技术领域

本发明属于材料测试技术领域， 涉及一种测试复合型疲劳裂纹扩展速 率的装置。 背景技术

疲劳破坏是机械零部件和工程构件的主要失效 模式之一， 且多为脆性 破坏形式， 易造成较大的经济财产损失， 因此长期以来疲劳破坏问题一直 受到人们的广泛关注。 通过大量的试验研究和实际工程应用， 基于不同的 理念已经形成了一些疲劳破坏的描述方法。 其中， 基于损伤容限理念形成 的疲劳裂纹扩展速率描述方法， 在含裂纹构件的疲劳寿命评价中取得了较 好的效果。 疲劳裂纹扩展速率不仅是表征材料抵抗疲劳裂 纹扩展的重要参 数， 也是对基于弹塑性力学的疲劳强度总寿命设计 理念的重要拓展。 随着 断裂力学的不断发展与完善， 该方法在疲劳设计与分析中得到了越来越广 泛的应用。 对于实际机械零部件和工程构件而言， 由于结构和使役条件复 杂， 疲劳破坏大多为复合型， 因此， 研究复合型疲劳裂纹扩展导致的破坏 具有十分重要的理论意义和工程价值。

根据疲劳裂纹与受力情况可将疲劳裂纹分为 I型 (裂纹承受垂直正应力 作用）、 Π型 （裂纹承受面内剪应力作用）、 m型 （裂纹承受面外剪应力作 用） 三种。 目前已经开展了许多关于疲劳裂纹扩展速率的 试验研究， 但大 多集中在采用标准夹具和试样测试裂纹在 I型疲劳载荷作用下的扩展速率， 而关于 Π型、 m型及复合型疲劳裂纹扩展速率的研究较少， 试验数据较为 匮乏。 当今商用疲劳试验机仍以轴向拉压型为主， 即使采用轴向拉压 +扭转 型试验机， 对于标准夹具和试样通常也只能开展 I型、 m型和 i-m型复合 型疲劳裂纹扩展试验。 而掌握裂纹在各种类型疲劳载荷作用下的扩展 速率， 将有利于实现对机械零件和工程构件在复杂应 力场下的疲劳寿命进行精确 预测。 发明内容

本发明的目的是提供一种测试复合型疲劳裂纹 扩展速率的装置， 本装 置能够较好地测量各类复合型疲劳裂纹的扩展 速率， 实现复合型疲劳载荷 作用下的裂纹扩展试验， 研究复杂交变应力场作用下材料的疲劳裂纹扩 展 规律， 进而为关键机械零件和工程构件在复杂使役条 件下的疲劳寿命精确 预测提供参考和依据。

为实现上述发明目的， 本发明所采用的技术方案是： 一种测试复合型 疲劳裂纹扩展速率的装置， 包括板状的试样， 本装置包括如下组成部分： 第一夹具机构， 用于通过第二夹具机构对所述试样施加拉伸、 剪切、 扭转作用；

第二夹具机构， 用于夹持所述试样， 并与第一夹具机构相配合使试样 产生复合型疲劳裂纹；

疲劳裂纹测量仪， 用于测量并记录所述试样上产生的复合型疲劳 裂纹 长度。

同时， 本发明还可以通过以下技术措施得以进一歩实 现：

优选的， 所述第一夹具机构包括两个第一夹具， 所述第一夹具的一端 设置为呈圆柱状的长杆， 另一端设置为便于与第二夹具机构中的夹具相 连 的 U型夹持部； 所述长杆和 U型夹持部整体成型。

优选的， 所述第二夹具机构包括第一法兰式夹具和第二 法兰式夹具， 所述第一法兰式夹具和第二法兰式夹具均由法 兰盘和法兰颈构成， 且构成 同一个法兰式夹具的法兰盘和法兰颈整体成型 ；

