一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法，包括如下步骤：(1)将均质金属或非金属试样的一端牢固连接于一超声振动发生装置上，并使其另一端与一位置固定的金刚石压头接触，该金刚石压头与一高精度测力系统相连；(2)调整上述超声振动发生装置的参数以得到所需测试的振动频率f和振幅A，产生超声振动以使金刚石压头对所述均质金属或非金属试样产生局部冲击，引起微观尺度的高频交变载荷；(3)利用上述高精度测力系统测量试样振动时的交变冲击力，从而计算出试样局部受到的交变应力；(4)用扫描电镜在不同的时间观察金刚石压头与试样的接触区域的疲劳破坏情况，得到微观尺度材料的疲劳强度和交变应力-循环次数曲线。
【专利说明】一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法。
【背景技术】
[0002]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、金属加工刀具的微崩刃等，究其机理都是材料在微观尺度疲劳的宏观体现。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，比如超细晶粒合金材料，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、抗局部破坏能力要明显低于粗晶粒合金材料，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。现有技术中尚未出现能够有效测试试样的微观疲劳特性的方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法。
[0004]本发明的具体技术方案如下:
[0005]一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法，包括如下步骤:
[0006](I)将均质金属或非金属试样的一端牢固连接于一超声振动发生装置上，并使其另一端与一位置固定的金刚石压头接触，该金刚石压头与一高精度测力系统相连，金刚石压头与试样的接触状态通过接触力临界值Nrait判断；
[0007](2)调整上述超声振动发生装置的参数以得到所需测试的振动频率f和振幅A，产生超声振动以使金刚石压头对所述均质金属或非金属试样产生局部冲击，引起微观尺度的高频交变载荷，其中振动频率f为20?30kHz，所述振幅为O?10 μ m ;
[0008](3)利用上述高精度测力系统测量试样振动时的交变冲击力，从而计算出试样局部受到的交变应力，交变应力的计算方法为交变接触力除以接触面积；
[0009](4)用扫描电镜在不同的时间观察金刚石压头与试样的接触区域的疲劳破坏情况，得到微观尺度材料的疲劳强度和交变应力-循环次数曲线。
[0010]在本发明的一个优选实施方案中，所述振动频率f和振幅A由激光位移传感器测量，该激光位移传感器的基本参数为:位移重复测量精度为0.025 μ m，采样频率392kHz。
[0011]在本发明的一个优选实施方案中，所述金刚石压头的形状为带圆头的圆周，该圆头的半径R为0.1?0.2mm，圆锥角Θ为60?120°。
[0012]进一步优选的，所述接触面积的计算公式为π (2RA-A2)。
[0013]在本发明的一个优选实施方案中,所述接触力临界值Nrait为0.0lN0
[0014]进一步优选的，所述高精度测力系统包括依次相连的高精度力传感器、电荷放大器、数据采集卡和电脑，其中高精度力传感器的基本参数为:测力范围为-20?20N，测力精度高于0.002N,固有频率小于5kHz或大于50kHz以避开共振频率；数据采集卡的基本参数为:采样频率高于IMHz，A/D分辨率高于12Bit。
[0015]在本发明的一个优选实施方案中，所述疲劳破坏情况包括:环状疲劳裂纹、发散状疲劳裂纹和材料剥落，其中当发生材料剥落时，即认为试样达到疲劳寿命。
[0016]本发明的有益效果是:本发明的测试方法可以对均质材料在微观尺度下的高频疲劳特性进行测试和量化分析，测试结果可以用于高速齿轮抗点蚀、刀具抗破损等能力的评价，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。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明实施例1中Kistler9256C2测力仪测得的冲击力信号曲线，其中，横轴为冲击时间，单位为秒；纵轴为冲击力数值，单位为牛顿；
[0018]图2为本发明实施例1中Keyence G5000激光位移传感器测得的振动信号曲线，其中，横轴为冲击时间，单位为秒；纵轴为振幅数值，单位为微米；
[0019]图3为本发明实施例1中扫描电镜观察所得的不同冲击时间后的压痕微观形貌图；
[0020]图4为本发明实施例1中金属陶瓷刀具的高频微观疲劳的S-N曲线。
【具体实施方式】
[0021]以下通过【具体实施方式】结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
[0022]实施例1
[0023](I)将金属陶瓷刀具(主要成分TiC)的一端牢固连接于一超声振动发生装置上，并使其另一端与一位置固定的金刚石压头接触，该金刚石压头与一高精度测力系统相连，金刚石压头与试样的接触状态通过接触力临界值Nrait判断，所述接触力临界值Nrait为0.01N,所述金刚石压头的形状为带圆头的圆周，该圆头的半径R为0.2mm,圆锥角Θ为90° ;所述高精度测力系统包括依次相连的Kistler9256C2测力仪、电荷放大器、数据采集卡和电脑，其中高精度力传感器的基本参数为:测力范围为-20?20N，测力精度高于0.002N,固有频率小于5kHz或大于50kHz以避开共振频率；数据采集卡的基本参数为:采样频率高于IMHz，A/D分辨率高于12Bit ；
