Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Ultrasone vermoeidheid in de modus van de spanning-compressie testen

doi: 10.3791/57007 Published: March 7, 2018

Summary

Een protocol voor ultrasone vermoeidheid testen in het hoog en ultra-hoge lussegment in axiale spanning-compressie laden modus.

Abstract

Testen van ultrasone vermoeidheid is een van een aantal methoden waarmee eigenschappen van vermoeidheid in de ultra-hoge lussegment onderzoeken. De methode is gebaseerd op het blootstellen van het specimen aan longitudinale trillingen op zijn resonantiefrequentie dicht bij 20 kHz. Met gebruik van deze methode is het mogelijk om te leiden tot aanzienlijke afname van de tijd die nodig is voor de proef, in vergelijking met conventionele testen apparaten meestal werken bij frequenties onder 200 Hz. Het wordt ook gebruikt om te simuleren laden van materiaal tijdens operatie in hoge snelheid de voorwaarden, zoals die ervaren door onderdelen voor straalmotoren of auto turbo pompen. Het is noodzakelijk om te werken alleen in het hoog en ultra-hoge lussegment, te wijten aan de mogelijkheid van extreem hoge vervorming tarieven, die een aanzienlijke invloed op de testresultaten kunnen hebben. Specimen vorm en afmetingen moeten zorgvuldig worden geselecteerd en berekend om te voldoen aan de voorwaarde van de resonantie van de ultrasone systeem; het is dus niet mogelijk om de volledige onderdelen of exemplaren van willekeurige vorm te testen. Vóór elke proef is het noodzakelijk te harmoniseren van het model met de frequentie van de ultrasone systeem om te compenseren voor afwijkingen van de echte vorm van de ideale. Het is niet mogelijk een test uitvoeren tot een totale breuk van het model, aangezien de test wordt automatisch beëindigd na inleiding en vermeerdering van naar de spleet tot een bepaalde lengte, wanneer de stijfheid van het systeem verandert genoeg om over te stappen van het systeem uit de resonantie frequentie. Dit manuscript beschrijft het proces van evaluatie van materialen vermoeidheid eigenschappen op hoogfrequente ultrasone vermoeidheid laden met gebruik van mechanische resonantie met een frequentie die dicht bij de 20 kHz. Het protocol bevat een gedetailleerde beschrijving van alle stappen die nodig zijn voor een correcte test, waaronder specimen ontwerp, berekening van de stress, harmonisatie met de resonantiefrequentie, uitvoeren van de test, en definitieve statische fractuur.

Introduction

Vermoeidheid schade van structurele materialen is sterk verbonden met de industrialisatie en vooral met gebruik van de stoommachine en stoomlocomotieven voor vervoer per spoor, waar een heleboel metalen onderdelen, voornamelijk ijzer gebaseerd, zijn gebruikt en moest weerstaan diverse soorten cyclische laden. Een van de vroegste tests werd gedaan door Albert (Duitsland 1829)1 op gelaste kettingen voor mijn Hijswerktuigen. De frequentie van de lading was 10 bochten per minuut, en de maximale test opgenomen bereikt 100.000 laden cycli1. Een ander belangrijk werk werd uitgevoerd door William Fairbairn in 1864. Tests werden uitgevoerd op smeedijzeren liggers met gebruik van een statische lading, die werd opgeheven door een hendel en dan gedropt veroorzaken trillingen. De ligger was geladen met geleidelijk toenemende laden stress amplitude. Na het bereiken van honderdduizenden cycli op verschillende amplitudes van de stress, op het einde de ligger laden mislukt na zowat vijf duizend laden cycli bij een amplitude van de laden van twee vijfde van de ultieme treksterkte. De eerste uitgebreide en systematische studie van de invloed van herhaalde stress op structurele materialen werd gedaan door augustus Wöhler in 1860-18701. Voor deze tests, was hij met behulp van torsie, buigen en axiale laden modi. Wöhler ontworpen vele unieke vermoeidheid testen van machines, maar hun nadeel was lage werking snelheden, bijvoorbeeld de snelst roterende buigende machine, gevoed met 72 rpm (1.2 Hz), dus de voltooiing van het experimentele programma nam 12 jaar1. Na het uitvoeren van deze tests, werd geoordeeld dat na het bereiken van een amplitude van de laden waartegen het materiaal 107 cycli doorstaat, aantasting van de vermoeidheid te verwaarlozen is en het materiaal kan weerstaan een oneindig aantal cycli te laden. Deze laden amplitude uitgeroepen tot de "vermoeidheid limit" en werd de belangrijkste parameter in industrieel ontwerp voor vele jaren2,3.