所述法兰盘和法兰颈均呈扇形， 且法兰盘的突出在法兰颈外侧的弧形 边缘处沿法兰盘的周向均匀地分布有若干个贯 穿盘体的加载孔； 所述扇形法兰颈的圆心处设置有便于所述试样 安装的夹持面， 所述夹 持面垂直于法兰盘的盘面， 所述第一法兰式夹具的法兰颈和第二法兰式夹 具的法兰颈分别从试样的两个侧面将所述试样 夹持固定， 且绝缘连接部件 穿过试样伸入法兰颈并将所述试样紧固在夹持 面处； 所述夹持面与所述试 样的侧面之间设置有绝缘垫片； 处于夹持状态的第一法兰式夹具的法兰盘 和第二法兰式夹具的法兰盘共面， 且第一法兰式夹具的法兰盘和第二法兰 式夹具的法兰盘半径相同且共圆心；

所述第一夹具的 u型夹持部通过连接部件与所述法兰盘上的加� �孔固 接， 且两个第一夹具上的 U型夹持部分别与第一法兰式夹具的法兰盘和� � 二法兰式夹具的法兰盘相连； 与 U型夹持部相连的第一法兰式夹具的法兰 盘上的加载孔中心和第二法兰式夹具的法兰盘 上的加载孔中心共同构成加 载线， 所述加载线穿过法兰盘的圆心；

所述加载线与两个第一夹具对试样进行拉伸作 用时在试样上产生的预 制疲劳裂纹面共面。

优选的， 所述板状的试样呈长方形， 所述试样上设置有一个自试样的 边缘处沿试样的宽度方向向试样内部延伸的机 加工缺口， 所述机加工缺口 设置在试样的沿其长度方向一侧的中部， 且所述机加工缺口的位于试样内 部的封闭端呈尖峰状， 所述机加工缺口的尖峰状封闭端的峰线与所述 预制 疲劳裂纹面共面； 所述机加工缺口的两侧对称设置有供绝缘连接 部件穿过 的固定孔， 所述固定孔的孔中心连线垂直于所述预制疲劳 裂纹面。

进一歩的， 所述第一法兰式夹具的法兰盘和第二法兰式夹 具的法兰盘 的所对应的圆心角均为 90度。

进一歩的， 每个法兰盘上的加载孔均布设为 5〜9个， 且两个法兰盘上 的加载孔的数量相同。

优选的， 所述连接部件为紧固螺栓， 螺栓的螺杆穿过所述 U型夹持部 和加载孔将第一夹具和法兰盘连接在一起， 螺栓螺杆伸出在 U型夹持部外 侧的端部紧固有螺母。

优选的， 所述绝缘连接部件为绝缘螺栓， 所述法兰颈的夹持面上设有 与所述绝缘螺栓相对应的螺纹孔。

优选的， 所述疲劳裂纹测量仪为直流电位式疲劳裂纹测 量仪， 直流电 位式疲劳裂纹测量仪的两个电压探头与所述机 加工缺口的开口端的两侧分 别相连； 所述直流电位式疲劳裂纹测量仪的两个电流探 头分别连接在所述 固定孔的孔中心连线和试样的沿试样长度方向 的两个端面的相交处。

本发明的有益效果在于：

1 )、 本发明在工作时， 由第二夹具机构夹持固定试样， 然后将第一夹 具机构与第二夹具机构相连， 并使第一夹具机构与普通拉压型或拉压 +扭转 型疲劳试验机相连， 然后使疲劳裂纹测量仪与试样相连， 通过普通拉压型 或拉压 +扭转型疲劳试验机驱动第一夹具机构和第二� �具机构对所述试样 施加拉伸、 剪切、 扭转作用， 从而可完全满足 I型、 Π型、 m型及复合型 疲劳裂纹扩展速率试验测试的要求， 为实现关键机械零件和工程构件在复 杂使役条件下的疲劳寿命精确预测奠定了基础 。

2)、 本发明中的第一夹具的长杆和 u型夹持部整体成型， 克服了传统 的分体式螺纹连接夹具无法有效传递疲劳扭矩 的缺点； 同时第一夹具的 u 型夹持部通过螺栓螺母紧固的方式与法兰盘上 的加载孔固定连接， 在保证 试验过程中不发生侧向滑动的同时， 使拉扭疲劳载荷传递得更加平稳顺畅。

