Name: Ultradźwiękowe badania zmęczeniowe w trybie rozciągania-ściskania (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-03-07T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 54 s
Description: Poznaj ultradźwiękowe badania zmęczeniowe w trybie rozciągania-ściskania do oceny trwałości materiałów metalowych. Ta metoda umożliwia przeprowadzenie 20 000 cykli obciążenia na sekundę przy częstotliwości rezonansowej 20 kHz.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Praca była wspierana przez projekty: "Centrum Badawcze Uniwersytetu w Żylinie -2 etap", ITMS 313011D011, Agencja Grantów Naukowych Ministerstwa Edukacji, Nauki i Sportu Republiki Słowackiej oraz Słowackiej Akademii Nauk, granty nr: 1/0045/17, 1/0951/17 i 1/0123/15 oraz Słowacka Agencja Badań i Rozwoju, grant nr. APVV-16-0276.

Uwaga: Geometrię każdej próbki należy dobrać i obliczyć zgodnie z właściwościami mechanicznymi i fizycznymi badanego materiału, tak aby posiadała ona taką samą częstotliwość rezonansową, co system badań ultradźwiękowych.

1. Wyznaczenie wymiarów próbki do testu zmęczeniowego
Uwaga: Standardowa geometria próbki do testów rozciągania-ściskania w kształcie „klepsydry”, z określonymi wymiarami głównymi, przedstawiona jest na Rysunku 1. Wymiary d, D oraz r są definiowane przez użytkownika (zależne), natomiast wymiary l i L muszą zostać obliczone zgodnie z warunkami uzyskania prawidłowej częstotliwości rezonansowej (zależne). Długość pomiarowa l wynika wyłącznie ze stosunku geometrycznego między d, r a D i może zostać łatwo obliczona lub uzyskana z modelu komponentu; w związku z tym nie będzie ona przedmiotem dalszych rozważań.
<ol>
	<li>Wyznaczanie wymiarów niezależnych 
	Uwaga: Główne wymiary próbki (d, D, r) dobiera się w zależności od parametrów materiałowych oraz warunków badania.
	<ol>
		<li>Wyznaczyć średnicę roboczą d w zależności od wymaganej objętości materiału do badań. W przypadku jednorodnej mikrostruktury bez wad wewnętrznych zalecana jest mniejsza średnica robocza. W przypadku materiału ze znacznymi wadami wewnętrznymi (takimi jak pustki i skurcze w materiałach odlewniczych) konieczne jest zastosowanie większej średnicy roboczej. Średnica robocza d zazwyczaj wynosi od 3 mm do 5 mm.</li>
		<li>Wyznaczyć średnicę głowicy D w zależności od dostępnego rozmiaru materiału doświadczalnego. Stosowana średnica głowicy D zazwyczaj mieści się w przedziale od 10 mm do 15 mm. 
		Uwaga: Im większa wartość D, tym krótsza będzie długość głowicy (L).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyznaczyć promień roboczy r w zależności od wymaganego rozkładu naprężeń mechanicznych w długości roboczej próbki. Im większy promień roboczy r, tym bardziej równomierny jest rozkład naprężeń mechanicznych. Powszechnie stosowany promień roboczy to r = 20 mm lub r = 32 mm. 
	Uwaga: Im większa wartość r, tym dłuższa będzie próbka.</li>
	<li>Wyznaczanie wymiarów zależnych
	<ol>
		<li>Wyznaczyć liczbę falową K zgodnie z następującym wzorem9,18: 
		<img alt="Równanie sztywności dynamicznej; wzór: K=2πfr√(ρ/Ed); koncepcja matematyczna." src="/files/ftp_upload/57007/57007eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1"> 
		Uwaga: Gdzie fr to częstotliwość rezonansowa systemu ultradźwiękowego (Hz), ρ to gęstość objętościowa (kg m-3), a Ed to dynamiczny moduł sprężystości (kg m-3).</li>
		<li>Wyznaczyć hiperboliczną aproksymację promienia roboczego zgodnie z następującym wzorem9,19: 
		<img alt="Wzór funkcji hiperbolicznej, A = 2/l arcosh(D/d), do obliczeń fizycznych." src="/files/ftp_upload/57007/57007eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2"> 
		Uwaga: Gdzie l to długość robocza (m), D to średnica głowicy (m), a d to średnica robocza (m) (Rysunek 1).</li>
		<li>Wyznaczyć efektywną ekscentryczność zgodnie z następującym wzorem9,18: 
		<img alt="Wzór równowagi statycznej, β=√(A²+K²) diagram, stosowany w analizie mechanicznej." src="/files/ftp_upload/57007/57007eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> 
		Uwaga: Gdzie A to aproksymacja hiperboliczna (m-1) wyznaczona z równania (2), a K to liczba falowa (-) wyznaczona zgodnie z wyrażeniem (1).</li>
		<li>Wyznaczyć długość głowicy (L) zgodnie z następującym równaniem9,18: 
