化工儀器網(wǎng)
技術(shù)文章
超聲波金屬疲勞試驗(yàn)
閱讀：2002 發(fā)布時(shí)間：2022-3-8 一、金屬疲勞壽命
在規(guī)定的條件下，直到疲勞失效為止的循環(huán)次數(shù)N（或相應(yīng)的時(shí)間）。如果在相同的條件下對多個(gè)樣本進(jìn)行測試，則疲勞壽命可為組的中位壽命。
二、金屬疲勞的限
隨著疲勞循環(huán)次數(shù)（N）的增加，平均疲勞強(qiáng)度的限值變得非常大。由于疲勞數(shù)據(jù)固有的分散性，在低于疲勞限的應(yīng)力下仍可能發(fā)生個(gè)別的疲勞失效。
中值S-N曲線達(dá)到零斜率時(shí)的應(yīng)力-即低于該應(yīng)力將不會發(fā)生疲勞破壞的時(shí)間（無限壽命）。 這種壓力取決于許多因素。
并非所有材料都具有這種意義上的疲勞限（即無限壽命的可能性）。 鐵材料和鈦通常被認(rèn)為具有疲勞限，盡管這可能取決于環(huán)境。鋁通常沒有疲勞限。因此，不管應(yīng)力水平如何，只要振動足夠長，鋁終就會疲勞。
鋼-107個(gè)循環(huán)
鈦- 106 - 107個(gè)循環(huán)。但是，其他證據(jù)表明，這可能高達(dá)109 - 1010周期。
鋁-5x108個(gè)循環(huán)，即使鋁可能沒有實(shí)際的疲勞限。
三、疲勞
材料(或結(jié)構(gòu))由于反復(fù)的循環(huán)應(yīng)力而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展而失效的過程。循環(huán)應(yīng)力通常大大低于材料的屈服強(qiáng)度。許多因素都會影響疲勞過程。
材料。
材料的加工歷史。
施加應(yīng)力的方法（軸向，彎曲，旋轉(zhuǎn)彎曲等）。
應(yīng)力水平（受幾何形狀影響）。
殘余應(yīng)力或靜態(tài)應(yīng)力的存在。
材料的缺口敏感性。
測試頻率。
相對于材料的晶粒方向的測試方向。
從中加工了樣品的原料的大小。
表面光潔度。
電鍍。
環(huán)境（包括溫度，濕度，腐蝕性等）。
因此，在確定疲勞性能時(shí)必須謹(jǐn)慎。
疲勞是工具頭和換能器器常見的故障模式。
四、高周和超高周疲勞試驗(yàn)的現(xiàn)狀象
疲勞現(xiàn)長時(shí)間以來一直是許多不同行業(yè)的研究主題，因?yàn)槠诠收险妓袡C(jī)械故障的比例很大。同時(shí)，在滿足耐用性和可靠性要求的同時(shí)，人們對提高燃油效率，減少排放和提高動力性能的需求也在不斷增長，這些具有挑戰(zhàn)性且有時(shí)相互沖突的需求，要求設(shè)計(jì)輕型結(jié)構(gòu)和組件，以便在惡劣的使用環(huán)境中發(fā)揮良好的性能。
鎂（Mg）、鋁（Al）和鈦（Ti）等輕金屬合金由于其重量輕、強(qiáng)度和剛度相對較高，在此類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。在航空航天、汽車、交通運(yùn)輸和海上工業(yè)等許多工程應(yīng)用中，這些合金經(jīng)常被用來制造結(jié)構(gòu)部件。
這些結(jié)構(gòu)部件經(jīng)歷了較長的載荷歷史，也被稱為10的6次方和10的8次方范圍內(nèi)的高周疲勞（HCF）和10的8次方和10的10次方范圍內(nèi)的超高周疲勞（VHCF）。HCF和VHCF機(jī)制的長壽命周期是這些行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。由于HCF和VHCF失效會影響由這些合金制成的機(jī)器系統(tǒng)的安全性，可靠性，準(zhǔn)備就緒性和支持成本，因此對耐疲勞性的基本了解，以及針對高周疲勞狀態(tài)的潛在預(yù)防策略至關(guān)重要。