3 )、本发明中的第二夹具机构包括第一法兰式� �具和第二法兰式夹具， 所述第一法兰式夹具和第二法兰式夹具分别从 试样的两侧夹持固定试样， 同时由于试样的固定孔对称设置在机加工缺口 的两侧， 因此本发明中的第 二夹具机构在夹持固定试样时留出了试样的整 个测试部分， 从而便于疲劳 试验过程中进行裂纹长度测试与扩展路径观察 。

4)、 在试验过程中， 本发明中的试样不但能够单独实现拉伸、 剪切、 扭转试验， 而且能够同时实现拉伸、 剪切、 扭转中的两种或三种共同试验， 也即本发明中的试样可以同时满足 I型、 Π型、 III型及复合型疲劳裂纹扩 展试验，因此本发明中的试样也被称为 CTST拉剪扭试样；本发明中的 CTST 拉剪扭试样的独特结构除保留了紧凑拉伸试样 即 CT试样的有效裂纹疲劳 扩展长度大的优点外， 还易于预制 I型疲劳裂纹。

5 )、 本发明通过绝缘螺栓将试样夹持固定在第一法 兰式夹具和第二法 兰式夹具之间， 所述绝缘螺栓和绝缘垫片的设置阻隔了两法兰 式夹具和

CTST拉剪扭试样之间的电流导通，降低了疲� �试验测试过程中监测电压信 号的信噪比。 附图说明

图 1是本发明的结构示意图。

图 2是第一夹具的结构示意图。、

图 3是连接第一夹具的 U型夹持部与法兰盘上的加载孔的螺栓螺母的 结构示意图。

图 4是第一法兰式夹具的结构示意图。

图 5是第二法兰式夹具的结构示意图。

图 6、7是第一法兰式夹具和第二法兰式夹具彼此� ��合时的结构示意图。 图 8是试样的结构示意图。

图 9是直流电位式疲劳裂纹测量仪和试样相连接� �结构示意图。

图 10是第一夹具对试样预制 I型疲劳裂纹时的结构示意图。

附图标记说明

10—第一夹具 11一长杆 12— U型夹持部

20A—第一法兰式夹具 20B—第二法兰式夹具 21—法兰盘 22—法兰颈 23—加载孔 24—夹持面 30—试样

31—机加工缺口 32—固定孔 33—封闭端 40—疲劳裂纹测量仪 41一电压探头 42—电流探头

50—绝缘螺栓 60—紧固螺栓 61—螺母 具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的工作过程做进一 歩说明。

如图 1〜10所示， 本测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置包括如 下组 成部分：

两个第一夹具 10， 所述第一夹具 10的一端设置为呈圆柱状的长杆 11， 另一端设置为便于与第二夹具机构中的夹具相 连的 U型夹持部 12; 所述长 杆 11和 U型夹持部 12整体成型。 如图 2所示， 所述 U型夹持部 12有两 个彼此相邻且平行设置的耳板构成， 两个耳板之间设置有便于容纳法兰盘 21的间隙， 且两个耳板上对应设置有供紧固螺栓 60穿过的工艺孔。

第一法兰式夹具 20A和第二法兰式夹具 20B，所述第一法兰式夹具 20A 和第二法兰式夹具 20B均由法兰盘 21和法兰颈 22构成， 且构成同一个法 兰式夹具的法兰盘 21和法兰颈 22整体成型； 所述法兰盘 21和法兰颈 22 均呈扇形， 且法兰盘 21的突出在法兰颈 22外侧的弧形边缘处沿法兰盘 21 的周向均匀地分布有若干个贯穿盘体的加载孔 23， 如图 4、 5、 6所示。

