專利名稱：膜基界面疲勞試驗機的制作方法
技術領域：
本發明 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：
疲勞是導致材料服役性能退化和構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生疲勞，導致薄膜 斷裂或膜/基結合力降低，造成體系失效。這種類型的疲勞發生于膜/基結合強度明顯 弱于基體本身強度、且遭受來自環境或構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、流體輸送管道的內防腐涂層、鋼鐵表面在流動腐蝕介質中產生的具 有一定保護能力的腐蝕產物膜等。膠粘劑目前廣泛用于金屬材料的連接、修復和防腐工程，是保障非金屬涂層或 復合材料與金屬基體有效連接并發揮效能的關鍵。在服役過程中，膠粘劑膜層經常由于 熱脹冷縮、構件或管道彎曲變形等原因遭受剪切應力的作用，剪切應力循環往復的加載 形成疲勞載荷，導致膠粘劑與金屬的界面脫粘失效。特別是在腐蝕介質中，這種界面脫 粘情況更為嚴重。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、化工等領域，腐蝕問題嚴重影響安全生產，特別是管道 輸送含腐蝕性氣體(如C02、H2S)的油氣介質時，流體的沖刷和腐蝕往往同時進行，使 管道內壁減薄或穿孔，導致泄露甚至爆炸等事故發生。金屬材料在高溫高壓C02、H2S多 相介質中腐蝕時，表面往往形成具有一定保護作用的腐蝕產物膜，一方面完整致密的腐 蝕產物膜可以阻礙腐蝕，另一方面腐蝕產物膜在流體反復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，腐蝕產物膜的破裂和剝落主要是由于流體壁面剪切 力往復沖刷對膜造成的疲勞效應引起。當管道使用內涂層時，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措 施，延長構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，并誘發更嚴重的安全事故。而現有試驗裝置測得的構件、 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， 傳統的疲勞試驗機一般由液壓機構加載，而液壓機構的結構較復雜，費用昂貴且不便于 調節。因此有必要針對這種薄膜及膜基界面疲勞開發相應的結構簡單且易于操作的試驗 裝置，表征膜基界面真實的性能。
發明內容
本發明旨在解決現有技術中的拉伸剪切疲勞試驗機不能實現低頻、低載荷、單向純剪切加載的問題，提供一種結構簡單、便于調節的膜基界面的疲勞試驗機。本發明的膜基界面試驗機包括試驗機機體；設置在試驗機機體上并提供旋轉 動能的驅動裝置；與驅動電裝置的輸出軸相連的運動轉化機構，包括旋轉運動部分和直 線運動部分，將驅動電機的輸出軸的旋轉運動轉化為直線運動部分的直線運動；彈性力 產生部分，隨著旋轉運動部分的轉動，位于彈性力產生部分和旋轉運動部分之間的直線 運動部分周期性地壓迫彈性力產生部分，產生周期性的彈性力；設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；環形試驗槽，可動地設置在試驗基座上，彈性 力產生部分形成的彈性力施加在環形試驗槽的第一側，在與第一側相對的環形槽第二側 形成第一固定臺，第二固定臺固定地設置在試驗基座上并位于環形試驗槽內，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生部分和試塊限位裝 置之間。在本發明的膜基界面試驗機中，彈性力產生部分包括壓縮彈簧。采用本發明的膜基界面試驗機的結構簡單，可以實現低頻、低載荷、單向純剪 切加載，并且可以通過調節彈簧的彈性模量來調節施加在試樣上的疲勞載荷，有效地解 決了現有技術中存在的問題。
下面的詳細說明將參照以下附圖進行圖1為本發明膜基界面試驗機第一實施例的示意圖；圖2為本發明膜基界面試驗機第二實施例的示意圖；圖3為本發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為本發明膜基界面試驗機第四實施例的示意圖；圖6為用于本發明膜基界面試驗機的一種試樣的示意圖；圖7為用于本發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，本發明的膜基界面疲勞試驗機包括機體11。機體11構成膜基界面 疲勞試驗機1的外殼。膜基界面疲勞試驗機1的驅動設備(圖中未示出)為提供旋轉動能 的電機或液動馬達。為了便于調節加載頻率，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動設備的輸出軸12。圓形的凸輪13偏心安裝在驅動 設備的輸出軸12上，由驅動設備帶動旋轉。本領域的普通技術人員應該了解，凸輪13 的形狀并不限于圓形。滾軸14安裝在導向槽15中。滾軸14的作用在于在凸輪13的推 動下沿導向槽15內產生直線的位移，盡管在該實施例中選用了滾軸，本領域的普通技術 人員應該明了，可以采用其他適合在導向槽內產生直線位移的結構。在導向槽15的一側 設置有位于試驗基座20上的環形試驗槽21。環形試驗槽21可以在固定的試驗基座20上 滑動。在環形試驗槽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產生的彈性力沿水平方向施加在環形試驗槽21的第一側上。在 與環形試驗槽21的第一側相對的環形試驗槽21第二側的側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位于環形試驗槽21的內部。圖6所示的片狀試樣25由兩片長條形試片251和252構成。試片251表面帶有 預先制備的腐蝕產物膜、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對應的一個端部粘結在一起，位于試片251和252之間的膜 基界面用標號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形試驗槽的施力點保持穩定，在如圖 1所示的優選實施例中，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，將推力施加在環形試驗槽21的第一側。如圖1所示，為保證推力軸16的穩定性，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。下面結合圖1的實施例描述本發明膜基界面疲勞試驗機1的工作過程。首先， 驅動設備的輸出軸12帶動凸輪13轉動。凸輪13在轉動過程中，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進入接觸并推動滑動 體18。滑動體18沿推力軸16滑動，壓迫彈簧17。彈簧17產生彈性力推動推塊19。 推塊19將力施加在環行試驗槽21的第一側。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從不受剪應力到受到逐漸增大的拉_拉剪應力。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_拉剪應力到不受剪應 力。 