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拉伸-压缩模式下的超声疲劳试验

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DOI：

10.3791/57007

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2018年3月7日

 ,  ,  , 
1Division of Materials Research for Transport, University of Žilina, 2Department of Materials Engineering, University of Žilina

本文内容

摘要

一种在轴向拉压加载模式下进行高周和超高周区域超声疲劳测试的方案。

摘要

超声疲劳测试是少数几种可用于研究超高周疲劳区域材料疲劳性能的方法之一。该方法基于在接近20 kHz的共振频率下对试样施加纵向振动。与通常工作频率低于200 Hz的传统测试设备相比，采用此方法可显著缩短测试所需时间。该方法还可用于模拟材料在高速运行条件下的载荷情况，例如喷气发动机或汽车涡轮泵部件所经历的工况。由于可能存在极高的应变率，这会对测试结果产生显著影响，因此该方法仅适用于高周和超高周疲劳区域。试样的形状和尺寸必须经过仔细选择和计算，以满足超声系统的共振条件；因此，无法对完整部件或任意形状的试样进行测试。每次测试前，必须将试样与超声系统的频率进行调谐，以补偿实际形状与理想形状之间的偏差。测试无法持续至试样完全断裂，因为在裂纹萌生并扩展到一定长度后，系统刚度会发生足够变化，导致系统偏离共振频率，测试将自动终止。本文描述了在接近20 kHz的机械共振频率下，进行高频超声疲劳加载以评估材料疲劳性能的过程。该实验方案包含正确实施测试所需的全部步骤的详细说明，包括试样设计、应力计算、共振频率调谐、测试执行以及最终的静态断裂分析。

引言

结构材料的疲劳损伤与工业化密切相关，尤其是与蒸汽机和蒸汽机车在铁路运输中的应用密切相关，其中大量使用了以铁基为主的金属部件，这些部件必须承受各种类型的循环载荷。最早的一项测试由阿尔伯特（Albert，德国，1829年）1在用于矿井提升机的焊接链条上进行。加载频率为每分钟10次弯曲，记录到的最大试验次数达到100,000次加载循环1。另一项重要工作由威廉·费尔班（William Fairbairn）于1864年完成。试验在锻铁梁上进行，采用静载荷，通过杠杆将载荷提起后释放，从而引起振动。梁所承受的加载应力幅值逐步增加。在不同加载应力幅值下经历数十万次循环后，最终梁在加载幅值为极限抗拉强度五分之二时，仅约五千次循环后即发生失效。首次对重复应力对结构材料影响进行全面而系统研究的是奥古斯特·沃勒（August Wöhler），时间为1860至1870年间1。这些试验采用了扭转、弯曲和轴向加载模式。沃勒设计了多种独特的疲劳试验机，但其缺点是运行速度较低，例如最快的旋转弯曲试验机转速仅为72 rpm（1.2 Hz），因此整个实验计划耗时12年才完成1。在完成这些试验后，人们认为当材料能够承受107次循环而不失效时，其疲劳损伤可忽略不计，材料即可承受无限次的加载循环。这一加载幅值被称为"疲劳极限"，并在此后多年成为工业设计中的主要参数2,3。

新型工业机械的进一步发展要求更高的效率和成本节约，必须能够实现更高的载荷、更高的运行速度、更长的使用寿命，以及在低维护需求下的高可靠性。例如，新干线高速列车部件在运行10年后需承受约109次循环载荷，而关键部件的失效可能造成致命后果4。此外，喷气发动机部件通常以12,000 rpm的转速运行，而涡轮鼓风机部件的转速通常超过17,000 rpm。这些高运行速度提高了对所谓超长寿命区域疲劳寿命测试的要求，以评估材料的疲劳强度在超过一千万次循环后是否仍可被视为恒定。在首次进行超过该耐久极限的试验后，明显发现即使在低于疲劳极限的应力幅值下，经过远超107次循环后仍可能发生疲劳失效，且其损伤与失效机制可能与常规情况不同5。

