Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Ultralyd træthed test i tilstanden spændinger-komprimering

doi: 10.3791/57007 Published: March 7, 2018

Summary

En protokol til ultralyd træthed test i høj- og ultrahøj cyklusområdet i aksiale spændinger-komprimering lastning tilstand.

Abstract

Ultralyd træthed test er en af et par metoder, som gør det muligt at undersøge træthed egenskaber i ultra-høj cyklusområdet. Metoden er baseret på udsætte prøven til langsgående vibrationer på sin resonansfrekvens tæt på 20 kHz. Med brug af denne metode er det muligt at signifikant fald den tid, der kræves til test, sammenlignet med konventionelle test enheder normalt arbejder ved frekvenser under 200 Hz. Det er også bruges til at simulere indlæsning af materiale under drift under høje hastighed betingelser, såsom dem, der opleves af komponenter af jetmotorer eller bil turbo pumper. Det er nødvendigt at operere kun i høj- og ultrahøj cyklusområdet, på grund af muligheden for ekstremt høje deformation satser, der kan have en betydelig indflydelse på testresultaterne. Modellen form og dimensioner skal være omhyggeligt udvalgt og beregnet til at opfylde betingelsen resonans af ultralyd systemet; Det er således ikke muligt at teste fuld komponenter eller enheder af vilkårlig form. Foer hver proeve er det nødvendigt at harmonisere modellen med hyppigheden af ultralyd systemet til at kompensere for afvigelser af den reelle form fra den ideelle en. Det er ikke muligt at køre en test indtil en samlet fraktur af modellen, da testen afsluttes automatisk efter indledningen og formering af knæk hen til en vis længde, når stivhed af systemet ændrer nok til at skifte system ud af resonans frekvens. Dette manuskript beskriver processen for evaluering af materialer træthed egenskaber ved høj frekvens ultralyd træthed indlæsning med brug af mekaniske resonans med en frekvens tæt på 20 kHz. Protokollen indeholder en detaljeret beskrivelse af alle trin påkrævet for en korrekt test, herunder modellen design, stress beregning, harmonisere med den resonansfrekvens, udfører test, og endelige statisk fraktur.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Træthed beskadigelse af strukturelle materialer er stærkt forbundet med industrialiseringen og især med brug af dampmaskinen og damplokomotiver til jernbanetransport, hvor en masse metal komponenter, hovedsageligt jern baseret, har været brugt og var nødt til at modstå forskellige slags cyklisk belastning. En af de tidligste tests blev udført af Albert (Tyskland 1829)1 på svejsede kæder for mine hejseværker. Lastning frekvensen var 10 bøjninger pr. minut, og maksimale tests indspillet nået 100.000 lastning cykler1. Et andet vigtigt arbejde blev udført af William Fairbairn i 1864. Tests blev udført på smedejern dragere med brug af statisk belastning, som blev løftet af et håndtag og derefter faldt forårsager vibrationer. Bjælke var lastet med gradvist stigende lastning stress amplitude. Efter at nå flere hundrede tusinde cykler på forskellige lastning stress amplituder, i sidste ende bjælke mislykkedes efter næsten fem tusind lastning cyklusser med en loading amplitude på to femtedele af den trækstyrke. Den første omfattende og systematisk undersøgelse af gentagne stress indflydelse på strukturelle materialer blev udført af August Wöhler i 1860-18701. For disse forsøg brugte han torsion, bukning og aksial belastning tilstande. Wöhler designet mange unikke træthed test maskiner, men deres ulempe var lav operation hastigheder, for eksempel den hurtigst roterende bøjning maskine drives på 72 rpm (1,2 Hz), dermed afslutningen af programmet eksperimentelle tog 12 år1. Efter udførelsen af disse test, fandtes det, at efter at nå en loading amplitude hvor materialet tåler 107 cyklusser, træthed nedbrydning er ubetydelig og materialet, der kan modstå et uendeligt antal af lastning cyklusser. Denne ladning amplitude blev opkaldt "træthed limit" og blev den vigtigste parameter i industrielt design for mange år2,3.

