CN104483218A - 一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法 - Google Patents

一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，包括：1)将试样固接在超声振动发生系统上，将压头连接在测力系统上；2)使试样与压头接触；3)调整所述超声振动发生系统的参数，产生超声振动以使压头与试样发生相互作用；4)利用测力系统检测试样与压头间力的动态变化，从而计算出试样局部受到的交变应力；5)观察压头与试样相互作用后不同时间点下，相互作用区域的形貌和疲劳破坏情况，得到微观尺度下材料的疲劳强度与S-N曲线。本发明实现了对材料在微观尺度下的疲劳特性进行量化分析，可以用于刀具抗破损、高速齿轮抗点蚀、刀具涂层抗剥落等能力的评价，同时为相应的产品设计提供疲劳强度和S-N曲线等基础数据。

Description

一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法
技术领域
本发明涉及一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法。
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、高速齿轮的点蚀、刀具涂层的剥落等物理现象，究其机理都是材料在微观尺度下疲劳的宏观体现。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，得到的疲劳强度和S-N曲线(交变应力-循环次数曲线)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，比如超细晶粒合金材料，其宏观力学特性，如强度、硬度、疲劳极限强度等都得到明显的提升，但是在微观尺度，其抗局部破坏能力要明显低于粗晶粒合金材料，又例如先进刀具涂层材料，其在微观尺度上的抗点蚀、抗局部破坏能力的提升十分有限，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。目前还尚未有一种能在微观尺度上对材料的疲劳特性进行测试的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，可以对材料在微观尺度下的疲劳特性进行量化分析，相关测试结果可以为刀具抗破损、高速齿轮抗点蚀、刀具涂层抗剥落等能力的评价及相应产品的设计提供依据。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，包括：
1)将试样固接在一超声振动发生系统上，将与试样相互作用的压头连接在一测力系统上；
2)移动试样与压头使两者接触；
3)调整所述超声振动发生系统的参数以得到所需的振动频率f和/或振动幅值A，产生超声振动以使压头与试样发生相互作用，引起微观尺度的高频交变载荷；
4)利用所述测力系统检测试样与压头间力的动态变化，从而计算出试样局部受到的交变应力；
5)观察压头与试样相互作用后不同时间点下，相互作用区域的形貌和疲劳破坏情况，得到微观尺度下材料的疲劳强度与S-N曲线。
一实施例中：包括：
1)将试样固接在一超声振动发生系统上，将与试样相互作用的压头连接在一测力系统上；
2)移动试样与压头使两者刚好接触，通过测力系统测得接触力达到临界值Ncrit时，认为试样与压头刚好接触；
3)调整所述超声振动发生系统的参数以得到所需的振动频率f和振动幅值A，产生超声振动以使压头对试样产生局部冲击，引起微观尺度的高频交变载荷；
4)利用所述测力系统检测试样与压头间的交变冲击力，从而计算出试样局部受到的交变压应力；
5)观察压头冲击试样后不同时间点下，冲击区的形貌和疲劳破坏情况，得到微观尺度下材料的冲击疲劳强度与S-N曲线。