为了研究超高周区域而设计的疲劳试验方案，需要开发新型测试设备以显著提高加载频率。1998年6月，一场以该主题为中心的研讨会在巴黎举行，会上展示了Stanzl-Tschegg6和Bathias7在20 kHz加载频率下获得的实验结果，Ritchie8使用1 kHz闭环伺服液压试验机的结果，以及Davidson8使用1.5 kHz磁致伸缩试验机所取得的结果4。自那时起，人们提出了多种解决方案，但目前此类试验中最常用的设备仍基于Manson于1950年提出的概念，使用接近20 kHz的频率9。这类设备在应变率、循环次数测定精度以及疲劳试验时间之间实现了良好平衡（约6天内可完成1010次循环）。其他设备能够提供更高的加载频率，例如Girald在1959年使用的92 kHz设备以及Kikukawa在1965年使用的199 kHz设备；然而，由于这些设备会产生极高的变形速率，且试验仅持续几分钟，导致循环计数存在显著误差，因此很少被采用。另一个限制疲劳共振试验设备加载频率的重要因素是试样尺寸，其与共振频率直接相关。所需加载频率越高，试样尺寸就越小。这就是频率高于40 kHz的情况很少被使用的原因10。

由于位移振幅通常限制在3至80 µm之间，超声疲劳试验可成功应用于大多数金属材料，尽管针对聚合物材料（如PMMA11）和复合材料12的测试技术也已得到发展。通常，超声疲劳试验可在轴向加载模式下进行，包括拉-压对称循环13,14、拉-拉循环15、三点弯曲15；此外，也有少量研究对系统进行了特殊改造，用于扭转试验15,16和双轴弯曲试验17。该方法不能使用任意形状的试样，因为试样的几何形状必须严格满足20 kHz共振频率的要求。对于轴向加载，通常采用几种常见的试样类型，一般为哑铃形，其标距段直径为3至5 mm。对于三点弯曲试验，通常使用薄板试样；而对于其他方法，则需根据具体的试验类型和条件设计特殊形状的试样。该方法主要用于高周和超高周疲劳寿命的评估，这意味着在20 kHz的加载频率下，100万次循环仅需50秒即可完成；因此，相对于循环次数的测定精度而言，这通常被视为可合理准确研究的最小循环数下限。每个试样都必须通过调整其质量，与超声变幅杆相匹配，以确保整个系统（超声变幅杆加试样）具有正确的共振频率。

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方案

注意：必须根据被测材料的力学和物理特性选择并计算每个试样的几何形状，使其具有与超声测试系统相同的共振频率。

1. 疲劳试验试样尺寸的确定

注意： 标准的“沙漏”形拉压试样几何形状及其定义的主要尺寸如图1所示。d、D和r为用户自定义（独立）参数，而l和L的尺寸需根据正确共振频率的条件计算得出（依赖参数）。标距l仅由d、r和D之间的几何比例决定，可轻松计算或从组件模型中获得，因此不再作为进一步讨论的对象。

  1. 独立尺寸的确定
    注意：试样主要尺寸（d、D、r）应根据材料参数和试验条件选择。
    1. 根据测试所需的材料体积确定标距段直径 d。对于具有均匀显微组织且无内部缺陷的材料，宜采用较小的标距段直径；对于具有显著内部缺陷（如铸造材料中的孔隙和缩孔）的材料，则需要较大的标距段直径。d 通常为 3 mm 至 5 mm。
    2. 根据可用实验材料的尺寸确定试样头部直径 D。常用的头部直径 D 通常为 10 mm 至 15 mm。
      注意： D 越大，头部长度（L）就越短。
  2. 根据试样标距段内所需的力学应力分布确定标距段过渡半径 r。标距段过渡半径 r 越大，力学应力分布越均匀。常用的标距段过渡半径为 r = 20 mm 或 r = 32 mm。
    注意： r 越大，试样总长度越长。
  3. 依赖尺寸的确定
    1. 根据以下公式9,18确定波数 K：
      figure-protocol-1
      注意： 其中 fr 为超声系统的共振频率（Hz），ρ 为体积密度（kg m-3），Ed 为动态弹性模量（kg m-3）。
    2. 根据以下公式9,19确定标距段半径的双曲近似值：
      figure-protocol-2
      注意： 其中 l 为标距长度（m），D 为头部直径（m），d 为标距段直径（m）（图 1）。
    3. 根据以下公式9,18确定有效偏心率：
      figure-protocol-3
      注意： 其中 A 为由公式（2）确定的双曲近似值（m-1），K 为根据表达式（1）确定的波数（-）。
    4. 根据以下公式9,18确定头部长度（L）：
      figure-protocol-4
      注意： 其中 K 为根据第 1.2.1 节中表达式（1）确定的波数（-），β 为由公式（3）确定的有效偏心率（m-1），l 为标距长度（m）（图 1）。

