Fatiga ultrasónica prueba en el modo de tensión-compresión
7 de marzo de 2018
Un protocolo para la fatiga ultrasónica en la región de altas y ultra altas del ciclo en el modo de carga de tensión-compresión axial.
El objetivo general de este experimento es evaluar la vida a fatiga del material en la región de ciclo ultra alto. Este método puede ayudar a responder preguntas clave sobre la seguridad y la fiabilidad de los componentes metálicos que tienen que soportar nuestros diez millones de ciclos de carga durante el funcionamiento. Esta técnica se basa en conducir la probeta en la vibración longitudinal a cada frecuencia de resonancia de 20 kilohercios, lo que significa que se realizan aproximadamente 20.000 ciclos de carga en un segundo.
Para poder hacer vibrar el espécimen a esa frecuencia de resonancia en particular, su tamaño y forma deben diseñarse cuidadosamente para la condición de resonancia. Las pruebas se llevarán a cabo con un dispositivo de prueba de fatiga ultrasónico. Las muestras del material experimental deben mecanizarse para tener la geometría de reloj de arena estándar para los ensayos de compresión por tensión.
Este dibujo de la muestra de prueba etiqueta las dimensiones relevantes. Elija el diámetro de la cabeza, el diámetro del calibre y el radio del calibre de acuerdo con los parámetros del material y las condiciones de prueba, estos determinan la longitud del medidor. La longitud de la cabeza define la masa total de la muestra y debe calcularse para cumplir la condición de resonancia a 20 kilohercios.
Comience preparando el dispositivo de prueba. Seleccione un sonotrodo adecuado para el rango de cilindrada requerido. Atornille el tornillo de conexión en el sonotrodo hasta que llegue al fondo, luego extienda una pequeña cantidad de gel acústico en la cara del sonotrodo.
A continuación, atornille el sonotrodo en el convertidor piezoeléctrico. Pase a la computadora para el sistema ultrasónico. Utilice el software de control para encontrar la frecuencia de resonancia real del sistema.
Ahora trabaja para montar el espécimen. Atornille el tornillo de conexión en la muestra hasta que llegue al fondo, luego atornille la muestra al sonotrodo. Este espécimen se monta correctamente para la siguiente medición de frecuencia de resonancia.
Ahora use el software de control para encontrar la frecuencia de resonancia del sistema con la muestra. Prepárese para modificar la muestra si la frecuencia de resonancia es inferior a la del sistema. Para las modificaciones, tenga un torno listo.
A continuación, retire la muestra del sonotrodo, luego monte la muestra en un torno para reducir su masa. Utilice el torno para reducir una décima de milímetro en cada cabeza, eliminando la misma masa de cada lado de la muestra para aumentar la frecuencia de resonancia y mantener su geometría. Cuando haya terminado, devuelva la muestra al sonotrodo.
A continuación, vuelva a medir la frecuencia de resonancia del sistema con la muestra. Continúe retirando la muestra del sonotrodo y reduzca su masa hasta que las dos frecuencias de resonancia estén dentro de los diez hercios. Comience en el dispositivo de prueba con la muestra extraída.
Asegúrese de que el tornillo de conexión llegue a la parte inferior de la muestra, luego en la cara de la muestra esparce una pequeña cantidad de gel acústico. Lleve la muestra de vuelta al sonotrodo y atorníllela en su lugar. Para este sistema refrigerado por agua, concentre las boquillas de agua en la cabeza superior de la muestra para que el agua fluya suavemente a lo largo de la longitud del calibre.
Finalmente, ajuste el sistema de enfriamiento del convertidor piezoeléctrico. En la computadora de control comience la prueba. La prueba finaliza automáticamente cuando se inicia una grieta por fatiga en la muestra.
Detenga los sistemas de enfriamiento y desmonte la muestra. Como en este caso, a menudo es posible ver la grieta en la superficie del espécimen. El inicio de la grieta por fatiga en la muestra provoca un cambio en la rigidez del sistema ultrasónico, lo que desplaza el sistema fuera de la frecuencia de resonancia, por lo que la prueba finaliza naturalmente cuando se inicia la grieta.
