CN112666013B - 基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统，包括依次连接的计算机控制系统、超声发生器、换能器、第一位移放大器，以及红外相机，还包括多个在同轴向上依次连接并用于固定疲劳试样的谐振组件，其中，第一级的谐振组件与第一位移放大器连接，所有的谐振组件共同配合实现同一应力水平下的同时加载，使固定在每一级谐振组件上的疲劳试样均能获得期望的加载应力值，完成疲劳试验加载；红外相机用于疲劳试验过程中捕捉疲劳试样的裂纹尖端位置，以便依靠裂纹尖端位置的热耗散获得不同的裂纹长度。本发明还提供了该实验系统的实现方法。通过上述方案，本发明解决了现有的超声疲劳实验系统存在试验费时费力及无法记录疲劳损伤演化过程的问题。

Description

基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统及其实现方法。

背景技术

疲劳寿命是由材料在发生疲劳失效之前所能承受的循环载荷次数来衡量的。根据疲劳寿命的概念，疲劳可细分为三大类。低周疲劳，疲劳寿命小于10⁴周次，加载应力一般大于宏观屈服强度。高周疲劳，疲劳寿命在10⁴-10⁷周次范围，加载应力一般低于宏观屈服强度。超高周疲劳，疲劳寿命大于10⁷周次，加载应力更低。随着科学技术的发展，现代机械装备一些关键零部件在服役期间所承受的循环载荷远远超过10⁷周次，进入超高周疲劳区间，其失效行为属于超高周疲劳。

传统疲劳试验系统适用于低周和高周疲劳区间的相关测试与研究，但并不适于超高周疲劳研究。因为，传统疲劳试验方法的工作频率一般小于300Hz，要达到10⁹周次的疲劳寿命要求，即使按300Hz高负荷工作频率计算，也至少需要38.58天。所以，采用传统疲劳试验方法，时间成本和经济成本都是难以承受的。目前，超声振动加速疲劳试验技术是开展超高周疲劳研究最直接有效的方法。该技术利用共振原理，加载频率达到20kHz，使得超高周疲劳研究成为可能。

传统的超声疲劳试验系统结构上主要由计算机控制系统、超声发生器、换能器、位移放大器(或变幅杆)组成。其中，超声发生器输出频率为20kHz的电信号，换能器将该电信号转换为相同频率的机械振动，然后经过位移放大器将放大后的振动位移施加到试样上(在一些超声疲劳实验系统中，是位移放大器将振动位移振幅放大，然后通过一根延长杆向试样输出纵向振动位移)，在试样满足超声自谐振的条件下，实现超高频率的循环加载。

然而，传统的超声疲劳试验系统一次只能在一个应力水平下加载一个试样。通常，一条完整的疲劳S-N曲线大致需要20～30个疲劳数据点。虽然超声疲劳试验系统已经大大缩短了试验时间，降低了成本，但仍是一项费时费力的工作。

此外，传统超声疲劳试验仅能得到加载应力所对应的寿命，加载过程中的疲劳损伤，如裂纹萌生、裂纹扩展信息，均无法获得，即：传统超声疲劳实验系统利用谐振频率变化判断试验终止条件，只能获得总的疲劳寿命，不能获得疲劳损伤各个阶段的裂纹萌生、裂纹扩展信息。同时，超高周疲劳裂纹往往从试样内部萌生，裂纹的萌生与扩展无法通过常规手段进行观察分析，导致疲劳失效过程的损伤演化分析没有实验依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统及其实现方法，主要解决现有技术存在试验费时费力以及无法记录疲劳损伤演化过程的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统，包括依次连接的计算机控制系统、超声发生器、换能器、第一位移放大器，以及红外相机，还包括多个在同轴向上依次连接并用于固定疲劳试样的谐振组件，其中，第一级的谐振组件与第一位移放大器连接，所有的谐振组件共同配合实现同一应力水平下的同时加载，使固定在每一级谐振组件上的疲劳试样均能获得期望的加载应力值，完成疲劳试验加载；所述红外相机用于疲劳试验过程中捕捉疲劳试样的裂纹尖端位置，以便依靠裂纹尖端位置的热耗散获得不同的裂纹长度。

