（材料加工工程专业论文）超高周范围16mn母材及焊接接头疲劳性能研究.pdf

摘要 随着工业技术的发展，许多工业零部件受高速交变载荷的作用，在服役期内 构件疲劳工作寿命己达1 0 9 周次，甚至更高。使用常规疲劳试验技术只已经不能 满足工业技术发展的要求。因此，关于材料在1 0 7 周次以上疲劳寿命引起了广泛 关注。 用现有的常规疲劳试验方法完成1 0 7 1 0 1 0 超高周范围内疲劳试验要耗费大 量的时问和费用。因此，本文利用一种加速疲劳实验装置即超声疲劳实验装置对 以1 6 m n 为材料的超声疲劳试件进行了研究。 由于一直以来超声疲劳设备的研制是困扰人们研究材料超高周疲劳的一个 重要问题，因此本文首先对本次试验所使用的，本课题组自行研制的h j - i i 型超 声冲击机作了简要介绍，并对其数字化核心技术d s p 硬件控制电路设计作了详细 的说明。 同时由于超声疲劳试验对试件的尺寸和样式有严格的要求，因此本人又对试 件的样式进行了设计，并按照严格的公式推导出试件的尺寸。 最后对以1 6 m n 为材料的试件进行了超声疲劳试验，并得出与传统的在1 0 7 存在疲劳极限的不同的s - n 曲线，即连续下降的s n 曲线。因此得出用1 0 7 循环 周次下的条件疲劳极限去设计服役寿命在1 0 9 循环周次以上的结构件是很危险 的，这一重要结论。 同时通过显微电镜对断口的宏观行貌进行观察，发现裂纹一般在试件表面或 次表面起裂，区别于当今国际上关于材料超高周疲劳裂纹萌生机制的主流观点。 即在对材料施加超高周循环载荷的情况下，材料的裂纹在内部或次表面夹杂处萌 生。 关键词：超声疲劳；d s p 控制；s n 曲线；应力集中系数 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g y , al o to fi n d u s t r yc o m p o n e n t s w e r ea f f e c t e db yh i g hs p e e dc y c l eo fl o a d i n g t h ew o r k i n gl i f eo ft h ec o m p o n e n t a l r e a d yn e e d st oe n d u r e 10 9 c y c l e se v e nh i g h e ri nt h em i l i t a r ys e r v i c e u s i n gt h e r o u t i n ef a t i g u et e s tt e c h n o l o g yi su n a b l et oa d j u s tt ot h er e q u e s to fd e v e l o p m e n to f i n d u s t r i a l t h u st h ef a t i g u ep r o p e r t yo fm e t a l l i cm a t e r i a l si nt h eu h c fr a n g et e n d s t o b ea ni m p o r t a n ts u b j e c ti nt h em e c h a n i c a ld e s i g nt oe n s u r et h el o n gt e r ms a f e t yo f t h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r e s s i n c ep e r f o r m i n ge x p e r i m e n t so ft h eu l t r a h i g h - - c y c l er e g i m ei nt h er a n g eo f 10 7 - 10 1 0c y c l e su s i n gac o n v e n t i o n a lf a t i g u et e s t i n gm e t h o di sv e r yt i m ec o n s u m i n g a n de x p e n s i v e ，i nt h i sp a p e r , ak i n do fa c c e l e r a t i o nf a t i g u et e s tt e c h n i q u e ，c a l l e dt h e u l t r a s o n i cf a t i g u et e s t i n g ，w a sd e v e l o p e da n ds t u d i e d t h ed e s i g no f u l t r a s o n i cf a t i g u ee q u i p m e n ti sa ni m p o r t a n tq u e s t i o nw h i c hm a k e s p e o p l ep u z z l e dal o n gt i m e s o ，if i s ti n t r o d u c et h ee x p e r i m e n te q u i p m e n tc a l l e dh j i i u l