一实施例中：所述压头材质为金刚石或立方氮化硼，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：所述交变压应力的计算方法为交变冲击力除以接触面积；所述接触面积＝π(2RA-A2)。
一实施例中：包括：
1)将试样固接在一超声振动发生系统上，将与试样相互作用的压头连接在一测力系统上；
2)移动试样与压头使两者接触，在压头与试样之间施加一定载荷；
3)调整所述超声振动发生系统的参数以得到所需的振动频率f，产生超声振动以使压头与试样间发生滑动剪切或滚动剪切，引起微观尺度的高频交变载荷；
4)利用所述测力系统检测试样与压头间的载荷Fn和摩擦力Ff，从而计算出试样局部受到的交变剪应力和摩擦系数；
5)观察压头与试样相互作用后不同时间点下，相互作用区域的形貌和疲劳破坏情况，得到微观尺度下材料的剪切疲劳强度与S-N曲线。
一实施例中：所述压头与试样间发生滑动剪切时，该压头顶端为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.008～0.21mm，圆锥角θ＝55°～125°，材质为金刚石或立方氮化硼；所述压头与试样间发生滚动剪切时，该压头顶端为滚珠，该滚珠直径R＝0.3～9.525mm，材质为硬质合金或不锈钢。
一实施例中：所述交变剪应力的计算方法为载荷Fn除以接触面积；所述接触面积的计算公式为π{3FnR[(1-ν1 2)/E1+(1-ν2 2)/E2]}2/3，式中的ν1和E1分别为试样材料的泊松比和弹性模量、ν2和E2分别为压头与试样接触部分的泊松比和弹性模量；所述摩擦系数根据载荷Fn和摩擦力Ff计算。
一实施例中：所述试样的材料为金属或非金属，该试样用粘结剂与超声振动发生系统相连；所述压头与测力系统之间采用螺纹连接。
一实施例中：所述微观疲劳破坏形态的动态变化为：环状疲劳裂纹→发散状疲劳裂纹→材料剥落，当发生材料剥落的时候，认为试样达到疲劳寿命。
一实施例中：所述测力系统包括力传感器、电荷放大器、数据采集卡和电脑主机；所述电荷放大器信号连接力传感器；所述数据采集卡信号连接电荷放大器；所述电脑主机信号连接数据采集卡；所述力传感器的参数为：测力范围大于-20～20N，测力精度高于0.002N，固有频率小于5KHz或大于50KHz以避开共振频率，所述数据采集卡的参数为：采样频率高于1MHz，A/D分辨率高于12Bit；所述振动频率f和实时振幅A由激光位移传感器测量；所述激光位移传感器的参数为：位移重复测量精度不低于0.025μm，采样频率不低于392KHz；所述超声振动发生系统的参数为：振动频率f＝18～42KHz，实时振幅A＝0～22μm。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
本发明的一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，实现了对材料在微观尺度下的疲劳特性进行测试，可以用于刀具抗破损、高速齿轮抗点蚀、刀具涂层抗剥落等能力的评价，同时为相应的产品设计提供疲劳强度和S-N曲线等基础数据。
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为本发明实施例1中测力系统测得的力信号。
图2为本发明实施例1中激光位移传感器测得的振动信号。
图3为本发明实施例1中扫描电镜测得的不同冲击时间后的压痕微观形貌，其中图3a为冲击时间5min，图3b为冲击时间10min，图3c为冲击时间15min,图3d为冲击时间20min。
图4为本发明实施例1中试样高频冲击微观疲劳的S-N曲线。
图5为本发明实施例2中被测涂层试样的微观结构。
图6为本发明实施例2中测力系统测得的载荷和摩擦力信号。
图7为本发明实施例2中计算得到的摩擦系数。
图8为本发明实施例2中扫描电镜测得的不同剪切时间后的磨痕微观形貌(超声振动幅值为10μm)。
