[发明专利]铁基粉末冶金材料超声拉压疲劳实验的试样尺寸设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及铁基粉末冶金材料超声拉压疲劳实验的技术领域，尤其是指一种铁基粉末冶金材料超声拉压疲劳实验的试样尺寸设计方法。

背景技术

疲劳现象是结构材料在循环载荷下，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。为便于分析研究，一般按破坏循环次数的高低将疲劳分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般高于10⁴～10⁵的疲劳。一般的传统疲劳周次在10⁷以下，在高周疲劳中又可以分为一般的高周疲劳及超高周疲劳。其中，超高周疲劳是指疲劳周次达到10⁸及其以上时材料的疲劳行为。

在现代工程中的许多金属结构件大多在循环变化的载荷作用下工作，承受着高频、低应力幅循环载荷。疲劳断裂通常是突然发生的，往往导致灾难性的事故。另外，我们对零部件的寿命要求也越来越高，因此研究材料的高周疲劳性能显得尤为重要。20世纪70年代中期，频率达到15～22kHz的超声疲劳技术逐渐在材料研究中使用，并被用于加速常规疲劳试验。由于频率高,超声疲劳短时间即可达到很高的循环周次(甚至达到10⁹周次),这是用常规试验技术(50Hz)仅从耗时考虑几乎是不可能的。超声疲劳试验是使试件受激谐振而发生共振现象。超声信号由压电陶瓷换能器发出,在试件中生成谐振波,沿试件长度方向形成位移幅值和应变-应力场,其中试验试件几何形状必须在超声频率下满足谐振条件。20世纪90年代中期，超声弯曲疲劳试验技术已应用于陶瓷和金属基复合材料。

对于铁基粉末冶金材料，由于工艺特点，材料当中存在较多的孔隙，材料的密度和钢铁材料的理论密度有一定差距，大约有80%以上的结构强度破坏都是由于疲劳造成的。粉末冶金制连杆的轴向拉压疲劳失效时有发生。国内外针对材料的超声疲劳性能及装置进行了一定程度的研究。其中，发明专利CN201010162234.8超声弯曲疲劳实验装置，发明了一种超声弯曲疲劳实验装置，实现超声弯曲疲劳实验，能实现不同加载载荷、不同几何尺寸试样的超声弯曲疲劳实验。实用新型专利CN201120412120.4薄片超声弯曲振动疲劳加速试验装置采用超声波发生器、压电陶瓷换能器等结构，能够实现弯曲疲劳加载，同时能获得较高的试验精度。

然而，针对铁基粉末冶金材料的超声疲劳试验仍然有一些不足。首先，对材料的拉压疲劳却不能很好的进行模拟测试。其次，目前缺少可以用于铁基粉末冶金材料测试超高周拉压疲劳性能的方法。最后，由于铁基粉末冶金材料的特性，不同工艺得到的材料往往拥有不同密度和弹性模量，还缺少一种铁基粉末冶金材料超声拉压疲劳尺寸的快速设计方法。为此，开发一种能够应用于铁基粉末冶金材料的轴向拉压的超声疲劳测试试样尺寸设计方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效、省时、准确的铁基粉末冶金材料超声拉压疲劳实验的试样尺寸设计方法，使轴向拉压试样能够有效地在超声疲劳试验机上发生谐振，快速的模拟轴向拉压的疲劳试验方式。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：铁基粉末冶金材料超声拉压疲劳实验的试样尺寸设计方法，首先，根据铁基粉末冶金材料的密度和弹性模量，采用解析计算得到铁基粉末冶金材料超声拉压疲劳实验的轴向拉压试样的理论尺寸；其次，再将理论尺寸作为边界条件，采用有限元分析计算出材料共振时所需要的响应频率；当该频率不符合超声振动频率时，需要对轴向拉压试样的尺寸进行修正微调，并再次进行有限元分析，直到计算出来的频率符合超声振动频率，使轴向拉压试样能够发生谐振为止，这样便得到实验所需的试样尺寸，即该尺寸可作为实验参数。

本发明所述的试样尺寸设计方法，包括以下步骤：

1）测量出铁基粉末冶金材料的密度ρ及弹性模量E_d；

2）对哑铃状的轴向拉压试样进行解析计算，如下：

2.1）拟定R₁、R₂、L₁数据，R₁为试样中部最细处的半径，R₂为试样两端处圆柱的半径，L₁为试样中间弯曲部分长度的一半；

2.2）计算共振长度L₂，L₂为试样两端处圆柱的长度，如下：

由于哑铃状的轴向拉压试样为轴对称形状，其横截面的一半在旋转360°后可得到疲劳试样的体，横截面的一半的两端为矩形，中段部分可看做悬链线；