Yderligere udvikling af nye industrielle maskiner, som kræves højere effektivitet og omkostningsbesparelser, måtte give muligheden for højere lastning, højere operation hastigheder, højere varigheder og høj pålidelighed med lav vedligeholdelseskrav. For eksempel, komponenter af højhastighedstog Shinkanzen, efter 10 års drift, har til at modstå ca 109 cyklusser og svigt af en hovedbestanddel kan have fatale følger4. Derudover komponenter af jetmotorer opererer ofte på 12.000 rpm, og komponenter af turbo blæsere overstiger ofte 17.000 rpm. Disse høje operation hastigheder øgede krav til træthed liv test i den såkaldte ultra-høj cyklusområdet, og at vurdere, om træthed styrken af et materiale kan virkelig anses for konstant for mere end 10 millioner cykler. Efter de første test udført af overstiger denne udholdenhed, det var indlysende, at træthed fejl kan forekomme selv ved anvendt stress amplituder lavere end grænsen, træthed, efter et antal cyklusser meget mere end 107, og at den skader og manglende mekanisme kunne være forskellig fra den sædvanlige dem5.

Oprettelse af en træthed testprogram til formål at undersøge ultra-høj cyklusområdet kræves udvikling af nye test udstyr til kraftigt øge lastning frekvens. Et symposium med fokus på dette emne blev afholdt i Paris i juni 1998, hvor eksperimentelle resultater blev præsenteret som blev fremstillet af Stanzl-Tschegg6 og Bathias7 til 20 kHz lastning frekvenser, ved Ritchie8 med brug af 1 kHz lukket sløjfe servo-hydraulisk test maskine, og af Davidson8 med en 1.5 kHz magneto-strictive test maskine4. Fra tid, blev mange løsninger foreslået, men stadig de mest almindeligt anvendte maskine til denne slags test er baseret på begrebet Manson fra 1950 og bruger frekvenser tæt på 20 kHz9. Disse maskiner udviser en god balance mellem stamme sats, bestemmelse nøjagtigheden af antallet af cyklusser, og tidspunktet for træthed test (1010 cyklusser er nået i cirka 6 dage). Andre enheder var købedygtig levere endnu højere lastning frekvenser, som bruges af Girald i 1959-92 kHz og Kikukawa i 1965-199 kHz; disse bruges dog sjældent, fordi de skaber ekstremt høje deformation priser og da testen varer kun få minutter, en bemærkelsesværdig fejl i løbende lageroptælling forventes. En anden vigtig faktor begrænse lastning hyppigheden af resonans enheder til træthed test er størrelsen af modellen, som er i direkte forbindelse med resonansfrekvens. Jo større den anmodede lastning frekvens, jo mindre modellen. Dette er grunden til hvorfor frekvenser over 40 kHz er sjældent brugt10.

Da forskydning amplitude er normalt begrænset inden for intervallet mellem 3 og 80 µm, ultralyd træthed test kan være med held anvendes på mest metalliske materialer, selv om teknikker til afprøvning af polymere materialer såsom PMMA11 og kompositter12 blev også udviklet. Generelt, ultralyd træthed test er muligt at udføre i tilstande af aksial belastning: trækstyrke - komprimering symmetrisk cyklus13,14, spændinger - spændinger cyklus15, tre-punkts bøjning15, og der er også et par undersøgelser med særlige ændringer af ordningen for torsion test15,16 og biaksiale bøjning17. Det er ikke muligt at anvende vilkårlige prøver, fordi for denne metode, geometri er strengt relateret til at opnå resonansfrekvens 20 kHz. Til aksial lastning, har flere typer af enheder været almindeligt anvendt, normalt med en time-glas figur med et gauge længde diameter fra 3 til 5 mm. Tre-punkts bøjning, tynde plader er almindeligt anvendt, og andre særlige typer af enheder er designet, ifølge hvilken metode og teste betingelser. Metoden blev udviklet til evaluering af træthed liv i høj- og ultrahøj cyklusområdet, og det betyder, at en million cyklusser på 20 kHz lastning, er fremstillet i 50 s; Det anses derfor, normalt nederste grænse for lastning cyklusser, som kan undersøges med rimelig nøjagtighed, med hensyn til antallet af cyklus bestemmelse. Hvert eksemplar har harmoniseres med ultralyd horn ved at ændre den prøveeksemplar masse for at give den rigtige resonansfrekvens af systemet: ultralyd horn med modellen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Bemærk: Hver prøve geometri har skal vælges og beregnes i overensstemmelse med de mekaniske og fysiske egenskaber af de testede materiale, således at det har en identisk resonansfrekvens som ultralyd test systemet.

