Ultraschall Ermüdungsprüfung im Zug-Druck-Modus

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die Ermüdungslebensdauer von Material im Ultrahochzyklusbereich zu bewerten. Diese Methode kann dazu beitragen, zentrale Fragen zur Sicherheit und Zuverlässigkeit von metallischen Bauteilen zu beantworten, die unseren zehn Millionen Belastungszyklen im Betrieb standhalten müssen. Diese Technik basiert darauf, dass die Probe mit jeder Resonanzfrequenz von 20 Kilohertz in die Längsschwingung getrieben wird, was bedeutet, dass in einer Sekunde etwa 20.000 Belastungszyklen durchgeführt werden.

Um die Probe bei dieser speziellen Resonanzfrequenz in Schwingung versetzen zu können, müssen ihre Größe und Form sorgfältig auf die Resonanzbedingungen abgestimmt sein. Die Versuche werden mit einem Ultraschall-Ermüdungsprüfgerät durchgeführt. Proben des Versuchsmaterials müssen bearbeitet werden, um die Standard-Sanduhrgeometrie für Zug-Druck-Versuche zu erhalten.

Diese Zeichnung des Prüflings beschriftet die relevanten Maße. Wählen Sie den Kopfdurchmesser, den Messdurchmesser und den Messradius entsprechend den Materialparametern und Prüfbedingungen, diese bestimmen die Messlänge. Die Kopflänge definiert die Gesamtmasse der Probe und muss berechnet werden, um die Resonanzbedingung bei 20 Kilohertz zu erfüllen.

Beginnen Sie mit der Vorbereitung des Testgeräts. Wählen Sie eine geeignete Sonotrode für den erforderlichen Verdrängungsbereich. Schrauben Sie die Verbindungsschraube bis zum Boden in die Sonotrode und verteilen Sie dann eine kleine Menge Akustikgel auf der Oberfläche der Sonotrode.

Schrauben Sie anschließend die Sonotrode in den piezoelektrischen Wandler. Wechseln Sie zum Computer für das Ultraschallsystem. Verwenden Sie die Steuerungssoftware, um die tatsächliche Resonanzfrequenz des Systems zu ermitteln.

Arbeiten Sie nun daran, die Probe zu montieren. Schrauben Sie die Verbindungsschraube bis zum Boden in die Probe ein, dann schrauben Sie die Probe an die Sonotrode. Diese Probe ist für die nächste Resonanzfrequenzmessung ordnungsgemäß montiert.

Verwenden Sie nun die Steuerungssoftware, um die Resonanzfrequenz des Systems mit der Probe zu ermitteln. Bereiten Sie sich darauf vor, die Probe zu modifizieren, wenn die Resonanzfrequenz niedriger ist als die des Systems. Halten Sie für die Modifikationen eine Drehmaschine bereit.

Entfernen Sie als Nächstes die Probe aus der Sonotrode und montieren Sie die Probe dann in eine Drehmaschine, um ihre Masse zu reduzieren. Verwenden Sie die Drehmaschine, um jeden Kopf um einen Zehntelmillimeter nach unten zu drehen und von jeder Seite der Probe die gleiche Masse zu entfernen, um die Resonanzfrequenz zu erhöhen und ihre Geometrie beizubehalten. Wenn Sie fertig sind, geben Sie die Probe wieder in die Sonotrode zurück.

Messen Sie anschließend erneut die Resonanzfrequenz des Systems mit der Probe. Fahren Sie fort, die Probe aus der Sonotrode zu entfernen und ihre Masse zu reduzieren, bis die beiden Resonanzfrequenzen innerhalb von zehn Hertz liegen. Beginnen Sie mit der entnommenen Probe am Prüfgerät.

Stellen Sie sicher, dass die Verbindungsschraube den Boden der Probe erreicht, und verteilen Sie dann eine kleine Menge Akustikgel auf der Oberfläche der Probe. Nehmen Sie die Probe zurück in die Sonotrode und schrauben Sie sie fest. Bei diesem wassergekühlten System fokussieren Sie die Wasserdüsen am oberen Kopf der Probe, so dass das Wasser gleichmäßig über die Messlänge fließt.

Stellen Sie abschließend das Kühlsystem des piezoelektrischen Wandlers ein. Am Steuerrechner wird der Test gestartet. Die Prüfung endet automatisch, wenn ein Ermüdungsriss in der Probe eingeleitet wird.

Stoppen Sie die Kühlsysteme und demontieren Sie die Probe. Wie in diesem Fall ist es oft möglich, den Riss auf der Oberfläche der Probe zu sehen. Die Initiierung des Ermüdungsrisses in der Probe bewirkt eine Änderung der Steifigkeit des Ultraschallsystems, die das System aus der Resonanzfrequenz verschiebt, so dass die Prüfung natürlich beendet wird, wenn der Riss beginnt.

Wenn der Ermüdungsriss nicht vor der maximalen Anzahl von Zyklen in der Prüfung beginnt, wird der Versuch als Rundlauf vermerkt und dass er die sichere Belastungsamplitude aufweist. Diese Daten beziehen sich auf drei verschiedene Stähle, Hardox 450, Strenx 700MC und S355J2. Die Belastungsspannung verläuft entlang der vertikalen Achse.

Die Anzahl der Ladezyklen des Tests erfolgt entlang der horizontalen Achse. Alle Tests endeten mit einem Bruch vor dem zehnten bis zehnten Zyklus, mit einer Ausnahme, bei der der Datenpunkt mit einem Pfeil markiert ist. Dieser Test wurde als Run-Out beendet.

Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme gibt Aufschluss über die Entstehung und Ausbreitung von Ermüdungsrissen. Der Ermüdungsriss begann auf der freien Oberfläche. Die Rissausbreitung endete, als das Ultraschallsystem aus der Resonanz verfiel und der Test beendet war.

Der hellere Bereich entspricht dem Bruch durch statische Belastung. Bei der Probe handelt es sich um 50 Chrom-Maliptinum-Vier, die in gehärtetem Stahl abgeschreckt sind. Dabei handelt es sich um eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Hohlraums auf der Oberfläche einer Probe aus Stahl mit 50 Chrom maliptinum vier nach einem unsachgemäßen Abkühlprozess.

Kavitäten beschleunigen den Prozess der Initiierung von Ermüdungsrissen, indem sie als Kerben für die Spannungskonzentration dienen. Das Ergebnis dieses Ermüdungstests ist nicht akzeptabel. Dieses Rasterelektronenmikroskopie-Bild zeigt den Ermüdungsrissausbreitungsbereich einer Probe aus einer AW7075-Aluminiumlegierung.

Der Pfeil zeigt die Richtung der Ausbreitung des Ermüdungsrisses an. Der Riss breitete sich mit einem transkristallinen Ermüdungsmechanismus aus. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie in der Lage ist, einen jahrelangen Betrieb in nur wenigen Stunden oder Tagen zu simulieren.

Einmal gemeistert, kann die Probe harmonisiert werden und in zwanzig Minuten laufen, wenn sie richtig in der Maschine ausgelegt ist. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, das Messgerät der Probe richtig zu kühlen. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Ermüdung, den Bereich der ultrahohen Zyklen zu erforschen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie die Ultraschall-Ermüdungsprüfkörper harmonisiert, ausgeführt und abgekühlt werden. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Ultraschall für die Ohren äußerst gefährlich sein kann und bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen wie Ohrstöpsel getroffen werden sollten. Unsere Gruppe möchte sich bei den Beiträgen von Professor Otakar Bokuvka zu unseren Forschungsbemühungen bedanken.