[發明專利]一種涂層-基體體系的超聲疲勞試驗方法

在審

• 申請號: 201810364985.4
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108760538A
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發明（設計）人: 程禮;魯凱舉;陳煊;李全通;劉景元;陳超;許煜;梁濤
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01N1/28
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

本發明公開了一種涂層?基體體系的超聲疲勞試驗方法，按照如下步驟：步驟一，首先根據基體材料的密度和彈性模量，采用解析計算得到三點彎曲超聲疲勞試件的尺寸設計公式；步驟二，測量基體和涂層材料的彈性模量，解析計算基體與涂層處受力情況。本發明可以快速準確評估不同材料的基體?涂層體系的疲勞性能，試驗頻率達到20KHz，提高了疲勞試驗的效率和可行性。

技術領域

本發明涉及涂層-基體體系的超高周疲勞性能測試領域，尤其是指一種涂層-基體體系的超聲疲勞試驗方法。

背景技術

疲勞是指在交變載荷(應力或應變)的作用下，由于某點或者某些點產生了局部的永久性的結構變化，在一定循環次數以后，形成裂紋或發生斷裂的過程。按照循環周次的高低可以把疲勞分為三大類型，即低周疲勞、高周疲勞和超高周疲勞。其中，超高周疲勞是指循環周次達到10⁷及其以上時，材料的疲勞行為。

當今社會，涂層技術的應用越來越廣泛。它利用特殊的工藝方法在基體材料表面形成具有特殊化學、力學、電學、熱學、光學等性質的保護涂層，能實現多種表而功能需要，在實際工程應用中起到耐蝕耐熱、減摩耐磨、絕緣防護、信息傳遞及裝飾等作用，從而達到降低生產成本、提高產品質量、節約資源能源、延長使用壽命的目的?；诒矶繉蛹夹g的優越性，其在半導體、儀表通信、機械電子、醫藥民生等多個領域得到廣泛應用，如抗沖蝕涂層、陶瓷涂層、防腐蝕涂層、熱障涂層及隱身涂層等。涂層在使用過程中，能夠達到特定的強化基體的功效，如提高抗沖蝕、防腐蝕性能，或增強高溫、隱身性能，同樣也面臨著疲勞破壞問題。因此，在關心解決涂層的特定功能同時，涂層技術可能對基體材料力學性能、疲勞性能的影響，也是涂層能否得到實際應用的主要因素之一。

傳統的材料疲勞性能評估方法，試驗頻率低，耗時長，時間代價高昂，而采用超聲疲勞試驗方法考核其疲勞性能，能夠起到快速、省時、高效、準確的效果。

發明內容

本發明的目的在于克服傳統疲勞試驗技術的不足，提供一種快速、省時、高效、準確的涂層的超聲疲勞試驗方法，使涂層-基體試件能夠有效地在超聲疲勞試驗機上發生諧振，快速的評估涂層-基體試件的彎曲疲勞性能。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：涂層-基體體系的超聲彎曲疲勞試驗的試件設計方法。首先，根據基體材料的密度和彈性模量，采用解析計算方法得到超聲彎曲試件的理論尺寸；其次，根據測量基體、涂層材料的彈性模量，解析計算得到基體與涂層處受力情況。

本發明所述的尺寸設計方法，包括以下步驟：

1)分別測量基體、涂層材料的密度ρ及彈性模量E；

2)對超聲彎曲試件的尺寸進行解析計算，如下：

2.1)給定試件的b、h，b為試件的寬度，h為試件的厚度；

2.2)對超聲彎曲試件的尺寸進行解析計算，根據橫向振動彎曲理論對基體材料的彎曲超聲疲勞試件尺寸進行解析計算，得到基體試件的諧振長度2L和跨距2L₀分別為：

3)計算基體與涂層處的受力情況：

3.1)解析計算基體處的受力情況，如下：

根據撓曲線微分方程(2-5)，得到基體試件橫向彎曲振動中所受的彎矩為：

在x＝0的橫截面處，試件彎矩最大，即令上式中的x＝0：

由得到試件最大彎矩處(即y＝h/2)對應的最大超聲彎曲應力幅值為：