Ultradźwiękowe badania zmęczeniowe w trybie rozciągania-ściskania

Podsumowanie

Protokół do ultradźwiękowych testów zmęczeniowych w obszarze wysokiego i ultrawysokiego cyklu w trybie obciążenia osiowego rozciągania-ściskania.

Streszczenie

Ultradźwiękowe testowanie zmęczenia jest jedną z niewielu metod, które pozwalają badać właściwości zmęczeniowe w obszarze ultra-wysokiego cyklu. Metoda opiera się na wystawieniu próbki na drgania podłużne o częstotliwości rezonansowej bliskiej 20 kHz. Dzięki zastosowaniu tej metody możliwe jest znaczne skrócenie czasu potrzebnego na wykonanie badania, w porównaniu z konwencjonalnymi urządzeniami testującymi pracującymi zwykle na częstotliwościach poniżej 200 Hz. Służy również do symulacji obciążenia materiału podczas pracy w warunkach dużych prędkości, takich jak te, których doświadczają elementy silników odrzutowych lub samochodowych pomp turbo. Konieczne jest działanie tylko w obszarze wysokiego i bardzo wysokiego cyklu, ze względu na możliwość wystąpienia bardzo wysokich współczynników odkształceń, które mogą mieć znaczący wpływ na wyniki testu. Kształt i wymiary próbki muszą być starannie dobrane i obliczone, aby spełnić warunek rezonansowy systemu ultradźwiękowego; W związku z tym nie jest możliwe przetestowanie pełnych komponentów lub próbek o dowolnym kształcie. Przed każdym badaniem konieczne jest zharmonizowanie próbki z częstotliwością systemu ultradźwiękowego, aby skompensować odchylenia rzeczywistego kształtu od idealnego. Nie jest możliwe przeprowadzenie badania do momentu całkowitego pęknięcia próbki, ponieważ badanie jest automatycznie przerywane po zainicjowaniu i rozpropagowaniu pęknięcia na określoną długość, gdy sztywność układu zmienia się na tyle, aby przesunąć system poza częstotliwość rezonansową. W pracy opisano proces oceny właściwości zmęczeniowych materiałów przy ultradźwiękowym obciążeniu zmęczeniowym o wysokiej częstotliwości z wykorzystaniem rezonansu mechanicznego o częstotliwości bliskiej 20 kHz. Protokół zawiera szczegółowy opis wszystkich kroków wymaganych do prawidłowego badania, w tym projektu próbki, obliczenia naprężeń, harmonizacji z częstotliwością rezonansową, wykonania testu i końcowego pęknięcia statycznego.

Wprowadzenie

Zmęczeniowe uszkodzenia materiałów konstrukcyjnych są silnie związane z industrializacją, a głównie z wykorzystaniem silników parowych i lokomotyw parowych do transportu kolejowego, gdzie zastosowano wiele elementów metalowych, głównie na bazie żelaza, które musiały wytrzymać różne rodzaje cyklicznych obciążeń. Jeden z najwcześniejszych testów został przeprowadzony przez Alberta (Niemcy, 1829)¹ na spawanych łańcuchach do wyciągów kopalnianych. Częstotliwość ładowania wynosiła 10 zgięć na minutę, a maksymalne zarejestrowane testy osiągnęły 100 000 cykli ładowania¹. Kolejne ważne prace zostały przeprowadzone przez Williama Fairbairna w 1864 roku. Badania przeprowadzono na dźwigarach z kutego żelaza z wykorzystaniem obciążenia statycznego, które było podnoszone za pomocą dźwigni, a następnie opuszczane powodując drgania. Dźwigar był obciążany stopniowo zwiększającą się amplitudą naprężeń obciążeniowych. Po osiągnięciu kilkuset tysięcy cykli przy różnych amplitudach naprężeń obciążeniowych, ostatecznie dźwigar uległ uszkodzeniu po zaledwie około pięciu tysiącach cykli obciążenia przy amplitudzie dwóch piątych ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie. Pierwsze kompleksowe i systematyczne badanie wpływu powtarzających się naprężeń na materiały konstrukcyjne zostało przeprowadzone przez Augusta Wöhlera w latach 1860-1870¹. Do tych testów używał trybów skręcania, zginania i obciążenia osiowego. Wöhler zaprojektował wiele unikalnych maszyn do prób zmęczeniowych, ale ich wadą były niskie prędkości robocze, np. najszybsza giętarka obrotowa pracowała z prędkością 72 obr./min (1,2 Hz), stąd realizacja programu eksperymentalnego trwała 12 lat¹. Po przeprowadzeniu tych testów uznano, że po osiągnięciu amplitudy obciążenia, przy której materiał wytrzymuje^10-7 cykli, degradacja zmęczeniowa jest znikoma, a materiał może wytrzymać nieskończoną liczbę cykli obciążenia. Ta amplituda obciążenia została nazwana "granicą zmęczenia" i stała się głównym parametrem w wzornictwie przemysłowym przez wiele lat^2,3.

