金屬材料振動(dòng)拉伸實(shí)驗(yàn)研究

方 穎（蘇州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所,江蘇 蘇州 215000）

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金屬材料振動(dòng)拉伸實(shí)驗(yàn)研究

方 穎
（蘇州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所,江蘇 蘇州 215000）

摘 要：金屬材料靜拉伸實(shí)驗(yàn)是金屬材料力學(xué)性能部分的重要實(shí)驗(yàn)，它是目前用來測(cè)試金屬材料強(qiáng)度與塑性指標(biāo)的主要方法；本文著重研究了低碳鋼在激振頻率0～100Hz范圍內(nèi)進(jìn)行振動(dòng)拉伸的應(yīng)力應(yīng)變行為，采用不同的激振力幅和激振頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出相關(guān)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：金屬材料；振動(dòng)；實(shí)驗(yàn)結(jié)論

力學(xué)性能是衡量金屬材料的可靠性以及質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，而拉伸性能是衡量金屬材料的力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。由于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和建設(shè)在不斷的發(fā)展，所以建設(shè)對(duì)所需的金屬材料提出更高的要求，金屬材料的種類也越來越多。在材料加工的時(shí)候我們可以采用振動(dòng)的方法來對(duì)金屬材料進(jìn)行加工，這樣不但可以提升產(chǎn)品的質(zhì)量，而且可以節(jié)約成本，減小能量損耗。像軋壓、拉拔以及裁剪等都屬于比較常見的振動(dòng)加工方法，這些方法也被普遍運(yùn)用在實(shí)際的工藝加工過程中。

1 實(shí)驗(yàn)要求與方法

規(guī)定不超過100Hz的中頻振動(dòng)拉伸實(shí)驗(yàn)要在10t萬能機(jī)上進(jìn)行。所使用的激振器屬于機(jī)械偏心式激振器,通過對(duì)偏心量的調(diào)整從而得到不同激振力幅。在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候，試件的兩端分別固定在試驗(yàn)機(jī)的滑體上面和上夾頭的部位,然后通過偏心軸的振動(dòng)帶動(dòng)滑體的振動(dòng)，從而間接的使試件振動(dòng)和拉伸。試件采用碳素鋼Q235為材料，其半徑是2.5毫米，標(biāo)距是60毫米，屬于標(biāo)準(zhǔn)試件。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，要始終維持振動(dòng)的頻率為一定值（本實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)頻率取27.70Hz），然后調(diào)節(jié)偏心軸的位置，得到不同的偏心距，從而得到對(duì)應(yīng)的激振力幅，之后再測(cè)出滑體的位移隨時(shí)間的變化率，最后根據(jù)相應(yīng)的公式求出位移振幅的值。這里共采用5種不同的振幅，分別為：0，0.247，0.262，0.274，0.310mm。沒有振動(dòng)的時(shí)候振幅是零，之后調(diào)整偏心距，保持振幅為一定值，然后調(diào)節(jié)偏心軸回轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)動(dòng)速率或者改變振動(dòng)的頻率。激振頻率分別為 0，27.70，34.88，50.27，71.82 Hz。在沒有振動(dòng)的情況下頻率是零。根據(jù)上面兩種方法來做實(shí)驗(yàn)，然后繪制出相關(guān)的載荷—變形曲線圖，根據(jù)此圖繪制出應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。如果測(cè)試的最終結(jié)果和理論值比較接近，那么就可以計(jì)算出在偏振和拉伸情況下材料的平均載荷量以及平均變形度。

為了弄明白在振動(dòng)拉伸情況下的低碳鋼更為細(xì)致的本構(gòu)關(guān)系，我們把頻率設(shè)置為1Hz，然后進(jìn)行試驗(yàn)，并得到在此頻率下瞬時(shí)應(yīng)力應(yīng)變的結(jié)果。此實(shí)驗(yàn)所用的試驗(yàn)機(jī)是頻率比較低的材料疲勞試驗(yàn)機(jī)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候試件的一段被固定住，另外的一段可以利用卡具在軸線方向進(jìn)行拉伸和偏振。偏振滿足簡(jiǎn)諧振動(dòng)的條件，拉伸全程的相關(guān)操作通過計(jì)算機(jī)完成。試件采用碳素鋼Q235為材料，其半徑是2.5毫米，標(biāo)距是60毫米，屬于標(biāo)準(zhǔn)試件。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）頻率不變、振幅變化。在保持頻率不變的情況下，振幅由零逐漸變大，根據(jù)這種關(guān)系推算出載荷和變形之間的關(guān)系，從而繪制出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。通過應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖我們不難發(fā)現(xiàn)，在振幅增大的時(shí)候，屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb都會(huì)減小，屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb歲振幅的變化關(guān)系如下圖1所示：