通過設計凸輪的形狀，選擇彈簧的彈性模量，可以控制膜基界面26受到的剪應 力。在實踐中，為方便操作，通常保持疲勞測試機的內部結構不變，只通過選擇彈性模 量不同的彈簧來改變疲勞載荷。在又一優選實施例中，可以在推塊19上設置壓敏傳感器27，壓敏傳感器27與 顯示器28電連接，將彈簧產生的彈性力的數值顯示在顯示器28上。忽略環形試驗槽21 與試驗基座20之間的靜摩擦力，在顯示器28上顯示的數值大約相當于膜基界面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，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 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的旋轉運動轉化為滑動體18的直線運動，從而推動 壓縮彈簧17。圖2示出了本發明的又一個實施例，其中在圖中用于將旋轉運動轉化為直線運 動的凸輪13和滾軸14被轉盤43，連桿44和滑塊45所代替。其中轉盤43為與驅動設備 的輸出軸12同心的轉 盤。連桿44的一端鉸接在轉盤43上，另一端鉸接在滑塊45上。 滑塊45設置在導向槽15中。該實施例的其它部分與前述的實施例一樣。轉盤43的轉 動帶動滑塊45往復地直線運動，從而使彈簧17受壓，而對試樣上的模擬膜基界面產生周 期性的拉-拉剪應力。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所示的另一優選實施例中，該實施例與圖1所示實施例的區別在于試樣固 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 而成，試塊351的表面帶有預先制備的的腐蝕產物膜、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，兩者以對應端部平齊的方式疊加粘結 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。當然，也可以設計成試塊 352被限位。當試樣35放置在試塊限位裝置38上時，試樣35的平齊端應從試塊限位裝 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物膜或涂層的試片 或試塊與粘結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，粘結劑作為試驗的輔助手段而 不是直接構成膜基界面。圖5示出了本發明的又一個實施例，其實質相當于圖1和圖3所示實施例的疊 力口，但只采用同一個驅動設備，各組成部件選擇如上各實施例所描述的那樣。當然在其 他的實施例中，也可以采用如圖2所示的轉盤-連桿-滑塊機構替換圖5中的凸輪和滾軸 來帶動如圖5所示兩套試驗機構。本領域的普通技術人員應該明白，在上述實施例描述中涉及不同機構的各種具 體實施方案可以相互組合。
本發明的膜基界面試驗機較傳統的液壓試驗臺結構簡單。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低頻、低載荷、單向純 剪切加載，并且可以通過調節彈簧的彈性模量來調節施加在試樣上的 疲勞載荷的強度， 有效地解決了現有技術中存在的問題。盡管參照優選實施例描述了本發明，但本發明并不限于此，在不脫離本發明新 型精神和實質的前提下，本領域的普通技術人員可以對本發明進行各種等效的變形和改 動，而這些變形與改動都在本發明的涵蓋范圍內。
權利要求
1.一種膜基界面疲勞試驗機，包括試驗機機體；設置在所述試驗機機體上并提供旋轉動能的驅動裝置；與驅動裝置的輸出軸相連的運動轉化機構，包括旋轉運動部分和直線運動部分，將 驅動電機的輸出軸的旋轉運動轉化為直線運動部分的直線運動；彈性力產生部分，隨著旋轉運動部分的轉動，位于彈性力產生部分和旋轉運動部分 之間的所述直線運動部分周期性地壓迫彈性力產生部分，產生周期性的彈性力；設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力。
2.如權利要求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；環形試驗槽，可動地設置在試驗基座上，所述彈性力產生部分形成的彈性力施加在 環形試驗槽的第一側，在與所述第一側相對的環形槽第二側形成第一固定臺，第二固定 臺固定地設置在試驗基座上并位于環形試驗槽內，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的一個端 部疊加粘結，而對應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生部分和所述試塊限位裝置之間。
5.如權利要求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端部平齊的方式疊加粘結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.如權利要求1所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述彈性力產生部分包括壓縮彈ο
7.如權利要求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，所述壓敏傳感器設置在所述彈性力 產生部分或試樣固定裝置上。
8.如權利要求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。
9.如權利要求1所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述旋轉運動部分包括與驅動電 機輸出軸相連的凸輪，所述直線運動部分包括導向槽和滑塊，凸輪在轉動過程中推動滑塊在導向槽中形成位移而壓迫所述彈性力產生部分。
10.如權利要求1所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述旋轉運動部分包括與驅動 電機輸出軸相連的轉盤，所述直線運動部分包括導向槽和滑塊，所述滑塊和轉盤之間連 接有連桿，從而將轉盤的旋轉運動經連桿轉化為滑塊在導向槽中的直線運動。
11.如權利要求1所述的膜基界面疲勞試驗機，其中，所述驅動裝置為變頻電機。
全文摘要
本發明提供了一種膜基界面疲勞試驗機，包括試驗機機體；提供旋轉動能的驅動裝置；與驅動裝置的輸出軸相連的運動轉化機構，包括旋轉運動部分和直線運動部分；彈性力產生部分，產生周期性的彈性力；設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力。采用本發明的膜基界面試驗機的結構簡單，可以實現低頻、低載荷、單向純剪切加載，并且可以通過調節彈簧的彈性模量來調節施加在試樣上的疲勞載荷，有效地解決了現有技術中存在的問題。
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 優先權日2009年9月14日
發明者張雷, 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