超声波疲劳试验器

随着工业技术的发展，许多金属零件的设计疲劳寿命逐渐增加。金属材料的高周疲劳行为已成为一项研究重点。金属疲劳，是机器、车辆或结构的金属零件因反复施加应力或载荷而引起的弱化状态，最终导致断裂。因此，为了确保机器、车辆等的质量，需要对其零件进行疲劳检测。

金属疲劳造成空难

2018年4月17日1380次航班（波音737-700），从纽约– 拉瓜迪亚机场前往达拉斯爱田机场。

1号发动机的13号风扇叶片丢失。有证据表明叶片破裂的区域存在金属疲劳。事故发动机的风扇叶片，自新安装以来累计超过32000个发动机循环。

金属疲劳试验重要性

航空燃气涡轮发动机是飞机、直升机的主要动力装置，是长期制约我国航空工业和军事装备发展的关键装备。航空发动机是具有多个转子且工况变化十分频繁的高速旋转机械， 其部件（特别是叶片和盘）承受十分复杂振动载荷。

PW4084发动机，配装波音777客机

由振动载荷引起的材料疲劳问题是制约航空发动机高可靠性、长寿命服役的关键问题，长期以来一直困扰我国航空发动机的研制生产和安全使用。

叶片疲劳因素

高周疲劳（HCF）和超高周疲劳（VHCF）主要是由各种气动、机械源诱导的振动应力引起的，其频率可达数千赫兹，可以导致发动机重要部件（风扇、压气机和涡轮叶片或盘，以及导管）疲劳断裂，甚至导致飞行事故。

• 发动机内流扰动
• 自激振动（颤振和抖振流动分离）
• 流动畸变（压力）
• 转子不平衡

声疲劳试验原理

超声疲劳试验是一种加速共振式的疲劳试验方法，在被加载试样上建立机械谐振波。基于压电伸缩原理并利用高能超声波谐振技术，它的测试频率（20kHz）远远超过了常规疲劳测试频率。在实际试验时间内能得到疲劳度以及阈值附近的数据，由于频率高，能够迅速地检测各种各种工业材料的高重复周期的疲劳极限。

针对现代机械装备零件超长寿命和超高可靠性要求，超声波疲劳试验器基于超声波谐振原理，在试样上产生高频振动载荷，完成材料的（超）高周疲劳性能试验。本公司研制的第三代多功能超声波疲劳试验器具有工作频率范围宽、输出幅值大、控制精度高的特点，可以开展各种金属材料和复合材料的变应力比轴向对称拉压、变应力比三点弯曲、振动弯曲等多种加载形式的超声疲劳试验，同时提供轴向拉压、三点弯曲、振动弯曲等各类试样的辅助优化设计软件。

超声疲劳试验优点

• 可作随机变幅加载,包括低水平载荷,从而更接近工程实际。
• 采用计算机设定和控制试验，可以简单地再现微小缺陷而产生的疲劳破坏。
• 由于在共振状态下进行试验，可以产生高应力，能够进行1000MP*的钢材试验。
• 试验设备所需输出功率很低(数十瓦到数百瓦),可大量节省能源，节约试验经费。
• 谐振时试件端部的应力水平很低,从而简化了试件装夹,只需一端装夹,这对于脆性材料很有利。
• 以20KHz的重复频率快速评价金属材料的疲劳寿命，缩短试验时间数百倍乃至上千倍。

以10 9疲劳试验为例

20Hz伺服液压疲劳试验需要1.5年；

50Hz旋转弯曲试验机需要231天；

300Hz高频振动台需要38.5天；

20Khz超声疲劳实验仅需13.8小时。

疲劳测试过程

低循环疲劳和高循环疲劳测试过程可测量材料承受反复载荷循环的能力。可以在变化的负载，速度和温度下执行测试。测试结果有助于预测可能在这些类型的苛刻条件下暴露的材料和零件的寿命。在选择或验证材料时，通常会执行疲劳测试来表征材料特性。

高循环疲劳测试和低循环疲劳测试都使用循环载荷来评估材料的使用寿命，这些材料会承受应变和应力波动的情况，这可能会导致破裂或断裂。这些测试对于确保产品安全非常有价值，尤其是在故障可能导致严重伤害或重大损坏的行业中。

常见金属疲劳试验

在工业应用中使用*泛的金属之一是铝及其合金。它是仅次于钢铁的第二种广泛生产的金属。铝合金经常被用于现代工业，如今，超过40％的航空航天零件是由这些合金制成的。因此，对铝及铝合金进行疲劳试验特别重要。将铝材料进行工业应用意味着机械负载和腐蚀的结合，从而导致应力集中和材料破坏。开展铝及铝合金的疲劳试验的主要目的是，尚未开展有关在常规和超声测试下，预腐蚀对疲劳强度的影响航空铝合金。

镁合金是具有高比重的材料强度和阻尼能力。它们还具有良好的铸造性，易于回收。它们的延展性有限，易氧化且相对极限强度低，目前受到限制，其广泛的应用。镁合金的研究主要集中在耐腐蚀性、爬行电阻和疲劳寿命耐久性。

对于轻金属没有真正的疲劳限制。传统疲劳机来进行这样的疲劳实验会非常耗时，但是如果使用频率为20kHz的超声疲劳测试，进行10的八次方个循环大约两个小时即可到达。

设备参数