[发明专利]含等截面段板状试样的金属超声疲劳试验方法

说明书

本发明公开了一种含等截面段板状试样的金属超声疲劳试验方法，包括以下三部分内容：第一部分、首先根据试验材料的密度和弹性模量，采用解析计算得到含等截面段板状轴向拉压超声疲劳试样的尺寸设计公式；第二部分、推导含等截面段板状试样和圆弧形试样之间的应力转换公式，将含等截面板状超声疲劳试样的应力转换成系统控制软件上的圆弧形试样对应的应力，利用已有的设备和软件来完成含等截面板状试样的超声疲劳试验控制；第三部分、推导当含等截面段板状试样的实际尺寸与设计尺寸存在偏差时的应力修正公式，保证试验控制更加精确。本发明适用于不同金属材料，涵盖范围广；可用于完成含等截面段板状试样的超高周疲劳试验，无需升级，节约成本。

技术领域

本发明涉及金属材料超声疲劳性能测试领域，尤其是指一种含等截面段板状试样的金属超声疲劳试验方法。

背景技术

疲劳现象是结构材料在循环载荷下，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。统计显示大约80％以上的结构强度破坏都是由于疲劳造成的，因此材料的疲劳性能测试与研究意义重大。传统的疲劳性能研究一般以10⁷作为极限循环周次。而事实上，一些应用在关键零部件上的高强度钢，或受高频载荷作用的结构用钢，其实际使用寿命往往要达到10⁸～10¹⁰周次，越来越多的结果也已经证实许多工程用钢在10⁷次应力循环后仍会发生疲劳断裂，且其断裂一般起源于试样内部，起裂形式更为隐蔽，因此研究材料的超高周疲劳性能显得更加重要。

超声疲劳试验是一种测试材料疲劳性能的新技术，相对于传统的疲劳测试技术它的优点显而易见，它的工作频率极高，可以极大的提高疲劳试验的效率。传统的高频疲劳试验工作频率在100～200Hz，而超声疲劳试验的工作频率可以达到2.0×10⁴Hz，测试一根疲劳寿命为1.0×10⁹的试样，传统的高频疲劳需要进行100天左右不间断的试验，而采用超声疲劳试验技术仅需一天左右的时间即可完成。超声疲劳试验技术是疲劳测试领域的一项革新，极大的提高了试验效率和研发效率，适用于金属材料的超高周疲劳性能测试。

超声疲劳试验技术是使试样受激谐振而发生共振现象。超声信号由压电陶瓷换能器发出，高频电源供给的电信号被转换成相同频率的机械振动，然后经振动位移放大器放大。试样一端与位移放大器相相连，另外一端自由。在位移放大器的激励下发生谐振，在试样中生成谐振波，沿试样轴向形成拉—压对称循环载荷，建立纵向位移、应力(应变)场，因此，在设计超声疲劳试样时，其几何形状必须在超声频率下满足谐振条件。

武钢引入的超声疲劳试验机为日本岛津公司生产的USF-2000超声疲劳试验机，设备上的系统控制软件只配有两种试样类型：圆弧形试样和缺口形试样，如附图1和2所示。试样类型的欠缺极大的限制了超声疲劳试验机的应用。其主要问题如下：

1.当需要对板状试样进行超声疲劳时，例如需要对汽车板用钢进行超声疲劳时，现有的控制软件中仅有的两种试样类型无法完成。

2.对含明显缺陷(如夹杂、缩孔)的材料，需要试样有一段等应力区域，这样在进行超高周疲劳试验过程中可以在更大的区域寻找材料缺陷，得到更为安全的疲劳试验结果，同时，当需要研究材料的表面处理对疲劳性能的影响时，也需要试样有一段等应力区域便于表面处理。现有的控制软件中仅有的两种试样类型工作时不含等应力区域，无法完成。

3.一般超声疲劳试验机稳定工作的位移幅值区间为10μm～50μm。对某些强度水平较低的材料，若设计成圆弧形试样来进行试验，可能会出现位移幅值过小而导致试验不稳定，甚至无法起振的情况。

4.试样加工完成后，由于加工误差导致试样的实际尺寸和设计尺寸不可避免的存在偏差，另外，由于超声疲劳试样对其表面光洁度要求很高，试样加工完成后，通常需要采用砂纸对其中间部位进行打磨抛光，这也会导致试样的尺寸与预先设计的尺寸产出偏差。当试样的实际尺寸与设计尺寸偏差达到一定程度后，试样的实际振动频率和应力幅值与设计值相应的也会产生偏差，从而影响试验结果的精度。