t r a s o n i cp e e n i n gm a c h i n ew h i c hw a sd e v e l o p e db yo u rt e a m , a n dm a k ead e t a i l a b o u tt h ec o r et e c h n i q u e t h ed e s i g n i n go ft h eh a r d w a r ec i r c u i to fd s e at h es a m et i m e ，u l t r a s o n i cf a t i g u es p e c i m e nm u s tb ed e s i g n e dv e r yp r e c i s e l y ， s oid i dt h ej o ba n dd e s i g n e dt h es h a p ea n dd i m e n s i o nb ya c c u r a t e l yd e d u c i n g a tl a s tiu s e dt h es p e c i m e nw h i c hi sm a d eo f16 m n t od ot h eu l t r a s o n i cf a t i g u e t e s t a sar e s u l to ft h et e s tig o ta ns nc u r v ew h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a l o n e i ti sac u r v ew h i c hi sd e c l i n e dc o n t i n u o u s l y s oim a d ea ni m p o r t a n tc o n c l u s i o n w h i c hi st h a ti ti st o od a n g e r o u st od e s i g nas t r u c t u r ew h i c ho n l yc a ne n d u r e10 c y c l e s b u tw e r eu s e di nt h es i t u a t i o nw h e r e t h el o a d i n gw e r e10 c y c l e s i na d d i t i o n ，ii n s p e c tt h em a c r os h a p eo ft h ef r a c t u r e s e c t i o nb ye l e c t r o n i c m i c r o s c o p e ，a n df o u n dt h a tt h ec r a c ka l w a y so r i g i n a t ei n s i d e i ti sj u s ta st h es a m e a s t h em a i ni d e aa b o u tt h el a wo fw h i c ht h ec r a c ko r i g i n a t e i ti st h a tt h ec r a c ko f m a t e r i a lw i l lo r i g i n a t ei n s i d eo ri nt h es e m i s u r f a c ei nw h i c ht h e r ei sal o to fd e f e c t w h e nt h em a t e r i a li se x e r t e ds u p e rh i g hc y c l el o a d i n g k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cf a t i g u e d s pc o n t r o l ，s nc u r v e ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o n f a c t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 文作一。需 签字日期：妒7 学位论文版权使用授权书 卧专日 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者答名：暂 签字日期：刃7 年6 月l 罗日 导师签名： 孑缈 签字日期：砂叼年多月厂夕日 第一章绪论 1 1 选题背景 1 1 1 超声疲劳试验的产生 第一章绪论 随着工业技术的发展，在航空航天、汽车、高速列车等许多工业领域其零部 件受高速交变载荷的作用，在服役期内构件疲劳工作寿命已达1 0 9 周次，甚至更 高。使用常规疲劳试验技术只能满足传统的疲劳极限定义1 0 7 周次。因此，并不 能满足当前疲劳寿命1 0 9 周次以上( 包括1 0 9 周次) 的需要。并且需要很长时间， 不仅浪费了时间，而且耗费了大量的人力和物力资源。因此，人们迫切的需要一 种切实可行的，进行材料高周疲劳的试验方法。于是超声疲劳试验应运而生【1 , - j o 自十九世纪中期w o h l e r 报道疲劳试验结果以来，疲劳试验的研究已经有1 5 0 年，但是高频试验机的发展却进行的相当缓慢。