用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置，包括支撐架、上連接頭、下連接頭和超聲振動(dòng)系統(tǒng)，超聲振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)在支撐架上，上連接頭設(shè)在支撐架的上端，下連接頭位于支撐架的正下方，超聲振動(dòng)系統(tǒng)的下端與下連接頭之間夾持有棒狀的試樣，試樣豎直設(shè)置，試樣中間位置的上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)有一個(gè)應(yīng)變測(cè)量板。本發(fā)明具有直觀性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)合理、操作靈活簡(jiǎn)單、效果好和便于拆卸的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)多振幅超聲振動(dòng)的試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中為了方便測(cè)量硬脆材料在超聲作用下的變形量，在試樣中心的上下兩側(cè)分別安裝有應(yīng)變測(cè)量板，通過(guò)應(yīng)變測(cè)量板可以測(cè)出超聲振動(dòng)下試樣的微觀變形量，為硬脆材料的機(jī)械加工奠定一定的理論依據(jù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于硬脆材料試驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷材料在很多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。但它最致命的弱點(diǎn)是高脆性和低可靠性，從而在很多場(chǎng)合中限制了它的應(yīng)用。如何改善陶瓷材料的這個(gè)弱點(diǎn)，一直是陶瓷材料研究者所關(guān)心的問(wèn)題。在20世紀(jì)80年代，復(fù)相陶瓷曾經(jīng)為陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的研制立過(guò)汗馬功勞。納米陶瓷的研究隨之興起，到20世紀(jì)90年代初，就已形成了納米陶瓷、復(fù)相陶瓷和陶瓷材料的設(shè)計(jì)與制備的研究趨勢(shì)。陶瓷材料在高溫處理時(shí)必然出現(xiàn)的晶粒重結(jié)晶給單相納米陶瓷材料的制備帶來(lái)障礙，納米復(fù)相陶瓷的構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生。用納米級(jí)的第二相存在于微米級(jí)或亞微米級(jí)的基體的晶內(nèi)或晶界中，就可以同時(shí)起到對(duì)材料的強(qiáng)化與增韌的效果，它又是材料設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的對(duì)象。因此，納米復(fù)相陶瓷也就成為最具實(shí)用意義的納米陶瓷。
[0003]利用納米技術(shù)開(kāi)發(fā)的納米陶瓷材料是利用納米粉體對(duì)現(xiàn)有陶瓷進(jìn)行改性，通過(guò)往陶瓷中加入或生成納米級(jí)顆粒、晶須、晶片纖維等，使晶粒、晶界以及他們之間的結(jié)合都達(dá)到納米水平(I?lOOnm)，使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的許多不足，并對(duì)材料的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁光學(xué)等性能產(chǎn)生重要影響，為代替工程陶瓷的應(yīng)用開(kāi)拓了新領(lǐng)域。
[0004]陶瓷材料向多功能方向發(fā)展成為當(dāng)今陶瓷材料研究的一個(gè)新的動(dòng)向。納米復(fù)相陶瓷在組成上向多相復(fù)合方向發(fā)展，在性能上向多功能方向耦合，結(jié)構(gòu)與功能一體化是這一研究動(dòng)向最集中的體現(xiàn)。