		<img alt="Równanie równowagi statycznej; złożony wzór symboliczny; zastosowanie edukacyjne." src="/files/ftp_upload/57007/57007eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4"> 
		Uwaga: Gdzie K to liczba falowa (-) wyznaczona zgodnie z wyrażeniem (1) w punkcie 1.2.1, β to efektywna ekscentryczność (m-1) wyznaczona z równania (3), a l to długość robocza (m) (Rysunek 1).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Obliczanie naprężeń mechanicznych w długości pomiarowej próbki
<ol>
	<li>Wyznacz normujący czynnik geometryczny <img alt="symbol Φ, strumień magnetyczny, koncepcja fizyczna, obraz formuły edukacyjnej." src="/files/ftp_upload/57007/57007eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5"> zgodnie z następującym równaniem9,18: 
	<img alt="wzór na Φ, funkcje cosh i sinh w równowadze statycznej, równanie matematyczne." src="/files/ftp_upload/57007/57007eq6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 6"></li>
	<li>Wyznacz amplitudę odkształcenia ɛ zgodnie z następującym równaniem9,18: 
	<img alt="Równowaga statyczna; wzór: ε=βΦu(-) [6]; koncepcja fizyczna." src="/files/ftp_upload/57007/57007eq7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 7"> 
	Uwaga: Tutaj <img alt="symbol Φ, strumień magnetyczny, koncepcja fizyczna, obraz formuły edukacyjnej." src="/files/ftp_upload/57007/57007eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5"> to czynnik geometryczny (-) a u to wymagana amplituda przemieszczenia wolnego końca próbki (m).</li>
	<li>Wyznacz amplitudę naprężeń mechanicznych σa zgodnie z następującym równaniem9,18: 
	<img alt="równanie równowagi statycznej, σₐ=εEₐ(Pₐ), schemat; edukacyjna koncepcja fizyczna, model matematyczny." src="/files/ftp_upload/57007/57007eq8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 8"> 
	Uwaga: Tutaj ɛ to amplituda odkształcenia (-) wyznaczona zgodnie z wyrażeniem (5), a Ed to dynamiczny moduł sprężystości (kg m-3). Jeśli obliczone naprężenie mechaniczne jest zbyt niskie, konieczne jest zwiększenie amplitudy przemieszczenia u (m) i na odwrót.</li>
</ol>
3. Wytwarzanie próbki za pomocą operacji obróbki skrawaniem
<ol>
	<li>Ze względu na niewielkie odchyłki wykonanych próbek od kształtu idealnego, należy wykonać próbki z dłuższymi łbami, zazwyczaj L + 0.5 mm.</li>
</ol>
4. Harmonizacja częstotliwości rezonansowej próbki z systemem ultradźwiękowym
Uwaga: Harmonizacja jest procesem kompensowania różnych niewielkich odchyleń rzeczywistego preparatu od kształtu idealnego, obliczonego, w celu uzyskania prawidłowej częstotliwości rezonansowej, która jest zgodna z ultradźwiękowym sonotrodą akustyczną.
<ol>
	<li>Wybierz odpowiedni typ akustycznej sonotrody, zgodnie z wymaganym zakresem przemieszczenia, która jest w stanie zapewnić odpowiednie naprężenia mechaniczne w próbce. 
	Uwaga: Każdy typ sonotrody jest zaprojektowany i skalibrowany dla innego zakresu przemieszczenia, dlatego właściwą sontrodę wybiera się na podstawie wymaganej amplitudy przemieszczenia obliczonej zgodnie z sekcją 2.</li>
	<li>Zamontuj sontrodę na przetworniku piezoelektrycznym.
	<ol>
		<li>Wkręć śrubę połączeniową do otworu centralnego w sontrodzie, aż dotrze ona do dna.</li>
		<li>Nałóż żel akustyczny na powierzchnię sonotrody. 
		Uwaga: Należy użyć niewielkiej ilości żelu, wystarczającej jedynie do wypełnienia nierówności powierzchni, co poprawia przenoszenie fali mechanicznej między przetwornikiem piezoelektrycznym a sontrodą.</li>
		<li>Wkręć sontrodę w przetwornik piezoelektryczny.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Uruchom system ultradźwiękowy z przetwornikiem piezoelektrycznym i zamontowaną sontrodą, aby zmierzyć częstotliwość rezonansową danego układu w aktualnej temperaturze.
	<ol>
		<li>Uruchom oprogramowanie do badań ultradźwiękowych (np. Win20k).</li>
		<li>Wybierz typ użytej sonotrody z menu rozwijanego w polu „Model”.</li>
		<li>Wpisz najniższą możliwą amplitudę przemieszczenia dla danej sonotrody w polu „Amplitude”.</li>
		<li>Kliknij przycisk „Start”.</li>
		<li>Odczytaj aktualną częstotliwość rezonansową układu w polu „Frequency”.</li>
		<li>Kliknij przycisk „Stop”.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zamontuj próbkę na końcu sonotrody.
	<ol>
		<li>Wkręć śrubę połączeniową do otworu centralnego próbki, aż dotrze ona do dna.</li>