在2 0 世纪初以前，使用机械驱 动的试验机能达到的最高循环载荷频率只有3 3 h z 。1 9 1 1 年，h o p k i n s o n 发明了 可进行11 6 h z 试验频率的电动共振疲劳系统。j e n k i n 在1 9 2 5 年用同样的技术实 现了2 k h z 频率的疲劳试验。p 1 材料高周疲劳试验方法在1 9 5 0 年m a s o n 基于压电磁致伸缩原理并利用高 能超声波谐振技术建立了超声疲劳试验方法后，才取得的了突破性的进展。该试 验工作频率一般在1 5 2 2 k h z ，开辟了超声振动技术在材料疲劳损伤与循环寿命 研究领域的新阵地。同时也为各国材料科学工作者对材料超高周疲劳特性的进一 步研究提供了崭新的试验工具。【4 】 1 1 2 超声疲劳试验的发展情况 目前超声疲劳试验系统已经先后在美国，法国，奥地利，日本澳大利亚和中 国等大学和研究机构建成并开展了大量的研究工作。当前，以法国a t h i a s 教 授和奥地利s t a n z l 教授各自领导的实验室在超声疲劳研究中居领先地位；日 本国立金属研究院也建立了超声疲劳实验室；国内天津大学，北京航空航天大学 等高校也在开展这方面的工作，尤其是天津大学已经自行开发和研制出了世界上 第一台基于压电陶瓷技术的超声冲击机。【5 】 第一章绪论 1 2 选题意义 近二十年来对材料超高周疲劳性能的研究主要集中在试验载荷为对称载荷， 即应力比r = 1 。而对于试验载荷为非对称载荷的研究几乎没有。由于工程构件 不可避免的存在机构上的应力集中部位，且载荷条件也常为非对称循环，因此有 必要开展在非对称加载条件下材料超高周疲劳性能的研究。 随着我国工程技术的发展，大量工程机械( 如汽车、高速与提速车辆、发电 设备等) 中的零部件在服役期内其实际疲劳工作寿命处于1 0 8 1 0 1 0 周次的超高 周疲劳范围内，为提高结构疲劳强度设计的精度，保证结构运行的安全，有必要 开展材料超高周疲劳性能及断裂方面的研究。对提高工程结构和设备零件疲劳强 度设计的准确性、可靠性，保障构件运行的安全将具有重要意义。 由于超声冲击试验具有节约时间，节省资源等优点，因此将带来巨大的经济 效益，同时对于材料超高周疲劳的深入研究，促进材料科学的发展，具有深远的 影响。 1 3 本文的研究目的和内容 本文通过本课题组自主开发的超声疲劳试验系统装置进行1 6 m n 母材和焊 接接头试件的超声疲劳性能试验，研究材料为的1 6 m n 试件在超高周疲劳寿命情 况下的s 。n 曲线有无疲劳极限，疲劳裂纹的萌生源等。本文内容包括以下几个方 面： 1 ，对本课题组自主研制的超声疲劳系统的原理进行了简要的说明 2 ，对本次试验的主要工具本课题组自行研制的超声冲击机进行了介绍， 对d s p 控制的硬件设计部分做了详细的介绍。并简要的介绍了d s p 控制的 软件设计部分。 3 ，对超声疲劳试验的的试件的尺寸和样式进行了设计。 4 ，在室温、频率为2 0 k h z 及r = 一l 的情况下，分别进行1 6 m n 母材和焊接 接头试件的超声疲劳试验，画出s n 曲线。 5 ，对实验结果进行了分析和总结。 6 ，计算了焊趾处的应力集中系数。 2 第二章疲劳的基本理论 第二章疲劳的基本理论 疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式，疲劳破坏是工程结构和机械失效 的主要原因之一，它发生在承受交变或波动应变的构件中。一般来说对应于该应 变的最大应力要低于材料的抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此断裂往往是 无明显塑性变形的低应力断裂睁7 i 。所以结构疲劳研究有着重要的意义。 2 1 疲劳及疲劳寿命 2 1 1 疲劳 疲劳用来表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。疲劳的定义是：金属材 料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳；一般情况下，这个术语 特指那些导致开裂或破坏的性能变化。 2 1 2 疲劳寿命 疲劳寿命是指结构或者机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。 从疲劳损伤发展过程看，有二阶段疲劳寿命模型、三阶段疲劳寿命模型和多 阶段疲劳寿命模型。二阶段模型将疲劳寿命分为裂纹形成和裂纹扩展；三阶段模 型认为疲劳损伤由无裂纹、小裂纹和大裂纹三个阶段组成；多阶段模型将小裂纹 阶段细分三个阶段：微观小裂纹，物理小裂纹和结构小裂纹。从设计准则看又分 安全寿命、经济寿命、可靠性寿命、使用寿命、设计寿命、剩余寿命等。 按照疲劳机理可以将影响疲劳寿命的因素分为三个：影响局部应力应变大小 的因素，如载荷特性( 应力状态、循环特性、残余应力等) 、零件的几何形状等； 影响材料微观结构的因素，如材料种类、热处理状态( 影响材料的缺陷分布、 缺陷种类等) 、机械加工等；影响疲劳损伤源的因素，如表面粗糙度、腐蚀和应 力腐蚀等。 