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)，最終導(dǎo)致斷裂。因此，為了確保機(jī)器、車輛等的質(zhì)量，需要對(duì)其零件進(jìn)行疲勞檢測(cè)。

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(jī)場(chǎng)前往達(dá)拉斯愛田機(jī)場(chǎng)。

1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的13號(hào)風(fēng)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(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片，自新安裝以來(lái)累計(jì)超過(guò)32000個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)。

金屬疲勞試驗(yàn)重要性

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)、直升機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置，是長(zhǎng)期制約我國(guó)航空工業(yè)和軍事裝備發(fā)展的關(guān)鍵裝備。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是具有多個(gè)轉(zhuǎn)子且工況變化十分頻繁的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械， 其部件（特別是葉片和盤）承受十分復(fù)雜振動(dòng)載荷。

PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)，配裝波音777客機(jī)

由振動(dòng)載荷引起的材料疲勞問(wèn)題是制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)高可靠性、長(zhǎng)壽命服役的關(guān)鍵問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)、機(jī)械源誘導(dǎo)的振動(dòng)應(yīng)力引起的，其頻率可達(dá)數(shù)千赫茲，可以導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件（風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪葉片或盤，以及導(dǎo)管）疲勞斷裂，甚至導(dǎo)致飛行事故。

• 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流擾動(dòng)
• 自激振動(dòng)（顫振和抖振流動(dòng)分離）
• 流動(dòng)畸變（壓力）
• 轉(zhuǎn)子不平衡

聲疲勞試驗(yàn)原理

超聲疲勞試驗(yàn)是一種加速共振式的疲勞試驗(yàn)方法，在被加載試樣上建立機(jī)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(cè)試頻率（20kHz）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了常規(guī)疲勞測(cè)試頻率。在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)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(cè)各種各種工業(yè)材料的高重復(fù)周期的疲勞極限。

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

超聲疲勞試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

• 可作隨機(jī)變幅加載,包括低水平載荷,從而更接近工程實(shí)際。
• 采用計(jì)算機(jī)設(shè)定和控制試驗(yàn)，可以簡(jiǎn)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(jìn)行試驗(yàn)，可以產(chǎn)生高應(yīng)力，能夠進(jìn)行1000MP*的鋼材試驗(yàn)。
• 試驗(yàn)設(shè)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(yàn)經(jīng)費(fèi)。
• 諧振時(shí)試件端部的應(yīng)力水平很低,從而簡(jiǎn)化了試件裝夾,只需一端裝夾,這對(duì)于脆性材料很有利。
• 以20KHz的重復(fù)頻率快速評(píng)價(jià)金屬材料的疲勞壽命，縮短試驗(yàn)時(shí)間數(shù)百倍乃至上千倍。

以10 9疲勞試驗(yàn)為例

20Hz伺服液壓疲勞試驗(yàn)需要1.5年；

50Hz旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)需要231天；

300Hz高頻振動(dòng)臺(tái)需要38.5天；

20Khz超聲疲勞實(shí)驗(yàn)僅需13.8小時(shí)。

疲勞測(cè)試過(guò)程

低循環(huán)疲勞和高循環(huán)疲勞測(cè)試過(guò)程可測(cè)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(cè)試。測(cè)試結(jié)果有助于預(yù)測(cè)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(huì)執(zhí)行疲勞測(cè)試來(lái)表征材料特性。

高循環(huán)疲勞測(cè)試和低循環(huán)疲勞測(cè)試都使用循環(huán)載荷來(lái)評(píng)估材料的使用壽命，這些材料會(huì)承受應(yīng)變和應(yīng)力波動(dòng)的情況，這可能會(huì)導(dǎo)致破裂或斷裂。這些測(cè)試對(duì)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*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(guò)40％的航空航天零件是由這些合金制成的。因此，對(duì)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(cè)試下，預(yù)腐蝕對(duì)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(duì)極限強(qiáng)度低，目前受到限制，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(duì)于輕金屬?zèng)]有真正的疲勞限制。傳統(tǒng)疲勞機(jī)來(lái)進(jìn)行這樣的疲勞實(shí)驗(yàn)會(huì)非常耗時(shí)，但是如果使用頻率為20kHz的超聲疲勞測(cè)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)。

設(shè)備參數(shù)