Dalszy rozwój nowych maszyn przemysłowych, które wymagały wyższej wydajności i oszczędności kosztów, musiał zapewnić możliwość większego obciążenia, wyższych prędkości roboczych, dłuższego czasu trwania i wysokiej niezawodności przy niskich wymaganiach konserwacyjnych. Na przykład elementy pociągu dużych prędkości Shinkanzen po 10 latach eksploatacji muszą wytrzymać około 10⁹ cykli, a awaria głównego elementu może mieć fatalne konsekwencje⁴. Ponadto elementy silników odrzutowych często pracują z prędkością 12 000 obr./min, a elementy turbodmuchaw często przekraczają 17 000 obr./min. Te wysokie prędkości robocze zwiększyły wymagania dotyczące badania trwałości zmęczeniowej w tak zwanym obszarze ultrawysokich cykli oraz oceny, czy wytrzymałość zmęczeniową materiału można rzeczywiście uznać za stałą przez ponad 10 milionów cykli. Po pierwszych testach przeprowadzonych przy przekroczeniu tej wytrzymałości okazało się, że uszkodzenia zmęczeniowe mogą wystąpić nawet przy przyłożonych amplitudach naprężeń niższych niż limit zmęczenia, po liczbie cykli znacznie większej niż 10⁷, oraz że mechanizm uszkodzeń i uszkodzeń może być inny niż zwykle⁵.

Stworzenie programu testów zmęczeniowych mającego na celu zbadanie obszaru ultra-wysokiego cyklu wymagało opracowania nowych urządzeń testujących, aby znacznie zwiększyć częstotliwość obciążenia. W czerwcu 1998 roku w Paryżu odbyło się sympozjum poświęcone temu zagadnieniu, na którym zaprezentowano wyniki eksperymentów uzyskanych przez Stanzl-Tschegg⁶ i Bathias⁷ przy częstotliwościach ładowania 20 kHz, przez Ritchie⁸ przy użyciu serwohydraulicznej maszyny testującej 1 kHz w pętli zamkniętej, oraz przez Davidson⁸ za pomocą magneto-rygorystycznej maszyny testującej 1,5 kHz⁴. Od tego czasu zaproponowano wiele rozwiązań, ale nadal najczęściej używaną maszyną do tego typu testów jest oparta na koncepcji Mansona z 1950 roku i wykorzystuje częstotliwości bliskie 20 kHz⁹. Maszyny te wykazują dobrą równowagę między szybkością odkształcania, dokładnością określania liczby cykli i czasem próby zmęczeniowej (10 do¹⁰ cykli osiąga się w ciągu około 6 dni). Inne urządzenia były w stanie zapewnić jeszcze wyższe częstotliwości obciążenia, jak to używane przez Giralda w 1959 roku - 92 kHz i Kikukawę w 1965 roku - 199 kHz; Są one jednak rzadko używane, ponieważ powodują bardzo wysokie współczynniki odkształceń, a ponieważ test trwa tylko kilka minut, spodziewany jest niezwykły błąd w liczeniu cykli. Innym ważnym czynnikiem ograniczającym częstotliwość obciążenia urządzeń rezonansowych do badań zmęczeniowych jest wielkość próbki, która pozostaje w bezpośrednim związku z częstotliwością rezonansową. Im większa żądana częstotliwość ładowania, tym mniejsza próbka. To jest powód, dla którego częstotliwości powyżej 40 kHz są rzadko używane¹⁰.

