[發(fā)明專(zhuān)利]鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實(shí)驗(yàn)的試樣尺寸設(shè)計(jì)方法

無(wú)效

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• 申請(qǐng)日: 2013-12-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103714200A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖志瑜;陸宇衡;陳露;付文超;李元元
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實(shí)驗(yàn)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實(shí)驗(yàn)的試樣尺寸設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

疲勞現(xiàn)象是結(jié)構(gòu)材料在循環(huán)載荷下，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象。為便于分析研究，一般按破壞循環(huán)次數(shù)的高低將疲勞分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞作用于零件、構(gòu)件的應(yīng)力水平較低，破壞循環(huán)次數(shù)一般高于10⁴～10⁵的疲勞。一般的傳統(tǒng)疲勞周次在10⁷以下，在高周疲勞中又可以分為一般的高周疲勞及超高周疲勞。其中，超高周疲勞是指疲勞周次達(dá)到10⁸及其以上時(shí)材料的疲勞行為。

在現(xiàn)代工程中的許多金屬結(jié)構(gòu)件大多在循環(huán)變化的載荷作用下工作，承受著高頻、低應(yīng)力幅循環(huán)載荷。疲勞斷裂通常是突然發(fā)生的，往往導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。另外，我們對(duì)零部件的壽命要求也越來(lái)越高，因此研究材料的高周疲勞性能顯得尤為重要。20世紀(jì)70年代中期，頻率達(dá)到15～22kHz的超聲疲勞技術(shù)逐漸在材料研究中使用，并被用于加速常規(guī)疲勞試驗(yàn)。由于頻率高,超聲疲勞短時(shí)間即可達(dá)到很高的循環(huán)周次(甚至達(dá)到10⁹周次),這是用常規(guī)試驗(yàn)技術(shù)(50Hz)僅從耗時(shí)考慮幾乎是不可能的。超聲疲勞試驗(yàn)是使試件受激諧振而發(fā)生共振現(xiàn)象。超聲信號(hào)由壓電陶瓷換能器發(fā)出,在試件中生成諧振波,沿試件長(zhǎng)度方向形成位移幅值和應(yīng)變-應(yīng)力場(chǎng),其中試驗(yàn)試件幾何形狀必須在超聲頻率下滿(mǎn)足諧振條件。20世紀(jì)90年代中期，超聲彎曲疲勞試驗(yàn)技術(shù)已應(yīng)用于陶瓷和金屬基復(fù)合材料。

對(duì)于鐵基粉末冶金材料，由于工藝特點(diǎn)，材料當(dāng)中存在較多的孔隙，材料的密度和鋼鐵材料的理論密度有一定差距，大約有80%以上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞都是由于疲勞造成的。粉末冶金制連桿的軸向拉壓疲勞失效時(shí)有發(fā)生。國(guó)內(nèi)外針對(duì)材料的超聲疲勞性能及裝置進(jìn)行了一定程度的研究。其中，發(fā)明專(zhuān)利CN201010162234.8超聲彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)明了一種超聲彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)超聲彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，能實(shí)現(xiàn)不同加載載荷、不同幾何尺寸試樣的超聲彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)。實(shí)用新型專(zhuān)利CN201120412120.4薄片超聲彎曲振動(dòng)疲勞加速試驗(yàn)裝置采用超聲波發(fā)生器、壓電陶瓷換能器等結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲疲勞加載，同時(shí)能獲得較高的試驗(yàn)精度。

然而，針對(duì)鐵基粉末冶金材料的超聲疲勞試驗(yàn)仍然有一些不足。首先，對(duì)材料的拉壓疲勞卻不能很好的進(jìn)行模擬測(cè)試。其次，目前缺少可以用于鐵基粉末冶金材料測(cè)試超高周拉壓疲勞性能的方法。最后，由于鐵基粉末冶金材料的特性，不同工藝得到的材料往往擁有不同密度和彈性模量，還缺少一種鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞尺寸的快速設(shè)計(jì)方法。為此，開(kāi)發(fā)一種能夠應(yīng)用于鐵基粉末冶金材料的軸向拉壓的超聲疲勞測(cè)試試樣尺寸設(shè)計(jì)方法是很有必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高效、省時(shí)、準(zhǔn)確的鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實(shí)驗(yàn)的試樣尺寸設(shè)計(jì)方法，使軸向拉壓試樣能夠有效地在超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)上發(fā)生諧振，快速的模擬軸向拉壓的疲勞試驗(yàn)方式。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實(shí)驗(yàn)的試樣尺寸設(shè)計(jì)方法，首先，根據(jù)鐵基粉末冶金材料的密度和彈性模量，采用解析計(jì)算得到鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實(shí)驗(yàn)的軸向拉壓試樣的理論尺寸；其次，再將理論尺寸作為邊界條件，采用有限元分析計(jì)算出材料共振時(shí)所需要的響應(yīng)頻率；當(dāng)該頻率不符合超聲振動(dòng)頻率時(shí)，需要對(duì)軸向拉壓試樣的尺寸進(jìn)行修正微調(diào)，并再次進(jìn)行有限元分析，直到計(jì)算出來(lái)的頻率符合超聲振動(dòng)頻率，使軸向拉壓試樣能夠發(fā)生諧振為止，這樣便得到實(shí)驗(yàn)所需的試樣尺寸，即該尺寸可作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

本發(fā)明所述的試樣尺寸設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1）測(cè)量出鐵基粉末冶金材料的密度ρ及彈性模量E_d；

2）對(duì)啞鈴狀的軸向拉壓試樣進(jìn)行解析計(jì)算，如下：

2.1）擬定R₁、R₂、L₁數(shù)據(jù)，R₁為試樣中部最細(xì)處的半徑，R₂為試樣兩端處圓柱的半徑，L₁為試樣中間彎曲部分長(zhǎng)度的一半；

2.2）計(jì)算共振長(zhǎng)度L₂，L₂為試樣兩端處圓柱的長(zhǎng)度，如下：

由于啞鈴狀的軸向拉壓試樣為軸對(duì)稱(chēng)形狀，其橫截面的一半在旋轉(zhuǎn)360°后可得到疲勞試樣的體，橫截面的一半的兩端為矩形，中段部分可看做懸鏈線(xiàn)；