[发明专利]用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置

说明书

技术领域

本发明属于硬脆材料试验技术领域，尤其涉及一种用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置。

背景技术

陶瓷材料在很多领域中有着广泛的应用。但它最致命的弱点是高脆性和低可靠性，从而在很多场合中限制了它的应用。如何改善陶瓷材料的这个弱点，一直是陶瓷材料研究者所关心的问题。在20世纪80年代，复相陶瓷曾经为陶瓷发动机的研制立过汗马功劳。纳米陶瓷的研究随之兴起，到20世纪90年代初，就已形成了纳米陶瓷、复相陶瓷和陶瓷材料的设计与制备的研究趋势。陶瓷材料在高温处理时必然出现的晶粒重结晶给单相纳米陶瓷材料的制备带来障碍，纳米复相陶瓷的构想应运而生。用纳米级的第二相存在于微米级或亚微米级的基体的晶内或晶界中，就可以同时起到对材料的强化与增韧的效果，它又是材料设计的一个很好的对象。因此，纳米复相陶瓷也就成为最具实用意义的纳米陶瓷。

利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平（1～100nm），使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为代替工程陶瓷的应用开拓了新领域。

陶瓷材料向多功能方向发展成为当今陶瓷材料研究的一个新的动向。纳米复相陶瓷在组成上向多相复合方向发展，在性能上向多功能方向耦合，结构与功能一体化是这一研究动向最集中的体现。

纳米复相陶瓷具有高强、高韧、低密度、高硬和耐高温、抗蠕变、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等优异的性能，已逐步成为尖端技术不可缺少的关键材料，在一般机械工业领域(如刀具、密封件、模具、轴承)、化工、冶金等领域有着广阔的应用前景，它同时在航空航天等国防尖端技术领域也有着很广泛的应用。但是，陶瓷材料也存在着某些缺陷，由于其内在结构原因，主要表现为它的脆性大(易产生裂纹)、均匀性差、韧性低、强度不高、可靠性低、可加工性差等，因而使其应用受到了限制。因此，如何将纳米复相陶瓷的块材加工成具有一定形状和尺寸精度的零件，是纳米复相陶瓷能否真正地进入实用化并为国民经济和国防各个领域所充分利用的关键。

为了改善纳米陶瓷的加工性能，在硬脆材料的高效加工、延性加工、镜面加工、纳米技术等研究领域，将功率超声与不同的特种加工、超精密加工相结合，高效获得微纳米加工表面，是应用性研究的一个新方向，而超声振动对材料内禀特性的影响至今没有得到探究。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在超声频率和超声振幅对陶瓷材料断裂韧性的影响、超声作用对陶瓷材料微观结构、晶格、材料的疲劳断裂强度和寿命产生的影响等问题，提供一种用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置，该装置可以方便测试并研究超声刀具对陶瓷材料的作用机理，提高加工效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用于测试硬脆材料力学性能的多振幅超声拉扭试验装置，包括支撑架、上连接头、下连接头和超声振动系统，超声振动系统设在支撑架上，上连接头设在支撑架的上端，下连接头位于支撑架的正下方，超声振动系统的下端与下连接头之间夹持有棒状的试样，试样竖直设置，试样中间位置的上侧和下侧分别设有一个应变测量板。

所述支撑架包括水平设置的顶板和底板，顶板的下表面和底板的上表面之间设有至少两根竖直的支撑杆。

所述超声振动系统包括自上而下顺次连接的换能器、变幅杆、扭转转换接头和紧固套筒，变幅杆的上下端分别通过双头螺柱与换能器和扭转转换接头连接，换能器侧部设有接线柱，扭转转换接头外周螺纹连接有紧固套筒，紧固套筒的下端设有法兰盘，法兰盘中心设有通孔，法兰盘沿上设有位于通孔周围的安装孔，法兰盘通过穿设在安装孔内的紧固螺钉与底板连接，试样由上头部、杆部和下头部构成，试样的杆部穿设在安装孔内，试样的上头部设在紧固套筒内并与扭转转换接头顶压配合，试样的下头部夹持在下连接头内。

所述下连接头包括弹簧夹头、紧固螺母和下连接柱，试样插设在弹簧夹头内，弹簧夹头插设在下连接柱内，紧固螺母与下连接柱螺纹连接，下连接柱的径向设有下连接孔。

所述上连接头包括上连接柱和球头连接轴，球头连接轴由下向上穿过顶板与上连接柱螺纹连接，上连接柱的径向设有上连接孔。

所述应变测量板为激光辐射板，试样为陶瓷制品。