含等截面段板狀試樣的金屬超聲疲勞試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬材料超聲疲勞性能測(cè)試領(lǐng)域，尤其是指一種含等截面段板狀試樣 的金屬超聲疲勞試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 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。統(tǒng)計(jì)顯示大約80%以上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞都是由于疲勞造 成的，因此材料的疲勞性能測(cè)試與研究意義重大。傳統(tǒng)的疲勞性能研究一般以IO 7作為極 限循環(huán)周次。而事實(shí)上，一些應(yīng)用在關(guān)鍵零部件上的高強(qiáng)度鋼，或受高頻載荷作用的結(jié)構(gòu) 用鋼，其實(shí)際使用壽命往往要達(dá)到IO 8~101°周次，越來(lái)越多的結(jié)果也已經(jīng)證實(shí)許多工程用 鋼在IO7次應(yīng)力循環(huán)后仍會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，且其斷裂一般起源于試樣內(nèi)部，起裂形式更為隱 蔽，因此研究材料的超高周疲勞性能顯得更加重要。
[0003] 超聲疲勞試驗(yàn)是一種測(cè)試材料疲勞性能的新技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的疲勞測(cè)試技術(shù)它 的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，它的工作頻率極高，可以極大的提高疲勞試驗(yàn)的效率。傳統(tǒng)的高頻疲勞試 驗(yàn)工作頻率在100~200Hz，而超聲疲勞試驗(yàn)的工作頻率可以達(dá)到2. OX IO4Hz,測(cè)試一根疲 勞壽命為L(zhǎng)OXlO9的試樣，傳統(tǒng)的高頻疲勞需要進(jìn)行100天左右不間斷的試驗(yàn)，而采用超 聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)僅需一天左右的時(shí)間即可完成。超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)是疲勞測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng) 革新，極大的提高了試驗(yàn)效率和研發(fā)效率，適用于金屬材料的超高周疲勞性能測(cè)試。
[0004] 超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)是使試樣受激諧振而發(fā)生共振現(xiàn)象。超聲信號(hào)由壓電陶瓷換能 器發(fā)出，高頻電源供給的電信號(hào)被轉(zhuǎn)換成相同頻率的機(jī)械振動(dòng)，然后經(jīng)振動(dòng)位移放大器放 大。試樣一端與位移放大器相相連，另外一端自由。在位移放大器的激勵(lì)下發(fā)生諧振，在試 樣中生成諧振波，沿試樣軸向形成拉一壓對(duì)稱循環(huán)載荷，建立縱向位移、應(yīng)力（應(yīng)變）場(chǎng)，因 此，在設(shè)計(jì)超聲疲勞試樣時(shí)，其幾何形狀必須在超聲頻率下滿足諧振條件。
[0005] 武鋼引入的超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)為日本島津公司生產(chǎn)的USF-2000超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)， 設(shè)備上的系統(tǒng)控制軟件只配有兩種試樣類型：圓弧形試樣和缺口形試樣，如附圖1和2所 示。試樣類型的欠缺極大的限制了超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用。其主要問(wèn)題如下：
[0006] 1.當(dāng)需要對(duì)板狀試樣進(jìn)行超聲疲勞時(shí)，例如需要對(duì)汽車板用鋼進(jìn)行超聲疲勞時(shí)， 現(xiàn)有的控制軟件中僅有的兩種試樣類型無(wú)法完成。
[0007] 2.對(duì)含明顯缺陷（如夾雜、縮孔）的材料，需要試樣有一段等應(yīng)力區(qū)域，這樣在 進(jìn)行超高周疲勞試驗(yàn)過(guò)程中可以在更大的區(qū)域?qū)ふ也牧先毕?，得到更為安全的疲勞試?yàn)結(jié) 果，同時(shí)，當(dāng)需要研究材料的表面處理對(duì)疲勞性能的影響時(shí)，也需要試樣有一段等應(yīng)力區(qū)域 便于表面處理?，F(xiàn)有的控制軟件中僅有的兩種試樣類型工作時(shí)不含等應(yīng)力區(qū)域，無(wú)法完成。
