拉伸压缩模式下的超声疲劳试验

Summary

一种在高超高循环区域轴向拉压加载模式下的超声疲劳试验协议。

Abstract

超声疲劳试验是研究超高循环区域疲劳性能的几种方法之一。该方法的基础是将试样暴露在共振频率接近20赫的纵向振动上。使用此方法, 可以大大减少测试所需的时间, 与通常工作在200赫兹以下频率的常规测试设备相比。它也被用来模拟在运行中的材料加载在高速条件下, 如那些由喷气引擎或汽车涡轮泵的组件经验。由于极高的变形速率可能会对试验结果产生显著影响, 因此必须在高、超高循环区内进行操作。试样的形状和尺寸必须经过仔细的选择和计算, 以满足超声系统的共振条件;因此, 不可能对任意形状的完整元件或试样进行测试。在每次试验前, 必须将试样与超声波系统的频率进行协调, 以补偿实际形状与理想的偏差。这是不可能的, 直到一个完全断裂的标本, 因为测试是自动终止后, 裂纹的启动和传播到一定的长度, 当系统的刚度改变足以转移系统的共振频率.本文介绍了在高频超声疲劳载荷作用下, 利用近20赫频率的机械共振来评价材料疲劳性能的过程。该协议包括对正确测试所需的所有步骤的详细描述, 包括试样设计、应力计算、与共振频率的协调、执行测试和最终的静态断裂。

Introduction

结构材料的疲劳损伤与工业化有着密切的联系, 主要是利用蒸汽发动机和蒸汽机车进行铁路运输, 其中大量的金属部件, 主要以铁为主, 已被使用并承受各种循环加载的类型。最早的一次测试是由阿尔伯特 (德国 1829)¹在矿井提升机的焊接链上进行的。加载频率为每分钟10弯, 所记录的最大测试达到10万加载周期¹。另一项重要工作是由威廉费尔贝恩在1864年进行的。在锻铁梁上进行了试验, 使用静态载荷, 通过杠杆提升, 然后下降造成振动。荷载作用下, 梁的加载应力幅度逐渐增大。在对各种荷载应力振幅进行了上千次循环后, 最终梁在大约5000加载周期的载荷振幅2/5 的极限抗拉强度的情况下失败。8月弗里德里希·维勒在 1860-1870¹中首次对结构材料的反复应力影响进行了全面系统的研究。对于这些测试, 他使用扭力, 弯曲和轴向加载模式。弗里德里希·维勒设计了许多独特的疲劳试验机, 但他们的缺点是低操作速度, 例如最快的旋转折弯机操作在 72 rpm (1.2 Hz), 因而实验程序的完成花费了12年¹。在进行这些测试之后, 人们认为, 在达到材料承受 10⁷周期的加载振幅后, 疲劳退化是微不足道的, 材料可以经受无限数量的加载周期。这一加载幅值被命名为 "疲劳极限", 并成为多年工业设计的主要参数^2<....

Protocol

注: 每个试样的几何必须根据所测材料的力学和物理特性进行选择和计算, 使其具有与超声波检测系统相同的共振频率。

1. 疲劳试验试样尺寸的测定

注意:标准的 "沙漏" 拉伸-压缩试样几何具有定义的主尺寸, 如图 1所示。维度d、 d、和r是用户定义的 (独立), 而l和l维度必须根据正确的共振频率 (依赖) 的条件计算。标尺长度l仅在d、 r、和d、之间的几何比率中产生, 并且可以很容易地计算或从组件模型中获得;因此, 它不会成为进一步讨论的对象。

1. 独立尺寸的测定
   注意:根据材料参数和测试条件选择试样的主要尺寸 (d、 d、 r)。
   1. 根据所需的材料体积来确定测量直径d 。在无内部缺陷的均质显微组织情况下, 更倾向于使用较小的量规直径。对于具有很大内部缺陷的材料 (如铸造材料中的空隙和收缩), 需要更大的量规直径。标尺直径d通常从3毫米到5毫米。
   ....

Results

疲劳试验结果包括加载应力、加载周期数和测试终止字符 (断开或耗尽) 可以在表 1中看到, 其中提供了50CrMo4 淬火和回火钢的疲劳寿命结果。对疲劳寿命试验结果最常见的解释是所谓的 s-N 地块 (s 应力, N-周期数), 也称为弗里德里希·维勒的剧情。疲劳寿命对施加载荷应力的依赖性在历史上给定的倒轴图中绘制, 其中独立值 (加载应力) 位于y轴上, 而相关值 (循环数) 位于x轴上。在疲劳寿命结果上应用了各种类型的回归分析¹⁹ , 如果在图中添加了拟合, 则通常称为 s-N 曲线。然而, 与原始情节没有区别, 它只包括一个数据适合。如果测试不结束与断裂, 并且它在到达要求的装载周期的数量以后被终止, 不用损伤, 这个结果被称为奔跑和在 s-N 剧情通常标记由箭头。图 2显示了一个典型的 s-N 图, 其中有三个测试钢: Hardox 450、Strenx 700 MC 和 S355 J2。<.......

Discussion

超声疲劳试验是允许在超高循环区进行结构材料测试的几种方法之一。然而, 在共振频率方面, 试样的形状和尺寸是非常有限的。例如, 在轴向加载模式下的薄板的测试一般是不可能的。此外, 大型试样的测试通常是不可能的, 因为测试机器没有提供这样的功率, 它需要设计一个特殊的超声波系统。

即使现代超声波发生器能够对超声波进行调制, 并成功地共振具有细微不同尺寸的试样, 也不应低估试样的正确设计、计算和协调。但是, 这会导致超声波的节点从测量长度的中间部分移开, 然后试样在测量长度上没有正确加载。出于同样的原因, 必须非常小心, 以确保测试标本的对称性, 对于两个轴。

讨论了高频率测试结果与低频负载下常规测试装置获得的数据之间的相关性。许多测试都表明, 高频测试的结果在低频下得到了很流利的扩展结果, 并且当相同的加载模式被认为是¹⁰时, 也有部分结果重叠。后来人们普遍认识到, 加载频率不是决定疲劳性能的参数, 而是变形速率, 低频载荷下的大变形提供了相似的变形速率, 与小高频变形。然而, 这是.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
超声波疲劳试验装置	Lasur-20		kHz，用于疲劳试验
Nyogel 783	Nye 润滑剂	-	用作连接超声波系统部件的声学凝胶
Win 20k 软件	Lasur	-	用于作 Lasur 疲劳试验机