초음파 피로 긴장-압축 모드에서 테스트

요약

초음파 피로 축 긴장-압축 로드 모드에서 높고 매우 높은 순환 영역에서 테스트에 대 한 프로토콜.

초록

초음파 피로 테스트 매우 높은 순환 영역에서 피로 특성을 조사 하 고 수 있는 몇 가지 방법 중 하나입니다. 방법은 20 kHz에 가까운 그것의 공명 주파수에 경도 진동에 견본 노출 기반으로 합니다. 이 방법의 사용, 그것은 일반적으로 200hz 미만의 주파수에서 작동 하는 기존의 테스트 장치에 비해 테스트에 필요한 시간을 크게 단축할 수 있습니다. 또한 그 경험 제트 엔진 또는 자동차의 부품 터보 펌프와 같은 고속 조건에서 작업 중 재료의 로드를 시뮬레이션 하는 데 사용 됩니다. 그것은 테스트 결과에 상당한 영향을 미칠 수 있는 매우 높은 변형 속도의 가능성으로 인해 높고 매우 높은 순환 영역 에서만 작동 하는 데 필요한. 견본 모양 및 차원 신중 하 게 선택 하 고 초음파 시스템;의 공명 조건을 행 하기 위해 계산 해야 따라서, 테스트 전체 구성 요소 또는 임의 모양의 표본 수는 하지입니다. 각 테스트 하기 전에 그것은 이상적인 것에서 진짜 모양의 편차에 대 한 보상을 초음파 시스템의 주파수를 가진 견본을 조화 하는 데 필요한. 시스템의 강성 공명에서 시스템을 이동 하기 위하여 충분히 변경 될 때 테스트 개시 및 특정 길이에 균열의 전파 후 자동으로 종료 이후는 시료의 총 골절까지 테스트를 실행할 수는 없습니다. 주파수입니다. 이 원고는 기계적 공명 주파수 20 kHz 근처에서 높은 주파수 초음파 피로와 로드에서 속성 사용 하는 재료의 피로의 평가의 과정을 설명 합니다. 프로토콜에는 표본 설계, 스트레스 계산, 공명 주파수, 시험, 그리고 최종 정적 골절 수행과 조화를 포함 하 여 정확한 테스트에 필요한 모든 단계에 대 한 자세한 설명이 포함 되어 있습니다.

서론

구조 재료의 피로 손상 강하게 연결 철도 수송, 증기 엔진과 증기 기관차의 사용 주로 산업화와 금속 부품, 주로 철, 많이 사용 되 고 각종을 견딜 수 있도록 했다 순환 로드의 종류입니다. 초기 테스트 중 하나는 알 버트 (독일 1829)¹ 광산 호 이스트에 대 한 용접된 체인에 의해 이루어졌다. 로드 주파수, 분당 10 벤드 고 최대한 테스트 기록된에 도달된 100000 로드 사이클¹. 또 다른 중요 한 일은 1864 년에 윌리엄 Fairbairn에 의해 실시 됐다. 테스트는 레버에 의해 해제 되었다 그리고 일으키는 진동 떨어졌다는 정적 부하의 사용과 가공 하 철 대들보에 수행 했다. 대들보는 점차적으로 로드 스트레스 증가 함께 로드 된 진폭. 다양 한에 주기 몇 백 천 도달 후 막 5 천 궁극 장력 강도의 2 분의 로드 진폭에서 사이클 로드 후 실패 스트레스 진폭, 결국 대들보를 로드. 구조 재료에 반복된 응력의 영향의 첫 종합적이 고 체계적인 연구는 8 월에 의해 수행 되었다 1860-1870¹뵐 러. 이러한 테스트에 대 한 그는 비틀림, 굽 힘, 및 축 로딩 모드를 사용 했다. 뵐 러 설계 테스트 기계, 많은 독특한 피로 하지만 그들의 단점은 낮은 작업 속도, 예를 들면 빠르게 회전 절곡 72 rpm (1.2 Hz), 따라서 실험 프로그램의 완료에 운영 했다 12 년¹. 이러한 테스트를 수행한 후 도달 후는 자료 10⁷ 사이클 견딤 로드 진폭, 피로 저하는 무시할 수 및 자료 로드 사이클의 무한 한 수를 견딜 수 있는 고려 되었다. 이 로드 진폭 "피로" 선정 됐다 고 많은 년^2,3에 대 한 산업 디자인에 주요 매개 변수를 되었다.