对于疲劳寿命的确定过去经常认为疲劳寿命主要决定于裂纹产生，而造成失 效的疲劳裂纹扩展只占疲劳寿命的很少部分。但是随着裂纹检测技术的发展，发 现裂纹的增大和扩展是决定疲劳寿命的主要因素。如果仔细地分析疲劳断口，可 第二章疲劳的基本理论 以看到在疲劳核心周围，存在着以疲劳核心为交点的非常光滑、非常细洁、贝纹 线不明显的狭小区域。这是由于疲劳裂纹在该区扩展速度很慢以及裂纹反复张开 和闭合而使断面磨光的缘故。这个区域从本质上看已属于疲劳裂纹扩展区。 现今确定疲劳寿命的方法主要有是试验分析法。试验分析法是依据材料的疲 劳性能，对照结构所受到的载荷历程，按照分析模型来确定结构的疲劳寿命。任 何一个疲劳寿命分析方法都包含三部分的内容：材料疲劳行为的描述、循环载荷 下结构的响应及疲劳累积损伤法则。分析法主要目的是降低疲劳分析对于大量试 验的依赖性，减少分析处理方法中的经验成分。 2 2 疲劳的破坏形式 材料的疲劳破坏可以以多种形式表现， 疲劳破坏如按受力方式不同，可分为： 合载荷疲劳。 最常见的有以下几种：【5 8 】 弯曲疲劳、拉压疲劳、扭转疲劳和复 如按载荷与时间的关系确定与否，疲劳破坏可分为：定常疲劳( 载荷与时问 有确定的函数关系) 和随机疲劳( 随机载荷作用下的疲劳) 。 但是按疲劳破坏前材料所经历的循环周次来划分疲劳破坏的形式是目前研 究工作的主要方向，按此方式疲劳破坏可分为：低周疲劳、高周疲劳、超高周疲 劳。 低周疲劳：疲劳破坏的循环次数低于1 0 4 1 0 5 ，又称低循环疲劳。其特点是 作用于构件的应力水平较高，材料处于塑性状态，应力和应变成非线性关系。表 征材料低周疲劳性能的有应变一寿命( 忉曲线和循环应力一应变曲线，疲 劳试验过程中通过应变幅来控制，故低周疲劳又称应变疲劳。 高周疲劳：疲劳破坏的循环次数高于1 0 5 以上，又称高循环疲劳。其特点是 作用于构件的应力水平低于材料的屈服强度，材料处于宏观弹性变形状态，应力 和应变呈线性关系，表征材料高周疲劳性能的是应力一寿命曲线( s n 曲线) 。 高周疲劳试验通过应力幅来控制，故高周疲劳又称应力疲劳。 超高周疲劳：将循环破坏次数在1 0 7 周以上的疲劳称为超高周疲劳。在超高 周疲劳范围内，循环应力幅远低于材料的屈服强度。传统疲劳研究认为材料在 1 07 周次附近存在一个疲劳极限，构件载荷应力幅低于该疲劳极限，材料有无限 寿命。近三十年来，随着对材料超高周疲劳性能研究的发展，已有许多研究成果 显示，材料在1 07 周次以上超高周疲劳阶段仍然发生疲劳断裂，( 由图1 1 ) 且 材料在超高周疲劳阶段存在有别于一般疲劳裂纹表面萌生的另一种疲劳裂纹萌 生机制，即疲劳裂纹内部萌生机制。p ”l 4 第二章疲劳的基本理论 2 3 疲劳的断裂机理 疲劳断裂一般由三个阶段所组成：即疲劳裂纹的形成；第二阶段：裂纹扩展 残余截面不能再承受施加载荷时构件发生断裂。可以说，这三个阶段之间没有严 格界限，例如疲劳裂纹“产生 阶段的定义就带有一定的不确定性，这主要是因 为不同研究领域采用不同的裂纹检测技术引起的。从研究疲劳机制出发，有人采 用电子显微镜，把裂纹长到1 0 m ( 1 0 0um ) 之前定义为裂纹产生阶段，但从工 程实用角度出发，则又可以把以低倍显微镜( x1 0 ) 看到之前的裂纹定义为裂纹 产生阶段。同样最后断裂的定义也不严格，一般也根据结构的类型而定。因此在 实际工程中预测材料疲劳寿命是很复杂的【1 二1 4 1 。 对于材料的疲劳破坏来说，可以把典型的疲劳失效断裂表面分成三个区域： 疲劳核心区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破坏区。它们分别表征着疲劳寿命中的三个 过程。【1 5 】 2 3 1 疲劳裂纹的形成【1 6 】 对应于裂纹产生，第一区域不大，最多为2 5 个晶粒范围。在每个晶粒中， 其断裂表面是沿着一定晶面进行的，即当疲劳裂纹的核心一旦在试样表面滑移带 或缺陷处晶界上形成后，立即沿滑移带的主滑移面向金属内部扩展，此滑移面的 走向大致与正应力呈4 5 度交角。当裂纹遇到晶界时，其位向稍有偏离，但就裂 纹的宏观平面的总体来说，仍保持与应力方向的滑移面扩展，在某些情况下，第 一阶段的表面很难辨认。1 o j 2 3 2 疲劳裂纹的扩展 在交变载荷作用下，疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位形成。对于 承受交变载荷作用的金属材料，由于晶粒取向不同，以及存在各种宏观或微观缺 陷等原因，每个晶粒的强度在相同的受力方向上是各不相同的，当整体金属还处 于弹性状态时，个别弱晶粒已经进入塑性应变状态，这些首先屈服的晶粒可以看 成是应力集中区。一般认为，具有与最大切应力面向一致的话一面的晶粒首先开 始屈服，出现滑移，随着循环加载的不断进行，滑移线的量加大成为滑移带，并 且不断加宽、加深形成“挤出”和“挤入”现象，挤入部分向滑移带的纵深发展， 从而形成疲劳微裂纹。这些微裂纹沿着和拉应力成4 5 。的最大且应力的方向传 播，这是疲劳裂纹扩展的第一阶段( 这一阶段所占面积很小。约十分之几毫米) 。 当裂纹扩展到一定长度后，逐渐改变方向，最后沿着与拉伸应力垂直打方向生长， 5 第二章疲劳的基本理论 进入到裂纹扩展的第二个阶段。 在循环加载下裂纹继续扩展，承受载荷的横截面面积继续减小，直到有效面 积不能承受载荷时，构件就达到最终断裂阶段。 