超声疲劳拉伸实验装置的设计及实验

　　人们越来越重视超声使材料所表现的特殊的力学行为:超声可使金属材料的屈服点和硬化率有所降低,使金属的变形力减小.对于金属的塑性加工,可以提高生产率,带来较大的经济效益[1,2].因此研究超声振动下材料的力学行为及变化基理也更具有重要的意义.然而关于这方面的试验装置却不多见,也很不成熟,本文正是基于这样一个前提研制了一套超声疲劳拉伸实验装置.

　　1 系统组成及设计原理

　　这套用于疲劳拉伸实验的超声系统,由四个部分组成:即超声波发生器、超声波换能器、超声波变幅杆、试件.超声波发生器是利用传统的220V交流电压经过整流、滤波转换到功放电路进行信号放大,最后输出高频高压的交频振动电压加在超声换能器两端.换能器的作用就是通过压电片,将交频振动的电压转换为压电片沿厚度方向纵向高频的伸缩,从而辐射出所需的超声振动能.由换能器尾端输出的超声波虽然频率很高,但振幅并不太大,只有7~8μm,而能对金属材料断裂产生影响所需的振幅最小也需100μm以上;为此必须对振幅进行放大,超声变幅杆即起到这个作用.超声波经过换能器前后盖板及变幅杆两次放大,振幅可达到100μm以上;经变幅杆尾端加在工件上.

　　2 超声发生器的选择

　　超声振动的频率范围在16kHz以上.选择适合于三点弯曲实验的声频范围是由于)般发生器发出的高频比较高时,要同时获得大功率的超声就比较困难.实验的主要目的是研究超声波对金属断裂、损伤的影响,因此不需要特别高的频率,而是要求较大的功率.所以本文选用20kHz的谐振频率,功率则选用1kW的发生器.

　　3 换能器的设计与制造[3,4]

　　一般的超声换能器分两种:一种为磁致型换能器,另一种是压电式换能器.基于制造成本、工作时电声转换功率及制造工艺等方面的考虑,本装置采用压电式陶瓷换能器.

　　根据本装置用于材料疲劳拉伸的实验所需振幅较大,且要求连续工作时间长的特点,综合考虑了材料的介电常数、机电藕合系数、机械品质因数、压电常数等多项性能参数,最终选用了PZT-8型材料作为本装置的压电陶瓷.其规格为50X20X56,为薄环圆形状.

　　3.1 换能器前后盖板的设计

　　本套装置用疲劳拉伸实验,属于大功率超声应用.对于这一类应用,要求在变幅杆的顶端设一个确定的方向能产生比较大的振动振幅,因此,决定采用纵向复合式压电振子.该振子的特点是前后盖板均为等截面圆柱体形状.它的主要设计参数有:振子的谐振频率、振速、应力分布、振子前后振速比、有效机电耦合系数及谐振阻抗.

　　其中谐振阻抗一般通过测量获得.