		<li>Przykręć próbkę do sonotrody.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Uruchom system ultradźwiękowy z przetwornikiem piezoelektrycznym, zamontowaną sontrodą i próbką, aby zmierzyć częstotliwość rezonansową danego układu w aktualnej temperaturze.
	<ol>
		<li>Uruchom oprogramowanie do badań ultradźwiękowych.</li>
		<li>Wybierz typ użytej sonotrody z menu rozwijanego w polu „Model”.</li>
		<li>Wpisz najniższą możliwą amplitudę przemieszczenia dla danej sonotrody w polu „Amplitude”.</li>
		<li>Kliknij przycisk „Start”.</li>
		<li>Odczytaj aktualną częstotliwość rezonansową układu w polu „Frequency”.</li>
		<li>Kliknij przycisk „Stop”.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Jeśli częstotliwość rezonansowa układu z zamontowaną próbką jest niższa niż bez próbki, zmniejsz masę próbki poprzez odtoczenie powierzchni czołowych głowic próbki. 
	Uwaga: Gdyby częstotliwość rezonansowa z zamontowaną próbką była wyższa, konieczne byłoby zmniejszenie średnicy pomiarowej d, co zmieniłoby warunki badania. Z tego powodu w procesie produkcji do długości głowic dodaje się 0,5 mm.
	<ol>
		<li>Zdemontuj próbkę z sonotrody.</li>
		<li>Zamocuj próbkę w tokarce i odtocz 0,1 mm z powierzchni pierwszej głowicy.</li>
		<li>Zamocuj próbkę w tokarce i odtocz 0,1 mm z powierzchni drugiej głowicy.</li>
		<li>Powtarzaj krok 4.6, aż częstotliwość rezonansowa zmieści się w tolerancji ± 10 Hz.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Końcowy montaż próbki do sonotrody przed testem zmęczeniowym
<ol>
	<li>Nanieś żel akustyczny na powierzchnie styku, aby stworzyć połączenia między sonotrodą a próbką.
	<ol>
		<li>Wkręć śrubę mocującą w otwór centralny próbki, aż dotrze ona do dna.</li>
		<li>Rozprowadź żel akustyczny na powierzchni próbki. 
		Uwaga: Należy użyć niewielkiej ilości żelu akustycznego, aby wypełnić nierówności powierzchni i poprawić przekazywanie fali akustycznej z sonotrody do próbki.</li>
		<li>Przykręć próbkę do sonotrody.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. Uruchomienie systemu chłodzenia preparatu
<ol>
	<li>W przypadku stosowania chłodzenia powietrzem, skieruj strumień powietrza bezpośrednio na środek długości pomiarowej próbki i odczekaj około 20 s, aby przepływ strumienia powietrza nasycił próbkę.</li>
	<li>W przypadku stosowania chłodzenia wodą, skieruj dysze wodne na górzny uchwyt próbki i dostosuj intensywność strumienia tak, aby woda płynęła gładko wzdłuż długości pomiarowej, aby uniknąć kawitacji. 
	Uwaga: Możliwe jest również zanurzenie próbki w wodzie lub oleju, jednak można to stosować jedynie w testach krótkotrwałych ze względu na znaczący efekt kawitacji, który przyspiesza proces inicjacji pęknięć zmęczeniowych.</li>
</ol>
7. Uruchomienie układu chłodzenia przetwornika piezoelektrycznego
<ol>
	<li>Otwórz zawór strumienia powietrza i ustaw ciśnienie w przedziale od 0.5 do 1 bar.</li>
</ol>
8. Przeprowadzenie testu przy wymaganej amplitudzie przemieszczenia
<ol>
	<li>Uruchom oprogramowanie do badań ultradźwiękowych.</li>
	<li>W menu rozwijanym w polu „Model” wybierz typ użytej sonotrody.</li>
	<li>W polu „Amplitude” wprowadź wymaganą amplitudę przemieszczenia dla danej sonotrody.</li>
	<li>Kliknij przycisk „Start”.</li>
</ol>
9. Inicjacja i propagacja pęknięć zmęczeniowych
<ol>
	<li>Należy zauważyć, że po zainicjowaniu pęknięcia zmęczeniowego i jego propagacji przez część przekroju, system zostaje przesunięty poza częstotliwość rezonansową, a badanie kończy się w sposób naturalny.</li>
	<li>Jeśli badanie nie zakończy się złamaniem po osiągnięciu wymaganej liczby cykli obciążenia (badanie zakończyło się bez zniszczenia), należy je przerwać, używając przycisku „Stop” w oprogramowaniu do badań ultradźwiękowych.</li>
</ol>
10. Zdemontuj próbkę z sonotrody
<ol>
	<li>Odkręć próbkę od sonotrody ultradźwiękowej.</li>
</ol>
11. Pękanie pod wpływem statycznej siły obciążenia
<ol>
	<li>Przy użyciu maszyny do obciążania statycznego zastosuj statyczną siłę obciążenia, aby doprowadzić do przełomu pozostałej części przekroju. 
	Uwaga: Wektor i rodzaj siły obciążenia podczas przełomu statycznego powinny odpowiadać rodzajowi obciążenia zmęczeniowego, aby powierzchnia przełomu miała spójny charakter.</li>
</ol>

