專利名稱：膜基界面疲勞試驗機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 涉及一種疲勞試驗機，特別是一種膜基界面的疲勞試驗機。
背景技術(shù)：
疲勞是導(dǎo)致材料服役性能退化和構(gòu)件失效的主要原因之一，對于金屬材料的耐 疲勞性能測試技術(shù)已十分成熟。但在許多情況下，薄膜材料或材料表面附著的膜層本 身、薄膜/基體的界面(以下簡稱膜基界面)均會在外加載荷作用下產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致薄膜 斷裂或膜/基結(jié)合力降低，造成體系失效。這種類型的疲勞發(fā)生于膜/基結(jié)合強度明顯 弱于基體本身強度、且遭受來自環(huán)境或構(gòu)件交變載荷的薄膜體系。例如，膠粘劑在連接 界面形成的薄膜層、流體輸送管道的內(nèi)防腐涂層、鋼鐵表面在流動腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生的具 有一定保護(hù)能力的腐蝕產(chǎn)物膜等。膠粘劑目前廣泛用于金屬材料的連接、修復(fù)和防腐工程，是保障非金屬涂層或 復(fù)合材料與金屬基體有效連接并發(fā)揮效能的關(guān)鍵。在服役過程中，膠粘劑膜層經(jīng)常由于 熱脹冷縮、構(gòu)件或管道彎曲變形等原因遭受剪切應(yīng)力的作用，剪切應(yīng)力循環(huán)往復(fù)的加載 形成疲勞載荷，導(dǎo)致膠粘劑與金屬的界面脫粘失效。特別是在腐蝕介質(zhì)中，這種界面脫 粘情況更為嚴(yán)重。因而，測定膠粘劑的抗拉伸剪切疲勞性能對于評價膠粘劑/金屬界面 粘接性能顯得非常必要。此外，在石油、電力、化工等領(lǐng)域，腐蝕問題嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，特別是管道 輸送含腐蝕性氣體(如C02、H2S)的油氣介質(zhì)時，流體的沖刷和腐蝕往往同時進(jìn)行，使 管道內(nèi)壁減薄或穿孔，導(dǎo)致泄露甚至爆炸等事故發(fā)生。金屬材料在高溫高壓C02、H2S多 相介質(zhì)中腐蝕時，表面往往形成具有一定保護(hù)作用的腐蝕產(chǎn)物膜，一方面完整致密的腐 蝕產(chǎn)物膜可以阻礙腐蝕，另一方面腐蝕產(chǎn)物膜在流體反復(fù)沖刷和剪切作用下的局部剝落 則會加劇局部腐蝕。大量研究表明，腐蝕產(chǎn)物膜的破裂和剝落主要是由于流體壁面剪切 力往復(fù)沖刷對膜造成的疲勞效應(yīng)引起。當(dāng)管道使用內(nèi)涂層時，情況也類似。因此確定膜 層/金屬之間的剪切疲勞程度，對于明確各種腐蝕體系的危害、正確選材和采用防護(hù)措 施，延長構(gòu)件或管道的服役期限等均有重要意義。綜上所述，薄膜層一旦發(fā)生膜或界面的疲勞，將造成薄膜的破裂或剝落，從而 引起連接失效、腐蝕加劇，并誘發(fā)更嚴(yán)重的安全事故。而現(xiàn)有試驗裝置測得的構(gòu)件、 管材等金屬材料的疲勞性能不能反映這種膜基界面的抗疲勞能力。目前，常用的疲勞試 驗機都是以測試金屬的疲勞強度為主，其載荷大(一般高于5T)、頻率較高(一般大于 IOHz),很難實現(xiàn)單向純剪切加載，不適合膜層/金屬拉伸剪切疲勞性能的測試。并且， 傳統(tǒng)的疲勞試驗機一般由液壓機構(gòu)加載，而液壓機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，費用昂貴且不便于 調(diào)節(jié)。因此有必要針對這種薄膜及膜基界面疲勞開發(fā)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)簡單且易于操作的試驗 裝置，表征膜基界面真實的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中的拉伸剪切疲勞試驗機不能實現(xiàn)低頻、低載荷、單向純剪切加載的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、便于調(diào)節(jié)的膜基界面的疲勞試驗機。