拉伸-压缩模式下的超声疲劳试验

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。