<ol><li>Moore, H. F., Kommers, J. B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMoore%2C+HF+%22The+fatigue+of+metals%22">The fatigue of metals</a>. , McGraw-Hill book company, inc. New York. 321(1927).</li>
<li>Nicholas, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNicholas%2C+T+%22High+Cycle+Fatigue%3A+A+Mechanics+of+Materials+Perspective%22">High Cycle Fatigue: A Mechanics of Materials Perspective</a>. , Elsevier Science. (2006).</li>
<li>Schijve, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSchijve%2C+J+%22Fatigue+of+Structures+and+Materials%22">Fatigue of Structures and Materials</a>. , Springer. Netherlands. (2008).</li>
<li>Murakami, Y. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMurakami%2C+Y+%22Metal+Fatigue%3A+Effects+of+Small+Defects+and+Nonmetallic+Inclusions%22">Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions</a>. , Elsevier Science. (2002).</li>
<li>Trsko, L., Bokuvka, O., Novy, F., Guagliano, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0261306913011680">Effect of severe shot peening on ultra-high-cycle fatigue of a low-alloy steel.</a> Mater. Design. 57, 103-113 (2014).</li>
<li>Stanzl, T. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1046/j.1460-2695.1999.00180.x/abstract">Fracture mechanisms and fracture mechanics at ultrasonic frequencies.</a> Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 567-579 (1999).</li>
<li>Bathias, C. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1046/j.1460-2695.1999.00183.x/abstract">There is no infinite fatigue life in metallic materials.</a> Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 559-565 (1999).</li>
<li>Ritchie, R. O., et al. <a target="_blank" href="http://www2.lbl.gov/ritchie/Library/PDF/ROR-HCF_99.pdf">High-cycle fatigue of Ti-6Al-4V.</a> Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 621-631 (1999).</li>
<li>Bathias, C., Paris, P. C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBathias%2C+C+%22Gigacycle+Fatigue+in+Mechanical+Practice%22">Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice</a>. , CRC Press. (2004).</li>
<li>Bokuvka, O., et al. <a target="_blank" href="null">Ultrasonic Fatigue of Materials at Low and High Frequency Loading</a>. , 2nd, University of Zilina. Zilina. (2015).</li>
<li>Almaraz, G. M. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321617300483">Ultrasonic Fatigue Testing on the Polymeric Material PMMA, Used in Odontology Applications.</a> Procedia Structural Integrity. 3, 562-570 (2017).</li>
<li>Flore, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353816313306">Investigation of the high and very high cycle fatigue behaviour of continuous fibre reinforced plastics by conventional and ultrasonic fatigue testing.</a> Compos. Sci. Technol. 141, 130-136 (2017).</li>
<li>Trško, L., et al. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s11665-017-2692-9">Influence of Severe Shot Peening on the Surface State and Ultra-High-Cycle Fatigue Behavior of an AW 7075 Aluminum Alloy.</a> J. Mater. Eng. Perform. 26 (6), 2784-2797 (2017).</li>
<li>Mayer, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112314002588">Cyclic torsion very high cycle fatigue of VDSiCr spring steel at different load ratios.</a> Int. J. Fatigue. 70, 322-327 (2015).</li>
<li>Bathias, C. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112306001095">Piezoelectric fatigue testing machines and devices.</a> Int. J. Fatigue. 28 (11), 1438-1445 (2006).</li>
<li>Mayer, H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112306001101">Ultrasonic torsion and tension-compression fatigue testing: Measuring principles and investigations on 2024-T351 aluminium alloy.</a> Int. J. Fatigue. 28 (11), 1446-1455 (2006).</li>
<li>Brugger, C., Palin-Luc, T., Osmond, P., Blanc, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112316304558">A new ultrasonic fatigue testing device for biaxial bending in the gigacycle regime.</a> Int. J. Fatigue. 100, Part 2, 619-626 (2017).</li>
<li>Wagner, D., Cavalieri, F. J., Bathias, C., Ranc, N. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212540X12000090">Ultrasonic fatigue tests at high temperature on anaustenitic steel.</a> J. Propul. Power. 1 (1), 29-35 (2012).</li>
<li>Kohout, J., Vechet, S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112300000827">A new function for fatigue curves characterization and its multiple merits.</a> Int. J. Fatigue. 23 (2), 175-183 (2001).</li>
</ol>