1. bestemmelse af træthed prøveemne dimensioner

Bemærk: "Timeglas" spænding-standardkomprimering prøvemateriale geometri, med definerede vigtigste dimensioner, er vist i figur 1. Dimensioner d, D, og r er brugerdefinerede (uafhængige), mens l og L dimensioner skal beregnes, ifølge betingelserne i den korrekte resonansfrekvens (afhængige). Gauge længde l kan resultater fra geometri forholdet mellem u, r og D, og nemt beregnet eller indhentet fra en komponentmodel; således vil det ikke være genstand for yderligere diskussion.

  1. Bestemmelse af uafhængige dimensioner
    Bemærk: De vigtigste dimensioner af modellen (d, D, f) er udvalgt efter parametrene materielle og afprøvningsbetingelserne.
    1. Bestemme gauge diameter d efter den krævede mængden af materiale til at teste. I tilfælde af en homogen mikrostruktur med ingen interne defekter foretrækkes en mindre målerens diameter. I tilfælde af et materiale med betydelige interne fejl (såsom hulrum og shrinkages i støbt materialer) er en større målerens diameter nødvendige. Gauge diameter d er som regel fra 3 mm til 5 mm.
    2. Bestemme den hoved diameter D efter tilgængelige eksperimentelle kildematerialets størrelse. Den anvendte hoved diameter D er som regel fra 10 mm til 15 mm.
      Bemærk: Jo større D er, jo kortere bliver den hoved længde (L).
  2. Bestemme gauge radius r ifølge påkrævet mekanisk stress distribution af prøven gauge længde. Jo større sporvidde diameter Rasmussen er, jo glattere er mekanisk stress distribution. Et almindeligt anvendte gauge radius er r = 20 mm eller r = 32 mm.
    Bemærk: Jo større Rasmussen er, jo længere modellen vil være.
  3. Bestemmelse af afhængige dimensioner
    1. Bestemme bølge antal K ifølge den følgende formel9,18:
      Equation 1
      Bemærk: Her er fr resonansfrekvens af ultralyd systemet (Hz), Rho volumen tæthed (kg m-3), og Ed er den dynamiske modulus af elasticitet (kg m-3).
    2. Bestemme den hyperbolske tilnærmelse af måler radiussen, ifølge den følgende formel9,19:
      Equation 2
      Bemærk: L er her gauge længde (m), D er den hoved diameter (m), og d er målerens diameter (m) (figur 1).
    3. Bestemme den effektive excentricitet efter følgende formel9,18:
      Equation 3
      Bemærk: Er her den hyperbolske tilnærmelse (m-1) bestemmes af ligningen (2) , og K er nummeret bølge (-) fastsættes efter udtryk (1).
    4. Bestem længden af hovedet (L) efter følgende ligning9,18:
      Equation 4
      Bemærk: Her er K nummeret bølge (-) bestemmes efter udtryk (1) i punkt 1.2.1, β er den effektive excentricitet (m-1) bestemt ved ligning (3), og l er gauge længde (m) (figur 1).

