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)將均質金屬或非金屬試樣的一端牢固連接于一超聲振動發生裝置上，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相連；(2)調整上述超聲振動發生裝置的參數以得到所需測試的振動頻率f和振幅A，產生超聲振動以使金剛石壓頭對所述均質金屬或非金屬試樣產生局部沖擊，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測量試樣振動時的交變沖擊力，從而計算出試樣局部受到的交變應力；(4)用掃描電鏡在不同的時間觀察金剛石壓頭與試樣的接觸區域的疲勞破壞情況，得到微觀尺度材料的疲勞強度和交變應力-循環次數曲線。
【專利說明】一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法
【技術領域】
[0001]本發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】
[0002]隨著產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界所關注，高速齒輪的點蝕、金屬加工刀具的微崩刃等，究其機理都是材料在微觀尺度疲勞的宏觀體現。但是現在對材料疲勞特性的測試方法還主要集中在宏觀尺度上，利用萬能力學試驗機等設備可以進行零件在拉、壓、扭轉等多種應力狀態下的疲勞特性分析，得到的疲勞強度和S-N曲線可以對零件的宏觀破壞分析及壽命預測有較好的指導意義。但是同一種材料在宏觀和微觀條件下往往表現出不同的疲勞特性，比如超細晶粒合金材料，其宏觀力學特性，如強度、硬度、疲勞極限強度等都得到明顯的提升，但是在微觀尺度，其抗點蝕、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果不能用于微觀疲勞特性的分析。現有技術中尚未出現能夠有效測試試樣的微觀疲勞特性的方法。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于克服現有技術缺陷，提供一種微觀尺度材料高頻疲勞特性的測試方法。
[0004]本發明的具體技術方案如下:
[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)將均質金屬或非金屬試樣的一端牢固連接于一超聲振動發生裝置上，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相連，金剛石壓頭與試樣的接觸狀態通過接觸力臨界值Nrait判斷；
[0007](2)調整上述超聲振動發生裝置的參數以得到所需測試的振動頻率f和振幅A，產生超聲振動以使金剛石壓頭對所述均質金屬或非金屬試樣產生局部沖擊，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測量試樣振動時的交變沖擊力，從而計算出試樣局部受到的交變應力，交變應力的計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間觀察金剛石壓頭與試樣的接觸區域的疲勞破壞情況，得到微觀尺度材料的疲勞強度和交變應力-循環次數曲線。
[0010]在本發明的一個優選實施方案中，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為:位移重復測量精度為0.025 μ m，采樣頻率392kHz。
[0011]在本發明的一個優選實施方案中，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]進一步優選的，所述接觸面積的計算公式為π (2RA-A2)。
[0013]在本發明的一個優選實施方案中,所述接觸力臨界值Nrait為0.0lN0
[0014]進一步優選的，所述高精度測力系統包括依次相連的高精度力傳感器、電荷放大器、數據采集卡和電腦，其中高精度力傳感器的基本參數為: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；數據采集卡的基本參數為:采樣頻率高于IMHz，A/D分辨率高于12Bit。
[0015]在本發明的一個優選實施方案中，所述疲勞破壞情況包括:環狀疲勞裂紋、發散狀疲勞裂紋和材料剝落，其中當發生材料剝落時，即認為試樣達到疲勞壽命。
[0016]本發明的有益效果是:本發明的測試方法可以對均質材料在微觀尺度下的高頻疲勞特性進行測試和量化分析，測試結果可以用于高速齒輪抗點蝕、刀具抗破損等能力的評價，同時為相應的產品設計提供疲勞強度和S-N曲線等基礎數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明實施例1中Kistler9256C2測力儀測得的沖擊力信號曲線，其中，橫軸為沖擊時間，單位為秒；縱軸為沖擊力數值，單位為牛頓；
[0018]圖2為本發明實施例1中Keyence G5000激光位移傳感器測得的振動信號曲線，其中，橫軸為沖擊時間，單位為秒；縱軸為振幅數值，單位為微米；
[0019]圖3為本發明實施例1中掃描電鏡觀察所得的不同沖擊時間后的壓痕微觀形貌圖；
[0020]圖4為本發明實施例1中金屬陶瓷刀具的高頻微觀疲勞的S-N曲線。
【具體實施方式】
[0021]以下通過【具體實施方式】結合附圖對本發明的技術方案進行進一步的說明和描述。
