一種可提供不同液體介質(zhì)環(huán)境的形狀記憶合金材料疲勞試驗(yàn)皿的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可提供不同液體介質(zhì)環(huán)境的形狀記憶合金材料疲勞試驗(yàn)皿，包括盛裝液體的容器（6）和套管（7）、連接容器及套管的緊固內(nèi)螺紋圈（4）和橡膠圈（5）以及相應(yīng)夾頭。本發(fā)明試驗(yàn)夾具可用于將材料試樣置于不同液體環(huán)境中，適用于形狀記憶合金在不同液體介質(zhì)中的單軸或多軸疲勞試驗(yàn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能齊全，加工方便，經(jīng)濟(jì)適用，密封性好，可反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種可提供不同液體介質(zhì)環(huán)境的形狀記憶合金材料疲勞試驗(yàn)皿
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于智能材料熱力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其是鎳鈦形狀記憶合金在不同液體環(huán)境下的疲勞實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于工作環(huán)境對(duì)材料的力學(xué)性能影響較大，因此開(kāi)展不同液體例如水、油、電解質(zhì)、酸液等環(huán)境中材料的力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)對(duì)構(gòu)件的設(shè)計(jì)及安全性評(píng)價(jià)有非常重要的意義。
[0003]近幾十年來(lái)，形狀記憶合金因其特有的超彈性、形狀記憶效應(yīng)和生物相容性，被廣泛的應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)，生物醫(yī)學(xué)，航空航天和汽車等領(lǐng)域。由于形狀記憶合金器件常作為工程構(gòu)件中重要的組成元件，在實(shí)際服役過(guò)程中不可避免地承受各種不同頻率的循環(huán)荷載和溫度作用，其服役環(huán)境包括海水、人體體液、水、油和酸液等不同介質(zhì)。循環(huán)變形行為、損傷累積和疲勞失效問(wèn)題決定了器件的服役可靠性和使用壽命。因此，對(duì)不同介質(zhì)、不同頻率和不同溫度下的，形狀記憶合金材料開(kāi)展循環(huán)變形行為及疲勞失效的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)器件的設(shè)計(jì)及可靠性評(píng)價(jià)有十分重要的意義。
[0004]與普通金屬不同，形狀記憶合金的率相關(guān)特性是由于其在變形過(guò)程中強(qiáng)烈的熱力耦合作用引起的。一方面，在非彈性變形中，機(jī)械耗散和相變潛熱的共同貢獻(xiàn)會(huì)引起合金內(nèi)部熱生成。內(nèi)部熱生成和合金內(nèi)部以及邊界的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系;在加載率很低時(shí)，合金內(nèi)部的熱量有足夠的時(shí)間通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流與合金周圍介質(zhì)進(jìn)行熱交換，并很快達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，合金近似于等溫狀態(tài);而在加載率很高時(shí)，由于變形時(shí)間極短，內(nèi)部熱生成來(lái)不及與外界發(fā)生熱交換，合金近似處于絕熱狀態(tài)，熱量將滯留于材料內(nèi)部而引起溫度顯著升高。另一方面，鎳鈦形狀記憶合金的相變應(yīng)力強(qiáng)烈地依賴于材料的溫度。以上兩方面原因的相互影響導(dǎo)致了形狀記憶合金對(duì)加載率的強(qiáng)烈依賴性。
[0005]目前已有對(duì)形狀記憶合金材料的率相關(guān)疲勞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況主要集中于0.1HZ以上的較高頻率，而對(duì)于更低頻率的疲勞實(shí)驗(yàn)研究則較少。這主要是由于更低頻率的疲勞實(shí)驗(yàn)用時(shí)太長(zhǎng)，完成難度非常大。因此，開(kāi)發(fā)特殊的從低頻到高頻完整的率相關(guān)疲勞實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)形狀記憶合金的疲勞失效評(píng)估十分必要。
[0006]然而，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法仍存在著很多不足:
(I)已有的率相關(guān)疲勞大多在空氣中進(jìn)行，對(duì)于低頻率的疲勞實(shí)驗(yàn)，幾乎不可能完成；相對(duì)于空氣而言，液體的熱傳導(dǎo)性更好，將被測(cè)試樣置于不同液體環(huán)境中，使得形狀記憶合金內(nèi)部熱量能夠更快的傳遞出去，從而等效于材料在空氣中進(jìn)行的低速率工況，可以有效地解決低頻率耗時(shí)太久的問(wèn)題，還可進(jìn)一步研究在不同液體環(huán)境中形狀記憶合金的循環(huán)變形特性及疲勞性能。
[0007]( 2)已有的實(shí)驗(yàn)研究主要集中于鎳鈦形狀記憶合金絲試樣的彎曲和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，這是由于用于鎳鈦形狀記憶合金絲試樣的試驗(yàn)機(jī)較小且是橫向放置，可以直接將實(shí)驗(yàn)機(jī)置于水中，而對(duì)于拉扭組合的多軸加載MTS試驗(yàn)機(jī)而言，需要開(kāi)發(fā)夾持試樣又能密封住液體的夾具。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是建立一種基于MTS試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的可提供不同液體介質(zhì)環(huán)境的材料形狀記憶合金疲勞試驗(yàn)皿，使試樣在不同液體環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的材料試驗(yàn)夾具，該夾具能夠很好地夾持試樣，且密封性好，可以反復(fù)使用。