Verdere ontwikkeling van nieuwe industriële machines, die vereist hogere efficiëntie en kostenbesparingen, moest bieden de mogelijkheid van hogere belasting, hogere snelheden van de werking, hogere duur en hoge betrouwbaarheid met lage onderhoudsvereisten van. Bijvoorbeeld, kan onderdelen van de hogesnelheidstrein Shinkanzen, na 10 jaar van werking, moeten ongeveer 109 cycli weerstaan en falen van een hoofdbestanddeel fatale gevolgen4. Bovendien, onderdelen voor straalmotoren opereren vaak op 12.000 rpm, en onderdelen van turbo blowers vaak meer dan 17.000 rpm. Die hoge werking snelheden verhoogde eisen voor vermoeidheid leven testen in het zogenaamde ultra-hoge lussegment, en er moeten beoordelen of de sterkte van de vermoeidheid van een materiaal kan worden echt overwogen constante voor meer dan 10 miljoen cycli. Na de eerste tests uitgevoerd door meer dan deze uithoudingsvermogen, was het duidelijk dat vermoeidheid mislukkingen zelfs bij amplitudes van de toegepaste spanning lager is dan de limiet van vermoeidheid, na een aantal cycli veel meer dan 10 optreden kunnen7, en dat de schade en mislukking mechanisme kunnen afwijken van de gebruikelijke degenen5.

Creëren van een vermoeidheid testprogramma gericht onderzoek op het ultra-hoge lussegment vereist de ontwikkeling van nieuwe testen apparaten sterk de frequentie te verhogen laden. Een symposium over dit onderwerp gericht werd gehouden in Parijs in juni 1998, waar experimentele resultaten werden gepresenteerd die werden verkregen door Stanzl-Tschegg-6 en Bathias7 op 20 kHz laden van frequenties, door Ritchie8 met het gebruik van 1 kHz gesloten lus Servo-hydraulische testen machine, en door Davidson8 met een 1,5 kHz magneto-strictive testen machine4. Vanaf die tijd werden veel oplossingen voorgesteld, maar nog steeds de meest algemeen gebruikte machine voor dit soort test is gebaseerd op het concept van Manson van 1950 en maakt gebruik van frequenties dicht bij 20 kHz9. Deze machines vertonen een goede balans tussen spanning tarief, de juistheid van de bepaling van het aantal cycli, en de tijd van de vermoeidheid test (1010 cycli worden bereikt in ongeveer 6 dagen). Andere apparaten konden bieden zelfs hogere laden frequenties, zoals die gebruikt door Girald in 1959-92 kHz en Kikukawa in 1965-199 kHz; deze worden echter zelden gebruikt omdat ze extreem hoge vervorming tarieven maakt en, aangezien de test slechts enkele minuten duurt, een opmerkelijke vergissing in de clustertelling wordt verwacht. Een andere belangrijke factor die de frequentie van de laden van resonantie apparaten voor het testen van vermoeidheid te beperken is de grootte van het specimen, dat in directe relatie met de resonantiefrequentie. Hoe groter de frequentie van de gevraagde laden, hoe kleiner het model. Dit is de reden waarom frequenties boven 40 kHz zelden gebruikte10 zijn.

