CN104483216A - 一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，包括被测试试件、工具头、基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；超声振动系统装接在基座系统上；被测试试件固接在超声振动系统上；声发射系统装接于超声振动系统内；测力系统装接在基座系统上；工具头固接在测力系统上；通过基座系统调节被测试试件与工具头的相对位置；通过超声振动系统实现工具头对被测试试件的冲击；通过测力系统检测工具头与被测试试件间力的变化；通过声发射系统检测工具头检测被测试试件达到疲劳破坏时的声发射信号。本发明实现了对材料在微观尺度下的冲击疲劳性能的测试，从而为材料的使用寿命、结构失效控制等方面提供理论依据。

Description

一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备

技术领域

本发明涉及一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备。

背景技术

随着产品性能和使用要求的不断提高，材料的微观疲劳特性越来越被工业界所关注，金属加工刀具的微崩刃等物理现象，究其机理都是材料在微观尺度高频冲击疲劳的宏观体现。但是现在对材料疲劳特性的测试方法还主要集中在宏观尺度上，利用万能力学试验机等设备可以进行零件在拉、压、扭转等多种应力状态下的疲劳特性分析，得到的疲劳强度可以对零件的宏观破坏分析及寿命预测有较好的指导意义。但是同一种材料在宏观和微观条件下往往表现出不同的疲劳特性，因此宏观疲劳特性的测试结果不能用于微观疲劳特性的分析。但现有技术中还未见有对材料微观高频冲击疲劳特性进行测试的设备。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，可以对均质材料在微观尺度下的高频冲击疲劳特性进行测试，相关测试结果可以用于刀具抗破损等能力的评价及相应产品的设计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：

一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，包括：被测试试件6及对被测试试件6进行冲击的工具头5；还包括基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；

所述超声振动系统装接在基座系统上；所述被测试试件6固接在超声振动系统上；所述声发射系统装接于超声振动系统内；所述测力系统装接在基座系统上；所述工具头5固接在测力系统上；

通过基座系统调节被测试试件6与工具头5的相对位置；通过超声振动系统使被测试试件6发生振动从而实现工具头5对被测试试件6的冲击；通过测力系统检测工具头5与被测试试件6间力的动态变化；通过声发射系统检测工具头5对被测试试件6冲击过程中被测试试件6达到疲劳破坏时的声发射信号。

一实施例中：所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台2，Y轴滑台12，Z轴滑台11和L型板3；X轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿X轴方向滑动；Y轴滑台12滑动装接在光学平板1上且可沿Y轴方向滑动；Z轴滑台11滑动装接在Y轴滑台12上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；L型板3固定装接在X轴滑台2上；通过X轴滑台2、Y轴滑台12和Z轴滑台11使被测试试件6和工具头5可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试试件6与工具头5的相对位置；

所述超声振动系统包括超声发生器，超声变幅杆9和连接杆7；超声变幅杆9装接在Z轴滑台11，超声发生器传动连接超声变幅杆9；连接杆7固接在超声变幅杆9上；所述被测试试件6固接在连接杆7上；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆9和连接杆7传递至被测试试件6以使被测试试件6发生振动从而实现工具头5对被测试试件6的冲击；

所述测力系统包括力传感器4，第一电荷放大器和第一数据采集卡；力传感器4固接在L型板3上，该第一电荷放大器信号连接力传感器4，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；所述工具头5固接在力传感器4；

所述声发射系统包括声发射传感器8，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器8装设于连接杆7内，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器8，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器。

一实施例中：所述工具头5为金刚石压头，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.008～0.21mm，圆锥角θ＝55°～125°。

一实施例中：所述被测试试件6经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度不大于Ra0.1μm，该被测试试件6用超声清洗机清洗后用环氧树脂胶水粘贴在连接杆7。

一实施例中：所述连接杆7为带锥度螺钉；所述连接杆7螺接在超声变幅杆9上。

一实施例中：所述X轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm；所述Y轴滑台12由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于11μm。

一实施例中：所述力传感器4的性能参数为：测力范围为-25N～25N，测力精度高于0.0025N，采样频率高于8KHz；所述声发射传感器8的性能参数为：频率范围为48～1010kHz，谐振频率大于78kHz，灵敏度峰值大于65dB；所述超声发生器的性能参数为：振动频率f＝18～42KHz，振幅范围为0～22μm。

一实施例中：所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：

一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备的使用方法，包括：

1)通过Y轴滑台12和Z轴滑台11调整被测试试件6在Y轴方向与Z轴方向上的位置使其正对工具头5；

2)通过X轴滑台2调整工具头5在X轴方向上的位置使其与被测试试件6刚好接触；

3)启动超声振动系统以使被测试试件6发生振动，从而实现工具头5对被测试试件6的冲击；记录冲击时间；

4)通过测力系统检测工具头5对被测试试件6冲击过程中力的动态变化；

5)通过声发射系统检测工具头5对被测试试件6冲击过程中被测试试件6达到疲劳破坏时的声发射信号；

6)检测到被测试试件6达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，根据冲击时间、超声振动频率计算冲击次数，从而得到被测试试件6的冲击疲劳测试数据。