有关疲劳裂纹的扩展机制有多种模型可以描述，目前广泛流行的一种模型是 塑性钝化模型。当卸载时，裂纹闭合，其尖端处于尖锐状态。开始加载时，再切 应力作用下，裂纹尖端上下两侧沿4 5 。方向产生滑移，是裂纹尖端变钝，当拉 应力达到最高值时，裂纹停止扩展，开始卸载时，裂纹尖端的金属又沿4 5 。反 方向滑移，继续卸载时，裂纹尖端处由逐渐闭合到全部闭合，裂纹锐化，这样每 经过有个加载、卸载后，裂纹由钝化到锐化并向前扩展一段长度。在断口表面就 会留下条痕迹，这就是金相断口上通常看到的疲劳条文或称疲劳辉纹。【1 6 】 2 3 3 断裂 当继续加载时机发生断裂，断口可能是脆性的，也可以是延性的，也可以二 者兼而有之。 2 3 4 断口特征 对于材料的疲劳破坏来说，可以把典型的疲劳失效断裂表面分成三个区域： 疲劳核心区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破坏区。它们分别表征着疲劳寿命中的三个 过程。 疲劳源区是疲劳裂纹的形成过程在断口上留下的真实记录。由于疲劳源区一 般很小，所以宏观上难以分辨疲劳源区的断面特征。疲劳源一般总是发生在表面， 但如构件内部存在缺陷，如脆性夹杂物等，也可在构件内部发生。疲劳源数目有 时不止一个，而是有两个甚至两个以上，对于低周疲劳，由于其应变幅值较大， 断口上常有几个位于不同位置的疲劳源。 疲劳裂纹扩展区是疲劳断口上最重要的特征区域。其宏观形貌特征常呈现为 贝壳状或海滩波纹状条纹，而且条纹推进线一般是从裂纹开始向四周推进，呈弧 线条纹，并且垂直于疲劳裂纹的扩展方向。其微观特征是疲劳条纹，又称疲劳辉 纹，每一贝壳花纹内有千万条。它通常是明暗交替的有规则的相互平行的条纹， 每条条纹代表一次载荷循环。 最终破坏区是疲劳裂纹扩展到临界尺寸之后发生的快速破断。他的特征与静 载拉伸断口中快速破坏的放射性及剪切唇相同，但有时仅仅出现剪切唇而无放射 区。对于非常脆的材料，此区为结晶状的脆性断口。【1 6 j 6 第二章疲劳的基本理论 2 4 超高周疲劳断裂机制的特点 和常规高周疲劳断裂一样，超高周疲劳的断裂也分为裂纹形成、裂纹的扩展 及断裂。目前国际对超高周疲劳源的形成己得到较为明确的结论。其区别于常规 高周疲劳的裂纹形成机制，可解释两者s - n 曲线的不同。 高周疲劳有单个表面裂纹源，其机理均为滑移造成材料表面的挤入挤出，逐 渐形成持久滑移带p s b ( p e r s i s t e n ts li pb a n d ) 。由p s b 发展成与主应力方向约 成4 5 。角的表面裂纹( 第一阶段) ，在跨过几个晶粒之后，逐步转向垂直于主应 力方向的主裂纹( 第二阶段) 。i 蛔而超高周裂纹的扩展及断裂还尚待进一步的研 究。 许多研究表明在常规高周疲劳( h c f ) 范围内( 1 0 6 1 0 7 循环周次) 疲劳裂 纹在试样表面萌生，而在超高周疲劳( u h c f ) 范围内，疲劳裂纹在试样内部缺陷 处萌生，即材料存在疲劳裂纹表面萌生和内部萌生两种机制【17 1 9 j 。有关疲劳裂纹 内部萌生机制对应的疲劳寿命( s - n ) 曲线的形态存在争议，m u r a k a m i u l 和 n i s h i j i m a 、k a n a z a w a 【2 1 1 等人认为材料在1 0 7 循环周次附近有一个表面疲劳萌生极 限，称为表面疲劳极限，应力幅低于表面疲劳极限，表面萌生机制对疲劳破坏不 在起作用，疲劳破坏将以疲劳裂纹内部萌生方式产生，并认为疲劳裂纹内部萌生 机制对应的s - n 曲线在一定低的应力幅时会出现另一个疲劳极限，即内部疲劳极 限。但m u r a k a m i 又对此作了一些变动，认为疲劳裂纹内部萌生机制对应的s n 曲 线没有疲劳极限，将随应力幅的下降连续下降。b a t h i a s 2 2 】的工作也提出了同样 的观点，认为超高周疲劳裂纹在内部萌生，其s - n 曲线没有疲劳极限和无限寿命。 超高周疲劳与常规高周疲劳的s - n 曲线的比较如图i - i 应 力 循环次数 图2 1传统与最新研究的s - n 曲线对比 7 第二章疲劳的基本理论 2 5 影响材料超高周疲劳性能的因素 影响材料疲劳行为的因素很多，包括材料的组织结构、加载频率、加载方式、 环境影响、载荷特征、表面状况和温度等等，以及各因素之间的交互作用。 ( 1 ) 频率的影响。超声疲劳实验技术是一种快速的疲劳试验方法，其试验频 率很大，变形速率也很大。如果频率有影响则超声试验数据就不能直接作为低频 载荷作用下疲劳强度设计的依据。 4 3 - 4 5 l ( 2 ) 组织结构对材料疲劳性能的影响。大量的常规疲劳试验表明【3 引，热处理 对金属材料低周和高周的疲劳性能有较明显的影响，如细化晶粒可以提高材料的 疲劳强度 ( 3 ) 材料缺口应力集中对材料超高周疲劳性能的影响。对4 0 c r 钢和5 0 钢光滑 试样和缺口试样在1 0 5 1 0 1 0 周次范围内疲劳性能的对比研究结果显示，缺口应力 集中对材料疲劳性能的影响呈现“阶段性特征”。 3 9 - 4 1 】 ( 4 ) 平均应力对s n 曲线的影响。