CN111289392A - 基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置及方法 - Google Patents

基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置，其包括一对塞头和两对夹块，每对夹块均包括两块夹块，每块夹块上均设置有夹持面，夹持面上开设有半圆柱形的接触凹槽，接触凹槽的表面设置有磨砂层；一对塞头包括两个塞头，塞头为实芯圆柱形，塞头的一端加工成轻微锥度。本发明的试验方法包括步骤S1‑S13，本试验通过测定的试验数据作为依据，以管段试样失效时的循环次数作为横坐标，以应力幅值作为纵坐标绘图。通过穿越试验数据点近似中线绘画的平滑曲线得到S‑N曲线。循环周次采用对数坐标，应力坐标轴采用线性或者对数坐标。

Description

基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置及方法
技术领域
本发明涉及金属薄壁管疲劳试验技术领域，具体涉及一种基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置及方法。
背景技术
目前金属薄壁管以其优异的性能，已广泛应用于工业各个领域，但在各种载荷作用下这些薄壁金属管易发生疲劳破坏，因此研究金属薄壁直管的疲劳行为与机理，更为准确地测量其疲劳性能，对一些关键设备的设计及安全运行具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种能准确对金属薄壁管进行疲劳试验的基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置及方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置，其包括一对塞头和两对夹块，每块夹块上均设置有夹持面，夹持面上开设有半圆柱形的接触凹槽，接触凹槽的表面设置有金刚石的磨砂层；塞头为实芯圆柱形，塞头的一端加工成锥度。
进一步地，塞头的长度为夹块的高度与两倍待测薄壁管的内径之和，塞头的直径与待测薄壁管的内径保持0.01mm的负公差。
进一步地，一对夹块上的两个接触凹槽的加载同轴度小于或等于2％。
一种基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将待测薄壁管进行预处理；
S2：将预处理后的待测薄壁管通过夹块安装在电液伺服疲劳试验机上，并安装高温加热炉和测温电偶；
S3：高温加热炉对待测薄壁管进行加热，使试验温度在目标温度的±3℃以内，并保温30分钟后，测定待测薄壁管的疲劳极限；
S4：根据待测薄壁管材料的抗拉强度设定输入的应力值，应力值为抗拉强度的0.5倍；
S5：电液伺服疲劳试验机上加载应力值，观测待测薄壁管的试验结果是否为失效或通过；
S6：若失效，则将步骤S5中加载的应力值－应力增量Δσ，应力增量Δσ≤疲劳极限σN×5％；
S7：若通过，则将步骤S5中加载的应力值+应力增量Δσ，应力增量Δσ≤疲劳极限σN×5％；
S8：更换下一根待测薄壁管，重复S1-S7；
S9：根据上述S1-S7的各次试验应力值绘制升降图，将相邻应力级的各数据点配成对，配对时，从第一次出现相反结果的两个数据开始，对于第一次出现相反结果以前的数据，如在升降图的波动范围之内，则作为有效数据利用，相反结果为失效和通过；
S10：当升降图满足闭合条件，各数据点完成6对配对时，结束试验，闭合条件为：根据有效数据的终点为通过或失效，并设想在某一应力水平还存在一数据点，若该点与有效数据的起点位于同一应力水平上，则表示满足闭合条件。
S11：根据升降图计算失效或通过时的疲劳极限
Figure BDA0002402313720000021
m为试验的次数，n为试验时应力值级数，σi为第i级应力值，Vi为第i级应力值下的试验次数；
S12：将求得的疲劳极限作为该次试验的参考应力水平，并在参考应力水平之上采用成组法执行步骤S5，进行该组试验其他应力水平的疲劳试验；
S13：确保每级应力水平的疲劳试验中至少有三件有效试验，并计算试验结果是否满足存活率和置信度的要求；
S14：以试验所加载的应力值为纵坐标，疲劳寿命为横坐标，拟合成应力-寿命曲线。
进一步地，步骤S1包括：
S111：对待测薄壁管的两端进行车削加工去除两端毛刺；
S112：对待测薄壁管上的夹块的夹持区进行纵向抛光，确保夹持部分没有薄壁管的原始环向纹路；
S113：在进行纵向抛光过后的夹持区上包裹软金属箔片，塞头塞在待测薄壁管的两端，再将每对夹块夹持在待测薄壁管上。