2. 计算试样标距段的机械应力

  1. 根据以下公式9,18确定归一化几何因子 figure-protocol-5：
    figure-protocol-6
  2. 根据以下公式9,18确定变形幅值 ɛ：
    figure-protocol-7
    注意：此处 figure-protocol-8 为几何因子（-），u 为试样自由端所需的位移幅值（m）。
  3. 根据以下公式9,18确定机械应力幅值 σa：
    figure-protocol-9
    注意：此处 ɛ 为根据表达式（5）确定的变形幅值（-），Ed 为动态弹性模量（kg m-3）。若计算得到的机械应力过低，则需增大位移幅值 u（m），反之亦然。

3. 通过机械加工操作制造试样

  1. 由于加工试样与理想形状存在各种微小偏差，通常应制造头部更长的试样，长度为 L + 0.5 mm。

4. 将样品的共振频率与超声系统进行匹配

注意： 谐调是指通过补偿实际样本相对于理想计算形状的各种微小偏差，以获得与超声声学变幅杆谐振频率一致的正确共振频率的过程。

  1. 根据所需的位移范围选择合适的声学变幅杆类型，以确保在样品上施加适当的机械应力。
    注意：每种类型的变幅杆均针对不同的位移范围进行设计和校准，因此应根据第2节中计算出的所需位移振幅选择合适的变幅杆。
  2. 将变幅杆安装到压电换能器上。
    1. 将连接螺钉旋入变幅杆的中心孔中，直至到达底部。
    2. 在变幅杆端面涂抹声学耦合剂。
      注意：仅需使用少量耦合剂，足以填充表面不平整处即可，这有助于改善压电换能器与变幅杆之间机械波的传递。
    3. 将变幅杆旋入压电换能器中。
  3. 运行带有已安装变幅杆的超声系统和压电换能器，测量该系统在实际温度下的共振频率。
    1. 启动超声检测软件（例如，Win20k）。
    2. 在“Model”框的下拉菜单中选择所用变幅杆的型号。
    3. 在“Amplitude”框中输入该变幅杆可设置的最低位移振幅。
    4. 点击“Start”按钮。
    5. 在“Frequency”框中读取系统的实际共振频率。
    6. 点击“Stop”按钮。
  4. 将样品安装在变幅杆末端。
    1. 将连接螺钉旋入样品的中心孔中，直至到达底部。
    2. 将样品旋紧到变幅杆上。
  5. 运行带有已安装变幅杆和样品的超声系统及压电换能器，测量该系统在实际温度下的共振频率。
    1. 启动超声检测软件。
    2. 在“Model”框的下拉菜单中选择所用变幅杆的型号。
    3. 在“Amplitude”框中输入该变幅杆可设置的最低位移振幅。
    4. 点击“Start”按钮。
    5. 在“Frequency”框中读取系统的实际共振频率。
    6. 点击“Stop”按钮。
  6. 当安装样品后的系统共振频率低于未安装样品时，通过切削样品头部端面来减小样品质量。
    注意：如果安装样品后共振频率更高，则需要减小标距段直径 d，但这会改变试验条件。因此，在制造过程中样品头部长度额外增加了0.5 mm。
    1. 从变幅杆上拆下样品。
    2. 将样品装夹到车床上，车削第一个头部端面0.1 mm。
    3. 将样品装夹到车床上，车削第二个头部端面0.1 mm。
    4. 重复步骤4.6，直至共振频率处于±10 Hz的公差范围内。

5. 疲劳试验前将试样最终安装至超声波变幅杆

  1. 在接触面上涂抹声学耦合剂，以建立超声波变幅杆与样品之间的连接。
    1. 将连接螺钉旋入样品的中心孔，直至到达底部。
    2. 在样品表面涂抹声学耦合剂。
      注意：只需少量声学耦合剂填充表面不平整处，以改善超声波从变幅杆向样品的传递。
    3. 将样品旋紧到超声波变幅杆上。