2. beregning af den mekaniske Stress i måler længden af modellen

  1. Faktoren norming geometriske Equation 5 efter den følgende ligning9,18:
    Equation 6
  2. Bestemme deformation amplitude ɛ ifølge følgende ligning9,18:
    Equation 7
    Bemærk: Her Equation 5 er den geometriske faktor (-) og u er påkrævet forskydning amplituden af den frie ende af modellen (m).
  3. Bestemme den mekaniske stress amplitude σen efter følgende ligning9,18:
    Equation 8
    Bemærk: Her er ɛ deformation amplitude (-) fastsættes efter udtryk (5), og Ed er den dynamiske modulus af elasticitet (kg m-3). Hvis den beregnede mekanisk stress er for lavt, det er nødvendigt at øge forskydning amplitude u (m), og omvendt.

3. fremstilling af modellen med spåntagende operationer

  1. På grund af forskellige små afvigelser af bearbejdet modellerne fra en ideelle form, fremstille eksemplarer med længere hoveder, normalt L + 0,5 mm.

4. harmonisering af resonansfrekvens af modellen med ultralyds-System

Bemærk: Harmonisering er processen med at kompensere forskellige små afvigelser af virkelige modellen fra figuren ideel, beregnet til at opnå den korrekte resonansfrekvens, som er i harmoni med den ultrasonic akustiske sonotrode.

  1. Vælge den rigtige type af akustiske sonotrode, efter rækken kræves forskydning, som er i stand til at give ordentlig mekanisk stress i modellen.
    Bemærk: Hver type af sonotrode er designet og kalibreret for en anden forskydning vifte, er således den korrekte sonotrode udvalgt efter kræves forskydning amplitude beregnes ifølge § 2.
  2. Montere en sonotrode på piezo-elektriske converter.
    1. Skrue forbindelse skrue inde i den centrale hul på sonotrode, indtil den når bunden.
    2. Sprede akustiske gel på forsiden af sonotrode.
      Bemærk: En lille mængde af gel anvendes, lige nok til at fylde en uregelmæssighed i overflader, som forbedrer overførsel af den mekaniske bølge mellem piezo-elektriske converter og sonotrode.
    3. Skru sonotrode i den piezo-elektriske konverter.
  3. Køre den ultrasonic system med piezo elektriske konverter med monteret sonotrode til at måle resonansfrekvens i det særlige system på faktiske temperatur.
    1. Køre ultralyd test software (f.eks.Win20k).
    2. Vælg typen af den anvendte sonotrode i rullemenuen i feltet "Model".
    3. Angiv den laveste mulige forskydning amplitude til den særlige sonotrode i boksen "Amplitude".
    4. Klik på knappen "Start".
    5. Læs den faktiske resonansfrekvens af systemet i boksen "Frekvens".
    6. Klik på knappen "Stop".
  4. Montere modellen for enden af sonotrode.
    1. Skrue forbindelse skrue i den centrale hul af modellen, indtil den når bunden.
    2. Skrue modellen for sonotrode.
  5. Køre den ultrasonic system med piezo elektriske konverter med monterede sonotrode og prøve at måle resonansfrekvens i det særlige system på faktiske temperatur.
    1. Køre ultralyd test software.
    2. Vælg typen sonotrode brugt i rullemenuen i feltet "Model".
    3. Angiv den laveste mulige forskydning amplitude til den særlige sonotrode i boksen "Amplitude".
    4. Klik på knappen "Start".
    5. Læs den faktiske resonansfrekvens af systemet i boksen "Frekvens".
    6. Klik på knappen "Stop".
  6. Når resonansfrekvens system med monteret modellen er lavere end uden modellen, reducere massen af prøven ved at afskære den objekthovedet ansigter.
    Bemærk: Hvis resonansfrekvens med en monteret modellen er højere, vil det være nødvendigt at reducere gauge diameter d, som ville ændre betingelserne i testen. Dette er grunden til 0,5 mm føjes til længden af hoveder i fremstillingsprocessen.
    1. Afmonter prøvemateriale fra sonotrode.
    2. Montere modellen i en drejebænk og skrue ned 0,1 mm i ansigtet af den første hoved.
    3. Montere modellen i en drejebænk og skrue ned 0,1 mm i ansigtet af den anden hoved.
    4. Gentag trin 4.6 indtil resonansfrekvens er inden for tolerance på ± 10 Hz.