本發(fā)明的膜基界面試驗機包括試驗機機體；設(shè)置在試驗機機體上并提供旋轉(zhuǎn) 動能的驅(qū)動裝置；與驅(qū)動電裝置的輸出軸相連的運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)，包括旋轉(zhuǎn)運動部分和直 線運動部分，將驅(qū)動電機的輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動部分的直線運動；彈性力 產(chǎn)生部分，隨著旋轉(zhuǎn)運動部分的轉(zhuǎn)動，位于彈性力產(chǎn)生部分和旋轉(zhuǎn)運動部分之間的直線 運動部分周期性地壓迫彈性力產(chǎn)生部分，產(chǎn)生周期性的彈性力；設(shè)置在試驗機體上的試樣 固定裝置，夾持帶有膜基界面的試樣，彈性力施加在試樣固定裝置上，試樣的膜基界面與 彈性力的施加方向在一條直線上，從而使得試樣的膜基界面受到周期性的拉_拉剪應(yīng)力。在一個實施例中，試樣呈片狀，包括第一試片和第二試片，其中第一試片的表 面帶有膜層而具有膜基界面，第一試片和第二試片部分疊加粘結(jié)在一起。試樣固定裝置 包括試驗基座，固定在試驗機機體上；環(huán)形試驗槽，可動地設(shè)置在試驗基座上，彈性 力產(chǎn)生部分形成的彈性力施加在環(huán)形試驗槽的第一側(cè)，在與第一側(cè)相對的環(huán)形槽第二側(cè) 形成第一固定臺，第二固定臺固定地設(shè)置在試驗基座上并位于環(huán)形試驗槽內(nèi)，試樣的兩 端被夾持在第一固定臺和第二固定臺上。在又一個實施例中，試樣為凸塊狀，包括第一試塊和第二試塊，其中第一試塊 的表面帶有膜層而具有膜基界面，第一試塊與第二試塊疊加粘結(jié)在一起。試樣固定裝置 包括試塊限位裝置，只限定一個試塊的位置，試樣定位在彈性力產(chǎn)生部分和試塊限位裝 置之間。在本發(fā)明的膜基界面試驗機中，彈性力產(chǎn)生部分包括壓縮彈簧。采用本發(fā)明的膜基界面試驗機的結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)低頻、低載荷、單向純剪 切加載，并且可以通過調(diào)節(jié)彈簧的彈性模量來調(diào)節(jié)施加在試樣上的疲勞載荷，有效地解 決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。


下面的詳細(xì)說明將參照以下附圖進(jìn)行圖1為本發(fā)明膜基界面試驗機第一實施例的示意圖；圖2為本發(fā)明膜基界面試驗機第二實施例的示意圖；圖3為本發(fā)明膜基界面試驗機第三實施例的示意圖；圖4為圖3所示實施例中試樣限位裝置的示意圖；圖5為本發(fā)明膜基界面試驗機第四實施例的示意圖；圖6為用于本發(fā)明膜基界面試驗機的一種試樣的示意圖；圖7為用于本發(fā)明膜基界面試驗機的另一種試樣的示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的膜基界面疲勞試驗機包括機體11。機體11構(gòu)成膜基界面 疲勞試驗機1的外殼。膜基界面疲勞試驗機1的驅(qū)動設(shè)備(圖中未示出)為提供旋轉(zhuǎn)動能 的電機或液動馬達(dá)。為了便于調(diào)節(jié)加載頻率，可以選用變頻電機(頻率可以低于10Hz)。在圖1-5中所示的實施例中示出了驅(qū)動設(shè)備的輸出軸12。圓形的凸輪13偏心安裝在驅(qū)動 設(shè)備的輸出軸12上，由驅(qū)動設(shè)備帶動旋轉(zhuǎn)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該了解，凸輪13 的形狀并不限于圓形。滾軸14安裝在導(dǎo)向槽15中。滾軸14的作用在于在凸輪13的推 動下沿導(dǎo)向槽15內(nèi)產(chǎn)生直線的位移，盡管在該實施例中選用了滾軸，本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員應(yīng)該明了，可以采用其他適合在導(dǎo)向槽內(nèi)產(chǎn)生直線位移的結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)向槽15的一側(cè) 設(shè)置有位于試驗基座20上的環(huán)形試驗槽21。環(huán)形試驗槽21可以在固定的試驗基座20上 滑動。在環(huán)形試驗槽21和滾軸14之間安裝壓縮彈簧17，滾軸14在圖中向右的方向運動 時壓縮彈簧17，彈簧17產(chǎn)生的彈性力沿水平方向施加在環(huán)形試驗槽21的第一側(cè)上。在 與環(huán)形試驗槽21的第一側(cè)相對的環(huán)形試驗槽21第二側(cè)的側(cè)壁上形成第一固定臺22。在 試驗基座20上形成有固定的第二固定臺23，第二固定臺23位于環(huán)形試驗槽21的內(nèi)部。圖6所示的片狀試樣25由兩片長條形試片251和252構(gòu)成。