[0005]納米復(fù)相陶瓷具有高強(qiáng)、高韌、低密度、高硬和耐高溫、抗蠕變、耐磨損、耐腐蝕和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)異的性能，已逐步成為尖端技術(shù)不可缺少的關(guān)鍵材料，在一般機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域(如刀具、密封件、模具、軸承)、化工、冶金等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，它同時(shí)在航空航天等國(guó)防尖端【技術(shù)領(lǐng)域】也有著很廣泛的應(yīng)用。但是，陶瓷材料也存在著某些缺陷，由于其內(nèi)在結(jié)構(gòu)原因，主要表現(xiàn)為它的脆性大(易產(chǎn)生裂紋)、均勻性差、韌性低、強(qiáng)度不高、可靠性低、可加工性差等，因而使其應(yīng)用受到了限制。因此，如何將納米復(fù)相陶瓷的塊材加工成具有一定形狀和尺寸精度的零件，是納米復(fù)相陶瓷能否真正地進(jìn)入實(shí)用化并為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防各個(gè)領(lǐng)域所充分利用的關(guān)鍵。
[0006]為了改善納米陶瓷的加工性能，在硬脆材料的高效加工、延性加工、鏡面加工、納米技術(shù)等研究領(lǐng)域，將功率超聲與不同的特種加工、超精密加工相結(jié)合，高效獲得微納米加工表面，是應(yīng)用性研究的一個(gè)新方向，而超聲振動(dòng)對(duì)材料內(nèi)稟特性的影響至今沒(méi)有得到探究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在超聲頻率和超聲振幅對(duì)陶瓷材料斷裂韌性的影響、超聲作用對(duì)陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)、晶格、材料的疲勞斷裂強(qiáng)度和壽命產(chǎn)生的影響等問(wèn)題，提供一種用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置，該裝置可以方便測(cè)試并研究超聲刀具對(duì)陶瓷材料的作用機(jī)理，提高加工效率。
[0008]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置，包括支撐架、上連接頭、下連接頭和超聲振動(dòng)系統(tǒng)，超聲振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)在支撐架上，上連接頭設(shè)在支撐架的上端，下連接頭位于支撐架的正下方，超聲振動(dòng)系統(tǒng)的下端與下連接頭之間夾持有棒狀的試樣，試樣豎直設(shè)置，試樣中間位置的上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)有一個(gè)應(yīng)變測(cè)量板。
[0009]所述支撐架包括水平設(shè)置的頂板和底板，頂板的下表面和底板的上表面之間設(shè)有至少兩根豎直的支撐桿。
[0010]所述超聲振動(dòng)系統(tǒng)包括自上而下順次連接的換能器、變幅桿、扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭和緊固套筒，變幅桿的上下端分別通過(guò)雙頭螺柱與換能器和扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭連接，換能器側(cè)部設(shè)有接線(xiàn)柱，扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭外周螺紋連接有緊固套筒，緊固套筒的下端設(shè)有法蘭盤(pán)，法蘭盤(pán)中心設(shè)有通孔，法蘭盤(pán)沿上設(shè)有位于通孔周?chē)陌惭b孔，法蘭盤(pán)通過(guò)穿設(shè)在安裝孔內(nèi)的緊固螺釘與底板連接，試樣由上頭部、桿部和下頭部構(gòu)成，試樣的桿部穿設(shè)在安裝孔內(nèi)，試樣的上頭部設(shè)在緊固套筒內(nèi)并與扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭頂壓配合，試樣的下頭部夾持在下連接頭內(nèi)。
[0011]所述下連接頭包括彈簧夾頭、緊固螺母和下連接柱，試樣插設(shè)在彈簧夾頭內(nèi)，彈簧夾頭插設(shè)在下連接柱內(nèi)，緊固螺母與下連接柱螺紋連接，下連接柱的徑向設(shè)有下連接孔。
[0012]所述上連接頭包括上連接柱和球頭連接軸,球頭連接軸由下向上穿過(guò)頂板與上連接柱螺紋連接，上連接柱的徑向設(shè)有上連接孔。
[0013]所述應(yīng)變測(cè)量板為激光輻射板，試樣為陶瓷制品。
[0014]采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明通過(guò)上連接頭上的上連接孔、下連接頭上的下連接孔設(shè)置在壓力試驗(yàn)機(jī)上，球頭連接軸可保證上連接頭、超聲振動(dòng)系統(tǒng)和下連接頭處于同一豎直軸線(xiàn)上。壓力試驗(yàn)機(jī)通過(guò)上連接頭、下連接頭和支撐架給試樣施加拉力。本發(fā)明在試驗(yàn)過(guò)程中可通過(guò)改變縱向變幅桿的形狀來(lái)改變扭轉(zhuǎn)振幅的大小。
