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一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法，包括如下步驟：(1)將均質(zhì)金屬或非金屬試樣的一端牢固連接于一超聲振動發(fā)生裝置上，并使其另一端與一位置固定的金剛石壓頭接觸，該金剛石壓頭與一高精度測力系統(tǒng)相連；(2)調(diào)整上述超聲振動發(fā)生裝置的參數(shù)以得到所需測試的振動頻率f和振幅A，產(chǎn)生超聲振動以使金剛石壓頭對所述均質(zhì)金屬或非金屬試樣產(chǎn)生局部沖擊，引起微觀尺度的高頻交變載荷；(3)利用上述高精度測力系統(tǒng)測量試樣振動時(shí)的交變沖擊力，從而計(jì)算出試樣局部受到的交變應(yīng)力；(4)用掃描電鏡在不同的時(shí)間觀察金剛石壓頭與試樣的接觸區(qū)域的疲勞破壞情況，得到微觀尺度材料的疲勞強(qiáng)度和交變應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線。
【專利說明】一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著產(chǎn)品性能和使用要求的不斷提高，材料的微觀疲勞特性越來越被工業(yè)界所關(guān)注，高速齒輪的點(diǎn)蝕、金屬加工刀具的微崩刃等，究其機(jī)理都是材料在微觀尺度疲勞的宏觀體現(xiàn)。但是現(xiàn)在對材料疲勞特性的測試方法還主要集中在宏觀尺度上，利用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備可以進(jìn)行零件在拉、壓、扭轉(zhuǎn)等多種應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞特性分析，得到的疲勞強(qiáng)度和S-N曲線可以對零件的宏觀破壞分析及壽命預(yù)測有較好的指導(dǎo)意義。但是同一種材料在宏觀和微觀條件下往往表現(xiàn)出不同的疲勞特性，比如超細(xì)晶粒合金材料，其宏觀力學(xué)特性，如強(qiáng)度、硬度、疲勞極限強(qiáng)度等都得到明顯的提升，但是在微觀尺度，其抗點(diǎn)蝕、抗局部破壞能力要明顯低于粗晶粒合金材料，因此宏觀疲勞特性的測試結(jié)果不能用于微觀疲勞特性的分析?，F(xiàn)有技術(shù)中尚未出現(xiàn)能夠有效測試試樣的微觀疲勞特性的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法。
[0004]本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0005]一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法，包括如下步驟:
[0006](I)將均質(zhì)金屬或非金屬試樣的一端牢固連接于一超聲振動發(fā)生裝置上，并使其另一端與一位置固定的金剛石壓頭接觸，該金剛石壓頭與一高精度測力系統(tǒng)相連，金剛石壓頭與試樣的接觸狀態(tài)通過接觸力臨界值Nrait判斷；
[0007](2)調(diào)整上述超聲振動發(fā)生裝置的參數(shù)以得到所需測試的振動頻率f和振幅A，產(chǎn)生超聲振動以使金剛石壓頭對所述均質(zhì)金屬或非金屬試樣產(chǎn)生局部沖擊，引起微觀尺度的高頻交變載荷，其中振動頻率f為20?30kHz，所述振幅為O?10 μ m ;
[0008](3)利用上述高精度測力系統(tǒng)測量試樣振動時(shí)的交變沖擊力，從而計(jì)算出試樣局部受到的交變應(yīng)力，交變應(yīng)力的計(jì)算方法為交變接觸力除以接觸面積；
[0009](4)用掃描電鏡在不同的時(shí)間觀察金剛石壓頭與試樣的接觸區(qū)域的疲勞破壞情況，得到微觀尺度材料的疲勞強(qiáng)度和交變應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線。
[0010]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案中，所述振動頻率f和振幅A由激光位移傳感器測量，該激光位移傳感器的基本參數(shù)為:位移重復(fù)測量精度為0.025 μ m，采樣頻率392kHz。
[0011]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案中，所述金剛石壓頭的形狀為帶圓頭的圓周，該圓頭的半徑R為0.1?0.2mm，圓錐角Θ為60?120°。
[0012]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述接觸面積的計(jì)算公式為π (2RA-A2)。
[0013]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案中,所述接觸力臨界值Nrait為0.0lN0