試片251表面帶有 預(yù)先制備的腐蝕產(chǎn)物膜、沉積層、涂鍍層或膠黏劑層等膜層，膜層與試塊基體之間形成 膜基界面。試片251和252對應(yīng)的一個端部粘結(jié)在一起，位于試片251和252之間的膜 基界面用標(biāo)號26來表示。片狀試樣25的兩端分別夾持在第一固定臺22和第二固定臺23 上。第一固定臺22和第二固定臺23的高度設(shè)計成使得片狀試樣25的膜基界面26與彈 簧17形成的彈性力的施加方向在一條直線上。為了使彈簧17形成的彈性力方向以及對環(huán)形試驗槽的施力點保持穩(wěn)定，在如圖 1所示的優(yōu)選實施例中，彈簧可以安裝在推力軸16上，推力軸的一端具有推塊19，彈簧 17被壓縮時推動推塊19，將推力施加在環(huán)形試驗槽21的第一側(cè)。如圖1所示，為保證推力軸16的穩(wěn)定性，推力軸17的另一端由滑動體18支撐。 滑動體18可動地安裝在推力軸16上。下面結(jié)合圖1的實施例描述本發(fā)明膜基界面疲勞試驗機1的工作過程。首先， 驅(qū)動設(shè)備的輸出軸12帶動凸輪13轉(zhuǎn)動。凸輪13在轉(zhuǎn)動過程中，相對于滾軸14的運動 包括兩個階段，即接近滾軸的凸輪輪廓曲線上的點距轉(zhuǎn)動中心的距離逐漸增大的第一階 段和接近滾軸的凸輪輪廓曲線上的點距轉(zhuǎn)動中心的距離逐漸減小的第二階段。在第一階段，凸輪13輪廓曲線上的點逐漸與滾軸14進(jìn)入接觸并推動滾軸14在 圖面中向右的方向水平運動，滾軸14在向右運動過程中與滑動體18進(jìn)入接觸并推動滑動 體18?；瑒芋w18沿推力軸16滑動，壓迫彈簧17。彈簧17產(chǎn)生彈性力推動推塊19。 推塊19將力施加在環(huán)行試驗槽21的第一側(cè)。該推力通過第一固定臺22，作用在試樣25 上，使得膜基界面26從不受剪應(yīng)力到受到逐漸增大的拉_拉剪應(yīng)力。在第二階段，凸輪13輪廓曲線上的點逐漸與滾軸14脫離接觸，彈簧17收到的 壓迫力逐漸減小直至消除，使得膜基界面26從受到逐漸減小的拉_拉剪應(yīng)力到不受剪應(yīng) 力。 通過設(shè)計凸輪的形狀，選擇彈簧的彈性模量，可以控制膜基界面26受到的剪應(yīng) 力。在實踐中，為方便操作，通常保持疲勞測試機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變，只通過選擇彈性模 量不同的彈簧來改變疲勞載荷。在又一優(yōu)選實施例中，可以在推塊19上設(shè)置壓敏傳感器27，壓敏傳感器27與 顯示器28電連接，將彈簧產(chǎn)生的彈性力的數(shù)值顯示在顯示器28上。忽略環(huán)形試驗槽21 與試驗基座20之間的靜摩擦力，在顯示器28上顯示的數(shù)值大約相當(dāng)于膜基界面26所受的拉-拉剪力。另外，所述的顯示器還可以顯示彈性力施加的次數(shù)，從而通過實驗得出 在某一疲勞載荷下的壽命。在整個實驗過程中，膜基界面26只受到周期性的拉-拉剪應(yīng) 力。在如圖1所示的實施例中，也可以將滑動體18加長，而省略滾軸14，利用凸輪 13直接帶動滑動體18而將輸出軸12的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑動體18的直線運動，從而推動 壓縮彈簧17。圖2示出了本發(fā)明的又一個實施例，其中在圖中用于將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運 動的凸輪13和滾軸14被轉(zhuǎn)盤43，連桿44和滑塊45所代替。其中轉(zhuǎn)盤43為與驅(qū)動設(shè)備 的輸出軸12同心的轉(zhuǎn) 盤。連桿44的一端鉸接在轉(zhuǎn)盤43上，另一端鉸接在滑塊45上。 滑塊45設(shè)置在導(dǎo)向槽15中。該實施例的其它部分與前述的實施例一樣。轉(zhuǎn)盤43的轉(zhuǎn) 動帶動滑塊45往復(fù)地直線運動，從而使彈簧17受壓，而對試樣上的模擬膜基界面產(chǎn)生周 期性的拉-拉剪應(yīng)力。在圖2所示的實施例中，也可以將連桿44直接鉸接在滑動體18上，而省略滑塊 45。圖3所示的另一優(yōu)選實施例中，該實施例與圖1所示實施例的區(qū)別在于試樣固 定裝置不同。本實施例采用圖7所示的凸塊狀試樣35，由兩塊試塊351和352疊加粘結(jié) 而成，試塊351的表面帶有預(yù)先制備的的腐蝕產(chǎn)物膜、沉積層、涂鍍層或膠黏劑層等膜 層，膜層與試塊基體之間形成膜基界面。試塊351和352之間的膜基界面用標(biāo)號26表 示。