Si la grieta por fatiga no se inicia antes del número máximo de ciclos en la prueba, la prueba se anota como agotada y que presenta la amplitud de carga segura. Estos datos corresponden a tres aceros diferentes, Hardox 450, Strenx 700MC y S355J2. La tensión de carga se encuentra a lo largo del eje vertical.
El número de ciclos de carga de la prueba se encuentra a lo largo del eje horizontal. Todas las pruebas terminaron en fractura antes de los diez a los diez ciclos, excepto una, el punto de datos marcado con una flecha. Esta prueba se terminó como una ejecución.
Esta imagen de microscopía electrónica de barrido proporciona información sobre el inicio y la propagación de la grieta por fatiga. La grieta por fatiga comenzó en la superficie libre. La propagación de la grieta terminó cuando el sistema ultrasónico dejó de resonar y la prueba llegó a su fin.
La zona más clara corresponde a la fractura por carga estática. La muestra es de 50 cromo maliptinum cuatro templados en acero templado. Esta es una imagen de microscopio electrónico de barrido de una cavidad en la superficie de una muestra de acero de 4 cromo 50 chromium maliptinum después de un proceso de enfriamiento inadecuado.
Las cavidades aceleran el proceso de iniciación de grietas por fatiga al servir como muescas de concentración de tensión. El resultado de esta prueba de fatiga no es aceptable. Esta imagen de microscopía electrónica de barrido es del área de propagación de grietas por fatiga de una muestra de aleación de aluminio AW7075.
La flecha indica la dirección de propagación de las grietas por fatiga. La grieta se propagó con un mecanismo de fatiga transcristalino. La principal ventaja de esta técnica es que es capaz de simular años de funcionamiento en tan solo unas horas o días.
Una vez dominado, el espécimen se puede armonizar y ejecutar en veinte minutos si se diseña correctamente en la máquina. Al intentar este procedimiento, es importante recordar enfriar intensamente el calibre del espécimen correctamente. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la fatiga exploraran la región de ciclo ultra alto.
Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo armonizar, ejecutar y enfriar las muestras de prueba de fatiga ultrasónica. No olvide que trabajar con ultrasonido puede ser extremadamente peligroso para los oídos y siempre se deben tomar precauciones, como tapones para los oídos, al realizar este procedimiento. Nuestro grupo desea reconocer las contribuciones del profesor Otakar Bokuvka a nuestros esfuerzos de investigación.
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Descripción general
Este artículo presenta un protocolo para pruebas de fatiga ultrasónica destinado a evaluar la vida a fatiga de materiales en la región de ciclos ultraelevados. El método se centra en la seguridad y confiabilidad de componentes metálicos sometidos a ciclos de carga extensos.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Ciencia de Materiales
- Ingeniería Mecánica
- Ensayo de Fatiga
Antecedentes
- La prueba de fatiga ultrasónica es fundamental para evaluar el rendimiento de los materiales.
- Los componentes a menudo experimentan millones de ciclos de carga en aplicaciones prácticas.
- Comprender la vida a fatiga ayuda a garantizar la confiabilidad de los componentes.
- La frecuencia de resonancia desempeña un papel clave en el proceso de prueba.
Objetivo del estudio
- Evaluar la vida a fatiga de los materiales bajo cargas de alto ciclo.
- Mejorar la comprensión del comportamiento de los materiales en condiciones extremas.
- Desarrollar un protocolo de pruebas confiable para investigaciones futuras.
Métodos Utilizados
- Las muestras se inducen a vibrar longitudinalmente a 20 kHz.
- Se realizan aproximadamente 20.000 ciclos de carga por segundo.
- La geometría de la muestra está diseñada para condiciones óptimas de resonancia.
- Las pruebas se llevan a cabo utilizando un dispositivo de ensayo de fatiga ultrasónica.
Resultados principales
- El método permite una evaluación rápida de la vida útil por fatiga del material.
- La geometría de reloj de arena estándar es efectiva para pruebas de tracción-compresión.
- Los resultados contribuyen a comprender el comportamiento del material bajo cargas cíclicas.
- Los hallazgos apoyan el desarrollo de componentes metálicos más seguros.