（2）振幅不變，頻率變化。保持振幅和偏心距分別為一固定值，然后使頻率由零開始逐漸增加，通過試驗(yàn)得到載荷和變形相關(guān)的參數(shù)，從而可得到應(yīng)力—應(yīng)變的曲線圖。通過曲線圖我們可以看出屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb都會(huì)隨著頻率的增加而發(fā)生相應(yīng)的變化。也就是說對(duì)于低碳鋼這種材料，也許可以找到一個(gè)最佳的加工頻率或者一段比較好的頻率范圍。

（3）振動(dòng)拉伸時(shí)瞬時(shí)應(yīng)力應(yīng)變。變形的速度設(shè)置為一個(gè)定值，在1Hz的激振頻率下進(jìn)行試驗(yàn)，并得到在振動(dòng)拉伸情況下的變形、應(yīng)力、瞬時(shí)載荷等參數(shù)值，然后在拉伸的不同階段對(duì)材料加以振動(dòng)，并把斷續(xù)振動(dòng)拉伸狀態(tài)下的相關(guān)數(shù)據(jù)極力下來。

將頻率為1Hz時(shí)的振動(dòng)拉伸曲線進(jìn)行放大，我們可以發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線呈滯回的環(huán)狀，這就表示在頻率比較低的情況下產(chǎn)生了滯回效應(yīng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）在保持激振頻率為一定值的情況下，隨著振幅的增大材料的拉伸量和屈服程度逐漸減小，而且和靜載荷時(shí)相比也有所減小，但是拉伸率幾乎沒變化。

（2）在保持振幅為一定值的情況下，在某一段激振頻率區(qū)段內(nèi)，隨著頻率的改變，拉伸的極限值和屈服的極限值也發(fā)生相應(yīng)的改變，但是在彈性區(qū)內(nèi)幾乎沒有變化。著就說明在振動(dòng)拉伸的過程中產(chǎn)生了減幅效益。

（3）通過試驗(yàn)可以看出，低頻斷續(xù)拉伸試驗(yàn)得到曲線和Blaha等人所提出的超聲振動(dòng)拉伸的曲線非常相似，所以超聲振動(dòng)拉伸和低頻率的振動(dòng)拉伸存在一定的關(guān)聯(lián)。

（4）在塑性變形區(qū)段內(nèi)，由于振動(dòng)的產(chǎn)生使應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生比較嚴(yán)重的滯回效應(yīng)，且隨著塑性變形的增加，滯回效應(yīng)也會(huì)更明顯。

（5）在振動(dòng)拉伸狀態(tài)下，材料會(huì)提前產(chǎn)生屈服現(xiàn)象，且屈服的極限值和振幅有關(guān)，此外激振頻率的大小也會(huì)對(duì)材料的加工造成不同程度的影響。在塑性區(qū)由于振動(dòng)的產(chǎn)生造成了能量的損耗。以上結(jié)論可作為材料加工深入研究的重要依據(jù)。

4 結(jié)束語

文章對(duì)低碳鋼的振動(dòng)拉伸試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，試驗(yàn)所取的振動(dòng)頻率不超過100Hz，并特別對(duì)頻率為1Hz的情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，然記下相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和參數(shù)。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)，我們繪制出了低碳鋼的振動(dòng)拉伸應(yīng)變應(yīng)力曲線圖，總結(jié)出相關(guān)的結(jié)論，從而對(duì)材料加工有了更加深入的理解，為實(shí)際的材料加工提供有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，對(duì)材料加工工藝的研究有著重要的作用。

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DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.215