本发明的有益效果为：本方案为了避免在试验时失效位置发生在夹块的夹持位置，在待测薄壁管两端设置塞头，并且夹块的接触凹槽采用磨砂处理，对待测薄壁管的损伤较小。为保证管段试样疲劳试验断在中间有效区域，对夹持端的待测薄壁管进行软金属箔片包裹，以尽量减小金刚石夹块对管段试样夹持端部分的损伤。本试验通过测定的试验数据作为依据，试验的准确性和可靠性高。
附图说明
图1为夹块的结构示意图。
图2为待测薄壁管的结构示意图。
图3为塞头的结构示意图。
图4为应力-寿命曲线图。
其中，1、夹块，2、接触凹槽，3、抛光痕迹，4、待测薄壁管，5、塞头。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图3所示，基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置包括一对塞头5和两对夹块1，每对夹块1均包括两块夹块1，每块夹块1上均设置有夹持面，夹持面上开设有半圆柱形的接触凹槽2，接触凹槽2的表面设置有磨砂层；一对塞头5包括两个塞头5，塞头5为实芯圆柱形，塞头的一端加工成轻微锥度。
选取与待测管段试样材质相近的材料加工管材塞头5，塞头5的长度为夹块1的高度与两倍待测薄壁管4的内径之和，塞头5的直径与待测薄壁管4的内径保持0.01mm的负公差，一对夹块1上的两个接触凹槽2的加载同轴度小于或等于2％。
由于待测试样为金属薄壁管，壁厚不足1mm，为保证试样疲劳试验失效位置不发生在夹持端部分，需要定制夹块1，传统夹块1表面的齿很容易对薄壁管夹持部分表面造成损伤，所以需要针对一种外径规格的薄壁管对应定制一套金刚石磨砂面对中夹块1，金刚石磨砂面对薄壁管表面损伤较小。
一种利用基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置的试验方法包括以下步骤：
S1：将待测薄壁管4进行预处理；
S2：将预处理后的待测薄壁管4通过夹块安装在电液伺服疲劳试验机上，并安装高温加热炉和测温电偶；
S3：高温加热炉对待测薄壁管4进行加热，使试验温度在目标温度的±3℃以内，并保温30分钟后，测定待测薄壁管4的疲劳极限；
S4：根据待测薄壁管4材料的抗拉强度设定输入的应力值，应力值为抗拉强度的0.5倍；
S5：电液伺服疲劳试验机上加载应力值，观测待测薄壁管4的试验结果是否为失效或通过；
S6：若失效，则将步骤S5中加载的应力值－应力增量Δσ，应力增量Δσ≤疲劳极限σN×5％；
S7：若通过，则将步骤S5中加载的应力值+应力增量Δσ，应力增量Δσ≤疲劳极限σN×5％；
S8：更换下一根待测薄壁管4，重复S1-S7；
S9：如图4所示，根据上述S1-S7的各次试验应力值绘制升降图，将相邻应力级的各数据点配成对，配对时，从第一次出现相反结果的两个数据开始，对于第一次出现相反结果以前的数据，如在升降图的波动范围之内，则作为有效数据利用，相反结果为失效和通过；
S10：当升降图满足闭合条件，各数据点完成6对配对时，结束试验，闭合条件为：根据有效数据的终点为通过或失效，并设想在某一应力水平还存在一数据点，若该点与有效数据的起点位于同一应力水平上，则表示满足闭合条件。
S11：根据升降图计算失效或通过时的疲劳极限
Figure BDA0002402313720000051
m为试验的次数，n为试验时应力值级数，σi为第i级应力值，Vi为第i级应力值下的试验次数；
S12：将求得的疲劳极限作为该次试验的参考应力水平，并在参考应力水平之上采用成组法执行步骤S5，进行该组试验其他应力水平的疲劳试验；
S13：确保每级应力水平的疲劳试验中至少有三件有效试验，并计算试验结果是否满足存活率和置信度的要求；
S14：以试验所加载的应力值为纵坐标，疲劳寿命为横坐标，拟合成应力-寿命曲线(S-N曲线)。
如图2所示，本方案步骤S1还包括：
S111：对待测薄壁管4的两端进行车削加工去除两端毛刺；
S112：对待测薄壁管4上的夹块1的夹持区进行纵向抛光，确保夹持部分没有薄壁管的原始环向纹路；
S113：在进行纵向抛光过后的夹持区上包裹软金属箔片，塞头5塞在待测薄壁管4的两端，再将每对夹块1夹持在待测薄壁管4上。
本方案为了避免在试验时失效位置不发生在夹块1的夹持位置，在待测薄壁管4两端设置塞头5，并且夹块1的接触凹槽2采用磨砂处理，对待测薄壁管4的损伤较小。为保证管段试样疲劳试验断在中间有效区域，对夹持端的待测薄壁管4进行软金属箔片包裹，以尽量减小金刚石夹块1对管段试样夹持端部分的损伤。
本方案为了避免在试验时失效位置发生在夹块的夹持位置，在待测薄壁管两端设置塞头，并且夹块的接触凹槽采用磨砂处理，对待测薄壁管的损伤较小。为保证管段试样疲劳试验断在中间有效区域，对夹持端的待测薄壁管进行软金属箔片包裹，以尽量减小金刚石夹块对管段试样夹持端部分的损伤。本试验通过测定的试验数据作为依据，试验的准确性和可靠性高。