图9为本发明实施例2中试样高频滑动剪切微观疲劳的S-N曲线。
具体实施方式
下面通过实施例具体说明本发明的内容：
实施例1
请查阅图1-4，利用本发明的一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法对材料进行冲击疲劳测试：所述试样为金属陶瓷刀具，刀具材料的主要成分为TiC，所述压头材质可以为金刚石或立方氮化硼，形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.01～0.2mm，圆锥角θ＝60°～120°；具体地，所述压头材质为金刚石，形状为带圆头的圆锥，圆头半径为0.2mm，圆锥角θ＝90°。
1)将试样用粘结剂固接在一超声振动发生系统上，将与试样相互作用的压头螺纹连接在一测力系统上；
2)移动试样与压头使两者刚好接触，通过测力系统测得接触力达到临界值Ncrit时，认为试样与压头刚好接触；临界值Ncrit＝0.005～0.02N，根据试样材料确定，材料硬度越大，Ncrit越高；本实施例之中，Ncrit＝0.01N；
3)调整所述超声振动发生系统的参数以得到所需的振动频率f和振动幅值A，振动波形为正弦波，产生超声振动以使压头对试样产生局部冲击，引起微观尺度的高频交变载荷；
4)利用所述测力系统检测试样与压头间的交变冲击力，从而计算出试样局部受到的交变压应力；
5)观察压头冲击试样后不同时间点下，冲击区的形貌和疲劳破坏情况，得到微观尺度下材料的冲击疲劳强度与S-N曲线。
本实施例之中，所述交变压应力的计算方法为交变冲击力除以接触面积；所述接触面积＝π(2RA-A2)。
本实施例之中，所述测力系统包括力传感器、电荷放大器、数据采集卡和电脑主机；所述电荷放大器信号连接力传感器；所述数据采集卡信号连接电荷放大器；所述电脑主机信号连接数据采集卡；所述力传感器的参数为：测力范围大于-20～20N，测力精度高于0.002N，固有频率小于5KHz或大于50KHz以避开共振频率，所述数据采集卡的参数为：采样频率高于1MHz，A/D分辨率高于12Bit；所述振动频率f和实时振幅A由激光位移传感器测量；所述激光位移传感器的参数为：位移重复测量精度不低于0.025μm，采样频率不低于392KHz；所述超声振动发生系统的参数为：振动频率f＝20～40KHz，实时振幅A＝0～20μm，具体地，振动频率f＝28000Hz，振动幅值A＝2μm，振动波形为正弦波。
请着重参阅图1和图2，图1为利用型号为Kist ler 9256C2的测力仪作为力传感器测得的交变冲击力信号(振幅为2μm)，其中，横轴为冲击时间，单位为秒；纵轴为交变冲击力数值，单位为牛顿。图2为利用型号为Keyence G5000激光位移传感器测得的振动信号(振幅为2μm)，其中，横轴为冲击时间，单位为秒；纵轴为振幅数值，单位为微米。结合图1和图2即可计算出冲击过程中试样表面受到交变压应力的最大值(约为300MPa，当振幅为2μm)。
请着重参阅图3，图3为扫描电镜测得的不同冲击时间后的冲击区的压痕微观形貌(振幅为2μm)，其中图3a为冲击时间5min(循环次数为28000Hz*300s＝8.4*106次)后的压痕微观形貌，图3b为冲击时间10min(循环次数为28000Hz*600s＝1.68*107次)后的压痕微观形貌，图3c为冲击时间15min(循环次数为28000Hz*900s＝2.52*107次)后的压痕微观形貌，图3d为冲击时间20min(循环次数为28000Hz*300s＝3.36*107次)后的压痕微观形貌。可以看出压痕疲劳破坏形态的动态变化为：环状疲劳裂纹(10min)、发散状疲劳裂纹(15min)、材料剥落(20min)，冲击20min后材料剥落即认为冲击疲劳破坏发生，试样达到疲劳寿命，此时的应力循环次数为3.36*107次。
