CN101614635A - 多物理场疲劳性能测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多物理场疲劳性能测试系统及测试方法，具体为力电、力热电耦合条件下，基于材料损伤、破坏实时监测的疲劳性能测试系统、疲劳性能评价及寿命预测方法，属于材料性能评价领域。由于实验设备和测试平台的限制，现有的实验装置和测试技术难以评价压电陶瓷小样品在力电、力热电耦合条件下的疲劳性能，从而限制了压电陶瓷材料及器件的应用发展。针对目前存在的问题，本发明完成了疲劳性能测试系统中力场、热场、电场、声发射部分及适用于MSP方法的模具的合理选择和优化组合设计，提出了小样品疲劳性能评价及寿命预测方法，在此基础上，可以实现力电、力热电耦合场中基于材料损伤、破坏实时监测的压电陶瓷等样品的疲劳性能评价及寿命预测。

Description

多物理场疲劳性能测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及多物理场疲劳性能测试系统及测试方法，属于材料性能评价领域。

背景技术

疲劳性能的研究对于长期或往复荷载下的陶瓷材料非常重要。传统的疲劳性能测试方法通常采用预制裂纹的单向拉伸和弯曲试验法研究陶瓷材料的疲劳行为，然而，随着功能陶瓷材料及其元器件的片式化和微型化发展趋势，陶瓷材料多是薄板或片状，如陶瓷涂层、基板等，无法得到标准尺寸的测试样品，此外，单向拉伸和弯曲试验法用于循环疲劳测试时，样品固定比较困难。因此，传统的疲劳性能测试方法难以评价小样品的疲劳性能。

球压法作为小样品测试技术中的一种，目前是评价小样品材料循环疲劳性能的常用方法，不存在样品固定困难的问题，但在测试过程中，样品和模具接触区域会产生较大的应力集中，导致评价结果偏于保守。小冲压(Small Punch，简称SP)测试方法和改良型小冲压(Modified Small Punch，简称MSP)测试方法是小样品测试技术中具有代表性的试验方法，SP方法适合于评价金属等韧性材料的力学性能，通过对模具的改造，MSP方法可以评价多种材料，尤其适合于评价陶瓷等脆性材料的力学性能。美国Exponent公司和Drexel大学采用基于SP方法的可循环加载的材料力学性能试验机完成了超高分子量聚乙烯在力场中的疲劳性能测试。

在实际应用中，压电陶瓷往往要求在大应变和循环交变电场下工作，所以极易出现力电耦合的疲劳现象，影响其正常工作，这成为压电陶瓷材料及器件应用的主要障碍。目前，虽然有一些关于力电耦合条件下压电陶瓷疲劳性能的研究，但是由于实验设备和评价平台的限制，一般难以模拟压电陶瓷小样品在力电耦合条件下的疲劳性能。日本东北大学采用材料力学性能试验机与直流电源，基于MSP方法完成了力电耦合条件下压电陶瓷小样品断裂性能的测试，但由于试验设备的限制(采用静态材料试验机，无法实现循环加载，采用直流电源，无法提供循环交变电场)，难以模拟压电陶瓷的真实承载环境，以致力电、力热电耦合场中压电陶瓷小样品疲劳性能的有效测试难以实现。

此外，陶瓷材料是高脆性材料，其断裂强度有很大的分散性和模糊性，一般采用强度衰减率来表征陶瓷的疲劳。基于SP或MSP方法可以给出材料的强度随疲劳循环次数(时间)的衰减变化，但陶瓷材料的疲劳过程本质上是微裂纹成核长大的非平衡统计过程，包括微裂纹产生、形核、扩展乃至材料的最终破坏，而SP或MSP方法无法表征疲劳过程中材料的微观损伤状态及其演化。声发射技术作为一种动态的无损检测技术，用于材料损伤、破坏过程的实时监测，通过对测试过程中小样品声发射信号的提取和特征参量的分析，可以推断出材料内部的微裂纹活动位置、状态变化程度和趋势等。韩国首尔国立大学基于SP方法研究了SA 508系列钢材的断裂韧性，并借助于声发射技术确定材料破坏过程中微裂纹的起始位置，但基于MSP方法的陶瓷材料疲劳性能研究中关于声发射技术应用的报道还未见。

因此，为了适应压电陶瓷材料及器件多场耦合的应用环境及片式化、微型化的发展趋势，迫切需要一种能够实现压电陶瓷小样品在力电、力热电耦合条件下的疲劳性能评价、寿命预测，以及材料损伤、破坏过程实时监测的有效的测试系统和测试方法。

