Prova in modalità trazione-compressione ad ultrasuoni di fatica

L'obiettivo generale di questo esperimento è valutare la vita a fatica del materiale nella regione ad altissimo ciclo. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave sulla sicurezza e l'affidabilità dei componenti metallici che devono resistere ai nostri dieci milioni di cicli di carico durante il funzionamento. Questa tecnica si basa sull'inserimento del provino nella vibrazione longitudinale a ogni frequenza di risonanza di 20 kilohertz, il che significa che vengono eseguiti circa 20.000 cicli di carico in un secondo.

Per essere in grado di far vibrare il campione a quella particolare frequenza di risonanza, le sue dimensioni e la sua forma devono essere progettate con cura per la condizione di risonanza. I test saranno condotti con un dispositivo di prova di fatica ad ultrasuoni. I campioni del materiale sperimentale devono essere lavorati per avere la geometria standard della clessidra per le prove di trazione-compressione.

Questo disegno del provino evidenzia le dimensioni rilevanti. Scegliere il diametro della testa, il diametro del calibro e il raggio del calibro in base ai parametri del materiale e alle condizioni di prova, questi determinano la lunghezza del calibro. La lunghezza della testa definisce la massa totale del campione e deve essere calcolata per soddisfare la condizione di risonanza a 20 kilohertz.

Inizia preparando il dispositivo di test. Selezionare un sonotrodo appropriato per l'intervallo di spostamento richiesto. Avvitare la vite di collegamento nel sonotrodo fino a raggiungere il fondo, quindi stendere una piccola quantità di gel acustico sulla faccia del sonotrodo.

Quindi, avvitare il sonotrodo nel convertitore piezoelettrico. Passare al computer per il sistema a ultrasuoni. Utilizzare il software di controllo per trovare la frequenza di risonanza effettiva del sistema.

Ora lavora per montare il campione. Avvitare la vite di collegamento nel campione fino a raggiungere il fondo, quindi avvitare il campione al sonotrodo. Questo campione è montato correttamente per la successiva misurazione della frequenza di risonanza.

Ora usa il software di controllo per trovare la frequenza di risonanza del sistema con il campione. Prepararsi a modificare il campione se la frequenza di risonanza è inferiore a quella del sistema. Per le modifiche, tieni pronto un tornio.

Quindi, rimuovere il campione dal sonotrodo, quindi montare il campione in un tornio per ridurne la massa. Utilizzare il tornio per abbassare di un decimo di millimetro su ciascuna testa rimuovendo la stessa massa da ciascun lato del campione per aumentare la frequenza di risonanza e mantenerne la geometria. Al termine, rimettere il campione nel sonotrodo.

Quindi, misurare nuovamente la frequenza di risonanza del sistema con il campione. Continuare a rimuovere il campione dal sonotrodo e ridurne la massa fino a quando le due frequenze di risonanza non sono entro dieci hertz. Iniziare dal dispositivo di prova con il campione rimosso.

Assicurarsi che la vite di collegamento raggiunga il fondo del campione, quindi sulla faccia del campione stendere una piccola quantità di gel acustico. Riportare il campione sul sonotrodo e avvitarlo in posizione. Per questo sistema raffreddato ad acqua, concentrare gli ugelli dell'acqua sulla testa superiore del campione in modo che l'acqua scorra uniformemente lungo la lunghezza del calibro.

Infine, regolare il sistema di raffreddamento del convertitore piezoelettrico. Al computer di controllo iniziare il test. Il test termina automaticamente quando viene avviata una cricca da fatica nel campione.

Arrestare i sistemi di raffreddamento e smontare il campione. Come in questo caso, è spesso possibile vedere la crepa sulla superficie del provino. L'inizio della cricca da fatica nel provino provoca un cambiamento della rigidità del sistema a ultrasuoni che sposta il sistema fuori dalla frequenza di risonanza, quindi la prova viene naturalmente terminata quando inizia la cricca.

Se la cricca da fatica non inizia prima del numero massimo di cicli nella prova, la prova viene annotata come esaurita e che presenta l'ampiezza di carico sicura. Questi dati si riferiscono a tre diversi acciai, Hardox 450, Strenx 700MC e S355J2. La sollecitazione di carico è lungo l'asse verticale.

Il numero di cicli di carico del test è lungo l'asse orizzontale. Tutti i test si sono conclusi con una frattura prima del decimo o decimo ciclo tranne uno, il punto dati contrassegnato da una freccia. Questo test è stato terminato come runout.

Questa immagine al microscopio elettronico a scansione fornisce informazioni sull'inizio e la propagazione della cricca da fatica. La crepa da fatica è iniziata sulla superficie libera. La propagazione delle cricche è terminata quando il sistema a ultrasuoni ha perso la risonanza e il test è terminato.

L'area più chiara corrisponde alla frattura per carico statico. Il campione è 50 cromo maliptinum quattro temprati in acciaio temprato. Questa è un'immagine al microscopio elettronico a scansione di una cavità sulla superficie di un campione di acciaio al cromo 50 maliptinum quattro dopo un processo di raffreddamento improprio.

Le cavità accelerano il processo di innesco della cricca da fatica fungendo da tacche di concentrazione delle sollecitazioni. Il risultato di questo test di fatica non è accettabile. Questa immagine al microscopio elettronico a scansione rappresenta l'area di propagazione della cricca da fatica di un campione in lega di alluminio AW7075.

La freccia indica la direzione di propagazione della cricca da fatica. La cricca si è propagata con il meccanismo di fatica transcristallino. Il vantaggio principale di questa tecnica è che è in grado di simulare anni di funzionamento in poche ore o giorni.

Una volta padroneggiato, il campione può essere armonizzato ed eseguito in venti minuti se è progettato correttamente in macchina. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordarsi di raffreddare intensamente il calibro del campione. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della fatica per esplorare la regione ad altissimo ciclo.

Dopo aver visto questo video dovresti avere una buona comprensione di come armonizzare, eseguire e raffreddare i campioni di prova di fatica ultrasonica. Non dimenticare che lavorare con gli ultrasuoni può essere estremamente pericoloso per le orecchie e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario prendere sempre precauzioni, come i tappi per le orecchie. Il nostro gruppo desidera riconoscere il contributo del professor Otakar Bokuvka ai nostri sforzi di ricerca.