Aangezien de amplitude van de verplaatsing meestal beperkt binnen het interval tussen 3 en 80 µm is, ultrasone vermoeidheid testen met succes kan worden toegepast op de meeste metalen, hoewel technieken voor het testen van polymere materialen zoals PMMA11 en composieten12 werden ook ontwikkeld. In het algemeen, ultrasone vermoeidheid testen is het mogelijk om uit te voeren in modi van axiale laden: treksterkte - compressie symmetrische cyclus13,14, spanning - spanning cyclus15, drie-punt15, buigen en er zijn ook een paar studies met speciale wijzigingen van het systeem voor torsie testen15,16 en biaxial buigende17. Het is niet mogelijk om willekeurige monsters, omdat voor deze methode, de geometrie is strikt gerelateerd aan het bereiken van de resonantiefrequentie van 20 kHz. Voor de axiale laden, zijn verschillende soorten exemplaren vaak gebruikt, meestal met een zandloper vorm met een meter lengte diameter van 3 tot 5 mm. Dunne platen worden vaak gebruikt voor de drie-punt buigen, en voor andere methoden speciale soorten monsters zijn ontworpen, volgens het type van de methode en het testen van de voorwaarden. De methode is ontworpen voor de evaluatie van vermoeidheid leven in het hoog en ultra-hoge lussegment, en dit betekent dat een miljoen cycli op 20 kHz laden, wordt verkregen in 50 s; Daarom wordt dit meestal beschouwd als de ondergrens van het laden van de cycli die kunnen worden onderzocht met een redelijke nauwkeurigheid, met betrekking tot het aantal cyclus bepaling. Elk monster moet worden geharmoniseerd met de ultrasone hoorn door het veranderen van het model mis om te zorgen voor de juiste resonantiefrequentie van het systeem: Ultrasone hoorn met specimen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Opmerking: Elk specimen van meetkunde moet worden geselecteerd en berekend op basis van de mechanische en fysische eigenschappen van het geteste materiaal, zodat er een identieke resonantiefrequentie als het ultrasoon testsysteem.

1. bepaling van de afmetingen van vermoeidheid Test Specimen

Opmerking: De "zandloper" spanning-standaardcompressie specimen geometrie, met gedefinieerde belangrijkste dimensies, wordt weergegeven in Figuur 1. Afmetingen d, D, en r zijn door de gebruiker gedefinieerde (Zelfstandige), terwijl l en L afmetingen worden berekend moeten, volgens de voorwaarden van de juiste resonantiefrequentie (afhankelijk). De meter lengte l kan resultaten alleen van de geometrie verhouding tussen d, r, en D, en gemakkelijk berekend of verkregen van een component-model; aldus, zal het niet een object voor verdere discussie.

  1. Bepaling van onafhankelijke afmetingen
    Opmerking: De voornaamste afmetingen van het monster (d, D, r) zijn gekozen op basis van de materiële parameters en de testomstandigheden.
    1. Bepaal de meter diameter d volgens de vereiste hoeveelheid materiaal voor testen. In het geval van een homogene microstructuur met geen interne defecten heeft een kleinere spoorbreedte diameter de voorkeur. In het geval van een materiaal met een aanzienlijke interne gebreken (zoals lege ruimten en shrinkages in gegoten materiaal) is een grotere spoorbreedte diameter nodig. De meter diameter d is meestal van 3 mm tot 5 mm.
    2. Bepaal de hoofd diameter D volgens de beschikbare experimentele materiële grootte. De gebruikte hoofd diameter D is meestal van 10 mm tot 15 mm.
      Opmerking: Hoe groter de D is, hoe korter de hoofd lengte (L) zal worden.
  2. De gauge straal r volgens de vereiste mechanische spanning verdeling van het specimen meter lengte te bepalen. Hoe groter de diameter gauge r is, de vloeiender is de verdeling van de mechanische belasting. Een veelgebruikte maat straal is r = 20 mm of r = 32 mm.
    Opmerking: Hoe groter de r is, hoe langer het specimen zal worden.
  3. Bepaling van afhankelijke dimensies
    1. De wave nummer K bepalen volgens de volgende formule9,18:
      Equation 1
      Opmerking: Hier is de fr de resonantiefrequentie van de ultrasone systeem (Hz), ρ is de dichtheid van het volume (kg m-3), en Ed is de dynamische elasticiteitsmodulus (kg m-3).
    2. Bepaal de hyperbolische onderlinge aanpassing van de straal van de gauge, volgens de volgende formule9,19:
      Equation 2
      Opmerking: Hier l is de meter lengte (m) D is de hoofd diameter (m) en d is de meter diameter (m) (Figuur 1).
    3. Het bepalen van de effectieve excentriciteit volgens volgende formule9,18:
      Equation 3
      Opmerking: Hier is de hyperbolische onderlinge aanpassing (m-1) bepaald door vergelijking (2) , en K is het Golf-getal (-) bepaald volgens expressie (1).
    4. Het bepalen van de lengte van het hoofd (L) volgens de volgende vergelijking9,18:
      Equation 4
      Opmerking: K is hier het nummer van de Golf (-) bepaald volgens expressie (1) in punt 1.2.1, β is de effectieve excentriciteit (m-1), bepaald door vergelijking (3), en l is de meter lengte (m) (Figuur 1).