Nie mamy nic do ujawnienia.

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. 
<...

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 wytrzymuje10-7 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 lat2,3.
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 ściskania13,14, rozciąganie - cykl rozciągania15, trzypunktowe zginanie15, a także kilka badań ze specjalnymi modyfikacjami systemu do prób skręcania15,16 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.

<table><tbody><tr><td>Ultradźwiękowe urządzenie do badań zmęczeniowych</td><td></td> <td>Lasur-20</td> <td>kHz, używane do testów zmęczeniowych</td></tr><tr><td>Nyogel 783</td><td>Nye Lubricants-Używane</td><td></td> <td>jako żel akustyczny do łączenia części systemu ultradźwiękowego</td></tr><tr><td>Oprogramowanie Win 20k</td><td>Lasur-Software</td><td></td> <td>do obsługi maszyny do badania zmęczeniowego Lasur</td></tr></tbody></table>

ultradźwiękowe badania zmęczeniowe w trybie rozciągania-ściskania

Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

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.

Wyniki badań zmęczeniowych, obejmujące naprężenie obciążające, liczbę cykli obciążenia oraz charakter zakończenia badania (pęknięcie lub brak zniszczenia), przedstawiono w Tabeli 1, w której podano wyniki trwałości zmęczeniowej stali 50CrMo4 hartowanej i odpuszczanej. Najczęstszą interpretacją wyników badań trwałości zmęczeniowej jest tzw. wykres S - N (S – naprężenie, N – liczba cykli), znany również jako krzywa Wöhlera. Zależność trwałości zmęczeniowej od przyłożonego n...

