含等截面段板狀試樣的金屬超聲疲勞試驗方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬材料超聲疲勞性能測試領域，尤其是指一種含等截面段板狀試樣 的金屬超聲疲勞試驗方法。
【背景技術】
[0002] 疲勞現(xiàn)象是結構材料在循環(huán)載荷下，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進 一步擴展直到完全斷裂的現(xiàn)象。統(tǒng)計顯示大約80%以上的結構強度破壞都是由于疲勞造 成的，因此材料的疲勞性能測試與研究意義重大。傳統(tǒng)的疲勞性能研究一般以IO 7作為極 限循環(huán)周次。而事實上，一些應用在關鍵零部件上的高強度鋼，或受高頻載荷作用的結構 用鋼，其實際使用壽命往往要達到IO 8~101°周次，越來越多的結果也已經(jīng)證實許多工程用 鋼在IO7次應力循環(huán)后仍會發(fā)生疲勞斷裂，且其斷裂一般起源于試樣內(nèi)部，起裂形式更為隱 蔽，因此研究材料的超高周疲勞性能顯得更加重要。
[0003] 超聲疲勞試驗是一種測試材料疲勞性能的新技術，相對于傳統(tǒng)的疲勞測試技術它 的優(yōu)點顯而易見，它的工作頻率極高，可以極大的提高疲勞試驗的效率。傳統(tǒng)的高頻疲勞試 驗工作頻率在100~200Hz，而超聲疲勞試驗的工作頻率可以達到2. OX IO4Hz,測試一根疲 勞壽命為LOXlO9的試樣，傳統(tǒng)的高頻疲勞需要進行100天左右不間斷的試驗，而采用超 聲疲勞試驗技術僅需一天左右的時間即可完成。超聲疲勞試驗技術是疲勞測試領域的一項 革新，極大的提高了試驗效率和研發(fā)效率，適用于金屬材料的超高周疲勞性能測試。
[0004] 超聲疲勞試驗技術是使試樣受激諧振而發(fā)生共振現(xiàn)象。超聲信號由壓電陶瓷換能 器發(fā)出，高頻電源供給的電信號被轉換成相同頻率的機械振動，然后經(jīng)振動位移放大器放 大。試樣一端與位移放大器相相連，另外一端自由。在位移放大器的激勵下發(fā)生諧振，在試 樣中生成諧振波，沿試樣軸向形成拉一壓對稱循環(huán)載荷，建立縱向位移、應力（應變）場，因 此，在設計超聲疲勞試樣時，其幾何形狀必須在超聲頻率下滿足諧振條件。
[0005] 武鋼引入的超聲疲勞試驗機為日本島津公司生產(chǎn)的USF-2000超聲疲勞試驗機， 設備上的系統(tǒng)控制軟件只配有兩種試樣類型：圓弧形試樣和缺口形試樣，如附圖1和2所 示。試樣類型的欠缺極大的限制了超聲疲勞試驗機的應用。其主要問題如下：
[0006] 1.當需要對板狀試樣進行超聲疲勞時，例如需要對汽車板用鋼進行超聲疲勞時， 現(xiàn)有的控制軟件中僅有的兩種試樣類型無法完成。
[0007] 2.對含明顯缺陷（如夾雜、縮孔）的材料，需要試樣有一段等應力區(qū)域，這樣在 進行超高周疲勞試驗過程中可以在更大的區(qū)域尋找材料缺陷，得到更為安全的疲勞試驗結 果，同時，當需要研究材料的表面處理對疲勞性能的影響時，也需要試樣有一段等應力區(qū)域 便于表面處理?，F(xiàn)有的控制軟件中僅有的兩種試樣類型工作時不含等應力區(qū)域，無法完成。
[0008] 3. -般超聲疲勞試驗機穩(wěn)定工作的位移幅值區(qū)間為10 μ m~50 μ m。對某些強度 水平較低的材料，若設計成圓弧形試樣來進行試驗，可能會出現(xiàn)位移幅值過小而導致試驗 不穩(wěn)定，甚至無法起振的情況。
[0009] 4.試樣加工完成后，由于加工誤差導致試樣的實際尺寸和設計尺寸不可避免的存 在偏差，另外，由于超聲疲勞試樣對其表面光潔度要求很高，試樣加工完成后，通常需要采 用砂紙對其中間部位進行打磨拋光，這也會導致試樣的尺寸與預先設計的尺寸產(chǎn)出偏差。 當試樣的實際尺寸與設計尺寸偏差達到一定程度后，試樣的實際振動頻率和應力幅值與設 計值相應的也會產(chǎn)生偏差，從而影響試驗結果的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決【背景技術】中所述的若干問題，本發(fā)明提出了一種含截面段板狀試樣的超 聲疲勞試驗方法。發(fā)明的主要解決以下三個方面的問題：
[0011] 1.提供了一種含等截面段板狀試樣超聲拉壓疲勞試驗的試樣設計方法，使其能夠 有效地在超聲疲勞試驗機上發(fā)生諧振。
[0012] 2.給出了含等截面段板狀試樣的超聲疲勞試驗控制方法。通過含等截面段板狀試 樣和圓弧形試樣之間的應力轉換公式，將含等截面段板狀試樣的應力轉換成系統(tǒng)控制軟件 上圓弧形試樣的應力，利用已有的設備和軟件來完成含等截面段板狀試樣的超聲疲勞試驗 控制。