一实施例中：所述步骤2)中，判断工具头5与被测试试件6刚好接触的方法包括：

21)通过X轴滑台2调整工具头5在X轴方向上的位置使其靠近被测试试件6，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过X轴滑台2调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；

22)启动测力系统，每次以X轴滑台2的最小位移移动X轴滑台2并通过测力系统检测工具头5与被测试试件6间接触力的实时变化；当接触力到达临界值N_cri时，停止移动X轴滑台2，此时即为工具头5与被测试试件6刚好接触。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

本发明提供的一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，较传统的用宏观尺度的设备和方法来测试材料微观尺度上的疲劳特性来说，实现了对材料微观高频冲击疲劳性能的测试，可以对材料的微观高频动态力学性能进行检测，得到的结果更为准确，从而为材料的使用寿命、结构失效控制等方面提供理论依据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1所示为本发明的一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备示意图。

附图标记：1.光学平板；2.X轴滑台；3.L型板；4.力传感器；5.工具头；6.被测试试件；7.连接杆；8.声发射传感器；9.超声变幅杆；10.变幅杆支架；11.Z轴滑台；12.Y轴滑台。

具体实施方式

下面通过实施例具体说明本发明的内容：

请查阅图1，一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，包括：被测试试件6及对被测试试件6进行冲击的工具头5；还包括基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；

所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台2，Y轴滑台12，Z轴滑台11和L型板3；X轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿X轴方向滑动；Y轴滑台12滑动装接在光学平板1上且可沿Y轴方向滑动；Z轴滑台11滑动装接在Y轴滑台12上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；L型板3固定装接在X轴滑台2上；

所述超声振动系统包括超声发生器，超声变幅杆9和连接杆7；超声变幅杆9通过变幅杆支架10安装在Z轴滑台11，超声发生器传动连接超声变幅杆9；连接杆7固接在超声变幅杆9上；所述被测试试件6固接在连接杆7上；

所述测力系统包括力传感器4，第一电荷放大器和第一数据采集卡；力传感器4固接在L型板3上，该第一电荷放大器信号连接力传感器4，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；所述工具头5固接在力传感器4；

所述声发射系统包括声发射传感器8，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器8装设于连接杆7内，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器8，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器；

通过X轴滑台2、Y轴滑台12和Z轴滑台11使被测试试件6和工具头5可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试试件6与工具头5的相对位置；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆9和连接杆7传递至被测试试件6以使被测试试件6发生振动从而实现工具头5对被测试试件6的冲击；通过测力系统检测工具头5与被测试试件6间力的动态变化；通过声发射系统检测工具头5对被测试试件6冲击过程中被测试试件6达到疲劳破坏时的声发射信号。

本实施例之中，所述工具头5为金刚石压头，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.008～0.2mm，圆锥角θ＝60～120°。

本实施例之中，所述被测试试件6经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度达到Ra0.1μm，该被测试试件6用超声清洗机清洗后用环氧树脂胶水粘贴在连接杆7。

本实施例之中，所述连接杆7为带锥度螺钉，其螺纹的锥度部分在螺钉的尾部，超声变幅杆9端面上设有螺纹孔，带锥度螺钉的锥度部分与该螺纹孔内锥面适配以使连接杆7螺接在超声变幅杆9上。

本实施例之中，所述X轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于0.3μm；所述Y轴滑台12由步进电机驱动，其步进精度优于10μm；所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于10μm。

本实施例之中，所述力传感器4的性能参数为：测力范围为-20N～20N，测力精度高于0.002N，采样频率高于10KHz；所述声发射传感器8的性能参数为：频率范围为50～1000kHz，谐振频率大于80kHz，灵敏度峰值大于70dB；所述超声发生器的性能参数为：振动频率f＝20～40KHz，振幅范围为0～20μm。

本实施例之中，所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。

本发明现场使用方式如下：

1)通过Y轴滑台12和Z轴滑台11调整被测试试件6在Y轴方向与Z轴方向上的位置使其正对工具头5；

2)通过X轴滑台2调整工具头5在X轴方向上的位置使其与被测试试件6刚好接触；判断工具头5与被测试试件6刚好接触的方法如下21)-22)所示：

21)通过X轴滑台2调整工具头5在X轴方向上的位置使其靠近被测试试件6，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过X轴滑台2调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；

22)启动测力系统，每次以X轴滑台2的最小位移移动X轴滑台2并通过测力系统检测工具头5与被测试试件6间接触力的实时变化；当接触力到达临界值N_crit时，停止移动X轴滑台2，此时即为工具头5与被测试试件6刚好接触；所述N_crit＝0.005～0.02N，根据被测试试件6的材料强度确定，材料强度越大，N_crit越高；本实施例之中，N_crit＝0.01N。

