拉伸-压缩模式下的超声疲劳试验

摘要

一种在轴向拉压加载模式下进行高周和超高周区域超声疲劳测试的方案。

摘要

超声疲劳测试是少数几种可用于研究超高周疲劳区域材料疲劳性能的方法之一。该方法基于在接近20 kHz的共振频率下对试样施加纵向振动。与通常工作频率低于200 Hz的传统测试设备相比，采用此方法可显著缩短测试所需时间。该方法还可用于模拟材料在高速运行条件下的载荷情况，例如喷气发动机或汽车涡轮泵部件所经历的工况。由于可能存在极高的应变率，这会对测试结果产生显著影响，因此该方法仅适用于高周和超高周疲劳区域。试样的形状和尺寸必须经过仔细选择和计算，以满足超声系统的共振条件；因此，无法对完整部件或任意形状的试样进行测试。每次测试前，必须将试样与超声系统的频率进行调谐，以补偿实际形状与理想形状之间的偏差。测试无法持续至试样完全断裂，因为在裂纹萌生并扩展到一定长度后，系统刚度会发生足够变化，导致系统偏离共振频率，测试将自动终止。本文描述了在接近20 kHz的机械共振频率下，进行高频超声疲劳加载以评估材料疲劳性能的过程。该实验方案包含正确实施测试所需的全部步骤的详细说明，包括试样设计、应力计算、共振频率调谐、测试执行以及最终的静态断裂分析。

引言

结构材料的疲劳损伤与工业化密切相关，尤其是与蒸汽机和蒸汽机车在铁路运输中的应用密切相关，其中大量使用了以铁基为主的金属部件，这些部件必须承受各种类型的循环载荷。最早的一项测试由阿尔伯特（Albert，德国，1829年）¹在用于矿井提升机的焊接链条上进行。加载频率为每分钟10次弯曲，记录到的最大试验次数达到100,000次加载循环¹。另一项重要工作由威廉·费尔班（William Fairbairn）于1864年完成。试验在锻铁梁上进行，采用静载荷，通过杠杆将载荷提起后释放，从而引起振动。梁所承受的加载应力幅值逐步增加。在不同加载应力幅值下经历数十万次循环后，最终梁在加载幅值为极限抗拉强度五分之二时，仅约五千次循环后即发生失效。首次对重复应力对结构材料影响进行全面而系统研究的是奥古斯特·沃勒（August Wöhler），时间为1860至1870年间¹。这些试验采用了扭转、弯曲和轴向加载模式。沃勒设计了多种独特的疲劳试验机，但其缺点是运行速度较低，例如最快的旋转弯曲试验机转速仅为72 rpm（1.2 Hz），因此整个实验计划耗时12年才完成¹。在完成这些试验后，人们认为当材料能够承受10⁷次循环而不失效时，其疲劳损伤可忽略不计，材料即可承受无限次的加载循环。这一加载幅值被称为"疲劳极限"，并在此后多年成为工业....

方案

注意：必须根据被测材料的力学和物理特性选择并计算每个试样的几何形状，使其具有与超声测试系统相同的共振频率。

1. 疲劳试验试样尺寸的确定

注意： 标准的“沙漏”形拉压试样几何形状及其定义的主要尺寸如图1所示。d、D和r为用户自定义（独立）参数，而l和L的尺寸需根据正确共振频率的条件进行计算（依赖参数）。标距l仅由d、r和D之间的几何比例决定，可轻松计算得出或从组件模型中获得，因此不再作为进一步讨论的对象。

1. 独立尺寸的确定
   注意：试样主要尺寸（d、D、r）应根据材料参数和测试条件选定。
   1. 根据测试所需材料体积确定标距直径 d。若材料显微组织均匀且无内部缺陷，宜选用较小的标距直径；若材料存在显著内部缺陷（如铸造材料中的孔隙和缩孔），则需采用较大的标距直径。标距直径 d 通常为 3 mm 至 5 mm。
   2. 根据可用实验材料尺寸确定....

结果

疲劳试验结果包括加载应力、加载循环次数以及试验终止特征（断裂或未失效），如表1所示，其中提供了50CrMo4调质钢的疲劳寿命结果。对疲劳寿命试验结果最常见的表达方式是所谓的S-N图（S代表应力，N代表循环次数），也称为Wöhler图。疲劳寿命与施加的加载应力之间的关系被绘制在一张具有历史沿革的倒置坐标轴的图中，其中自变量（加载应力）位于y轴，因变量（循环次数）位于x轴。通常对疲劳寿命结果进行多种类型的回归分析¹⁹，若在图中添加拟合曲线，则该曲线通常称为S-N曲线。然而，这与仅包含数据拟合的原始图并无区别。如果试验未以断裂结束，而是在达到规定的加载循环次数后因无损伤而终止，则该结果称为未失效（run-out），在S-N图中通常用箭头标记。图2展示了三种被测试钢材的典型S-N曲线：Hardox 450、Strenx 700 MC 和 S355 J2。

讨论

超声疲劳试验是少数几种能够在超高周区域测试结构材料的方法之一。然而，试样的形状和尺寸受到共振频率的严格限制。例如，通常无法实现薄板试样在轴向加载模式下的测试。此外，大尺寸试样的测试通常也不可行，因为测试设备无法提供足够的功率，且需要设计特殊的超声系统。

即使现代超声波发生器能够调节超声波并成功激励尺寸略有差异的试样，试样的合理设计、计算与协调也不容忽视。然而，这样做会导致超声波的波节从标距段的中心位置偏移，从而使试样在标距段内无法正确受力。出于同样原因，必须格外注意确保试样相对于两个轴的对称性。

关于高频测试结果与低频加载下常规测试设备所得数据之间的相关性，曾展开过广泛讨论。大量试验表明，高频测试结果能够连续延伸至低频测试结果范围，并且在相同加载模式下，部分测试结果存在重叠¹⁰。随后人们普遍认识到，决定疲劳性能的关键参数并非加载频率，而是应变速率。低频加载下的大变形所产生的应变速率，与高频加载下小变形的应变速率相似。这正是该技术可用于高周乃至超高周疲劳区域测试的主要原因，因为在这.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
超声疲劳测试设备	Lasur	-	20 kHz，用于疲劳测试
Nyogel 783	Nye Lubricants	-	用作超声系统部件连接的声学耦合剂
Win 20k 软件	Lasur	-	用于操作 Lasur 疲劳测试机的软件