[0008] 3. -般超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)穩(wěn)定工作的位移幅值區(qū)間為10 μ m~50 μ m。對(duì)某些強(qiáng)度 水平較低的材料，若設(shè)計(jì)成圓弧形試樣來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，可能會(huì)出現(xiàn)位移幅值過(guò)小而導(dǎo)致試驗(yàn) 不穩(wěn)定，甚至無(wú)法起振的情況。
[0009] 4.試樣加工完成后，由于加工誤差導(dǎo)致試樣的實(shí)際尺寸和設(shè)計(jì)尺寸不可避免的存 在偏差，另外，由于超聲疲勞試樣對(duì)其表面光潔度要求很高，試樣加工完成后，通常需要采 用砂紙對(duì)其中間部位進(jìn)行打磨拋光，這也會(huì)導(dǎo)致試樣的尺寸與預(yù)先設(shè)計(jì)的尺寸產(chǎn)出偏差。 當(dāng)試樣的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸偏差達(dá)到一定程度后，試樣的實(shí)際振動(dòng)頻率和應(yīng)力幅值與設(shè) 計(jì)值相應(yīng)的也會(huì)產(chǎn)生偏差，從而影響試驗(yàn)結(jié)果的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決【背景技術(shù)】中所述的若干問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種含截面段板狀試樣的超 聲疲勞試驗(yàn)方法。發(fā)明的主要解決以下三個(gè)方面的問(wèn)題：
[0011] 1.提供了一種含等截面段板狀試樣超聲拉壓疲勞試驗(yàn)的試樣設(shè)計(jì)方法，使其能夠 有效地在超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)上發(fā)生諧振。
[0012] 2.給出了含等截面段板狀試樣的超聲疲勞試驗(yàn)控制方法。通過(guò)含等截面段板狀試 樣和圓弧形試樣之間的應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式，將含等截面段板狀試樣的應(yīng)力轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)控制軟件 上圓弧形試樣的應(yīng)力，利用已有的設(shè)備和軟件來(lái)完成含等截面段板狀試樣的超聲疲勞試驗(yàn) 控制。
[0013] 3.為了消除試樣尺寸的偏差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，得到更為精確的超聲疲勞試驗(yàn) 結(jié)果，本發(fā)明給出了含等截面段板狀試樣的實(shí)際尺寸和設(shè)計(jì)尺寸存在偏差時(shí)的應(yīng)力修正方 法。
[0014] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0015] -種含等截面段板狀試樣的金屬超聲疲勞試驗(yàn)方法，包括以下三部分內(nèi)容：
[0016] 第一部分、首先根據(jù)試驗(yàn)材料的密度和彈性模量，采用解析計(jì)算得到含等截面段 板狀軸向拉壓超聲疲勞試樣的尺寸設(shè)計(jì)公式；
[0017] 第二部分、推導(dǎo)含等截面段板狀試樣和圓弧形試樣之間的應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式，將含等 截面板狀超聲疲勞試樣的應(yīng)力轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)控制軟件上的圓弧形試樣對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，利用已有 的設(shè)備和軟件來(lái)完成含等截面板狀試樣的超聲疲勞試驗(yàn)控制；
[0018] 第三部分、推導(dǎo)當(dāng)含等截面段板狀試樣的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸存在偏差時(shí)的應(yīng)力 修正公式，保證試驗(yàn)控制更加精確。
