Q235母材及焊接接头超声疲劳试验

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1、http://www.paper.edu.cnQ235母材及焊接接头超声疲劳试验王康，霍立兴，王东坡，吴良晨天津大学材料科学与工程学院，天津(300072）E-mail:risewk@yahoo.com.cn9摘要：超声疲劳是指疲劳周次达到10及以上时材料的疲劳行为，超声疲劳试验是一种可以9可靠的进行10以上循环周次的疲劳试验方法。本文内容主要包括超声疲劳的发展；超声疲劳试验系统的组成部分；超高周次循环载荷下，Q235母材及焊接接头试件的S-N曲线特征、断口特征及疲劳裂纹萌生源等。超声疲劳S-N曲线呈持续下降形，并没有出现疲劳极限。关键词：超声疲劳

2、；S-N曲线；焊接接头；裂纹次表面萌生1．引言随着现代产业的发展，许多工业部门（如飞机，汽车以及近海结构等），其零部件经常9承受高频低幅载荷，重复循环载荷次数可高达10周次以上。用超声疲劳实验技术得到的材10[1~6]料超高周疲劳性能研究表明，许多材料直到10个应力循环以后依然发生疲劳断裂。因7此用10周次常规疲劳试验数据对零部件进行疲劳强度设计不安全。为了适应工程的需要，7保证构件的安全性，有必要而且必须研究材料在10周次以上的超高周疲劳性能。[7]20世纪50年代，Manson首先采用压电磁致伸缩原理发明了超声疲劳试验机（加载频率在15KHz~

3、40KHz之间），其原理是现代超声疲劳试验技术的基础。1959年，Neppiras首次将超声疲劳试验技术用于材料疲劳的S-N曲线测定。1973年，Mitsche等率先将这一技术用于测量疲劳裂纹扩展。由于这一试验技术对航空航天领域部件的实际承载状态有较好的模拟，便于研究其机械损伤，近年来各航空大国(美、法等)争相投入较大的人力、物力和财力进行全面研究，研究领域逐渐拓宽，其研究包括各种加载形式及环境条件下工程材料的超高周次疲劳寿命、裂纹扩展试验，研究的材料包括各航空航天、汽车、海洋工程等工业部门关键结构中用到的钢、铝、钛等。美国ASM已经正式将超声疲劳

4、试验纳入《MetalHandbook,Vol.8,MechanicalTesting》中，并且开始进行规范试验方法的工作。超声疲劳试验机的典型频率为20KHz，如此的高的频率不仅可以节省疲劳试验时间，7还可以测得N>10周次超高周疲劳性能。例如用一台20Hz的常规试验机对一个试件进行循9环加载，要达到10个应力循环需要14个多月，同样的试验用超声疲劳试验机则只要14个小时。本文采用天津大学自主研发的超声疲劳试验系统，分别进行了Q235母材和Q235焊接接头610试件的超高周疲劳性能研究，测定了10~10周次范围内的超声疲劳S-N曲线，并用扫描电镜对

5、超声疲劳断口的微观形貌进行分析研究。2.超声疲劳试验2.1超声疲劳试验系统的组成超声疲劳试验是一种加速共振式的疲劳试验方法，其实质是在被加载试件上建立机械谐振波。超声疲劳试验可用的频率范围为15~40KHz，但系统的共振频率一般按照20KHz进行[8]设计，应用这一频率考虑以下两个因素：(1)18KHz以上的频率值超出了人的听力范围，这样可以减少超声对人耳的损伤。(2)试件的共振长度与超声频率成反比例关系，因此适合的测试频率是有一定范围的。-1-http://www.paper.edu.cn对大多数金属材料，10～40KHz的频率范围对应的试件共振

6、长度大约为5～15cm。通过以上两点得出20KHz这一频率即考虑了人身安全又结合了试件的尺寸设计。图1超声疲劳加载系统及位移、应力曲线超声疲劳试验系统分两部分：一是超声疲劳试验加载系统；二是数据采集和传输系统。加载系统如图1所示，其主要组成和功能如下：(1)超声频率发生器：将50Hz的电信号转化为20KHz的超声正弦波电信号输出，通过调整电压来改变正弦波的振幅。(2)压电陶瓷换能器：将电源提供的交频电信号转化成同样高频率的机械振动信号。(3)聚能器：放大（或特别情况下减小）来自压电换能器的机械振动幅度，并与试件构成谐振系统，在试件中建立交变应变场，

7、使试件获得所需要的应变振幅。聚能器和安装的试件均需要满足具有20KHz的共振频率。(4)试件:设计为狗骨形状。试验数据采集和传输系统主要由数据采集和传输装置、测试软件、动态应变仪、示波器和计算机组成。用计算机辅助控制，可以随机调控加载水平，实时测量、记录试验参数。2.2超声疲劳试件图2Q235母材超声疲劳试件-2-http://www.paper.edu.cn图3Q235焊接接头超声疲劳试件（等截面20mm）3超声疲劳试验中，试件所用材料为Q235，Ed＝210GPa，ρ=7.8g/cm。Q235母材试件设计为中间无等截面的圆柱狗骨形，见图2。试件

8、具体尺寸为2R1＝4.9mm，2R2＝16mm，2L＝60mm，L1＝20mm，L2＝10mm。Q235焊接接头试件也是采