[0014]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述高精度測力系統(tǒng)包括依次相連的高精度力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡和電腦，其中高精度力傳感器的基本參數(shù)為:測力范圍為-20?20N，測力精度高于0.002N,固有頻率小于5kHz或大于50kHz以避開共振頻率；數(shù)據(jù)采集卡的基本參數(shù)為:采樣頻率高于IMHz，A/D分辨率高于12Bit。
[0015]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案中，所述疲勞破壞情況包括:環(huán)狀疲勞裂紋、發(fā)散狀疲勞裂紋和材料剝落，其中當(dāng)發(fā)生材料剝落時(shí)，即認(rèn)為試樣達(dá)到疲勞壽命。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的測試方法可以對均質(zhì)材料在微觀尺度下的高頻疲勞特性進(jìn)行測試和量化分析，測試結(jié)果可以用于高速齒輪抗點(diǎn)蝕、刀具抗破損等能力的評價(jià)，同時(shí)為相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供疲勞強(qiáng)度和S-N曲線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中Kistler9256C2測力儀測得的沖擊力信號曲線，其中，橫軸為沖擊時(shí)間，單位為秒；縱軸為沖擊力數(shù)值，單位為牛頓；
[0018]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中Keyence G5000激光位移傳感器測得的振動信號曲線，其中，橫軸為沖擊時(shí)間，單位為秒；縱軸為振幅數(shù)值，單位為微米；
[0019]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中掃描電鏡觀察所得的不同沖擊時(shí)間后的壓痕微觀形貌圖；
[0020]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中金屬陶瓷刀具的高頻微觀疲勞的S-N曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下通過【具體實(shí)施方式】結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步的說明和描述。
[0022]實(shí)施例1
[0023](I)將金屬陶瓷刀具(主要成分TiC)的一端牢固連接于一超聲振動發(fā)生裝置上，并使其另一端與一位置固定的金剛石壓頭接觸，該金剛石壓頭與一高精度測力系統(tǒng)相連，金剛石壓頭與試樣的接觸狀態(tài)通過接觸力臨界值Nrait判斷，所述接觸力臨界值Nrait為0.01N,所述金剛石壓頭的形狀為帶圓頭的圓周，該圓頭的半徑R為0.2mm,圓錐角Θ為90° ;所述高精度測力系統(tǒng)包括依次相連的Kistler9256C2測力儀、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡和電腦，其中高精度力傳感器的基本參數(shù)為:測力范圍為-20?20N，測力精度高于0.002N,固有頻率小于5kHz或大于50kHz以避開共振頻率；數(shù)據(jù)采集卡的基本參數(shù)為:采樣頻率高于IMHz，A/D分辨率高于12Bit ；
[0024](2)調(diào)整上述超聲振動發(fā)生裝置的參數(shù)以得到所需測試的振動頻率f和振幅A，產(chǎn)生超聲振動以使金剛石壓頭對金屬陶瓷刀具產(chǎn)生局部沖擊，引起微觀尺度的高頻交變載荷，其中振動頻率f為28000kHz，所述振幅為2 μ m，所述振動頻率f和振幅A由KeyenceG5000激光位移傳感器測量，該激光位移傳感器的基本參數(shù)為:位移重復(fù)測量精度為
0.025 μ m,采樣頻率 392kHz ；
[0025](3)利用上述高精度測力系統(tǒng)測量試樣振動時(shí)的交變沖擊力，從而計(jì)算出試樣局部受到的交變應(yīng)力，交變應(yīng)力的計(jì)算方法為交變接觸力除以接觸面積，所述接觸面積的計(jì)算公式為π (2RA-A2);圖1為Kistler9256C2測力儀測得的沖擊力信號(振幅為2μπι)，圖2為Keyence G5000激光位移傳感器測得的振動信號(振幅為2 μ m)，結(jié)合圖1和圖2即可計(jì)算出當(dāng)振幅為2μπι時(shí)，沖擊過程中金屬陶瓷刀具表面受到交變應(yīng)力的最大值約為300MPa ；[0026](4)用掃描電鏡在不同的時(shí)間觀察金剛石壓頭與金屬陶瓷刀具的接觸區(qū)域的疲勞破壞情況，得到微觀尺度材料的疲勞強(qiáng)度和交變應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線，所述疲勞破壞情況包括:環(huán)狀疲勞裂紋、發(fā)散狀疲勞裂紋和材料剝落，其中當(dāng)發(fā)生材料剝落時(shí)，即認(rèn)為試樣達(dá)到疲勞壽命。