[0022]實施例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相連，金剛石壓頭與試樣的接觸狀態通過接觸力臨界值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包括依次相連的Kistler9256C2測力儀、電荷放大器、數據采集卡和電腦，其中高精度力傳感器的基本參數為: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；數據采集卡的基本參數為:采樣頻率高于IMHz，A/D分辨率高于12Bit ；
[0024](2)調整上述超聲振動發生裝置的參數以得到所需測試的振動頻率f和振幅A，產生超聲振動以使金剛石壓頭對金屬陶瓷刀具產生局部沖擊，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為:位移重復測量精度為
0.025 μ m,采樣頻率 392kHz ；
[0025](3)利用上述高精度測力系統測量試樣振動時的交變沖擊力，從而計算出試樣局部受到的交變應力，交變應力的計算方法為交變接觸力除以接觸面積，所述接觸面積的計算公式為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)，結合圖1和圖2即可計算出當振幅為2μπι時，沖擊過程中金屬陶瓷刀具表面受到交變應力的最大值約為300MPa ；[0026](4)用掃描電鏡在不同的時間觀察金剛石壓頭與金屬陶瓷刀具的接觸區域的疲勞破壞情況，得到微觀尺度材料的疲勞強度和交變應力-循環次數曲線，所述疲勞破壞情況包括:環狀疲勞裂紋、發散狀疲勞裂紋和材料剝落，其中當發生材料剝落時，即認為試樣達到疲勞壽命。圖3為上述掃描電鏡測得的不同沖擊時間后的壓痕微觀形貌(振幅為2μπι)，其中圖3(a)為沖擊時間5min (循環次數為28000Hz*300s = 8.4*106次)后的壓痕微觀形貌，圖3(b)為沖擊時間IOmin(循環次數為28000Hz*600s = 1.68*107次)后的壓痕微觀形貌，圖3(c)為沖擊時間15min (循環次數為28000Hz*900s = 2.52*107次)后的壓痕微觀形貌，圖3(d)為沖擊時間20min(循環次數為28000Hz*300s = 3.36*107次)后的壓痕微觀形貌。可以看出壓痕疲勞破壞形態的動態變化為:環狀疲勞裂紋(IOmin)、發散狀疲勞裂紋(15min)、材料剝落(20min)，沖擊20min后，疲勞破壞發生，此時的應力循環次數為
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力條件下,被測材料發生疲勞剝落的應力循環次數，然后繪制在同一張圖表中。
[0027]以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，故不能依此限定本發明實施的范圍，SP依本發明專利范圍及說明書內容所作的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明涵蓋的范圍內。
【權利要求】
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)將均質金屬或非金屬試樣的一端牢固連接于一超聲振動發生裝置上，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相連，金剛石壓頭與試樣的接觸狀態通過接觸力臨界值Nrait判斷； (2)調整上述超聲振動發生裝置的參數以得到所需測試的振動頻率f和振幅A，產生超聲振動以使金剛石壓頭對所述均質金屬或非金屬試樣產生局部沖擊，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測量試樣振動時的交變沖擊力，從而計算出試樣局部受到的交變應力，交變應力的計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間觀察金剛石壓頭與試樣的接觸區域的疲勞破壞情況，得到微觀尺度材料的疲勞強度和交變應力-循環次數曲線。
2.如權利要求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為:位移重復測量精度為0.025 μ m,采樣頻率392kHz。
3.如權利要求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:所述接觸面積的計算公式為n (2RA-A2)。
5.如權利要求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包括依次相連的高精度力傳感器、電荷放大器、數據采集卡和電腦，其中高精度力傳感器的基本參數為: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；數據采集卡的基本參數為:采樣頻率高于1MHz，A/D分辨率高于12Bit。
7.如權利要求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:環狀疲勞裂紋、發散狀疲勞裂紋和材料剝落，其中當發生材料剝落時，即認為試樣達到疲勞壽命。
【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 優先權日:2014年4月25日
【發明者】姜峰, 徐西鵬, 王寧昌, 言蘭 申請人:華僑大學
專業數控銑床產品供應商
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