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

Ultradźwiękowe badania zmęczeniowe w trybie rozciągania-ściskania

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on ...

Ogólnym celem tego eksperymentu jest ocena trwałości zmęczeniowej materiału w obszarze ultra wysokiego cyklu. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące bezpieczeństwa i niezawodności elementów metalowych, które muszą wytrzymać nasze dziesięć milionów cykli obciążenia podczas pracy. Technika ta opiera się na wprowadzaniu próbki w drgania wzdłużne przy każdej częstotliwości rezonansowej 20 kiloherców, co oznacza, że w ciągu sekundy przeprowadza się około 20 000 cykli ładowania.Aby móc wprawić próbkę w wibracje o tej konkretnej częstotliwości rezonansowej, jej rozmiar i kształt muszą być starannie zaprojektowane do warunków rezonansowych. Badania zostaną przeprowadzone przy użyciu ultradźwiękowego urządzenia do badania zmęczenia. Próbki materiału doświadczalnego muszą być obrabiane maszynowo tak, aby miały standardową geometrię klepsydry do prób ściskania przy rozciąganiu.Ten rysunek próbki do badań oznacza odpowiednie wymiary. Wybierz średnicę głowicy, średnicę miernika i promień miernika zgodnie z parametrami materiału i warunkami testowymi, które określają długość miernika. Długość głowy określa całkowitą masę próbki i musi być obliczona tak, aby spełniała warunek rezonansu przy 20 kilohercach.Zacznij od przygotowania urządzenia testującego. Wybierz odpowiednią sonotrodę dla wymaganego zakresu przemieszczenia. Wkręć łączącą w sonotrodę, aż dotrze do dna, a następnie rozprowadź niewielką ilość żelu akustycznego na powierzchni sonotrody.Następnie wkręć sonotrodę w konwerter piezoelektryczny. Przejdź do komputera systemu ultradźwiękowego. Użyj oprogramowania sterującego, aby znaleźć rzeczywistą częstotliwość rezonansową systemu.Teraz pracuj, aby zamontować próbkę. Wkręć łączącą w próbkę, aż dotrze do dna, a następnie przykręć próbkę do sonotrody. Próbka ta jest prawidłowo zamontowana do następnego pomiaru częstotliwości rezonansowej.Teraz użyj oprogramowania sterującego, aby znaleźć częstotliwość rezonansową systemu z próbką. Przygotuj się do modyfikacji próbki, jeśli częstotliwość rezonansowa jest niższa niż częstotliwość systemu. Do modyfikacji przygotuj tokarkę.Następnie wyjmij próbkę z sonotrody, a następnie zamontuj próbkę w tokarce, aby zmniejszyć jej masę. Użyj tokarki, aby obrócić o jedną dziesiątą milimetra na każdej głowicy, usuwając równą masę z każdej strony próbki, aby zwiększyć częstotliwość rezonansową i zachować jej geometrię. Po zakończeniu zwróć próbkę do sonotrody.Następnie ponownie zmierz częstotliwość rezonansową systemu z próbką. Kontynuuj usuwanie próbki z sonotrody i zmniejszaj jej masę, aż dwie częstotliwości rezonansowe znajdą się w zakresie dziesięciu herców. Zacznij od urządzenia testującego po usunięciu próbki.Upewnij się, że śruba łącząca sięga dna próbki, a następnie rozprowadź niewielką ilość żelu akustycznego na powierzchni próbki. Zabierz próbkę z powrotem do sonotrody i przykręć ją na miejsce. W przypadku tego systemu chłodzonego wodą należy skupić dysze wodne na górnej głowicy próbki, aby