[0019] 為了更詳細(xì)的說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，發(fā)明人作進(jìn)一步的詳述如下：
[0020] 首先，需要明確，本申請(qǐng)中提及的含等截面板狀試樣，是指試樣本身為板狀，且試 樣中含有一部分截面相同的部分；
[0021] 對(duì)于含等截面段板狀超聲疲勞試樣，本發(fā)明所述的試樣尺寸設(shè)計(jì)公式的計(jì)算包括 如下幾個(gè)具體步驟：
[0022] 步驟一、測(cè)量測(cè)試材料的密度P和彈性模量E ;
[0023] 步驟二、對(duì)含等截面段板狀軸向拉壓超聲疲勞試樣進(jìn)行解析計(jì)算，如下：
[0024] 2. 1擬定bp b2山，1^數(shù)據(jù)，b i為板等截面段的厚度，b 2為板兩端處的厚度，L i為板 等截面段長(zhǎng)度的一半，L2為板變截面段長(zhǎng)度；在以下的演算過(guò)程中，為便于計(jì)算，采用mm，g， ms的量綱，即尺寸單位為mm，質(zhì)量單位為g，時(shí)間單位為ms。其他參數(shù)通過(guò)計(jì)算統(tǒng)一成mm， g，ms 的單位；例如密度 P = 7850kg/m3= 7850X 10 3g/ (103mm3) = 7. 85X 10 3g/mm3；
[0025] 2. 2計(jì)算板兩端處的長(zhǎng)度L3;根據(jù)連續(xù)系統(tǒng)振動(dòng)理論，材料滿足理想彈性體條件， 假定坐標(biāo)原點(diǎn)為試樣軸向中心，取試樣軸向?yàn)閄軸。u(x，t)為坐標(biāo)X處的截面在t時(shí)刻的 縱向振動(dòng)位移，S(x)是坐標(biāo)X處試樣橫截面的面積，S'（X)為函數(shù)S(x)的一階導(dǎo)數(shù)；試樣 在諧振時(shí)的縱向波動(dòng)方程為：
[0027] 假設(shè)試樣滿足諧振條件，將U(x，t)分離變量成u(x，t) = U(X)e11^t，代入（1)式可 得
[0029] 式中，2為對(duì)函數(shù)U(X)求導(dǎo)，
為一階求導(dǎo)，
為二階求導(dǎo)，
P為試樣材料的密度，E為試樣材料的彈性模量，f為試樣振動(dòng)頻率；
[0030] 對(duì)于含等截面段板狀試樣，根據(jù)試樣的橫截面面積方程
[0032] 其中，Id1為板等截面段的厚度，b 2為板兩端處的厚度，w為板的寬度；
[0033] 根據(jù)試樣的橫截面面積方程并根據(jù)邊界條件
和連續(xù)性條件
求得試樣縱向的振動(dòng)方程U(X)為：
[0035]式中：
[0037] U_= U I x = ^，即為試樣自由端處的位移振幅。
[0038]
[0039] 求得板狀試樣兩端處的長(zhǎng)度L3為：
[0041] 在試樣解析計(jì)算時(shí)的含等截面段板狀試樣的變截面段曲線為懸鏈線，由于機(jī)械加 工難以完成，在實(shí)際加工時(shí)，用圓弧曲線代替懸鏈線；由變截面段長(zhǎng)度L 2，最小厚度Id1，兩端 處的厚度b2，求得變截面段過(guò)渡弧半徑
[0042] 以上所給出的等截面段板狀超聲疲勞試樣的設(shè)計(jì)公式，適用于應(yīng)力比為一 1的軸 向拉壓超聲疲勞試驗(yàn)，可以保證含等截面段板狀軸向拉壓試樣能夠有效的在超聲疲勞試驗(yàn) 機(jī)上發(fā)生諧振。
[0043] 以下將給出含等截面段板狀試樣的應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式，將含等截面段板狀超聲疲勞試 樣的應(yīng)力轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)控制軟件上的圓弧形試樣對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，以實(shí)現(xiàn)采用現(xiàn)有的設(shè)備和軟件 來(lái)完成含等截面段板狀試樣超聲疲勞試驗(yàn)控制這一目的。
[0044] 為實(shí)現(xiàn)等截面段板狀試樣的超聲疲勞試驗(yàn)控制，首先要了解超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)的 工作原理。超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)是通過(guò)控制試樣端部位移幅值，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制試樣應(yīng)力幅值。而 換能器電壓與輸出端的振動(dòng)位移幅為線性關(guān)系，在給定試樣端部位移幅值后，超聲疲勞試 驗(yàn)機(jī)通過(guò)改變換能器的電壓來(lái)調(diào)整位移幅值。因此，對(duì)給定