CN103776693A - 用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置 - Google Patents
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Abstract
用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置，包括支撑架、上连接头、下连接头和超声振动系统，超声振动系统设在支撑架上，上连接头设在支撑架的上端，下连接头位于支撑架的正下方，超声振动系统的下端与下连接头之间夹持有棒状的试样，试样竖直设置，试样中间位置的上侧和下侧分别设有一个应变测量板。本发明具有直观性强、结构合理、操作灵活简单、效果好和便于拆卸的优点，本发明能够实现多振幅超声振动的试验，在试验过程中为了方便测量硬脆材料在超声作用下的变形量，在试样中心的上下两侧分别安装有应变测量板，通过应变测量板可以测出超声振动下试样的微观变形量，为硬脆材料的机械加工奠定一定的理论依据。
Description
技术领域
本发明属于硬脆材料试验技术领域，尤其涉及一种用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置。
背景技术
陶瓷材料在很多领域中有着广泛的应用。但它最致命的弱点是高脆性和低可靠性，从而在很多场合中限制了它的应用。如何改善陶瓷材料的这个弱点，一直是陶瓷材料研究者所关心的问题。在20世纪80年代，复相陶瓷曾经为陶瓷发动机的研制立过汗马功劳。纳米陶瓷的研究随之兴起，到20世纪90年代初，就已形成了纳米陶瓷、复相陶瓷和陶瓷材料的设计与制备的研究趋势。陶瓷材料在高温处理时必然出现的晶粒重结晶给单相纳米陶瓷材料的制备带来障碍，纳米复相陶瓷的构想应运而生。用纳米级的第二相存在于微米级或亚微米级的基体的晶内或晶界中，就可以同时起到对材料的强化与增韧的效果，它又是材料设计的一个很好的对象。因此，纳米复相陶瓷也就成为最具实用意义的纳米陶瓷。
利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平（1～100nm），使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为代替工程陶瓷的应用开拓了新领域。
陶瓷材料向多功能方向发展成为当今陶瓷材料研究的一个新的动向。纳米复相陶瓷在组成上向多相复合方向发展，在性能上向多功能方向耦合，结构与功能一体化是这一研究动向最集中的体现。
纳米复相陶瓷具有高强、高韧、低密度、高硬和耐高温、抗蠕变、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等优异的性能，已逐步成为尖端技术不可缺少的关键材料，在一般机械工业领域(如刀具、密封件、模具、轴承)、化工、冶金等领域有着广阔的应用前景，它同时在航空航天等国防尖端技术领域也有着很广泛的应用。但是，陶瓷材料也存在着某些缺陷，由于其内在结构原因，主要表现为它的脆性大(易产生裂纹)、均匀性差、韧性低、强度不高、可靠性低、可加工性差等，因而使其应用受到了限制。因此，如何将纳米复相陶瓷的块材加工成具有一定形状和尺寸精度的零件，是纳米复相陶瓷能否真正地进入实用化并为国民经济和国防各个领域所充分利用的关键。
为了改善纳米陶瓷的加工性能，在硬脆材料的高效加工、延性加工、镜面加工、纳米技术等研究领域，将功率超声与不同的特种加工、超精密加工相结合，高效获得微纳米加工表面，是应用性研究的一个新方向，而超声振动对材料内禀特性的影响至今没有得到探究。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在超声频率和超声振幅对陶瓷材料断裂韧性的影响、超声作用对陶瓷材料微观结构、晶格、材料的疲劳断裂强度和寿命产生的影响等问题，提供一种用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置，该装置可以方便测试并研究超声刀具对陶瓷材料的作用机理，提高加工效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置，包括支撑架、上连接头、下连接头和超声振动系统，超声振动系统设在支撑架上，上连接头设在支撑架的上端，下连接头位于支撑架的正下方，超声振动系统的下端与下连接头之间夹持有棒状的试样，试样竖直设置，试样中间位置的上侧和下侧分别设有一个应变测量板。
所述支撑架包括水平设置的顶板和底板，顶板的下表面和底板的上表面之间设有至少两根竖直的支撑杆。
