CN104535436A - 一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备 - Google Patents
一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，包括被测试试件、工具头、基座***、超声振动***、测力***和声发射***；超声振动***装接在基座***；工具头固接在超声振动***；声发射***装接于工具头；测力***装接在基座***；被测试试件固接在测力***；通过基座***调节被测试试件与工具头位置；通过超声振动***使二者间发生剪切作用；通过测力***检测工具头与被测试试件间力的动态变化；通过声发射***检测被测试试件达到疲劳破坏时的声发射信号。本发明可以对均质材料在微观尺度下的高频剪切疲劳特性进行量化分析，相关测试结果可以用于高速齿轮抗点蚀、刀具涂层抗剥落等能力的评价及相应产品的设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备。
背景技术
随着产品性能和使用要求的不断提高，材料的微观疲劳特性越来越被工业界所关注，高速齿轮的点蚀、刀具涂层的剥落等物理现象，究其机理都是材料在微观尺度剪切疲劳的宏观体现。但是现在对材料疲劳特性的测试方法还主要集中在宏观尺度上，利用万能力学试验机等设备可以进行零件在拉、压、扭转等多种应力状态下的疲劳特性分析，得到的疲劳强度和S-N曲线可以对零件的宏观破坏分析及寿命预测有较好的指导意义。但是同一种材料在宏观和微观条件下往往表现出不同的疲劳特性，比如先进刀具涂层材料，其宏观力学特性，如强度、硬度、疲劳极限强度等都得到明显的提升，但是在微观尺度，其抗点蚀、抗局部破坏能力的提升十分有限，因此宏观疲劳特性的测试结果不能用于微观疲劳特性的分析。但现有技术中还未见有对材料微观高频冲击剪切特性进行测试的设备。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，可以对均质材料在微观尺度下的高频剪切疲劳特性进行量化分析，相关测试结果可以用于高速齿轮抗点蚀、刀具涂层抗剥落等能力的评价及相应产品的设计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，包括：被测试试件5及与被测试试件5发生剪切作用的工具头7；还包括基座***、超声振动***、测力***和声发射***；
所述超声振动***装接在基座***上；所述工具头7固接在超声振动***上；所述声发射***装接于工具头7；所述测力***装接在基座***上；所述被测试试件5固接在测力***上；
通过基座***调节被测试试件5与工具头7的相对位置；通过超声振动***使工具头7发生振动从而实现工具头7与被测试试件5间发生剪切作用；通过测力***检测工具头7与被测试试件5间力的动态变化；通过声发射***检测工具头7与被测试试件5间剪切作用过程中被测试试件5达到疲劳破坏时的声发射信号。
一实施例中：所述基座***包括光学平板1，X轴滑台3，Y轴滑台2和Z轴滑台11；Y轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿Y轴方向滑动；X轴滑台3滑动装接在Y轴滑台2上且可沿X轴方向滑动；Z轴滑台11滑动装接在光学平板1上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；通过X轴滑台3、Y轴滑台2和Z轴滑台11使被测试试件5和工具头7可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试试件5与工具头7的相对位置；
所述超声振动***包括超声发生器，超声变幅杆9和连接杆8；超声变幅杆9装接在Z轴滑台11，超声发生器传动连接超声变幅杆9；连接杆8固接在超声变幅杆9上；所述工具头7固接在连接杆8上；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆9和连接杆8传递至工具头7以使工具头7发生振动从而实现工具头7与被测试试件5间发生剪切作用；
所述测力***包括力传感器4，第一电荷放大器和第一数据采集卡；力传感器4固接在X轴滑台3上，该第一电荷放大器信号连接力传感器4，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；所述被测试试件5固接在力传感器4；
所述声发射***包括声发射传感器，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器装设于工具头7内，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器。
一实施例中：所述工具头7上固设有磨粒6，该磨粒6为压头或滚珠；所述压头为金刚石或立方氮化硼材质，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.008～0.21mm，圆锥角θ＝55°～125°；所述滚珠为硬质合金或不锈钢材质。
一实施例中：所述被测试试件5经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度不大于Ra0.1μm，该被测试试件5用超声清洗机清洗后固接在力传感器4。
一实施例中：所述连接杆8为带锥度螺钉；所述连接杆8螺接在超声变幅杆9上。
一实施例中：所述X轴滑台3由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Y轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm。
