金屬材料振動拉伸實驗研究

方 穎（蘇州市產品質量監督檢驗所,江蘇 蘇州 215000）

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金屬材料振動拉伸實驗研究

方 穎
（蘇州市產品質量監督檢驗所,江蘇 蘇州 215000）

摘 要：金屬材料靜拉伸實驗是金屬材料力學性能部分的重要實驗，它是目前用來測試金屬材料強度與塑性指標的主要方法；本文著重研究了低碳鋼在激振頻率0～100Hz范圍內進行振動拉伸的應力應變行為，采用不同的激振力幅和激振頻率進行實驗，得出相關結論。

關鍵詞：金屬材料；振動；實驗結論

力學性能是衡量金屬材料的可靠性以及質量的主要指標之一，而拉伸性能是衡量金屬材料的力學性質的一個標準。由于我國的經濟和建設在不斷的發展，所以建設對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。在材料加工的時候我們可以采用振動的方法來對金屬材料進行加工，這樣不但可以提升產品的質量，而且可以節約成本，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加工方法，這些方法也被普遍運用在實際的工藝加工過程中。

1 實驗要求與方法

規定不超過100Hz的中頻振動拉伸實驗要在10t萬能機上進行。所使用的激振器屬于機械偏心式激振器,通過對偏心量的調整從而得到不同激振力幅。在進行試驗的時候，試件的兩端分別固定在試驗機的滑體上面和上夾頭的部位,然后通過偏心軸的振動帶動滑體的振動，從而間接的使試件振動和拉伸。試件采用碳素鋼Q235為材料，其半徑是2.5毫米，標距是60毫米，屬于標準試件。在進行實驗的時候，要始終維持振動的頻率為一定值（本實驗的振動頻率取27.70Hz），然后調節偏心軸的位置，得到不同的偏心距，從而得到對應的激振力幅，之后再測出滑體的位移隨時間的變化率，最后根據相應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。沒有振動的時候振幅是零，之后調整偏心距，保持振幅為一定值，然后調節偏心軸回轉角的轉動速率或者改變振動的頻率。激振頻率分別為 0，27.70，34.88，50.27，71.82 Hz。在沒有振動的情況下頻率是零。根據上面兩種方法來做實驗，然后繪制出相關的載荷—變形曲線圖，根據此圖繪制出應力—應變曲線圖。如果測試的最終結果和理論值比較接近，那么就可以計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。

為了弄明白在振動拉伸情況下的低碳鋼更為細致的本構關系，我們把頻率設置為1Hz，然后進行試驗，并得到在此頻率下瞬時應力應變的結果。此實驗所用的試驗機是頻率比較低的材料疲勞試驗機。在進行實驗的時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行拉伸和偏振。偏振滿足簡諧振動的條件，拉伸全程的相關操作通過計算機完成。試件采用碳素鋼Q235為材料，其半徑是2.5毫米，標距是60毫米，屬于標準試件。

2 實驗結果與分析

（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，根據這種關系推算出載荷和變形之間的關系，從而繪制出對應的應力—應變曲線圖。通過應力—應變曲線圖我們不難發現，在振幅增大的時候，屈服極限σs和強度極限σb都會減小，屈服極限σs和強度極限σb歲振幅的變化關系如下圖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，通過試驗得到載荷和變形相關的參數，從而可得到應力—應變的曲線圖。通過曲線圖我們可以看出屈服極限σs和強度極限σb都會隨著頻率的增加而發生相應的變化。也就是說對于低碳鋼這種材料，也許可以找到一個最佳的加工頻率或者一段比較好的頻率范圍。

（3）振動拉伸時瞬時應力應變。變形的速度設置為一個定值，在1Hz的激振頻率下進行試驗，并得到在振動拉伸情況下的變形、應力、瞬時載荷等參數值，然后在拉伸的不同階段對材料加以振動，并把斷續振動拉伸狀態下的相關數據極力下來。

將頻率為1Hz時的振動拉伸曲線進行放大，我們可以發現瞬時應力應變曲線呈滯回的環狀，這就表示在頻率比較低的情況下產生了滯回效應。

3 實驗結論

（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段內，隨著頻率的改變，拉伸的極限值和屈服的極限值也發生相應的改變，但是在彈性區內幾乎沒有變化。著就說明在振動拉伸的過程中產生了減幅效益。

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

（4）在塑性變形區段內，由于振動的產生使應力應變產生比較嚴重的滯回效應，且隨著塑性變形的增加，滯回效應也會更明顯。

（5）在振動拉伸狀態下，材料會提前產生屈服現象，且屈服的極限值和振幅有關，此外激振頻率的大小也會對材料的加工造成不同程度的影響。在塑性區由于振動的產生造成了能量的損耗。以上結論可作為材料加工深入研究的重要依據。

4 結束語

文章對低碳鋼的振動拉伸試驗進行了詳細的闡述，試驗所取的振動頻率不超過100Hz，并特別對頻率為1Hz的情況進行了實驗，然記下相關的實驗數據和參數。根據這些實驗，我們繪制出了低碳鋼的振動拉伸應變應力曲線圖，總結出相關的結論，從而對材料加工有了更加深入的理解，為實際的材料加工提供有效的實驗數據和理論依據，對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