[发明专利]一种脆性材料疲劳裂纹预制试验机

说明书

本发明提出了一种脆性材料疲劳裂纹预制试验机，试验机包括基座、电机、传动轴、撞击球、压头、支撑架、支撑板、激光计数器、压力传感器，激光信号控制器，报警器，PLC控制系统、压缩弹簧、限位筒、夹具等部分。通过压力传感器、调整撞击球连接杆和限位筒的位置实现不同大小载荷的加载，预制裂纹长度达到要求尺寸，PLC控制系统根据激光探头反馈的信号信息，会切断电机的电源，同时报警器会发出警报，提示该试件的疲劳裂纹已经预制完成。实现整个裂纹预制过程中的无人看守。应用本发明预制脆性材料的疲劳裂纹可以很大程度上节约人力、物力，同时提高裂纹制备的精度。

技术领域

本发明涉及材料断裂韧度的测试领域，具体涉及一种脆性材料疲劳裂纹预制试验机。

技术背景

疲劳理论研究具有很大的工程实用价值。它的第一个作用是解决定寿问题,即精确地估算或预测构件的疲劳寿命,预防结构发生灾难性的失效,避免生命和财产的巨大损失。第二个作用是解决延寿问题,即优选材料和优化工艺,延长构件的疲劳寿命,也为研制新的抗疲劳材料提供依据。众所周知,实验测定材料的疲劳性能,要耗费大量的人力、物力和财力；尤其是构件以至全尺寸结构在服役载荷下的疲劳试验,耗费更大。因此,疲劳理论研究的第三个重要作用是,用简单的力学性能参量,如拉伸性能,估算材料的疲劳性能,简化以至取代疲劳试验；尤其是缩短构件以至全尺寸结构疲劳试验的周期,以节约人力、物力和财力。过量变形、开裂和复合材料的层间开裂是机械零件和工程构件的主要失效形式。其中,开裂会导致构件的断裂,是最具危害性的失效方式。由于断裂的突然性,不仅会造成重大的经济损失,而且经常导致灾难性事故的发生。传统的经典强度理论认为,断裂是瞬间发生的,断裂受控于由断面尺寸计算出的名义断裂应力和断裂应变。然而,对实际构件而言,其材料内部是不均匀和非连续的,并可能存在微观和宏观的裂纹或类似于裂纹的缺陷,而这些缺陷对材料和构件的服役性能会产生重大的影响。早在15世纪,人们在测量铁丝的强度时就发现,当铁丝直径相同时,其抗拉强度与铁丝长度成反比,因而推测铁丝中的缺陷控制其强度,铁丝愈长,则体积愈大,存在较大缺陷的可能性也愈大,强度也愈低。材料和构件中的裂纹或类似于裂纹的缺陷,可能是在外加载荷和环境介质的共同作用下于服役过程中萌生,也可能是在材料制造的过程中产生,如铸件、锻件及焊接结构中的各种冶金缺陷等。实际的带缺陷构件在初次正常工作加载时就发生断裂的情况并不多见,因为导致构件发生一次性断裂的缺陷一般是较大的,这种较大的缺陷在无损探伤时易被发现。而存在于实际构件材料中的无损探伤未能探到的小缺陷或裂纹,在长期的服役过程中,会因为疲劳、应力腐蚀和蠕变等原因而扩展,并最终在正常工作应力一般是低于屈服应力下发生突然断裂。因为断裂前不发生塑性变形,无征兆可见,断裂具有突发性。因此,将这种十分危险的断裂称为低应力脆性断裂。

断裂韧度是材料一个重要的力学性能指标，材料断裂韧度的测试通常需要实验含有预制裂纹，对于金属等非脆性材料其预制裂纹的预制通常需要通过疲劳实验机进行预制，预制裂纹在预制过程中，疲劳试验机通常需要实验人员进行看守，通过目测观察预制裂纹是否达到要求，精度控制比较低。而对于脆性材料，其预制裂纹通常通过两种方式进行预制：一种是利用锋利的刀片和小锤子通过手动敲击使试样产生疲劳裂纹，但手动敲击不能保证每一次敲击都有相同的力，所制备的预制裂纹方向会有较大的偏差，而且在敲击过程中极易导致试件破坏报废；另一种是利用疲劳试验机通过疲劳实验室的交变载荷进行裂纹预制，但疲劳实验机的夹具的振动更易使试样在裂纹预制过程中发生破坏失效，而且在裂纹预制过程中，需要有人一直看守，操作人员的疏忽易导致预制裂纹过长，试件成为无效试件。

发明内容

基于技术背景中所存在的问题，本发明提出了一种脆性材料疲劳裂纹预制试验机。