[0015]由于陶瓷試樣比較脆，不能采用常規(guī)的連接方式，為了減少超聲波傳播過(guò)程中能量的損失，采用兩半結(jié)構(gòu)的彈簧夾頭將試樣夾持住，并在彈簧夾頭外面設(shè)置緊固螺母，使試樣和超聲振動(dòng)系統(tǒng)成為一體。超聲波電源通過(guò)換能器上圓柱型的接線(xiàn)柱給超聲振動(dòng)系統(tǒng)供給縱振能量，換能器和變幅桿通過(guò)雙頭螺柱連接，變幅桿尾端通過(guò)雙頭螺柱和扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭連接，通過(guò)轉(zhuǎn)換接頭上的斜槽實(shí)現(xiàn)超聲縱扭，為了減少加工成本，縱振變幅桿輸出端和扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭連接，通過(guò)修正后實(shí)現(xiàn)多振幅拉扭超聲振動(dòng)，為能實(shí)現(xiàn)多振幅，只要更換不同形狀的變幅桿即可。陶瓷試樣通過(guò)緊固套筒和變幅桿、扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭連接在一起。
[0016]上連接孔和下連接孔均為銷(xiāo)軸孔，通過(guò)銷(xiāo)軸和拉伸試驗(yàn)機(jī)的上、下支撐架連接，下連接頭內(nèi)孔為光孔，彈簧夾頭為兩半結(jié)構(gòu)，陶瓷試件的下端安裝在彈簧夾頭內(nèi)，依靠彈簧夾頭內(nèi)的臺(tái)階部分和緊固螺母把試樣和下連接柱固定在一起，試樣中心的上下兩側(cè)固定有激光位移傳感器(即應(yīng)變測(cè)量板)，用以測(cè)量陶瓷試樣在拉扭過(guò)程中陶瓷試樣的應(yīng)變大小，通過(guò)改變振動(dòng)系統(tǒng)中變幅桿的形狀，可以得到不同振幅的超聲拉扭試驗(yàn)系統(tǒng)，從而可以得到同一頻率下不同振幅對(duì)陶瓷試件斷裂性能的影響。
[0017]本發(fā)明在試驗(yàn)時(shí)，超聲波電源通過(guò)接線(xiàn)柱為換能器供電，換能器產(chǎn)生超聲振動(dòng)通過(guò)變幅桿和扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭傳遞給試件，同時(shí)拉伸試驗(yàn)機(jī)通過(guò)上連接頭、下連接頭和支撐架對(duì)試樣施加拉力，直到試樣的中點(diǎn)位置處被拉斷，兩塊應(yīng)變測(cè)量板在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)出超聲振動(dòng)下試樣的微觀變形量。
[0018]本發(fā)明具有直觀性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)合理、操作靈活簡(jiǎn)單、效果好和便于拆卸的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)多振幅超聲振動(dòng)的試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中為了方便測(cè)量硬脆材料在超聲作用下的變形量，在試樣中心的上下兩側(cè)分別安裝有應(yīng)變測(cè)量板，通過(guò)應(yīng)變測(cè)量板可以測(cè)出超聲振動(dòng)下試樣的微觀變形量，為硬脆材料的機(jī)械加工奠定一定的理論依據(jù)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明的的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1中超聲振動(dòng)系統(tǒng)與試樣之間連接的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖1中下連接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明的用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置，包括支撐架、上連接頭、下連接頭和超聲振動(dòng)系統(tǒng)1，超聲振動(dòng)系統(tǒng)I設(shè)在支撐架上，上連接頭設(shè)在支撐架的上端，下連接頭位于支撐架的正下方，超聲振動(dòng)系統(tǒng)I的下端與下連接頭之間夾持有棒狀的試樣2，試樣2豎直設(shè)置，試樣2中間位置的上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)有一個(gè)應(yīng)變測(cè)量板3。