Conclusiones
- La prueba de fatiga ultrasónica es una herramienta valiosa en la investigación de materiales.
- El protocolo puede adaptarse a diversos materiales y condiciones.
- Estudios futuros pueden basarse en esta metodología para mejorar los estándares de seguridad.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La prueba de fatiga ultrasónica permite una evaluación rápida de la durabilidad del material bajo cargas de ciclos ultraelevados, abordando preocupaciones críticas de seguridad y confiabilidad para componentes metálicos en aplicaciones aeroespaciales y automotrices. Al simular años de esfuerzo operativo en cuestión de horas o días, el método apoya la reducción de riesgos mecanicistas en etapas tempranas y brinda confianza predictiva en la selección de materiales. Esta capacidad orienta las decisiones de avance o detención en flujos de trabajo de descubrimiento y preclínicos al proporcionar datos cuantitativos sobre la vida a fatiga bajo condiciones de tracción-compresión de alta frecuencia.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar el comportamiento de fatiga de materiales bajo condiciones de carga cíclica fisiológicamente relevantes.
- Valor operativo: Reduce el tiempo de prueba de meses a minutos mediante ciclos de carga impulsados por resonancia a 20 kHz.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Valor científico: Proporciona salidas cuantitativas estandarizadas para la iniciación y propagación de grietas bajo fatiga controlada de tracción-compresión.
- Valor operativo: Asegura la reproducibilidad del ensayo mediante la armonización precisa de la muestra a la frecuencia de resonancia del sistema.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Apoya la evaluación de sistemas relevantes para enfermedades mediante la simulación de perfiles de estrés mecánico in vivo sobre materiales de implante.
- Valor operativo: Permite decisiones de avance ajustadas al riesgo mediante la detección de fallas por fatiga y la identificación de amplitudes de carga seguras.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
El método se integra en el continuo de descubrimiento, desde la prueba inicial de hipótesis sobre materiales hasta la validación preclínica de componentes de implantes o dispositivos, especialmente en casos donde la carga cíclica a largo plazo constituye un modo de fallo.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre el rendimiento de materiales sometidos a fatiga de ciclos ultraelevados, aclarando los mecanismos de falla en biomateriales metálicos.
- Selección: Proporciona disponibilidad para ensayos mediante una geometría estandarizada en forma de reloj de arena y la coincidencia de frecuencias de resonancia, lo que permite evaluaciones confiables de compuestos o materiales.
- Análisis: Genera mediciones cuantitativas de variables dependientes (ciclos hasta la iniciación de grietas, longitud de propagación) que posibilitan el análisis comparativo entre diferentes condiciones de los materiales.
- Investigación Traducional: Se vincula con la continuidad preclínica al validar el comportamiento del material bajo espectros de carga fisiológica simulada.
- Reutilización Empresarial: Funciona como una plataforma reutilizable para la evaluación de fatiga en múltiples sistemas de materiales y áreas terapéuticas.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en la vida útil por fatiga del material, reducción de la ambigüedad mecanicista en los modos de falla.
- Valor operativo: Normalización, reproducibilidad y escalabilidad de las pruebas de fatiga de alto ciclo mediante excitación ultrasónica resonante.
- Valor estratégico: Mejores decisiones de avance o interrupción, eficiencia del capital y reducción del riesgo biológico tardío derivado de fallas del material.
- Impacto en la cartera: Priorización y toma de decisiones de avance ajustadas al riesgo basadas en umbrales cuantitativos de fatiga.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en resonancia vibracional, mecanizado de especímenes y acoplamiento con gel acústico.
- Depende de un dispositivo de ensayo por fatiga ultrasónica con convertidor piezoeléctrico y sonotrodo.
- Necesita estandarización entre equipos de trabajo en cuanto a la geometría de los especímenes y los procedimientos de ajuste armónico.
- Implica consideraciones de adaptación para densidades de materiales variables, módulos elásticos y propiedades térmicas.
- Limitado a especímenes que pueden mecanizarse en una geometría de reloj de arena compatible con la resonancia; no adecuado para formas arbitrarias ni componentes completos.