所述扇形法兰颈 22的圆心处设置有便于所述试样 30安装的夹持面 24， 所述夹持面 24垂直于法兰盘 21的盘面， 且夹持面 24上设有螺纹孔； 所述 第一法兰式夹具 20A的法兰颈 22和第二法兰式夹具 20B的法兰颈 22分别 从试样 30的两个侧面将所述试样 30夹持固定，且绝缘螺栓 50穿过试样 30 并伸入到夹持面 24上的螺纹孔中以将所述试样 30紧固在两个夹持面 24之 间， 如图 7所示， 所述夹持面 24与所述试样 30的侧面之间设置有绝缘垫 片； 处于夹持状态的第一法兰式夹具 20A的法兰盘 21 和第二法兰式夹具 20B的法兰盘 21共面， 且第一法兰式夹具 20A的法兰盘 21和第二法兰式 夹具 20B的法兰盘 21半径相同且共圆心， 如图 6所示， 为简洁起见， 图 6 中并未画出试样 30。

所述第一法兰式夹具 20A的法兰盘 21和第二法兰式夹具 20B的法兰 盘 21共面， 即两个法兰盘 21的处于同一侧的盘面彼此重合或共面。

如图 6所示，所述第一法兰式夹具 20A的法兰盘 21和第二法兰式夹具 20B的法兰盘 21的所对应的圆心角均为 90度， 且每个法兰盘 21上的加载 孔 23均布设为 5个。

如图 6所示， 加载孔 A1与加载孔 A2彼此对应且二者的连线即加载线 穿过圆心； 加载孔 B1与加载孔 B2彼此对应且二者的连线即加载线穿过圆 心； 加载孔 C1与加载孔 C2彼此对应且二者的连线即加载线穿过圆心； 加 载孔 D1与加载孔 D2彼此对应且二者的连线即加载线穿过圆心；� ��载孔 E1 与加载孔 E2彼此对应且二者的连线即加载线穿过圆心。

如图 8所示， 所述板状的试样 30呈长方形， 试样 30上设置有一个自 试样 30的边缘处沿试样 30的宽度方向向试样 30内部延伸的机加工缺口 31， 所述机加工缺口 31设置在试样 30的沿其长度方向一侧的中部， 且所述机 加工缺口 31的位于试样 30内部的封闭端 33呈尖峰状，所述机加工缺口 31 的尖峰状封闭端 33的峰线与所述预制疲劳裂纹面共面；所述机� ��工缺口 31 的两侧对称设置有供绝缘连接部件穿过的固定 孔 32，所述固定孔 32的孔中 心连线垂直于所述预制疲劳裂纹面。

如图 9所示， 所述疲劳裂纹测量仪 40为直流电位式疲劳裂纹测量仪， 直流电位式疲劳裂纹测量仪的两个电压探头 41与所述机加工缺口 31的开 口端的两侧部分别相连； 所述直流电位式疲劳裂纹测量仪的两个电流探 头 42分别连接在所述固定孔 32的孔中心连线和试样 30的沿试样长度方向的 两个端面的相交处。

下面结合图 1、 10对本发明的试验过程做详细说明。

试验时的结构如图 1所示， 以试样 30为中心， 首先通过四个绝缘螺栓

50将试样 30固定连接到第一法兰式夹具 20A和第二法兰式夹具 20B的夹 持面 24之间；然后将一个紧固螺栓 60的螺杆依次穿过 U型夹持部 12的耳 板上的工艺孔和第一法兰式夹具 20A的法兰盘 21上加载孔 A1 , 在螺杆的 伸出端拧上螺母 61， 使第一夹具 10和第一法兰式夹具 20A的法兰盘 21固 定连接， 再使用另一个紧固螺栓 60的螺杆依次穿过 U型夹持部 12的耳板 上的工艺孔和第二法兰式夹具 20A的法兰盘 21上加载孔 A2, 在螺杆的伸 出端拧上螺母 61， 使第一夹具 10和第二法兰式夹具 20A的法兰盘 21固定 连接； 再将两个第一夹具 10分别连接到疲劳试验机上， 最后连接直流电位 式裂纹测量仪 40与 CTST拉剪扭试样 30， 电压探头 41即电压测试端导线 分别接在机加工缺口 31 的开口端附近， 电流探头 42即电流源导线分别接 在试样的四个固定孔 32的孔中心连线和试样 30的沿试样长度方向的两个 端面的相交处。