높은 효율성을 요구 하 고 비용 절감, 새로운 산업 기계의 발전을 높은 로드, 더 높은 작동 속도, 높은 기간과 낮은 유지 관리 요구 사항 가진 높은 신뢰도의 가능성을 제공 했다. 예를 들어 구성 요소 작업의 10 년 후 Shinkanzen, 고속 열차의 약 10⁹ 주기를 견딜 수 있고 실패의 주 구성 요소⁴치명적인 결과 가질 수 있습니다. 또한, 제트 엔진의 구성 요소는 종종 12000 rpm에서 작동 하 고 터보 송풍기의 구성 요소는 종종 17000 rpm을 초과. 그 높은 작업 속도 피로 수명 시험 소위 극초단파 주기 영역에서 한 경우에 재료의 피로 강도 간주 될 수 있습니다 정말 일정 이상의 10 백만 사이클에 대 한 평가를 위한 증가 요구 사항. 이 지구력을 초과 하 여 수행 하는 첫 번째 테스트 후 그것은 분명 그 피로 실패 후 발생할 수 있습니다 피로 한계 보다 낮은 적용된 긴장 진폭 에서도 사이클의 수 보다 훨씬 더 10⁷, 그리고 손상 및 실패 메커니즘 수 수는 일반적인 것 들⁵.

매우 높은 순환 영역을 조사 하기 위한 피로 테스트 프로그램 만들기 강하게 로드 주파수 증가를 새로운 테스트 장치 개발이 필요 합니다. 심포지엄이이 주제에 초점을 맞춘 파리에서 개최 되었다 1998 년 6 월에에서 있는 실험 결과 Stanzl Tschegg⁶ 에 의해 얻은 했다 제시 했다 및 Bathias⁷ 20 kHz 주파수 1 kHz의 사용과 리치⁸ 로드에서 폐쇄 루프 서보 유압 테스트 기계, 그리고 데이비슨⁸ 1.5 kHz 자석 발전기 strictive 테스트 기계⁴. 그 시간에서 하지만 여전히 가장 일반적으로 사용 되는 기계 시험의이 종류에 대 한 1950 년에서 맨 슨의 개념에 기반 하 고 20 kHz⁹에 가까운 주파수를 사용 하 여 많은 솔루션 제시 되었다. 이 기계 전시 변형 속도, 주기, 수 및 피로 시험의 시간 결정 정확도 사이 좋은 균형 (10¹⁰ 주기는 대략 6 일에서 달성 된다). 다른 장치 사용 1959-92 kHz에서 Girald 및 1965-199 kHz;에서 기 쿠 카와 같은 더 높은 로드 주파수를 제공 수 있었다 그러나, 이들은 거의 있기 때문에 그들은 매우 높은 변형 속도 만들고, 계산 사이클에 놀라운 오류 예상 시험만 몇 분 동안 지속, 이후 사용 됩니다. 피로 테스트를 위한 공명 장치 로드 주파수를 제한 하는 다른 중요 한 요인은 공 진 주파수와 직접적인 관계에 있는 표본 크기입니다. 큰 요청된 로드 주파수, 작은 견본. 이것은 이유 왜 40 kHz 이상의 주파수는 거의 사용된^10입니다.

변위 진폭 3와 80 µ m 간격 내에서 일반적으로 제한 때문에, 성공적으로 일 수 있다 초음파 피로 테스트 PMMA¹¹ 등 고분자 재료의 테스트에 대 한 기술을 하지만 대부분 금속 재료에 적용 하 고 합성¹² 도 개발 되었다. 일반적으로, 축 로딩 모드에서 수행할 수는 초음파 피로 시험: 인장-압축 대칭 주기^13,14, 긴장-긴장 주기¹⁵, 3-포인트 절곡¹⁵, 그리고 몇 가지 비틀림 시험^{16 15,}및 biaxial 벤딩¹⁷에 대 한 시스템의 특별 한 수정 연구. 이 방법에 대 한 형상을 엄격 하 게 관련이 있으므로 20 kHz의 공명 주파수를 달성 사용할 임의 표본 수 아니다. 축 선적을 위해 여러 유형의 표본 일반적으로 사용 되었습니다, 일반적으로 5 m m 3에서 게이지 길이 직경을 가진 시간 유리 모양으로. 3-포인트 절곡 얇은 시트는 일반적으로 사용 되 고 다른 방법에 대 한 특별 한 유형의 표본 설계, 메서드 형식에 따라 및 조건 테스트. 메서드가 높고 매우 높은 순환 영역에 피로 수명 평가 대 한 설계 되었습니다 그리고 즉 20 kHz 로드에는 백만 사이클이 50에서 얻은 s; 따라서, 일반적으로 주기 결정의 수에 관하여 합리적인 정확도로 조사 수 있는 사이클 로드의 아래쪽 제한을 것입니다. 각 표본 초음파 경적 시스템의 올바른 공명 주파수를 제공 하는 시료의 질량을 변경 하 여 사용할 수 있다: 견본 초음파 경적.

