明通过卡簧槽和卡簧的设计，保证精度的同时，实现可靠限位；本发明通过辅助校正装置的设计，确保试件在孔的轴向上的精确定位和校形，提高疲劳寿命的准确性；本发明通过裂纹萌生扩展监测系统，实时观察裂纹萌生扩展，并通过计算机录像，为后期分析研究微动疲劳裂纹的萌生与扩展提供动态试验证据；本发明从试件的内应力和接触区域的载荷分布入手，分析普通疲劳应力、燕尾孔接触区域和圆孔接触区域的载荷分布的特征，建立与试件疲劳失效之间的联系，从而获得主导试件混合疲劳断裂的疲劳类型及其影响因素，为疲劳寿命的研究和预测、工艺参数的优化、构件表面强化方法的选择提供试验和理论支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置与疲劳试验机的安装示意图；

图2为本发明装置的总体爆炸图；

图3为本发明装置的总体安装图；

图4为本发明装置的总体半剖和局部剖视图；

图5为本发明装置的试件的结构示意图；

图6为本发明装置的y形夹头的结构示意图；

图7为本发明装置的销轴结构示意图；

图8为本发明装置的辅助校正装置示意图；

图9为本发明装置的辅助校正装置的剖视图；

图10为本发明装置对应的试验方法流程图；

图11为本发明装置具体实施例的接触应力分布图；

在图中：a疲劳试验机、b本发明装置、a1上固定槽、a2下固定槽、1夹头、2试件、3销轴、4卡簧、5辅助校正装置、501底座、502立座、502a第一矩形槽、502b第二矩形槽、502c第三矩形槽、503片簧、504校正块、505螺钉、6高倍数字显微镜、1a通孔、2a燕尾孔、2b连接柄、2c圆孔、3a销轴中部、3b卡簧槽、α燕尾孔半锥角、p外加载荷、pn接触法向载荷、pt接触切向载荷、r0销轴直径。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

①混合型疲劳试验装置：

如图1所示，本发明装置部分b直接安装于疲劳试验机a的上固定槽a1和下固定槽a2之间。如图2、3、4、5、6和7所示，混合型疲劳试验装置包括夹头1、试件2、销轴3和卡簧4，所述夹头1呈y形，且设有两个，所述y形夹头1的两个凸耳上同轴开设有通孔1a；所述试件2为一板状零件，在其长度方向上的两端分别设有贯通的燕尾孔2a和圆孔2c，所述试件2在宽度方向的中部呈细窄状，连接柄2b与光滑圆弧相接，燕尾孔2a和圆孔2c均位于试件2的宽度方向的中线上；所述销轴3为光轴，销轴中部3a直径小于两端部直径，销轴3的两端分别各开设有一个卡簧槽3b；所述卡簧4为标准件；所述夹头1的头部分别夹持在疲劳试验机a的上固定槽a1和下固定槽a2之间，所述试件2通过其上的燕尾孔2a和圆孔2c，分别同轴于夹头1的凸耳上的通孔1a，置于所述夹头1的u形槽内；所述销轴3依次穿过夹头1的左侧凸耳-燕尾孔2a或圆孔2c-右侧凸耳后，分别从销轴3两端面沿其轴向将卡簧4装入卡簧槽3a内；试验过程中，销轴中部3a各自与燕尾孔2a和圆孔2c接触，组成微动配合对。

②辅助校正及裂纹萌生扩展监测系统：

如图8和9所示，本发明装置还包括一套试件对中辅助校正装置5和裂纹萌生扩展监测系统，所述辅助校正装置5包括底座501、立座502、片簧503、校正块504和螺钉505，所述立座502共两个，所述立座502底部通过螺钉505设置在底座501上；所述的两个立座502安装后相对的两个面上各设有第一矩形槽502a，第一矩形槽502a底部设有两个第三矩形槽502c，所述立座502外端面设有第二矩形槽502b；所述第一矩形槽502a、第二矩形槽502b和第三矩形槽502c在立座502内部相交，所述片簧503从第一矩形槽502a内穿过后分别设于所述的两个第三矩形槽502c内；所述校正块504从第二矩形槽502b内穿入并设于第二矩形槽502b和第一矩形槽502a的相交区域内；所述裂纹萌生扩展监测系统包括高倍数字显微镜6和计算机；所述辅助校正装置设置、高倍数字显微镜6和计算机共同构成监测系统。

