[发明专利]一种非共振形式的高频振动裂解试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种非共振形式的高频振动裂解试验装置及方法，涉及裂解试验领域，包括胀套和楔形工具头；所述胀套置于试样放置板上，胀套包括左胀套和右胀套，左胀套和右胀套通过方槽卡在楔形工具头小端的外侧；所述楔形工具头的小端与超声变幅杆的一端连接，所述超声变幅杆的另一端与超声波换能器连接，超声波换能器与超声波发生器连接。该装置及方法扩大了振幅的适用范围，与常规共振形式裂解相比，不易产生未拉而振断的现象，同时扩大了研究范围，如超声振动的频率、振幅和拉伸机速度等对金属材料裂解过程和结果影响的一般性规律。

技术领域

本发明涉及裂解试验领域，特别涉及非共振形式的高频振动裂解实验装置及方法。

背景技术

超声波的应用越来越广泛，已经被越来越多得适用于各种机械加工领域，但目前关于超声应用于裂解领域的研究并不多；材料进行塑性变形时,同时出现软化和硬化效应，且低振幅时随着振幅的增加，材料的变形抗力降低，此时材料的“软化机制”占据主导地位，而高振幅时振幅提高，材料的变形抗力增加，延伸率下降，此时材料的“硬化”机制占主导地位。有文献资料关于振动对裂纹扩展的研究，发现高频振动会使得物体在缺口处迅速形成应力集中，并导致物体在缺口处的快速断裂，同时削弱裂纹尖端的塑性区和残余应力对裂纹扩展的影响。

姜良斌针对铝合金超声振动拉伸进行了一系列试验，研究了超声振动对材料拉伸极限的影响规律，发现振动的施加使材料的拉伸极限降低，且随着振幅的增大，超声振动对材料的软化效应、硬化效应作用都有所增强。但他所使用的试验设备最大振幅为5.39μm，无法研究较大振幅对材料性能的影响，研究结果具有一定的局限性。

为了研究高频振动对材料裂解时的裂解力、断口变形量、裂纹扩展规律和断口形貌的影响，需要保证裂解装置可满足超声振幅的适应范围广、频率可调，且拉伸机速度可调。但目前现有的超声裂解试验装置均采用试样一端和超声振动装置连接，另一端使用夹具固定的形式，这样不利于超声波能量的传递，且会对装置造成损坏，而且试验时对超声的振幅控制要求较高，一旦振幅过高会导致试样直接振动，影响试验结果。

发明内容

本发明提出一种非共振形式的高频振幅裂解试验装置及方法，通过将超声变幅杆与楔形工具头螺纹连接，调节计算机系统直接控制超声的振幅和频率，保证试样不会由于振幅过高而振断，同时有效地将超声能量传递给试样，使得试验过程更加稳定、试验结果更加可靠。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种非共振形式的高频振动裂解试验装置，包括胀套和楔形工具头；所述胀套置于试样放置板上，胀套包括左胀套和右胀套，左胀套和右胀套通过方槽卡在楔形工具头小端的外侧；所述楔形工具头的小端与超声变幅杆的一端连接，所述超声变幅杆的另一端与超声波换能器连接，超声波换能器与超声波发生器连接。

进一步的，所述楔形工具头设置在上固定支架内，上固定支架包括试样放置板和上固定板；所述上固定板可通过螺栓固定在支撑架上。

进一步的，所述超声变幅杆一端设置在下固定支架内，下固定支架包括变幅杆固定圆板和下固定块，所述超声变幅杆穿过变幅杆固定圆板，且可随变幅杆固定圆板移动；下固定块可与拉伸试验机连接，从而带动下固定支架移动。

进一步的，所述超声波发生器通过计算机控制。

进一步的，裂解试验前，试样套装在胀套的外侧。

进一步的，试样内侧对称开设有裂解槽，裂解槽与胀套外侧上的配合面对齐布置。

进一步的，所述裂解槽，槽深0.2mm～0.8mm，角度0°～8°，曲率半径0.2mm～0.8mm。

进一步的，所述楔形工具头楔角为12～16°。

非共振形式的高频振动裂解试验装置的试验方法，包括如下步骤：