谐振式电液疲劳试验机的设计.doc

1、压电式疲劳试验机和设备摘要早在90年代，世界各地的人们已经找到了几种方法测试高疲劳寿命的试验样品。15年前，我们实验室设计并建成了用来测定疲劳裂纹扩展和绘制金属S-N 曲线图的超声波疲劳实验系统。我们的这些第一批研究成果刊登于ASTM STP 1231 (1994), ASTM STP1411 (2002)和2002年疲劳研究最新进展之中。本文总结了从那时起疲劳实验机和实验设备的进展。2002 艾斯维尔公司 版权所有关键词：超高周疲劳；压电疲劳机；高频设备1. 介绍从历史角度说，据说第一台超声疲劳试验机是由Mason在1950年建造的。随着计算机科学的发展，一些实验室不得不制造自己的试验机和设

2、计可行的试验流程。美国的Willertz实验室，澳大利亚的Stanzl实验室，法国的Bathias实验室，日本的Ishii实验室和斯洛伐克的Puskar实验室是这个领域的领头羊。这些实验室的超声疲劳试验机不尽相同，但存在一些共有的部件。这其中最重要的三个是：用于产生20千赫正弦信号的高频发生器，将电信号转化为机械振动的传感器和一个控制单元早期超声疲劳试验机只用于单向（一维）和恒振幅实验，因此控制单元和其他部分不是很复杂。近20年来，最新的科技成果已经使超声疲劳实验机用于变幅载荷条件，低温高温的工作环境，扭转或多轴实验等情况。因此，设计一个现代超声疲劳实验机可能要考虑机械，电气，光学，磁学和热力

3、学各方面因素。在法国，巴蒂亚斯在1967年根据Mason原则操作超声疲劳试验机。正如早期的论文评论中所说的一样，疲劳实验方法应用的局限一部分原因在于可用实验设备的缺乏，这迫使个人的研究者开发当时标准实验条件下没有的更先进的实验设施。2拉伸-拉伸拉伸压缩疲劳试验机如上所述，超声疲劳试验机的通用元件包括以下三种元件：1一个将50或60赫兹电压电压信号转换成20千赫的超声波正弦信号的发电机。2. 一个由发电机激发的压电传感器（或磁致伸缩器），它将电信号转化为纵向 超声波和相同频率的机械振动。3. 一个超声波放大器，将来自传感器的振动放大为施加于工件中部所需的振幅。这三部分产生超声疲劳载荷所需的特殊设

4、备。其它超声机器部件可能还包括记录系统和测量系统。图1所示系统的功能是使工件在其纵向产生超声共振，振动幅度在工件末端达到最大值U0，它可以由动态传感器测出，而工件中部的拉压循环应变（负荷率为1）达到最大值产生预期高频疲劳应力。需要记录的信息应包括超声循环最大振幅Uo，疲劳裂纹的扩展，通过这些分析法和数值法，我们可以算出疲劳裂纹扩展速率da/dN，和应力强度因数Kmax。1在超声疲劳试验中，最大应变值用定位在样品表面上的微型应变计直接测量，工件端部的动态位移幅值通过测量范围从1到199.9微米的误差为0.1微米的光纤传感器测得。应力放大系数可以根据这些测量数据算出。理想工件（无裂纹）的振动应力和

5、应变也可以根据中间部分测出。经上文提到的应变计的检测，证实得出的最大应变值是准确的。此外，视频相机电视系统已用于控制裂纹萌生与扩展。这个系统精确到二十五分之一秒，将工件表面放大140-200倍。由于超声疲劳振动工件发生共振，对称载荷只需研究一个自由端，避免了传统设备（图2）中固定工件时的麻烦问题。如果是静态载荷，情况就会大不相同。假设对称拉伸-压缩循环的平均应力或平均位移可以产生循环特性r-1的复杂循环载荷。如图3所示，在工件的另一端需要一个附加操纵杆。这类试验机在研究弹塑性材料在低周疲劳和高频振动时疲劳寿命和疲劳裂纹生长特性发挥很大作用（见图3）。装配有由六个压电陶瓷构成的转换器的发电机用来

6、提供振动能量。这种超声波发生器（900ba）是由超声波公司研制的，最大功率2千瓦，并且为机械振动的振源转换器提供了正弦信号。这种放大器在19.520.5千赫范围内自动保持机械系统的固有频率。转换器，操纵杆和工件构成了一个固有频率20千赫的四节点（零应力）和三个位移节点（零位移）的机械振动系统。该处的应力和位移默认为纵向应力和位移。在图4，点B,C（连接点），点A和传感器顶应力节点。工件中心是位移节点，这点应力最大。操纵杆必须在20千赫振动，操纵杆根据样本载荷设计，以保证B,C两点间的位移被放大，通常是3-9倍。这意味着B.C两点间的几何关系必须被确定。几何形状复杂需要用有限元方法。机械系统由传