在1 0 7 周次范围内的常规疲劳试验，平均 应力对材料疲劳性能的影响已经积累了大量的试验数据，在应力幅相等的情况 下，随着平均应力的增加，材料的疲劳寿命下降，拉伸平均应力对材料提供不利 影响。但是在超声频率加载下，平均应力对材料疲劳性能的影响由于试验设备条 件的限制，目前少有报道。【4 2 j 8 第三章超声疲劳试验原理及设备 第三章超声疲劳试验原理及设备 同其他科学实验一样，超生疲劳实验系统主要由试验设备和试验工件构成。 本次试验的核心设备是本课题组自行开发和研制的基于压电陶瓷原理的h j i i 型超生冲击机。 3 1 超声冲击机原理及主要功能简介 3 1 1 超声冲击机原理简介 超声冲击机通过超声波发生器将电网上5 0 i - i z 工频交流电转变成超声频的 2 0 k h z 交流电，用以激励声学系统的换能器，将电能转换成相同频率的机械振动， 在自重及外界施加的定压力作用下，将这部分超声频的机械振动传递给试件， 使其发生谐振，从而能够使试件能够以很高的频率振动，在短时间内达到较高的 应力循环次数，实现在短时间内超材料的超高周疲劳。【肄2 6 】 3 1 2 超声冲击机的主要功能 超生冲击机的主要功能是可以显著改善焊接接头的性能，使以焊趾为中心的 一定区域的焊接接头表面产生足够深度的塑变层。从而有效地改善焊缝与母材过 渡区( 焊趾) 的外表形状，使其平滑过渡，降低了焊接接头的应力集中程度，使焊 接接头附近一定厚度的金属得以强化，重新调整了焊接残余应力场，形成较大数 值的有利于疲劳强度提高的表面压应力，同时也改变了接头区域的微观组织，致 使冲击处理后的接头疲劳强度得以显著提高。 s l 3 2 超声冲击试验系统 3 2 1 超声冲击试验系统介绍 由超声冲击机和试件就组成了超生疲劳试验系统的主体部分，试验系统的结 构框图如图3 一l 所示。 超声疲劳试验机大致分为两部分： ( 1 ) 试验加载系统：包括超声波发生器；压电陶瓷换能器；变幅杆； 超声波发生器：将5 0 h z 的电信号转变为2 0 k h z 的超声正弦波电信号输出，可通 9 第三章超声疲劳试验原理及设备 过调整电压来改变正弦波的振幅。 a 压电陶瓷换能器：将电源提供的电信号转化成机械振动；变幅杆具有放 大或衰减来自换能器的振动振幅的作用。 b 变幅杆( 位移放大器) ：主要作用是放大来自压电陶瓷换能器的振动位移 振幅，使试样获得所需的应变振幅。 ( 2 ) 试验数据采集和传输系统：由数据采集和传输装置、测试软件、动态应 变仪、示波器或计算机组成。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。 图3 1超声疲劳试验装置的结构框图 3 2 2 引进d s p 的必要性 由于在超声冲击机中，声学负载的起伏和温度的变化，系统的谐振频率会发 生一定的偏移，引起整个系统失谐，导致冲击处理失败，因此必须配有精确的频 率跟踪系统。模拟系统中，采用基于4 0 4 6 锁相环的频率跟踪法，关键在于精确、 快速获得声学系统激励电流与电压之间的相位差。 当声学负载处于谐振时，其上的电流与电压同相位。当其呈感性时，相位差 为正，呈容性时为负。相位差的大小与正负表明了激励信号的频率与声学负载固 有频率之间的关系。可以把电流电压的相位差取出，作为控制信号。对发生器的 电流电压进行实时采样，并进行移相、限幅、滤波和波形转换处理。但是，整个 超声冲击处理系统的谐振频率在一定的范围内变动，带宽的中心频率为2 0 k h z 。 阻抗随频率的变化在中心频率之后呈陡降趋势，而且模拟器件受外界环境影响较 为严重，各种参数会有所漂移，增加系统误差。由于上述方法的响应时间过长， 跟踪速度达不到要求，且精度不够高，极易失谐，因而要引入一种新型控制方法 来实现。 1 0 第三章超声疲劳试验原理及设备 3 3d s p 控制系统的硬件电路设计 d s p 硬件电路的设计与连接是完成超声冲击机数字化转变的重中之重，在 此基础上才可以利用软件来实现控制功能，充分发挥d s p 芯片运算速度方面的 优势。一个d s p 硬件系统可以分为最小硬件系统设计和外围接口设计两个部分， 其功能主要有： 按一定比例提升采样电压和电流并进行滤波，以适应d s p 中a d 转换器的 要求； 令为芯片提供合适的工作电压和工作环境，保证其正常运转； 今对控制信号进行相应处理，使其与超声冲击机的控制元件在电压和功率上做 到兼容。 令经过内部信号处理，将输出放大，用以驱动主电路部件，完成信息的反馈。 3 3 1 总体结构 硬件结构的总体流程如图3 2 所示。功率部分仍保留原有的结构，只是控制 部分中嵌入了d s p 数字频率跟踪系统，代替了模拟的器件。 2 7 1 3 3 2 控制芯片 图3 - 2 硬件结构总体流程 针状冲击头 j 屙 工件 控制芯片是整个设计的核心，所有的硬件电路都是围绕着控制芯片来组织 第三章超声疲劳试验原理及设备 的，都是直接或间接为其服务的。所以，了解芯片的基本功能，选择其中的一些 功能来实现控制系统的基本要求是十分重要的过程，也是硬件电路设计的前提和 基础。 控制芯片的选择需要根据系统所需要的资源来选择，在本控制系统中所需要 的资源有：超声冲击机中的反馈电流和反馈电压各需要两路p w m 发生器；采样 电流和采样电压各需要一路a d 转换口；最重要的是超声冲击机中采样电流和 采样电压的频率都是2 0 k h z ，而且要求在每一个采样周期至少要采2 0 个点，这 就要求控制芯片的执行速度至少在2 0 m i p s 以上。 