[0009]本發(fā)明的目的是通過(guò)如下的手段實(shí)現(xiàn)的:一種可提供不同液體介質(zhì)環(huán)境的形狀記憶合金材料疲勞試驗(yàn)皿，包括可用于盛裝液體的容器(6)和置于容器中心的試樣夾持機(jī)構(gòu)；所述試樣夾持機(jī)構(gòu)主要由上夾頭(I)、下夾頭(3)和套管(7)組成;套管(7)的下端為盲口，上端外側(cè)平臺(tái)上置有外螺紋圈;套管(7)穿過(guò)容器(6)的中心通孔，緊固內(nèi)螺紋圈(4)套在套管
(7)的外螺紋圈上，實(shí)現(xiàn)套管(7)與容器(6)的密閉聯(lián)接;上夾頭(I)和下夾頭(3)均為側(cè)面有開(kāi)口的盲頭圓管;實(shí)驗(yàn)安裝時(shí)，被測(cè)圓筒試樣上下端分別插入上夾頭(I)和下夾頭(3)內(nèi)；下夾頭(3)插入套管(7)內(nèi)。
[0010]進(jìn)一步地，緊固內(nèi)螺紋圈(4)與容器(6)內(nèi)底面間設(shè)置有橡膠圈(5)。
[0011]進(jìn)一步地，所述上夾頭(I)和下夾頭(3)的內(nèi)徑與被測(cè)圓筒試樣的外徑相當(dāng)。
[0012]本發(fā)明可提供不同液體介質(zhì)環(huán)境的材料形狀記憶合金疲勞試驗(yàn)皿用于MTS控制及采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)將試樣放置于不同液體環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
[0013]該發(fā)明適用于各種液體環(huán)境，如水、油、電解質(zhì)、酸液等，可以用來(lái)研究形狀記憶合金在不同液體介質(zhì)中的疲勞失效行為。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置所述系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置的試樣、夾塊及容器的整體裝配示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置除容器外的部件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置除容器外的部件結(jié)構(gòu)裝配示意圖。
[0018]圖5為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得不同頻率下液體介質(zhì)水中鎳鈦形狀記憶合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0019]圖6為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得液體介質(zhì)水中鎳鈦形狀記憶合金的溫度演化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面通過(guò)附圖，對(duì)本發(fā)明的裝置做進(jìn)一步的詳述。
[0021 ]圖1給出了該發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置未裝配之前的各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件示意圖。
[0022]圖2為圖1中各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件裝配完成后的整體示意圖。
[0023]圖3為除容器外，該夾具的各個(gè)部件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4為圖3中各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件裝配完成后的示意圖。
[0025]圖5為鎳鈦形狀記憶合金在兩種頻率下分別于空氣和水中的單軸疲勞實(shí)驗(yàn)中第一圈與最后一圈的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比圖。
[0026]圖6為鎳鈦形狀記憶合金在兩種頻率下分別于空氣和水中的單軸疲勞實(shí)驗(yàn)中，四種工況下前100圈的溫度演化曲線。實(shí)施例
[0027]實(shí)施例如圖1，組裝完成后如圖2所示。形狀記憶合金被測(cè)試樣2為薄壁微管，實(shí)驗(yàn)時(shí)，用兩個(gè)剛性堵頭將試樣2的上下兩端堵住，然后用上下夾頭將試樣2兩端夾持住。夾頭上端直徑較大，有臺(tái)階，其作用為防止試樣掉入套管7中。
[0028]容器6為承裝液體的容器，一方面，該容器的大小應(yīng)能盛裝500ml的液體，這是由于形狀記憶合金對(duì)溫度十分敏感，溫度的改變會(huì)造成其力學(xué)行為的變化，容器6可保證在整個(gè)疲勞試驗(yàn)過(guò)程中試樣2所釋放的熱量不足以使液體環(huán)境溫度改變。另一方面，容器的直徑大于試驗(yàn)機(jī)上夾頭的直徑，從而保證試樣2在拉伸和扭轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠完全浸入液體環(huán)境中。套管7底部封口，內(nèi)部有一臺(tái)階，對(duì)應(yīng)與下夾頭3上端的臺(tái)階，防止夾塊3掉入套管內(nèi)部。套管7外側(cè)有一伸出6mm的平臺(tái)，用來(lái)架起盛裝液體的容器6。在套管7的端部，有外螺紋，用來(lái)與緊固內(nèi)螺紋圈4相連接，從而固定容器6。另外在緊固內(nèi)螺紋圈4與容器6之間放有一橡膠圈5，其作用為防止容器6中的液體通過(guò)連接處滲出，本發(fā)明的安裝順序如圖3所示。組裝完成后(如圖4所示)，用防水軟膠將緊固內(nèi)螺紋圈4與套管頂部連接的地方、容器6與橡膠圈5之間的部分粘住。這樣就可以保證該裝置中的液體不會(huì)滲出。套管7的作用為夾持試樣。將裝有試樣2的下夾頭3放入套管7中，再放入試驗(yàn)機(jī)的下夾頭中，將試樣加持住。套管采用尼龍材料制成，其原因是由于PC材料是一種較軟的材料，并且彈性變形很大不容易產(chǎn)生塑性變形，可反復(fù)加持。因此可以保證試驗(yàn)機(jī)透過(guò)套管緊緊的將下夾頭3夾緊。整個(gè)裝置保證了能夠夾緊試樣的同時(shí)，能夠?qū)⒃嚇犹幱谝后w環(huán)境中進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)。