[0013] 3.為了消除試樣尺寸的偏差對試驗結果的影響，得到更為精確的超聲疲勞試驗 結果，本發(fā)明給出了含等截面段板狀試樣的實際尺寸和設計尺寸存在偏差時的應力修正方 法。
[0014] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：
[0015] -種含等截面段板狀試樣的金屬超聲疲勞試驗方法，包括以下三部分內(nèi)容：
[0016] 第一部分、首先根據(jù)試驗材料的密度和彈性模量，采用解析計算得到含等截面段 板狀軸向拉壓超聲疲勞試樣的尺寸設計公式；
[0017] 第二部分、推導含等截面段板狀試樣和圓弧形試樣之間的應力轉換公式，將含等 截面板狀超聲疲勞試樣的應力轉換成系統(tǒng)控制軟件上的圓弧形試樣對應的應力，利用已有 的設備和軟件來完成含等截面板狀試樣的超聲疲勞試驗控制；
[0018] 第三部分、推導當含等截面段板狀試樣的實際尺寸與設計尺寸存在偏差時的應力 修正公式，保證試驗控制更加精確。
[0019] 為了更詳細的說明本發(fā)明的技術方案，發(fā)明人作進一步的詳述如下：
[0020] 首先，需要明確，本申請中提及的含等截面板狀試樣，是指試樣本身為板狀，且試 樣中含有一部分截面相同的部分；
[0021] 對于含等截面段板狀超聲疲勞試樣，本發(fā)明所述的試樣尺寸設計公式的計算包括 如下幾個具體步驟：
[0022] 步驟一、測量測試材料的密度P和彈性模量E ;
[0023] 步驟二、對含等截面段板狀軸向拉壓超聲疲勞試樣進行解析計算，如下：
[0024] 2. 1擬定bp b2山，1^數(shù)據(jù)，b i為板等截面段的厚度，b 2為板兩端處的厚度，L i為板 等截面段長度的一半，L2為板變截面段長度；在以下的演算過程中，為便于計算，采用mm，g， ms的量綱，即尺寸單位為mm，質量單位為g，時間單位為ms。其他參數(shù)通過計算統(tǒng)一成mm， g，ms 的單位；例如密度 P = 7850kg/m3= 7850X 10 3g/ (103mm3) = 7. 85X 10 3g/mm3；
[0025] 2. 2計算板兩端處的長度L3;根據(jù)連續(xù)系統(tǒng)振動理論，材料滿足理想彈性體條件， 假定坐標原點為試樣軸向中心，取試樣軸向為X軸。u(x，t)為坐標X處的截面在t時刻的 縱向振動位移，S(x)是坐標X處試樣橫截面的面積，S'（X)為函數(shù)S(x)的一階導數(shù)；試樣 在諧振時的縱向波動方程為：
[0027] 假設試樣滿足諧振條件，將U(x，t)分離變量成u(x，t) = U(X)e11^t，代入（1)式可 得
[0029] 式中，2為對函數(shù)U(X)求導，
為一階求導，
為二階求導，
P為試樣材料的密度，E為試樣材料的彈性模量，f為試樣振動頻率；
[0030] 對于含等截面段板狀試樣，根據(jù)試樣的橫截面面積方程
[0032] 其中，Id1為板等截面段的厚度，b 2為板兩端處的厚度，w為板的寬度；
[0033] 根據(jù)試樣的橫截面面積方程并根據(jù)邊界條件
和連續(xù)性條件
求得試樣縱向的振動方程U(X)為：
[0035]式中：
[0037] U_= U I x = ^，即為試樣自由端處的位移振幅。
[0038]
[0039] 求得板狀試樣兩端處的長度L3為：
[0041] 在試樣解析計算時的含等截面段板狀試樣的變截面段曲線為懸鏈線，由于機械加 工難以完成，在實際加工時，用圓弧曲線代替懸鏈線；由變截面段長度L 2，最小厚度Id1，兩端 處的厚度b2，求得變截面段過渡弧半徑
[0042] 以上所給出的等截面段板狀超聲疲勞試樣的設計公式，適用于應力比為一 1的軸 向拉壓超聲疲勞試驗，可以保證含等截面段板狀軸向拉壓試樣能夠有效的在超聲疲勞試驗 機上發(fā)生諧振。
[0043] 以下將給出含等截面段板狀試樣的應力轉換公式，將含等截面段板狀超聲疲勞試 樣的應力轉換成系統(tǒng)控制軟件上的圓弧形試樣對應的應力，以實現(xiàn)采用現(xiàn)有的設備和軟件 來完成含等截面段板狀試樣超聲疲勞試驗控制這一目的。
[0044] 為實現(xiàn)等截面段板狀試樣的超聲疲勞試驗控制，首先要了解超聲疲勞試驗技術的 工作原理。超聲疲勞試驗技術是通過控制試樣端部位移幅值，來實現(xiàn)控制試樣應力幅值。而 換能器電壓與輸出端的振動位移幅為線性關系，在給定試樣端部位移幅值后，超聲疲勞試 驗機通過改變換能器的電壓來調(diào)整位移幅值。因此，對給定