2. berekening van de mechanische spanning in de Gauge lengte van het model

  1. Bepalen van de norming geometrische factor Equation 5 volgens de volgende vergelijking9,18:
    Equation 6
  2. Bepaal de vervorming amplitude ɛ volgens de volgende vergelijking9,18:
    Equation 7
    Opmerking: Hier Equation 5 is de geometrische factor (-) en u de vereiste verplaatsing amplitude van het vrije uiteinde van het specimen (m).
  3. Bepaal de mechanische spanning amplitude σeen volgens de volgende vergelijking9,18:
    Equation 8
    Opmerking: Hier ɛ is de vervorming amplitude (-) bepaald volgens expressie (5), en Ed is de dynamische elasticiteitsmodulus (kg m-3). Als de berekende mechanische spanning te laag is, is het noodzakelijk om de verplaatsing amplitude u (m), en vice versa.

3. productie van het model met de machinale bewerkingen

  1. Als gevolg van verschillende kleine afwijkingen van de bewerkte specimens van een ideale vorm, vervaardiging exemplaren met langere hoofden, meestal L + 0,5 mm.

4. harmonisatie van de resonantiefrequentie van het model met de ultrasone systeem

Opmerking: Harmonisatie is het proces verschillende kleine afwijkingen van het echte model vanaf de ideale, berekende vorm te verkrijgen van de juiste resonantiefrequentie, die in harmonie met de ultrasone akoestische sonotrode te compenseren.