考虑以上需求，选用美国德州仪器公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制芯片， 该芯片实时合于工业控制的一种d s p 。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有完美的性能并综合 最佳的外设接口，它集成了闪存、高速a d 转换器、高性能的c a n 模块等。该 芯片具有较高的性价比，开发时问短，开发难度低，可以有效的降低开发成本。 【2 8 】 3 3 3d s p 最小系统设计 要应用d s p ，系统必须有一个最小系统( 包括时钟电路、复位电路、电源等) 。 如图3 3 所示系统是一个带有仿真器接口的最小系统，( 复位通过仿真器来进行) 。 3 3 3 1 复位电路 系统中能引起复位的信号源有：f 2 9 】 1 电压调节器产生的复位信号( p w r o nr s t ) 。 当电压在一个指定的范围时，电压调节器会产生一个复位信号，经过译码逻 辑处理后再到l f 2 4 0 7 a 的复位引脚r s ( 低有效) 。 2 内部的看门狗定时器溢出。 3 3 3 2 时钟电路 给d s p 芯片提供时钟一般有两种方法。一种是利用d s p 芯片内部所提供的 晶振电路，即在d s p 芯片的x 1 和x 2 c l k i n 之间连接一晶体，来启动内部振荡 1 2 第三章超声疲劳试验原理及设备 图3 - 3d s p 最小系统 1 3 第三章超声疲劳试验原理及设备 器；另一种方法是将外部时钟源直接输入x 2 c l k i n 引脚， 封装好的晶体振荡器的方法使用方便，因而得到广泛应用。 v c c 输出 晶体振荡器 n cg n d 图3 - 4 晶振引脚示意图 x 1 悬空。这种采用 3 0 】 如图3 3 ，只要在引脚4 上加5 v 电压，引脚2 接地，就可以在引脚3 上得到所 需的时钟，其中引脚1 悬空。 早期的d s p 芯片一般工作频率较低，因此其工作频率与外部提供的频率相 等或是外部频率的2 分频或4 分频。随着d s p 芯片速度的提高，如果仍然采用 这种方式，势必要求外部频率很高，必然会引起高频干扰，影响系统的稳定性。 因此，现在的d s p 芯片一般提供多种工作方式，不仅具有传统的分频方式，还 增加了倍频方式。系统控制和状态寄存器1 ( s c s r l ) 的1 1 9 位( c l kp s 2 c u p s 0 ) 为p l l 时钟预定标选择，可选择范围为4 l i n g o 5 n 。 一般地，由于d s p 的程序需要从外部低速e p r o m 中调入，可以采用较低 工作频率的d s p 复位时钟模式，待程序全部调人到内部快速r a m 后，再用软件 重新配置c l kp s 的值，使芯片工作在较高频率上。现选择外部晶振频率是 2 0 m h z ，则复位后d s p 的工作频率是2 0 m i - i z 2 = 1 0m h z ，通过设置s c s r l ，就 可以使d s p 工作在4 1 0m h z - - - 4 0m h z 的频率上。 3 3 3 3 电源设计 为了降低芯片功耗，近来推出的d s p 芯片大部分采用低电压供电，并且采 用内核电压和i o 电压分开的方式。本电源设计中，采用5 v 与3 3 v 并存的方式， l f 2 4 0 7 a 芯片的供电电压只能是3 3 v ，因此，使用了t p s 7 6 8 3 3 q p w p 元件作为 5 v 3 3 v 的转换芯片。【3 1 】 3 3 3 4 等待状态发生器 1 4 第三章超声疲劳试验原理及设备 当d s p 与外部低速器件( 如存储器) 接口时，为了保证两者之间时序的配 合，通常需要插入等待状态。插入等待状态一般有以下两种方式： 1 采用硬件插入等待 早期的d s p 芯片内部没有集成等待状态发生器，因此需要在外部用硬件 实现。如对r e a d y 进行相应连线或使用级联j k 触发器等。但采用硬件插 入等待的方式是比较麻烦的。 2 采用软件设置插入等待【3 2 1 现在的d s p 芯片一般在内部都设有等待机制，可以由准备信号或通过软件 设置来初始化，从而省去多 b d n 硬件。 一个外部设备通过使r e a d y 信号变为高电平，来表示它对即将完成的总 线事务己准备好。若外部设备没有准备好，则它将按需要保持r e a d y 为低，此 种情况下，c p u 等待一个c l k o u t 周期，并再次检查r e a d y 。r e a d y 管脚 可以用来产生任意数目的等待状态。但是，即使当l f 2 4 0 7 ad s p 全速运行时， 它也不能在第一个周期做出快速响应来产生一个基于r e a d y 的等待状态。为了 保证可以立即得到等待状态，应先使用片内等待状态发生器，本设计中采用此种 方法。 3 3 3 5 仿真接口 设计一个d s p 系统，要考虑系统的软硬件调试，则需要通过仿真接口实现 与d s p 间的数据交换。 传统的仿真器为电路仿真，其电缆插头必须插入到用户硬件电路中d s p 芯 片的相应位置。