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超聲波疲勞試驗(yàn)機(jī)的基本原理與設(shè)備組成
在許多應(yīng)用中，承受周期性或重復(fù)性機(jī)械應(yīng)力的金屬部件在低于靜態(tài)測(cè)試值的情況下會(huì)失效。這個(gè)過(guò)程稱為疲勞破壞，它起源于應(yīng)力集中的點(diǎn)，例如尖銳的末端，凹口或夾雜物。一旦成核，裂紋就會(huì)由于循環(huán)應(yīng)力而傳播通過(guò)部件，直到破裂。據(jù)估計(jì)，疲勞造成了服務(wù)中90%的機(jī)械故障。機(jī)械故障會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的事故，例如飛機(jī)失事、交通事故等。因此為了避免此類事件的發(fā)生，測(cè)試疲勞度機(jī)器應(yīng)運(yùn)而生。
超聲波疲勞試驗(yàn)機(jī)作為一種加速疲勞測(cè)試技術(shù)，可以大大減少新工藝和新材料的應(yīng)用周期的技術(shù)設(shè)備，受到發(fā)電、空間、核能、航空等重要領(lǐng)域的青睞。超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)被要求具有很高的性能，以確保在超聲疲勞測(cè)試領(lǐng)域中具有特定的應(yīng)用技術(shù)。
超聲波疲勞試驗(yàn)機(jī)被用于進(jìn)行超聲波疲勞測(cè)試。超聲波疲勞測(cè)試基于縱波沿著給定材料的樣本的傳播，從而對(duì)被測(cè)元件產(chǎn)生周期性的應(yīng)力壓縮效應(yīng)。一段時(shí)間后，每種材料的不同，裂紋會(huì)在試樣的中心成核，一直擴(kuò)展到產(chǎn)生疲勞破壞?？v向機(jī)械波由在設(shè)備的電子級(jí)產(chǎn)生的充滿正弦電信號(hào)的機(jī)電換能器產(chǎn)生。產(chǎn)生，放大并最終將電信號(hào)發(fā)送到由壓電環(huán)組成的超聲換能器，以將電壓和電流轉(zhuǎn)換為縱向機(jī)械位移。下圖展示了一個(gè)超聲波換能器和所產(chǎn)生的機(jī)械波的放大。
超聲疲勞測(cè)試的工作原理是在整個(gè)系統(tǒng)的共振頻率下工作，使用壓電陶瓷彈性振動(dòng)波的共振試驗(yàn)方法，該共振頻率包括換能器和測(cè)試的疲勞樣本。因此，使共振中的位置移動(dòng)大化會(huì)降低所提供的電能。樣品的幾何形狀是獲得超聲疲勞測(cè)試所需的應(yīng)力和應(yīng)變振幅值的基礎(chǔ)。通過(guò)開槽，可以放大樣品中心的應(yīng)力和應(yīng)變，從而降低實(shí)現(xiàn)所需振幅所需的電功率。另外，必須計(jì)算試樣的長(zhǎng)度，以允許在切口上形成最大縱向應(yīng)力應(yīng)變，在端部產(chǎn)生最大位移的駐波。
超聲波疲勞測(cè)試機(jī)的由超聲波換能器、超聲波發(fā)生器、變幅桿、工具頭和試樣測(cè)試組成。換能器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)的設(shè)備，由超聲波發(fā)生器控制。超聲波發(fā)生器將50Hz電壓轉(zhuǎn)換為具有系統(tǒng)共振頻率的正弦電信號(hào)。變幅桿會(huì)放大來(lái)自換能器的振動(dòng)，以便在樣品的中間部分獲得所需的應(yīng)力幅度。工具頭能將系統(tǒng)的高頻振動(dòng)傳遞給樣品測(cè)試，從而達(dá)到疲勞試驗(yàn)的最終目的。樣品測(cè)試的特點(diǎn)是相對(duì)于縱向尺寸的中心對(duì)稱，與其他元件不同，該共振元件是一次性的，只能使用一次。標(biāo)本的測(cè)試是在車間設(shè)計(jì)和加工的。超聲波發(fā)生器是由計(jì)算機(jī)控制的，因此整個(gè)系統(tǒng)(換能器，工具頭和樣品)的共振在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中都得以保持。在超聲波疲勞機(jī)外設(shè)置集成化系統(tǒng)，使得整個(gè)金屬的疲勞試驗(yàn)更加精準(zhǔn)。
超聲波疲勞測(cè)試實(shí)現(xiàn)了20kHz的*頻率，一天即可實(shí)現(xiàn)109個(gè)周期，而傳統(tǒng)的100Hz疲勞測(cè)試則需要3個(gè)月。例如，在用于車輛的內(nèi)燃機(jī)和航空渦輪葉片或發(fā)電的組件。使用工作頻率為20Hz的傳統(tǒng)液壓機(jī)進(jìn)行周期測(cè)量需要17年，傳統(tǒng)疲勞機(jī)的測(cè)試周期過(guò)長(zhǎng)，使得有必要開發(fā)一種更有效的方法。超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，僅僅需要20kHz的工作頻率便可以在不到一周的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量，測(cè)試效率大大提高。
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