超聲波疲勞試驗機的基本原理與設備組成

來源：上海全浦科學儀器有限公司 2025年07月26日 07:35

　　在許多應用中，承受周期性或重復性機械應力的金屬部件在低于靜態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，裂紋就會由于循環應力而傳播通過部件，直到破裂。據估計，疲勞造成了服務中90%的機械故障。機械故障會導致很嚴重的事故，例如飛機失事、交通事故等。因此為了避免此類事件的發生，測試疲勞度機器應運而生。

　　超聲波疲勞試驗機作為一種加速疲勞測試技術，可以大大減少新工藝和新材料的應用周期的技術設備，受到發電、空間、核能、航空等重要領域的青睞。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域中具有特定的應用技術。

　　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，從而對被測元件產生周期性的應力壓縮效應。一段時間后，每種材料的不同，裂紋會在試樣的中心成核，一直擴展到產生疲勞破壞。縱向機械波由在設備的電子級產生的充滿正弦電信號的機電換能器產生。產生，放大并最終將電信號發送到由壓電環組成的，以將電壓和電流轉換為縱向機械位移。下圖展示了一個超聲波換能器和所產生的機械波的放大。

　　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力和應變振幅值的基礎。通過開槽，可以放大樣品中心的應力和應變，從而降低實現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力應變，在端部產生位移的駐波。

　　超聲波疲勞測試機的由超聲波換能器、超聲波發生器、變幅桿、工具頭和試樣測試組成。換能器是將電信號轉換為機械振動的設備，由超聲波發生器控制。超聲波發生器將50Hz電壓轉換為具有系統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力幅度。工具頭能將系統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。標本的測試是在車間設計和加工的。超聲波發生器是由計算機控制的，因此整個系統(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置集成化系統，使得整個金屬的疲勞試驗更加精準。

　　超聲波疲勞測試實現了20kHz的頻率，一天即可實現109個周期，而傳統的100Hz疲勞測試則需要3個月。例如，在用于車輛的內燃機和航空渦輪葉片或發電的組件。使用工作頻率為20Hz的傳統液壓機進行周期測量需要17年，傳統疲勞機的測試周期過長，使得有必要開發一種更有效的方法。超聲疲勞試驗機應運而生，僅僅需要20kHz的工作頻率便可以在不到一周的時間內完成測量，測試效率大大提高。

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