隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，許多金屬零件的設計疲勞壽命逐漸增加。金屬材料的高周疲勞行為已成為一項研究重點。金屬疲勞，是機器、車輛或結(jié)構(gòu)的金屬零件因反復施加應力或載荷而引起的弱化狀態(tài)，最終導致斷裂。因此，為了確保機器、車輛等的質(zhì)量，需要對其零件進行疲勞檢測。

金屬疲勞造成空難

2018年4月17日1380次航班（波音737-700），從紐約– 拉瓜迪亞機場前往達拉斯愛田機場。

1號發(fā)動機的13號風扇葉片丟失。有證據(jù)表明葉片破裂的區(qū)域存在金屬疲勞。事故發(fā)動機的風扇葉片，自新安裝以來累計超過32000個發(fā)動機循環(huán)。

金屬疲勞試驗重要性

航空燃氣渦輪發(fā)動機是飛機、直升機的主要動力裝置，是長期制約我國航空工業(yè)和軍事裝備發(fā)展的關(guān)鍵裝備。航空發(fā)動機是具有多個轉(zhuǎn)子且工況變化十分頻繁的高速旋轉(zhuǎn)機械， 其部件（特別是葉片和盤）承受十分復雜振動載荷。

PW4084發(fā)動機，配裝波音777客機

由振動載荷引起的材料疲勞問題是制約航空發(fā)動機高可靠性、長壽命服役的關(guān)鍵問題，長期以來一直困擾我國航空發(fā)動機的研制生產(chǎn)和安全使用。

葉片疲勞因素

高周疲勞（HCF）和超高周疲勞（VHCF）主要是由各種氣動、機械源誘導的振動應力引起的，其頻率可達數(shù)千赫茲，可以導致發(fā)動機重要部件（風扇、壓氣機和渦輪葉片或盤，以及導管）疲勞斷裂，甚至導致飛行事故。

• 發(fā)動機內(nèi)流擾動
• 自激振動（顫振和抖振流動分離）
• 流動畸變（壓力）
• 轉(zhuǎn)子不平衡

聲疲勞試驗原理

超聲疲勞試驗是一種加速共振式的疲勞試驗方法，在被加載試樣上建立機械諧振波。基于壓電伸縮原理并利用高能超聲波諧振技術(shù)，它的測試頻率（20kHz）遠遠超過了常規(guī)疲勞測試頻率。在實際試驗時間內(nèi)能得到疲勞度以及閾值附近的數(shù)據(jù)，由于頻率高，能夠迅速地檢測各種各種工業(yè)材料的高重復周期的疲勞極限。

針對現(xiàn)代機械裝備零件超長壽命和超高可靠性要求，超聲波疲勞試驗器基于超聲波諧振原理，在試樣上產(chǎn)生高頻振動載荷，完成材料的（超）高周疲勞性能試驗。本公司研制的第三代多功能超聲波疲勞試驗器具有工作頻率范圍寬、輸出幅值大、控制精度高的特點，可以開展各種金屬材料和復合材料的變應力比軸向?qū)ΨQ拉壓、變應力比三點彎曲、振動彎曲等多種加載形式的超聲疲勞試驗，同時提供軸向拉壓、三點彎曲、振動彎曲等各類試樣的輔助優(yōu)化設計軟件。

超聲疲勞試驗優(yōu)點

• 可作隨機變幅加載,包括低水平載荷,從而更接近工程實際。
• 采用計算機設定和控制試驗，可以簡單地再現(xiàn)微小缺陷而產(chǎn)生的疲勞破壞。
• 由于在共振狀態(tài)下進行試驗，可以產(chǎn)生高應力，能夠進行1000MP*的鋼材試驗。
• 試驗設備所需輸出功率很低(數(shù)十瓦到數(shù)百瓦),可大量節(jié)省能源，節(jié)約試驗經(jīng)費。
• 諧振時試件端部的應力水平很低,從而簡化了試件裝夾,只需一端裝夾,這對于脆性材料很有利。
• 以20KHz的重復頻率快速評價金屬材料的疲勞壽命，縮短試驗時間數(shù)百倍乃至上千倍。

以10 9疲勞試驗為例

20Hz伺服液壓疲勞試驗需要1.5年；

50Hz旋轉(zhuǎn)彎曲試驗機需要231天；

300Hz高頻振動臺需要38.5天；

20Khz超聲疲勞實驗僅需13.8小時。

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載荷循環(huán)的能力?？梢栽谧兓呢撦d，速度和溫度下執(zhí)行測試。測試結(jié)果有助于預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。在選擇或驗證材料時，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，這些材料會承受應變和應力波動的情況，這可能會導致破裂或斷裂。這些測試對于確保產(chǎn)品安全非常有價值，尤其是在故障可能導致嚴重傷害或重大損壞的行業(yè)中。

常見金屬疲勞試驗

在工業(yè)應用中使用*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)，如今，超過40％的航空航天零件是由這些合金制成的。因此，對鋁及鋁合金進行疲勞試驗特別重要。將鋁材料進行工業(yè)應用意味著機械負載和腐蝕的結(jié)合，從而導致應力集中和材料破壞。開展鋁及鋁合金的疲勞試驗的主要目的是，尚未開展有關(guān)在常規(guī)和超聲測試下，預腐蝕對疲勞強度的影響航空鋁合金。

鎂合金是具有高比重的材料強度和阻尼能力。它們還具有良好的鑄造性，易于回收。它們的延展性有限，易氧化且相對極限強度低，目前受到限制，其廣泛的應用。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。

對于輕金屬沒有真正的疲勞限制。傳統(tǒng)疲勞機來進行這樣的疲勞實驗會非常耗時，但是如果使用頻率為20kHz的超聲疲勞測試，進行10的八次方個循環(huán)大約兩個小時即可到達。

設備參數(shù)