[发明专利]一种超声疲劳试验试样应力应变校准方法

说明书

本发明公开了一种超声疲劳试验试样应力应变校准方法，属于金属材料超声疲劳性能测试领域，采集得到试验过程中目标频率下试样的动态应变曲线，再根据动态应变曲线波形计算得到目标试样的应变幅值；由胡克定律根据目标试样的应变幅值计算得到目标试样的应力幅值，若目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的差值不在预设范围内，则按照目标试样的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，或按照目标试样的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。本发明直接通过采集超声疲劳试样的应力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，相比以往的位移检定方法，本发明的方法更科学、更有效。

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力应变测试和校准方法。

背景技术

大量的工程案例以及疲劳试验研究表明很多金属材料零部件超过10⁷应力循环后仍会发生疲劳断裂，并不存在常规疲劳试验曲线所示的“疲劳极限”，因此用10⁷周次的疲劳试验数据进行疲劳强度设计并不安全。常规疲劳试验机频率都低于200Hz，提供超过10⁷以上的循环周次需要极长时间。超声疲劳试验技术是一种加速共振式的疲劳试验方法，它的测试频率2.0×10⁴Hz远远超过了常规疲劳测试频率，用这样高的频率不仅可以节省疲劳试验的时间，而且可以测得常规疲劳试验几乎不可能得到的超过10⁷周次的超高周疲劳性能。

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的应力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。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，再例如试样材料的弹性模量因为测试的误差，也很难保证弹性模量测量值的精确。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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种超声疲劳试验试样应力应变校准方法，解决了超声疲劳试验应力应变测量和校核准确性的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种超声疲劳试验试样应力应变校准方法，包括：

采集得到试验过程中目标频率下试样的动态应变曲线，再根据采集到的动态应变曲线波形计算得到目标试样的应变幅值；

由胡克定律根据目标试样的应变幅值计算得到目标试样的应力幅值，将目标试样的应力幅值与预设应力幅值进行对比，判断两者之间的差值是否在预设范围内；