Summary
超音波疲労軸引張・圧縮荷重モードで高・超高サイクル領域でのテストのためのプロトコル。
Abstract
超音波疲労試験超高サイクル領域における疲労特性の調査を許可するいくつかの方法の 1 つです。メソッドは、20 kHz に近いその共振周波数の縦振動に標本を公開することに基づいています。このメソッドの使用は、200 Hz 未満の周波数で通常働く従来の試験装置と比較した場合に、テストに必要な時間を大幅に削減することが可能です。ようなものはジェット エンジンや車のコンポーネントによってターボポンプを経験した高速条件で操作中に素材の読み込みをシミュレートするためにも使用されます。テスト結果に大きな影響を持つことができる非常に高い変形率の可能性があるため、高・超高サイクル領域でのみ動作する必要があります。試験片の形状及び寸法を慎重に選択し、超音波システムの共鳴条件を満たすために計算があります。したがって、完全なコンポーネントまたは任意形状の標本をテストする不可能です。各テストの前に理想的な 1 つから実際の形状の偏差を補償する超音波システムの周波数と標本を調和する必要は。システムの剛性が十分な共鳴からシステムをシフトする変更されたとき特定の長さにき裂の発生と伝ぱ後テストが自動的に終了するので、試料の総破壊までテストを実行することが不可能します。周波数。本稿では、高周波の超音波疲労特性を 20 kHz に近い頻度で機械共振の使用材料の疲労の評価のプロセスについて説明します。プロトコルには、標本設計応力の計算、テスト、および最終的な静的破壊を実行する共振周波数と調和を含む適切なテストに必要なすべての手順の詳細な説明が含まれています。
Introduction
構造材料の疲労損傷が強く主に鉄系、金属部品の多くが使用されている、工業化と主に蒸気機関、蒸気機関車の鉄道輸送のための使用を接続され、各種に耐えていた繰返し載荷の種類。初期のテストの 1 つは、アルバート (ドイツ 1829)1鉱山ホイスト用溶接鎖によって行われました。読み込み頻度が毎分 10 曲がり、最大テスト記録に達した 100,000 サイクル1をロードします。もう一つ重要な仕事行ったウィリアム ・ フェアバーンによって 1864 年に。錬鉄製桁をレバーで解除されたそして原因となる振動を落とした静荷重の使用のテストを行った。桁の荷重ストレスを徐々 に読み込まれた振幅。様々 なサイクル数 10 万に達する後ちょうど約五千究極の引張強さの 5 分の 2 の載荷振幅の繰返し後端桁の応力振幅を読み込みに失敗しました。構造材料に繰返し応力の影響の最初の包括的かつ体系的な研究が 8 月に行われた 1860-18701Wöhler。これらのテストでは、彼は、ねじり、曲げ、および荷重モードに使用していた。Wöhler 設計多くのユニークな疲労試験機、しかし、彼らの欠点だった動作速度、例えば 72 rpm (1.2 Hz)、従って実験的なプログラムの完了で最速の回転曲げ機を取った 12 年1。これらのテストを実行した後、材料に耐える 107サイクル載荷振幅に達すると後、疲労劣化は無視と素材が無限に繰返し数に耐えることができますが考えられました。この載荷振幅「疲労」と多くの年2,3の工業デザインの主なパラメーターになった。
高効率化に必要なコストの削減、新しい産業機械の発展は、高い読み込み、操作速度、高い期間と低いメンテナンスの要件による高い信頼性の可能性を提供していた。たとえば、高速列車 Shinkanzen、操作の 10 年後のコンポーネントは、約 10 の9サイクルに耐える必要がある、メイン コンポーネントの障害は致命的な結果4を持つことができます。また、ジェット エンジンのコンポーネントは、多くの場合 12,000 rpm で動作し、ターボ送風機のコンポーネントは多くの場合 17,000 rpm を超えます。これらの高い操作の速度疲労寿命試験と材料の疲労強度本当に考えられる一定以上 1000 万サイクルを評価するいわゆる超高サイクル領域での向上の要件。この持久力を超過することによって実行される最初のテストの後、疲労障害が発生応力振幅が疲労限度より低いでもサイクル数後より 10 は明らかだった7損傷・破壊機構いつも物5から異なる可能性があります。