Claims (5)

1.一种基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置，其特征在于，包括一对塞头(5)和两对夹块(1)，每块所述夹块(1)上均设置有夹持面，所述夹持面上开设有半圆柱形的接触凹槽(2)，所述接触凹槽(2)的表面设置有金刚石的磨砂层；所述塞头(5)为实芯圆柱形，所述塞头(5)的一端加工成锥度。
2.根据权利要求1所述的基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置，其特征在于，所述塞头(5)的长度为夹块(1)的高度与两倍待测薄壁管(4)的内径之和，所述塞头(5)的直径与待测薄壁管(4)的内径保持0.01mm的负公差。
3.根据权利要求1所述的基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置，其特征在于，一对所述夹块(1)上的两个接触凹槽(2)的加载同轴度小于或等于2％。
4.一种采用权利要求1-3任一项所述的基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将待测薄壁管(4)进行预处理；
S2：将预处理后的待测薄壁管(4)通过夹块安装在电液伺服疲劳试验机上，并安装高温加热炉和测温电偶；
S3：高温加热炉对待测薄壁管(4)进行加热，使试验温度在目标温度的±3℃以内，并保温30分钟后，测定待测薄壁管(4)的疲劳极限；
S4：根据待测薄壁管(4)材料的抗拉强度设定输入的应力值，所述应力值为抗拉强度的0.5倍；
S5：电液伺服疲劳试验机上加载应力值，观测待测薄壁管(4)的试验结果是否为失效或通过；
S6：若失效，则将步骤S5中加载的应力值－应力增量Δσ，所述应力增量Δσ≤疲劳极限σN×5％；
S7：若通过，则将步骤S5中加载的应力值+应力增量Δσ，所述应力增量Δσ≤疲劳极限σN×5％；
S8：更换下一根待测薄壁管(4)，重复S1-S7；
S9：根据上述S1-S7的各次试验应力值绘制升降图，将相邻应力级的各数据点配成对，配对时，从第一次出现相反结果的两个数据开始，对于第一次出现相反结果以前的数据，如在升降图的波动范围之内，则作为有效数据利用，所述相反结果为失效和通过；
S10：当升降图满足闭合条件，各数据点完成6对配对时，结束试验，所述闭合条件为：根据有效数据的终点为通过或失效，并设想在某一应力水平还存在一数据点，若该点与有效数据的起点位于同一应力水平上，则表示满足闭合条件。
S11：根据升降图计算失效或通过时的疲劳极限
Figure FDA0002402313710000021
m为试验的次数，n为试验时应力值级数，σi为第i级应力值，Vi为第i级应力值下的试验次数；
S12：将求得的疲劳极限作为该次试验的参考应力水平，并在参考应力水平之上采用成组法执行步骤S5，进行该组试验其他应力水平的疲劳试验；
S13：确保每级应力水平的疲劳试验中至少有三件有效试验，并计算试验结果是否满足存活率和置信度的要求；
S14：以试验所加载的应力值为纵坐标，疲劳寿命为横坐标，拟合成应力-寿命曲线。
5.根据权利要求4所述的基于局部抛光的金属薄壁管疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，步骤S1包括：
S111：对待测薄壁管(4)的两端进行车削加工去除两端毛刺；
S112：对待测薄壁管(4)上的夹块(1)的夹持区进行纵向抛光，确保夹持部分没有薄壁管的原始环向纹路；
S113：在进行纵向抛光过后的夹持区上包裹软金属箔片，塞头(5)塞在待测薄壁管(4)的两端，再将每对夹块(1)夹持在待测薄壁管(4)上。
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