发明内容

为了克服现有设备和技术中不能有效评价力电、力热电耦合场中压电陶瓷小样品疲劳性能的困难。

本发明的第一目的提出一种多物理场疲劳性能测试系统：

多物理场疲劳性能测试系统包括力场部分(1)、电场部分(2)和模具(4)三部分，进一步可以包括声发射部分(3)和/或热场部分(5)。

力场部分(1)包括材料力学性能试验机(11)、载荷传感器(12)、位移传感器(13)和计算机(14)。

载荷传感器(12)固定于材料力学性能试验机(11)内部上端，位移传感器(13)固定于材料力学性能试验机(11)内部下端，含样品(6)的模具(4)固定于载荷传感器(12)和位移传感器(13)之间，材料力学性能试验机(11)与计算机(14)连接，为样品(6)提供力场及疲劳性能测试条件。

电场部分(2)包括交直流一体化高压电源(21)。

交直流一体化高压电源(21)的两极分别与样品(6)的上、下表面连接，为样品(6)提供电场。

本发明的测试系统进一步包括的声发射部分(3)包括声发射传感器(31)、前置放大器(32)、声发射采集卡(33)、声发射主机(34)，进一步包括波导杆(35)。

声发射传感器(31)的一端连接在模具(4)的外表面，另一端与前置放大器(32)连接，前置放大器(32)连接于声发射主机(34)内的声发射采集卡(33)上，提供室温下的声发射测试条件。

本发明的测试系统进一步包括的热场部分(5)包括高温炉(51)。

高温测试时，含样品(6)的模具(4)置于高温炉(51)的腔体中，为样品(6)提供热场。

本发明的测试系统进一步包括声发射部分(3)和热场部分(5)时，波导杆(35)的一端连接在模具(4)的外表面，另一端与声发射传感器(31)连接，含样品(6)的模具(4)和部分波导杆(35)置于高温炉(51)的腔体中，为样品(6)提供热场及高温下的声发射测试条件。

含样品(6)的模具(4)与力场部分(1)和电场部分(2)组合，可以实现力电耦合条件下，样品(6)的疲劳性能评价及寿命预测；进一步与声发射部分(3)组合，可以实现力电耦合条件下，基于材料损伤、破坏实时监测的样品(6)疲劳性能评价及寿命预测；进一步与热场部分(5)组合，可以实现力热电耦合条件下，样品(6)的疲劳性能评价及寿命预测；进一步与声发射部分(3)、热场部分(5)组合，可以实现力热电耦合条件下，基于材料损伤、破坏实时监测的样品(6)疲劳性能评价及寿命预测。

本发明的第二目的提出一种多物理场疲劳性能测试方法，包括下述步骤：

步骤1：样品(6)内置于模具(4)中，并使样品(6)中心位于模具(4)中轴上，样品(6)的上、下表面分别与高压电源(21)的两极连接，声发射传感器(31)连接在模具(4)的外表面；

步骤2：设定材料力学性能试验机(11)提供负载的振幅、频率和波形，高压电源(21)提供的电流形式和电压大小；

步骤3：启动材料力学性能试验机(11)和高压电源(21)，样品(6)上同时施加力、电载荷，声发射部分(3)记录下力电耦合循环加载过程中，声发射信号的特征参量，当力载荷循环一定次数时，停止循环加载；

步骤4：由材料力学性能试验机(11)对样品(6)加静载荷，直至其破坏，优选的加载速率0.005mm/min-0.01mm/min，载荷传感器(12)和位移传感器(13)记录下测试过程中样品(6)的负载与其下表面中心的位移之间的关系，基于MSP方法得到样品(6)的MSP破坏强度；

步骤5：依次重复步骤1、3和4，共5-6次，进一步验证同一循环次数下样品(6)的微观损伤信息，同时给出样品(6)的MSP破坏强度的均值；

步骤6：依次重复上述步骤1、3、4和5，进一步给出随力载荷循环次数增加时，样品(6)的MSP破坏强度的均值及微观损伤信息，对未进行循环加载的样品(6)进行MSP破坏强度测试，并给出其均值；

步骤7：由样品(6)的MSP破坏强度随循环次数的衰减变化，得到样品(6)的疲劳特性，对样品(6)的MSP破坏强度和循环次数进行曲线拟合，并根据MSP破坏强度减小25％时对应的循环次数(时间)，预测其寿命。

