当前位置: 首页 > 专利查询>江苏大学专利>正文

激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法及试样夹紧装置制造方法及图纸

技术编号:12745937 阅读:128 留言:0更新日期:2016-01-21 13:59
一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法及试样夹紧装置,所述的装置包括夹紧装置、压紧金属片、测力元件、圆环面微动垫和经过表面改性的试样等。发明专利技术方法为首先在待测圆棒试样的整圆周侧面区域进行激光喷丸强化,作为对比,在其轴向相邻位置预留不做任何处理的试验区,四个半圆环面微动垫将两个试验区域贴合包围,压紧金属片通过夹紧装置给微动垫施加可控均匀的接触载荷。通过该装置可在具有相同测试参数的面-面接触拉扭复合疲劳试验条件下,根据圆棒试样不同试验阶段的裂纹萌生与扩展情况,实现未处理区域与经过激光喷丸强化区域抗微动疲劳性能的对比。

【技术实现步骤摘要】
激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法及试样夹紧装置
本专利技术涉及一种材料改性技术,尤其是一种激光表面强化以及微动疲劳试验技术,具体地说是一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法及试样夹紧装置。
技术介绍
目前,在航空航天、汽车制造、船舶制造等领域,其关键零件大多数服役于机械振动、交变疲劳载荷和热循环等复杂多样环境中,这将导致通过螺栓连接、铆接、燕尾榫连接以及过盈配合等方式紧固接触零件之间产生位移量在几十微米的相对位移——微动。在法向载荷的作用下,接触表面上的微动会产生切向交变应力,致使微动疲劳裂纹产生萌生和扩展。微动疲劳在工业中十分普遍,通常出现在接触表面之间而不易被发现与检测,但是它会促使和加速疲劳裂纹的产生和进一步扩展,严重影响机器设备的服役寿命,甚至造成灾难性的后果。因此对微动疲劳的机理以及防范措施的研究具有重要意义,目前对于微动疲劳的研究大多数集中在拉压、扭转或弯曲单轴疲劳载荷下进行,各种载荷形式的复合相对较少。然而,实际的零件工作环境却较为复杂,单纯单轴疲劳载荷的研究难以发现和解决接触区域的多轴非比例疲劳载荷的状态。表面改性技术是提高材料抗微动疲劳性能最有效的途径之一。诸如涂层技术、离子注入技术、预氧化技术以及表面强化等表面改性技术已经相对成熟地运用到工程实际之中,然而这些现有技术均存在一些弊端,渗氮处理会有产生氢脆的风险,热喷涂的过程中表面会过热,离子注入技术的深度较浅,涂层技术的结合力低。激光喷丸作为新型的表面强化的技术,对其的研究和应用已经较为深入,相对于传统的表面改性技术可以获得较深的强化影响层和较好的稳定性,但是目前激光喷丸强化在抗微动疲劳方面的应用还没有普及,所以很有必要进行激光喷丸后材料抗疲劳性能的研究,并且通过试验对比更为全面地了解激光喷丸强化在这方面的优越性。微动疲劳过程中,两个接触面、法向载荷和微动为三个必要条件。试验中,两个接触面通过微动垫实现,微动垫上施加法向载荷(目前主要有应力环法、液压加载法和重力法施加法向载荷),与试样紧密接触。试样在交变载荷的作用下产生应变,从而产生微动疲劳效应。目前,微动疲劳试验大多采用桥式微动垫,但由于桥式微动垫刚度不足,使得试样与微动垫的接触条件难以描述。此外,微动疲劳试验装置针对作用于试样上的不同交变载荷形式,其结构形式各有其特点。目前,大多数的微动疲劳试验装置都局限于单轴疲劳载荷,尤其拉压疲劳载荷下的微动疲劳最为普遍。公开号CN102087186A的中国专利“微动疲劳实验平台”通过旋转加载螺钉,给压头和试样施加可测接触力,完成微动微动疲劳试验,该装置只能进行局限于单轴载荷情况下拉压微动疲劳试验。然而,工程实际中一些零部件通常在多轴复合载荷的作用下产生微动疲劳,目前已经出现了为数不多的多轴复合载荷下微动疲劳试验装置。公开号CN103938135A的中国专利“一种点接触式微动疲劳试验装置及试验方法”通过调节加载螺栓对微动桥加载压力,配合疲劳试验机可以实现对拉压、扭转和拉扭复合微动疲劳的研究。该装置虽然可以满足多轴载荷的复合,但是工程实际更多是式面-面接触形式而不是点接触,而且点接触对于微动垫和样件的安装提出更高的要求。