鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的試樣尺寸設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的試樣尺寸設計方法，首先測量鐵基粉末冶金材料的密度和彈性模量等參數；其次，計算出拉壓疲勞中試樣的理論尺寸；將理論尺寸作為邊界條件，采用有限元分析計算出材料共振時所需要的響應頻率，當頻率不符合超聲振動頻率時，對試樣的尺寸進行修正微調，直到符合超聲振動頻率，則該尺寸設計可作為實驗參數。本發明的設計方法可以在不同密度和性能的鐵基粉末冶金材料中使用，超聲疲勞試驗測試頻率達到20kHz，提高了超聲疲勞測試的可行性和效率。
【專利說明】鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的試樣尺寸設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的【技術領域】，尤其是指一種鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的試樣尺寸設計方法。
【背景技術】
[0002]疲勞現象是結構材料在循環載荷下，并在一定循環次數后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現象。為便于分析研究，一般按破壞循環次數的高低將疲勞分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞作用于零件、構件的應力水平較低，破壞循環次數一般高于IO4?IO5的疲勞。一般的傳統疲勞周次在IO7以下，在高周疲勞中又可以分為一般的高周疲勞及超高周疲勞。其中，超高周疲勞是指疲勞周次達到IO8及其以上時材料的疲勞行為。
[0003]在現代工程中的許多金屬結構件大多在循環變化的載荷作用下工作，承受著高頻、低應力幅循環載荷。疲勞斷裂通常是突然發生的，往往導致災難性的事故。另外，我們對零部件的壽命要求也越來越高，因此研究材料的高周疲勞性能顯得尤為重要。20世紀70年代中期，頻率達到15?22kHz的超聲疲勞技術逐漸在材料研究中使用，并被用于加速常規疲勞試驗。由于頻率高，超聲疲勞短時間即可達到很高的循環周次(甚至達到IO9周次)，這是用常規試驗技術(50Hz)僅從耗時考慮幾乎是不可能的。超聲疲勞試驗是使試件受激諧振而發生共振現象。超聲信號由壓電陶瓷換能器發出，在試件中生成諧振波，沿試件長度方向形成位移幅值和應變-應力場，其中試驗試件幾何形狀必須在超聲頻率下滿足諧振條件。20世紀90年代中期，超聲彎曲疲勞試驗技術已應用于陶瓷和金屬基復合材料。
[0004]對于鐵基粉末冶金材料，由于工藝特點，材料當中存在較多的孔隙，材料的密度和鋼鐵材料的理論密度有一定差距，大約有80%以上的結構強度破壞都是由于疲勞造成的。粉末冶金制連桿的軸向拉壓疲勞失效時有發生。國內外針對材料的超聲疲勞性能及裝置進行了一定程度的研究。其中，發明專利CN201010162234.8超聲彎曲疲勞實驗裝置，發明了一種超聲彎曲疲勞實驗裝置，實現超聲彎曲疲勞實驗，能實現不同加載載荷、不同幾何尺寸試樣的超聲彎曲疲勞實驗。實用新型專利CN201120412120.4薄片超聲彎曲振動疲勞加速試驗裝置采用超聲波發生器、壓電陶瓷換能器等結構，能夠實現彎曲疲勞加載，同時能獲得較高的試驗精度。
[0005]然而，針對鐵基粉末冶金材料的超聲疲勞試驗仍然有一些不足。首先，對材料的拉壓疲勞卻不能很好的進行模擬測試。其次，目前缺少可以用于鐵基粉末冶金材料測試超高周拉壓疲勞性能的方法。最后，由于鐵基粉末冶金材料的特性，不同工藝得到的材料往往擁有不同密度和彈性模量，還缺少一種鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞尺寸的快速設計方法。為此，開發一種能夠應用于鐵基粉末冶金材料的軸向拉壓的超聲疲勞測試試樣尺寸設計方法是很有必要的。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種聞效、省時、準確的鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的試樣尺寸設計方法，使軸向拉壓試樣能夠有效地在超聲疲勞試驗機上發生諧振，快速的模擬軸向拉壓的疲勞試驗方式。
[0007]為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為:鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的試樣尺寸設計方法，首先，根據鐵基粉末冶金材料的密度和彈性模量，采用解析計算得到鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的軸向拉壓試樣的理論尺寸；其次，再將理論尺寸作為邊界條件，采用有限元分析計算出材料共振時所需要的響應頻率；當該頻率不符合超聲振動頻率時，需要對軸向拉壓試樣的尺寸進行修正微調，并再次進行有限元分析，直到計算出來的頻率符合超聲振動頻率，使軸向拉壓試樣能夠發生諧振為止，這樣便得到實驗所需的試樣尺寸，即該尺寸可作為實驗參數。
[0008]本發明所述的試樣尺寸設計方法，包括以下步驟:
[0009]I)測量出鐵基粉末冶金材料的密度P及彈性模量Ed ；
[0010]2)對啞鈴狀的軸向拉壓試樣進行解析計算，如下:
[0011]2.1)擬定RpR2A1數據，R1為試樣中部最細處的半徑，R2為試樣兩端處圓柱的半徑，L1為試樣中間彎曲部分長度的一半；
[0012]2.2)計算共振長度L2，L2為試樣兩端處圓柱的長度，如下:
[0013]由于啞鈴狀的軸向拉壓試樣為軸對稱形狀，其橫截面的一半在旋轉360°后可得到疲勞試樣的體，橫截面的一半的兩端為矩形，中段部分可看做懸鏈線；
[0014]根據試樣縱向自由振動方程:
【權利要求】
1.鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的試樣尺寸設計方法，其特征在于:首先，根據鐵基粉末冶金材料的密度和彈性模量，采用解析計算得到鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的軸向拉壓試樣的理論尺寸；其次，再將理論尺寸作為邊界條件，采用有限元分析計算出材料共振時所需要的響應頻率；當該頻率不符合超聲振動頻率時，需要對軸向拉壓試樣的尺寸進行修正微調，并再次進行有限元分析，直到計算出來的頻率符合超聲振動頻率，使軸向拉壓試樣能夠發生諧振為止，這樣便得到實驗所需的試樣尺寸，即該尺寸可作為實驗參數。
2.根據權利要求1所述的鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的試樣尺寸設計方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)測量出鐵基粉末冶金材料的密度P及彈性模量Ed; 2)對啞鈴狀的軸向拉壓試樣進行解析計算，如下: 2.1)擬定RpRyL1數據，R1為試樣中部最細處的半徑，R2為試樣兩端處圓柱的半徑，L1為試樣中間彎曲部分長度的一半； 2.2)計算共振長度L2，L2為試樣兩端處圓柱的長度，如下: 由于啞鈴狀的軸向拉壓試樣為軸對稱形狀，其橫截面的一半在旋轉360°后可得到疲勞試樣的體，橫截面的一半的兩端為矩形，中段部分可看做懸鏈線； 根據試樣縱向自由振動方程:
3.根據權利要求2所述的鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的試樣尺寸設計方法，其特征在于:所述R1=1.2~3mm，R2=4~10mm, L1=1O~30mm。
4.根據權利要求1或2所述的鐵基粉末冶金材料超聲拉壓疲勞實驗的試樣尺寸設計方法，其特征在于:所述鐵基粉末冶金材料組分為Fe-Cu-Mn-C或Fe-Cu-N1-Mo-C系列，密度在.6.9~7.4g/cm3的燒結材料。
【文檔編號】G06F17/50GK103714200SQ201310695212
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月16日 優先權日:2013年12月16日
【發明者】肖志瑜, 陸宇衡, 陳露, 付文超, 李元元 申請人:華南理工大學