7、感器，操纵杆和线性工件构成。所有的应力和位移都是线性的。测量它们的幅值是十分必要的。 3。高温试验设备测试设备包括一个中间的加热装置。图5是裂缝扩展试验系统的照片，试样上，间距5-6毫米处温度恒定。试验中，视频图像可以记录在在盒式录像带中。根据表格不难看出裂纹扩展速率为毫米/周期。对于高温实验，使用高频电感，实验的温度可以达到1000。计算机系统连接有热电偶板，可以把温度模拟信号传送给模数转换器，使计算机能够使用电路断路器控制试样的加热。由于杨氏模量减小，高温下疲劳试样超声共振的长度将小于室温情况下。对温度敏感的材料，这种变化必须考虑。例如，在裂纹扩展试验中，我们通常用适当谐振长度在室温条件下

8、开始裂纹扩展实验。然后，通过切断两端，我们可以得到在高温中的谐振长度。参考 3 可以找到早期设计的高温超声疲劳设备。从其系统描述我们可以研究在22千赫，200-500C氩气环境热室高温并使用20水作为冷却剂时的疲劳裂纹扩展速率和疲劳阈值。4。低温试验设备现在我们讨论低温时实验材料的可能特性。我们实验室也研制了低温超声疲劳试验系统 4，在实验室中，液氮，液态氢和液态氦是用来创建一个低温环境。然而，液化气体非常昂贵，特别是液氦，假如采取传统实验方法，用于太空火箭极低温钛合金疲劳试验需要耗费很多的液化天然气，因为实验将持续很长一段时间。有助于大大减少实验时间是超声疲劳实验的有一个优势。应用带有计算机

9、控制系统的疲劳试验机工作在20千赫低温（77和20K）研究在火箭的引擎中用到的钛合金的疲劳特性。装置由三部分组成：一个恒温器，一个机械振动器和控制发电机。图6解释了该机器的主要构成，比传统的液压机简单。传感器和操纵杆的作用和它们在其他声疲劳装置中的作用相同：传感器将电信号转换为机械振动信号，操纵杆作为位移放大器。包含液化气体的杜瓦瓶冰冻用来保持试验温度恒定。只需在试样另一端增加一个操纵杆就可以完成循环特性-1的低温超声疲劳试验。另一个低温试验系统的例子是施坦策尔的实验室 5 ，它用液态氮保证环境温度为77K.5。薄板材试验设备超声疲劳试样的几何通常是圆柱形或平面形,，中间部分被去除，以便形成较

10、大应力，加速整个试验过程。，理论上讲，如果机器的激励频率与试样的谐振频率相同时，试样将发生共振。然而，将这个理论应用于实践中却不是很简单。一方面，试样的设计并非易事，另一方面，试样所安装处的操纵杆如果设计不好可能会改变系统的共振频率。这是当载荷循环特性-1和平面试样非常薄时经常发生的状况。很久以前人们就知道使用两个操纵杆系统和加载常值平均应力可以防止共振。为了确定循环特性为0.1时循环和米每循环阈值这样的小的传播速度时的疲劳强度，已经进行了很多实验。实验的关键是如何将将薄试样固定在放大操纵杆端部。我们不能用固定普通试样（标本的厚度长度比68%）时所用的一般螺丝，连接两根钢丝的方法有：铆接，螺栓

11、连接，焊接和粘合（图7）。6。高压电疲劳机众所周知，用传统的机器设备很难再高压下进行疲劳试验。问题在于执行器通过墙上的高压釜产生位移，可以使用压电疲劳系统消除这个问题，因为它很容易在受压操纵杆通过跨壁压力釜时保持零位移。因此我们的实验室建造了可以工作300Bar的高压压电疲劳试验机。机器如图8所示。利用这个机器，我们已经证实氢气在压力为100Bar，室温时，具有IN 718和Ti 6Al4V相似的S-N特性曲线。7。超声波微动疲劳微动疲劳通常由高频率振动激发，是低振幅的振动，常发生在夹紧接头和套件中 7 , 8 。微动产生的表面损伤表现为微动磨损和微动疲劳，这使得材料的疲劳性能严重下降。微动疲

12、劳是微动和疲劳联合作用的过程。它涉及到许多因素，包括接触压力的规模和分布，相对滑动幅度，摩擦力，表面状况，接触材料，循环频率和环境因素。为了量化这些因素对微动疲劳的影响，人们已作出很多努力，但收效甚微。更多的情况是在实验室中通过使用一个与疲劳试样紧密接触的接触垫确定微动的S-N曲线，以此确定某种降低疲劳强度的因素。但这些研究往往基于低频率的传统拉伸压缩疲劳试验机，因此存在一些缺点：（1）微动疲劳的滑动幅度通常与疲劳应力有关。为了改变滑动幅度，必须使用不同长度的接触垫。（2）频率较低不适合模拟机械，声学或空气动力学这样高频微小振动循环。从另一方面讲，在一些行业如汽车及铁路，测定高达甚至到的高循环