3)启动超声振动系统以使被测试试件6发生振动，从而实现工具头5对被测试试件6的高频冲击；记录冲击时间；

4)通过测力系统检测工具头5对被测试试件6冲击过程中力的动态变化；

5)通过声发射系统检测工具头5对被测试试件6冲击过程中被测试试件6达到疲劳破坏时的声发射信号，在冲击过程中被测试试件6达到疲劳破坏后，声发射信号会有明显的变化；

6)检测到被测试试件6达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，根据冲击时间、超声振动频率计算冲击次数，从而得到被测试试件6的冲击疲劳测试数据。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，其特征在于：包括：被测试试件(6)及对被测试试件(6)进行冲击的工具头(5)；还包括基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；

所述超声振动系统装接在基座系统上；所述被测试试件(6)固接在超声振动系统上；所述声发射系统装接于超声振动系统内；所述测力系统装接在基座系统上；所述工具头(5)固接在测力系统上；

通过基座系统调节被测试试件(6)与工具头(5)的相对位置；通过超声振动系统使被测试试件(6)发生振动从而实现工具头(5)对被测试试件(6)的冲击；通过测力系统检测工具头(5)与被测试试件(6)间力的动态变化；通过声发射系统检测工具头(5)对被测试试件(6)冲击过程中被测试试件(6)达到疲劳破坏时的声发射信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，其特征在于：

所述基座系统包括光学平板(1)，X轴滑台(2)，Y轴滑台(12)，Z轴滑台(11)和L型板(3)；X轴滑台(2)滑动装接在光学平板(1)上且可沿X轴方向滑动；Y轴滑台(12)滑动装接在光学平板(1)上且可沿Y轴方向滑动；Z轴滑台(11)滑动装接在Y轴滑台(12)上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；L型板(3)固定装接在X轴滑台(2)上；通过X轴滑台(2)、Y轴滑台(12)和Z轴滑台(11)使被测试试件(6)和工具头(5)可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试试件(6)与工具头(5)的相对位置；

所述超声振动系统包括超声发生器，超声变幅杆(9)和连接杆(7)；超声变幅杆(9)装接在Z轴滑台(11)，超声发生器传动连接超声变幅杆(9)；连接杆(7)固接在超声变幅杆(9)上；所述被测试试件(6)固接在连接杆(7)上；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆(9)和连接杆(7)传递至被测试试件(6)以使被测试试件(6)发生振动从而实现工具头(5)对被测试试件(6)的冲击；

所述测力系统包括力传感器(4)，第一电荷放大器和第一数据采集卡；力传感器(4)固接在L型板(3)上，该第一电荷放大器信号连接力传感器(4)，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；所述工具头(5)固接在力传感器(4)；

所述声发射系统包括声发射传感器(8)，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器(8)装设于连接杆(7)内，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器(8)，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，其特征在于：所述工具头(5)为金刚石压头，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.008～0.21mm，圆锥角θ＝55°～125°。

4.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，其特征在于：所述被测试试件(6)经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度不大于Ra0.1μm，该被测试试件(6)用超声清洗机清洗后用环氧树脂胶水粘贴在连接杆(7)。

5.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，其特征在于：所述连接杆(7)为带锥度螺钉；所述连接杆(7)螺接在超声变幅杆(9)上。

6.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，其特征在于：所述X轴滑台(2)由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm；所述Y轴滑台(12)由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Z轴滑台(11)由步进电机驱动，其步进精度优于11μm。

7.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，其特征在于：所述力传感器(4)的性能参数为：测力范围为-25N～25N，测力精度高于0.0025N，采样频率高于8KHz；所述声发射传感器(8)的性能参数为：频率范围为48～1010kHz，谐振频率大于78kHz，灵敏度峰值大于65dB；所述超声发生器的性能参数为：振动频率f＝18～42KHz，振幅范围为0～22μm。

8.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备，其特征在于：所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。

9.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备的使用方法，其特征在于：包括：

1)通过Y轴滑台(12)和Z轴滑台(11)调整被测试试件(6)在Y轴方向与Z轴方向上的位置使其正对工具头(5)；

2)通过X轴滑台(2)调整工具头(5)在X轴方向上的位置使其与被测试试件(6)刚好接触；

3)启动超声振动系统以使被测试试件(6)发生振动，从而实现工具头(5)对被测试试件(6)的冲击；记录冲击时间；

4)通过测力系统检测工具头(5)对被测试试件(6)冲击过程中力的动态变化；

5)通过声发射系统检测工具头(5)对被测试试件(6)冲击过程中被测试试件(6)达到疲劳破坏时的声发射信号；

6)检测到被测试试件(6)达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，根据冲击时间、超声振动频率计算冲击次数，从而得到被测试试件(6)的冲击疲劳测试数据。

10.根据权利要求9所述的一种基于超声振动的微观尺度材料冲击疲劳测试设备的使用方法，其特征在于：所述步骤2)中，判断工具头(5)与被测试试件(6)刚好接触的方法包括：

21)通过X轴滑台(2)调整工具头(5)在X轴方向上的位置使其靠近被测试试件(6)，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过X轴滑台(2)调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；

22)启动测力系统，每次以X轴滑台(2)的最小位移移动X轴滑台(2)并通过测力系统检测工具头(5)与被测试试件(6)间接触力的实时变化；当接触力到达临界值N_crit时，停止移动X轴滑台(2)，此时即为工具头(5)与被测试试件(6)刚好接触。