프로토콜

참고: 각 시료의 형상을 선택 하 여 시험된 재료의 기계적 및 물리적 특성에 따라 계산 된 초음파 테스트 시스템으로 동일한 공명 주파수 있다.

1. 피로 시험 표본 크기의 결정

참고: 표준 "모래 시계" 긴장-압축 견본 형상은 정의 주요 치수는 그림 1에 표시 됩니다. 치수 d, D 및 r 는 사용자 정의 (독립), l 및 L 크기를 계산 해야 하는 동안 올바른 공명 주파수 (에 따라 다름)의 조건에 따라. 게이지 길이 l d, r, D 와 기하학 비율 에서만에서 결과 쉽게 계산 하거나 수, 구성 요소 모델에서 얻은 따라서, 그것은 추가 논의의 대상이 되지 않습니다.

1. 독립 치수의 결정
   참고: 견본 (d, D, r)의 주요 치수는 재료 매개 변수 및 테스트 조건에 따라 선택 됩니다.
   1. 테스트를 위한 물자의 필요한 볼륨에 따라 계기 지름 d 를 결정 합니다. 내부 결함 없는 균일 미세 경우 작은 게이지 직경이 좋습니다. 중요 한 내부 결함 (예: 공 극 및 팽창을 캐스트 자료에서) 자료의 경우 더 큰 계기 직경은 필요 합니다. 계기 직경 d 는 보통 3mm에서 5mm입니다.
   2. 사용할 수 있는 실험적인 소재 크기에 따라 머리의 직경 D 를 결정 합니다. D 사용된 머리 지름 15 m m 10mm에서 보통입니다.
      참고: 큰 D 는, 짧은 머리 길이 (L) 될 것입니다.
2. 계기 반지름 r 견본의 게이지 길이에 필요한 기계적 스트레스 분포에 따라 결정 합니다. 큰 계기 직경 r , 매끄럽게 기계적 스트레스 배포. 일반적으로 사용 되는 계기 반지름은 r = 20 m m 또는 r = 32 m m.
   참고: R 더 크면, 더 이상 견본.
3. 종속 치수의 결정
   1. 다음 수식^9,18에 하면 파 수 K 를 결정:
      
      참고: 여기 f_r 은 공명 주파수 (Hz), ρ 초음파 시스템의 볼륨 밀도 (kg m^-3), 그리고 E_d 는 동적 탄성 계수 (k g m^-3).
   2. 다음 수식^9,19에 따라 계기 반지름의 하이퍼볼릭 근사를 결정:
      
      참고: 여기 l 게이지 길이 (m), D 는 머리 직경 (m) 이며 d 는 계기 직경 (m) (그림 1).
   3. 다음 수식^9,18에 따라 효과적인 이심률을 결정 합니다.
      
      참고: 여기 A 쌍곡선 근사 (m^-1) 방정식 (2)에 의해 결정 이며 K 는 식 (1)에 따라 결정 파 수 (-).
   4. 다음 방정식^9,18에 따라 머리 (L)의 길이 확인 합니다.
      
      참고: 여기 K 는 파 수 (-) 식 (1)에 따라 결정 포인트 1.2.1, β 효과적인 이심률 (m^-1) 식 (3)에 의해 결정 이며 l 게이지 길이 (m) (그림 1)입니다.

2. 게이지 길이 시료의 기계적 스트레스의 계산

1. 결정 기준 설정 기하학적 요소 다음 방정식^9,18에 따라:
   
2. 다음 방정식^9,18에 따라 변형 진폭 ɛ 결정:
   
   참고: 여기 기하학적 요소 (-) 이며 u 견본 (m)의 자유로운 끝의 필요한 변위 진폭.
3. 기계적 응력 진폭 σ는_는 다음 방정식^9,18에 따라 결정 합니다.
   
   참고: 여기 ɛ 식 (5)에 따라 결정 변형 진폭 (-) 이며 E_d 는 동적 탄성 계수 (k g m^-3). 그것은 변위 진폭 u (m), 증가 하는 데 필요한 계산 된 기계적 스트레스 너무 낮은 경우, 그리고 반대로.

3. 머시닝 작업으로 견본의 제조

1. 때문에 다양 한 작은 편차는 이상적인 모양에서 가공 표본, 긴 머리, 보통 L + 0.5 m m와 표본을 제조 한다.