一实施例中：所述力传感器4的性能参数为：测力范围为-25N～25N，测力精度高于0.0025N，采样频率高于8KHz；所述声发射传感器的性能参数为：频率范围为48～1010kHz，谐振频率大于78kHz，灵敏度峰值大于65dB；所述超声发生器的性能参数为：振动频率f＝18～42KHz，振幅范围为0～22μm。
一实施例中：所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备的使用方法，包括：
1)通过X轴滑台3和Y轴滑台2调整被测试试件5在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对工具头7；
2)通过Z轴滑台11调整工具头7在Z轴方向上的位置使其与被测试试件5刚好接触；
3)启动超声振动***以使工具头7发生振动，从而实现工具头7与被测试试件5发生剪切作用；记录剪切作用时间；
4)通过测力***检测工具头7与被测试试件5间剪切作用过程中力的动态变化；
5)通过声发射***检测工具头7与被测试试件5间剪切作用过程中被测试试件5达到疲劳破坏时的声发射信号；
6)检测到被测试试件5达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，根据剪切作用时间、超声振动频率计算剪切次数，从而得到被测试试件5的剪切疲劳测试数据。
一实施例中：所述步骤2)中，判断工具头7与被测试试件5刚好接触的方法包括：
21)通过Z轴滑台11调整工具头7在Z轴方向上的位置使其靠近被测试试件5，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过Z轴滑台11调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
22)启动测力***，每次以Z轴滑台11的最小位移移动Z轴滑台11并通过测力***检测工具头7与被测试试件5间接触力的实时变化；当接触力到达临界值Ncrit时，停止移动Z轴滑台11，此时即为工具头7与被测试试件5刚好接触。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
本发明提供的一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，较传统的用宏观尺度的设备和方法来测试材料微观尺度上的疲劳特性来说，实现了对材料在微观尺度下的高频剪切疲劳特性进行量化分析，同时为相应的产品设计提供疲劳强度和S-N曲线等基础数据，相关测试结果可以用于高速齿轮抗点蚀、刀具涂层抗剥落等能力的评价及相应产品的设计。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1所示为本发明的一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备示意图。
附图标记：1.光学平板；2.Y轴滑台；3.X轴滑台；4.力传感器；5.被测试试件；6.磨粒；7.工具头；8.连接杆；9.超声变幅杆；10.变幅杆支架；11.Z轴滑台。
具体实施方式
下面通过实施例具体说明本发明的内容：
请查阅图1，一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，包括：被测试试件5及与被测试试件5发生剪切作用的工具头7；还包括基座***、超声振动***、测力***和声发射***；
所述基座***包括光学平板1，X轴滑台3，Y轴滑台2和Z轴滑台11；Y轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿Y轴方向滑动；X轴滑台3滑动装接在Y轴滑台2上且可沿X轴方向滑动；Z轴滑台11滑动装接在光学平板1上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；
所述超声振动***包括超声发生器，超声变幅杆9和连接杆8；超声变幅杆9通过变幅杆支架10装接在Z轴滑台11，超声发生器传动连接超声变幅杆9；连接杆8固接在超声变幅杆9上；所述工具头7固接在连接杆8上；
所述测力***包括力传感器4，第一电荷放大器和第一数据采集卡；力传感器4固接在X轴滑台3上，该第一电荷放大器信号连接力传感器4，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；所述被测试试件5固接在力传感器4；
所述声发射***包括声发射传感器8，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器8装设于工具头7内，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器8，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器；
通过X轴滑台3、Y轴滑台2和Z轴滑台11使被测试试件5和工具头7可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试试件5与工具头7的相对位置；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆9和连接杆8传递至工具头7以使工具头7发生振动从而实现工具头7与被测试试件5间发生剪切作用；通过测力***检测工具头7与被测试试件5间力的动态变化；通过声发射***检测工具头7与被测试试件5间剪切作用过程中被测试试件5达到疲劳破坏时的声发射信号。