Ponieważ amplituda przemieszczenia jest zwykle ograniczona w przedziale od 3 do 80 μm, ultradźwiękowe testy zmęczeniowe mogą być z powodzeniem stosowane na większości materiałów metalowych, chociaż techniki testowania materiałów polimerowych, takie jak PMMA¹¹ i kompozyty¹² zostały również opracowane. Ogólnie rzecz biorąc, ultradźwiękowe badania zmęczeniowe są możliwe do przeprowadzenia w trybach obciążenia osiowego: rozciąganie - symetryczny cykl ściskania^13,14, rozciąganie - cykl rozciągania¹⁵, trzypunktowe zginanie¹⁵, a także kilka badań ze specjalnymi modyfikacjami systemu do prób skręcania^15,16 i zginanie dwuosiowe¹⁷. Nie jest możliwe użycie dowolnych próbek, ponieważ w przypadku tej metody geometria jest ściśle związana z osiągnięciem częstotliwości rezonansowej 20 kHz. Do obciążenia osiowego powszechnie stosuje się kilka rodzajów próbek, zwykle w kształcie klepsydry o średnicy miernika od 3 do 5 mm. Do gięcia trzypunktowego powszechnie stosuje się cienkie blachy, a do innych metod projektuje się specjalne rodzaje próbek, w zależności od rodzaju metody i warunków badania. Metoda została opracowana do oceny trwałości zmęczeniowej w zakresie wysokich i ultrawysokich cykli, a to oznacza, że przy obciążeniu 20 kHz uzyskuje się milion cykli w ciągu 50 s; Dlatego jest to zwykle uważane za dolną granicę cykli obciążenia, którą można zbadać z rozsądną dokładnością, w odniesieniu do liczby wyznaczanych cykli. Każda próbka musi być zharmonizowana z tubą ultradźwiękową poprzez zmianę masy próbki, aby zapewnić odpowiednią częstotliwość rezonansową systemu: róg ultradźwiękowy z próbką.

Protokół

Uwaga: Geometria każdej próbki musi być wybrana i obliczona zgodnie z mechanicznymi i fizycznymi właściwościami badanego materiału, tak aby miał identyczną częstotliwość rezonansu jak system badań ultradźwiękowych.

1. Określanie wymiarów próbki do badań zmęczeniowych

Uwaga: Standardowa geometria próbki rozciągania i ściskania "klepsydry", ze zdefiniowanymi głównymi wymiarami, jest pokazana w Rysunek 1. Wymiary d, D i r są definiowane przez użytkownika (niezależne), podczas gdy wymiary l i L muszą być obliczane zgodnie z warunkami prawidłowej częstotliwości rezonansowej (zależnej). Długość skrajni l wynika tylko ze stosunku geometrii między d, r i D i może być łatwo obliczona lub uzyskana z modelu komponentowego; W związku z tym nie będzie on przedmiotem dalszej dyskusji.