所述辅助校正装置5用于施加疲劳载荷前，对所述试件2在孔的轴向上的精确定位和校形，待预加载荷施加完毕后，移除所述辅助校正装置5；所述辅助校正装置5通过片簧503的形变控制，可以实现对不同厚度的试件2的校正；所述高倍数字显微镜6能实时观察裂纹萌生扩展，并通过计算机实时录像。

③根据所建立的混合型疲劳试验装置，提出混合型疲劳试验方法，并从接触区域的载荷分布入手，研究载荷分布对疲劳寿命的影响：

本发明所提出的方法及流程如图10所示。该方法的工作原理为：通过不同加工参数加工试件2和销轴3，试件2的各平面加工质量满足国标对普通疲劳试件的要求，试件2的燕尾孔2a、圆孔2c和销轴3的加工参数根据微动疲劳试验中不同的表面质量进行选择。试件2和销轴3加工完成后，通过夹头1和卡簧4，将试验装置安装于疲劳试验机a上，并配置相应的试验环境、试验温度和试验条件，设定疲劳载荷、载荷比和疲劳试验频率，进行疲劳试验。通过给定的试验条件，观察试件的疲劳断裂失效特点，包含疲劳断裂位置和疲劳断裂类型。以模拟映射构件在真实服役环境中存在的疲劳失效问题和隐患。为构件的结构设计、加工工艺优化改进和表面强化工艺方法选择提高指导。

第一步，将本发明提出的混合疲劳试验装置、相应的检测与测量设备安装到位，本试验装置的共振频率能达到70hz，选用电磁振动式疲劳试验机，以缩短试验时间；

第二步，设定试验条件，外加循环载荷的最大峰值不能超过试件薄弱处的材料强度极限，为防止装置出现冲击振动，载荷比大于0；

第三步，开始试验，试件2发生疲劳断裂或超过设定最大试验循环次数后，试验停止；

第四步，通过使用白光干涉仪分析微动痕形貌和疲劳裂纹宏观形貌，并利用扫描电镜拍摄疲劳断口，分析断口形貌特征，确定疲劳断裂类型；

第五步，分析混合疲劳的疲劳断裂机理，从试件2的内应力和接触区域的载荷分布入手，分析普通疲劳应力、燕尾孔2a接触区域和圆孔2c接触区域的载荷分布特征，建立与试件2疲劳裂纹的扩展、断口形貌的形成之间的联系，应力和载荷分布按照如下数学模型进行：

对于普通疲劳而言，试件2的连接柄2b区域的应力值σ为：

σ＝p/sa(一)

式(一)中，p为外载载荷，sa为窄部的横截面面积。

对于两种不同接触类型的微动疲劳而言，燕尾孔2a和圆孔2c接触区域的载荷分布为：

在燕尾孔2a区域，销轴3与燕尾孔2a两侧表面的接触类型为圆柱-平面接触，满足赫兹接触条件，接触区域的载荷可简化为：

求得，接触峰值应力：

式(二)和式(三)中，α为燕尾孔2a的半锥角角度值，e1和ν1分别为试件2的材料的杨氏模量和泊松比，e2和ν2分别为销轴3的材料的杨氏模量和泊松比，pn和pt分别为燕尾孔2a的接触表面上法向和切向载荷，r0为销轴3中部的半径；