请着重参阅图4，图4为试样高频冲击微观疲劳的S-N曲线，其中，横轴为应力循环次数，单位为次；纵轴为冲击疲劳压应力数值，单位为兆帕斯卡。获得方法为设置不同的振幅(2μm、4μm、6μm、8μm、10μm)，得到不同交变压应力条件下，被测材料发生疲劳剥落的应力循环次数，然后绘制在同一张图表中。
实施例2
请查阅图5-9，利用本发明的一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法对材料进行剪切疲劳测试：所述试样为涂层刀具，刀具涂层材料的主要成分为TiAlN，涂层结构如图8所示，所述压头与试样间发生滑动剪切时，该压头顶端为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.01～0.2mm，圆锥角θ＝60°～120°，材质可以为金刚石或立方氮化硼；具体地，所述压头材质为金刚石，形状为带圆头的圆锥，圆头半径为0.2mm，圆锥角90°。
1)将试样用粘结剂固接在一超声振动发生系统上，将与试样相互作用的压头螺纹连接在一测力系统上；
2)移动试样与压头使两者接触，在压头与试样之间施加一定载荷；
3)调整所述超声振动发生系统的参数以得到所需的振动频率f，振动波形为正弦波，产生超声振动以使压头与试样间发生滑动剪切，引起微观尺度的高频交变载荷；
4)利用所述测力系统检测试样与压头间的载荷Fn和摩擦力Ff，从而计算出试样局部受到的交变剪应力和摩擦系数；
5)观察压头与试样相互作用后不同时间点下，相互作用区域的形貌和疲劳破坏情况，得到微观尺度下材料的剪切疲劳强度与S-N曲线。
本实施例之中，所述交变剪应力的计算方法为载荷Fn除以接触面积；所述接触面积的计算公式为π{3FnR[(1-ν1 2)/E1+(1-ν2 2)/E2]}2/3，式中的ν1和E1分别为试样材料的泊松比和弹性模量、ν2和E2分别为压头与试样接触部分的泊松比和弹性模量；所述摩擦系数根据载荷Fn和摩擦力Ff计算。
本实施例之中，所述测力系统包括力传感器、电荷放大器、数据采集卡和电脑主机；所述电荷放大器信号连接力传感器；所述数据采集卡信号连接电荷放大器；所述电脑主机信号连接数据采集卡；所述力传感器的参数为：测力范围大于-20～20N，测力精度高于0.002N，固有频率小于5KHz或大于50KHz以避开共振频率，所述数据采集卡的参数为：采样频率高于1MHz，A/D分辨率高于12Bit；所述振动频率f和实时振幅A由激光位移传感器测量；所述激光位移传感器的参数为：位移重复测量精度0.025μm，采样频率392KHz；所述超声振动发生系统的参数为：振动频率f＝20～40KHz，振幅A＝0～20μm，具体地，振动频率f＝28000Hz，振动波形为正弦波。
请着重参阅图6和图7，图6为利用型号为Kist ler 9256C2的测力仪作为力传感器测得的载荷和摩擦力信号(超声振动幅值为10μm)，其中，横轴为剪切时间，单位为秒；纵轴为载荷和摩擦力数值，单位为牛顿。结合载荷和金刚石圆头半径即可计算出剪切过程中涂层刀具表面受到交变剪应力的最大值(约为50MPa)。图7为根据测得的载荷和摩擦力计算得到的摩擦系数。
请着重参阅图8，图8为扫描电镜测得的剪切破坏后的磨痕微观形貌(振幅为10μm)，材料剥落即认为剪切疲劳破坏发生，试样达到疲劳寿命，达到剪切破坏的剪切滑动时间为25min。
请着重参阅图9，图9为试样高频滑动剪切微观疲劳的S-N曲线，其中，横轴为应力循环次数，单位为次；纵轴为疲劳应力数值，单位为兆帕斯卡。获得方法为设置不同的载荷(1N、2N、3N、4N、5N)，得到不同交变剪应力条件下，被测材料发生疲劳剥落的应力循环次数，然后绘制在同一张图表中。
根据需要，当压头与试样间发生滚动剪切时，压头顶端设为滚珠，该滚珠直径R＝1～4mm，材质为硬质合金或不锈钢，可以测得试样高频滚动剪切微观疲劳的相关数据。
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)