  1. Kies het juiste type van akoestische sonotrode, volgens de vereiste verplaatsing-reeks, die is in staat om goede mechanische spanning in het model.
    Opmerking: Elke soort sonotrode is ontworpen en gekalibreerd voor een verschillende verplaatsing, is dus het juiste sonotrode gekozen op basis van de amplitude van de vereiste verplaatsing berekend overeenkomstig punt 2.
  2. Monteer de sonotrode op de piëzo-elektrische converter.
    1. Schroef de verbinding schroef in het gat in het midden op de sonotrode totdat zij de bodem tot.
    2. Verspreid akoestische gel op het gezicht van de sonotrode.
      Opmerking: Een kleine hoeveelheid gel wordt gebruikt, net genoeg te vullen van de onregelmatigheid van de oppervlakken, die de overdracht van de mechanische Golf tussen piëzo-elektrische converter en de sonotrode verbetert.
    3. Schroef de sonotrode in de piëzo-elektrische convertor.
  3. Voer de ultrasone systeem met een piëzo-elektrische omzetter met gekoppelde sonotrode voor het meten van de resonantiefrequentie van het bijzondere systeem op de werkelijke temperatuur.
    1. Voer de ultrasone testen software (bijvoorbeeldWin20k).
    2. Kies het type van de gebruikte sonotrode in het drop-down menu in het vak "Model".
    3. Voer de laagste mogelijke verplaatsing amplitude voor de bijzondere sonotrode in het vak "Amplitude".
    4. Klik op de knop "Start".
    5. Lees de werkelijke resonantiefrequentie van het systeem in het vak "Frequentie".
    6. Klik op de "Stop" knop.
  4. Monteren van het model aan het einde van de sonotrode.
    1. Schroef de verbinding schroef in het gat in het midden van het specimen totdat de bodem is bereikt.
    2. Schroef het specimen naar de sonotrode.
  5. Voer de ultrasone systeem met een piëzo-elektrische omzetter met gemonteerde sonotrode en model voor het meten van de resonantiefrequentie van het bijzondere systeem op de werkelijke temperatuur.
    1. De ultrasone testen software uitvoeren.
    2. Kies het type sonotrode gebruikt in het drop-down menu in het vak "Model".
    3. Voer de laagste mogelijke verplaatsing amplitude voor de bijzondere sonotrode in het vak "Amplitude".
    4. Klik op de knop "Start".
    5. Lees de werkelijke resonantiefrequentie van het systeem in het vak "Frequentie".
    6. Klik op de "Stop" knop.
  6. Wanneer de resonantiefrequentie van het systeem met gemonteerde specimen is lager dan dat zonder het model, de massa van het monster door het afsnijden van de gezichten van het specimen het hoofd verminderen.
    Opmerking: Als de resonantiefrequentie met een gemonteerde specimen hoger is, zou het nodig zijn om de meter diameter d, die de voorwaarden van de test zouden veranderen. Dit is de reden 0.5 mm is toegevoegd aan de lengte van de koppen in het productieproces.
    1. Ontkoppelen van het model van de sonotrode.
    2. Monteren van het model in een draaibank en 0.1 mm van het gezicht van het eerste hoofd afslaan.
    3. Monteren van het model in een draaibank en 0.1 mm van het gezicht van het tweede hoofd afslaan.
    4. Herhaal stap 4.6 totdat de resonantiefrequentie binnen de tolerantie van is ± 10 Hz.

5. definitieve montage van het model aan de Sonotrode voordat de vermoeidheid Test

  1. Akoestische gel van toepassing op de gezichten om verbindingen tussen de sonotrode en het model te maken.
    1. Schroef de verbinding schroef in het gat in het midden van het specimen totdat de bodem is bereikt.
    2. Verspreid de akoestische gel op het gezicht van het model.
      Opmerking: Slechts een kleine hoeveelheid van akoestische gel wordt gebruikt om de onregelmatigheden op het oppervlak ter verbetering van de overdracht van de akoestische Golf van de sonotrode met het model invullen.
    3. Schroef het specimen naar de sonotrode.

6. Stormloop het koelsysteem voor Specimen

  1. Als luchtkoeling wordt gebruikt, het richten van de luchtstroom rechtstreeks op het midden van de lengte van de spoorbreedte van het specimen en wacht ongeveer 20 s, zodat de stroom van de luchtstroom verzadigde het model vetzuren.
  2. Als Waterkoeling wordt gebruikt, richten de Watersproeiers aan het bovenste hoofd van het model en de intensiteit van de stream aanpassen zodat het water vlot langs de lengte van de spoorbreedte stroomt, om te voorkomen dat cavitatie.
    Opmerking: Het model ondergedompeld in water of olie is ook mogelijk, maar dit kan alleen worden gebruikt voor korte tijd tests als gevolg van de aanzienlijke cavitatie effect, dat het initiatieproces voor spleet van vermoeidheid versnelt.

7. Voer het koelsysteem van de piëzo-elektrische Converter

  1. Open de klep van de luchtstroom en de druk aan te passen in het interval tussen 0,5 en 1 bar.

8. de Test uitvoeren bij vereiste verplaatsing Amplitude

  1. De ultrasone testen software uitvoeren.
  2. Kies het type van de gebruikte sonotrode in het drop-down menu in het vak "Model".
  3. Voer de gevraagde verplaatsing amplitude voor de bijzondere sonotrode in het vak "Amplitude".
  4. Klik op de knop "Start".

