在許多應(yīng)用中，承受周期性或重復(fù)性機(jī)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(diǎn)，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(jī)械故障。機(jī)械故障會導(dǎo)致很嚴(yán)重的事故，例如飛機(jī)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(jī)器應(yīng)運(yùn)而生。
超聲波疲勞試驗機(jī)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(jī)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(jī)被用于進(jìn)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(kuò)展到產(chǎn)生疲勞破壞?？v向機(jī)械波由在設(shè)備的電子級產(chǎn)生的充滿正弦電信號的機(jī)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，以將電壓和電流轉(zhuǎn)換為縱向機(jī)械位移。下圖展示了一個超聲波換能器和所產(chǎn)生的機(jī)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大化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縱向應(yīng)力應(yīng)變，在端部產(chǎn)生位移的駐波。
超聲波疲勞測試機(jī)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(jī)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(dá)到疲勞試驗的最終目的。樣品測試的特點(diǎn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)進(jìn)行周期測量需要17年，傳統(tǒng)疲勞機(jī)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(jī)應(yīng)運(yùn)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。
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