本实施例之中，所述工具头7上通过钎焊或螺接有磨粒6，该磨粒6为压头或滚珠；所述压头为金刚石或立方氮化硼材质，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.01～0.2mm，圆锥角θ＝60°～120°；所述滚珠为硬质合金或不锈钢材质。
本实施例之中，所述被测试试件5经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度达到Ra0.1μm，该被测试试件5用超声清洗机清洗后固接在力传感器4。
本实施例之中，所述连接杆8为带锥度螺钉；其螺纹的锥度部分在螺钉的尾部，超声变幅杆9端面上设有螺纹孔，带锥度螺钉的锥度部分与该螺纹孔内锥面适配以使连接杆8螺接在超声变幅杆9上。
本实施例之中，所述X轴滑台3由步进电机驱动，其步进精度优于10μm；所述Y轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于10μm；所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于0.3μm。
本实施例之中，所述力传感器4的性能参数为：测力范围为-20N～20N，测力精度高于0.002N，采样频率高于10KHz；所述声发射传感器的性能参数为：频率范围为50～1000kHz，谐振频率大于80kHz，灵敏度峰值大于70dB；所述超声发生器的性能参数为：振动频率f＝20～40KHz，振幅范围为0～20μm。
本实施例之中，所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。
本发明现场使用方式如下：
1)通过X轴滑台3和Y轴滑台2调整被测试试件5在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对工具头7；
2)通过Z轴滑台11调整工具头7在Z轴方向上的位置使其与被测试试件5刚好接触；判断工具头7与被测试试件5刚好接触的方法如21)-22)所示：
21)通过Z轴滑台11调整工具头7在Z轴方向上的位置使其靠近被测试试件5，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过Z轴滑台11调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
22)启动测力***，每次以Z轴滑台11的最小位移移动Z轴滑台11并通过测力***检测工具头7与被测试试件5间接触力的实时变化；当接触力到达临界值Ncrit时，停止移动Z轴滑台11，此时即为工具头7与被测试试件5刚好接触，所述临界值Ncrit＝0.005～0.02N，根据被测试试件5的材料强度确定，材料强度越大，Ncrit越高；本实施例之中，Ncrit＝0.01N；
3)启动超声振动***以使工具头7发生振动，从而实现工具头7与被测试试件5发生高频剪切作用，该高频剪切作用例如为剪切滑动或剪切滚动；记录剪切作用时间；
4)通过测力***检测工具头7与被测试试件5间剪切作用过程中摩擦力的动态变化；
5)通过声发射***检测工具头7与被测试试件5间剪切作用过程中被测试试件5达到疲劳破坏时的声发射信号，在剪切滑动或滚动过程中被测试试件5达到疲劳破坏后，声发射信号会有明显的变化；
6)检测到被测试试件5达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，根据剪切作用时间、超声振动频率计算剪切次数，从而得到被测试试件5的剪切疲劳测试数据。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，其特征在于：包括：被测试试件(5)及与被测试试件(5)发生剪切作用的工具头(7)；还包括基座***、超声振动***、测力***和声发射***；
所述超声振动***装接在基座***上；所述工具头(7)固接在超声振动***上；所述声发射***装接于工具头(7)；所述测力***装接在基座***上；所述被测试试件(5)固接在测力***上；
通过基座***调节被测试试件(5)与工具头(7)的相对位置；通过超声振动***使工具头(7)发生振动从而实现工具头(7)与被测试试件(5)间发生剪切作用；通过测力***检测工具头(7)与被测试试件(5)间力的动态变化；通过声发射***检测工具头(7)与被测试试件(5)间剪切作用过程中被测试试件(5)达到疲劳破坏时的声发射信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，其特征在于：
所述基座***包括光学平板(1)，X轴滑台(3)，Y轴滑台(2)和Z轴滑台(11)；Y轴滑台(2)滑动装接在光学平板(1)上且可沿Y轴方向滑动；X轴滑台(3)滑动装接在Y轴滑台(2)上且可沿X轴方向滑动；Z轴滑台(11)滑动装接在光学平板(1)上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；通过X轴滑台(3)、Y轴滑台(2)和Z轴滑台(11)使被测试试件(5)和工具头(7)可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试试件(5)与工具头(7)的相对位置；
所述超声振动***包括超声发生器，超声变幅杆(9)和连接杆(8)；超声变幅杆(9)装接在Z轴滑台(11)，超声发生器传动连接超声变幅杆(9)；连接杆(8)固接在超声变幅杆(9)上；所述工具头(7)固接在连接杆(8)上；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆(9)和连接杆(8)传递至工具头(7)以使工具头(7)发生振动从而实现工具头(7)与被测试试件(5)间发生剪切作用；