5. endelige montering af modellen for Sonotrode før træthed Test

  1. Anvende akustiske gel på ansigter til at skabe forbindelser mellem sonotrode og modellen.
    1. Skrue forbindelse skrue i den centrale hul af modellen, indtil den når bunden.
    2. Spred den akustiske gel på modellen.
      Bemærk: Bare en lille mængde af akustiske gel bruges til at udfylde uregelmæssighederne på overfladen for at forbedre akustiske bølge overførsel fra sonotrode til modellen.
    3. Skrue modellen for sonotrode.

6. Kør kølesystemet for modellen

  1. Hvis luftkøling bruges, fokusere luftstrømmen direkte på midten af sporvidde længden af modellen, og afvente omkring 20 s, så strømmen af luftstrømmen mætter modellen.
  2. Hvis benyttes vandkøling, fokusere vand dyserne på den øverste leder af modellen, og justere stream intensitet, så vandet flyder jævnt langs gauge, at undgå kavitation.
    Bemærk: Nedsænkning af prøven i vand eller olie er muligt så godt, men dette kan anvendes kun for kort tid prøver på grund af den betydelige kavitation virkning, som accelererer træthed knæk indledningen proces.

7. Kør kølesystem Piezo elektriske Converter

  1. Åbne ventilen af luftstrømmen og justere trykket i intervallet mellem 0,5 og 1 bar.

8. Kør testen på kræves forskydning Amplitude

  1. Køre ultralyd test software.
  2. Vælg typen af den anvendte sonotrode i rullemenuen i feltet "Model".
  3. Angiv den ønskede forskydning amplitude til den særlige sonotrode i boksen "Amplitude".
  4. Klik på knappen "Start".

9. træthed knæk indledning og formering

  1. Konstatere, at efter træthed knæk indledning og udbredelse gennem en del af tværsnittet, systemet er flyttet ud af resonansfrekvens og testen afsluttes naturligvis.
  2. Hvis testen ikke ender med en fraktur, efter at have nået det ønskede antal lastning cyklusser, (testen er en run-out) opsige ved hjælp af knappen "Stop" i ultralyd test software.

10. Afmonter modellen fra Sonotrode

  1. Skrue off modellen fra den ultrasonic sonotrode.

11. statisk ladning kraft briste

  1. Statisk ladning magtanvendelse til fraktur resten af tværsnit med brug af et statisk lastning maskine.
    Bemærk: Vektor og type af laste kraft til den statiske fraktur bør svare med typen af træthed lastning således at fraktur overflade har konsekvent karakter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Træthed testresultater omfatter lastning stress, antallet af cyklusser, og test opsigelse karakter (fraktur eller run-out) kan ses i tabel 1, hvor resultaterne af træthed livet af 50CrMo4 bratkølet og hærdet stål leveres. Den mest almindelige fortolkning af træthed liv testresultater er de såkaldte S - N plot (S - stress, N - antal cyklusser), også kendt som Wöhler's plot. Afhængighed af træthed liv anvendt lastning stress er afbildet i et diagram med historisk givne inverteret akse, hvor den uafhængige værdi (lastning stress) er på y -aksen og de afhængige værdi (antal cyklusser) er på x -aksen. Forskellige typer af regressionsanalyse er anvendt19 på træthed liv resultater og, i tilfælde af en fit føjes til diagrammet, er det almindeligvis kaldes S - N kurve. Der var dog ingen forskel med det originale plot, som indeholder bare en data passer. Hvis testen ikke ender med en fraktur, og det er opsagt efter at have nået det krævede antal lastning cykler uden skader, dette resultat kaldes en run-out og i S-N plot normalt præget af pil. Figur 2 viser en typisk S - N plot af tre testede stål: Hardox 450, Strenx 700 MC og S355 J2.