6. 运行样本冷却系统

  1. 若使用空气冷却，应将气流直接对准试样标距段的中部，并等待约 20 秒，使气流充分覆盖试样。
  2. 若使用水冷却，应将喷水嘴对准试样上端头部，并调节水流强度，使水沿标距段平稳流动，以避免产生空化现象。
    注意：也可将试样浸入水中或油中进行冷却，但这种方法仅适用于短时间试验，因为显著的空化效应会加速疲劳裂纹的萌生过程。

7. 运行压电转换器的冷却系统

  1. 打开气流阀门，并将压力调节至0.5至1 bar之间。

8. 在指定的位移振幅下运行测试

  1. 运行超声波检测软件。
  2. 在“型号”框的下拉菜单中选择所用超声探头的类型。
  3. 在“振幅”框中输入特定超声探头所需的位移振幅。
  4. 点击“开始”按钮。

9. 疲劳裂纹的萌生与扩展

  1. 观察到疲劳裂纹在横截面的一部分上萌生并扩展后，系统会偏离共振频率，试验将自然终止。
  2. 如果试验未发生断裂，在达到所需加载循环次数后（试验为通过试验），使用超声波测试软件中的“Stop”按钮终止试验。

10. 从超声探头拆卸样本

  1. 从超声波声学探头上拧下样品。

11. 静态载荷断裂

  1. 使用静态加载机器，通过静态加载力使剩余的横截面断裂。
    注意：静态断裂的加载力方向和类型应与疲劳加载的类型一致，以确保断裂表面具有相同的特征。

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结果

疲劳试验结果包括加载应力、加载循环次数以及试验终止特征（断裂或未失效），如表1所示，其中提供了50CrMo4调质钢的疲劳寿命结果。对疲劳寿命试验结果最常见的表达方式是所谓的S-N图（S代表应力，N代表循环次数），也称为Wöhler图。疲劳寿命与施加的加载应力之间的关系以图示方式表示，其坐标轴沿用历史习惯的倒置方式，即自变量（加载应力）位于y轴，因变量（循环次数）位于x轴。通常对疲劳寿命结果进行多种类型的回归分析19，若在图中添加拟合曲线，则该曲线通常称为S-N曲线。然而，这与仅包含数据拟合的原始图示并无本质区别。如果试验未发生断裂，而在达到规定的加载循环次数后无损伤终止，则该结果称为未失效（run-out），在S-N图中通常用箭头标记。图2展示了三种被测试钢种的典型S-N曲线：Hardox 450、Strenx 700 MC和S355 J2。

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讨论

超声疲劳试验是少数几种能够在超高周区域测试结构材料的方法之一。然而，试样的形状和尺寸受到共振频率的严格限制。例如，通常无法实现薄板试样在轴向加载模式下的测试。此外，大尺寸试样的测试通常也不可行，因为测试设备无法提供足够的功率，且需要设计特殊的超声系统。

即使现代超声波发生器能够调节超声波并成功激励尺寸略有差异的试样，试样的合理设计、计算与协调也不容忽视。然而，这样做会导致超声波的波节从标距段的中心位置偏移，从而使试样在标距段内无法正确受力。出于同样原因，必须格外注意确保试样相对于两个轴的对称性。

关于高频测试结果与低频加载下常规测试设备所得数据之间的相关性，曾展开过广泛讨论。大量试验表明，高频测试结果能够连续延伸至低频测试结果范围，并且在相同加载模式下，部分测试结果存在重叠10。随后人们普遍认识到，决定疲劳性能的关键参数并非加载频率，而是应变速率。低频加载下的大变形所产生的应变速率，与高频加载下小变形的应变速率相似。这正是该技术可用于高周乃至超高周疲劳区域测试的主要原因，因为在这...

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披露

我们没有需要披露的内容。

致谢

本工作由以下项目资助：“日利纳大学研究中心 - 2”nd 阶段”，斯洛伐克共和国教育、科学和体育部科学资助机构与斯洛伐克科学院，项目编号：1/0045/17、1/0951/17 和 1/0123/15，以及斯洛伐克研究与开发机构，项目编号：APVV-16-0276。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
超声疲劳测试设备Lasur-20 kHz，用于疲劳测试
Nyogel 783Nye Lubricants-用作超声系统部件连接的声学耦合剂
Win 20k 软件Lasur-用于操作 Lasur 疲劳测试机的软件

参考文献

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