综上所述,若能够通过试验方式对比分析,在面-面接触的拉扭复合微动疲劳试验条件下,研究激光喷丸强化提高材料的抗微动疲劳性能,必将进一步推广激光喷丸强化在微动疲劳领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的激光喷丸强化材料抗微动疲劳性能试验存在的受力方向单一,不能全面反映零件实际受力状态而造成试验准确性差的问题,专利技术一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法,同时提供一种为满足该试验方法所使用的试样夹紧装置。本专利技术的技术方案是之一:一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法,其特征在于:在圆棒试样上进行局部区域激光喷丸强化处理作为激光喷丸区域,作为对比,在轴向相邻的位置预留未经过表面改性处理的区域作为试验对比区域,然后在对应的激光喷丸区域和试验对比区域分别布置微动垫,控制两个微动垫之间的轴向间隔为5~10mm,并且通过夹紧装置施加50~150MPa的可控均匀接触法向载荷,在疲劳试验机上给圆棒试样施加拉压、扭转或拉扭复合的交变应力,产生微动疲劳效应;对比经过激光喷丸强化和未经过表面处理区域在不同试验阶段裂纹的萌生及扩展情况,分析得到激光喷丸强化对试样抗微动疲劳性能的提升作用。上述方法的具体步骤为:1)在待测圆棒试样1的整圆周侧面区域进行激光喷丸强化处理作为激光喷丸区域,作为试验对比,在其轴向相邻位置预留有未经任何表面处理的区域作为试验对比区域;2)在所述的激光喷丸区域和试验对比区域分别布置半圆环面微动垫2,其内圆弧半径与圆棒试样1的半径相等,四个半圆环面微动垫2将两个试验区域贴合包围,控制两组微动垫之间的轴向间隔为5~10mm;3)利用压紧金属片3与半圆环面微动垫2紧密贴合,夹紧压紧金属片3以固定半圆环面微动垫2在圆棒试样1上的位置;4)利用测力元件4测量夹紧装置施加于压紧金属片3端部的接触压力F,作用在半圆环面微动垫2上的法向载荷PPa与F(N满足以下关系:式中,R为半圆环面微动垫2外圆弧半径,b为微动垫的宽度;5)转动螺纹杆12,通过夹紧装置拉紧压紧金属片3,从而给半圆环面微动垫2施加50~150MPa可控均匀法向接触载荷;6)将圆棒试样1装夹至疲劳试验机,加载拉伸、扭转或拉扭复合交变疲劳载荷进行多组试验,分别在循环次数为试样总寿命的0.5%-70%时中断试验至少7次,直到循环试验次数达到试样总寿命的70%,若未达到设定的循环次数但监测到裂纹长度达到1~2mm时也同样中断试验;7)切开试样,借助扫描电镜观察每组试验的试样与微动垫接触的微动区域,分析微动损伤、裂纹萌生部位和大小,对比研究得到激光喷丸强化对试样抗微动疲劳性能的影响力。所述的激光喷丸强化处理的主要参数为:激光功率密度为2GW/cm2,光斑直径为2mm,光斑搭接率为50%~75%。所述的半圆环面微动垫2的材质与圆棒试样1相同,厚度为1.5-2.5mm,宽度为4-6mm,其内圆弧半径与圆棒试样1的半径相同,在其表面施加法向载荷,使圆棒试样1的在交变载荷的作用下产生微动疲劳。所述的压紧金属片3内侧涂有润滑材料15,以减小与半圆环面微动垫2之间的切向作用力,选用石墨粉作为润滑材料。所述的将圆棒试样1装夹至疲劳试验机,加载拉伸、扭转或拉扭复合交变疲劳载荷进行多组试验,分别在循环次数为试样总寿命的0.5%、2%、5%、10%、20%、30%、50%和70%时中断试验,若未达到设定的循环次数但监测到裂纹长度达到1~2mm时也同样中断试验。本专利技术的技术方案是之二:一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验用试样夹紧装置,其特征在于它包括半圆环面微动垫2、压紧金属片3、测力元件4、螺钉5、主夹紧块6、主拉紧销7、销钉8、副夹紧块9、副拉紧销10、定位垫片11和螺纹杆12,两组半圆环面微动垫2的一组紧贴在圆棒试样1表面的激光喷丸区域,另一组紧贴在试验对比区域上,两组半圆环面微动垫2之间的距离为5~10mm,两个半环形压紧金属片3错位贴装在两组半圆环面微动垫2上,一个压紧金属片3的两端通过螺钉5安装在两个主夹紧块6,另一个本文档来自技高网
...
激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法及试样夹紧装置