力热电耦合场疲劳性能测试方法，包括下述步骤：

在力电耦合场疲劳性能测试方法步骤1中，将波导杆(35)的一端连接在模具(4)的外表面，另一端与声发射传感器(31)连接，进一步将含样品(6)的模具、部分波导杆(35)置于高温炉(51)的腔体中；在步骤2中，进一步设定高温炉(51)的温度；在步骤3中，进一步启动高温炉(51)，实现力热电耦合的循环加载；力热电耦合条件下的其它步骤同上述测试步骤4-7。

MSP(modified small punch，改良型小冲压)方法：

由样品(6)负载-位移曲线中的最大负载，计算其MSP破坏强度，MSP破坏强度公式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{3P_{\max }}{2\mathrm{\π}{t}^2}[1-\frac{1-v^2}{4}\·\frac{b^2}{a^2}+(1+v)\ln \frac{a}{b}]$

其中a为模具(4)中下承载模内孔半径，b为模具(4)中压杆半径，t为样品(6)厚度，P_max为样品(6)最大负载，v为样品(6)材料的泊松比。

[1]H.L.Zhang，J.-F.Li，B.-P.Zhang，W.Jiang.Enhanced mechanical properties inAg-particle-dispersed PZT piezoelectric composites for actuator applications.Materials Science and Engineering A.2008，498：272-277

疲劳性能评价及寿命预测方法：

由样品(6)的MSP破坏强度随循环次数的衰减变化，可以获得样品(6)的疲劳特性，进一步根据样品(6)MSP破坏强度和循环次数的拟合曲线，由MSP破坏强度减小25％时对应的循环次数(时间)，定义样品(6)的寿命。

[2]T.Hirose，H.Sakasegawa，A.Kohyama，Y.Katoh，H.Tanigawa.Effect ofspecimen size on fatigue properties of reduced activation ferritic/martensitic steels.Journal of Nuclear Materials.2000，283-287：1018-1022

本发明的主要优点如下：

本发明可以分别在力电、力热电耦合条件下实现样品的疲劳性能测试和寿命预测；本发明可以在力电、力热电耦合条件下，样品疲劳性能测试过程中，实现材料损伤、破坏过程的实时监测；通过对材料力学性能试验机、交直流一体化高压电源和高温炉等装置测试参数的合理选择和优化，本发明可以实现接近真实承载条件下材料的疲劳性能评价和寿命预测；对于无法得到标准尺寸的样品，本发明提供了一种有效的、接近无损的小样品疲劳性能测试系统和测试方法；基于高精度的载荷传感器、位移传感器及高分辨的声发射测试系统，本发明具有高的测试精度。

附图说明

图1力电耦合条件下，疲劳性能测试系统结构图；

图2力电耦合条件下，基于材料损伤、破坏实时监测的疲劳性能测试系统结构图；

图3力热电耦合条件下，疲劳性能测试系统结构图；

图4力热电耦合条件下，基于材料损伤、破坏实时监测的疲劳性能测试系统结构图；

图5力电耦合条件下，疲劳性能测试系统示意图；

图6力电耦合条件下，基于材料损伤、破坏实时监测的疲劳性能测试系统示意图；

图7力热电耦合条件下，疲劳性能测试系统示意图；

图8力热电耦合条件下，基于材料损伤、破坏实时监测的疲劳性能测试系统示意图。

具体实施方式

实施例1：

在力电耦合条件下，基于材料损伤、破坏实时监测的锆钛酸铅(PZT)样品疲劳性能评价及寿命预测的实施方法

步骤1：参照附图1，PZT样品(6)内置于模具(4)中，并使样品(6)中心位于模具(4)中轴上，样品(6)的上、下表面分别与高压电源(21)的高、低压端连接，参照附图2，声发射传感器(31)连接在模具(4)的外表面；

步骤2：设置材料力学性能试验机(11)提供负载的振幅(2N)、频率(5Hz)和波形(半正弦波)，高压电源(21)提供的电流形式(交流)及测试电压(1kV)；

步骤3：启动材料力学性能试验机(11)和高压电源(21)，将竖直方向的力电循环载荷施加于PZT样品(6)上，由声发射部分(3)给出力电耦合循环加载过程中声发射信号的特征参量，当力载荷循环次数为10²时，停止加载；

步骤4：材料力学性能试验机(11)以速率0.005mm/min对样品(6)施加静载荷，直至其破坏，由记录的样品负载-位移曲线，基于MSP方法得到样品(6)的MSP破坏强度；

步骤5：重复步骤1、3和4，共6次，验证上述循环次数时，PZT样品(6)的微观损伤信息，同时，给出样品(6)的MSP破坏强度的均值；

步骤6：重复上述步骤1、3、4和5，进一步获得循环次数为10³、10⁴和10⁵时，PZT样品(6)的微观损伤信息及MSP破坏强度的均值，对未进行循环加载的PZT样品(6)进行强度测试，给出其MSP破坏强度的均值；

