超音波疲労引張圧縮モードでのテスト

この実験の全体的な目標は、超高サイクル領域における材料の疲労寿命を評価することです。この方法は、運転中の1,000万回の負荷サイクルに耐えなければならない金属部品の安全性と信頼性に関する重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術は、20キロヘルツの共振周波数ごとに試験片を縦方向の振動に駆動することに基づいており、これは約20, 000回の負荷サイクルが1秒間に実行されることを意味します。

その特定の共振周波数で試験片を振動に駆動できるようにするには、そのサイズと形状を共振条件に合わせて慎重に設計する必要があります。試験は超音波疲労試験装置で実施されます。実験材料の試験片は、引張圧縮試験用の標準的な砂時計形状を持つように機械加工する必要があります。

この試験片の図面には、関連する寸法がラベル付けされています。材料パラメータと試験条件に応じて、ヘッド径、ゲージ径、ゲージ半径を選択し、これらがゲージ長を決定します。ヘッドの長さは試験片の総質量を定義し、20キロヘルツの共振条件を満たすために計算する必要があります。

まず、テストデバイスの準備をします。必要な変位範囲に適したソノトロードを選択します。接続ネジをソノトロードに底に達するまでねじ込み、次にソノトロードの面に少量の音響ゲルを広げます。

次に、ソノトロードを圧電コンバーターにねじ込みます。超音波システムのコンピューターに移動します。制御ソフトウェアを使用して、システムの実際の共振周波数を見つけます。

次に、試料のマウント作業を行います。接続ネジを試験片の底に達するまでねじ込み、次に試料をソノトロードにねじ込みます。この試料は、次の共振周波数測定のために適切に取り付けられています。

次に、制御ソフトウェアを使用して、試料とシステムの共振周波数を見つけます。共振周波数がシステムのそれよりも低い場合は、試料を変更する準備をしてください。変更のために、旋盤を準備してください。

次に、ソノトロードから試料を取り出し、試料を旋盤に取り付けて質量を減らします。旋盤を使用して各ヘッドの10分の1ミリメートルを下げ、試料の各側面から等しい質量を取り除き、共振周波数を上げてその形状を維持します。完了したら、標本をソノトロードに戻します。

次に、試料でシステムの共振周波数を再度測定します。引き続き、ソノトロードから試料を取り出し、2つの共振周波数が10ヘルツ以内になるまで質量を減らします。試験片を取り外した状態で試験装置から開始します。

接続ネジが試験片の底に達していることを確認してから、試験片の面に少量の音響ゲルを広げます。試料をソノトロードに戻し、所定の位置にねじ込みます。この水冷システムでは、水がゲージ長に沿ってスムーズに流れるように、水ノズルを試験片の上部ヘッドに集束させます。

最後に、圧電コンバーターの冷却システムを調整します。制御コンピュータでテストを開始します。試験片に疲労亀裂が発生すると、試験は自動的に終了します。

冷却システムを停止し、試験片を取り外してください。この場合と同様に、多くの場合、試験片の表面に亀裂が見られます。試験片に疲労亀裂が発生すると、超音波システムの剛性が変化し、システムが共振周波数からシフトするため、亀裂が発生すると試験は自然に終了します。

試験の最大サイクル数より前に疲労亀裂が発生しない場合、試験はランアウトとして記録され、安全な荷重振幅を示すことが示されます。これらのデータは、Hardox 450、Strenx 700MC、S355J2 の 3 つの異なる鋼に関するものです。荷重応力は垂直軸に沿っています。

テストの負荷サイクル数は、横軸に沿っています。すべてのテストは、矢印でマークされたデータポイントの1つを除いて、10サイクルから10サイクル目までに骨折で終了しました。このテストはランアウトとして終了しました。

この走査型電子顕微鏡画像は、疲労亀裂の開始と伝播に関する情報を提供します。疲労亀裂は自由表面から始まりました。超音波システムが共振からシフトアウトし、テストが終了したときに、亀裂の伝播は終了しました。

軽い部分は静的荷重による破壊に対応します。サンプルは、焼戻し鋼で焼入れされた50クロムマリプチナム4です。これは、不適切な冷却プロセス後の50クロムマリプチナム4鋼試料の表面の空洞の走査型電子顕微鏡画像です。

キャビティは、応力集中ノッチとして機能することにより、疲労亀裂の開始プロセスを加速します。この疲労試験の結果は受け入れられません。この走査型電子顕微鏡画像は、AW7075アルミニウム合金試料の疲労き裂伝播領域のものです。

矢印は疲労き裂の伝播方向を示しています。亀裂は超結晶疲労機構で伝播しました。この手法の主な利点は、わずか数時間または数日で数年の動作をシミュレートできることです。

習得すると、機械で適切に設計されていれば、試験片を調和させて20分で実行できます。この手順を試みる際には、試料のゲージを集中的に冷却することを忘れないようにすることが重要です。開発後、この技術は、疲労分野の研究者が超高サイクル領域を探求する道を開きました。

このビデオを見れば、超音波疲労試験片を調和させ、実行し、冷却する方法を十分に理解できるはずです。超音波での作業は耳に非常に危険を及ぼす可能性があるため、この手順を実行するときは耳栓などの予防措置を常に講じる必要があることを忘れないでください。私たちのグループは、私たちの研究活動に対するOtakar Bokuvka教授の貢献に感謝したいと思います。