CN108760538A - 一种涂层-基体体系的超声疲劳试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涂层‑基体体系的超声疲劳试验方法，按照如下步骤：步骤一，首先根据基体材料的密度和弹性模量，采用解析计算得到三点弯曲超声疲劳试件的尺寸设计公式；步骤二，测量基体和涂层材料的弹性模量，解析计算基体与涂层处受力情况。本发明可以快速准确评估不同材料的基体‑涂层体系的疲劳性能，试验频率达到20KHz，提高了疲劳试验的效率和可行性。

Description

一种涂层-基体体系的超声疲劳试验方法
技术领域
本发明涉及涂层-基体体系的超高周疲劳性能测试领域，尤其是指一种涂层-基体体系的超声疲劳试验方法。
背景技术
疲劳是指在交变载荷(应力或应变)的作用下，由于某点或者某些点产生了局部的永久性的结构变化，在一定循环次数以后，形成裂纹或发生断裂的过程。按照循环周次的高低可以把疲劳分为三大类型，即低周疲劳、高周疲劳和超高周疲劳。其中，超高周疲劳是指循环周次达到107及其以上时，材料的疲劳行为。
当今社会，涂层技术的应用越来越广泛。它利用特殊的工艺方法在基体材料表面形成具有特殊化学、力学、电学、热学、光学等性质的保护涂层，能实现多种表而功能需要，在实际工程应用中起到耐蚀耐热、减摩耐磨、绝缘防护、信息传递及装饰等作用，从而达到降低生产成本、提高产品质量、节约资源能源、延长使用寿命的目的。基于表而涂层技术的优越性，其在半导体、仪表通信、机械电子、医药民生等多个领域得到广泛应用，如抗冲蚀涂层、陶瓷涂层、防腐蚀涂层、热障涂层及隐身涂层等。涂层在使用过程中，能够达到特定的强化基体的功效，如提高抗冲蚀、防腐蚀性能，或增强高温、隐身性能，同样也面临着疲劳破坏问题。因此，在关心解决涂层的特定功能同时，涂层技术可能对基体材料力学性能、疲劳性能的影响，也是涂层能否得到实际应用的主要因素之一。
传统的材料疲劳性能评估方法，试验频率低，耗时长，时间代价高昂，而采用超声疲劳试验方法考核其疲劳性能，能够起到快速、省时、高效、准确的效果。
发明内容
本发明的目的在于克服传统疲劳试验技术的不足，提供一种快速、省时、高效、准确的涂层的超声疲劳试验方法，使涂层-基体试件能够有效地在超声疲劳试验机上发生谐振，快速的评估涂层-基体试件的弯曲疲劳性能。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：涂层-基体体系的超声弯曲疲劳试验的试件设计方法。首先，根据基体材料的密度和弹性模量，采用解析计算方法得到超声弯曲试件的理论尺寸；其次，根据测量基体、涂层材料的弹性模量，解析计算得到基体与涂层处受力情况。
本发明所述的尺寸设计方法，包括以下步骤：
1)分别测量基体、涂层材料的密度ρ及弹性模量E；
2)对超声弯曲试件的尺寸进行解析计算，如下：
2.1)给定试件的b、h，b为试件的宽度，h为试件的厚度；
2.2)对超声弯曲试件的尺寸进行解析计算，根据横向振动弯曲理论对基体材料的弯曲超声疲劳试件尺寸进行解析计算，得到基体试件的谐振长度2L和跨距2L0分别为：
3)计算基体与涂层处的受力情况：
3.1)解析计算基体处的受力情况，如下：
根据挠曲线微分方程(2-5)，得到基体试件横向弯曲振动中所受的弯矩为：
在x＝0的横截面处，试件弯矩最大，即令上式中的x＝0：
由得到试件最大弯矩处(即y＝h/2)对应的最大超声弯曲应力幅值为：
由式(3-3)可得，在给定三点弯曲试件尺寸(长度L、高度h) 及材料(密度ρ、弹性模量E)后，横向超声振动所引起的最大弯曲应力幅值σmax与压头施加的位移幅值A0成正比，即：
σu,max＝Ms·A0 (3-4)
式中Ms称为三点弯曲超声疲劳试件的应力位移系数，单位为 MPa/μm，大小与试件的几何尺寸、材料密度、弹性模量有关，其值为：
3.2)解析计算涂层处的受力情况，如下：
基体试件镀有涂层后，仍然满足超声振动20KHz的谐振频率要求，由于基体与涂层材料的不同，所受力的大小也不相同。在弯曲载荷P的作用下，在涂层-基体的交界面处，涂层与基体产生的形变相同，因此涂层与基体的应力之比，即为弹性模量之比，涂层部分的受力如式(3-6)所示：
其中，Es、Ec分别为基体、涂层的弹性模量，σs、σc为分别为基体、涂层的应力。
基体试件的尺寸确定后，采用某一涂层沉积工艺在基体试件的表面制备具有特定功能的涂层。
涂层-基体体系试件制备后，采用超声弯曲疲劳试验系统开展超高周疲劳试验。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和效果：
1)本发明所述的涂层的超声疲劳试验方法，适用于不同的基体和涂层材料，涵盖范围广；
2)设计的涂层-基体超声弯曲试件能够在超声疲劳试验机上发生谐振，频率高达20KHz，极大的提高了试验效率，节省了试验和时间成本；