步骤7：由PZT样品(6)的MSP破坏强度均值随循环次数的衰减，可以获得PZT样品(6)的疲劳特性，进一步对PZT样品(6)的MSP破坏强度均值、循环次数进行曲线拟合，由MSP破坏强度减小25％时对应的循环次数(时间)，预测样品(6)的寿命。

实施例2：

在力热电耦合条件下，基于材料损伤、破坏实时监测的锆钛酸铅(PZT)样品疲劳性能评价及寿命预测的实施方法

参照具体实施例1，在步骤1中，参照附图4，将波导杆(35)一端连接在模具(4)的外表面，另一端与声发射传感器(31)连接，参照附图3、4，进一步将模具(4)、部分波导杆(35)置于高温炉(51)的腔体中；在步骤2中，进一步设定高温炉(51)的测试温度(120℃)，及高压电源(21)的测试电压(0.8kV)；在步骤3中，进一步启动高温炉(51)，进行力热电耦合的循环加载；力热电耦合的其它步骤同具体实施例1的步骤4-7。

Claims (8)

1、多物理场疲劳性能测试系统，包括力场部分(1)、电场部分(2)和模具(4)，其特征在于，

力场部分(1)包括材料力学性能试验机(11)、载荷传感器(12)、位移传感器(13)和计算机(14)；载荷传感器(12)固定于材料力学性能试验机(11)内部上端，位移传感器(13)固定于材料力学性能试验机(11)内部下端，含样品(6)的模具(4)固定于载荷传感器(12)和位移传感器(13)之间，材料力学性能试验机(11)与计算机(14)连接；

电场部分(2)包括交直流一体化高压电源(21)；交直流一体化高压电源(21)的两极分别与样品(6)的上、下表面连接。

2、按权利要求1所述的多物理场疲劳性能测试系统，其特征在于，进一步包括声发射部分(3)和/或热场部分(5)。

3、按权利要求2所述的多物理场疲劳性能测试系统，其特征在于，声发射部分包括声发射传感器(31)、前置放大器(32)、声发射采集卡(33)、声发射主机(34)；

声发射传感器(31)的一端连接在模具(4)的外表面，另一端与前置放大器(32)连接，前置放大器(32)连接于声发射主机(34)内的声发射采集卡(33)上。

4、按权利要求2所述的多物理场疲劳性能测试系统，其特征在于，热场部分(5)包括高温炉(51)。

5、按权利要求3所述的多物理场疲劳性能测试系统，其特征在于，声发射部分进一步包括波导杆(35)。

6、按权利要求5所述的多物理场疲劳性能测试系统，其特征在于，波导杆(35)的一端连接在模具(4)的外表面，另一端与声发射传感器(31)连接，

7、多物理场疲劳性能测试方法，包括下述步骤：

A、样品(6)内置于模具(4)中，并使样品(6)中心位于模具(4)中轴上，样品(6)的上、下表面分别与高压电源(21)的两极连接，声发射传感器(31)连接在模具(4)的外表面；

B、设定材料力学性能试验机(11)提供负载的振幅、频率和波形，高压电源(21)提供的电流形式和电压大小；

C、启动材料力学性能试验机(11)和高压电源(21)，样品(6)上同时施加力、电载荷，声发射部分(3)记录下力电耦合循环加载过程中，声发射信号的特征参量，当力载荷循环一定次数时，停止循环加载；

D、由材料力学性能试验机(11)对样品(6)加静载荷，直至其破坏，载荷传感器(12)和位移传感器(13)记录下测试过程中样品(6)的负载与其下表面中心的位移之间的关系，基于MSP方法得到样品(6)的MSP破坏强度；

E、依次重复步骤1、3和4，共5-6次，进一步验证同一循环次数下样品(6)的微观损伤信息，同时给出样品(6)的MSP破坏强度的均值；

F、依次重复上述步骤1、3、4和5，进一步给出随力载荷循环次数增加时，样品(6)的MSP破坏强度的均值及微观损伤信息，对未进行循环加载的样品(6)进行MSP破坏强度测试，并给出其均值；

G、由样品(6)的MSP破坏强度随循环次数的衰减变化，得到样品(6)的疲劳特性，对样品(6)的MSP破坏强度和循环次数进行曲线拟合，并根据MSP破坏强度减小25％时对应的循环次数(时间)，预测其寿命。

8、按权利要求6所述的多物理场疲劳性能测试方法，所述的加静载荷加载速率为0.005mm/min-0.01mm/min。

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