[0021]支撐架包括水平設(shè)置的頂板4和底板5，頂板4的下表面和底板5的上表面之間設(shè)有至少兩根豎直的支撐桿6。
[0022]超聲振動(dòng)系統(tǒng)I包括自上而下順次連接的換能器7、變幅桿8、扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭9和緊固套筒10，變幅桿8的上下端分別通過(guò)雙頭螺柱與換能器7和扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭9連接，換能器7側(cè)部設(shè)有接線(xiàn)柱11，扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭9外周螺紋連接有緊固套筒10，緊固套筒10的下端設(shè)有法蘭盤(pán)12，法蘭盤(pán)12中心設(shè)有通孔13，法蘭盤(pán)12沿上設(shè)有位于通孔13周?chē)陌惭b孔14，法蘭盤(pán)12通過(guò)穿設(shè)在安裝孔14內(nèi)的緊固螺釘與底板5連接，試樣2由上頭部15、桿部16和下頭部17構(gòu)成,試樣2的桿部16穿設(shè)在安裝孔14內(nèi)，試樣2的上頭部15設(shè)在緊固套筒10內(nèi)并與扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭9頂壓配合，試樣2的下頭部17夾持在下連接頭內(nèi)。
[0023]下連接頭包括彈簧夾頭18、緊固螺母19和下連接柱20，試樣2插設(shè)在彈簧夾頭18內(nèi)，彈簧夾頭18插設(shè)在下連接柱20內(nèi)，緊固螺母19與下連接柱20螺紋連接，下連接柱20的徑向設(shè)有下連接孔21。
[0024]上連接頭包括上連接柱22和球頭連接軸23，球頭連接軸23由下向上穿過(guò)頂板4與上連接柱22螺紋連接，上連接柱22的徑向設(shè)有上連接孔24。
[0025]應(yīng)變測(cè)量板3為激光輻射板，試樣2為陶瓷制品。
[0026]本發(fā)明中的換能器7、變幅桿8、扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭9均為現(xiàn)有成熟技術(shù)，具體構(gòu)造不再贅述。
[0027]本發(fā)明通過(guò)上連接頭上的上連接孔24、下連接頭上的下連接孔21設(shè)置在壓力試驗(yàn)機(jī)上，球頭連接軸23可保證上連接頭、超聲振動(dòng)系統(tǒng)I和下連接頭處于同一豎直軸線(xiàn)上。壓力試驗(yàn)機(jī)通過(guò)上連接頭、下連接頭和支撐架給試樣2施加拉力。本發(fā)明在試驗(yàn)過(guò)程中可通過(guò)改變縱向變幅桿8的形狀來(lái)改變扭轉(zhuǎn)振幅的大小。
[0028]上連接孔24和下連接孔21均為銷(xiāo)軸孔，通過(guò)銷(xiāo)軸和拉伸試驗(yàn)機(jī)的上、下支撐架連接，下連接頭內(nèi)孔為光孔，彈簧夾頭18為兩半結(jié)構(gòu)，陶瓷試件的下端安裝在彈簧夾頭18內(nèi)，依靠彈簧夾頭18內(nèi)的臺(tái)階部分和緊固螺母19把試樣2和下連接柱20固定在一起，試樣2中心的上下兩側(cè)固定有激光位移傳感器(即應(yīng)變測(cè)量板3)，用以測(cè)量陶瓷試樣2在拉扭過(guò)程中陶瓷試樣2的應(yīng)變大小，通過(guò)改變振動(dòng)系統(tǒng)中變幅桿8的形狀，可以得到不同振幅的超聲拉扭試驗(yàn)系統(tǒng)，從而可以得到同一頻率下不同振幅對(duì)陶瓷試件斷裂性能的影響。
[0029]由于陶瓷試樣2比較脆，不能采用常規(guī)的連接方式，為了減少超聲波傳播過(guò)程中能量的損失，采用兩半結(jié)構(gòu)的彈簧夾頭18將試樣2夾持住，并在彈簧夾頭18外面設(shè)置緊固螺母19，使試樣2和超聲振動(dòng)系統(tǒng)I成為一體。超聲波電源通過(guò)換能器7上圓柱型的接線(xiàn)柱11給超聲振動(dòng)系統(tǒng)I供給縱振能量，換能器7和變幅桿8通過(guò)雙頭螺柱連接，變幅桿8尾端通過(guò)雙頭螺柱和扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭9連接，通過(guò)轉(zhuǎn)換接頭上的斜槽實(shí)現(xiàn)超聲縱扭，為了減少加工成本，縱振變幅桿8輸出端和扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭9連接，通過(guò)修正后實(shí)現(xiàn)多振幅拉扭超聲振動(dòng)，為能實(shí)現(xiàn)多振幅，只要更換不同形狀的變幅桿8即可。陶瓷試樣2通過(guò)緊固套筒10和變幅桿8、扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭9連接在一起。