具体地，每级谐振组件均包括一个位移放大器和与该位移放大器连接的谐振载体，其中，第一级的谐振组件中的位移放大器与第一位移放大器连接，其他谐振组件中的位移放大器均与前一谐振组件中的谐振载体连接，并且多级位移放大器的端面位移依次逐步增大；疲劳试样固定在谐振载体上。

进一步地，所述谐振载体与位移放大器下端面螺纹连接。

再进一步地，所述的谐振载体侧面设有至少一对对称的内螺纹孔洞，疲劳试样通过内螺纹孔洞对称固定在谐振载体上。

基于上述实验系统，本发明还提供了该原位超声疲劳实验系统的实现方法，包括以下步骤：

(1)计算机控制系统控制超声发生器输出频率为20kHz的电信号；

(2)换能器将该电信号转换为相同频率的机械振动位移；

(3)第一位移放大器将机械振动位移放大，最终经由各谐振组件实现同一应力水平下的同时加载，使固定在每一级谐振组件上的疲劳试样均获得期望的加载应力值；

(4)循环步骤(1)～(3)，并记录加载周次N，同时利用红外相机捕捉疲劳试样的裂纹尖端位置，然后依靠裂纹尖端位置的热耗散获得每个周次的裂纹长度a₁、a₂……a_n；

(5)按照如下公式计算疲劳裂纹扩展速率da/dN：

da/dN＝(a_n-a₁)/(N_n-N₁)；

(6)通过SEM断口分析确定裂纹源位置，并按照如下公式计算每个加载阶段裂纹尖端的应力强度因子值ΔK：

表面裂纹:

内部裂纹:

式中，σ₀为应力幅值，area为裂纹投影面积；

(7)结合裂纹尖端的应力强度因子值ΔK和疲劳裂纹扩展速率da/dN，绘制疲劳裂纹扩展ΔK-da/dN关系图，记录疲劳试样损伤过程。

进一步地，疲劳试样获得的加载应力值由相应谐振载体的端面位移决定，且谐振载体的端面位移，由与之相应的位移放大器控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)在本发明中，疲劳试样并不是直接固定在位移放大器末端(或者是延长杆的末端)，而是设计多级谐振组件，然后将多个疲劳试样同时固定在谐振组件上。由于多级谐振组件的位移放大器的端面位移依次逐步增大，而每一级位移放大器的下端面与谐振载体通过螺纹固定连接，然后谐振载体和疲劳试样通过螺纹固定连接。因此，该设计可使得谐振载体和疲劳试样的端面位移相同。疲劳试样想要获得期望的加载应力，只需控制谐振载体的端面位移即可，而谐振载体的端面位移，可由每一级位移放大器控制。

如此一来，依靠所有谐振组件的共同配合，在超声发生器输出的20kHz的电信号作用下，即可实现同一应力水平下多个疲劳试样的同时加载。本发明中，谐振组件可以任意添加，从而可以实现一次装载几十个疲劳试样，并快速获得一条完整疲劳S-N曲线的数据，大幅缩短了试验的时间，也很好地降低了试验成本。

(2)本发明通过记录疲劳试验加载周次，并利用红外相机捕捉疲劳试样的裂纹尖端位置，然后基于裂纹尖端位置的热耗散获得每个周次的裂纹长度，同时结合SEM断口分析，获得裂纹萌生、裂纹扩展信息，最终通过计算疲劳裂纹扩展速率da/dN和每个加载阶段裂纹尖端的应力强度因子值ΔK，然后据此绘制疲劳裂纹扩展ΔK-da/dN关系图，即可获得疲劳裂纹损伤演化的过程。本发明设计的用于计算疲劳裂纹扩展速率da/dN和裂纹尖端的应力强度因子值ΔK的公式，计算方便、结果准确度高，确保了疲劳裂纹扩展ΔK-da/dN关系图的精度。

不仅如此，采用本发明的方案，不受裂纹位置的限制，无论表面还是内部萌生的裂纹，均可适用，因而适用性非常强，很好地为疲劳失效过程的损伤演化分析提供了可靠的实验数据，进而为后续相关研究提供了有利的基础保障。