3)所述的涂层-基体体系超声弯曲试验方法，能够有效模拟材料或者结构在真实受载下的弯曲载荷，提高了疲劳性能评估的准确性；
4)本发明提出的涂层的超声疲劳试验方法，考虑了试件的实际尺寸与设计尺寸存在偏差的应力修正方法，采用有限元分析修正了由于尺寸误差导致的应力误差，使得超声疲劳试验更加准确；
5)本发明采用解析计算和仿真分析两种方法计算了基体与涂层处的受力情况，保证了疲劳试验结果的可靠性。
附图说明
图1为超声弯曲试件尺寸示意图。
图2为试件微段的受力分析图。
图3为涂层-基体体系网格划分。
图4为涂层与基体试件超声振动弯曲下的应力分布。
图5为涂层-基体试件的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步说明。
以TC4钛合金TiN涂层材料为例，假定试件加工和涂层制备过程中，尺寸的控制精度高。
1)测量出TC4钛合金和TiN涂层的弹性模量Es、Ec和密度ρs、ρc。
2)对试件的尺寸进行设计。如图1所示，先给定试件尺寸参数，b＝10mm，h＝4mm，b为试件宽度，h为试件高度；由试件长度计算公式(2-12)、(2-13)计算可得基体试件的长度2L＝32.2mm、间距 2L0＝17.8mm，计算得到基体的应力位移系数Ms为6.35MPa/μm。
3)得到试件的L后，采用有限元分析软件对试件的尺寸进行修正设计：
将试件尺寸作为边界条件进行建模，如图3所示，由于基体与涂层厚度的数量级差距大，在进行网格剖分时，涂层与基体交界处的网格应尽量小，以消除边界效应保证分析的准确性；
代入基体、涂层材料的密度、弹性模量和泊松比，分别对基体、涂层赋予不同的材料属性；
然后设置模态分析工作步，开始计算分析，得到横向弯曲振型结果，得到超声振动频率及基体与涂层的应力分布。
有限元计算得到的超声振动频率必须满足20±1KHz的要求，否则必须对试件尺寸进行微调，每次微调的范围为0.2-0.5mm，再次进行有限元分析，直至谐振频率在该范围内。计算得到结果如图4所示，谐振频率19922Hz，符合超声振动要求。试验过程中发现，由于超声疲劳试验系统的加载频率的范围大，即使试验频率偏离20KHz较远，但还在±1KHz范围内，疲劳试验可以正常进行。
4)采用磁过滤真空阴极弧技术在基体试件的表面制备TiN涂层。
将制备好的涂层-基体试件上水平居中置于超声弯曲疲劳试验系统支座上，设置超声疲劳试验应力幅值，开始基体涂层试件的超声弯曲疲劳试验，振动频率为19.92KHz，经过一定循环次数后，试件断裂，记录应力幅值和循环次数。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应该视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种涂层-基体体系的超声疲劳试验方法，其特征在于，按照如下步骤：
步骤一，首先根据基体材料的密度和弹性模量，采用解析计算得到三点弯曲超声疲劳试件的尺寸设计公式；
步骤二，测量基体和涂层材料的弹性模量，解析计算基体与涂层处受力情况。
2.根据权利要求1所述的涂层-基体体系的超声疲劳试验方法，其特征在于：
所述第一部分中，尺寸设计公式的计算过程，包含如下几个步骤：
步骤一、测量基体材料的密度ρ和弹性模量E；
步骤二、根据横向振动弯曲理论对基体材料的弯曲超声疲劳试件尺寸进行解析计算，得到基体试件的谐振长度2L和跨距2L0分别为：
。
3.根据权利要求1所述的涂层-基体体系的超声疲劳试验方法，其特征在于：
所述第二部分，根据横向弯曲振动理论，得到试件最大弯矩处(即y＝h/2)对应的最大超声弯曲应力幅值为：
由式(3-1)可得，在超声弯曲试件尺寸(长度L、高度h)及材料(密度ρ、弹性模量E)后，横向超声振动所引起的最大弯曲应力幅值σmax与压头施加的位移幅值A0成正比，即：
σu,max＝Ms·A0 (3-2)
式中Ms称为超声弯曲试件的应力位移系数，单位为MPa/μm，大小与试件的几何尺寸、材料密度、弹性模量有关，其值为：
基体试件镀有涂层后，仍然满足超声振动20KHz的谐振频率要求，涂层部分的受力如式(3-4)所示，由于基体与涂层材料的不同，所受力的大小也不相同。在弯曲载荷P的作用下，在涂层-基体的交界面处，涂层与基体产生的形变相同，因此涂层与基体的应力之比，即为弹性模量之比：
其中，Es、Ec分别为基体、涂层的弹性模量，σs、σc为分别为基体、涂层的应力。
4.根据权利要求1所述的涂层-基体体系的超声疲劳试验方法，其特征在于：基体试件的尺寸确定后，采用某一涂层沉积工艺在基体试件的表面制备具有特定功能的涂层。
5.根据权利要求1所述的涂层-基体体系的超声疲劳试验方法，其特征在于：涂层-基体体系试件制备后，采用超声弯曲疲劳试验系统开展超高周疲劳试验。
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