由于成本和時(shí)間的限制，上個(gè)世紀(jì)的疲勞研究主要集中在低周和高周疲勞狀態(tài)（ZUI高10的7次）。許多經(jīng)常經(jīng)歷長載荷歷史（例如，千兆次循環(huán)）的工程結(jié)構(gòu)部件需要實(shí)驗(yàn)疲勞能力，以便更好地理解高周疲勞狀態(tài)下（特別是在VHCF狀態(tài)下）的疲勞損傷機(jī)理和疲勞壽命行為。
在過去的二十年中，已經(jīng)有許多研究集中在材料的千兆周期范圍內(nèi)，無論這些材料具有疲勞限還是顯示出持續(xù)降低的應(yīng)力-壽命響應(yīng)。許多研究表明，大多數(shù)工程金屬材料在10的6次循環(huán)時(shí)都沒有疲勞限，但是隨著疲勞壽命達(dá)到10的7次-10的10次負(fù)載周期，它們的疲勞強(qiáng)度逐漸降低。
近提出了許多時(shí)域和頻域的疲勞壽命分析方法，以提供高周疲勞狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的疲勞評估。但是，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究以更好地理解HCF和VHCF方案中的抗疲勞性。由于試驗(yàn)時(shí)間長、成本高，傳統(tǒng)的伺服液壓疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)無法在VHCF工況下使用。相反，開發(fā)一種高周疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，使其能夠在期望的HCF和VHCF范圍內(nèi)進(jìn)行有效和可靠的試驗(yàn)是非常重要和必要的。
五、超聲波疲勞試驗(yàn)機(jī)用于疲勞試驗(yàn)
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，許多金屬零件的設(shè)計(jì)疲勞壽命逐漸增加。金屬材料的高周疲勞行為已成為一項(xiàng)研究重點(diǎn)。金屬疲勞，是機(jī)器、車輛或結(jié)構(gòu)的金屬零件因反復(fù)施加應(yīng)力或載荷而引起的弱化狀態(tài)，終導(dǎo)致斷裂。因此，為了確保機(jī)器、車輛等的質(zhì)量，需要對其零件進(jìn)行疲勞檢測。
超聲波疲勞測試是機(jī)械測試的一種特殊形式，通過對金屬試樣或結(jié)構(gòu)施加周期性載荷來執(zhí)行。這些測試可用于生成疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)，確定關(guān)鍵位置或證明可能易疲勞的結(jié)構(gòu)的安全性。從試樣到大型測試物品（如汽車和飛機(jī)）的各種金屬組件都進(jìn)行疲勞測試。通過超聲波疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行金屬的疲勞試驗(yàn)，不僅能比傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)節(jié)省更多的時(shí)間，提高率，而且能夠準(zhǔn)確控制試驗(yàn)的精度，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。
疲勞測試的類型
疲勞測試包括以下類型，這些類型根據(jù)所施加載荷的形式，環(huán)境因素等進(jìn)行分類。
拉伸壓縮疲勞試驗(yàn)
通過結(jié)合使用拉力，卸載和壓縮來評估抵抗循環(huán)應(yīng)力的耐力（疲勞強(qiáng)度）。
高周疲勞測試