Derudover er fraktur overflader af prøverne analyseret, normalt med anvendelsen af scanning elektronmikroskopi (SEM), hvor karakteren af træthed knæk indledning og formering er identificeret og fortolket. Figur 3 viser en træthed fraktur overflade efter ultralyd træthed afprøvning af 50CrMo4 bratkølet og hærdet stål. Knæk blev indledt på en fri overflade af modellen og derefter overført gennem tværsnittet indtil den ultrasonic system blev flyttet ud af resonansfrekvens (mørke område). Derfor var resten af tværsnittet brækket af statisk ladning, oprettes den lysere område på toppen figuren. Figur 4 viser området af træthed knæk formering i ekstruderet AW 7075 - T6511 aluminiumslegering. Figur 5 viser et hulrum, lavet på overfladen på grund af nedsænkning af prøven til afkøling flydende (destilleret vand med anti-ætsende hæmmer ved stuetemperatur) for en lang tid test (flere timer). Hulrummet accelereret træthed knæk indledning og resultatet af denne test kan ikke betragtes som gyldige.

Figure 1
Figur 1 : Tegning af spænding standardkomprimering ultralyd træthed prøveemne. Dimensionerne er defineret som følger: d -måle diameter, D - hoved diameter, r - gauge radius, L - hoved længde, l - gauge længde. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : S - N plot af stål-Hardox 450, Strenx 700 MC og S355 J2. Run-out test er præget af pil. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Fraktur overflade karakter af 50CrMo4 stål modellen indlæst på 365 MPa og brækket efter 1,97 × 10 8 indlæser cyklusser. Bruddet blev indledt på den frie overflade af modellen. Fraktur overflade består af området i stabil træthed knæk formering (mørke område) og området for ustabile crack udbredelse, den såkaldte statiske fraktur (lys område). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 : Området for træthed crack udbredelse i AW 7075 aluminiumslegering prøvemateriale indlæst på 203 MPa og brækket efter 8.3 × 10 6 indlæser cyklusser. Knæk formeret med transcrystalline træthed mekanisme og band-form karakter af fraktur overflade er et resultat af stærke deformation tekstur efter ekstrudering af materiale i fremstillingsprocessen. Pilen viser retningen af træthed knæk formering. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5 : Hulrum på en overflade af 50CrMo4 stål modellen når en forkert køling processen blev brugt. Modellen var nedsænket i væske (destilleret vand med anti-ætsende hæmmer ved stuetemperatur). Hulrum fremskynde træthed knæk indledningen proces, fordi de tjener som understrege koncentration hakkene, således resultatet af denne træthed test er ikke gyldig. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Model nr. Stress amplitude Antallet af cyklusser Resultat
(MPa)
1 449 1.22 × 107 Fraktur
2 505 4.87 × 106 Fraktur
3 421 2,08 × 107 Fraktur
4 449 8,50 × 106 Fraktur
5 421 1,59 × 107 Fraktur
6 393 8,90 × 107 Fraktur
7 365 1.22 × 108 Fraktur
8 337 2.39 × 108 Fraktur
9 337 5,55 × 108 Fraktur
10 309 7.28 × 108 Fraktur
11 365 1,97 × 108 Fraktur

Tabel 1: Resultaterne af 50CrMo4 stål træthed liv analyse af ultralyd træthed test. Træthed livet resultater repræsenterer afhængighed af antallet af laste cykler på anvendt lastning stress. Testen kan ende med fraktur, eller af en run-out, når ingen træthed fraktur opstår efter det anmodede antal lastning cyklusser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Ultralyd træthed test er en af de få metoder, som giver mulighed for prøvning af de strukturelle materialer i ultra-høj cyklusområdet. Men modellen form og størrelse er meget begrænset med hensyn til resonansfrekvens. For eksempel, er test af tynde plader i tilstanden af aksial belastning generelt ikke muligt. Desuden er test af store eksemplarer normalt ikke muligt, fordi de test maskiner giver ikke sådan magt og det ville kræve design af en særlig ultralyd system.