在圆孔2c区域，销轴3与圆孔2c为共形接触，不满足赫兹接触条件。接触区域内的接触载荷分布为：

式(四)中，y为与共形接触区域空间位置相关的未知数，b和b分别为：

式(六)中，ε共形接触区域的半接触角度，e^*为有效弹性模量，平面应变时为平面应力时为其中i＝1,2，分别表示试件2和销轴3的材料属性参数，△r为圆孔2c与销轴3的半径之差。

第五步，结合扩展有限元方法xfem(xtendedfiniteelementsmethod)，通过数值模拟裂纹扩展现象，以验证应力和载荷分布对裂纹扩展的作用机制；

第六步，通过上述第五步和第六步的结果，建立不同载荷分布对疲劳断裂行为的影响，获得主导试件2混合疲劳断裂的疲劳类型及其影响因素。

具体实施例：

为验证本发明提出的试验装置及方法，室温实验室环境中进行六组不同铣削加工参数下的疲劳试验，所得结果如表1所示。试件2的材料为tc4，销轴3的材料为ph13-8mo。燕尾孔2a的半锥角α为20°，圆孔2c的直径为13mm，销孔3的直径为12mm。疲劳试验参数为：最大外加载荷5kn、应力比0.1、频率73hz。

表1疲劳试验结果

对比三种不同的疲劳类型的实验结果，所有发生断裂的疲劳样件，其断裂位置都位于下端的圆孔处，也就是在共形接触(圆孔2c)的区域内发生疲劳断裂。

在共形接触的轴向方向，微动疲劳裂纹位于微动磨损的部分滑移区内，并贯穿整个部分滑移区。由此可知，试件是因为发生了微动疲劳导致最终断裂。微动裂纹萌生于微动磨损的部分滑移区内，并逐渐扩展直至发生完全断裂。即在混合型疲劳中，微动是导致试件发生疲劳断裂的主要原因。从表1中的疲劳寿命结果可以看出，各疲劳寿命的次数比值均不超过1个数量级，疲劳寿命分布集中，分散度低。

通过本发明提出的试验装置和试验方法，揭示了新的微动疲劳裂纹特征。裂纹萌生于邻近接触最下端位置，并沿着外加载荷的方向扩展直至最终断裂。裂纹的扩展路径总体呈勺形，可以分为三个阶段：第一阶段，裂纹沿着与萌生位置点在圆周上的切平面呈大约45°的方向扩展，长度大约为250μm；第二阶段，裂纹扩展方向沿逆时针逐渐旋转一个角度后，继续扩展大约300μm；第三阶段，裂纹扩展方向再次发生改变，沿顺时针方向逐渐旋转另一个角度后继续扩展，直至发生疲劳断裂。该阶段裂纹扩展方向与共形接触位置最低点的切平面相垂直。

在燕尾孔2a和圆孔2c与销轴3的接触区域内，其触应力分布如图11所示。通过本试验结果可以发现，裂纹并不是在接触载荷和应力值较大的非共形接触(燕尾孔2a)的区域产生，而是在接触载荷和应力值相对较小的共形接触区域(圆孔2c)萌生并扩展。其原因是，燕尾孔2a处较大的接触应力导致试件2的接触表面产生严重的塑性变形，发生应变硬化，使得接触区域的硬度增加，阻碍微裂纹的萌生与扩展。此外，在燕尾孔2a部位，因为弯曲载荷的作用，接触区域主要承受压缩载荷的作用，导致接触区域内的微裂纹处于闭合状态，因此微裂纹不会发生扩展。

通过本实施例可见，在构件服役过程中同时面临多种疲劳类型时，构件主要在共形接触部位发生微动疲劳断裂失效，揭示了应变硬化对裂纹萌生和扩展的阻碍作用。同时，本发明所提出的混合型疲劳试验装置及方法，有效降低微动疲劳试验结果的分散性，对构件的疲劳失效问题研究具有重要的意义和应用价值。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。