其中試塊351為短試塊，試塊352為長試塊，兩者以對應(yīng)端部平齊的方式疊加粘結(jié) 而使得試塊352的另一端部突出出來而形成凸塊部分。在該實施例中，試樣固定裝置包括試塊限位裝置38。如圖4所示，試塊限位裝 置38具有與試樣35形狀互補的空腔39，空腔39具有向外的開口，允許兩個試塊中的一 個外露，而另一個試塊被限位。圖中所示為試塊351被限位。當(dāng)然，也可以設(shè)計成試塊 352被限位。當(dāng)試樣35放置在試塊限位裝置38上時，試樣35的平齊端應(yīng)從試塊限位裝 置38中伸出。膜基界面26與圖中所示彈簧17的軸心位于一條直線上，即與彈簧施加的 彈性力在一條直線上。在推塊19因彈簧17產(chǎn)生的周期性彈性力推動試樣35時，試塊 351由于被限位而沒有移動的趨勢，試塊352則有向圖中向右的方向移動的趨勢，從而使 膜基界面36受到周期性的拉-拉剪應(yīng)力。圖3所示實施例的其它方面可以和之前描述的各實施例完全相同。圖6和圖7所示的試樣的膜基界面既可能是本身不具有腐蝕產(chǎn)物膜或涂層的試片 或試塊與粘結(jié)劑膜層之間的膜基界面，也可能是試片或試塊本身具有的腐蝕產(chǎn)物膜或涂 層與試片或試塊基體之間的膜基界面。在后一種情況下，粘結(jié)劑作為試驗的輔助手段而 不是直接構(gòu)成膜基界面。圖5示出了本發(fā)明的又一個實施例，其實質(zhì)相當(dāng)于圖1和圖3所示實施例的疊 力口，但只采用同一個驅(qū)動設(shè)備，各組成部件選擇如上各實施例所描述的那樣。當(dāng)然在其 他的實施例中，也可以采用如圖2所示的轉(zhuǎn)盤-連桿-滑塊機構(gòu)替換圖5中的凸輪和滾軸 來帶動如圖5所示兩套試驗機構(gòu)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，在上述實施例描述中涉及不同機構(gòu)的各種具 體實施方案可以相互組合。
本發(fā)明的膜基界面試驗機較傳統(tǒng)的液壓試驗臺結(jié)構(gòu)簡單。由于可以采用變頻電 機和彈簧加載并保證膜基界面與施加載荷在一條直線上可以實現(xiàn)低頻、低載荷、單向純 剪切加載，并且可以通過調(diào)節(jié)彈簧的彈性模量來調(diào)節(jié)施加在試樣上的 疲勞載荷的強度， 有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。盡管參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于此，在不脫離本發(fā)明新 型精神和實質(zhì)的前提下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種等效的變形和改 動，而這些變形與改動都在本發(fā)明的涵蓋范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種膜基界面疲勞試驗機，包括試驗機機體；設(shè)置在所述試驗機機體上并提供旋轉(zhuǎn)動能的驅(qū)動裝置；與驅(qū)動裝置的輸出軸相連的運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)，包括旋轉(zhuǎn)運動部分和直線運動部分，將 驅(qū)動電機的輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動部分的直線運動；彈性力產(chǎn)生部分，隨著旋轉(zhuǎn)運動部分的轉(zhuǎn)動，位于彈性力產(chǎn)生部分和旋轉(zhuǎn)運動部分 之間的所述直線運動部分周期性地壓迫彈性力產(chǎn)生部分，產(chǎn)生周期性的彈性力；設(shè)置在試驗機體上的試樣固定裝置，夾持帶有膜基界面的試樣，所述彈性力施加在 試樣固定裝置上，所述試樣的膜基界面與所述彈性力的施加方向在一條直線上，從而使 得所述試樣的膜基界面受到周期性的剪切應(yīng)力。
2.如權(quán)利要求1所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述試樣呈片狀，包括第一試片 和第二試片，其中第一試片的表面帶有膜層而具有膜基界面，第一試片和第二試片部分 疊加粘結(jié)在一起，所述試樣固定裝置包括試驗基座，固定在試驗機機體上；環(huán)形試驗槽，可動地設(shè)置在試驗基座上，所述彈性力產(chǎn)生部分形成的彈性力施加在 環(huán)形試驗槽的第一側(cè)，在與所述第一側(cè)相對的環(huán)形槽第二側(cè)形成第一固定臺，第二固定 臺固定地設(shè)置在試驗基座上并位于環(huán)形試驗槽內(nèi)，所述試樣的兩端被夾持在第一固定臺 和第二固定臺上。