1. Wyznaczanie wymiarów niezależnych
   nuta: Główne wymiary próbki (d, D, r) dobierane są zgodnie z parametrami materiału i warunkami badania.
   1. Określ średnicę miernika d zgodnie z wymaganą objętością materiału do badania. W przypadku jednorodnej mikrostruktury bez wad wewnętrznych preferowana jest mniejsza średnica miernika. W przypadku materiału ze znacznymi wadami wewnętrznymi (takimi jak puste przestrzenie i skurcze w materiałach odlewanych) konieczna jest większa średnica miernika. Średnica miernika d wynosi zwykle od 3 mm do 5 mm.
   2. Określ średnicę głowicy D zgodnie z dostępnym rozmiarem materiału doświadczalnego. Średnica używanej głowicy D wynosi zwykle od 10 mm do 15 mm.
      nuta: Im większa litera D, tym krótsza będzie długość głowy (L).
2. Określić promień skrajni r zgodnie z wymaganym rozkładem naprężeń mechanicznych w długości miernika próbki. Im większa średnica miernika r, tym płynniejszy jest rozkład naprężeń mechanicznych. Powszechnie stosowany promień skrajni to r = 20 mm lub r = 32 mm.
   nuta: Im większe jest r, tym dłuższa będzie próbka.
3. Określanie wymiarów zależnych
   1. Określ numer fali K zgodnie z następującym wzorem^9,18:
      
      nuta: Tutaj f_r jest częstotliwością rezonansową systemu ultradźwiękowego (Hz), ρ jest gęstością objętościową (kg ^m-3), a E_d jest dynamicznym modułem sprężystości (kg ^m-3).
   2. Określ przybliżenie hiperboliczne promienia miernika zgodnie z następującym wzorem^9,19:
      
      nuta: Tutaj l to długość miernika (m), D to średnica główki (m), a d to średnica miernika (m) (Rysunek 1).
   3. Określ efektywną mimośród według następującego wzoru^9,18:
      
      nuta: Tutaj A jest przybliżeniem hiperbolicznym (^m-1) wyznaczonym równaniem (2), a K jest liczbą falową (-) wyznaczoną zgodnie z wyrażeniem (1).
   4. Określ długość głowy (L) zgodnie z następującym równaniem^9,18:
      
      nuta: Tutaj K jest liczbą fali (-) wyznaczoną zgodnie z wyrażeniem (1) w punkcie 1.2.1, β jest mimośrodowością efektywną (^m-1) określoną równaniem (3), a l jest długością miernika (m) (Rysunek 1).

2. Obliczanie naprężeń mechanicznych w długości miernika próbki

1. Wyznacz współczynnik geometryczny normowania zgodnie z następującym równaniem^9,18:
   
2. Wyznacz amplitudę odkształcenia ɛ zgodnie z następującym równaniem^9,18:
   
   nuta: Tutaj jest współczynnikiem geometrycznym (-), a u jest wymaganą amplitudą przemieszczenia swobodnego końca próbki (m).
3. Określ amplitudę naprężeń mechanicznych σ_a zgodnie z następującym równaniem^9,18:
   
   nuta: Tutaj ɛ jest amplitudą odkształcenia (-) wyznaczoną zgodnie z wyrażeniem (5), a E_d jest dynamicznym modułem sprężystości (kg ^m-3). Jeżeli obliczone naprężenie mechaniczne jest zbyt niskie, konieczne jest zwiększenie amplitudy przemieszczenia u (m) i odwrotnie.

3. Wytwarzanie próbki za pomocą operacji obróbki skrawaniem

1. Ze względu na różne małe odchylenia obrabianych próbek od idealnego kształtu, należy wytwarzać próbki z dłuższymi główkami, zwykle L + 0,5 mm.

4. Harmonizacja częstotliwości rezonansowej próbki za pomocą systemu ultradźwiękowego

Uwaga: Harmonizacja to proces kompensacji różnych małych odchyleń rzeczywistego próbki od idealnego, obliczonego kształtu, w celu uzyskania prawidłowej częstotliwości rezonansu, która jest w harmonii z ultradźwiękową sonotrodą akustyczną.