所述测力***包括力传感器(4)，第一电荷放大器和第一数据采集卡；力传感器(4)固接在X轴滑台(3)上，该第一电荷放大器信号连接力传感器(4)，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；所述被测试试件(5)固接在力传感器(4)；
所述声发射***包括声发射传感器，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器装设于工具头(7)内，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，其特征在于：所述工具头(7)上固设有磨粒(6)，该磨粒(6)为压头或滚珠；所述压头为金刚石或立方氮化硼材质，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.008～0.21mm，圆锥角θ＝55°～125°；所述滚珠为硬质合金或不锈钢材质。
4.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，其特征在于：所述被测试试件(5)经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度不大于Ra0.1μm，该被测试试件(5)用超声清洗机清洗后固接在力传感器(4)。
5.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，其特征在于：所述连接杆(8)为带锥度螺钉；所述连接杆(8)螺接在超声变幅杆(9)上。
6.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，其特征在于：所述X轴滑台(3)由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Y轴滑台(2)由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Z轴滑台(11)由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm。
7.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，其特征在于：所述力传感器(4)的性能参数为：测力范围为-25N～25N，测力精度高于0.0025N，采样频率高于8KHz；所述声发射传感器的性能参数为：频率范围为48～1010kHz，谐振频率大于78kHz，灵敏度峰值大于65dB；所述超声发生器的性能参数为：振动频率f＝18～42KHz，振幅范围为0～22μm。
8.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备，其特征在于：所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。
9.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备的使用方法，其特征在于：包括：
1)通过X轴滑台(3)和Y轴滑台(2)调整被测试试件(5)在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对工具头(7)；
2)通过Z轴滑台(11)调整工具头(7)在Z轴方向上的位置使其与被测试试件(5)刚好接触；
3)启动超声振动***以使工具头(7)发生振动，从而实现工具头(7)与被测试试件(5)发生剪切作用；记录剪切作用时间；
4)通过测力***检测工具头(7)与被测试试件(5)间剪切作用过程中力的动态变化；
5)通过声发射***检测工具头(7)与被测试试件(5)间剪切作用过程中被测试试件(5)达到疲劳破坏时的声发射信号；
6)检测到被测试试件(5)达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，根据剪切作用时间、超声振动频率计算剪切次数，从而得到被测试试件(5)的剪切疲劳测试数据。
10.根据权利要求9所述的一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备的使用方法，其特征在于：所述步骤2)中，判断工具头(7)与被测试试件(5)刚好接触的方法包括：
21)通过Z轴滑台(11)调整工具头(7)在Z轴方向上的位置使其靠近被测试试件(5)，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过Z轴滑台(11)调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
22)启动测力***，每次以Z轴滑台(11)的最小位移移动Z轴滑台(11)并通过测力***检测工具头(7)与被测试试件(5)间接触力的实时变化；当接触力到达临界值Ncrit时，停止移动Z轴滑台(11)，此时即为工具头(7)与被测试试件(5)刚好接触。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201410852063.XA CN104535436A (zh) | 2014-12-31 | 2014-12-31 | 一种基于超声振动的微观尺度材料剪切疲劳测试设备 |
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ID=52851010
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150422 |