金属材料振动拉伸实验研究

方 颖（苏州市产品质量监督检验所,江苏 苏州 215000）



金属材料振动拉伸实验研究

方 颖
（苏州市产品质量监督检验所,江苏 苏州 215000）

摘 要：金属材料静拉伸实验是金属材料力学性能部分的重要实验，它是目前用来测试金属材料强度与塑性指标的主要方法；本文着重研究了低碳钢在激振频率0～100Hz范围内进行振动拉伸的应力应变行为，采用不同的激振力幅和激振频率进行实验，得出相关结论。

关键词：金属材料；振动；实验结论

力学性能是衡量金属材料的可靠性以及质量的主要指标之一，而拉伸性能是衡量金属材料的力学性质的一个标准。由于我国的经济和建设在不断的发展，所以建设对所需的金属材料提出更高的要求，金属材料的种类也越来越多。在材料加工的时候我们可以采用振动的方法来对金属材料进行加工，这样不但可以提升产品的质量，而且可以节约成本，减小能量损耗。像轧压、拉拔以及裁剪等都属于比较常见的振动加工方法，这些方法也被普遍运用在实际的工艺加工过程中。

1 实验要求与方法

规定不超过100Hz的中频振动拉伸实验要在10t万能机上进行。所使用的激振器属于机械偏心式激振器,通过对偏心量的调整从而得到不同激振力幅。在进行试验的时候，试件的两端分别固定在试验机的滑体上面和上夹头的部位,然后通过偏心轴的振动带动滑体的振动，从而间接的使试件振动和拉伸。试件采用碳素钢Q235为材料，其半径是2.5毫米，标距是60毫米，属于标准试件。在进行实验的时候，要始终维持振动的频率为一定值（本实验的振动频率取27.70Hz），然后调节偏心轴的位置，得到不同的偏心距，从而得到对应的激振力幅，之后再测出滑体的位移随时间的变化率，最后根据相应的公式求出位移振幅的值。这里共采用5种不同的振幅，分别为：0，0.247，0.262，0.274，0.310mm。没有振动的时候振幅是零，之后调整偏心距，保持振幅为一定值，然后调节偏心轴回转角的转动速率或者改变振动的频率。激振频率分别为 0，27.70，34.88，50.27，71.82 Hz。在没有振动的情况下频率是零。根据上面两种方法来做实验，然后绘制出相关的载荷—变形曲线图，根据此图绘制出应力—应变曲线图。如果测试的最终结果和理论值比较接近，那么就可以计算出在偏振和拉伸情况下材料的平均载荷量以及平均变形度。

为了弄明白在振动拉伸情况下的低碳钢更为细致的本构关系，我们把频率设置为1Hz，然后进行试验，并得到在此频率下瞬时应力应变的结果。此实验所用的试验机是频率比较低的材料疲劳试验机。在进行实验的时候试件的一段被固定住，另外的一段可以利用卡具在轴线方向进行拉伸和偏振。偏振满足简谐振动的条件，拉伸全程的相关操作通过计算机完成。试件采用碳素钢Q235为材料，其半径是2.5毫米，标距是60毫米，属于标准试件。

2 实验结果与分析

（1）频率不变、振幅变化。在保持频率不变的情况下，振幅由零逐渐变大，根据这种关系推算出载荷和变形之间的关系，从而绘制出对应的应力—应变曲线图。通过应力—应变曲线图我们不难发现，在振幅增大的时候，屈服极限σs和强度极限σb都会减小，屈服极限σs和强度极限σb岁振幅的变化关系如下图1所示：

（2）振幅不变，频率变化。保持振幅和偏心距分别为一固定值，然后使频率由零开始逐渐增加，通过试验得到载荷和变形相关的参数，从而可得到应力—应变的曲线图。通过曲线图我们可以看出屈服极限σs和强度极限σb都会随着频率的增加而发生相应的变化。也就是说对于低碳钢这种材料，也许可以找到一个最佳的加工频率或者一段比较好的频率范围。

（3）振动拉伸时瞬时应力应变。变形的速度设置为一个定值，在1Hz的激振频率下进行试验，并得到在振动拉伸情况下的变形、应力、瞬时载荷等参数值，然后在拉伸的不同阶段对材料加以振动，并把断续振动拉伸状态下的相关数据极力下来。

将频率为1Hz时的振动拉伸曲线进行放大，我们可以发现瞬时应力应变曲线呈滞回的环状，这就表示在频率比较低的情况下产生了滞回效应。

3 实验结论

（1）在保持激振频率为一定值的情况下，随着振幅的增大材料的拉伸量和屈服程度逐渐减小，而且和静载荷时相比也有所减小，但是拉伸率几乎没变化。

（2）在保持振幅为一定值的情况下，在某一段激振频率区段内，随着频率的改变，拉伸的极限值和屈服的极限值也发生相应的改变，但是在弹性区内几乎没有变化。着就说明在振动拉伸的过程中产生了减幅效益。

（3）通过试验可以看出，低频断续拉伸试验得到曲线和Blaha等人所提出的超声振动拉伸的曲线非常相似，所以超声振动拉伸和低频率的振动拉伸存在一定的关联。

（4）在塑性变形区段内，由于振动的产生使应力应变产生比较严重的滞回效应，且随着塑性变形的增加，滞回效应也会更明显。

（5）在振动拉伸状态下，材料会提前产生屈服现象，且屈服的极限值和振幅有关，此外激振频率的大小也会对材料的加工造成不同程度的影响。在塑性区由于振动的产生造成了能量的损耗。以上结论可作为材料加工深入研究的重要依据。

4 结束语

文章对低碳钢的振动拉伸试验进行了详细的阐述，试验所取的振动频率不超过100Hz，并特别对频率为1Hz的情况进行了实验，然记下相关的实验数据和参数。根据这些实验，我们绘制出了低碳钢的振动拉伸应变应力曲线图，总结出相关的结论，从而对材料加工有了更加深入的理解，为实际的材料加工提供有效的实验数据和理论依据，对材料加工工艺的研究有着重要的作用。

参考文献：

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