【技术保护点】
一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法,其特征在于:在圆棒试样上进行局部区域激光喷丸强化处理作为激光喷丸区域,作为对比,在轴向相邻的位置预留未经过表面改性处理的区域作为试验对比区域,然后在对应的激光喷丸区域和试验对比区域分别布置微动垫,控制两个微动垫之间的轴向间隔为5~10 mm,并且通过夹紧装置施加50~150 MPa的可控均匀接触法向载荷,在疲劳试验机上给圆棒试样施加拉压、扭转或拉扭复合的交变应力,产生微动疲劳效应;对比经过激光喷丸强化和未经过表面处理区域在不同试验阶段裂纹的萌生及扩展情况,分析得到激光喷丸强化对试样抗微动疲劳性能的提升作用。

【技术特征摘要】
1.一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法,其特征在于:在圆棒试样上进行局部区域激光喷丸强化处理作为激光喷丸区域,作为对比,在轴向相邻的位置预留未经过表面改性处理的区域作为试验对比区域,然后在对应的激光喷丸区域和试验对比区域分别布置微动垫,控制两个微动垫之间的轴向间隔为5~10mm,并且通过夹紧装置施加50~150MPa的可控均匀接触法向载荷,在疲劳试验机上给圆棒试样施加拉压、扭转或拉扭复合的交变应力,产生微动疲劳效应;对比经过激光喷丸强化和未经过表面处理区域在不同试验阶段裂纹的萌生及扩展情况,分析得到激光喷丸强化对试样抗微动疲劳性能的提升作用。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于它包括以下步骤:在待测圆棒试样(1)的整圆周侧面区域进行激光喷丸强化处理作为激光喷丸区域,作为试验对比,在其轴向相邻位置预留有未经任何表面处理的区域作为试验对比区域;在所述的激光喷丸区域和试验对比区域分别布置半圆环面微动垫(2),其内圆弧半径与圆棒试样(1)的半径相等,四个半圆环面微动垫(2)将两个试验区域贴合包围,控制两组微动垫之间的轴向间隔为5~10mm;利用压紧金属片(3)与半圆环面微动垫(2)紧密贴合,夹紧压紧金属片(3)以固定半圆环面微动垫(2)在圆棒试样(1)上的位置;利用测力元件(4)测量夹紧装置施加于压紧金属片(3)端部的接触压力F,作用在半圆环面微动垫(2)上的法向载荷P(Pa)与F(N)满足以下关系:式中,R为半圆环面微动垫(2)外圆弧半径,b为微动垫的宽度;转动螺纹杆(12),通过夹紧装置拉紧压紧金属片(3),从而给半圆环面微动垫(2)施加50~150MPa可控均匀法向接触载荷;将圆棒试样(1)装夹至疲劳试验机,加载拉伸、扭转或拉扭复合交变疲劳载荷进行多组试验,分别在循环次数为试样总寿命的0.5%-70%时中断试验至少7次,直到循环试验次数达到试样总寿命的70%,若未达到设定的循环次数但监测到裂纹长度达到1~2mm时也同样中断试验;切开试样,借助扫描电镜观察每组试验的试样与微动垫接触的微动区域,分析微动损伤、裂纹萌生部位和大小,对比研究得到激光喷丸强化对试样抗微动疲劳性能的影响力。3.根据权利要求2所述的方法,其特征是所述的激光喷丸强化处理的主要参数为:激光功率密度为2GW/cm2,光斑直径为2mm,光斑搭接率为50%~75%。4.根据权利要求2所述的方法,其特征是所述的半圆环面微动垫(2)的材质与圆棒试样(1)相同,厚度为1.5-2.5mm,宽度为4-6mm,其内圆弧...

【专利技术属性】
技术研发人员:黄舒王作伟盛杰周建忠徐苏强章海峰王宏宇孙云辉
申请(专利权)人:江苏大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1