[发明专利]一种涂层-基体体系的超声疲劳试验方法

说明书

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。

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：