拉压循环应力法测内耗的方法与流程

本发明涉及一种内耗测量方法，尤其是一种拉压循环应力法测内耗的方法。

背景技术：

内耗是自然界常见的现象，它是指一个振动着的物体即使与外界完全隔绝，其机械振动也会逐渐衰减下去，这种使机械振动能不可逆地耗散为热能的现象称为内耗。金属材料的内耗，是其内部的点缺陷包括溶质原子、线缺陷，面缺陷包括晶界、畴界、相界等缺陷，体缺陷包括第二相粒子以及它们之间的交互作用而具有的吸收其机械能的一种材料属性。内耗测试技术是一种灵敏度高的无损检测方法，能反应固体内部原子尺度上各种结构缺陷的组态及其交互作用，从而获得材料微观过程的定性或半定量信息。

目前在现阶段对于材料低频内耗的测试主要是采用由我国著名院士葛庭燧先生发明的葛氏扭摆。扭摆仪是通过对于试样施加一个较小的电磁力作为切向的应力使材料发生较为微小的扭转变形，再通过在试样上放置平面镜的方式利用光线反射光学原理和相似三角形的几何原理使试样极为微小的应变得到较大程度放大，再通过光线偏转的角度通过计算最后得到发生在试样的真实应变。将此方法应用于自由衰减法和强迫振动法两种基本的方法中，最终计算求得材料的内耗值。

回顾葛先生当初对于内耗测试扭摆仪设计的初衷，其本质上是从内耗的定义出发，通过对于试样施加微小的应力，使材料发生在弹性范围内发生最大应变振幅在10-5或者更小的应变，通过对于机械能损失的测量来计算所对应的的内耗值。这个看似简单的条件在当时并不能很好的实现，其中就包括两个问题，应力的精确度量和应变的精确度量。由于施加的应力以及应力所导致的应变均很小，在当时的科学测量技术无法达到这种精度的测量，所以葛先生设计了葛氏扭摆仪。通过通电线圈产生磁场，产生较小的电磁力，满足内耗测试的应力要求，对于应力做到精确度量和控制。而对于应变精确度量的问题，葛先生巧妙的联想到了弹性模量的测试，使用扭摆的方法，利用光线转动的角度放大应变的数量级，再通过比例算出真实应变从来解决了应变难以准确测量的问题。

但在研究中发现使用扭摆法来测量内耗存在一些问题，进而对于准确测量材料的内耗值产生一定的误差。可以发现，在扭摆法中，通过顶端的电磁力作用使试样发生应变，但在试样加工中很难保证试样是直线度，进而无法使中心线处于绝对的竖直状态，最终使试样的顶部到试样的底部所发生应变不一致，不能很好地反映出试样整体乃至材料整体的内耗特性，使最终所得到的内耗值会受到局部微观结构的影响。另一方面，试样受到重力及扭转力两方面的作用，且在试样长度方向的每一个横截面从表面到心部所受到的剪切应力的由大到小，使试样在横截面上发生不均匀应变，如图1和2所示。综合上述两个主要的原因，虽然所得结果在一定程度上可以反映材料的内耗值，但是距离材料的真实内耗值存在一定的相对误差。

技术实现要素：

本发明的目的在于完善目前内耗测量过程中存在的问题，提供一种拉压循环应力法测内耗的方法，通过对试样施加设定有振动频率和振幅的拉压循环应力，并在试样上选取两点使用引伸计对于其应变进行直接测量的方法，来改进内耗的测试技术。