読み込み頻度が強く増加する新しいテスト デバイスの開発に必要な超高サイクル領域の調査を目的とした疲労テスト プログラムを作成します。このトピックに焦点を当てたシンポジウム パリで開催された 1998 年 6 月、実験的 Stanzl Tschegg6で得られた成果の報告し、リッチー8 1 kHz の使用によって周波数を読み込み 20 kHz で Bathias7を閉じたループサーボ油圧マシン、およびデビッドソン8 1.5 kHz 磁テスト マシン4でをテストします。その時から、多くのソリューションは、まだ最もよくテストのこの種の使用するマシンは 1950 年からマンソンの概念に基づいており、20 kHz9に近い周波数を使用して、提案しました。これらのマシンは歪速度, サイクル数と疲労試験の時間の決定精度の良いバランスを展示 (1010サイクルは約 6 日間で達成)。1959-92 kHz で Girald と菊川 1965 199 kHz で使用しているもの、さらに高いロード周波数を提供するために他のデバイスができたしかし、彼らは非常に高い変形率を作成し、テストは、数分続きます、サイクル カウントの顕著なエラーが期待されているためほとんど使用されます。疲労試験用共鳴装置の読み込み頻度を制限する別の重要な要因は、共振周波数と直接関係は、供試体のサイズです。要求された読み込み頻度が大きくより小さい標本。これは、40 kHz を超える周波数が使用頻度の低い10理由です。
変位振幅が 3 と 80 μ m の間隔の内で通常限られているのでを正常にすることができます超音波疲労試験も PMMA11など高分子材料のテストのための技術をほとんどの金属材料に適用し、複合12はまた開発されました。一般に、超音波疲労試験は荷重のモードで実行することが可能: 引張 - 圧縮対称サイクル13,14緊張 - 緊張サイクル15, 三点曲げ15とまたいくつかがあります。ねじり15,16と17二軸曲げ試験用の特別な変更を研究。不可能任意標本を使用するので、このメソッドでは、ジオメトリを厳密に関連して 20 kHz の共振周波数を達成するために。軸荷重の標本のいくつかの種類使用されているよく、通常 3 から 5 mm のゲージ長さ直径と砂時計形状。三点曲げの薄いシートが使われます、他の方法の利用可能メソッドの種類によると、条件をテストする特別な種類の試料が設計されました。高・超高サイクル領域の疲労寿命の評価の方法は設計され、これは 20 kHz ロードで 100 万サイクルが 50 で得られることを意味 s;したがって、これは通常の繰返しサイクル定量数に関して、妥当な精度で調べることができます下制限と見なされます。各試験片は、超音波ホーン システムの右の共鳴頻度を提供するために試験片の質量を変更することによって調和が: 供試体の超音波ホーン。
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Protocol
注: 各試験片の形状を選択し、テスト材料の機械的及び物理的性質に従って計算されますが超音波テスト システムと同じ共振周波数にあります。
1. 疲労試験片寸法の測定
注:定義の主な寸法と、標準の「砂時計」引張圧縮試験片形状は、図 1に示すです。寸法d、 D 、 rユーザー定義 (独立)、 lとL寸法を計算する必要がある正しい共鳴周波数 (依存) の条件に従って。ゲージ長さl d、 r、 Dのジオメトリ比に起因するだけまたは簡単に計算することができますコンポーネント モデルから得られるしたがって、さらに議論の対象はされません。
-
独立した寸法の決定
注:供試体 (d D r) の主な寸法は、材料パラメーターおよびテスト条件によって判断されます。- テストのための材料の必要量に応じてゲージ直径dを決定します。内部欠陥のない均一な微細構造の場合より小さいゲージの直径が好ましいです。(ボイド、鋳造材料の収縮) など重要な内部欠陥を有する材料、場合より大きいゲージの直径が必要です。ゲージ直径dは通常 3 mm から 5 mm までです。
- 利用可能な実験材料サイズによると頭の直径Dを決定します。使用されるヘッドの直径Dは通常は 10 mm 15 mm です。
注:Dが大きいほどより短い頭部の長さ (L) になります。
- 試料のゲージの長さに必要な機械的応力分布によるとゲージの半径rを決定します。ゲージ径rが大きいほど、スムーザーは機械的応力分布。一般的に使用されるゲージの半径はr = 20 mm またはr = 32 mm。