4. 표본 초음파 시스템의 공 진 주파수의 조화

참고: 조화 하는 것은 초음파 음향 sonotrode 조화에 있는 정확한 공 진 주파수를 이상적인, 계산 된 모양에서 진짜 견본의 다양 한 작은 편차를 보상 하는 과정입니다.

1. 표본에 적절 한 기계적 스트레스를 제공 할 수 있는 필요한 변위 범위에 따라 음향 sonotrode의 적절 한 유형을 선택 합니다.
   참고: 각 유형의 sonotrode 설계 및 다른 변위 범위에 대 한 보정, 따라서 적절 한 sonotrode 섹션 2에 따라 계산 된 필요한 변위 진폭에 따라 선택 됩니다.
2. 압 전-전기 변환기에는 sonotrode를 탑재 합니다.
   1. 맨 아래에 도달할 때까지 sonotrode에서 중앙 구멍 안에 연결 나사를 나사.
   2. 얼굴에 sonotrode 음향 젤 확산.
      참고: 젤의 작은 금액을 사용 하는 압 전-전기 변환기는 sonotrode 사이 기계적인 파의 전송 향상은 표면 불규칙을 채우기 위해 충분 한.
   3. 압 전-전기 변환기로는 sonotrode 스크류.
3. 실제 온도에서 특정 시스템의 공 진 주파수를 측정 하기 위해 탑재 된 sonotrode와 피에 조 전기 변환기 초음파 시스템을 실행 합니다.
   1. (예, Win20k) 초음파 테스트 소프트웨어를 실행 합니다.
   2. "모델" 상자에서 드롭 다운 메뉴에서 사용된 sonotrode의 유형을 선택 합니다.
   3. 특정 sonotrode의 가장 낮은 가능한 변위 진폭 "진폭" 상자에 입력 합니다.
   4. "시작" 버튼을 클릭 합니다.
   5. "주파수" 상자에서 시스템의 실제 공 진 주파수를 읽기.
   6. "정지" 버튼을 클릭 합니다.
4. sonotrode의 끝에 견본을 탑재 합니다.
   1. 맨 아래에 도달할 때까지 연결 나사는 시료의 중앙 구멍에 나사.
   2. 나사는 sonotrode 표본.
5. 피에 조 전기 변환기 탑재 sonotrode와 실제 온도에서 특정 시스템의 공 진 주파수를 측정 하기 위해 견본으로 초음파 시스템을 실행 합니다.
   1. 초음파 테스트 소프트웨어를 실행 합니다.
   2. "모델" 상자에서 드롭 다운 메뉴에서 사용 sonotrode의 유형을 선택 합니다.
   3. 특정 sonotrode의 가장 낮은 가능한 변위 진폭 "진폭" 상자에 입력 합니다.
   4. "시작" 버튼을 클릭 합니다.
   5. "주파수" 상자에서 시스템의 실제 공 진 주파수를 읽기.
   6. "정지" 버튼을 클릭 합니다.
6. 탑재 된 견본으로 시스템의 공 진 주파수 표본 없이 보다 낮은 경우는 시료의 질량 견본의 머리의 얼굴을 잘라 줄일.
   참고: 탑재 된 견본으로 공명 주파수는 더 높은, 그것은 계기 직경 d, 테스트의 조건을 바꿀 것을 줄이기 위해 필요한 것입니다. 이것은 0.5 m m 제조 과정에서 머리의 길이에 추가 하는 이유입니다.
   1. sonotrode에서 견본을 분리 합니다.
   2. 선반에는 견본을 탑재 하 고 첫 머리의 얼굴의 0.1 m m를 거절.
   3. 선반에는 견본을 탑재 하 고 0.1 m m의 두 번째 머리 얼굴의 거절.
   4. 4.6 공명 주파수의 ± 허용 오차 내에서 될 때까지 반복 단계 10 Hz.

5. 최종 장착의 피로 시험 전에 Sonotrode 표본

1. 음향 젤은 sonotrode 및 표본 간의 연결을 만드는 얼굴에 적용 됩니다.
   1. 맨 아래에 도달할 때까지 연결 나사는 시료의 중앙 구멍에 나사.
   2. 표본 얼굴 음향 젤 확산.
      참고: 음향 젤의 소량 표본에는 sonotrode에서 탄성 파 전송을 개선 하기 위해 표면에 불규칙성에 작성 하는 데 사용 됩니다.
   3. 나사는 sonotrode 표본.

6. 표본에 대 한 냉각 시스템을 실행 합니다.