woda płynnie przepływała wzdłuż długości miernika.Na koniec wyreguluj układ chłodzenia przetwornicy piezoelektrycznej. Na komputerze sterującym rozpocznij test. Test kończy się automatycznie, gdy w próbce zostanie zainicjowane pęknięcie zmęczeniowe.Zatrzymaj systemy chłodzenia i zdemontuj próbkę. Podobnie jak w tym przypadku, często można zobaczyć pęknięcie na powierzchni próbki. Zainicjowanie pęknięcia zmęczeniowego w próbce powoduje zmianę sztywności układu ultradźwiękowego, co powoduje wysunięcie układu z częstotliwości rezonansowej, dzięki czemu badanie jest w naturalny sposób zakończone w momencie zainicjowania pęknięcia.Jeżeli pęknięcie zmęczeniowe nie rozpocznie się przed upływem maksymalnej liczby cykli w badaniu, badanie odnotowuje się jako wybicie i przedstawia bezpieczną amplitudę obciążenia. Dane te dotyczą trzech różnych stali: Hardox 450, Strenx 700MC i S355J2. Naprężenie obciążenia występuje wzdłuż osi pionowej.Liczba cykli obciążenia w badaniu przebiega wzdłuż osi poziomej. Wszystkie testy kończyły się pęknięciem przed dziesiątymi do dziesiątych cykli, z wyjątkiem jednego, w którym punkt danych był oznaczony strzałką. Ten test został zakończony jako wyczerpanie.Ten obraz ze skaningowej mikroskopii elektronowej dostarcza informacji na temat inicjacji i propagacji pęknięć zmęczeniowych. Pęknięcie zmęczeniowe rozpoczęło się na wolnej powierzchni. Propagacja pęknięć zakończyła się, gdy system ultradźwiękowy przesunął się z rezonansu i test dobiegł końca.Jaśniejszy obszar odpowiada pękaniu pod wpływem obciążenia statycznego. Próbka to 50 chromu maliptinum cztery hartowane w hartowanej stali. Jest to obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego przedstawiający wgłębienie na powierzchni próbki ze stali o grubości 50 chromu maliptinum cztery po niewłaściwym procesie chłodzenia.Wgłębienia przyspieszają proces inicjacji pęknięć zmęczeniowych, pełniąc funkcję wgłębień koncentracji naprężeń. Wynik tej próby zmęczeniowej jest nie do przyjęcia. Ten obraz ze skaningowej mikroskopii elektronowej przedstawia obszar propagacji pęknięć zmęczeniowych próbki stopu aluminium AW7075.Strzałka wskazuje kierunek propagacji pęknięć zmęczeniowych. Pęknięcie rozprzestrzeniało się za pomocą transkrystalicznego mechanizmu zmęczeniowego. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest ona w stanie symulować lata pracy w ciągu zaledwie kilku godzin lub dni.Po opanowaniu próbka może zostać zharmonizowana i uruchomić w ciągu dwudziestu minut, jeśli zostanie odpowiednio zaprojektowana w maszynie. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o intensywnym schładzaniu miernika próbki. Po jej opracowaniu, technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się badaniem zmęczenia w obszarze ultra wysokiego cyklu.Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak harmonizować, uruchamiać i schładzać ultradźwiękowe próbki do testów zmęczeniowych. Nie zapominaj, że praca z ultradźwiękami może być bardzo niebezpieczna dla uszu i podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak zatyczki do uszu. Nasza grupa pragnie wyrazić uznanie dla wkładu profesora Otakara Bokuvki w nasze wysiłki badawcze.