3.如權(quán)利要求2所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述兩個試片各自對應(yīng)的一個端 部疊加粘結(jié)，而對應(yīng)的另一端部分別被夾持在第一固定臺和第二固定臺上。
4.如權(quán)利要求1所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述試樣為凸塊狀，包括第一試 塊和第二試塊，其中第一試塊的表面帶有膜層而具有膜基界面，第一試塊與第二試塊疊 加粘結(jié)在一起，所述試樣固定裝置包括試塊限位裝置，只限定一個所述試塊的位置，所述試樣定位在所述彈性力產(chǎn)生部分和所述試塊限位裝置之間。
5.如權(quán)利要求4所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述兩塊試塊包括長試塊和短試 塊，所述長試塊和短試塊對應(yīng)端部平齊的方式疊加粘結(jié)而使得所述長試塊的另一端部突 出出來，所述試塊限位裝置具有與所述試樣的形狀互補的空腔，以容納所述試樣。
6.如權(quán)利要求1所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述彈性力產(chǎn)生部分包括壓縮彈ο
7.如權(quán)利要求1所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述膜基界面疲勞試驗機還包括 顯示器，與壓敏傳感器相連，顯示所述彈性力大小，所述壓敏傳感器設(shè)置在所述彈性力 產(chǎn)生部分或試樣固定裝置上。
8.如權(quán)利要求7所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述顯示器還顯示所述彈性力的 施加次數(shù)。
9.如權(quán)利要求1所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述旋轉(zhuǎn)運動部分包括與驅(qū)動電 機輸出軸相連的凸輪，所述直線運動部分包括導(dǎo)向槽和滑塊，凸輪在轉(zhuǎn)動過程中推動滑塊在導(dǎo)向槽中形成位移而壓迫所述彈性力產(chǎn)生部分。
10.如權(quán)利要求1所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述旋轉(zhuǎn)運動部分包括與驅(qū)動 電機輸出軸相連的轉(zhuǎn)盤，所述直線運動部分包括導(dǎo)向槽和滑塊，所述滑塊和轉(zhuǎn)盤之間連 接有連桿，從而將轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)連桿轉(zhuǎn)化為滑塊在導(dǎo)向槽中的直線運動。
11.如權(quán)利要求1所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述驅(qū)動裝置為變頻電機。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種膜基界面疲勞試驗機，包括試驗機機體；提供旋轉(zhuǎn)動能的驅(qū)動裝置；與驅(qū)動裝置的輸出軸相連的運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)，包括旋轉(zhuǎn)運動部分和直線運動部分；彈性力產(chǎn)生部分，產(chǎn)生周期性的彈性力；設(shè)置在試驗機體上的試樣固定裝置，夾持帶有膜基界面的試樣，所述彈性力施加在試樣固定裝置上，所述試樣的膜基界面與所述彈性力的施加方向在一條直線上，從而使得所述試樣的膜基界面受到周期性的剪切應(yīng)力。采用本發(fā)明的膜基界面試驗機的結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)低頻、低載荷、單向純剪切加載，并且可以通過調(diào)節(jié)彈簧的彈性模量來調(diào)節(jié)施加在試樣上的疲勞載荷，有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。
文檔編號G01N3/14GK102023120SQ20091017751
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者張雷, 張穎懷, 王金光, 蔣鵬飛, 許立寧, 路民旭 申請人:北京安科管道工程科技有限公司, 北京科技大學(xué)