[发明专利]基于DIC的超声疲劳试样应变测量和校准方法

说明书

本发明公开了一种基于DIC的超声疲劳试样应变测量和校准方法，属于金属材料超声疲劳性能测试领域，获取目标试样在目标超声频率振动过程中的若干周期内的照片；利用DIC方法，根据拍摄照片得到目标试样的应变数据，获取应变数据的频谱图，从而得到目标试样的谐振频率和应变幅值；由胡克定律得到目标试样的应力幅值，若应力幅值与预设应力幅值之间的差值不在预设范围内，则按照应力幅值与预设应力幅值之间的比值将预设应力幅值校准成实际应力幅值，或者按照应力幅值与预设应力幅值之间的比值对预设应力幅值进行修约。本发明直接通过测试超声疲劳试样的应变来验证试样的应力幅值是否准确，并对应力幅值进行校核，更加科学、更准确。

技术领域

本发明属于金属材料超声疲劳性能测试领域，更具体地，涉及一种超声疲劳试验过程中试样的应变测试和校准方法。

背景技术

随着现代工业的发展，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，例如桥索钢、高铁重轨用钢、航空航天叶片用钢等，其实际使用寿命要求高达10⁸～10¹⁰周次。大量的试验结果和工程案例已经证实许多工程用钢及合金材料结构在10⁷次应力循环后仍会发生疲劳断裂，传统的以10⁷为极限的疲劳强度评价方法已不在适用。

超声疲劳试验是一种测试材料疲劳性能的新技术，超声疲劳试验的工作频率可以达到2.0×10⁴Hz，测试一根寿命为10⁹的试样，超声疲劳试验仅需一天左右即可完成。超声疲劳试验技术是研究高强金属材料超高周疲劳性能最有效的手段。

超声疲劳试验过程中，换能器、位移放大器和试样组成一个力学振动系统，试样的一端固定在放大器末端，另一端自由。换能器将超声发生器产生的高频电信号转化成机械振动，再由位移放大器进行放大，使试样获得所需的振动位移。而换能器电压与输出端的振动位移幅值为线性关系，在给定试样端部位移幅值后，超声疲劳试验机通过改变换能器的电压来调整位移幅值。

超声疲劳试验是以外加信号激励试件发生谐振，在试件中生成谐振波，沿试件长度方向建立纵向位移、应力-应变场，从而实现加载，试验系统受力情况如图1所示。

常规疲劳由于频率较低，试验过程中光滑试样应力的理论值直接按照准静态拉伸来计算，即用外加载荷除以试样的最小横截面。而应变测量通常采用引申计或动态应变仪进行测量。与常规疲劳不同的是，超声疲劳试验由于频率极高，并且试验系统采用的是位移控制模式，其应力幅值理论值通过对位移幅函数求导得到，而位移幅函数则是根据试样谐振时的纵向波动方程求解得到。因此，超声疲劳试样的应力幅值与试样尺寸、弹性模量、密度、振动频率、自由端部位移等参数相关，如图2所示。

试验过程中，试样尺寸、材料弹性模量、密度、系统谐振频率、自由端部振动位移这些参数的理论值都可能与实际值存在偏差，例如试样的实际尺寸因为加工的原因，很难与实际设计尺寸完全一致。这些偏差都将导致试样的实际应力幅值与设定值不同，从而导致超高周疲劳测试结果不准确。

因此，尽管超声疲劳试验系统为位移控制，仅对超声疲劳试样振动位移进行校准是不够的。需要直接对超声疲劳试样的应力应变进行测量和校准来保证超声疲劳试验的准确性。

沙漏形试样、狗骨形试样和板状试样是三种最为常见的超声疲劳试样，如图3中的超声疲劳沙漏形试样，图4中的超声疲劳狗骨形试样，图5中的超声疲劳板状试样所示，其中沙漏形试样用的最多，70％以上的超声疲劳试验都采用的沙漏形试样。超声疲劳试样一般很小，无法通过引申计测量应变。部分狗骨形试样和板状试样的应变可以通过高速应变仪采集得到，而沙漏形和缺口形等形状试样因为试样形状的限制无法粘贴应变片，因此无法采用高速应变仪测得其2.0×10⁴Hz下的动态应变。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于DIC的超声疲劳试样应变测量和校准方法，可以不受试样形状和尺寸限制，进行应变测量和校准。