超声波金属疲劳试验

 一、金属疲劳寿命
   在规定的条件下，直到疲劳失效为止的循环次数N（或相应的时间）。如果在相同的条件下对多个样本进行测试，则疲劳寿命可为组的中位寿命。
二、金属疲劳的限

  随着疲劳循环次数（N）的增加，平均疲劳强度的限值变得非常大。由于疲劳数据固有的分散性，在低于疲劳限的应力下仍可能发生个别的疲劳失效。

  中值S-N曲线达到零斜率时的应力-即低于该应力将不会发生疲劳破坏的时间（无限寿命）。 这种压力取决于许多因素。

   并非所有材料都具有这种意义上的疲劳限（即无限寿命的可能性）。 铁材料和钛通常被认为具有疲劳限，尽管这可能取决于环境。铝通常没有疲劳限。因此，不管应力水平如何，只要振动足够长，铝终就会疲劳。

• 钢-107个循环

• 钛- 106 - 107个循环。但是，其他证据表明，这可能高达109 - 1010周期。

• 铝-5x108个循环，即使铝可能没有实际的疲劳限。

三、疲劳

  材料(或结构)由于反复的循环应力而导致裂纹扩展而失效的过程。循环应力通常大大低于材料的屈服强度。许多因素都会影响疲劳过程。

• 材料。

• 材料的加工历史。

• 施加应力的方法（轴向，弯曲，旋转弯曲等）。

• 应力水平（受几何形状影响）。

• 残余应力或静态应力的存在。

• 材料的缺口敏感性。

• 测试频率。

• 相对于材料的晶粒方向的测试方向。

• 从中加工了样品的原料的大小。

• 表面光洁度。

• 电镀。

• 环境（包括温度，湿度，腐蚀性等）。

  因此，在确定疲劳性能时必须谨慎。
疲劳是工具头和换能器器常见的故障模式。

四、高周和超高周疲劳试验的现状象

  疲劳现长时间以来一直是许多不同行业的研究主题，因为疲劳故障占所有机械故障的比例很大。同时，在满足耐用性和可靠性要求的同时，人们对提高燃油效率，减少排放和提高动力性能的需求也在不断增长，这些具有挑战性且有时相互冲突的需求，要求设计轻型结构和组件，以便在恶劣的使用环境中发挥良好的性能。

镁（Mg）、铝（Al）和钛（Ti）等轻金属合金由于其重量轻、强度和刚度相对较高，在此类结构构件的设计中发挥着越来越重要的作用。在航空航天、汽车、交通运输和海上工业等许多工程应用中，这些合金经常被用来制造结构部件。

这些结构部件经历了较长的载荷历史，也被称为10的6次方和10的8次方范围内的高周疲劳（HCF）和10的8次方和10的10次方范围内的超高周疲劳（VHCF）。HCF和VHCF机制的长寿命周期是这些行业的关键设计标准。由于HCF和VHCF失效会影响由这些合金制成的机器系统的安全性，可靠性，准备就绪性和支持成本，因此对耐疲劳性的基本了解，以及针对高周疲劳状态的潜在预防策略至关重要。

由于成本和时间的限制，上个世纪的疲劳研究主要集中在低周和高周疲劳状态（ZUI高10的7次）。许多经常经历长载荷历史（例如，千兆次循环）的工程结构部件需要实验疲劳能力，以便更好地理解高周疲劳状态下（特别是在VHCF状态下）的疲劳损伤机理和疲劳寿命行为。

  在过去的二十年中，已经有许多研究集中在材料的千兆周期范围内，无论这些材料具有疲劳限还是显示出持续降低的应力-寿命响应。许多研究表明，大多数工程金属材料在10的6次循环时都没有疲劳限，但是随着疲劳寿命达到10的7次-10的10次负载周期，它们的疲劳强度逐渐降低。

  近提出了许多时域和频域的疲劳寿命分析方法，以提供高周疲劳状态下结构的疲劳评估。但是，需要进一步的实验研究以更好地理解HCF和VHCF方案中的抗疲劳性。由于试验时间长、成本高，传统的伺服液压疲劳试验系统无法在VHCF工况下使用。相反，开发一种高周疲劳试验系统，使其能够在期望的HCF和VHCF范围内进行有效和可靠的试验是非常重要和必要的。

五、超声波疲劳试验机用于疲劳试验

  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，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。

  超声波疲劳测试是机械测试的一种特殊形式，通过对金属试样或结构施加周期性载荷来执行。这些测试可用于生成疲劳寿命和裂纹扩展数据，确定关键位置或证明可能易疲劳的结构的安全性。从试样到大型测试物品（如汽车和飞机）的各种金属组件都进行疲劳测试。通过超声波疲劳试验机进行金属的疲劳试验，不仅能比传统的疲劳试验节省更多的时间，提高率，而且能够准确控制试验的精度，提高试验的准确性。