[0029]將試樣2中部綁上熱電偶8，用于測(cè)量試樣2在整個(gè)疲勞實(shí)驗(yàn)中溫度的波動(dòng)情況。最后將組裝好的裝置連同試樣2安裝到MTS試驗(yàn)機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了在液體環(huán)境中進(jìn)行形狀記憶合金的疲勞實(shí)驗(yàn)。
[0030]應(yīng)用實(shí)施例:
本實(shí)例為鎳鈦形狀記憶合金在空氣和水中的單軸疲勞實(shí)驗(yàn)，首先在室溫下將鎳鈦形狀記憶合金放置于空氣中，進(jìn)行了應(yīng)變幅值為6%，加載頻率分別為0.025Hz和0.125Hz兩種頻率的單軸疲勞實(shí)驗(yàn)。然后又利用本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)夾具，將鎳鈦形狀記憶合金放置于水中，進(jìn)行了應(yīng)變幅值為6%，加載頻率分別為0.025Hz和0.125Hz兩種頻率的單軸疲勞實(shí)驗(yàn)。
[0031]實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。首先圖5(a)給出了四種工況下鎳鈦形狀記憶合金第一圈的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，5(b)為疲勞實(shí)驗(yàn)最后一圈的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可以看出空氣中，鎳鈦形狀記憶合金的相變硬化模量比在水中的硬化模量大。并且空氣中，鎳鈦形狀記憶合金的疲勞失效時(shí)的殘余應(yīng)變高于在水中的殘余應(yīng)變。
[0032]圖6所示為四種工況下，前100圈鎳鈦形狀記憶合金溫度的演化曲線。由圖可見(jiàn)，空氣中鎳鈦形狀記憶合金在循環(huán)過(guò)程中的溫度幅值整體上高于在水中的溫度幅值。
[0033]在疲勞壽命上，在空氣中頻率為0.125Hz的工況材料壽命最短，水中頻率為
0.025Hz的工況材料壽命最長(zhǎng)，而空氣中頻率為0.025Hz和水中頻率為0.125Hz的工況，材料的疲勞壽命介于上述兩種工況之間，并且相差不多。
[0034]通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以說(shuō)明，將鎳鈦形狀記憶合金放置于液體介質(zhì)水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以等效于在空氣中進(jìn)行頻率較低的工況，并可以解決低頻率疲勞試驗(yàn)用時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。
[0035]通過(guò)該實(shí)例的驗(yàn)證表明本發(fā)明的一種可提供不同液體環(huán)境的形狀記憶合金疲勞試驗(yàn)夾具有效可行。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可提供不同液體介質(zhì)環(huán)境的形狀記憶合金材料疲勞試驗(yàn)皿，其特征在于，包括可用于盛裝液體的容器(6)和置于容器中心的試樣夾持機(jī)構(gòu);所述試樣夾持機(jī)構(gòu)主要由上夾頭(I)、下夾頭(3)和套管(7)組成;套管(7)的下端為盲口，上端外側(cè)平臺(tái)上置有外螺紋圈;套管(7 )穿過(guò)容器(6 )的中心通孔，緊固內(nèi)螺紋圈(4)套在套管(7 )的外螺紋圈上，實(shí)現(xiàn)套管(7)與容器(6)的密閉聯(lián)接;上夾頭(I)和下夾頭(3)均為側(cè)面有開(kāi)口的盲頭圓管;實(shí)驗(yàn)安裝時(shí)，被測(cè)圓管試樣上下端分別插入上夾頭(I)和下夾頭(3)內(nèi)；下夾頭(3)插入套管(7)內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之可提供不同液體介質(zhì)環(huán)境的形狀記憶合金材料疲勞試驗(yàn)皿，其特征在于，緊固內(nèi)螺紋圈(4)與容器(6)內(nèi)底面間設(shè)置有橡膠圈(5)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之可提供不同液體介質(zhì)環(huán)境的形狀記憶合金材料疲勞試驗(yàn)皿，其特征在于，所述上夾頭(I)和下夾頭(3)的內(nèi)徑與被測(cè)圓筒試樣的外徑相當(dāng)。
【文檔編號(hào)】G01N3/04GK106092731SQ201610637812
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月5日 公開(kāi)號(hào)201610637812.6, CN 106092731 A, CN 106092731A, CN 201610637812, CN-A-106092731, CN106092731 A, CN106092731A, CN201610637812, CN201610637812.6
【發(fā)明人】邱博, 闞前華, 盧福聰, 趙天行, 康國(guó)政
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)