注:Rが大きいほど、長くの標本になります。 -
依存寸法の測定
- 次の数式9,18によると波数Kを決定します。
注:ここでfrは超音波システム (Hz)、 ρの共振周波数は体積密度 (kg m-3)、 Edは動弾性係数 (kg m-3)。 - 次の数式9,19によるとゲージの半径の双曲線近似を決定します。
注:ここでlはゲージの長さ (m)、 Dは、頭の直径 (m)、およびdは、ゲージの直径 (m) (図 1)。 - 次の数式9,18によると効果的な偏心を確認します。
注:ここでAは式 (2) に定める双曲線近似 (m-1) とKは式 (1) に従って特定の波数 (-)。 - よると、次の方程式9,18頭 (L) の長さを決定します。
注:ここでKは波数 (-) 式 (1) に従って決定ポイント 1.2.1、β は効果的な偏心 (m-1) は式 (3) によって決定、 lはゲージの長さ (m) (図 1)。
- 次の数式9,18によると波数Kを決定します。
2. 試料のゲージ長さにおける応力の計算
- 動乱の幾何学的な要因を決定する
によると、次の方程式9,18。
- 次の方程式9,18に従って変形振幅 ɛ を決定します。
注:ここでは、幾何学的な要因 (-) とuが必要な変位振幅 (m) 試験片の自由端の。 - 応力振幅 σを次の方程式9,18によるとを確認します。
注:ここで ɛ は式 (5) に基づき変位振幅 (-)、 Edは動弾性係数 (kg m-3)。変位振幅u (m) を増加する必要は計算される機械的ストレスが低すぎる場合とその逆。
によると、次の方程式9,18。
3. 加工、試験片の製造
- 理想的な形から加工材の様々 な小さな偏差、による長いヘッド、通常 L + 0.5 mm の試験片を製作します。
4. 超音波システムと試験片の共振周波数の調和
注:調和は、超音波超音波 sonotrode との調和は、正しい共鳴周波数を取得する理想的な計算された形状から実際の標本の様々 な小さな偏差を補正するプロセスです。
- 供試体に適切な機械的ストレスを提供することが必要な変位範囲に応じて音響 sonotrode の適切な型を選択します。
注:Sonotrode の各タイプを設計して異なる変位範囲のキャリブレーション、従って適切な sonotrode がセクション 2 によって計算した必要な変位振幅によると選択されます。 -
圧電変換 sonotrode をマウントします。
- Sonotrode の中央の穴底に到達するまで接続ねじをねじ。
- 音響ゲル sonotrode の顔を広めます。
注:ゲルの少量を使用すると、ピエゾ電気コンバーターと sonotrode の機械波の転送が向上、表面の凸凹を埋めるに十分なだけ。 - 圧電変換器に sonotrode をネジします。
- 実際の温度で特定のシステムの共振周波数を測定するためのマウントされた sonotrode のピエゾ電気コンバーターと超音波システムを実行します。
- 超音波テストのソフトウェア (例えばWin20k) を実行します。
- 「モデル」ボックスのドロップ ダウン メニューで使用される sonotrode のタイプを選択します。
- 特定 sonotrode の最も低い可能な変位振幅を「振幅」ボックスに入力します。
- 「スタート」ボタンををクリックしてします。
- [頻度] ボックスでシステムの実際の共振周波数を読みます。
- 「停止」ボタンををクリックしてします。
- Sonotrode の終わりに試験片をマウントします。
- 底に達するまで試験片の中央の穴に接続ネジをネジします。
- Sonotrode に試験片をねじ。
- ピエゾ電気コンバーター搭載 sonotrode と実際の温度で特定のシステムの共振周波数を測定するための試料の超音波システムを実行します。
- 超音波テスト ソフトウェアを実行します。
- Sonotrode「モデル」ボックスのドロップ ダウン メニューに使用の種類を選択します。
- 特定 sonotrode の最も低い可能な変位振幅を「振幅」ボックスに入力します。
- 「スタート」ボタンををクリックしてします。
- [頻度] ボックスでシステムの実際の共振周波数を読みます。
- 「停止」ボタンををクリックしてします。