(3)本发明结构设计巧妙、操作省时省力、试验效率高，不仅能快速获得一条完整疲劳S-N曲线的数据，而且在获得完整疲劳S-N曲线数据的同时，还获得了疲劳损伤各个阶段的裂纹萌生、裂纹扩展信息，完成了疲劳试样损伤演化过程的记录，可谓一举两得。因此，本发明非常适合大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明-实施例中实验系统的结构示意图。

图2为本发明-实施例中的局部放大示意图。

图3为本发明-实施例中的流程示意图。

图4为本发明-实施例中计算疲劳裂纹扩展速率的详解示意图。

图5为本发明-实施例中计算裂纹尖端的应力强度因子值的详解示意图。

图6为本发明-实施例中疲劳裂纹扩展ΔK-da/dN关系图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-计算机控制系统，2-超声发生器，3-换能器，4-第一位移放大器，5-位移放大器A，6-谐振载体A，7-位移放大器B，8-谐振载体B，9-位移放大器C，10-谐振载体C，11-红外相机，12-疲劳试样。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

本实施例提供了一种基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统，用于解决现有的超声疲劳实验系统存在试验费时费力以及无法记录疲劳损伤演化过程的问题。如图1、2所示，本发明结构上包括依次连接的计算机控制系统1、超声发生器2、换能器3、第一位移放大器4以及多级同轴向的谐振组件，另有至少一个红外相机11。具体来说，每级谐振组件均包括一个位移放大器(例如图1中的位移放大器5、7、9)和与该位移放大器连接的谐振载体(例如图1中的谐振载体6、8、10)，其中，第一级谐振组件中的位移放大器与第一位移放大器4连接，其他谐振组件中的位移放大器均与前一谐振组件中的谐振载体连接，并且多级位移放大器的端面位移依次逐步增大。谐振载体侧面设有四对对称的内螺纹孔洞，四个疲劳试样12通过内螺纹孔洞对称固定在谐振载体上。

下面阐述上述超声疲劳实验系统的实现流程。

如图3所示，首先，计算机控制系统1控制超声发生器2输出频率为20kHz的电信号，然后换能器3将该电信号转换为相同频率的机械振动位移，并由第一位移放大器4将机械振动位移放大，最终经由各谐振组件实现同一应力水平下的同时加载，使固定在每一级谐振组件上的疲劳试样均获得期望的加载应力值。本实施例中，多级谐振组件的位移放大器的端面位移依次逐步增大，而每一级位移放大器的下端面与谐振载体通过螺纹固定连接，然后谐振载体和疲劳试样通过螺纹固定连接。该设计可使得谐振载体和疲劳试样的端面位移相同，疲劳试样想要获得期望的加载应力，只需控制谐振载体的端面位移即可，而谐振载体的端面位移，可由每一级位移放大器控制。而每一级位移放大器的端面位移值，可通过设计位移放大器的尺寸，实现不同的放大系数，进而获得期望的端面位移值，然后实现每级疲劳试样组所期望的加载应力值。如此，每级疲劳试样组的加载应力水平相同，通过多级位移放大器的作用，可以实现多个应力水平加载。

疲劳损伤演化过程记录：

在进行疲劳试验过程中，记录加载周次N，同时利用红外相机捕捉疲劳试样的裂纹尖端位置，然后依靠裂纹尖端位置的热耗散获得每个周次的裂纹长度a₁、a₂……a_n。接着，按照如下公式计算疲劳裂纹扩展速率da/dN：

da/dN＝(a_n-a₁)/(N_n-N₁)。

图4展示了计算疲劳裂纹扩展速率的原理，即：利用红外相机原位实时监测可知，由于裂纹尖端强烈的塑性变形，箭头所指的局部区域的能量耗散更严重，且裂纹边缘具有更剧烈的热耗散。因此，利用红外相机可以捕捉裂纹尖端位置，计算裂纹长度，该方式不受裂纹位置的限制，即使是内部裂纹，也能捕捉裂纹尖端位置。超声疲劳试验记录循环加载周次N，红外相机捕捉裂纹尖端位置，两者相结合可以计算疲劳裂纹扩展速率da/dN。