由于目前高速d s p 芯片具有高度并行的结构、快速的指令周期、 高密度的封装等特点，采用传统的电路仿真方法很难实现可靠的仿真，如电缆过 长会引起信号失真，仿真插头可靠性差等因素，因而t i 公司开发了扫描仿真的 方法。该方法通过d s p 芯片上提供的几个仿真引脚及芯片内部的移位寄存器实 现扫描仿真功能。 设计仿真接口，只要根据芯片所提供的接口类型按照相应的接口标准即可。 本设计中仿真接口是标准的j t a g 接口。目标代码可通过扫描接口从p c 下载到目 标系统的存储器中。l 3 3 4 控制系统外围电路设计 从超声冲击机采集来的电流和电压信号幅值较大，且呈交流状态，又会受到 外界的干扰，同时，d s p 控制器输出的p w m 信号比较微弱，不能满足超声冲击 第三章超声疲劳试验原理及设备 机驱动模块的要求，即不能促使驱动元件完成调整电流电压相位差的任务。这些 信号要很好的与控制器进行匹配，需要进行外围电路的设计。此外，还需要对存 储器进行外部扩展。阳l 3 3 4 1 存储器接口设计 d s p 芯片内部资源有：5 4 4 字的双端口r a m ；2 k 字的单口ra 厦；2 5 k 字 的数据程序r a m ；3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，这些存储器均为1 6 位。片上 f l a s h 存储器映射到程序存储空间。对于没有外部存储器接口的器件，f l a s h 总是 处于使能状态。而对于l f 2 4 0 7 a ，微处理器微控制器方式选择引脚m p m c ( 低 有效) 决定访问片上f l a s h 还是片外的程序存储器。 本硬件设计中，存储器扩展了6 4 k 的静态程序r a m 存储空间和6 4 k 的静 态数据r a m 存储空间，总共提供了1 2 8 k 的片外静态r a m ，其优先级比内部存 储空间低。 在设计外部存储器扩展时，必须考虑等待状态。此等待状态不能通过r e a d y 信号产生，只能通过对等待状态控制寄存器( w s g r ) 编程实现。 外部存储器的接口译码由一片g a l l 6 v 8 来实现，g a l l 6 v 8 是一个通用阵 列逻辑元件，采用e e c m o s 工艺。其内部结构是由8 个输入缓冲器、8 个输出 反馈、8 个输出三态缓冲器、8 个输出逻辑宏单元、与门阵列以及时钟和输出选 通信号等组成。 外部存储器选用了东芝公司的t c 5 5 v 8 1 2 8 b j 1 2 ，该芯片是1 2 8 k 8 位宽的 存储器，所以需要两片一起组成1 2 8 k 1 6 位的存储空间。 由于程序存储区和数据存储区要分开，即各占外部存储器的6 4 k 存储空问。 图中所示即为二者的分开接法，即采用数据空间选通引脚d s ( 低有效) 接外部 r a m 的a 1 6 地址线来实现。因此数据区为r a m 的前6 4 k ( 0 0 0 0 h f f f f h ) ， 程序区为r a m 的后6 4 k ( 1 0 0 0 0 h - - 一1 f f f f h ) 。但是对于d s p 本身而言，映射的 程序存储区和数据存储区的地址均为o o o o h f f f f h 。这是因为外部存储器的空 间与内部映射的存储空问是两个概念，前者是指外部存储器硬件的空间，而后者 指的是d s p 可以寻址的空间，而对于d s p 来说，程序区和数据区的寻址空间是 独立的。 如上所述，程序存储空间的配置有两种，一种是6 4 k 字存储空间全部位于 外部存储器；另一种是内部f l a s h 存储空间使能，其存储空间范围为0 x 0 0 0 0 h - - 一 0 x 7 f f f f h ，而可用的外部存储器空间为o x 8 0 0 0 h o ) 【f f f f h 。这主要通过对微处 理器微控制器方式选择引脚m p m c ( 低有效) 的电平高低来处理。一般在硬件 1 6 第三章超声疲劳试验原理及设备 上实现，即在微处理器微控制器方式选择引脚上接一个跳线接口，就可以实现 硬件选择该引脚的工作模式，在电路设计中要使用一个跳线端子。 当跳线端子位于1 、2 位置时，内部f l a s h 存储空间被禁止；位于2 、3 位 置时，内部f l a s h 存储空间被使能。 3 3 4 2 电压反馈 d s p 控制器中的a d c 模块工作电压为o 3 3 v ，而采样电压一般为一l o v 1 0 v 的交流电，且有很强的干扰信号。因此对采样电压的处理要分为三个部分。 首先，要对采样电压进行滤波，整理出较为平滑的电压信号。实现滤波是依 靠一个简单的电容滤波电路。其中最重要的是电容的选择，这个电容的电容值直 接关系到整个系统最后的控制精度和反应速度( 电源的动态特性) 。电容选择太 大则滤波效果好，但是系统的反应速度就会变差，相反，如果想得到比较好的反 应速度，又必须牺牲滤波效果。所以应该综合考虑这两个因素。 其次，就是对已经滤波的电压进行限幅。 最后，要对经过上两步处理的电压进行拉升，使电压值在任何时刻都为正。 这一步骤是十分必要的，因为d s p 中的模数转换( a d c ) 内核是1 0 位的，而其 值要存在1 6 位的寄存器中，d s p 的存储方法是在1 0 位的转换值后补6 个零