[发明专利]膜基界面疲劳试验机

说明书

技术领域

本发明涉及一种疲劳试验机，特别是一种膜基界面的疲劳试验机。

背景技术

疲劳是导致材料服役性能退化和构件失效的主要原因之一，对于金属材料的耐疲劳性能测试技术已十分成熟。但在许多情况下，薄膜材料或材料表面附着的膜层本身、薄膜/基体的界面(以下简称膜基界面)均会在外加载荷作用下产生疲劳，导致薄膜断裂或膜/基结合力降低，造成体系失效。这种类型的疲劳发生于膜/基结合强度明显弱于基体本身强度、且遭受来自环境或构件交变载荷的薄膜体系。例如，胶粘剂在连接界面形成的薄膜层、流体输送管道的内防腐涂层、钢铁表面在流动腐蚀介质中产生的具有一定保护能力的腐蚀产物膜等。

胶粘剂目前广泛用于金属材料的连接、修复和防腐工程，是保障非金属涂层或复合材料与金属基体有效连接并发挥效能的关键。在服役过程中，胶粘剂膜层经常由于热胀冷缩、构件或管道弯曲变形等原因遭受剪切应力的作用，剪切应力循环往复的加载形成疲劳载荷，导致胶粘剂与金属的界面脱粘失效。特别是在腐蚀介质中，这种界面脱粘情况更为严重。因而，测定胶粘剂的抗拉伸剪切疲劳性能对于评价胶粘剂/金属界面粘接性能显得非常必要。

此外，在石油、电力、化工等领域，腐蚀问题严重影响安全生产，特别是管道输送含腐蚀性气体(如CO₂、H₂S)的油气介质时，流体的冲刷和腐蚀往往同时进行，使管道内壁减薄或穿孔，导致泄露甚至爆炸等事故发生。金属材料在高温高压CO₂、H₂S多相介质中腐蚀时，表面往往形成具有一定保护作用的腐蚀产物膜，一方面完整致密的腐蚀产物膜可以阻碍腐蚀，另一方面腐蚀产物膜在流体反复冲刷和剪切作用下的局部剥落则会加剧局部腐蚀。大量研究表明，腐蚀产物膜的破裂和剥落主要是由于流体壁面剪切力往复冲刷对膜造成的疲劳效应引起。当管道使用内涂层时，情况也类似。因此确定膜层/金属之间的剪切疲劳程度，对于明确各种腐蚀体系的危害、正确选材和采用防护措施，延长构件或管道的服役期限等均有重要意义。

综上所述，薄膜层一旦发生膜或界面的疲劳，将造成薄膜的破裂或剥落，从而引起连接失效、腐蚀加剧，并诱发更严重的安全事故。而现有试验装置测得的构件、管材等金属材料的疲劳性能不能反映这种膜基界面的抗疲劳能力。目前，常用的疲劳试验机都是以测试金属的疲劳强度为主，其载荷大(一般高于5T)、频率较高(一般大于10Hz)，很难实现单向纯剪切加载，不适合膜层/金属拉伸剪切疲劳性能的测试。并且，传统的疲劳试验机一般由液压机构加载，而液压机构的结构较复杂，费用昂贵且不便于调节。因此有必要针对这种薄膜及膜基界面疲劳开发相应的结构简单且易于操作的试验装置，表征膜基界面真实的性能。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中的拉伸剪切疲劳试验机不能实现低频、低载荷、单向纯剪切加载的问题，提供一种结构简单、便于调节的膜基界面的疲劳试验机。

本发明的膜基界面试验机包括：试验机机体；设置在试验机机体上并提供旋转动能的驱动装置；与驱动电装置的输出轴相连的运动转化机构，包括旋转运动部分和直线运动部分，将驱动电机的输出轴的旋转运动转化为直线运动部分的直线运动；弹性力产生部分，随着旋转运动部分的转动，位于弹性力产生部分和旋转运动部分之间的直线运动部分周期性地压迫弹性力产生部分，产生周期性的弹性力；设置在试验机体上的试样固定装置，夹持带有膜基界面的试样，弹性力施加在试样固定装置上，试样的膜基界面与弹性力的施加方向在一条直线上，从而使得试样的膜基界面受到周期性的拉-拉剪应力。

在一个实施例中，试样呈片状，包括第一试片和第二试片，其中第一试片的表面带有膜层而具有膜基界面，第一试片和第二试片部分叠加粘结在一起。试样固定装置包括：试验基座，固定在试验机机体上；环形试验槽，可动地设置在试验基座上，弹性力产生部分形成的弹性力施加在环形试验槽的第一侧，在与第一侧相对的环形槽第二侧形成第一固定台，第二固定台固定地设置在试验基座上并位于环形试验槽内，试样的两端被夹持在第一固定台和第二固定台上。

在又一个实施例中，试样为凸块状，包括第一试块和第二试块，其中第一试块的表面带有膜层而具有膜基界面，第一试块与第二试块叠加粘结在一起。试样固定装置包括试块限位装置，只限定一个试块的位置，试样定位在弹性力产生部分和试块限位装置之间。

在本发明的膜基界面试验机中，弹性力产生部分包括压缩弹簧。

采用本发明的膜基界面试验机的结构简单，可以实现低频、低载荷、单向纯剪切加载，并且可以通过调节弹簧的弹性模量来调节施加在试样上的疲劳载荷，有效地解决了现有技术中存在的问题。