[發明專利]基于DIC的超聲疲勞試樣應變測量和校準方法

有效

• 申請號: 202110156550.2
• 申請日: 2021-02-04
• 公開（公告）號: CN112945770B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 彭文杰;劉淵媛;魏星;祝洪川;曾永龍
• 申請（專利權）人: 武漢鋼鐵有限公司
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01N3/02;G01N21/84
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 鐘鋒

本發明公開了一種基于DIC的超聲疲勞試樣應變測量和校準方法，屬于金屬材料超聲疲勞性能測試領域，獲取目標試樣在目標超聲頻率振動過程中的若干周期內的照片；利用DIC方法，根據拍攝照片得到目標試樣的應變數據，獲取應變數據的頻譜圖，從而得到目標試樣的諧振頻率和應變幅值；由胡克定律得到目標試樣的應力幅值，若應力幅值與預設應力幅值之間的差值不在預設范圍內，則按照應力幅值與預設應力幅值之間的比值將預設應力幅值校準成實際應力幅值，或者按照應力幅值與預設應力幅值之間的比值對預設應力幅值進行修約。本發明直接通過測試超聲疲勞試樣的應變來驗證試樣的應力幅值是否準確，并對應力幅值進行校核，更加科學、更準確。

技術領域

本發明屬于金屬材料超聲疲勞性能測試領域，更具體地，涉及一種超聲疲勞試驗過程中試樣的應變測試和校準方法。

背景技術

隨著現代工業的發展，一些應用在關鍵零部件上的高強度鋼，或受高頻載荷作用的結構用鋼，例如橋索鋼、高鐵重軌用鋼、航空航天葉片用鋼等，其實際使用壽命要求高達10⁸～10¹⁰周次。大量的試驗結果和工程案例已經證實許多工程用鋼及合金材料結構在10⁷次應力循環后仍會發生疲勞斷裂，傳統的以10⁷為極限的疲勞強度評價方法已不在適用。

超聲疲勞試驗是一種測試材料疲勞性能的新技術，超聲疲勞試驗的工作頻率可以達到2.0×10⁴Hz，測試一根壽命為10⁹的試樣，超聲疲勞試驗僅需一天左右即可完成。超聲疲勞試驗技術是研究高強金屬材料超高周疲勞性能最有效的手段。

超聲疲勞試驗過程中，換能器、位移放大器和試樣組成一個力學振動系統，試樣的一端固定在放大器末端，另一端自由。換能器將超聲發生器產生的高頻電信號轉化成機械振動，再由位移放大器進行放大，使試樣獲得所需的振動位移。而換能器電壓與輸出端的振動位移幅值為線性關系，在給定試樣端部位移幅值后，超聲疲勞試驗機通過改變換能器的電壓來調整位移幅值。

超聲疲勞試驗是以外加信號激勵試件發生諧振，在試件中生成諧振波，沿試件長度方向建立縱向位移、應力-應變場，從而實現加載，試驗系統受力情況如圖1所示。

常規疲勞由于頻率較低，試驗過程中光滑試樣應力的理論值直接按照準靜態拉伸來計算，即用外加載荷除以試樣的最小橫截面。而應變測量通常采用引申計或動態應變儀進行測量。與常規疲勞不同的是，超聲疲勞試驗由于頻率極高，并且試驗系統采用的是位移控制模式，其應力幅值理論值通過對位移幅函數求導得到，而位移幅函數則是根據試樣諧振時的縱向波動方程求解得到。因此，超聲疲勞試樣的應力幅值與試樣尺寸、彈性模量、密度、振動頻率、自由端部位移等參數相關，如圖2所示。

試驗過程中，試樣尺寸、材料彈性模量、密度、系統諧振頻率、自由端部振動位移這些參數的理論值都可能與實際值存在偏差，例如試樣的實際尺寸因為加工的原因，很難與實際設計尺寸完全一致。這些偏差都將導致試樣的實際應力幅值與設定值不同，從而導致超高周疲勞測試結果不準確。

因此，盡管超聲疲勞試驗系統為位移控制，僅對超聲疲勞試樣振動位移進行校準是不夠的。需要直接對超聲疲勞試樣的應力應變進行測量和校準來保證超聲疲勞試驗的準確性。

沙漏形試樣、狗骨形試樣和板狀試樣是三種最為常見的超聲疲勞試樣，如圖3中的超聲疲勞沙漏形試樣，圖4中的超聲疲勞狗骨形試樣，圖5中的超聲疲勞板狀試樣所示，其中沙漏形試樣用的最多，70％以上的超聲疲勞試驗都采用的沙漏形試樣。超聲疲勞試樣一般很小，無法通過引申計測量應變。部分狗骨形試樣和板狀試樣的應變可以通過高速應變儀采集得到，而沙漏形和缺口形等形狀試樣因為試樣形狀的限制無法粘貼應變片，因此無法采用高速應變儀測得其2.0×10⁴Hz下的動態應變。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提出了一種基于DIC的超聲疲勞試樣應變測量和校準方法，可以不受試樣形狀和尺寸限制，進行應變測量和校準。