疲劳测试的类型

  疲劳测试包括以下类型，这些类型根据所施加载荷的形式，环境因素等进行分类。

拉伸压缩疲劳试验

  通过结合使用拉力，卸载和压缩来评估抵抗循环应力的耐力（疲劳强度）。

高周疲劳测试

  在大约1-5000 Hz的频率下进行正常疲劳测试。高周疲劳测试通过测量材料对施加相对大量的恒定振幅直接应力循环的抵抗力来确定材料的疲劳强度。这种疲劳试验往往与弹性状态下的载荷有关，并持续进行到试样分离或达到预定数量的载荷循环而没有试样失效为止。
通过超声波疲劳试验机，可以对金属零件进行的高周疲劳试验。与传统的疲劳试验机相比，能够提高几十倍的测试效率。

低周疲劳测试

  疲劳测试，使用慢应变率，频率小于10 Hz。低周疲劳测试通常运行缓慢，只有相对较短的失效周期。该测试的特点是高振幅，低频塑性应变，通常在高温下进行。

Gigacycle疲劳测试

  疲劳测试，在短时间内通过超声波振动等施加大约10的九次方个循环甚至更多。

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

  在工业应用中使用广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，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，易氧化且相对限强度低，目受到限制，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，已知没有真正的疲劳限制。然而，当汽车发动机的疲劳寿命大约10的八次方个周期，涡轮发动机部件疲劳寿命大约在10的九次方甚至10的十次方个周期。传统疲劳机来进行这样的实验会非常耗时，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。

六、超声波在工业中的应用

什么是超声波

超声波是指频率超过人类听觉正常范围的超高频声波。它是一种波长短的机械波，在空气中波长一般短于2cm（厘米）。它必须依靠介质进行传播，无法存在于真空（如太空）中。它在水中传播距离比空气中远，但因其波长短，在空气中则易损耗，容易散射，不如可听声和次声波传得远。

超声波在金属工业中的应用

超声波可以预测工业零部件的使用寿命。预测工业设备零件寿命的重要性不言而喻。这个预测过程是累人的、复杂的、困难的。文献中的研究报告表明，在疲劳机器的不同金属部件逐渐发生微损伤，随后疲劳引起的裂纹逐渐增加，导致主要破坏宏观裂纹的灾难性增长。这个长时间准备阶段的存在表明，合适的措施有助于防止流程下一阶段的变化。

食品工业中的超声波技术

在高能超声应用中，超过 1 W/cm2强度和100 kHz 频率。高能超声从液体食品中去除气体，结晶，诱导氧化还原反应，蛋白质和酶的提取和纯化，用于启动成核以及酶失活。对比植物微生物灭活所需的研究表明，热处理在超声波的帮助下，也可以在较低温度下食用液体食品。对于超声波处理，需要额外的能量，这导致集成过程的整体能源需求增加。但在廉价电力供应或替代品不可用的地区能源，超声波辅助处理可能是一个有趣的替代当流行的热处理选择。其中的处理可以利用超声波很容易地去除液体产品中的气体。

超声波在农业工业中的应用

在地中海地区，橄榄磨坊产生的废水会污染环境。此外，用橄榄磨机灌溉田地和农场，废水将废料排放到水床中，严重污染水源，因为它含有顽固的生物属性。因此需要利用超声波清除农业废水中的污染物。该废水的初处理包括光照射对催化剂的光子活化，而二次处理包括超声诱导的功率超声空化。

超声波在皮革工业中的应用

皮革工业排出的污染物含有不同的化学物质，这些化学品在皮革加工过程中被使用，终产生固体废料。在皮革工业中，酶处理可以作为化学处理的一种有益的替代方法。而且它在环境安全方面也是很有帮助的，另外，酶处理的成本很低，而且可以在低温下进行，无需使用额外的化学品。超声波和酶处理的同时应用有助于改善制革厂废料的酶水解，并导致消化能力的提高和碎屑和刨花的产量。

兽皮主要由不溶性的纤维蛋白组成，称为胶原蛋白，它可能在蛋白酶的作用下降解。通过应用超声波，兽皮的纤维网络失去了作用，其速率也随之降低。皮料的纤维网会消失，蛋白酶在皮肤毛孔内的扩散速度会增加。在一项研究报告中，一种中性蛋白酶（枯草杆菌 枯草芽孢杆菌）和碱性蛋白酶（地衣芽孢杆菌）被应用。结果显示，地衣芽孢杆菌的蛋白酶（碱性）几乎不受超声波的影响。因此它被选作降解固体废物的原料。

现在功率超声的效用显著提高，特别是在工业应用中，科学家们对此进行了深刻的研究。通过超声波进行的能量输入可以显著提高产量和产品质量，并可以促进许多不同行业的产品的回收和净化过程。超声技术是一种清洁的技术，广泛用于食品加工、冷冻和保存。它还可用于预测工业工艺和机器部件的使用寿命，以及对纺织、农业、制革厂等不同行业产生的废物的处理。