Korrekt design, beregning og harmonisering af modellen bør ikke undervurderes, selv når moderne ultralyds generatorer er i stand til at modulere den ultralyd bølge og med held genlyd et eksemplar med lidt forskellige dimensioner. Men dette medfører en forskydning af noden for den ultralyd bølge fra den midterste del af gauge længde, og derefter modellen er ikke korrekt indlæst i gauge længde. Af samme grund har stor omhu skal tages for at sikre symmetri af prøveemne med hensyn til begge akser.

En stor diskussion blev afholdt om korrelationen mellem resultaterne udført ved høje frekvenser med oplysninger indhentet på konventionelle test enheder med lav frekvens lastning. Mange forsøg har vist, at resultaterne af højfrekvent tester flydende udvidede resultater opnået ved lave frekvenser, og også en del af resultaterne har overlappet, når den samme loading mode blev anset for10. Senere, var det generelt forstået at hyppigheden af læsning er ikke parameteren bestemmelse af egenskaberne træthed men deformation er, og store deformationer på lav frekvens af lastning levere tilsvarende deformation satser som indlæsning med små deformationer ved høj frekvens. Dette er imidlertid den vigtigste grund hvorfor denne teknik kan bruges til test i rækken af høj og hovedsagelig ultrahøj cyklusområdet, hvor deformation amplituder er små. En stigning på driftsfrekvenser af forskellige komponenter lavet denne diskussion mindre vigtig, så godt, da denne metode giver mere lignende belastningstilstande end dem i de højhastighedsdrift.

Den indre dæmpning evne af de testede materiale bestemmer mængden af varme, der produceres under prøvningen (intern dæmpning er materiale evne til at konvertere mekanisk energi til varme). I tilfælde af utilstrækkelige køling, er gauge længde betydeligt opvarmet, som accelererer indledningen af en træthed knæk på grund af de lavere mekaniske egenskaber af den testede materiale ved høje temperaturer. Ved de fleste aluminium og magnesium-legeringer er en strøm af kold luft tilstrækkeligt til at køle ned modellen under prøven. Materialer med større indre dæmpning kapacitet som stål, nikkel og titanium legeringer bruges en strøm af flydende kølervæske. Under afkøling med flydende kølervæske har kavitation i den midterste del af gauge længde skal undgås, fordi hulrum fremskynde indledning af revnen, som kan afkræfte testresultaterne.

Træthed test på de fleste af de konventionelle teste enheder afsluttes med en komplet fraktur i tværsnit. Efter tværsnit af modellen reduceres af den konstant voksende knæk til en såkaldt "kritisk tværsnit", er modellen så splittet i en cyklus og har karakter af en statisk fraktur. I ultralyd test, når knæk længden når en kritisk længde, som skifter stivhed af systemet ud af resonansfrekvens, de vibrerende stopper forårsager en naturlig afslutning af testen. Dette betyder, at det er ikke muligt at nå den kritiske tværsnit og testen ikke ender med en fuld fraktur, der udføres senere kunstigt. Da træthed knæk indledning i glat træthed prøver (uden en kunstig notch) udgør mere end 95% af antallet cyklusser til fraktur, når et så højt antal cyklusser anses, anses forskellen ubetydelig.

Ultralyd træthed test er en meget vigtig metode, som giver mulighed for simulation af betingelserne for højhastighedstog lastning, og reducerer testtid. I denne protokol fremhævet vi de mest kritiske punkter, muligheder og begrænsninger af metoden for vellykkede programmer materielle forskning og sikkerheds efterprøvning i industrielle operation.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Vi har intet at videregive.