1. Dobierz odpowiedni rodzaj sonotrody akustycznej, zgodnie z wymaganym zakresem przemieszczenia, który jest w stanie zapewnić odpowiednie naprężenia mechaniczne w próbce.
   nuta: Każdy rodzaj sonotrody jest zaprojektowany i skalibrowany dla innego zakresu przemieszczenia, dlatego właściwa sonotroda jest dobierana zgodnie z wymaganą amplitudą przemieszczenia obliczoną zgodnie z sekcją 2.
2. Zamontuj sonotrodę na przetwornicy piezoelektrycznej.
   1. Wkręć łączącą w środkowy otwór sonotrody, aż dotrze do dna.
   2. Rozprowadź żel akustyczny na czole sonotrody.
      nuta: Stosuje się niewielką ilość żelu, tylko tyle, aby wypełnić nieregularność powierzchni, co poprawia przenoszenie fali mechanicznej między przetwornikiem piezoelektrycznym a sonotrodą.
   3. Wkręć sonotrodę w konwerter piezoelektryczny.
3. Uruchom system ultradźwiękowy z konwerterem piezoelektrycznym z zamontowaną sonotrodą, aby zmierzyć częstotliwość rezonansową danego systemu w rzeczywistej temperaturze.
   1. Uruchom oprogramowanie do testowania ultradźwiękowego (np. Win20k).
   2. Wybierz rodzaj używanej sonotrody z menu rozwijanego w polu "Model".
   3. Wprowadź najniższą możliwą amplitudę przemieszczenia dla danej sonotrody w polu "Amplituda".
   4. Kliknij przycisk "Start".
   5. Odczytaj rzeczywistą częstotliwość rezonansową systemu w polu "Częstotliwość".
   6. Kliknij przycisk "Zatrzymaj".
4. Zamontuj próbkę na końcu sonotrody.
   1. Wkręć łączącą w środkowy otwór próbki, aż dotrze do dna.
   2. Przykręć próbkę do sonotrody.
5. Uruchom system ultradźwiękowy z konwerterem piezoelektrycznym z zamontowaną sonotrodą i próbką, aby zmierzyć częstotliwość rezonansową danego systemu w rzeczywistej temperaturze.
   1. Uruchom oprogramowanie do testowania ultradźwiękowego.
   2. Wybierz rodzaj użytej sonotrody z menu rozwijanego w polu "Model".
   3. Wprowadź najniższą możliwą amplitudę przemieszczenia dla danej sonotrody w polu "Amplituda".
   4. Kliknij przycisk "Start".
   5. Odczytaj rzeczywistą częstotliwość rezonansową systemu w polu "Częstotliwość".
   6. Kliknij przycisk "Zatrzymaj".
6. Gdy częstotliwość rezonansowa systemu z zamontowaną próbką jest niższa niż bez próbki, zmniejsz masę próbki, odcinając powierzchnie głowy próbki.
   nuta: Jeśli częstotliwość rezonansowa z zamontowaną próbką jest wyższa, konieczne byłoby zmniejszenie średnicy miernika d, co zmieniłoby warunki badania. To jest powód, dla którego w procesie produkcyjnym dodaje się 0,5 mm do długości głowic.
   1. Zdejmij próbkę z sonotrody.
   2. Zamontuj próbkę w tokarce i obróć 0,1 mm powierzchni czołowej pierwszej głowicy.
   3. Zamontuj próbkę w tokarce i obróć 0,1 mm powierzchni czołowej drugiej głowicy.
   4. Powtarzaj krok 4.6, aż częstotliwość rezonansowa znajdzie się w granicach tolerancji ± 10 Hz.

5. Końcowe mocowanie próbki do sonotrody przed testem zmęczeniowym

1. Nałóż żel akustyczny na powierzchnie, aby stworzyć połączenia między sonotrodą a próbką.
   1. Wkręć łączącą w środkowy otwór próbki, aż dotrze do dna.
   2. Rozprowadź żel akustyczny na powierzchni próbki.
      nuta: Wystarczy niewielka ilość żelu akustycznego, aby wypełnić nierówności na powierzchni, aby poprawić przenoszenie fali akustycznej z sonotrody do próbki.
   3. Przykręć próbkę do sonotrody.

