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USF-2000A采用壓電元件產(chǎn)生的20kHz振動波形，經(jīng)放大后加載到試樣上，實現(xiàn)高速度的疲勞試驗。能測試通常難度很大的109、1010次的疲勞強度，可在約10分鐘內(nèi)生成107次的數(shù)據(jù)[1]。

近年來，超高周次承載部件越來越多，金屬材料超高周疲勞測試需求與日俱增，超聲疲勞方法是完成超高周疲勞的有效手段之一。相比高周疲勞，超聲疲勞由于試驗頻率大幅提高，試樣尺寸設計、應力控制等都和高周疲勞不同，已不適宜采用高周疲勞試驗標準。

4月25日，由TC183（全國鋼標準化技術(shù)委員會）歸口，TC183SC4（全國鋼標準化技術(shù)委員會力學及工藝性能試驗方法分會）執(zhí)行 ，中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會主管的國家標準《金屬材料 超高周疲勞 超聲疲勞試驗方法》正式發(fā)布，并將于2024年11月1日施行。

背景

通常認定如果循環(huán)次數(shù)大于107，樣品就不會斷裂，所以所有的工業(yè)品必須在這個疲勞極限以下進行設計，盡管如此，事故仍可能發(fā)生。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)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。金屬疲勞是指機器、車輛或結(jié)構(gòu)件的金屬零件因反復施加應力或載荷而引起的弱化狀態(tài)最終導致斷裂的現(xiàn)象。因此，為了確保機器、車輛等的質(zhì)量，需要對其零件進行疲勞檢測。

超聲波疲勞試驗是一種共振式的疲勞試驗方法，通過壓電原件產(chǎn)生20kHz振動波形，經(jīng)放大后加載到樣品上，實現(xiàn)高速度的疲勞試驗，可快速地檢測各種工業(yè)材料的疲勞極限。

標準解讀

01原理

超聲疲勞試驗采用超聲發(fā)生器產(chǎn)生20kHz 的電信號，壓電陶瓷換能器將電信號轉(zhuǎn)換成相同頻率的機械振動，經(jīng)位移放大器放大后傳遞至試樣，在試樣中產(chǎn)生諧振波，使試樣獲得頻率約為20kHz按正弦波變化的軸向位移和應力。

02試樣

超聲疲勞試驗常用的試樣類型有漏斗形、等截面圓形和板狀。設計超聲疲勞試樣尺寸時，尺寸組合應滿足試驗系統(tǒng)諧振頻率為20kHz的諧振條件，否則試樣將不能起振，試驗無法進行。設計試樣尺寸之前應先根據(jù)GB/T 38897確定材料的動態(tài)彈性模量，再根據(jù)材料的密度和不同形狀試樣的幾何尺寸理論公式計算滿足試驗諧振頻率的端部長度值。

島津方案

島津超聲波試驗系統(tǒng)可參照GB/T 43896-2024《金屬材料 超高周疲勞 超聲疲勞試驗方法》的測試方法對樣品進行測試。

USF-2000A超聲波疲勞試驗機

01試驗原理

USF-2000A疲勞試驗機的加載原理同普通的疲勞有很大的不同，它是由壓電元件產(chǎn)生20 kHz的振動，將振動通過諧振腔放大再傳導至加工成特定尺寸形狀的試樣，試樣產(chǎn)生共振形成穩(wěn)定的駐波，不斷地收縮和伸長由此進行20kHz的疲勞試驗。

02主要特點

☆ 在共振狀態(tài)下進行試驗，可產(chǎn)生高應力，能夠進行1000 MPa級的鋼材試驗

☆ 采用計算機設定和控制試驗，可在桌面上進行試驗

☆ 試驗設備的功耗小

☆ 可簡單地再現(xiàn)微小缺陷而產(chǎn)生的疲勞破壞

☆ 能以20kHz的重復頻率快速評價金屬材料的疲勞壽命，一般100Hz頻率下測試1010次循環(huán)試驗需要3.2年，使用本機進行試驗只需要6天。

03應用案例

僅需輸入材料的模量、密度等信息，軟件即可根據(jù)設置，自動生成技術(shù)圖紙，開始試驗。在達到規(guī)定循環(huán)次數(shù)或超過試驗頻率波動范圍時，試驗自動結(jié)束。同時，可在軟件中選擇指定振蕩和停止時間（脈沖-暫停）比。空氣冷卻系統(tǒng)提供支持，有效避免樣品過熱。

04定制化產(chǎn)品

在平均應力為零的條件下很少使用實際組件。盡管如此，USF-2000A是一種標準超高循環(huán)疲勞試驗系統(tǒng)，只能在零平均應力條件下實施試驗。使用配有平均應力負載系統(tǒng)的超高循環(huán)疲勞試驗系統(tǒng)，可在平均拉伸應力負載情況下實施千兆周期疲勞試驗。

近年來，超高周次承載部件越來越多，金屬材料超高周疲勞測試需求與日俱增，超聲疲勞方法是完成超高周疲勞的有效手段之一。USF-2000A提供金屬和其他材料的負載容量信息以及確定度，可在6天內(nèi)完成試驗[1]而無需1年或更久。應用20 kHz周期頻率，相比300Hz，完成1010次循環(huán)試驗的速度可提高60多倍。特別是在汽車、航空航天和鐵路應用領域，材料可靠性必須具備可預測性，島津試驗機可以為消費者提供更優(yōu)質(zhì)量和更高安全性，并為制造商提供安心保障。

注[1] 實驗數(shù)據(jù)可能隨條件不同而變化

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