所述加载孔 A1和加载孔 A2相连构成的加载线与两个第一夹具 10对 试样 30进行拉伸作用时即单独施加轴向拉伸载荷在� ��样 30上产生的预制 疲劳裂纹面共面。

当改变加载孔以重新对试样 30施加作用时， 改变后的两个加载孔的连 线所得到的加载线仍然需要穿过两个法兰盘 21的圆心， 同时改变后的两个 加载孔的连线所得到的加载线与两个第一夹具 10对试样 30进行拉伸作用 时即单独施加轴向拉伸载荷在试样 30上产生的预制疲劳裂纹面共面。

试验方法按如下歩骤进行：

1、 如图 10所示， 直接通过紧固螺栓 60和螺母 61使两个第一夹具 10 即一体式 U型夹具与试样 30即 CTST拉剪扭试样的机加工缺口 31两侧的 对称分布的两个固定孔 32相连， 疲劳试验机通过第一夹具 10向试样 30施 加轴向拉伸载荷预制疲劳裂纹， 得到预制疲劳裂纹面。 为减少预制疲劳裂 纹所用时间， 先采用较高的载荷产生疲劳裂纹， 之后分级降载， 每级下降 率不得大于 20%， 预制疲劳裂纹最后一级的最大力值不得超过开 始记录试 验数据时的最大力值。 2、预制完疲劳裂纹后，从第一夹具 10即一体式 U型夹具上卸下 CTST 拉剪扭试样， 通过绝缘螺栓 50将 CTST拉剪扭试样固定连接在第一法兰式 夹具 20A和第二法兰式夹具 20B的夹持面 24之间， 夹持面 24与 CTST拉 剪扭试样之间垫有绝缘垫片，再使第一法兰式 夹具 20A的法兰盘 21上的加 载孔和第二法兰式夹具 20B 的法兰盘 21 上的加载孔分别与两个第一夹具 10即一体式 U型夹具的 U型夹持部相连，之后按照图 9所示的结构连接直 流电位式裂纹测量仪 40与 CTST拉剪扭试样，设定相应的试验频率、波形� � 载荷类型与比例进行所需的复合型疲劳裂纹扩 展试验， 通过不同加载孔对 的轴向拉伸实现 II型、 ΠΙ型加载， 通过轴向扭转实现 I型加载。

3、 复合型疲劳裂纹扩展试验开始前开启直流电位 式裂纹测量仪实时记 录每个疲劳周次下 CTST拉剪扭试样的电位值， 每隔一定周次暂停试验， 采用醋酸纤维素薄膜和丙酮进行表面复型（具 体周次视裂纹扩展速率而定， 近门槛值区段内可每 10 ⁴ 〜10 ⁵ 周次测量复型一次， Paris区段内可每 10 ³ 〜10 ⁴ 周次测量复型一次，高速扩展区段内需要复型 的频率更高），开展标定试验。

4、完成试验后，比较标定试验结果与直流电� �式裂纹测量仪记录数据， 分析不同疲劳周次下裂纹长度和测量电压之间 的关系， 采用如下关系式表 a la ₀ = P ₀ + P _x {V IV ₀ ) + P ₂ {V IV ₀ ) ² + P {V IV

( 1 )

式中， Ω。、 a、 V。、 V分别为初始裂纹长度、 裂纹长度、 初始电压值、 测量电压值， Ρ Ρ _τ 、 Ρ ₃ 、 Ρ ₄ 是拟合系数。 通过回归计算出裂纹长度 -疲劳 周次曲线， 进而微分得到疲劳裂纹扩展速率， 再结合有限元数值计算得到 复合型应力强度因子范围， 最终获得复合型疲劳裂纹扩展速率曲线。