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超聲波疲勞試驗機的基本原理與設(shè)備組成
閱讀：1181 發(fā)布時間：2021-6-22
在許多應(yīng)用中,，承受周期性或重復(fù)性機械應(yīng)力的金屬部件在低于靜態(tài)測試值的情況下會失效,。這個過程稱為疲勞破壞,，它起源于應(yīng)力集中的點,，例如尖銳的末端,，凹口或夾雜物,。一旦成核,，裂紋就會由于循環(huán)應(yīng)力而傳播通過部件,，直到破裂。據(jù)估計,，疲勞造成了服務(wù)中90%的機械故障,。機械故障會導(dǎo)致很嚴(yán)重的事故，例如飛機失事,、交通事故等,。因此為了避免此類事件的發(fā)生，測試疲勞度機器應(yīng)運而生,。
超聲波疲勞試驗機作為一種加速疲勞測試技術(shù),，可以大大減少新工藝和新材料的應(yīng)用周期的技術(shù)設(shè)備，受到發(fā)電,、空間,、核能,、航空等重要領(lǐng)域的青睞。超聲疲勞試驗機被要求具有很高的性能,，以確保在超聲疲勞測試領(lǐng)域中具有特定的應(yīng)用技術(shù),。
超聲波疲勞試驗機被用于進行超聲波疲勞測試。超聲波疲勞測試基于縱波沿著給定材料的樣本的傳播,，從而對被測元件產(chǎn)生周期性的應(yīng)力壓縮效應(yīng),。一段時間后，每種材料的不同,，裂紋會在試樣的中心成核,，一直擴展到產(chǎn)生疲勞破壞?？v向機械波由在設(shè)備的電子級產(chǎn)生的充滿正弦電信號的機電換能器產(chǎn)生,。產(chǎn)生，放大并最終將電信號發(fā)送到由壓電環(huán)組成的超聲換能器,，以將電壓和電流轉(zhuǎn)換為縱向機械位移,。下圖展示了一個超聲波換能器和所產(chǎn)生的機械波的放大。
超聲疲勞測試的工作原理是在整個系統(tǒng)的共振頻率下工作,，使用壓電陶瓷彈性振動波的共振試驗方法,，該共振頻率包括換能器和測試的疲勞樣本。因此,，使共振中的位置移動會降低所提供的電能,。樣品的幾何形狀是獲得超聲疲勞測試所需的應(yīng)力和應(yīng)變振幅值的基礎(chǔ)。通過開槽,，可以放大樣品中心的應(yīng)力和應(yīng)變,，從而降低實現(xiàn)所需振幅所需的電功率。另外,，必須計算試樣的長度,，以允許在切口上形成最大縱向應(yīng)力應(yīng)變，在端部產(chǎn)生最大位移的駐波,。
超聲波疲勞測試機的由超聲波換能器,、超聲波發(fā)生器、變幅桿,、工具頭和試樣測試組成,。換能器是將電信號轉(zhuǎn)換為機械振動的設(shè)備，由超聲波發(fā)生器控制,。超聲波發(fā)生器將50Hz電壓轉(zhuǎn)換為具有系統(tǒng)共振頻率的正弦電信號,。變幅桿會放大來自換能器的振動，以便在樣品的中間部分獲得所需的應(yīng)力幅度,。工具頭能將系統(tǒng)的高頻振動傳遞給樣品測試,，從而達到疲勞試驗的最終目的,。樣品測試的特點是相對于縱向尺寸的中心對稱，與其他元件不同,，該共振元件是一次性的，只能使用一次,。標(biāo)本的測試是在車間設(shè)計和加工的,。超聲波發(fā)生器是由計算機控制的，因此整個系統(tǒng)(換能器,，工具頭和樣品)的共振在整個測試過程中都得以保持,。在超聲波疲勞機外設(shè)置集成化系統(tǒng)，使得整個金屬的疲勞試驗更加精準(zhǔn),。
超聲波疲勞測試實現(xiàn)了20kHz的*頻率,，一天即可實現(xiàn)109個周期，而傳統(tǒng)的100Hz疲勞測試則需要3個月,。例如,，在用于車輛的內(nèi)燃機和航空渦輪葉片或發(fā)電的組件。使用工作頻率為20Hz的傳統(tǒng)液壓機進行周期測量需要17年,，傳統(tǒng)疲勞機的測試周期過長,，使得有必要開發(fā)一種更有效的方法。超聲疲勞試驗機應(yīng)運而生,，僅僅需要20kHz的工作頻率便可以在不到一周的時間內(nèi)完成測量,，測試效率大大提高。