测试背景

近些年，航空航天、交通运输、核工业、机械等领域的迅速发展，对材料及零部件的性能也提出了更高的要求。传统疲劳试验方法的载荷振动频率较低，一般来说低于Hz，若想完成材料高周疲劳试验，如周次的试验，需要28个小时左右，对于时间和试验成本来说，都是巨大的花费。对于周次的超高周疲劳试验来说，要天左右完成，累计个小时，对于S-N曲线的绘制，甚至是不可能完成的。且振动的同时伴生强噪声，制约了疲劳试验发展与进步的步伐。与之相对应，超声疲劳试验技术是快速高效的疲劳测试方法。

超声疲劳试验具有以下优点：

（1）对于高周及超高周的疲劳试验，为完成S-N曲线的绘制，只可采用超声疲劳的方法进行试验，传统试验方法无法满足其要求。

（2）与传统试验方法对比，超声疲劳试验极大地缩短试验时间、减少能源消耗。

（3）实验过程无噪音危害。

（4）可对试验装置进行调整，以完成超声单周、双周、扭转疲劳试验，满足各种应力条件下的试验要求。

如图1所示，超声疲劳试验的谐振系统主要由换能器、变幅杆和试样组成，并由信号发生器进行驱动。各部分详细介绍如下：

（1）超声发生器：是一种将公用电源转换为换能器所需的高频交流电以驱动换能器工作的装置。

（2）换能器：功能是将发生器输入的电功率转换成机械功率再传递出去，即将电信号转化成试验所需的机械振动。按工作原理可分为磁致伸缩换能器和压电换能器。

（3）变幅杆：主要功能为放大机械振动中的位移或运动速度，并将超声能量集中在较小的面积上。在材料超声疲劳试验中，对于振幅的要求通常达到几十微米甚至更高，而换能器往往只能提供几微米的振幅水平，故试验中通过变幅杆来实现位移幅值的放大。

（4）试样：既是超声振动系统的一个组成部分，又是是工作系统的负载。其特殊之处在于，在材料的性能没有变化之前，它与换能器、变幅杆构成完整的超声振动系统。随着试验过程的进行，材料的性能就产生变化，因而试验过程中会改变振动系统的谐振条件，所以超声疲劳试验的重要任务之一是实时监测谐振状态，并判断试样的力学性能状况。

KV激光测振仪试样变幅杆换能器

图1超声疲劳试验装置

如图2所示，试样的一端固定在放大器末端，另一端自由，试样的自由端外力为零。材料超声疲劳谐振系统是一个统一的整体，其中换能器、变幅杆和试样分别以自己的振幅振动，在整个系统振动方向存在3个位移节点D、E、F（应力取值最大、位移取值为零）和3个应力节点A、B、C（位移取值最大，应力取值为零）。在振动中保证试样在发生谐振时占据半个波长，且试样中部应力最大，但位移值为零；试样的两个端面处位移值最大，但应力值为零，如图3所示。

图2超声疲劳试验装置图3超声疲劳试验装置应变和位移分布示

测试场景

试验中使用的是XX大学保有的超声疲劳试验机，加载频率为Hz。试验中施加对称循环载荷。试验过程中使用压缩空气对疲劳试件进行冷却，避免试件温升对试验结果产生影响。利用KathMatic生产的KV-HEL型激光测振仪来测量变幅杆前端面的振动幅值与频率，激光测振仪通过三自由度位移台布置在试样正下方，测量光路垂直于试样自由端的平面。

测量端面振幅及频率

图4超声疲劳测试场景

测试步骤

启动激光测振仪，设置采样率.5kHz，在空载状态下测量背景噪声，随后开启超声发生器，对试样施加Hz，15%功率的正弦信号，记录振幅信息。

将超声发生器输出功率分别调整到20%、25%、30%、35%、40%，其余状态保持不变，重复上述步骤。

图5KathMaticKV测试界面

数据记录

（1）15%功率振动状态

测得频率：Hz

测得振幅：7.68um

图%功率振动时域信息

（2）20%功率振动状态

测得频率：Hz

测得振幅：10.33um

图%功率振动时域信息

（3）25%功率振动状态

测得频率：Hz

测得振幅：12.96um

图%功率振动时域信息

（4）30%功率振动状态

测得频率：Hz

测得振幅：16.02um

图%功率振动时域信息

（5）35%功率振动状态

测得频率：Hz

测得振幅：18.62um

图%功率振动时域信息

（6）40%功率振动状态

测得频率：Hz

测得振幅：21.48um

图%功率振动时域信息

数据处理

统计不同功率下的振幅数据，并绘制折线图，可以发现，试样的端面振幅与超声发生器输出功率基本符合线性关系。

图12端面振幅-超声功率折线图

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