[發明專利]一種微觀尺度下基于超聲振動的材料疲勞特性測試方法

有效

• 申請號: 201410852620.8
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104483218A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 姜峰;王寧昌;徐西鵬;言蘭
• 申請（專利權）人: 華僑大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭

技術領域

本發明涉及一種微觀尺度下基于超聲振動的材料疲勞特性測試方法。

背景技術

隨著產品性能和使用要求的不斷提高，材料的微觀疲勞特性越來越被工業界所關注，金屬加工刀具的微崩刃、高速齒輪的點蝕、刀具涂層的剝落等物理現象，究其機理都是材料在微觀尺度下疲勞的宏觀體現。但是現在對材料疲勞特性的測試方法還主要集中在宏觀尺度上，利用萬能力學試驗機等設備可以進行零件在拉、壓、扭轉等多種應力狀態下的疲勞特性分析，得到的疲勞強度和S-N曲線(交變應力-循環次數曲線)可以對零件的宏觀破壞分析及壽命預測有較好的指導意義。但是同一種材料在宏觀和微觀條件下往往表現出不同的疲勞特性，比如超細晶粒合金材料，其宏觀力學特性，如強度、硬度、疲勞極限強度等都得到明顯的提升，但是在微觀尺度，其抗局部破壞能力要明顯低于粗晶粒合金材料，又例如先進刀具涂層材料，其在微觀尺度上的抗點蝕、抗局部破壞能力的提升十分有限，因此宏觀疲勞特性的測試結果不能用于微觀疲勞特性的分析。目前還尚未有一種能在微觀尺度上對材料的疲勞特性進行測試的方法。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提供了一種微觀尺度下基于超聲振動的材料疲勞特性測試方法，可以對材料在微觀尺度下的疲勞特性進行量化分析，相關測試結果可以為刀具抗破損、高速齒輪抗點蝕、刀具涂層抗剝落等能力的評價及相應產品的設計提供依據。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種微觀尺度下基于超聲振動的材料疲勞特性測試方法，包括：

1)將試樣固接在一超聲振動發生系統上，將與試樣相互作用的壓頭連接在一測力系統上；

2)移動試樣與壓頭使兩者接觸；

3)調整所述超聲振動發生系統的參數以得到所需的振動頻率f和/或振動幅值A，產生超聲振動以使壓頭與試樣發生相互作用，引起微觀尺度的高頻交變載荷；

4)利用所述測力系統檢測試樣與壓頭間力的動態變化，從而計算出試樣局部受到的交變應力；

5)觀察壓頭與試樣相互作用后不同時間點下，相互作用區域的形貌和疲勞破壞情況，得到微觀尺度下材料的疲勞強度與S-N曲線。

一實施例中：包括：

1)將試樣固接在一超聲振動發生系統上，將與試樣相互作用的壓頭連接在一測力系統上；

2)移動試樣與壓頭使兩者剛好接觸，通過測力系統測得接觸力達到臨界值N_crit時，認為試樣與壓頭剛好接觸；

3)調整所述超聲振動發生系統的參數以得到所需的振動頻率f和振動幅值A，產生超聲振動以使壓頭對試樣產生局部沖擊，引起微觀尺度的高頻交變載荷；

4)利用所述測力系統檢測試樣與壓頭間的交變沖擊力，從而計算出試樣局部受到的交變壓應力；

5)觀察壓頭沖擊試樣后不同時間點下，沖擊區的形貌和疲勞破壞情況，得到微觀尺度下材料的沖擊疲勞強度與S-N曲線。

一實施例中：所述壓頭材質為金剛石或立方氮化硼，形狀為帶圓頭的圓錐，圓頭半徑R＝0.008～0.21mm，圓錐角θ＝55°～125°。

一實施例中：所述交變壓應力的計算方法為交變沖擊力除以接觸面積；所述接觸面積＝π(2RA-A²)。

一實施例中：包括：

1)將試樣固接在一超聲振動發生系統上，將與試樣相互作用的壓頭連接在一測力系統上；

2)移動試樣與壓頭使兩者接觸，在壓頭與試樣之間施加一定載荷；

3)調整所述超聲振動發生系統的參數以得到所需的振動頻率f，產生超聲振動以使壓頭與試樣間發生滑動剪切或滾動剪切，引起微觀尺度的高頻交變載荷；

4)利用所述測力系統檢測試樣與壓頭間的載荷F_n和摩擦力F_f，從而計算出試樣局部受到的交變剪應力和摩擦系數；

5)觀察壓頭與試樣相互作用后不同時間點下，相互作用區域的形貌和疲勞破壞情況，得到微觀尺度下材料的剪切疲勞強度與S-N曲線。

一實施例中：所述壓頭與試樣間發生滑動剪切時，該壓頭頂端為帶圓頭的圓錐，圓頭半徑R＝0.008～0.21mm，圓錐角θ＝55°～125°，材質為金剛石或立方氮化硼；所述壓頭與試樣間發生滾動剪切時，該壓頭頂端為滾珠，該滾珠直徑R＝0.3～9.525mm，材質為硬質合金或不銹鋼。