1.一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，其特征在于：包括：
1)将试样固接在一超声振动发生系统上，将与试样相互作用的压头连接在一测力系统上；
2)移动试样与压头使两者接触；
3)调整所述超声振动发生系统的参数以得到所需的振动频率f和/或振动幅值A，产生超声振动以使压头与试样发生相互作用，引起微观尺度的高频交变载荷；
4)利用所述测力系统检测试样与压头间力的动态变化，从而计算出试样局部受到的交变应力；
5)观察压头与试样相互作用后不同时间点下，相互作用区域的形貌和疲劳破坏情况，得到微观尺度下材料的疲劳强度与S-N曲线。
2.根据权利要求1所述的一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，其特征在于：包括：
1)将试样固接在一超声振动发生系统上，将与试样相互作用的压头连接在一测力系统上；
2)移动试样与压头使两者刚好接触，通过测力系统测得接触力达到临界值Ncrit时，认为试样与压头刚好接触；
3)调整所述超声振动发生系统的参数以得到所需的振动频率f和振动幅值A，产生超声振动以使压头对试样产生局部冲击，引起微观尺度的高频交变载荷；
4)利用所述测力系统检测试样与压头间的交变冲击力，从而计算出试样局部受到的交变压应力；
5)观察压头冲击试样后不同时间点下，冲击区的形貌和疲劳破坏情况，得到微观尺度下材料的冲击疲劳强度与S-N曲线。
3.根据权利要求2所述的一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，其特征在于：所述压头材质为金刚石或立方氮化硼，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3所述的一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，其特征在于：所述交变压应力的计算方法为交变冲击力除以接触面积；所述接触面积＝π(2RA-A2)。
5.根据权利要求1所述的一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，其特征在于：包括：
1)将试样固接在一超声振动发生系统上，将与试样相互作用的压头连接在一测力系统上；
2)移动试样与压头使两者接触，在压头与试样之间施加一定载荷；
3)调整所述超声振动发生系统的参数以得到所需的振动频率f，产生超声振动以使压头与试样间发生滑动剪切或滚动剪切，引起微观尺度的高频交变载荷；
4)利用所述测力系统检测试样与压头间的载荷Fn和摩擦力Ff，从而计算出试样局部受到的交变剪应力和摩擦系数；
5)观察压头与试样相互作用后不同时间点下，相互作用区域的形貌和疲劳破坏情况，得到微观尺度下材料的剪切疲劳强度与S-N曲线。
6.根据权利要求5所述的一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，其特征在于：所述压头与试样间发生滑动剪切时，该压头顶端为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.008～0.21mm，圆锥角θ＝55°～125°，材质为金刚石或立方氮化硼；所述压头与试样间发生滚动剪切时，该压头顶端为滚珠，该滚珠直径R＝0.3～9.525mm，材质为硬质合金或不锈钢。
7.根据权利要求6所述的一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，其特征在于：所述交变剪应力的计算方法为载荷Fn除以接触面积；所述接触面积的计算公式为π{3FnR[(1-ν1 2)/E1+(1-ν2 2)/E2]}2/3，式中的ν1和E1分别为试样材料的泊松比和弹性模量、ν2和E2分别为压头与试样接触部分的泊松比和弹性模量；所述摩擦系数根据载荷Fn和摩擦力Ff计算。
8.根据权利要求1或2或5所述的一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，其特征在于：所述试样的材料为金属或非金属，该试样用粘结剂与超声振动发生系统相连；所述压头与测力系统之间采用螺纹连接。
9.根据权利要求1或2或5所述的一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，其特征在于：所述微观疲劳破坏形态的动态变化为：环状疲劳裂纹→发散状疲劳裂纹→材料剥落，当发生材料剥落的时候，认为试样达到疲劳寿命。
10.根据权利要求1或2或5所述的一种微观尺度下基于超声振动的材料疲劳特性测试方法，其特征在于：所述测力系统包括力传感器、电荷放大器、数据采集卡和电脑主机；所述电荷放大器信号连接力传感器；所述数据采集卡信号连接电荷放大器；所述电脑主机信号连接数据采集卡；所述力传感器的参数为：测力范围大于-20～20N，测力精度高于0.002N，固有频率小于5KHz或大于50KHz以避开共振频率，所述数据采集卡的参数为：采样频率高于1MHz，A/D分辨率高于12Bit；所述振动频率f和实时振幅A由激光位移传感器测量；所述激光位移传感器的参数为：位移重复测量精度不低于0.025μm，采样频率不低于392KHz；所述超声振动发生系统的参数为：振动频率f＝18～42KHz，实时振幅A＝0～22μm。
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GR01 Patent grant
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Application publication date: 20150401

Assignee: Xiamen Golden Egret Special Alloy Co., Ltd.

Assignor: Huaqiao University

Contract record no.: 2018990000153

Denomination of invention: Material fatigue characteristic testing method based on supersonic vibration under microscale

Granted publication date: 20170503

License type: Exclusive License

Record date: 20180613

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