近些年，壓電超聲設(shè)備已經(jīng)越來越多的應(yīng)用在高性能金屬的疲勞特性研究上，比如鈦合金或金屬基復(fù)合材料的超高循環(huán)疲勞狀態(tài)。這個創(chuàng)新的試驗技術(shù)需要合適的工具來校準并測試，比如3D掃描激光測振儀。
動機
很多現(xiàn)代動力系統(tǒng)，比如高應(yīng)力動力部件或離岸結(jié)構(gòu)，必須能承受超過一千萬次循環(huán)由于高頻載荷或壽命超過30年。這個循環(huán)次數(shù)范圍叫做超高循環(huán)疲勞狀態(tài)。為保障這些高性能部件的可靠運行，有關(guān)材料的疲勞行為更細節(jié)的知識在超高循環(huán)疲勞狀態(tài)試驗中的應(yīng)用越來越重要了。傳統(tǒng)的測試設(shè)備只能進行長期測試，頻率最高到200Hz。
超聲試驗設(shè)備
為了實現(xiàn)短周期內(nèi)的1010 次循環(huán)，德國凱澤斯勞滕大學(xué)的材料科學(xué)與工程學(xué)院開發(fā)了一個新的拉-壓試驗的超聲試驗設(shè)備。試驗系統(tǒng)的載荷原理是基于壓電轉(zhuǎn)換器的，是設(shè)計出來激勵疲勞試驗件的。頻率20kHz 的駐波在材料中引起疲勞，20kHz 特征頻率是試驗件的基本屬性。設(shè)計過程使用了有限元分析確保試驗件設(shè)計滿足需求。
3D 掃描激光測振儀是非常有效的設(shè)備，測試特征頻率和特征模態(tài)，驗證有限元模型。由于在高頻振動時的接觸，使用傳統(tǒng)的技術(shù)，比如應(yīng)變片，分析應(yīng)力應(yīng)變是非常難的，。因此3D掃描激光測振儀非常適用于超聲疲勞試驗中的高分辨率非接觸式應(yīng)力應(yīng)變測試。
試驗搭建
凱澤斯勞滕大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院使用Polytec公司的PSV-400-3D 掃描式激光測振儀進行試驗測試。三個激光頭的布置如圖1所示，確?？梢詼y到疲勞試驗件很窄的區(qū)域。試驗選擇了30 nm 的微小位移來得到特征頻率和特征模態(tài)，且可防止材料未知的疲勞損傷。應(yīng)變測試關(guān)注的是試驗件中部應(yīng)變最大的4mm 長的標距長度。試驗激勵使用試驗件的特征頻率，位移幅值高達42μm。
圖1 超聲疲勞試驗搭建
部分測試結(jié)果
有限元模型與試驗件的初始狀態(tài)的關(guān)聯(lián)(首要的是疲勞)，頻率響應(yīng)(圖2a)說明特征頻率為20.06 kHz，該頻率下的特征模態(tài) (圖3上部) 顯示了縱向振動。兩個結(jié)果都很好地與有限元計算結(jié)果相吻合。此外，高頻振動的細節(jié)也證實了試驗件在本次試驗中振動的正確性。類似的試驗在另一個試驗件上進行，應(yīng)力幅值只有屈服強度的50%，盡管如此，由于內(nèi)部疲勞損傷，疲勞失效發(fā)生在1.2 * 109 次循環(huán)之后。與初始狀態(tài)相比，因為表面下的疲勞損傷，特征頻率下降了。20kHz之內(nèi)的特征模態(tài)也清晰地表現(xiàn)出了區(qū)別 (圖3下半部分)?？梢钥吹牡剿俣确植佳刂囼灱粚ΨQ，疲勞區(qū)域相當不均勻。
圖2 頻率響應(yīng) a)初始狀態(tài) b)疲勞損傷后
圖3 振型 上半部分：初始狀態(tài)；下半部分：疲勞損傷后
圖4 顯示了試驗件中部高頻振動最大時的應(yīng)變分布。3D掃描系統(tǒng)測試的標距內(nèi)的應(yīng)變幅值與Polytec公司的CLV-2534-2單點激光測振儀測試的自由端位移幅值之間的關(guān)聯(lián)表明應(yīng)力幅值隨著位移幅值增加而增加。試驗結(jié)果與有限元模型計算結(jié)果對比高度一致，如圖5。
圖4 應(yīng)變分布
圖5 有限元模型與試驗結(jié)果對比
結(jié)論
本文中的工作說明了3D掃描激光測振儀在金屬超聲疲勞試驗領(lǐng)域的應(yīng)用的可行性。不同疲勞狀態(tài)的試驗件特征模態(tài)的測試結(jié)果說明了當前疲勞狀態(tài)特征化與疲勞失效定位的可能性，3D掃描激光測振儀在超聲疲勞試驗中為非接觸疲勞測試，高空間分辨率提供可能，并成為沿標距長度的高機械壓力的應(yīng)變測試的可選手段。