Acknowledgments

Arbejdet var støttet af projekter: "Forskningscenter for University of Žilina - 2nd fase", ITMS 313011D 011, videnskabelige Grant agenturet af Ministeriet for uddannelse, videnskab og sport i Den Slovakiske Republik og slovakiske videnskabsakademi, tilskud nr.: 1/0045 / 17, 1/0951/17 og 15/1/0123 og slovakiske Research og Development Agency tilstå nr. 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Moore, H. F., Kommers, J. B. The fatigue of metals. McGraw-Hill book company, inc. New York. 321 (1927).
  2. Nicholas, T. High Cycle Fatigue: A Mechanics of Materials Perspective. Elsevier Science. (2006).
  3. Schijve, J. Fatigue of Structures and Materials. Springer. Netherlands. (2008).
  4. Murakami, Y. Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. Elsevier Science. (2002).
  5. Trsko, L., Bokuvka, O., Novy, F., Guagliano, M. Effect of severe shot peening on ultra-high-cycle fatigue of a low-alloy steel. Mater. Design. 57, 103-113 (2014).
  6. Stanzl, T. Fracture mechanisms and fracture mechanics at ultrasonic frequencies. Fatigue. Fract. Eng. M. 22, (7), 567-579 (1999).
  7. Bathias, C. There is no infinite fatigue life in metallic materials. Fatigue. Fract. Eng. M. 22, (7), 559-565 (1999).
  8. Ritchie, R. O., et al. High-cycle fatigue of Ti-6Al-4V. Fatigue. Fract. Eng. M. 22, (7), 621-631 (1999).
  9. Bathias, C., Paris, P. C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. CRC Press. (2004).
  10. Bokuvka, O., et al. Ultrasonic Fatigue of Materials at Low and High Frequency Loading. 2nd, University of Zilina. Zilina. (2015).
  11. Almaraz, G. M. D., et al. Ultrasonic Fatigue Testing on the Polymeric Material PMMA, Used in Odontology Applications. Procedia Structural Integrity. 3, 562-570 (2017).
  12. Flore, D., et al. Investigation of the high and very high cycle fatigue behaviour of continuous fibre reinforced plastics by conventional and ultrasonic fatigue testing. Compos. Sci. Technol. 141, 130-136 (2017).
  13. Trško, L., et al. Influence of Severe Shot Peening on the Surface State and Ultra-High-Cycle Fatigue Behavior of an AW 7075 Aluminum Alloy. J. Mater. Eng. Perform. 26, (6), 2784-2797 (2017).
  14. Mayer, H., et al. Cyclic torsion very high cycle fatigue of VDSiCr spring steel at different load ratios. Int. J. Fatigue. 70, 322-327 (2015).
  15. Bathias, C. Piezoelectric fatigue testing machines and devices. Int. J. Fatigue. 28, (11), 1438-1445 (2006).
  16. Mayer, H. Ultrasonic torsion and tension-compression fatigue testing: Measuring principles and investigations on 2024-T351 aluminium alloy. Int. J. Fatigue. 28, (11), 1446-1455 (2006).
  17. Brugger, C., Palin-Luc, T., Osmond, P., Blanc, M. A new ultrasonic fatigue testing device for biaxial bending in the gigacycle regime. Int. J. Fatigue. 100, Part 2, 619-626 (2017).
  18. Wagner, D., Cavalieri, F. J., Bathias, C., Ranc, N. Ultrasonic fatigue tests at high temperature on anaustenitic steel. J. Propul. Power. 1, (1), 29-35 (2012).
  19. Kohout, J., Vechet, S. A new function for fatigue curves characterization and its multiple merits. Int. J. Fatigue. 23, (2), 175-183 (2001).
Ultralyd træthed test i tilstanden spændinger-komprimering
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Trško, L., Nový, F., Bokůvka, O., Jambor, M. Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode. J. Vis. Exp. (133), e57007, doi:10.3791/57007 (2018).More

Trško, L., Nový, F., Bokůvka, O., Jambor, M. Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode. J. Vis. Exp. (133), e57007, doi:10.3791/57007 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter