一种超声振动与电脉冲耦合下的压缩实验装置和方法

1.本发明涉及材料力学特性研究领域，特别是涉及一种超声振动与电脉冲耦合下的压缩实验装置和方法。


背景技术：

2.材料的力学性能由于载荷施加的方式多种多样，且环境、介质的变化又十分复杂，其性能表现出较大的差异，致使材料力学性能所研究的内容非常广泛。而研究多条件下材料的力学性能测试，不仅能拓宽材料成形加工的应用范围，还在各领域生产选材及安全性能测试方面起着至关重要的指导作用。目前，人们对于材料力学性能的了解主要依据单一物理场的材料力学测试结果，而对材料在多物理场耦合作用下力学性能测试装置和方法的研究报导甚少。
3.本发明针对上述问题，基于万能试验机研究设计了一套超声振动与电脉冲耦合下的压缩实验方法和装置。在诸多研究中表明，电脉冲通过金属材料会产生自阻加热和电致塑性效应，使材料快速稳定加热的同时使其塑性抗力显著降低；另外，在以往力学性能测试实验中的金属材料多数是静态变形过程，而增加超声振动场却能实现对材料动态塑性变形的研究。因此，将超声振动与电脉冲耦合进行的材料性能测试研究，可以更全面、多层次的了解金属材料的变形行为和力学性能，为金属材料在特定环境中的应用提供重要参考数据。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种超声振动与电脉冲耦合下的压缩实验装置和方法，实现对多条件下材料的力学特性测试。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种超声振动与电脉冲耦合下的压缩实验装置，所述装置包括：
7.上基座板；
8.上底板，通过第二螺杆与所述上基座板连接，位于所述上基座板的下方；
9.第一绝缘板，固定在所述上底板的下表面；
10.超声振子，安装在所述上底板上，并贯穿所述上底板；
11.超声发射器，与所述超声振子连接；
12.振动推头，位于所述超声振子的底部；
13.第二绝缘板，通过第三螺杆与所述第一绝缘板连接，且位于所述第一绝缘板的下方；
14.电刷，一端固定在所述第二绝缘板上，另一端与所述振动推头的外壁接触；
15.冷却设备，位于所述振动推头的下方，试件位于所述冷却设备与所述振动推头中间，并放置于所述冷却设备上；
16.电源，一端通过导线与冷却设备连接，另一端通过导线与所述第二绝缘板连接。
17.可选的，所述装置还包括，第四螺杆和第一螺杆，所述第四螺杆位于所述装置本体顶部的下表面，所述第一螺杆连接所述第四螺杆和所述上基座板。
18.可选的，所述第二螺杆的数量为4个。
19.可选的，所述装置还包括：绝缘套，所述绝缘套位于所述振动推头内部。
20.可选的，所述冷却设备包括：
21.第一下压板，位于所述振动推头的下方，试件位于所述第一下压板与所述振动推头中间，并放置于所述第一下压板上；所述第一下压板还通过导线与所述电源连接；
22.气管，位于所述第一下压板的侧壁；
23.绝缘块，位于所述第一下压板的底部；
24.第二下压板，位于所述绝缘块的底部，所述第二下压板上设置有通气孔。
25.可选的，所述电源的一条导线，通过铜鼻子、螺母和螺栓固定在所述第一下压板上。
26.可选的，所述电源的另一条导线，通过铜鼻子、螺母和螺栓固定在所述第二绝缘板上。
27.可选的，所述超声振子通过螺栓固定在所述上底板上。
28.可选的，所述气管包括：多个连接头、进气口、出气口以及u型管；
29.所述多个连接头，位于所述下压板的侧壁，并与所述第一下压板的通气孔一一对应；
30.气体通过所述进气口进入所述通气孔，经过所述u型管从所述出气口排出。
31.本发明另外提供一种声振动与电脉冲耦合下的压缩实验方法，所述方法包括：
32.对试样进行打磨至表面平整光滑；
33.将声振动与电脉冲耦合下的压缩实验装置进行安装与固定；
34.将试样垂直水平放置于所述声振动与电脉冲耦合下的压缩实验装置的第一下压板上；
35.对所述声振动与电脉冲耦合下的压缩实验装置进行校正；
36.启动所述声振动与电脉冲耦合下的压缩实验装置，进行实验。
37.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
38.1.首次将万能实验机(超声振动与电脉冲耦合下的压缩实验装置)、超声振动装置和脉冲电流通电装置组装在一起，简化了复杂的试验设备。
39.2.该设备可以有效解决实际生产中在超声振动和电脉冲耦合作用下材料的力学性能难以进行测试的问题，为材料在超声振动和电脉冲多场耦合作用下的力学性能提供重要的参考。
40.3.该设备不仅可以测量超声振动与电脉冲耦合作用下力学性能，还可以单独测量在常温、超声振动、电脉冲等单独作用下的力学性能，实现一机多用，为科学研究带来了便捷，节约了成本。
41.4.本设备超声振头、绝缘套，第一下压板、绝缘快、第二下压板的独特绝缘设计，有效地避免了脉冲电流对万能实验机和超声振动装置的影响，使脉冲电流仅对试样起作用。
42.5.第二下下压板通风孔冷却设计可以降低第二下压板的温度，避免在大电流下下压板的温度过高，影响试验结果的准确性。
43.6.由第一绝缘板，第二绝缘板、第三螺杆、电刷的绝缘架电刷结构解决了超声振动设备工作过程中难以通电的问题，实现对工作中的超声振头进行通电，且不影响超声振子工作。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1为本发明实施例一种超声振动与电脉冲耦合下的压缩实验装置结构示意图；
46.图2为本发明实施例第一螺杆剖面图；
47.图3为本发明实施例上基座板剖面图；
48.图4为本发明实施例上底板俯视图；
49.图5为本发明实施例超声振子推头侧视图；
50.图6为本发明实施例第一下压板、第二下压板以及绝缘块组装图；
51.图7为本发明实施例第一下压板俯视图。
52.符号说明：
53.1.万能实验机，2第一螺杆，3第二螺杆，11第三螺杆，36第四螺杆螺杆，4第一螺母，9第二螺母，21第三螺母，26第四螺母，33第五螺母，5上基座板、6超声发生器，7第一螺栓、13第二螺栓，20第三螺栓，34第四螺栓，8第一外螺纹，45第二外螺纹，47第三外螺纹，14第二绝缘板，10第一绝缘板，12超声振子，15第一导线，17第二导线，16高频直流电脉冲电源，18第一铜鼻子，28第二铜鼻子，19第一定位孔，37第二定位孔，38第三定位孔，39第四定位孔，40第五定位孔，41第六定位孔，43第七定位孔，44第八定位孔，56第九定位孔，58第十定位孔，22第二下压板，23绝缘块，24气管，25第一下压板，27试件，29电刷，30振动推头，31绝缘套，32上底板，35第一螺纹孔，42第二螺纹孔，46第三螺纹孔，48第四螺纹孔，51第五螺纹孔，52第六螺纹孔，49进气口，50快速连接头，53通气孔，54连接口，55出气口，57第一定位销，59第二定位销。
具体实施方式
54.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.本发明的目的是提供一种超声振动与电脉冲耦合下的压缩实验装置和方法，实现对多条件下材料的力学特性测试。
56.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
57.如图1
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图7所示，所述装置包括：上基座板5，上底板32、第一绝缘板10、超声振子12、超声发射器6、振动推头30、第二绝缘板14、电刷29、冷却设备、电源16、绝缘套31、第四螺
杆34、第一螺杆2、第二螺杆3、第三螺杆20；
58.如图1所述，所述万能实验机1本体整体为长方体结构，可以从图中看出，其前后为中通结构，并未设置挡板；
59.所述第四螺杆36位于所述装置本体1顶部的下表面，所述第一螺杆2连接所述第四螺杆36和所述上基座板5；
60.所述上底板32通过第二螺杆3与所述上基座板5连接，且位于所述上基座板5的下方；所述第二螺杆3的数量为4个，分别穿过所述上基座板5的所述上底板32的四个角；
61.所述第一绝缘板10固定在所述上底板32的下表面；
62.所述超声振子12安装在所述上底板32上，并贯穿所述上底板32；
63.所述超声发射器6与所述超声振子12连接；
64.所述振动推头30位于所述超声振子12的底部；
65.所述绝缘套31位于所述振动推头30的内部；
66.所述第二绝缘板14通过第三螺杆20与所述第一绝缘板10连接，且位于所述第一绝缘板10的下方；
67.所述电刷29一端固定在所述第二绝缘板14上，另一端与所述振动推头30的外壁接触；
68.所述冷却设备位于所述振动推头30的下方，试件27位于所述冷却设备与所述振动推头30中间，并放置于所述冷却设备上；
69.所述电源16为高频直流脉冲电源，一端通过第二导线17与冷却设备连接，另一端通过第一导线15与所述第二绝缘板14连接。
70.具体的，所述冷却设备包括：
71.第一下压板25、气管24、绝缘块23以及第二下压板22；
72.所述第一下压板25位于所述振动推头30的下方，试件27位于所述第一下压板25与所述振动推头30中间，并放置于所述第一下压板25上；所述第一下压板25还通过导线与所述电源16连接；