圖3為上述掃描電鏡測得的不同沖擊時(shí)間后的壓痕微觀形貌(振幅為2μπι)，其中圖3(a)為沖擊時(shí)間5min (循環(huán)次數(shù)為28000Hz*300s = 8.4*106次)后的壓痕微觀形貌，圖3(b)為沖擊時(shí)間IOmin(循環(huán)次數(shù)為28000Hz*600s = 1.68*107次)后的壓痕微觀形貌，圖3(c)為沖擊時(shí)間15min (循環(huán)次數(shù)為28000Hz*900s = 2.52*107次)后的壓痕微觀形貌，圖3(d)為沖擊時(shí)間20min(循環(huán)次數(shù)為28000Hz*300s = 3.36*107次)后的壓痕微觀形貌?？梢钥闯鰤汉燮谄茐男螒B(tài)的動態(tài)變化為:環(huán)狀疲勞裂紋(IOmin)、發(fā)散狀疲勞裂紋(15min)、材料剝落(20min)，沖擊20min后，疲勞破壞發(fā)生，此時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為
3.36*107次。圖4為金屬陶瓷刀具的高頻微觀疲勞的S-N曲線，該曲線獲得方法為設(shè)置不同的振幅(2 μ m、4 μ m、6 μ m、8 μ m、10 μ m),得到不同接觸交變應(yīng)力條件下,被測材料發(fā)生疲勞剝落的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，然后繪制在同一張圖表中。
[0027]以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，SP依本發(fā)明專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)將均質(zhì)金屬或非金屬試樣的一端牢固連接于一超聲振動發(fā)生裝置上，并使其另一端與一位置固定的金剛石壓頭接觸，該金剛石壓頭與一高精度測力系統(tǒng)相連，金剛石壓頭與試樣的接觸狀態(tài)通過接觸力臨界值Nrait判斷； (2)調(diào)整上述超聲振動發(fā)生裝置的參數(shù)以得到所需測試的振動頻率f和振幅A，產(chǎn)生超聲振動以使金剛石壓頭對所述均質(zhì)金屬或非金屬試樣產(chǎn)生局部沖擊，引起微觀尺度的高頻交變載荷，其中振動頻率f為20?30kHz，所述振幅為O?10 μ m ; (3)利用上述高精度測力系統(tǒng)測量試樣振動時(shí)的交變沖擊力，從而計(jì)算出試樣局部受到的交變應(yīng)力，交變應(yīng)力的計(jì)算方法為交變接觸力除以接觸面積； (4)用掃描電鏡在不同的時(shí)間觀察金剛石壓頭與試樣的接觸區(qū)域的疲勞破壞情況，得到微觀尺度材料的疲勞強(qiáng)度和交變應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線。
2.如權(quán)利要求1所述的一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法，其特征在于:所述振動頻率f和振幅A由激光位移傳感器測量，該激光位移傳感器的基本參數(shù)為:位移重復(fù)測量精度為0.025 μ m,采樣頻率392kHz。
3.如權(quán)利要求1所述的一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法，其特征在于:所述金剛石壓頭的形狀為帶圓頭的圓周，該圓頭的半徑R為0.1?0.2mm,圓錐角Θ為60?120。。
4.如權(quán)利要求3所述的一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法，其特征在于:所述接觸面積的計(jì)算公式為n (2RA-A2)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法，其特征在于:所述接觸力臨界值Nerit為0.0 IN。
6.如權(quán)利要求5所述的一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法，其特征在于:所述高精度測力系統(tǒng)包括依次相連的高精度力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡和電腦，其中高精度力傳感器的基本參數(shù)為:測力范圍為-20?20N，測力精度高于0.002N,固有頻率小于5kHz或大于50kHz以避開共振頻率；數(shù)據(jù)采集卡的基本參數(shù)為:采樣頻率高于1MHz，A/D分辨率高于12Bit。
7.如權(quán)利要求1所述的一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法，其特征在于:所述疲勞破壞情況包括:環(huán)狀疲勞裂紋、發(fā)散狀疲勞裂紋和材料剝落，其中當(dāng)發(fā)生材料剝落時(shí)，即認(rèn)為試樣達(dá)到疲勞壽命。
【文檔編號】G01N3/32GK103940685SQ201410171154
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】姜峰, 徐西鵬, 王寧昌, 言蘭 申請人:華僑大學(xué)