在大約1-5000 Hz的頻率下進(jìn)行正常疲勞測試。高周疲勞測試通過測量材料對施加相對大量的恒定振幅直接應(yīng)力循環(huán)的抵抗力來確定材料的疲勞強(qiáng)度。這種疲勞試驗(yàn)往往與彈性狀態(tài)下的載荷有關(guān)，并持續(xù)進(jìn)行到試樣分離或達(dá)到預(yù)定數(shù)量的載荷循環(huán)而沒有試樣失效為止。
通過超聲波疲勞試驗(yàn)機(jī)，可以對金屬零件進(jìn)行的高周疲勞試驗(yàn)。與傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)機(jī)相比，能夠提高幾十倍的測試效率。
低周疲勞測試
疲勞測試，使用慢應(yīng)變率，頻率小于10 Hz。低周疲勞測試通常運(yùn)行緩慢，只有相對較短的失效周期。該測試的特點(diǎn)是高振幅，低頻塑性應(yīng)變，通常在高溫下進(jìn)行。
Gigacycle疲勞測試
疲勞測試，在短時(shí)間內(nèi)通過超聲波振動等施加大約10的九次方個(gè)循環(huán)甚至更多。
疲勞測試過程
低循環(huán)疲勞和高循環(huán)疲勞測試過程可測量材料承受反復(fù)載荷循環(huán)的能力?？梢栽谧兓呢?fù)載，速度和溫度下執(zhí)行測試。測試結(jié)果有助于預(yù)測可能在這些類型的苛刻條件下暴露的材料和零件的壽命。在選擇或驗(yàn)證材料時(shí)，通常會執(zhí)行疲勞測試來表征材料特性。
高循環(huán)疲勞測試和低循環(huán)疲勞測試都使用循環(huán)載荷來評估材料的使用壽命，這些材料會承受應(yīng)變和應(yīng)力波動的情況，這可能會導(dǎo)致破裂或斷裂。這些測試對于確保產(chǎn)品安全非常有價(jià)值，尤其是在故障可能導(dǎo)致嚴(yán)重傷害或重大損壞的行業(yè)中。
常見金屬疲勞試驗(yàn)
在工業(yè)應(yīng)用中使用廣泛的金屬之一是鋁及其合金。它是僅次于鋼鐵的第二種廣泛生產(chǎn)的金屬。鋁合金經(jīng)常被用于現(xiàn)代工業(yè)，如，超過40％的航空航天零件是由這些合金制成的。因此，對鋁及鋁合金進(jìn)行疲勞試驗(yàn)特別重要。將鋁材料進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用意味著機(jī)械負(fù)載和腐蝕的結(jié)合，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中和材料破壞。開展鋁及鋁合金的疲勞試驗(yàn)的主要目的是，尚未開展有關(guān)在常規(guī)和超聲測試下，預(yù)腐蝕對疲勞強(qiáng)度的影響航空鋁合金。
鎂合金是具有高比重的材料強(qiáng)度和阻尼能力。它們還具有良好的鑄造性，易于回收。它們的延展性有限，易氧化且相對限強(qiáng)度低，目受到限制，其廣泛的應(yīng)用。鎂合金的研究主要集中在耐腐蝕性、爬行電阻和疲勞壽命耐久性。
對于輕金屬，已知沒有真正的疲勞限制。然而，當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)的疲勞壽命大約10的八次方個(gè)周期，渦輪發(fā)動機(jī)部件疲勞壽命大約在10的九次方甚至10的十次方個(gè)周期。傳統(tǒng)疲勞機(jī)來進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)會非常耗時(shí)，但是如果使用頻率為20kHz的超聲疲勞測試，進(jìn)行10的八次方個(gè)循環(huán)大約兩個(gè)小時(shí)即可到達(dá)。
六、超聲波在工業(yè)中的應(yīng)用
什么是超聲波
超聲波是指頻率超過人類聽覺正常范圍的超高頻聲波。它是一種波長短的機(jī)械波，在空氣中波長一般短于2cm（厘米）。它必須依靠介質(zhì)進(jìn)行傳播，無法存在于真空（如太空）中。它在水中傳播距離比空氣中遠(yuǎn)，但因其波長短，在空氣中則易損耗，容易散射，不如可聽聲和次聲波傳得遠(yuǎn)。