ultrasonic-fatigue-testing-in-the-tension-compression-mode

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Przedstawiamy protokół użycia trybometru wspomaganego piezoelektrycznie i profilometru optycznego do zbadania zależności zużycia ultradźwiękowego i redukcji tarcia od prędkości liniowej, nacisku kontaktowego i właściwości powierzchni.

Eksperymenty nad smarowaniem ultradźwiękowym przy użyciu trybometru wspomaganego piezoelektrycznie i profilometru optycznego

Opisana jest prosta procedura ultradźwiękowego zgrzewania próbek z kompozytu termoplastycznego do podstawowych testów mechanicznych. Kluczowymi cechami tego procesu spawania ultradźwiękowego są zastosowanie płaskich rozdzielaczy energii w celu uproszczenia przygotowania procesu oraz wykorzystanie danych procesowych do szybkiego zdefiniowania optymalnych warunków obróbki.

Zgrzewanie ultradźwiękowe termoplastycznych kompozytów kompozytowych do mechanicznej charakterystyki połączeń spawanych poprzez badanie ścinaniem na pojedyncze zakładki

Biomechanika tkanek jest ważna dla utrzymania kształtu i funkcji komórki oraz dla określenia fenotypu. W niniejszym raporcie przedstawiono nieniszczące protokoły mechaniczne do charakteryzowania elastycznych i lepkosprężystych właściwości ludzkich tkanek miękkich, które można bezpośrednio zastosować do podłoży inżynierii tkankowej, aby umożliwić ścisłe dopasowanie materiałów inżynieryjnych do tkanek natywnych.

Charakterystyka biomechaniczna tkanek miękkich człowieka za pomocą prób wgnieceń i rozciągania

Mikrostrukturalnie małe zachowanie wzrostu pęknięć zmęczeniowych jest badane przy użyciu nowatorskiego podejścia metodologicznego, łączącego pomiar szybkości wzrostu pęknięć i analizę pola odkształceń, aby ujawnić skumulowane pole deformacji na poziomie podziarna.

Pomiary odkształceń w pełnym polu dla mikrostrukturalnie małej propagacji pęknięć zmęczeniowych przy użyciu metody cyfrowej korelacji obrazów

Protokół opisuje skuteczne i powtarzalne metody testowania biomechanicznego rozciągania ścięgien mysich za pomocą specjalnie dopasowanych uchwytów drukowanych w 3D.

Badania biomechaniczne ścięgien myszy

Cyfrowa korelacja obrazu jest używana w testach zmęczeniowych na maszynie do badania rezonansu do wykrywania makroskopowych pęknięć i monitorowania propagacji pęknięć w próbkach spawanych. Pęknięcia na powierzchni próbki stają się widoczne jako zwiększone odkształcenia.

Monitorowanie pęknięć w rezonansowych badaniach zmęczeniowych spawanych próbek z wykorzystaniem cyfrowej korelacji obrazu

Tutaj szczegółowo prezentujemy protokół pomiarowy urządzenia ultradźwiękowego z dwukierunkową transmisją osiową (BDAT) i testujemy go w badaniu odtwarzalności, biorąc pod uwagę 14 zdrowych uczestników i 3 operatorów. Wiarygodność, mierzona za pomocą wewnątrzklasowych współczynników korelacji (ICC), była dobra lub doskonała dla czterech interesujących parametrów.

Ocena kory kostnej za pomocą ultradźwiękowych fal kierowanych: badanie odtwarzalności w zdrowej populacji

USG jest najczęściej stosowanym podejściem w środowisku klinicznym do oceny rozmiaru i struktury ścięgna Achillesa. Aby rozszerzyć ocenę ścięgna Achillesa w bardziej kompleksowy sposób, niedawno zaproponowano i zweryfikowano w badaniach klinicznych podejście do charakteryzacji tkanek ultrasonograficznych (UTC).

Charakterystyka tkanki ultrasonograficznej ludzkiego ścięgna Achillesa poprzez kwantyfikację stabilności wzorców echa

Protokół ten przedstawia konfigurację urządzenia do testów ściskania zdolnego do precyzyjnego pomiaru właściwości mechanicznych mikrostruktur w obszarze małych odkształceń, wraz z systematyczną metodą testów ściskania z użyciem tego urządzenia. Proponowane urządzenie może być wykorzystywane do analizy różnych mikrostruktur oraz zachowania mechanicznego materiałów na bazie polimerów.

Pomiar odpowiedzi na naprężenie ściskające-odkształcenie przy małych odkształceniach

Ten protokół opisuje zstandaryzowaną, przenośną metodę opartą na ultradźwiękach do ilościowego określania spektrum sztywności funkcjonalnej ścięgna Achillesa pod różnymi kątami stawu skokowego u elitarnych sportowców, umożliwiając niezawodną i powtarzalną ocenę zachowania mechanicznego ścięgna w różnych warunkach obciążenia.

Wiarygodność protokołu elastografii opartej na wibracjach do oceny sztywności ścięgna Achillesa w wielu kątach stawów u elitarnych sportowców

Poznaj ultradźwiękowe badania zmęczeniowe w trybie rozciągania-ściskania do oceny trwałości materiałów metalowych. Ta metoda umożliwia przeprowadzenie 20 000 cykli obciążenia na sekundę przy częstotliwości rezonansowej 20 kHz.

Ultradźwiękowe badania zmęczeniowe w trybie rozciągania-ściskania

Przeglądaj więcej filmów