[发明专利]在受控气氛中以受控应变率在高循环状态下执行材料疲劳试验的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在受控气氛中以受控应变率在高循环状态（high cycle regime）下执行样本的材料疲劳试验的装置和方法。

本发明更具体地涉及在借助超声波激励的超高循环状态（超过10⁵循环）下，以最小应变与最大应变之间的可变的应变率R并且在可变的压力水平环境下进行的材料高周疲劳（HCF，高循环疲劳）试验。

本发明尤其能够改进用于处于长时期机械动载荷下、并且存在如氢气氛等有危险的气氛中的航天应用的不同材料的特征。

与本发明相关的工作已经收到来自“授权协议”n°218849下的欧盟第七框架计划（FP7/2007-2013）的基金投入。

背景技术

惯例上，材料的机械性能由在单向拉伸载荷期间的极限抗拉强度及其屈服强度（弹性极限）来表示。

另一项重要参数是材料疲劳，其是在材料受到循环载荷（cyclic loading，周期载荷）时发生的渐进的且局部的结构损伤。在本文中致力于研究处于非零静载荷的样品的疲劳或者将高频循环载荷加载到低频疲劳。

专利文献FR2680003公开了一种被开发为用于材料的疲劳试验的装置，该装置用于燃气轮机工业和航天工业，并且能够将恒定或缓慢改变的张力以及可调整幅值的纵向和/或横向振动疲劳力施加到一样本。该装置包括：液压起重器，其能够施加恒定的张力或者设定循环的张力；以及两个超声波换能器，以介于10-100kHz之间的频率工作。样本被设置在一对角状件（horn）（即位移放大器）之间。该装置还包括静力传动系统和用于测量振动幅值的光学装置，该静力传动系统由钢架（或镫形件）构成。

专利文献AT354146公开了另一种技术方案，该方案用于在高循环疲劳状态以及恒定或可变的载荷叠加的条件下试验样本，并且因此消除了对称的推拉模式的限制。

对于如航天应用之类的一些应用，理想的是对样本进行这样的疲劳试验：该试验处于受控的气氛下（例如存在氢或者其它确定的气体或气体的混合物，其可能具有潜在危险性并且处于高压下，这样可能造成一危险的环境）。以上公知的装置不能够容易地与高压相关联地使用。实际上，在受控的气氛下，这些装置依赖机械杆来将载荷的恒定部分传递到样本，并且会需要使用馈入装置或波纹管，这在高压下是难以实现的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种借助超声波激励，在高压下以及在例如氢气氛等潜在的危险气氛中更为安全地且以受控的应变率R（其中R=最小应变/最大应变）对样本执行高周疲劳试验的装置和方法。该构思能够使用较小的气体工作容量，对安全设计更为有利。

该目的借助如独立权利要求中限定的根据本发明的装置和方法来实现。本发明的其它的实施例为从属权利要求中所描述的主题。

作为本发明的根基的主要思想是使用用于样本的压力容器或压热器（autoclave，高压釜），并且将其划分成能以不同的气压充注的两个室，使得能够在压热器中设置的加载系（load train，载荷列）中引起静应力，使得能够在压热器中将样本静态地加压，并且不需要任何波纹管或杆的馈入装置。两个室中的气压之差决定了样本上施加的静应力。

根据本发明的一个方案，本发明涉及一种用于在受控的气氛中，以受控的应变率R在高循环状态执行样本的材料疲劳试验的装置，该装置包括：

压力容器，具有外壁，该外壁限定一内部室；

加载系，由第一角状件和第二角状件构成，在该第一角状件与该第二角状件之间设置样本；其中所述加载系具有纵轴线y'-y，并且基本上设置在所述压力容器的所述内部室中；以及

变换器，适于通过激励第一角状件而将超声波施加到加载系中，以便沿平行于所述纵轴线y'-y的方向对该样本施加动应力，

其特征在于，所述内部室被划分为限定围绕所述加载系的至少一部分的自由容积的第一室以及沿着所述纵轴线y'-y与所述第一室轴向对齐的第二室，所述第二角状件包括基部，该基部部分地且可移动地接合到所述第二室中，以在所述第二室中限定与所述第一室的第一自由容积分隔开的第二自由容积，第一衬垫插设于所述基部与大体上平行于所述纵轴线y'-y的所述压力容器的外壁的一部分之间，以将所述第一室与第二室以密封方式分隔开，并且设置第一供给装置和第二供给装置一向所述第一和第二室的第一和第二自由容积分别供给有具有不同气压的气体，以便对样本施加预定的静应力。