[发明专利]一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备。

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，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剪切疲劳的宏观体现。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，比如先进刀具涂层材料，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。但现有技术中还未见有对材料微观高频冲击剪切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剪切疲劳测试设备，可以对均质材料在微观尺度下的高频剪切疲劳特性进行量化分析，相关测试结果可以用于高速齿轮抗点蚀、刀具涂层抗剥落等能力的评价及相应产品的设计。

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剪切疲劳测试设备，包括：被测试试件5及与被测试试件5发生剪切作用的工具头7；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；所述工具头7固接在超声振动系统上；所述声发射系统装接于工具头7；所述测力系统装接在基座系统上；所述被测试试件5固接在测力系统上；

通过基座系统调节被测试试件5与工具头7的相对位置；通过超声振动系统使工具头7发生振动从而实现工具头7与被测试试件5间发生剪切作用；通过测力系统检测工具头7与被测试试件5间力的动态变化；通过声发射系统检测工具头7与被测试试件5间剪切作用过程中被测试试件5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3，Y轴滑台2和Z轴滑台11；Y轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿Y轴方向滑动；X轴滑台3滑动装接在Y轴滑台2上且可沿X轴方向滑动；Z轴滑台11滑动装接在光学平板1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；通过X轴滑台3、Y轴滑台2和Z轴滑台11使被测试试件5和工具头7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5与工具头7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8；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8固接在超声变幅杆9上；所述工具头7固接在连接杆8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8传递至工具头7以使工具头7发生振动从而实现工具头7与被测试试件5间发生剪切作用；

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X轴滑台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；所述被测试试件5固接在力传感器4；

所述声发射系统包括声发射传感器，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器装设于工具头7内，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器，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7上固设有磨粒6，该磨粒6为压头或滚珠；所述压头为金刚石或立方氮化硼材质，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°；所述滚珠为硬质合金或不锈钢材质。

一实施例中：所述被测试试件5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5用超声清洗机清洗后固接在力传感器4。

一实施例中：所述连接杆8为带锥度螺钉；所述连接杆8螺接在超声变幅杆9上。

一实施例中：所述X轴滑台3由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Y轴滑台2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0.35μm。

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。