- 剥製の標本を使用してシステムの共振周波数は、試料より低いとき、試料のヘッドの顔を切り落とすことにより試料の質量を減らします。
注:剥製の標本で共鳴周波数が高い場合、テストの条件を変更すると、ゲージの直径dを小さく必要があります。これは製造過程で頭の長さを 0.5 mm を追加理由です。- Sonotrode から標本をマウント解除します。
- 旋盤に供試体をマウントし、最初の頭の顔を 0.1 mm を断る。
- 旋盤に供試体をマウントし、2 番目の頭の顔を 0.1 mm を断る。
- 4.6 共振周波数が ± の許容範囲内になるまで、手順を繰り返します 10 Hz。
5. Sonotrode 疲労試験前に試験片の実装
- Sonotrode と試料との間の接続を作成する面に超音波ゼリーを適用します。
- 底に達するまで試験片の中央の穴に接続ネジをネジします。
- 音響ゲル試料の表面を広げます。
注:音響ゲルのほんの少しの量は、sonotrode から試料の弾性波転送を改善するために表面の凹凸を埋めるためです。 - Sonotrode に試験片をねじ。
6. 供試体の冷却システムを実行します。
- 空気冷却を使用した場合、試料のゲージの長さの中間空気の流れを直接焦点し、約 20 を待つ s、ので、空気の流れの流れ飽和試料。
- 冷却水を使用する場合、試料の上部のヘッドで水ノズルを集中し、キャビテーションを避けるために、ゲージの長さに沿って水がスムーズに流れるようにストリームの明るさを調整します。
注:水や油に試料を水没も可能です、疲労き裂発生過程を加速する重要なキャビテーション効果によるテスト但しこれは短時間のためにだけ使用することができます。
7. 実行する圧電変換器の冷却システム
- 空気の流れのバルブを開き、0.5 および 1 つの棒間の間隔で圧力を調整します。
8. 必要な変位振幅でテストを実行します。
- 超音波テスト ソフトウェアを実行します。
- 「モデル」ボックスのドロップ ダウン メニューで使用される sonotrode のタイプを選択します。
- 特定 sonotrode の「振幅」ボックスに要求された変位振幅を入力します。
- 「スタート」ボタンををクリックしてします。
9. 疲労き裂の発生と伝播
- 疲労き裂発生と伝ぱ断面の部分を介して、システムが共鳴周波数シフトし、テストは、当然のことながら終了後ことを確認します。
- テストは、繰返しの要求数に達した後、骨折で終了しない場合 (テストは実行を) 超音波テスト ソフトウェアの「停止」ボタンを使用して終了。
10. Sonotrode から標本をマウント解除します。
- 超音波 sonotrode から標本がうせます。
11. 静的破砕力載荷
- 静的載荷力を使用して、静的載荷機の使用とクロス セクションの残りの部分を破壊します。
注:ベクトルと静的破壊荷重の種類必要があります疲労破面が一貫性のある文字の種類に対応しています。
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Representative Results
疲労試験結果を含めるの繰返し、ストレス負荷とテスト終了文字 (破壊または実行アウト) は表 1、場所、50CrMo4 の疲労寿命の結果焼入れ・焼入れ鋼を提供見ることができます。疲労寿命試験結果の最も一般的な解釈は、いわゆる S - N プロット (S - ストレス、N - サイクル数)、Wöhler のプロットとして知られています。荷重応力疲労寿命の依存性は、歴史的に与えられた反転軸、(ストレス負荷) 独立した価値がy軸上にあり (サイクル数) の依存の値はx軸で図にプロットされます。様々 な種類の回帰分析は応用19疲労寿命結果、- S が呼ばれます場合にフィット感をダイアグラムに追加すると、N 曲線。ただし、データ フィットだけが含まれています元のプロットとの違いはありませんでした。破壊でテストが終わらないの繰返し損傷することがなく必要な数に達すると終了場合、この結果実行アウトと呼びます、S n 通常の矢印でマークを印刷します。図 2は、典型的な S - 3 テスト鋼の N プロット: Hardox 450、Strenx 700 MC、S355 J2。