为达到上述目的，本发明构思如下：

本发明从材料内耗的定义和本质上出发，对试样施加设定有振动频率和振幅的循环应力，使材料产生一个拉伸压缩循环应变。由于材料自身的滞弹性，金属材料内部微观结构会相互作用从而存在应力弛豫的现象，得到应力和应变两条循环曲线的相位差进而计算得到材料的内耗值。从实际的的实验条件出发，上世纪的实验仪器的应力传感器没有足够的精度，不能做到精确至几个牛或者零点几个牛的数量级。对于应变的测量，当时的引伸计也不能直接精确地得到材料微小的应变。经过长达半个世纪的发展，对于应力和应变的精确度量已经前进了好几个数量级，很多仪器生产公司现阶段已经可以生产出最大应力为10n的传感器，有效的最小应力精度为千分之四，也就是说最小的精确应力已经小至0.04n，采用引伸计对于应变测量由于其原理的不同也有很多的种类，高精度的引伸计有效反应位移可以达到0.006微米，完全可以满足适用拉压循环应力方法测量材料内耗的要求，在硬件上完全具有相关能力。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种拉压循环应力法测内耗的方法，其特征在于：对试样(2)施加设定有振动频率和振幅的拉压循环应力，以获得试样的应变驰豫曲线，再从应力和应变两条循环曲线的相位差求算出材料内耗值。

所述的拉压循环应力法测内耗的方法，其特征在于：具体操作步骤如下

(1)将试样(2)沿长度方向夹持在智能拉压机的上下夹头(1、3)间，并在试样(2)上相隔设定距离放置两个高精度的引伸计(4、5)；

(2)将试样(2)加热至所需温度，保温一定时间使温度稳定；

(3)通过智能拉压机给试样(2)施加一个设定有振动频率和振幅的拉压循环应力，实时测的应力和应变数据；通过数据处理软件对于实验所测得的应力和应变数据进行处理，分别绘制出时间关于施加应力和引伸计两点之间应变的两条循环曲线，将实验所得到的两条曲线进行叠加，舍去前期不稳定的循环，选取第a个循环的应力最大值所对应的时间记为tstressmax1，第a个循环的应变的最大值所对应的时间记为tstrainmax1；

(4)计算得到δtmax1＝tstressmax1-tstrainmax1，所施加的循环应力的频率为n，计算可得内耗值最终可得qmax1^-1：

(5)取第a个循环应力的最小值所对应的时间记为tstressmin1，第a个循环应变最小值所对应的时间记为tstrainmin1；计算得到δtmin1＝tstremsisn1-tstramiinn，1计算可得内耗值最终可得qmin1^-1：

(6)同理可得qmax2^-1，qmax3^-1……qmaxn^-1和qmin2^-1，qmin3^-1……qminn^-1；最终通过舍去x个大误差值(0≤x<2n)，得到实验试样(2)的内耗值

本发明所述的拉压循环应力测量内耗方法与现有技术相比，具有如下显而易见的实质性特点和显著技术进步：

1.采用拉压法对试样施加循环应力可以降低试样各个部分变形量的不一致对内耗测量的影响，因为试样加工中很难保证试样是直线度，进而无法使中心线处于绝对的竖直状态，最终使试样的顶部到试样的底部所发生应变不一致，不能很好地反映出试样整体乃至材料整体的内耗特性，而拉压法试样的直径比扭摆法试样的直径大很多s，因此直线度对拉压法试样的影响比扭摆法试样的影响小得多。

2.采用拉压法保证了试样每个横截面应力分布均匀，而扭摆法在长度方向从上至下的每一个截面从表面到心部所受到的剪切应力的大小并不相等，使材料所发生的应变不能均匀的作用在整个截面之上。导致所测量的内耗不准确。

附图说明

图1是本发明所述试样扭转时应力分布图；

图2是本发明所述试样扭转变形示意图；

图3是实例中所述试样实物照片图

图4是实例中的智能拉压机的实物照片图；

图5是实例中的引伸计实物照片图；

图6是使用本发明得到的应力应变和时间的曲线图；

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一

参见图4和图5，本拉压循环应力法测内耗的方法，其特征在于：对试样(2)施加设定有振动频率和振幅的拉压循环应力，以获得试样的应变驰豫曲线，再从应力和应变两条循环曲线的相位差求算出材料内耗值。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