[0030]本發(fā)明在試驗(yàn)時(shí)，超聲波電源通過(guò)接線(xiàn)柱11為換能器7供電，換能器7產(chǎn)生超聲振動(dòng)通過(guò)變幅桿8和扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭9傳遞給試件，同時(shí)拉伸試驗(yàn)機(jī)通過(guò)上連接頭、下連接頭和支撐架對(duì)試樣2施加拉力，直到試樣2的中點(diǎn)位置處被拉斷，兩塊應(yīng)變測(cè)量板3在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)出超聲振動(dòng)下試樣2的微觀變形量。
[0031 ] 上述實(shí)施方案為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本實(shí)施例并非對(duì)本發(fā)明的形狀、材料、結(jié)構(gòu)等作任何形式上的限制，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施方案的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置，其特征在于:包括支撐架、上連接頭、下連接頭和超聲振動(dòng)系統(tǒng)，超聲振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)在支撐架上，上連接頭設(shè)在支撐架的上端，下連接頭位于支撐架的正下方，超聲振動(dòng)系統(tǒng)的下端與下連接頭之間夾持有棒狀的試樣，試樣豎直設(shè)置，試樣中間位置的上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)有一個(gè)應(yīng)變測(cè)量板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述支撐架包括水平設(shè)置的頂板和底板，頂板的下表面和底板的上表面之間設(shè)有至少兩根豎直的支撐桿。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述超聲振動(dòng)系統(tǒng)包括自上而下順次連接的換能器、變幅桿、扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭和緊固套筒，變幅桿的上下端分別通過(guò)雙頭螺柱與換能器和扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭連接，換能器側(cè)部設(shè)有接線(xiàn)柱，扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭外周螺紋連接有緊固套筒，緊固套筒的下端設(shè)有法蘭盤(pán)，法蘭盤(pán)中心設(shè)有通孔，法蘭盤(pán)沿上設(shè)有位于通孔周?chē)陌惭b孔，法蘭盤(pán)通過(guò)穿設(shè)在安裝孔內(nèi)的緊固螺釘與底板連接，試樣由上頭部、桿部和下頭部構(gòu)成，試樣的桿部穿設(shè)在安裝孔內(nèi)，試樣的上頭部設(shè)在緊固套筒內(nèi)并與扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換接頭頂壓配合，試樣的下頭部夾持在下連接頭內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述下連接頭包括彈簧夾頭、緊固螺母和下連接柱，試樣插設(shè)在彈簧夾頭內(nèi)，彈簧夾頭插設(shè)在下連接柱內(nèi)，緊固螺母與下連接柱螺紋連接，下連接柱的徑向設(shè)有下連接孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述上連接頭包括上連接柱和球頭連接軸，球頭連接軸由下向上穿過(guò)頂板與上連接柱螺紋連接，上連接柱的徑向設(shè)有上連接孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的用于測(cè)試硬脆材料力學(xué)性能的多振幅超聲拉扭試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述應(yīng)變測(cè)量板為激光輻射板，試樣為陶瓷制品。
【文檔編號(hào)】G01N3/22GK103776693SQ201410018964
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】趙波, 童景琳, 卞平艷, 王曉博, 劉折, 崔峰 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)