さらに、試料の破面、通常を分析走査電子顕微鏡 (SEM)、疲労のき裂発生と伝播を識別し、解釈の使用。図 3は、焼入れ・焼もどし鋼 50CrMo4 の超音波疲労試験後の疲労破面を示しています。クラックされた試料の自由表面で開始され、超音波システムは共振周波数 (暗い領域) から移ったまで断面によって伝達されます。その結果、クロス セクションの残りの部分は、静的載荷の図の上に明るい領域を作成によってフラクチャされました。図 4は、押し出し AW 7075 - T6511 アルミニウム合金の疲労き裂伝ぱの領域を示します。図 5は、長年テスト (数時間) の共振器冷却液 (蒸留水と常温で耐腐食性阻害薬) に標本の水没によりサーフェイスに作成を示します。空洞は、疲労き裂の発生を加速し、このテストの結果は、有効と見なされることはできません。
図 1: 標準引張圧縮超音波疲労試験片の図面します。寸法は次のように定義されます: d -ゲージ直径、D - 頭の直径、r - ゲージの半径は、L - ヘッド長さ、l - ゲージ長さ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: S-S355 J2、Strenx 700 MC Hardox 450 鋼の N プロットします。実行をテストは、矢印で示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3:50CrMo4 鋼試験片の破壊表面文字 365 MPa で読み込まれ、1.97 × 10 後に骨折8荷重サイクル。供試体の自由表面開始破壊。破面は安定した疲労き裂伝ぱ (暗い領域) の領域と不安定伝ぱ (光の地) と呼ばれる静的破壊の領域から成っています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: AW 7075 al 合金試験片の疲労き裂伝ぱ部 203 MPa で読み込まれ、8.3 × 10 後に骨折6荷重サイクル。Transcrystalline 疲労のメカニズムと亀裂が伝播され、製造工程での材料の押出成形後の破面のバンド種類文字は強い変形組織の結果。矢印は、疲労亀裂伝播の方向を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5:不適切な冷却過程を使用した場合 50CrMo4 鋼試験片の表面にキャビティ。試料は、液体 (常温耐腐食性阻害剤と蒸留水) に沈んでいた。虫歯濃度ノッチをストレスとして仕えるために疲労き裂発生過程を加速する、従ってこの疲労試験の結果は無効です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
| 供試体番号 | 応力振幅 | 繰返し数 | 結果 |
| (MPa) | |||
| 1 | 449 | 1.22 × 107 | 破壊 |
| 2 | 505 | 4.87 × 106 | 破壊 |
| 3 | 421 | 2.08 × 107 | 破壊 |
| 4 | 449 | 8.50 × 106 | 破壊 |
| 5 | 421 | 1.59 × 107 | 破壊 |
| 6 | 393 | 8.90 × 107 | 破壊 |
| 7 | 365 | 1.22 × 108 | 破壊 |
| 8 | 337 | 2.39 × 108 | 破壊 |
| 9 | 337 | 5.55 × 108 | 破壊 |
| 10 | 309 | 7.28 × 108 | 破壊 |
| 11 | 365 | 1.97 × 108 | 破壊 |
表 1:超音波疲労試験による 50CrMo4 鋼の疲労寿命解析します。疲労の人生の結果は、荷重応力載荷サイクル数の依存性を表します。テストは、後の繰返し数疲労破壊が発生しないとき骨折、または実行を終了できます。
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Discussion
超音波疲労試験超高サイクル領域における構造材料のテストを可能にするいくつかの方法の 1 つです。ただし、試験片の形状とサイズは共振周波数に関して非常に限られました。例えば、軸荷重を受けるモードで薄板のテストは不可能です。さらに、大規模な標本のテスト通常不可能です、試験機は、そのような力を与えない特殊な超音波システムの設計が必要になるので