[0024](2)调整上述超声振动发生装置的参数以得到所需测试的振动频率f和振幅A，产生超声振动以使金刚石压头对金属陶瓷刀具产生局部冲击，引起微观尺度的高频交变载荷，其中振动频率f为28000kHz，所述振幅为2 μ m，所述振动频率f和振幅A由KeyenceG5000激光位移传感器测量，该激光位移传感器的基本参数为:位移重复测量精度为
0.025 μ m,采样频率 392kHz ；
[0025](3)利用上述高精度测力系统测量试样振动时的交变冲击力，从而计算出试样局部受到的交变应力，交变应力的计算方法为交变接触力除以接触面积，所述接触面积的计算公式为π (2RA-A2);图1为Kistler9256C2测力仪测得的冲击力信号(振幅为2μπι)，图2为Keyence G5000激光位移传感器测得的振动信号(振幅为2 μ m)，结合图1和图2即可计算出当振幅为2μπι时，冲击过程中金属陶瓷刀具表面受到交变应力的最大值约为300MPa ；[0026](4)用扫描电镜在不同的时间观察金刚石压头与金属陶瓷刀具的接触区域的疲劳破坏情况，得到微观尺度材料的疲劳强度和交变应力-循环次数曲线，所述疲劳破坏情况包括:环状疲劳裂纹、发散状疲劳裂纹和材料剥落，其中当发生材料剥落时，即认为试样达到疲劳寿命。图3为上述扫描电镜测得的不同冲击时间后的压痕微观形貌(振幅为2μπι)，其中图3(a)为冲击时间5min (循环次数为28000Hz*300s = 8.4*106次)后的压痕微观形貌，图3(b)为冲击时间IOmin(循环次数为28000Hz*600s = 1.68*107次)后的压痕微观形貌，图3(c)为冲击时间15min (循环次数为28000Hz*900s = 2.52*107次)后的压痕微观形貌，图3(d)为冲击时间20min(循环次数为28000Hz*300s = 3.36*107次)后的压痕微观形貌。可以看出压痕疲劳破坏形态的动态变化为:环状疲劳裂纹(IOmin)、发散状疲劳裂纹(15min)、材料剥落(20min)，冲击20min后，疲劳破坏发生，此时的应力循环次数为
3.36*107次。图4为金属陶瓷刀具的高频微观疲劳的S-N曲线，该曲线获得方法为设置不同的振幅(2 μ m、4 μ m、6 μ m、8 μ m、10 μ m),得到不同接触交变应力条件下,被测材料发生疲劳剥落的应力循环次数，然后绘制在同一张图表中。
[0027]以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，SP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。
【权利要求】
1.一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)将均质金属或非金属试样的一端牢固连接于一超声振动发生装置上，并使其另一端与一位置固定的金刚石压头接触，该金刚石压头与一高精度测力系统相连，金刚石压头与试样的接触状态通过接触力临界值Nrait判断； (2)调整上述超声振动发生装置的参数以得到所需测试的振动频率f和振幅A，产生超声振动以使金刚石压头对所述均质金属或非金属试样产生局部冲击，引起微观尺度的高频交变载荷，其中振动频率f为20?30kHz，所述振幅为O?10 μ m ; (3)利用上述高精度测力系统测量试样振动时的交变冲击力，从而计算出试样局部受到的交变应力，交变应力的计算方法为交变接触力除以接触面积； (4)用扫描电镜在不同的时间观察金刚石压头与试样的接触区域的疲劳破坏情况，得到微观尺度材料的疲劳强度和交变应力-循环次数曲线。
2.如权利要求1所述的一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法，其特征在于:所述振动频率f和振幅A由激光位移传感器测量，该激光位移传感器的基本参数为:位移重复测量精度为0.025 μ m,采样频率392kHz。
3.如权利要求1所述的一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法，其特征在于:所述金刚石压头的形状为带圆头的圆周，该圆头的半径R为0.1?0.2mm,圆锥角Θ为60?120。。
4.如权利要求3所述的一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法，其特征在于:所述接触面积的计算公式为n (2RA-A2)。
5.如权利要求1所述的一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法，其特征在于:所述接触力临界值Nerit为0.0 IN。
6.如权利要求5所述的一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法，其特征在于:所述高精度测力系统包括依次相连的高精度力传感器、电荷放大器、数据采集卡和电脑，其中高精度力传感器的基本参数为:测力范围为-20?20N，测力精度高于0.002N,固有频率小于5kHz或大于50kHz以避开共振频率；数据采集卡的基本参数为:采样频率高于1MHz，A/D分辨率高于12Bit。
7.如权利要求1所述的一种微观尺度材料高频疲劳特性的测试方法，其特征在于:所述疲劳破坏情况包括:环状疲劳裂纹、发散状疲劳裂纹和材料剥落，其中当发生材料剥落时，即认为试样达到疲劳寿命。
【文档编号】G01N3/32GK103940685SQ201410171154
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】姜峰, 徐西鹏, 王宁昌, 言兰 申请人:华侨大学