Name: 拉伸压缩模式下的超声疲劳试验 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-03-07T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 54 s
Description: 学习超声疲劳试验方法，在拉伸压缩模式下评估金属材料超高周疲劳寿命。该技术以20千赫兹共振频率驱动试样，每秒完成约20000次加载循环，快速模拟多年工况，为金属构件安全可靠性研究提供高效测试方案。

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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。

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进行计算（依赖参数）。标距l仅由d、r和D之间的几何比例决定，可轻松计算得出或从组件模型中获得，因此不再作为进一步讨论的对象。
<ol>
	<li>独立尺寸的确定 
	注意：试样主要尺寸（d、D、r）应根据材料参数和测试条件选定。
	<ol>
		<li>根据测试所需材料体积确定标距直径 d。若材料显微组织均匀且无内部缺陷，宜选用较小的标距直径；若材料存在显著内部缺陷（如铸造材料中的孔隙和缩孔），则需采用较大的标距直径。标距直径 d 通常为 3 mm 至 5 mm。</li>
		<li>根据可用实验材料尺寸确定头部直径 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）将越短。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>根据试样标距段所需的机械应力分布确定标距半径 r。标距半径 r 越大，机械应力分布越均匀。常用的标距半径为 r = 20 mm 或 r = 32 mm。 
	注意： r 越大，试样总长度将越长。</li>
	<li>依赖尺寸的确定
	<ol>
		<li>根据以下公式9,18确定波数 K： 
		<img alt="动态刚度方程；公式：K=2πfr√(ρ/Ed)；数学概念。" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Equation 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）。</li>
		<li>根据以下公式9,19确定标距半径的双曲近似值： 
		<img alt="双曲函数公式，A = 2/l arcosh(D/d)，用于物理计算。" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Equation 2"> 
		注意： 其中 l 为标距长度（m），D 为头部直径（m），d 为标距直径（m）（图 1）。</li>
		<li>根据以下公式9,18确定有效偏心率： 
		<img alt="静力平衡公式，β=√(A²+K²) 图示，用于力学分析。" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Equation 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（-）。</li>
		<li>根据以下方程9,18确定头部长度（L）： 
		<img alt="静力平衡方程；复杂符号公式；用于教学。" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Equation 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）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 计算试样标距范围内的机械应力
<ol>
	<li>根据以下公式确定归一化几何因子 <img alt="Φ 符号，磁通量，物理概念，教育公式图像。" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 5">9,18： 
	<img alt="静态平衡中的双曲余弦和双曲正弦函数公式。" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 6"></li>
	<li>根据以下公式确定变形幅值 ɛ9,18： 
	<img alt="静态平衡；公式：ε=βΦu(-) [6]；物理概念。" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 7"> 
	注意：此处 <img alt="Φ 符号，磁通量，物理概念，教育公式图像。" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 5"> 为几何因子（-），u 为试样自由端所需的位移幅值（m）。</li>
	<li>根据以下公式确定机械应力幅值 σa9,18： 
	<img alt="静态平衡方程，σₐ=εEₐ(Pₐ)，示意图；教育性物理概念，数学模型。" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 8"> 
