Ultradźwiękowe badania zmęczeniowe w trybie rozciągania-ściskania
7 marca 2018
Protokół do ultradźwiękowych testów zmęczeniowych w obszarze wysokiego i ultrawysokiego cyklu w trybie obciążenia osiowego rozciągania-ściskania.
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.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół badań zmęczeniowych metodą ultradźwiękową, mający na celu ocenę trwałości zmęczeniowej materiałów w zakresie bardzo wysokiej liczby cykli. Metoda ta koncentruje się na bezpieczeństwie i niezawodności komponentów metalicznych poddanych rozległym cyklom obciążenia.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria materiałowa
- Inżynieria mechaniczna
- Badania zmęczeniowe
Wstęp
- Ultradźwiękowe badania zmęczeniowe są kluczowe dla oceny właściwości materiałów.
- W praktycznych zastosowaniach komponenty często poddawane są milionom cykli obciążenia.
- Zrozumienie trwałości zmęczeniowej pomaga zapewnić niezawodność komponentów.
- Częstotliwość rezonansowa odgrywa kluczową rolę w procesie badań.
Cel badania
- Ocena trwałości zmęczeniowej materiałów poddanych obciążeniom wysokocyklowym.
- Pogłębienie zrozumienia zachowania materiałów w warunkach ekstremalnych.
- Opracowanie niezawodnego protokołu badawczego dla przyszłych analiz.
Zastosowane metody
- Próbki są poddawane wibracjom wzdłużnym o częstotliwości 20 kHz.
- W każdej sekundzie wykonuje się około 20 000 cykli obciążenia.
- Geometria próbek jest zaprojektowana w celu zapewnienia optymalnych warunków rezonansu.
- Badania są prowadzone przy użyciu urządzenia do ultradźwiękowych testów zmęczeniowych.
Główne wyniki
- Metoda ta umożliwia szybką ocenę trwałości zmęczeniowej materiału.
- Standardowa geometria klepsydrowa jest skuteczna w testach rozciągania i ściskania.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia właściwości materiałów poddanych obciążeniu cyklicznemu.
- Otrzymane wyniki wspierają opracowywanie bezpieczniejszych komponentów metalicznych.
Wnioski
- Badania zmęczeniowe metodą ultradźwiękową są cennym narzędziem w badaniach nad materiałami.
- Protokół ten można dostosować do różnych materiałów i warunków.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tej metodologii w celu poprawy norm bezpieczeństwa.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ultradźwiękowe badanie zmęczeniowe umożliwia szybką ocenę trwałości materiałów przy obciążeniu ultra-wysokocyklowym, odpowiadając na krytyczne kwestie bezpieczeństwa i niezawodności metalowych komponentów stosowanych w lotnictwie i motoryzacji. Poprzez symulowanie wieloletnich naprężeń eksploatacyjnych w ciągu godzin lub dni, metoda ta wspiera wczesne etapy ograniczania ryzyka mechanistycznego oraz zwiększa pewność predykcyjną w wyborze materiałów. Możliwość ta dostarcza danych ilościowych dotyczących trwałości zmęczeniowej w warunkach wysokoczęstotliwościowego rozciągania i ściskania, co pozwala na podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac w procesach badawczych i przedklinicznych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie zachowania materiału pod kątem zmęczenia w fizjologicznie istotnych warunkach cyklicznego obciążenia.
- Wartość operacyjna: Skraca czas testowania z miesięcy do minut dzięki cyklom obciążenia sterowanym rezonansowo o częstotliwości 20 kHz.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Dostarcza zestandaryzowanych wyników ilościowych dla inicjacji i propagacji pęknięć w kontrolowanych warunkach zmęczeniowych rozciągania-ściskania.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność analizy poprzez precyzyjną harmonizację próbek z częstotliwością rezonansową układu.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera ocenę systemów istotnych dla jednostek chorobowych poprzez symulację profili naprężeń mechanicznych in vivo na materiałach implantacyjnych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju z uwzględnieniem ryzyka dzięki detekcji zmęczenia materiału i identyfikacji bezpiecznej amplitudy obciążenia.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta integruje się z procesem odkryć, od wczesnego testowania hipotez materiałowych po walidację przedkliniczną komponentów implantów lub urządzeń, szczególnie w przypadkach, gdy trybem awarii jest długotrwałe obciążenie cykliczne.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących właściwości materiałów w warunkach zmęczenia ultra-wysokocyklowego, wyjaśniając mechanizmy uszkodzeń w metalicznych biomateriałach.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość do analizy dzięki standaryzowanej geometrii klepsydry i dopasowaniu częstotliwości rezonansowej, co pozwala na wiarygodną ocenę związków lub materiałów.
- Analityka: Generuje ilościowe pomiary zmiennych zależnych (liczba cykli do inicjacji pęknięcia, długość propagacji), które umożliwiają analizę porównawczą dla różnych stanów materiałowych.
- Badania translacyjne: Łączy się z ciągłością przedkliniczną poprzez walidację zachowania materiałów w symulowanych widmach obciążeń fizjologicznych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Służy jako wielokrotnego użytku platforma do oceny zmęczenia w wielu systemach materiałowych i obszarach terapeutycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna w zakresie trwałości zmęczeniowej materiału, redukcja niejednoznaczności mechanistycznej w trybach uszkodzeń.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność i skalowalność badań zmęczenia wysokocyklowego za pomocą rezonansowego wzbudzenia ultradźwiękowego.
- Wartość strategiczna: Lepsze decyzje typu go/no-go, efektywność kapitałowa oraz zredukowane ryzyko biologiczne na późnych etapach wynikające z awarii materiałowej.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja skorygowana o ryzyko oraz decyzje o dalszym rozwoju oparte na ilościowych progach zmęczenia.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie rezonansu wibracyjnego, obróbki próbek oraz akustycznego sprzęgania żelowego.
- Zależne od urządzenia do testów zmęczenia ultradźwiękowego z przetwornikiem piezoelektrycznym i sonotrodą.
- Konieczna jest międzyzespołowa standaryzacja geometrii próbek oraz procedur strojenia harmonicznego.
- Wymaga uwzględnienia adaptacji do różnych gęstości materiałów, modułów sprężystości i właściwości termicznych.
- Ograniczone do próbek, które można obrobić do zgodnej z rezonansem geometrii klepsydrowej; nieodpowiednie dla dowolnych kształtów lub pełnych komponentów.
