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超聲波金屬疲勞試驗
閱讀：2001 發布時間：2022-3-8 一、金屬疲勞壽命
在規定的條件下，直到疲勞失效為止的循環次數N（或相應的時間）。如果在相同的條件下對多個樣本進行測試，則疲勞壽命可為組的中位壽命。
二、金屬疲勞的限
隨著疲勞循環次數（N）的增加，平均疲勞強度的限值變得非常大。由于疲勞數據固有的分散性，在低于疲勞限的應力下仍可能發生個別的疲勞失效。
中值S-N曲線達到零斜率時的應力-即低于該應力將不會發生疲勞破壞的時間（無限壽命）。 這種壓力取決于許多因素。
并非所有材料都具有這種意義上的疲勞限（即無限壽命的可能性）。 鐵材料和鈦通常被認為具有疲勞限，盡管這可能取決于環境。鋁通常沒有疲勞限。因此，不管應力水平如何，只要振動足夠長，鋁終就會疲勞。
鋼-107個循環
鈦- 106 - 107個循環。但是，其他證據表明，這可能高達109 - 1010周期。
鋁-5x108個循環，即使鋁可能沒有實際的疲勞限。
三、疲勞
材料(或結構)由于反復的循環應力而導致裂紋擴展而失效的過程。循環應力通常大大低于材料的屈服強度。許多因素都會影響疲勞過程。
材料。
材料的加工歷史。
施加應力的方法（軸向，彎曲，旋轉彎曲等）。
應力水平（受幾何形狀影響）。
殘余應力或靜態應力的存在。
材料的缺口敏感性。
測試頻率。
相對于材料的晶粒方向的測試方向。
從中加工了樣品的原料的大小。
表面光潔度。
電鍍。
環境（包括溫度，濕度，腐蝕性等）。
因此，在確定疲勞性能時必須謹慎。
疲勞是工具頭和換能器器常見的故障模式。
四、高周和超高周疲勞試驗的現狀象
疲勞現長時間以來一直是許多不同行業的研究主題，因為疲勞故障占所有機械故障的比例很大。同時，在滿足耐用性和可靠性要求的同時，人們對提高燃油效率，減少排放和提高動力性能的需求也在不斷增長，這些具有挑戰性且有時相互沖突的需求，要求設計輕型結構和組件，以便在惡劣的使用環境中發揮良好的性能。
鎂（Mg）、鋁（Al）和鈦（Ti）等輕金屬合金由于其重量輕、強度和剛度相對較高，在此類結構構件的設計中發揮著越來越重要的作用。在航空航天、汽車、交通運輸和海上工業等許多工程應用中，這些合金經常被用來制造結構部件。
這些結構部件經歷了較長的載荷歷史，也被稱為10的6次方和10的8次方范圍內的高周疲勞（HCF）和10的8次方和10的10次方范圍內的超高周疲勞（VHCF）。HCF和VHCF機制的長壽命周期是這些行業的關鍵設計標準。由于HCF和VHCF失效會影響由這些合金制成的機器系統的安全性，可靠性，準備就緒性和支持成本，因此對耐疲勞性的基本了解，以及針對高周疲勞狀態的潛在預防策略至關重要。
由于成本和時間的限制，上個世紀的疲勞研究主要集中在低周和高周疲勞狀態（ZUI高10的7次）。許多經常經歷長載荷歷史（例如，千兆次循環）的工程結構部件需要實驗疲勞能力，以便更好地理解高周疲勞狀態下（特別是在VHCF狀態下）的疲勞損傷機理和疲勞壽命行為。
在過去的二十年中，已經有許多研究集中在材料的千兆周期范圍內，無論這些材料具有疲勞限還是顯示出持續降低的應力-壽命響應。許多研究表明，大多數工程金屬材料在10的6次循環時都沒有疲勞限，但是隨著疲勞壽命達到10的7次-10的10次負載周期，它們的疲勞強度逐漸降低。