6. Uruchom system chłodzenia próbki

1. Jeśli stosowane jest chłodzenie powietrzem, skoncentruj strumień powietrza bezpośrednio na środku długości miernika próbki i odczekaj około 20 sekund, aby przepływ strumienia powietrza nasycił próbkę.
2. Jeśli stosowane jest chłodzenie wodą, skoncentruj dysze wodne na górnej głowicy próbki i dostosuj intensywność strumienia, aby woda płynnie przepływała wzdłuż długości manometru, aby uniknąć kawitacji.
   nuta: Możliwe jest również zanurzenie próbki w wodzie lub oleju, jednak można to wykorzystać tylko do krótkotrwałych testów ze względu na znaczny efekt kawitacji, który przyspiesza proces inicjacji pęknięć zmęczeniowych.

7. Uruchom system chłodzenia konwertera piezoelektrycznego

1. Otwórz zawór strumienia powietrza i wyreguluj ciśnienie w zakresie od 0,5 do 1 bara.

8. Uruchom test przy wymaganej amplitudzie przemieszczenia

1. Uruchom oprogramowanie do testowania ultradźwiękowego.
2. Wybierz rodzaj używanej sonotrody z menu rozwijanego w polu "Model".
3. Wprowadź żądaną amplitudę przemieszczenia dla konkretnej sonotrody w polu "Amplituda".
4. Kliknij przycisk "Start".

9. Inicjacja i propagacja pęknięć zmęczeniowych

1. Należy zauważyć, że po zainicjowaniu i rozpropagowaniu pęknięć zmęczeniowych przez część przekroju, układ zostaje przesunięty poza częstotliwość rezonansową i badanie zostaje w naturalny sposób zakończone.
2. Jeśli test nie zakończy się pęknięciem, po osiągnięciu żądanej liczby cykli obciążenia (test jest biciem) zakończ za pomocą przycisku "Stop" w oprogramowaniu do badań ultradźwiękowych.

10. Zdemontuj próbkę z sonotrody

1. Odkręcić próbkę od sonotrody ultradźwiękowej.

11. Obciążenie statyczne Siła szczelinowania

1. Użyj statycznej siły obciążenia, aby złamać pozostałą część przekroju za pomocą statycznej maszyny do ładowania.
   nuta: Wektor i rodzaj siły obciążenia dla pęknięcia statycznego powinny odpowiadać rodzajowi obciążenia zmęczeniowego, tak aby powierzchnia pęknięcia miała spójny charakter.

Wyniki

Wyniki testu zmęczeniowego obejmują obciążenie obciążeniem, liczbę cykli obciążenia, a charakter zakończenia testu (pęknięcie lub bicie) można zobaczyć w Tabeli 1, gdzie podane są wyniki trwałości zmęczeniowej stali hartowanej i odpuszczanej 50CrMo4. Najczęstszą interpretacją wyników badania trwałości zmęczeniowej jest tzw. wykres S - N (S - naprężenie, N - liczba cykli), znany również jako wykres Wöhlera. Zależność trwałości zmęczeniowej od przyłożonego naprężenia obciąż...

Dyskusja

Ultradźwiękowe badania zmęczeniowe są jedną z niewielu metod, która pozwala na badanie materiałów konstrukcyjnych w obszarze ultra-wysokiego cyklu. Jednak kształt i rozmiar próbki są bardzo ograniczone pod względem częstotliwości rezonansowej. Na przykład badanie cienkich blach w trybie obciążenia osiowego jest z reguły niemożliwe. Ponadto badanie dużych próbek zwykle nie jest możliwe, ponieważ maszyny wytrzymałościowe nie zapewniają takiej mocy i wymagałoby to zaprojektowania specjalnego systemu ultradźwiękowego.

<...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Ultradźwiękowe urządzenie do badań zmęczeniowych		Lasur-20	kHz, używane do testów zmęczeniowych
Nyogel 783	Nye Lubricants-Używane		jako żel akustyczny do łączenia części systemu ultradźwiękowego
Oprogramowanie Win 20k	Lasur-Software		do obsługi maszyny do badania zmęczeniowego Lasur