所述超声振动系统包括自上而下顺次连接的换能器、变幅杆、扭转转换接头和紧固套筒，变幅杆的上下端分别通过双头螺柱与换能器和扭转转换接头连接，换能器侧部设有接线柱，扭转转换接头外周螺纹连接有紧固套筒，紧固套筒的下端设有法兰盘，法兰盘中心设有通孔，法兰盘沿上设有位于通孔周围的安装孔，法兰盘通过穿设在安装孔内的紧固螺钉与底板连接，试样由上头部、杆部和下头部构成，试样的杆部穿设在安装孔内，试样的上头部设在紧固套筒内并与扭转转换接头顶压配合，试样的下头部夹持在下连接头内。
所述下连接头包括弹簧夹头、紧固螺母和下连接柱，试样插设在弹簧夹头内，弹簧夹头插设在下连接柱内，紧固螺母与下连接柱螺纹连接，下连接柱的径向设有下连接孔。
所述上连接头包括上连接柱和球头连接轴，球头连接轴由下向上穿过顶板与上连接柱螺纹连接，上连接柱的径向设有上连接孔。
所述应变测量板为激光辐射板，试样为陶瓷制品。
采用上述技术方案，本发明通过上连接头上的上连接孔、下连接头上的下连接孔设置在压力试验机上，球头连接轴可保证上连接头、超声振动系统和下连接头处于同一竖直轴线上。压力试验机通过上连接头、下连接头和支撑架给试样施加拉力。本发明在试验过程中可通过改变纵向变幅杆的形状来改变扭转振幅的大小。
由于陶瓷试样比较脆，不能采用常规的连接方式，为了减少超声波传播过程中能量的损失，采用两半结构的弹簧夹头将试样夹持住，并在弹簧夹头外面设置紧固螺母，使试样和超声振动系统成为一体。超声波电源通过换能器上圆柱型的接线柱给超声振动系统供给纵振能量，换能器和变幅杆通过双头螺柱连接，变幅杆尾端通过双头螺柱和扭转转换接头连接，通过转换接头上的斜槽实现超声纵扭，为了减少加工成本，纵振变幅杆输出端和扭转转换接头连接，通过修正后实现多振幅拉扭超声振动，为能实现多振幅，只要更换不同形状的变幅杆即可。陶瓷试样通过紧固套筒和变幅杆、扭转转换接头连接在一起。
上连接孔和下连接孔均为销轴孔，通过销轴和拉伸试验机的上、下支撑架连接，下连接头内孔为光孔，弹簧夹头为两半结构，陶瓷试件的下端安装在弹簧夹头内，依靠弹簧夹头内的台阶部分和紧固螺母把试样和下连接柱固定在一起，试样中心的上下两侧固定有激光位移传感器（即应变测量板），用以测量陶瓷试样在拉扭过程中陶瓷试样的应变大小，通过改变振动系统中变幅杆的形状，可以得到不同振幅的超声拉扭试验系统，从而可以得到同一频率下不同振幅对陶瓷试件断裂性能的影响。
本发明在试验时，超声波电源通过接线柱为换能器供电，换能器产生超声振动通过变幅杆和扭转转换接头传递给试件，同时拉伸试验机通过上连接头、下连接头和支撑架对试样施加拉力，直到试样的中点位置处被拉断，两块应变测量板在试验过程中测出超声振动下试样的微观变形量。
本发明具有直观性强、结构合理、操作灵活简单、效果好和便于拆卸的优点，本发明能够实现多振幅超声振动的试验，在试验过程中为了方便测量硬脆材料在超声作用下的变形量，在试样中心的上下两侧分别安装有应变测量板，通过应变测量板可以测出超声振动下试样的微观变形量，为硬脆材料的机械加工奠定一定的理论依据。
附图说明
图1是本发明的的结构示意图；
图2是图1中超声振动系统与试样之间连接的结构示意图；
图3是图1中下连接头的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明的用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置，包括支撑架、上连接头、下连接头和超声振动系统1，超声振动系统1设在支撑架上，上连接头设在支撑架的上端，下连接头位于支撑架的正下方，超声振动系统1的下端与下连接头之间夹持有棒状的试样2，试样2竖直设置，试样2中间位置的上侧和下侧分别设有一个应变测量板3。
支撑架包括水平设置的顶板4和底板5，顶板4的下表面和底板5的上表面之间设有至少两根竖直的支撑杆6。
超声振动系统1包括自上而下顺次连接的换能器7、变幅杆8、扭转转换接头9和紧固套筒10，变幅杆8的上下端分别通过双头螺柱与换能器7和扭转转换接头9连接，换能器7侧部设有接线柱11，扭转转换接头9外周螺纹连接有紧固套筒10，紧固套筒10的下端设有法兰盘12，法兰盘12中心设有通孔13，法兰盘12沿上设有位于通孔13周围的安装孔14，法兰盘12通过穿设在安装孔14内的紧固螺钉与底板5连接，试样2由上头部15、杆部16和下头部17构成，试样2的杆部16穿设在安装孔14内，试样2的上头部15设在紧固套筒10内并与扭转转换接头9顶压配合，试样2的下头部17夹持在下连接头内。
下连接头包括弹簧夹头18、紧固螺母19和下连接柱20，试样2插设在弹簧夹头18内，弹簧夹头18插设在下连接柱20内，紧固螺母19与下连接柱20螺纹连接，下连接柱20的径向设有下连接孔21。