1. 공기 냉각을 사용 하는 경우의 표본, 게이지 길이 중간에 직접 공기 흐름을 집중 하 고 약 20을 기다리는 s, 그래서 공기 흐름의 흐름 saturates 표본.
2. 물 냉각을 사용 하는 경우는 시료의 최고 머리에 물 노즐을 집중 하 고 스트림 강도 조정 하는 물 흐름 현상 방지 하려면 게이지 길이 따라 원활 하 게.
   참고: 그러나 또한 가능 하다 물 또는 기름에는 견본을 물속, 피로 균열 개시 과정 중요 한 현상 효과 테스트이 짧은 시간에만 사용할 수 있습니다.

7. 피에 조 전기 변환기의 냉각 시스템 실행

1. 공기 흐름의 밸브를 열고 압력 0.5와 1 바 사이의 간격 조정.

8. 필요한 변위 진폭에서 테스트 실행

1. 초음파 테스트 소프트웨어를 실행 합니다.
2. "모델" 상자에서 드롭 다운 메뉴에서 사용된 sonotrode의 유형을 선택 합니다.
3. 특정 sonotrode 요청 된 변위 진폭 "진폭" 상자에 입력 합니다.
4. "시작" 버튼을 클릭 합니다.

9. 피로 균열 개시와 전파

1. 그 후 피로 균열 개시와 전파 횡단면의 부분을 통해, 시스템은 공명 주파수에서 이동 및 테스트 종료 자연스럽 게 관찰 합니다.
2. 테스트 로드 사이클의 요청된 수에 도달 후 골절으로 끝나지 않는 경우 (테스트는 실행 아웃) 초음파 테스트 소프트웨어에서 "정지" 버튼을 사용 하 여 종료.

10. 분리는 Sonotrode에서 견본

1. 초음파 sonotrode에서 견본을 나사.

11입니다. 정적 힘 골절 로드

1. 정적 로드 힘을 사용 하 여 정적 로드 기계의 사용과 크로스 섹션의 나머지를 파괴.
   참고: 벡터와 정적 골절에 대 한 로드 힘의 종류는 피로 골절 표면에 일관 된 문자 로드의 형식과 일치 해야 합니다.

결과

피로 시험 결과 스트레스, 로드 사이클, 수 로드 포함 하 고 표 1, 결과 50CrMo4의 피로 생활의 침묵 및 부드럽게 한 강철 제공 됩니다 골절 (실행-아웃) 테스트 종료 문자를 볼 수 있습니다. 피로 수명 시험 결과의 가장 일반적인 해석 이다-소위 S N 플롯 (S-스트레스, N-사이클 수), 뵐 러의 음모로 알려진 또한. 적용 된 로드 스트레스 피로의 의존도 역사적으로 주어진 거꾸로 축, 독립적인 값 (스트레스 로드)는 y 축에 및 종속 변수 값 (사이클 수) x 축에는 다이어그램에 플롯 됩니다. 회귀 분석의 다양 한 종류는 피로 생활 결과에 적용 된¹⁹ 및 적합을 다이어그램에 추가 하는 경우에 일반적으로 불린다 S-N 곡선. 그러나, 단지 데이터 적합을 포함 하는 원래 음모와 차이가 없었다. 테스트는 골절으로 끝나지 않는 손상 없이 사이클 로드의 필요한 수...

토론

초음파 피로 테스트 매우 높은 사이클 지역에서 구조 재료의 테스트를 수 있는 몇 가지 방법 중 하나입니다. 그러나, 견본 모양 및 크기의 공명 주파수에 관하여 매우 제한 됩니다. 예를 들어, 축 로드 모드에서 얇은 시트의 테스트 일반적으로 불가능 하다. 또한, 큰 견본 테스트 불가능 일반적으로, 테스트 기계 같은 힘을 제공 하지 않습니다 그리고 그것은 특별 한 초음파 시스템의 디자인 요구 하기 때문에.

적절 한 설계, 계산, 및 표본의 조화 해야 하지 과소평가 될, 현대 초음파 발생기는 초음파를 변조 하 고 성공적으로 약간 다른 크기 견본을 끌어들여 수 있습니다 경우에. 그러나,이 게이지 길이의 중간 부분에서 초음파의 노드의 변화 원인과 다음 표본 게이지 길이에서 올바르게 로드 되지 않습니다. 같은 이유로 큰 관심 두 축 기준 테스트 대상의 대칭 되도록 주의가 있다.

큰 토론은 로드 낮은 주파수와 기존의 테스트 장치에서 얻은 데이...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
초음파 피로 시험 장치	Lasur-20		kHz, 피로 시험에 사용
Nyogel 783	Nye Lubricants	-	연결을위한 음향 젤로 사용
			Lasur 피로 시험기 작동을위한 소프트웨어