而后，通过SEM断口分析确定裂纹源位置，并按照如下公式计算每个加载阶段裂纹尖端的应力强度因子值ΔK：

表面裂纹:

内部裂纹:

式中，σ₀为应力幅值，area为裂纹投影面积。如图5所示。

最后，结合裂纹尖端的应力强度因子值ΔK和疲劳裂纹扩展速率da/dN，绘制疲劳裂纹扩展ΔK-da/dN关系图，记录疲劳试样损伤过程，如图6所示。

可见，利用热耗散信息可以获得疲劳裂纹萌生阶段消耗的循环周次、裂纹扩展阶段消耗的循环周次，如此可以提高对疲劳损伤失效机理的认识。

综上所述，本发明达到了如下目的：

(1)只需一次装载试样，即可获得一条完整S-N曲线的疲劳数据点，并获得了不同应力水平下的各疲劳数据点，操作上省时省力。

(2)能够获得疲劳损伤的演化过程，结合SEM断口分析，可以计算裂纹萌生、裂纹扩展信息，并且不受裂纹萌生位置的限制。

因此，与现有技术相比，本发明技术进步十分明显，其具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统，包括依次连接的计算机控制系统(1)、超声发生器(2)、换能器(3)、第一位移放大器(4)，以及红外相机(11)，其特征在于，还包括多个在同轴向上依次连接并用于固定疲劳试样的谐振组件，其中，第一级的谐振组件与第一位移放大器(4)连接，所有的谐振组件共同配合实现同一应力水平下的同时加载，使固定在每一级谐振组件上的疲劳试样均能获得期望的加载应力值，完成疲劳试验加载；所述红外相机(11)用于疲劳试验过程中捕捉疲劳试样的裂纹尖端位置，以便依靠裂纹尖端位置的热耗散获得不同的裂纹长度；每级谐振组件均包括一个位移放大器和与该位移放大器连接的谐振载体，其中，第一级的谐振组件中的位移放大器与第一位移放大器连接，其他谐振组件中的位移放大器均与前一谐振组件中的谐振载体连接，并且多级位移放大器的端面位移依次逐步增大；疲劳试样固定在谐振载体上。

2.根据权利要求1所述的基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统，其特征在于，所述谐振载体与位移放大器下端面螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统，其特征在于，所述的谐振载体侧面设有至少一对对称的内螺纹孔洞，疲劳试样通过内螺纹孔洞对称固定在谐振载体上。

4.一种如权利要求3所述的基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统的实现方法，其特征在于，该实现方法包括以下步骤：

(1)计算机控制系统控制超声发生器输出频率为20kHz的电信号；

(2)换能器将该电信号转换为相同频率的机械振动位移；

(3)第一位移放大器将机械振动位移放大，最终经由各谐振组件实现同一应力水平下的同时加载，使固定在每一级谐振组件上的疲劳试样均获得期望的加载应力值；

(4)循环步骤(1)～(3)，并记录加载周次N，同时利用红外相机捕捉疲劳试样的裂纹尖端位置，然后依靠裂纹尖端位置的热耗散获得每个周次的裂纹长度a₁、a₂……a_n；

(5)按照如下公式计算疲劳裂纹扩展速率da/dN：

da/dN＝(a_n-a₁)/(N_n-N₁)；

(6)通过SEM断口分析确定裂纹源位置，并按照如下公式计算每个加载阶段裂纹尖端的应力强度因子值ΔK：

表面裂纹:

内部裂纹:

式中，σ₀为应力幅值，area为裂纹投影面积；

(7)结合裂纹尖端的应力强度因子值ΔK和疲劳裂纹扩展速率da/dN，绘制疲劳裂纹扩展ΔK-da/dN关系图，记录疲劳试样损伤过程。

5.根据权利要求4所述的基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统的实现方法，其特征在于，疲劳试样获得的加载应力值由相应谐振载体的端面位移决定，且谐振载体的端面位移，由与之相应的位移放大器控制。

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