上连接头包括上连接柱22和球头连接轴23，球头连接轴23由下向上穿过顶板4与上连接柱22螺纹连接，上连接柱22的径向设有上连接孔24。
应变测量板3为激光辐射板，试样2为陶瓷制品。
本发明中的换能器7、变幅杆8、扭转转换接头9均为现有成熟技术，具体构造不再赘述。
本发明通过上连接头上的上连接孔24、下连接头上的下连接孔21设置在压力试验机上，球头连接轴23可保证上连接头、超声振动系统1和下连接头处于同一竖直轴线上。压力试验机通过上连接头、下连接头和支撑架给试样2施加拉力。本发明在试验过程中可通过改变纵向变幅杆8的形状来改变扭转振幅的大小。
上连接孔24和下连接孔21均为销轴孔，通过销轴和拉伸试验机的上、下支撑架连接，下连接头内孔为光孔，弹簧夹头18为两半结构，陶瓷试件的下端安装在弹簧夹头18内，依靠弹簧夹头18内的台阶部分和紧固螺母19把试样2和下连接柱20固定在一起，试样2中心的上下两侧固定有激光位移传感器（即应变测量板3），用以测量陶瓷试样2在拉扭过程中陶瓷试样2的应变大小，通过改变振动系统中变幅杆8的形状，可以得到不同振幅的超声拉扭试验系统，从而可以得到同一频率下不同振幅对陶瓷试件断裂性能的影响。
由于陶瓷试样2比较脆，不能采用常规的连接方式，为了减少超声波传播过程中能量的损失，采用两半结构的弹簧夹头18将试样2夹持住，并在弹簧夹头18外面设置紧固螺母19，使试样2和超声振动系统1成为一体。超声波电源通过换能器7上圆柱型的接线柱11给超声振动系统1供给纵振能量，换能器7和变幅杆8通过双头螺柱连接，变幅杆8尾端通过双头螺柱和扭转转换接头9连接，通过转换接头上的斜槽实现超声纵扭，为了减少加工成本，纵振变幅杆8输出端和扭转转换接头9连接，通过修正后实现多振幅拉扭超声振动，为能实现多振幅，只要更换不同形状的变幅杆8即可。陶瓷试样2通过紧固套筒10和变幅杆8、扭转转换接头9连接在一起。
本发明在试验时，超声波电源通过接线柱11为换能器7供电，换能器7产生超声振动通过变幅杆8和扭转转换接头9传递给试件，同时拉伸试验机通过上连接头、下连接头和支撑架对试样2施加拉力，直到试样2的中点位置处被拉断，两块应变测量板3在试验过程中测出超声振动下试样2的微观变形量。
上述实施方案为本发明的较佳实施方式，本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，但本发明的实施方式并不受上述实施方案的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置，其特征在于：包括支撑架、上连接头、下连接头和超声振动系统，超声振动系统设在支撑架上，上连接头设在支撑架的上端，下连接头位于支撑架的正下方，超声振动系统的下端与下连接头之间夹持有棒状的试样，试样竖直设置，试样中间位置的上侧和下侧分别设有一个应变测量板。
2.根据权利要求1所述的用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置，其特征在于：所述支撑架包括水平设置的顶板和底板，顶板的下表面和底板的上表面之间设有至少两根竖直的支撑杆。
3.根据权利要求2所述的用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置，其特征在于：所述超声振动系统包括自上而下顺次连接的换能器、变幅杆、扭转转换接头和紧固套筒，变幅杆的上下端分别通过双头螺柱与换能器和扭转转换接头连接，换能器侧部设有接线柱，扭转转换接头外周螺纹连接有紧固套筒，紧固套筒的下端设有法兰盘，法兰盘中心设有通孔，法兰盘沿上设有位于通孔周围的安装孔，法兰盘通过穿设在安装孔内的紧固螺钉与底板连接，试样由上头部、杆部和下头部构成，试样的杆部穿设在安装孔内，试样的上头部设在紧固套筒内并与扭转转换接头顶压配合，试样的下头部夹持在下连接头内。
4.根据权利要求3所述的用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置，其特征在于：所述下连接头包括弹簧夹头、紧固螺母和下连接柱，试样插设在弹簧夹头内，弹簧夹头插设在下连接柱内，紧固螺母与下连接柱螺纹连接，下连接柱的径向设有下连接孔。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置，其特征在于：所述上连接头包括上连接柱和球头连接轴，球头连接轴由下向上穿过顶板与上连接柱螺纹连接，上连接柱的径向设有上连接孔。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置，其特征在于：所述应变测量板为激光辐射板，试样为陶瓷制品。
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