73.所述气管24位于所述第一下压板25的侧壁；
74.所述绝缘块23位于所述第一下压板25的底部；
75.所述第二下压板22位于所述绝缘块23的底部，所述第二下压板22上设置有通气孔53。
76.总体而言，万能实验机1是试件27压缩成形的主要动力源，第一螺杆2连接试验机1顶部的第四螺杆36和上基座板5，再用第四螺栓34和第五螺母33将两者固定。接着安装超声振动设备，上底板32由四根相同的第二螺杆3和第一螺母4固定到上基座板5，将超声振子12安装到上底板32上，用第一螺栓7固定，再连接控制设备超声发生器6，超声振子12底部的振动推头30，由于需要通电里面还要添加绝缘套31，防止电流损坏设备。然后是冷却设备的安装，此设备是由与实验机底部的第一定位孔19连接的第二下压板22、中间的绝缘块23和布满气管24的第一下压板
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225组成，它能使试样快速冷却。最后连接电脉冲设备，高频直流电脉冲电源16的第二导线17通过第一铜鼻子18、第三螺栓20和第三螺母21固定在第一下压板25上。另外第一导线15的第二铜鼻子28和电刷29通过第二螺栓13和第四螺母26固定在第二绝缘板14上，而第二绝缘板14是由仅两头拥有第一外螺纹8的第三螺杆11和第二螺母9连接
在第一绝缘板10上，通过固定在上底板32的第一绝缘板10，使第一导线15和电刷29与振动推头30在工作中同时进给，并使高频直流电脉冲电源16稳定传输电流快速加热试件27。
77.超声振动与电脉冲耦合下压缩实验方法，包括如下步骤：
78.压缩试样：在满足制造要求的前提下，试样27表面保证表面平整且无毛刺。与冷却设备接触的表面必须要保持水平和整体垂直，避免由于外在因素导致压缩实验数据错误。
79.装置的固定：万能实验机1升降装置的上基座板5通过第三定位孔38与第一螺杆2连接，并由第一螺杆2和上基座板5的第二定位孔37、第四定位孔39固定。而超声振动设备固定的基座是上底板32，它的第六定位孔41和上基座板5第五定位孔40连接固定，超声振子12安装在它的第七定位孔43中，两者由第二螺纹孔42和第八定位孔44固定。振动推头30的安装先通过超声振子12底部的第二外螺纹45与绝缘套31的第三螺纹孔46连接，振动推头30第三外螺纹47再与绝缘套的第四螺纹孔48固定。由于冷却设备在试验机工作时，静止不动只受下压力无需螺杆连接。所以第二下压板22定位销直接连接定位孔，绝缘块23两端的第一定位销57再与第二下压板22和第三下压板25连接固定。最后将拥有通气孔53的第一下压板
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225，经过其上第五螺纹孔51与快速连接头50固定，再将气管24与连接口54相互连通，而第六螺纹孔52连接固定电脉冲设备。冷却设备工作时，气体从进气管55通入，再从出气管49排出。
80.装置校正：在连接试验机进给端基板时，上基座板5和上底板32需要与万能试验机1整体保持水平状态，并且可以通过调整四根相同的螺杆3来使两者轴心孔对正。冷却器的第二下压板
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22、绝缘块23和第一下压板
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25在基底中心对正，且放置试样27的第一下压板25要保持水平。调整超声振子12和振动推头30的中心轴保持垂直水平，防止实验时因轴孔偏移使压缩试件27的力学性能数据产生误差。
81.进行实验：首先将准备实验的试件27表面清理干净，放置到基座的下底板25中心，并保持水平垂直。然后启动万能试验机1，升降装置控制振动推头30移动接触到试件27的上表面。接着先将冷却设备启动，防止通电后第一下压板25过热影响试件27自阻加热的温度。接着将高频直流电脉冲电源16启动，升高电流对试件27进行预热，当达到实验温度时保持电流不变。最后万能试验机和超声发生器同时启动实验开始，试件27的材料力学性能数据不断通过电脑计算输出。当材料发生挤压破裂时，关掉所有实验装置整理实验数据，实验完成。
82.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
83.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。