近提出了許多時域和頻域的疲勞壽命分析方法，以提供高周疲勞狀態下結構的疲勞評估。但是，需要進一步的實驗研究以更好地理解HCF和VHCF方案中的抗疲勞性。由于試驗時間長、成本高，傳統的伺服液壓疲勞試驗系統無法在VHCF工況下使用。相反，開發一種高周疲勞試驗系統，使其能夠在期望的HCF和VHCF范圍內進行有效和可靠的試驗是非常重要和必要的。
五、超聲波疲勞試驗機用于疲勞試驗
隨著工業技術的發展，許多金屬零件的設計疲勞壽命逐漸增加。金屬材料的高周疲勞行為已成為一項研究重點。金屬疲勞，是機器、車輛或結構的金屬零件因反復施加應力或載荷而引起的弱化狀態，終導致斷裂。因此，為了確保機器、車輛等的質量，需要對其零件進行疲勞檢測。
超聲波疲勞測試是機械測試的一種特殊形式，通過對金屬試樣或結構施加周期性載荷來執行。這些測試可用于生成疲勞壽命和裂紋擴展數據，確定關鍵位置或證明可能易疲勞的結構的安全性。從試樣到大型測試物品（如汽車和飛機）的各種金屬組件都進行疲勞測試。通過超聲波疲勞試驗機進行金屬的疲勞試驗，不僅能比傳統的疲勞試驗節省更多的時間，提高率，而且能夠準確控制試驗的精度，提高試驗的準確性。
疲勞測試的類型
疲勞測試包括以下類型，這些類型根據所施加載荷的形式，環境因素等進行分類。
拉伸壓縮疲勞試驗
通過結合使用拉力，卸載和壓縮來評估抵抗循環應力的耐力（疲勞強度）。
高周疲勞測試
在大約1-5000 Hz的頻率下進行正常疲勞測試。高周疲勞測試通過測量材料對施加相對大量的恒定振幅直接應力循環的抵抗力來確定材料的疲勞強度。這種疲勞試驗往往與彈性狀態下的載荷有關，并持續進行到試樣分離或達到預定數量的載荷循環而沒有試樣失效為止。
通過超聲波疲勞試驗機，可以對金屬零件進行的高周疲勞試驗。與傳統的疲勞試驗機相比，能夠提高幾十倍的測試效率。
低周疲勞測試
疲勞測試，使用慢應變率，頻率小于10 Hz。低周疲勞測試通常運行緩慢，只有相對較短的失效周期。該測試的特點是高振幅，低頻塑性應變，通常在高溫下進行。
Gigacycle疲勞測試
疲勞測試，在短時間內通過超聲波振動等施加大約10的九次方個循環甚至更多。
疲勞測試過程
低循環疲勞和高循環疲勞測試過程可測量材料承受反復載荷循環的能力。可以在變化的負載，速度和溫度下執行測試。測試結果有助于預測可能在這些類型的苛刻條件下暴露的材料和零件的壽命。在選擇或驗證材料時，通常會執行疲勞測試來表征材料特性。
高循環疲勞測試和低循環疲勞測試都使用循環載荷來評估材料的使用壽命，這些材料會承受應變和應力波動的情況，這可能會導致破裂或斷裂。這些測試對于確保產品安全非常有價值，尤其是在故障可能導致嚴重傷害或重大損壞的行業中。
常見金屬疲勞試驗
在工業應用中使用廣泛的金屬之一是鋁及其合金。它是僅次于鋼鐵的第二種廣泛生產的金屬。鋁合金經常被用于現代工業，如，超過40％的航空航天零件是由這些合金制成的。因此，對鋁及鋁合金進行疲勞試驗特別重要。將鋁材料進行工業應用意味著機械負載和腐蝕的結合，從而導致應力集中和材料破壞。開展鋁及鋁合金的疲勞試驗的主要目的是，尚未開展有關在常規和超聲測試下，預腐蝕對疲勞強度的影響航空鋁合金。
鎂合金是具有高比重的材料強度和阻尼能力。它們還具有良好的鑄造性，易于回收。它們的延展性有限，易氧化且相對限強度低，目受到限制，其廣泛的應用。鎂合金的研究主要集中在耐腐蝕性、爬行電阻和疲勞壽命耐久性。