13、微动疲劳性能是很必要的。这样的实验肯定浪费时间，并且不经济。在我们的实验室，20千赫频率的超声波微动疲劳试验技术已经被开发出来，可以在不改变微动垫的条件下改变微动滑移振幅。图9显示了一个实验装置示意图。它由2部分组成。第一个是被广泛应用于屈服和裂纹扩展疲劳试验的超声疲劳试验机。机器中的每个元件的共振频率都大约20千赫，其中一个自动控制单元可以确保整个系统工作在共振频率。二是用来固定压紧试样的双弹气缸垫的夹具。通过弹簧的位移控制和测量正常的接触力。此外，弹簧的使用将消除在负荷磨损中的明显载荷变化。整个实验系统由一台个人电脑控制。该测试系统具有调节试验参数，记录相对滑动幅度，载荷和应力的功能。通过

14、改变滑垫在试样轴线上的位置，可以得到所需的相对滑移。对于载荷特性r=-1的微动疲劳试验，其应力由滑垫的位置决定。对于循环特性r-1的载荷，其应力是牵引机产生的静态应力和振动产生的动态应力的叠加和。根据滑垫在试样轴线上的位置，引起微动的位移可以在0.1微米和数十微米间选择。通过安装在点的应变计可以测出试样的振动变形量。值得提醒的是Mason在超声疲劳试验机的研究是从研究微动 9开始的。8. Torsion fatigue testingIn a review article, Stanzl indicated that more recentlytime a new technique and

15、equipment has been developed10, which allows one to perform torsion fatigue atultrasonic frequencies. The mechanical parts of thisequipment must be designed so that torsion resonancevibration can be generated (Fig. 10). As the shear mod-ulus is smaller than Youngs modulus, all vibrating parts,includ

16、ing the specimens, must be smaller in order toobtain the resonance. Besides this difference, the otherexperimental details, such as amplitude measurement andcontrol are much the same as those for the axial ultra-sound fatigue loading. The superposition of axial loadis possible and has been investiga

17、ted in measurementson ceramic materials. Superposition of small compressiveloads leads to a lifetime twice as long as that of purecyclic 20 kHz torsion loads because of the increased fric-tion forces 10,11.9. Three-point bending fatigue testingThe three-point bending ultrasonic fatigue testing sys-t

18、em developed in the Bathias laboratory is illustrated inFig. 11.This system was developed for testing certain aluminiumalloy based metal-matrix composites used in automobileindustry or brittle materials such as ceramics or tita-niumaluminium alloys. The system containing generator,converter, booster

19、, acoustic horn and specimen is con-trolled by a personal computer. A static load or a static dis-placement is introduced with a tensile testing machinethrough the booster. Thus, the piezoelectric fatiguemachine bending is able to work from R = 0.1 to R = 0.5and beyond, at 20 kHz. The maximum displa

20、cement inthe middle of the three-point bending specimen is of theorder of 30 lm.An advantage of this technique is the small size of thespecimen, less than 1 inch!0. ConclusionsDuring the 1990s, several devices have been designedusing piezoelectric converters working at 20 or 30 kHz.Several advantage

21、s have been underlined: This new method is recommended to study the gigacyclefatigue and the threshold regime. The duration of a test is at least 400 times shorter thanwith a conventional machine. It saves money. The piezoelectric fatigue machines are able to work atnegative R ratio and very high R

22、ratio. This system is able to operate at high temperature, cryo-genic temperature, high gas pressure, fretting-corrosion,torsion and three-point bending.AcknowledgementsThe author is grateful for many comments and discus-sions from Professor PC, Paris.References8。扭转疲劳试验在一篇评论文章中，施坦策尔表示一个可以使我们在超声波频率进行

23、扭转疲劳实验的新的技术和设备已经被开发出来 10。这个设备零件的设计必须保证可以产扭转共振振动（图10）。由于剪切模量小于杨氏模量，振动部件，包括试样，必须更小，以保证能够共振。除这些区别之外，其他实验细节，如振幅测量和控制和轴向超声疲劳载荷的控制相似。轴向负荷的叠加是可能的，这一点已经在陶瓷材料的测量中得到证实。小压力负荷的叠加由于摩擦力增加，导致寿命在20千赫时纯扭转循环载荷寿命的两倍。9。三点弯曲疲劳试验巴蒂亚斯实验室开发在的三点弯曲的超声疲劳试验系统如图11所示。该系统是用于测试某些铝合金基复合材料在汽车行业或脆性材料如陶瓷、钛铝合金。该系统包含发电机，转换器，助推器，喇叭声和标本是由一台个人电脑。静态或静态位移引入的拉伸试验机通过助推器。因此，压电疲劳折弯机能够工作，从-0.1到-0.5以后，在20千赫。最大位移中间的三点弯曲试样的命令30流明。利用这一技术是小规模的标本，小于1英寸！10。结论在1990年代，几个设备的设计利用压电转换器工作在20或30千赫。几个方面的优势已经突显：这种新方法是建议研究学疲劳和阈值的政权。测试期间至少400倍小于与传统的机。它可以节省金钱。压电疲劳机能够在工作这是比和很高的比例。该系统可以工作在高温，低温，高瓦斯压力，fretting-corrosion，扭转、三点弯曲。鸣谢作者感谢许多意见和讨论，从教授，巴黎。工具书类 .