具体操作步骤为：

(1)将试样(2)沿长度方向夹持在智能拉压机的上下夹头(1、3)间，并在试样(2)上相隔设定距离放置两个高精度的引伸计(4、5)；

(2)将试样(2)加热至所需温度，保温一定时间使温度稳定；

(3)通过智能拉压机给试样(2)施加一个设定有振动频率和振幅的拉压循环应力，实时测的应力和应变数据；通过数据处理软件对于实验所测得的应力和应变数据进行处理，分别绘制出时间关于施加应力和引伸计两点之间应变的两条循环曲线，将实验所得到的两条曲线进行叠加，舍去前期不稳定的循环，选取第a个循环的应力最大值所对应的时间记为tstressmax1，第a个循环的应变的最大值所对应的时间记为tstrainmax1；

(4)计算得到δtmax1＝tstressmax1-tstrainmax1，所施加的循环应力的频率为n，计算可得内耗值最终可得qmax1^-1：

(5)取第a个循环应力的最小值所对应的时间记为tstressmin1，第a个循环应变最小值所对应的时间记为tstrainmin1；计算得到δtmin1＝tstremsisn1-tstramiinn，1计算可得内耗值最终可得qmin1^-1：

同理可得qmax2^-1，qmax3^-1……qmaxn^-1和qmin2^-1，qmin3^-1……qminn^-1；最终通过舍去x个大误差值(0≤x<2n)，得到实验试样(2)的内耗值

实施例三

本实施例与实施例二基本相同，特别之处如下：

所述智能拉压机为德国zwick公司所产的型号为z020的静态拉压机。

所述试样需加工成拉伸试样状，试样需要结合材料自身的性质以及实验仪器和测量仪器的精度。

所述步骤(3)测量材料的低频内耗时，则施加循环应力的频率低于20hz，在试样的两端施加一个较小的应力，应力具体的频率和参数应根据试样的材料特征、尺寸和实验要求进行设定。

实施例四

先将试样加工成拉伸试样状，尺寸为60mm*20mm*2mm，如图3。制备好试样后，将试样(2)沿长度方向夹持在智能拉压机的上下夹头(1、3)间，如图4所示，智能拉压机是德国zwick公司所产的型号为z020的静态拉压机。然后在试样(2)上相隔设定距离放置两个高精度的引伸计(4、5)，引伸计的型号是macroxtens接触式光栅引伸计，分辨率为0.02μm，有效使用范围1μm-100mm，如图5。保持试样竖直并且保证引伸计两端竖直。在试样外加温箱，加热到285k，保温2min后，通过智能拉压机给试样施加一个低频的正弦拉压应力。

选定实验周期为50s，应力为2500n，通过智能拉压机对试样两端施加一个振幅为2500n的正弦函数，并且通过传感器记录下施加应力关于时间的数值，与此同时通过引伸计的测量，记录下材料竖直方向上发生的应变关于时间的数值。在实验阶段至少对于试样施加15个循环应力，以保证测量结果的精确性和稳定性，如图6所示，最后所得到的实验数据是时间关于应力和应变的数据列表。

通过数据处理软件对于所得到的实验结果进行处理，分别绘制出时间关于施加应力和引伸计两点之间应变的两条正弦曲线，将实验所得到的两条曲线进行叠加，舍去前期的五个循环，选取第六个循环的应力的最大值所对应的时间记为tstressmax1，第六个循环的应变的最大值所对应的时间记为tstrainmax1。

计算得到

δtmax1＝tstressmax1-tstrainmax1，

所施加的循环应力的频率为n，计算可得内耗值

最终可得qmax1^-1，

取第六个循环应力的最小值所对应的时间记为tstressmin1，第六个循环应变最小值所对应的时间记为tstrainmin1。计算得到

δtmin1＝tstressmin1-tstrainmin1

计算可得内耗值

最终可得qmin1^-1，

同理可得qmax2^-1，qmax3^-1……qmaxn^-1和qmin2^-1，qmin3^-1……qminn^-1，最终通过舍去x个大误差值(0≤x<2n)，得到实验试样的内耗值

在本实例中，计算得出的内耗值为0.0322。