對于輕金屬，已知沒有真正的疲勞限制。然而，當汽車發動機的疲勞壽命大約10的八次方個周期，渦輪發動機部件疲勞壽命大約在10的九次方甚至10的十次方個周期。傳統疲勞機來進行這樣的實驗會非常耗時，但是如果使用頻率為20kHz的超聲疲勞測試，進行10的八次方個循環大約兩個小時即可到達。
六、超聲波在工業中的應用
什么是超聲波
超聲波是指頻率超過人類聽覺正常范圍的超高頻聲波。它是一種波長短的機械波，在空氣中波長一般短于2cm（厘米）。它必須依靠介質進行傳播，無法存在于真空（如太空）中。它在水中傳播距離比空氣中遠，但因其波長短，在空氣中則易損耗，容易散射，不如可聽聲和次聲波傳得遠。
超聲波在金屬工業中的應用
超聲波可以預測工業零部件的使用壽命。預測工業設備零件壽命的重要性不言而喻。這個預測過程是累人的、復雜的、困難的。文獻中的研究報告表明，在疲勞機器的不同金屬部件逐漸發生微損傷，隨后疲勞引起的裂紋逐漸增加，導致主要破壞宏觀裂紋的災難性增長。這個長時間準備階段的存在表明，合適的措施有助于防止流程下一階段的變化。
食品工業中的超聲波技術
在高能超聲應用中，超過 1 W/cm2強度和100 kHz 頻率。高能超聲從液體食品中去除氣體，結晶，誘導氧化還原反應，蛋白質和酶的提取和純化，用于啟動成核以及酶失活。對比植物微生物滅活所需的研究表明，熱處理在超聲波的幫助下，也可以在較低溫度下食用液體食品。對于超聲波處理，需要額外的能量，這導致集成過程的整體能源需求增加。但在廉價電力供應或替代品不可用的地區能源，超聲波輔助處理可能是一個有趣的替代當流行的熱處理選擇。其中的處理可以利用超聲波很容易地去除液體產品中的氣體。
超聲波在農業工業中的應用
在地中海地區，橄欖磨坊產生的廢水會污染環境。此外，用橄欖磨機灌溉田地和農場，廢水將廢料排放到水床中，嚴重污染水源，因為它含有頑固的生物屬性。因此需要利用超聲波清除農業廢水中的污染物。該廢水的初處理包括光照射對催化劑的光子活化，而二次處理包括超聲誘導的功率超聲空化。
超聲波在皮革工業中的應用
皮革工業排出的污染物含有不同的化學物質，這些化學品在皮革加工過程中被使用，終產生固體廢料。在皮革工業中，酶處理可以作為化學處理的一種有益的替代方法。而且它在環境安全方面也是很有幫助的，另外，酶處理的成本很低，而且可以在低溫下進行，無需使用額外的化學品。超聲波和酶處理的同時應用有助于改善制革廠廢料的酶水解，并導致消化能力的提高和碎屑和刨花的產量。
獸皮主要由不溶性的纖維蛋白組成，稱為膠原蛋白，它可能在蛋白酶的作用下降解。通過應用超聲波，獸皮的纖維網絡失去了作用，其速率也隨之降低。皮料的纖維網會消失，蛋白酶在皮膚毛孔內的擴散速度會增加。在一項研究報告中，一種中性蛋白酶（枯草桿菌 枯草芽孢桿菌）和堿性蛋白酶（地衣芽孢桿菌）被應用。結果顯示，地衣芽孢桿菌的蛋白酶（堿性）幾乎不受超聲波的影響。因此它被選作降解固體廢物的原料。
現在功率超聲的效用顯著提高，特別是在工業應用中，科學家們對此進行了深刻的研究。通過超聲波進行的能量輸入可以顯著提高產量和產品質量，并可以促進許多不同行業的產品的回收和凈化過程。超聲技術是一種清潔的技術，廣泛用于食品加工、冷凍和保存。它還可用于預測工業工藝和機器部件的使用壽命，以及對紡織、農業、制革廠等不同行業產生的廢物的處理。