9. vermoeidheid Crack initiatie en vermeerdering

  1. Constateren dat na de vermoeidheid kraken initiatie en vermeerdering door een deel van de doorsnede, het systeem uit de resonantiefrequentie is verschoven en de test is natuurlijk beëindigd.
  2. Als de test niet met een breuk eindigt, na het bereiken van de gevraagde aantal cycli, laden (de test is een run-out) beëindigen met de "Stop" knop in de ultrasoon testen software.

10. het ontkoppelen van het model van de Sonotrode

  1. Schroef uit het model van de ultrasone sonotrode.

11. statisch geladen kracht breken

  1. Het gebruik van statische lading geweld breuk van de rest van de doorsnede met gebruik van een statische loading machine.
    Opmerking: De vector en het type van de kracht van de lading voor de statische breuk moeten overeenkomen met het type van de vermoeidheid laden zodat de fractuur oppervlak consequent karakter heeft.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Vermoeidheid testresultaten omvatten laden van stress, aantal cycli, laden en de test beëindiging karakter (fractuur of run-out) is te zien in tabel 1, waar resultaten van vermoeidheid leven van de 50CrMo4 gehard en getemperd staal worden geleverd. De meest voorkomende interpretatie van de testresultaten van de vermoeidheid-leven is de zogenaamde S - N perceel (S - stress, N - aantal cycli), ook bekend als de de Wöhler plot. De afhankelijkheid van vermoeidheid leven van de toegepaste laden stress wordt uitgezet in een diagram met historisch bepaalde omgekeerde as, waar de zelfstandige waarde (laden stress) is op de y -as en de afhankelijke waarde (aantal cycli) is op de x -as. Verschillende soorten regressie-analyse zijn toegepaste19 op de vermoeidheid levenresultaten en, in het geval dat een pasvorm wordt toegevoegd aan het diagram, het heet gewoonlijk de S - curve van de N. Echter was er geen verschil met de originele plot, waarin slechts een gegevens pasvorm. Als de test eindigt niet met een breuk, en deze wordt beëindigd na het bereiken van de vereiste aantal cycli zonder schade te laden, dit resultaat een run-out wordt genoemd en in de S-N plot meestal gekenmerkt door de pijl. Figuur 2 toont een typische S - N plot van drie geteste staalsoorten: Hardox 450 Strenx 700 MC en S355 J2.

Daarnaast worden de oppervlakken van de fractuur van de monsters geanalyseerd, meestal met gebruik van scanning elektronen microscopie (SEM), waar het karakter van de vermoeidheid kraken initiatie en teeltmateriaal wordt geïdentificeerd en geïnterpreteerd. Figuur 3 toont een fractuur oppervlak van vermoeidheid na ultrasone vermoeidheid testen van 50CrMo4 gehard en getemperd staal. De barst was gestart op een vrij oppervlak van het model en vervolgens verspreid via de doorsnede totdat het ultrasone systeem was verschoven van de resonantiefrequentie (donkere gebied). Bijgevolg was de rest van de doorsnede gebroken door statische belasting die het lichter gebied op de bovenkant van de afbeelding hebt gemaakt. Figuur 4 geeft het gebied van de voortplanting van de barst van de vermoeidheid in geëxtrudeerde AW 7075 - T6511 aluminiumlegering. Figuur 5 toont een holte gemaakt op het oppervlak als gevolg van het specimen ondergedompeld in de koeling van de vloeistof (gedestilleerd water met corrosiewerende-remmer bij kamertemperatuur) voor een lange tijd test (enkele uren). De holte versneld de vermoeidheid spleet inleiding en het resultaat van deze test kan niet als geldig beschouwd.

Figure 1
Figuur 1 : Tekening van de spanning-standaardcompressie ultrasone vermoeidheid monster. De afmetingen zijn als volgt gedefinieerd: d -diameter, D - hoofd diameter, r - gauge RADIUS-, L - hoofd lengte, l - maat lengte meten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2 : De S - N plot van het staal Hardox 450 Strenx 700 MC en S355 J2. Run-out test wordt aangegeven door de pijl. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3 : Fractuur oppervlak karakter van het specimen 50CrMo4 stalen geladen op 365 MPa en gebroken na 1.97 × 10 8 laden cycli. De breuk is gestart op het vrije oppervlak van het model. De fractuur oppervlak bestaat uit het gebied van stabiele vermoeidheid spleet propagatie (donkere gebied) en het gebied van de voortplanting van de unstable spleet, de zogenaamde statische breuk (licht gebied). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4 : Gebied van de voortplanting van de vermoeidheid-spleet in de AW 7075 aluminiumlegering monster geladen op 203 MPa en gebroken na 8.3 × 10 6 laden cycli. De Spleet vermeerderd met een transcrystalline vermoeidheid mechanisme en het karakter van de band-soort van de fractuur oppervlak is een gevolg van de sterke vervorming textuur na extrusie van het materiaal in het productieproces. De pijl geeft de richting van vermoeidheid spleet propagatie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5 : Holte op een oppervlak van het model van de 50CrMo4 stalen toen een onjuiste koelproces werd gebruikt. Het model werd ondergedompeld in de vloeistof (gedestilleerd water met corrosiewerende-remmer bij kamertemperatuur). Holten versnellen de vermoeidheid spleet initiatieproces omdat ze dienen als benadrukken concentratie inkepingen, dus het resultaat van de test van deze vermoeidheid is niet geldig. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Model nr. Stress amplitude Aantal cycli laden Resultaat
(MPa)
1 449 1,22 × 107 Fractuur
2 505 4.87 × 10-6 Fractuur
3 421 2,08 × 107 Fractuur
4 449 8.50 × 10-6 Fractuur
5 421 1,59 × 107 Fractuur
6 393 8.90 × 107 Fractuur
7 365 1,22 × 108 Fractuur
8 337 2.39 × 108 Fractuur
9 337 5.55 × 108 Fractuur
10 309 7.28 × 108 Fractuur
11 365 1.97 × 108 Fractuur

Tabel 1: Resultaten van het 50CrMo4 staal life analyse door het testen van de ultrasone vermoeidheid vermoeidheid. Vermoeidheid levenresultaten vertegenwoordigen de afhankelijkheid van het aantal laden cycli op de toegepaste laden stress. De test kan beëindigen met fractuur, of door een run-out wanneer geen fractuur vermoeidheid optreedt na het gevraagde aantal cycli te laden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Testen van ultrasone vermoeidheid is een van de enkele methoden waarmee het testen van de structurele materialen in het ultra-hoge lussegment. De specimen vorm en grootte zijn echter zeer beperkt met betrekking tot de resonantiefrequentie. Bijvoorbeeld, is testen van dunne platen in de modus van axiale laden over het algemeen niet mogelijk. Daarnaast is testen van grote specimens meestal niet mogelijk, omdat het testen machines geen dergelijke macht bieden en het ontwerpen van een speciale ultrasone systeem zou het vereisen.

De juiste ontwerp, berekening en harmonisatie van het specimen mag niet worden onderschat, zelfs wanneer moderne ultrasone generatoren zijn kundig voor het moduleren van de ultrasone Golf en resoneren met succes een exemplaar met een iets verschillende dimensies. Echter dit veroorzaakt een verschuiving van het knooppunt van de ultrasone Golf uit de buurt van het middengedeelte van de meter lengte, en dan het model is niet correct geladen in de meter lengte. Om dezelfde reden moet zorgvuldig worden getroffen om de symmetrie van het monster ten aanzien van beide assen.