超聲波在金屬工業(yè)中的應(yīng)用
超聲波可以預(yù)測工業(yè)零部件的使用壽命。預(yù)測工業(yè)設(shè)備零件壽命的重要性不言而喻。這個(gè)預(yù)測過程是累人的、復(fù)雜的、困難的。文獻(xiàn)中的研究報(bào)告表明，在疲勞機(jī)器的不同金屬部件逐漸發(fā)生微損傷，隨后疲勞引起的裂紋逐漸增加，導(dǎo)致主要破壞宏觀裂紋的災(zāi)難性增長。這個(gè)長時(shí)間準(zhǔn)備階段的存在表明，合適的措施有助于防止流程下一階段的變化。
食品工業(yè)中的超聲波技術(shù)
在高能超聲應(yīng)用中，超過 1 W/cm2強(qiáng)度和100 kHz 頻率。高能超聲從液體食品中去除氣體，結(jié)晶，誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)，蛋白質(zhì)和酶的提取和純化，用于啟動成核以及酶失活。對比植物微生物滅活所需的研究表明，熱處理在超聲波的幫助下，也可以在較低溫度下食用液體食品。對于超聲波處理，需要額外的能量，這導(dǎo)致集成過程的整體能源需求增加。但在廉價(jià)電力供應(yīng)或替代品不可用的地區(qū)能源，超聲波輔助處理可能是一個(gè)有趣的替代當(dāng)流行的熱處理選擇。其中的處理可以利用超聲波很容易地去除液體產(chǎn)品中的氣體。
超聲波在農(nóng)業(yè)工業(yè)中的應(yīng)用
在地中海地區(qū)，橄欖磨坊產(chǎn)生的廢水會污染環(huán)境。此外，用橄欖磨機(jī)灌溉田地和農(nóng)場，廢水將廢料排放到水床中，嚴(yán)重污染水源，因?yàn)樗蓄B固的生物屬性。因此需要利用超聲波清除農(nóng)業(yè)廢水中的污染物。該廢水的初處理包括光照射對催化劑的光子活化，而二次處理包括超聲誘導(dǎo)的功率超聲空化。
超聲波在皮革工業(yè)中的應(yīng)用
皮革工業(yè)排出的污染物含有不同的化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)品在皮革加工過程中被使用，終產(chǎn)生固體廢料。在皮革工業(yè)中，酶處理可以作為化學(xué)處理的一種有益的替代方法。而且它在環(huán)境安全方面也是很有幫助的，另外，酶處理的成本很低，而且可以在低溫下進(jìn)行，無需使用額外的化學(xué)品。超聲波和酶處理的同時(shí)應(yīng)用有助于改善制革廠廢料的酶水解，并導(dǎo)致消化能力的提高和碎屑和刨花的產(chǎn)量。
獸皮主要由不溶性的纖維蛋白組成，稱為膠原蛋白，它可能在蛋白酶的作用下降解。通過應(yīng)用超聲波，獸皮的纖維網(wǎng)絡(luò)失去了作用，其速率也隨之降低。皮料的纖維網(wǎng)會消失，蛋白酶在皮膚毛孔內(nèi)的擴(kuò)散速度會增加。在一項(xiàng)研究報(bào)告中，一種中性蛋白酶（枯草桿菌 枯草芽孢桿菌）和堿性蛋白酶（地衣芽孢桿菌）被應(yīng)用。結(jié)果顯示，地衣芽孢桿菌的蛋白酶（堿性）幾乎不受超聲波的影響。因此它被選作降解固體廢物的原料。
現(xiàn)在功率超聲的效用顯著提高，特別是在工業(yè)應(yīng)用中，科學(xué)家們對此進(jìn)行了深刻的研究。通過超聲波進(jìn)行的能量輸入可以顯著提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量，并可以促進(jìn)許多不同行業(yè)的產(chǎn)品的回收和凈化過程。超聲技術(shù)是一種清潔的技術(shù)，廣泛用于食品加工、冷凍和保存。它還可用于預(yù)測工業(yè)工藝和機(jī)器部件的使用壽命，以及對紡織、農(nóng)業(yè)、制革廠等不同行業(yè)產(chǎn)生的廢物的處理。