	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。</li>
</ol>
3. 通过机械加工操作制造试样
<ol>
	<li>由于加工试样与理想形状存在各种微小偏差，通常将试样制成更长的头部，长度一般为 L + 0.5 mm。</li>
</ol>
4. 将样品的共振频率与超声系统进行匹配
注意：谐调是指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。
<ol>
	<li>根据所需的位移范围选择合适的声学探头类型，以在样品中施加适当的机械应力。 
	注意： 每种超声探头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来选择合适的超声探头。</li>
	<li>将声波探头安装在压电转换器上。
	<ol>
		<li>将连接螺钉旋入变幅杆的中心孔内，直至到达底部。</li>
		<li>在超声探头表面涂抹声学耦合凝胶。 
		注意： 使用少量凝胶，仅需足以填充表面的不平整处，以改善压电换能器与声波导之间的机械波传递。</li>
		<li>将声波导杆旋入压电转换器。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用带有安装式超声探头的压电转换器超声系统，在实际温度下运行以测量该系统的共振频率。
	<ol>
		<li>运行超声检测软件（例如，Win20k。</li>
		<li>在“型号”框的下拉菜单中选择所用探头的类型。</li>
		<li>在“振幅”框中输入该特定超声探头所能设置的最低位移振幅。</li>
		<li>点击“开始”按钮。</li>
		<li>在“Frequency”框中读取系统的实际共振频率。</li>
		<li>点击“停止”按钮。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将样品固定在超声波探头末端。
	<ol>
		<li>将连接螺钉旋入试样的中心孔，直至到达底部。</li>
		<li>将样品拧紧到超声波探头上。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用带有压电换能器、安装好的超声探头和样品的超声系统，测量该系统在实际温度下的共振频率。
	<ol>
		<li>运行超声检测软件。</li>
		<li>在“型号”框的下拉菜单中选择所用的探头类型。</li>
		<li>在“振幅”框中输入该特定超声探头所能设置的最低位移振幅。</li>
		<li>点击“开始”按钮。</li>
		<li>在“Frequency”框中读取系统的实际共振频率。</li>
		<li>单击“停止”按钮。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>当安装试样后系统的共振频率低于未安装试样时，通过切削试样头部的端面来减小试样的质量。 
	注意： 如果安装试样后的共振频率更高，则需要减小标距直径 d这将改变测试条件，因此在制造过程中会在头部长度上增加0.5 mm。
	<ol>
		<li>将样品从超声波探头卸下。</li>
		<li>将样品安装到车床上，车削掉第一端面0.1 mm的表面层。</li>
		<li>将样品安装到车床上，车削掉第二端面0.1 mm的表面。</li>
		<li>重复步骤 4.6，直至共振频率处于 ± 10 Hz 容差范围内。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 疲劳试验前将试样最终安装至超声波变幅杆
<ol>
	<li>在接触面上涂抹声学耦合剂，以建立变幅杆与样品之间的连接。
	<ol>
		<li>将连接螺钉旋入样品的中心孔，直至到达底部。</li>
		<li>在样品的接触面上涂抹声学耦合剂。 
		注意：仅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。</li>
		<li>将样品拧紧到变幅杆上。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 运行样本冷却系统
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
7. 运行压电转换器的冷却系统
<ol>
	<li>打开气流阀门，并将压力调节至 0.5 到 1 bar 之间。</li>
</ol>
8. 在指定的位移振幅下运行测试
<ol>
	<li>运行超声波检测软件。</li>
	<li>在“型号”框的下拉菜单中选择所用超声探头的类型。</li>
	<li>将特定超声探头所需的位移振幅输入到“振幅”框中。</li>
	<li>点击“开始”按钮。</li>
</ol>
9. 疲劳裂纹的萌生与扩展
<ol>
	<li>观察到疲劳裂纹在试样横截面的一部分发生萌生并扩展后，系统将偏离共振频率，试验自然终止。</li>
	<li>如果试验未发生断裂，在达到设定的加载循环次数后（试验为无失效终止），通过超声测试软件中的“停止”按钮终止试验。</li>
</ol>
10. 从超声探头拆卸样本
<ol>
	<li>从超声波变幅杆上拧下样品。</li>
</ol>
11. 静态加载力致裂
<ol>
	<li>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，以确保断裂面具有相同的特征。</li>
</ol>

<ol><li>Moore, H. F., Kommers, J. B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMoore%2C+HF+%22The+fatigue+of+metals%22">The fatigue of metals</a>. , McGraw-Hill book company, inc. New York. 321(1927).</li>
<li>Nicholas, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNicholas%2C+T+%22High+Cycle+Fatigue%3A+A+Mechanics+of+Materials+Perspective%22">High Cycle Fatigue: A Mechanics of Materials Perspective</a>. , Elsevier Science. (2006).</li>
<li>Schijve, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSchijve%2C+J+%22Fatigue+of+Structures+and+Materials%22">Fatigue of Structures and Materials</a>. , Springer. Netherlands. (2008).</li>
<li>Murakami, Y. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMurakami%2C+Y+%22Metal+Fatigue%3A+Effects+of+Small+Defects+and+Nonmetallic+Inclusions%22">Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions</a>. , Elsevier Science. (2002).</li>
<li>Trsko, L., Bokuvka, O., Novy, F., Guagliano, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0261306913011680">Effect of severe shot peening on ultra-high-cycle fatigue of a low-alloy steel.</a> Mater. Design. 57, 103-113 (2014).</li>
<li>Stanzl, T. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1046/j.1460-2695.1999.00180.x/abstract">Fracture mechanisms and fracture mechanics at ultrasonic frequencies.</a> Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 567-579 (1999).</li>
<li>Bathias, C. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1046/j.1460-2695.1999.00183.x/abstract">There is no infinite fatigue life in metallic materials.</a> Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 559-565 (1999).</li>
<li>Ritchie, R. O., et al. <a target="_blank" href="http://www2.lbl.gov/ritchie/Library/PDF/ROR-HCF_99.pdf">High-cycle fatigue of Ti-6Al-4V.</a> Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 621-631 (1999).</li>
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<li>Bokuvka, O., et al. <a target="_blank" href="null">Ultrasonic Fatigue of Materials at Low and High Frequency Loading</a>. , 2nd, University of Zilina. Zilina. (2015).</li>
<li>Almaraz, G. M. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321617300483">Ultrasonic Fatigue Testing on the Polymeric Material PMMA, Used in Odontology Applications.</a> Procedia Structural Integrity. 3, 562-570 (2017).</li>
<li>Flore, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353816313306">Investigation of the high and very high cycle fatigue behaviour of continuous fibre reinforced plastics by conventional and ultrasonic fatigue testing.</a> Compos. Sci. Technol. 141, 130-136 (2017).</li>
<li>Trško, L., et al. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s11665-017-2692-9">Influence of Severe Shot Peening on the Surface State and Ultra-High-Cycle Fatigue Behavior of an AW 7075 Aluminum Alloy.</a> J. Mater. Eng. Perform. 26 (6), 2784-2797 (2017).</li>
<li>Mayer, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112314002588">Cyclic torsion very high cycle fatigue of VDSiCr spring steel at different load ratios.</a> Int. J. Fatigue. 70, 322-327 (2015).</li>
<li>Bathias, C. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112306001095">Piezoelectric fatigue testing machines and devices.</a> Int. J. Fatigue. 28 (11), 1438-1445 (2006).</li>
<li>Mayer, H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112306001101">Ultrasonic torsion and tension-compression fatigue testing: Measuring principles and investigations on 2024-T351 aluminium alloy.</a> Int. J. Fatigue. 28 (11), 1446-1455 (2006).</li>
<li>Brugger, C., Palin-Luc, T., Osmond, P., Blanc, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112316304558">A new ultrasonic fatigue testing device for biaxial bending in the gigacycle regime.</a> Int. J. Fatigue. 100, Part 2, 619-626 (2017).</li>
<li>Wagner, D., Cavalieri, F. J., Bathias, C., Ranc, N. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212540X12000090">Ultrasonic fatigue tests at high temperature on anaustenitic steel.</a> J. Propul. Power. 1 (1), 29-35 (2012).</li>
<li>Kohout, J., Vechet, S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112300000827">A new function for fatigue curves characterization and its multiple merits.</a> Int. J. Fatigue. 23 (2), 175-183 (2001).</li>
</ol>

我们没有需要披露的内容。

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...

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&#34;疲劳极限&#34;，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。

<table><tbody><tr><td>超声疲劳测试设备</td><td>Lasur</td><td>-</td><td>20 kHz，用于疲劳测试</td></tr><tr><td>Nyogel 783</td><td>Nye Lubricants</td><td>-</td><td>用作超声系统部件连接的声学耦合剂</td></tr><tr><td>Win 20k 软件</td><td>Lasur</td><td>-</td><td>用于操作 Lasur 疲劳测试机的软件</td></tr></tbody></table>

拉伸-压缩模式下的超声疲劳试验

Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

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。

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被绘制在一张具有历史沿革的倒置坐标轴的图中，其中自变量（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并无区别。如果试验未以断裂结束，而是在达到规定的加载循环次数后因无损伤而终止，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材的典型S-N曲线：Hardox 450、Strenx 700 MC 和 S355 J2。
<p class="jove_conten...

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。

超声疲劳试验是少数几种可用于研究超高周区域疲劳性能的方法之一。该方法基于……

本实验的总体目标是评估材料在超长寿命区域的疲劳寿命。该方法有助于解答关于金属部件在运行期间需承受超过一千万次载荷循环时的安全性与可靠性等关键问题。该技术基于将试样驱动至每秒20千赫兹的纵向振动共振频率，这意味着每秒可完成约20,000次载荷循环。为了能够在特定的共振频率下激发试样振动，必须针对共振条件精心设计试样的尺寸和形状。试验将使用超声疲劳试验装置进行。实验材料的试样必须加工成标准的沙漏形几何形状，以用于拉伸-压缩试验。该试样示意图标注了相关尺寸。根据材料参数和测试条件选择头部直径、标距直径和标距半径，这些参数决定了标距长度。头部长度决定了试样的总质量，必须经过计算以满足20千赫兹时的共振条件。首先准备测试设备。根据所需的位移范围选择合适的超声探头。将连接螺钉拧入超声探头直至底部，然后在探头端面涂抹少量声学耦合凝胶。接下来，将声波探头旋入压电转换器中。然后前往超声波系统的计算机，使用控制软件确定该系统的实际共振频率。现在开始安装样品。将连接螺钉旋入样品，直至到达底部，然后将样品拧紧到超声波变幅杆上。该样品已正确安装，可用于下一次共振频率测量。现在使用控制软件找出带试样的系统共振频率。如果共振频率低于系统本身的共振频率，需准备对试样进行修改。进行修改时，应备好车床。接下来，将试样从超声刀头取下，然后将其安装到车床上以减轻其质量。使用车床对试样两端各切削十分之一毫米，从试样两侧均匀去除材料，以提高共振频率并保持其几何形状。完成后，将试样重新装回超声刀头。接下来，再次测量带试样的系统共振频率。持续将试样从超声变幅杆上取下并减少其质量，直至两个共振频率相差在十赫兹以内。从移除试样的测试装置开始操作。确保连接螺钉到达试样底部，然后在试样表面涂抹少量声学耦合凝胶。将试样重新安装至超声波变幅杆上并旋紧固定。对于此水冷系统，调节顶部喷嘴位置，使其对准试样头部，确保水流沿试样标距长度方向平稳流动。最后，调节压电转换器的冷却系统。在控制计算机上开始测试。当试样中萌生疲劳裂纹时，测试将自动结束。停止冷却系统并卸下试样。在此情况下，通常可以在试样表面观察到裂纹。当试样中疲劳裂纹开始扩展时，会导致超声系统刚度发生变化，从而使系统偏离共振频率，因此当裂纹萌生时，试验会自然终止。如果疲劳裂纹在试验的最大循环次数之前未萌生，则该试验记为“未失效”，表明其处于安全载荷幅值范围内。这些数据来自三种不同的钢材：Hardox 450、Strenx 700MC 和 S355J2。加载应力位于垂直轴上。测试的加载循环次数沿水平轴显示。除一个数据点（用箭头标记）外，所有测试均在达到十的十次方循环之前发生断裂。该测试因达到运行终止条件而停止。该扫描电子显微镜图像提供了有关疲劳裂纹萌生与扩展的信息。疲劳裂纹起始于自由表面。当超声系统偏离共振状态且试验结束时，裂纹扩展也随之终止。较亮的区域对应于静载荷引起的断裂。该样品为经淬火回火处理的50铬钼四号钢。这是一张在不当冷却工艺后，50铬钼四号钢试样表面孔洞的扫描电子显微镜图像。孔洞作为应力集中缺口，会加速疲劳裂纹的萌生过程。该疲劳试验的结果不可接受。此扫描电子显微镜图像为 AW7075 铝合金试样疲劳裂纹扩展区域的形貌。箭头指示疲劳裂纹扩展的方向。裂纹以穿晶疲劳机制扩展。该技术的主要优势在于，能够在短短几小时或几天内模拟多年的运行工况。一旦掌握，若在设备中设计得当，该试样可在二十分钟内完成协调并运行。在实施该过程时，务必牢记需充分冷却试样的测量部位。该技术在开发完成后，为疲劳研究领域的科研人员探索超长寿命循环区域铺平了道路。观看本视频后，您应能够充分理解如何对超声疲劳试样进行谐调、运行和冷却。请务必注意，超声波操作可能对听力造成严重危害，因此在执行该操作时，必须采取适当防护措施，例如佩戴耳塞。我们课题组谨此感谢奥塔卡尔·博库夫卡教授对本研究工作的贡献。

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