適切な設計、計算、および標本の調和しない過小評価すべき、モダンな超音波発生器が超音波を変調して、寸法の違う標本を正常に共鳴することができる時でさえ。これにより、ゲージの長さの中央部から超音波のノードのシフトし、標本、ゲージの長さは正しく読み込まれるでないです。同じ理由から、細心の注意は、両方の軸を基準試験片の対称性を確保するためする必要があります。
載荷の低周波で従来の検査装置で得られるデータと高い周波数で実行テスト結果の相関性について大きな議論を行いました。多くのテストは、高周波の試験、低周波数に流暢に拡張の結果、結果の一部が重なって、同じ読み込みモードは10と考えられていたときも示されています。後、一般的にわかったこと読み込みの頻度は疲労特性を決定するパラメーターではありませんが、変形率は、載荷の低周波で大変形を提供小さなロードと同様の変形料金高周波で変形。しかし、これは主な理由は変形振幅が小さい高、主に超高サイクル領域の範囲でテストのためなぜこの手法を使用できます。さまざまなコンポーネントの動作周波数の上昇させたこの議論を同様、あまり重要でない以来、このメソッドは、高速動作のものよりもより同様の荷重条件を提供します。
テスト材料の内部減衰能力がテスト中に生成される熱の量を決定します (内部減衰は機械的エネルギーを熱に変換する材料の能力)。不十分な冷却の場合は、ゲージ長は大幅加熱される低いテスト材料物性による高温疲労き裂の発生も促進されるが。ほとんどのアルミニウムおよびマグネシウム合金の場合冷たい空気の流れがテスト中に供試体をクールダウンするのに十分です。材料は、鉄、ニッケル、チタン合金など内部減衰能力が高い、液冷媒の流れが使用されます。液冷媒の冷却中にゲージの長さの中央部に発生するキャビテーションが空洞加速テスト結果が無効になるの割れのため回避するのにあります。
従来の検査装置のほとんどの疲労試験は、クロス セクションの完全な破壊で終了します。供試体の断面は、いわゆる「クリティカル クロス セクション」に継続的に成長している亀裂が減少した後、、供試体は静的破壊の文字で、1 つのサイクルで骨折し、です。超音波の過程でテスト、き裂長さが自然な終了テストを引き起こす振動停止システムを共振周波数からの剛性をシフトする重要な長さに達したら。つまり、重要なクロス セクションに到達不可能、完全骨折、後で人工的に行われるテストが終わらない。疲労き裂の滑らかな疲労 (人工切欠き) なし標本表すサイクルのような高い数があると骨折するサイクル数の 95% 以上発生、ので違いは無視できる程度であると見なされます。
超音波疲労試験は、高速読み込みの条件のシミュレーションができ、テスト時間を短縮する非常に重要な方法です。このプロトコルでは、最も重要なポイント、可能性、および産業において材料の研究と安全性検証に成功したアプリケーションのメソッドの制限を強調しました。
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Disclosures
何を開示する必要があります。
Acknowledgments
仕事がプロジェクトでサポートされている:「Žilina - 2ndフェーズの大学の研究センター」、ITMS 313011 011、文部省・科学・ スロバキア共和国、スロバキア アカデミーのスポーツ科学助成機関許可第: 1/0045/17、1/0951/17、1/0123/15 スロバキアの研究・開発機関を付与し、号APVV-16-0276。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ultrasonic fatigue testing device | Lasur | - | 20 kHz, used for fatigue tests |
| Nyogel 783 | Nye Lubricants | - | Used as acoustic gel for connection of the parts of the ultrasonic system |
| Win 20k software | Lasur | - | Software for operation of the Lasur fatigue testing machine |
References
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