Een grote discussie plaatsgevonden over de correlatie van de testresultaten uitgevoerd bij hoge frequenties met gegevens die zijn verkregen op conventionele testen apparaten met de lage frequentie laden. Vele tests hebben aangetoond dat de resultaten van de hoge frequentie tests vloeiend uitgebreide resultaten bij lage frequenties, en ook een deel van de resultaten hebben elkaar overlappen, wanneer dezelfde laden modus werd beschouwd als10. Later, werd het in het algemeen begrepen dat de frequentie van laden is niet de parameter bepalen de eigenschappen van de vermoeidheid, maar het tarief van de vervorming is, en grote deformaties bij lage frequentie van laden soortgelijke vervorming tarieven bieden zoals laden met kleine vervormingen op hoge frequentie. Echter, dit is de belangrijkste reden waarom deze techniek kan worden gebruikt voor tests in het bereik van hoge en vooral ultra-hoge lussegment, waar de amplitudes van de vervorming klein zijn. Een verhoging van de frequenties van de werking van verschillende onderdelen gemaakt deze discussie minder belangrijk, eveneens, aangezien deze methode meer soortgelijke belastingstoestanden dan degenen die in de snelle werking biedt.

Het interne demping vermogen van het geteste materiaal bepaalt de hoeveelheid warmte die wordt geproduceerd tijdens de test (interne demping is de mogelijkheid van materiaal om mechanische energie omzetten in warmte). In het geval van onvoldoende koeling, is de meter lengte aanzienlijk verwarmd, die versnelt inleiding van een scheur van de vermoeidheid als gevolg van de lagere mechanische eigenschappen van het geteste materiaal bij hoge temperaturen. In het geval van de meeste aluminium en magnesium legeringen is een stroom van koude lucht voldoende om af te koelen het model tijdens de test. Voor materialen met hogere interne demping capaciteit zoals staal, nikkel en titanium legeringen, wordt een stroom van koelvloeistof gebruikt. Tijdens het koelen met koelvloeistof, moet de cavitatie in het middendeel van de meter lengte worden vermeden, omdat Holten versnellen inleiding van naar de spleet, die kan de testresultaten ongeldig.

Vermoeidheid proeven op de meeste van de conventionele testen apparaten eindigen met een complete fractuur van de doorsnede. Nadat de doorsnede van het specimen wordt verminderd door de steeds groeiende spleet op een zogenaamde "kritische doorsnede", is het model dan in één cyclus gebroken en een teken van een statische fractuur heeft. In het proces van ultrasone tests, wanneer de barst lengte een kritische lengte die verschuivingen van de stijfheid van het systeem uit de resonantiefrequentie bereikt, waardoor een natuurlijke beëindiging van de test stopt voor de trillende. Dit betekent dat het niet kunnen bereiken van de kritische doorsnede en de test eindigt niet met een volledige breuk, die later kunstmatig wordt uitgevoerd. Aangezien de vermoeidheid kraken initiatie in soepele vermoeidheid specimens (zonder een kunstmatige inkeping) vertegenwoordigt meer dan 95% van het aantal cycli breuk, wanneer een groot aantal cycli wordt beschouwd, wordt het verschil als te verwaarlozen beschouwd.

Testen van ultrasone vermoeidheid is een zeer belangrijke methode, waardoor de simulatie van voorwaarden van snelle lading, en vermindert de beproeving tijd. In dit protocol, we gewezen op de meest kritische punten, mogelijkheden en beperkingen van de methode voor succesvolle toepassingen in materiële controle op het gebied van onderzoek en veiligheid in industriële activiteit.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Wij hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Het werk werd gesteund door de projecten: "Centrum voor onderzoek van de Universiteit van Žilina - 2nd fase", ITMS 313011D 011, wetenschappelijke Grant Agentschap van het ministerie van onderwijs, wetenschap en sport van de Slowaakse Republiek en de Slowaakse Academie van Wetenschappen, verleent nr.: 1/0045 / 17, 1/0951/17 en 1/0123/15 en Slowaakse Research en Development Agency, verlenen 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).
Ultrasone vermoeidheid in de modus van de spanning-compressie testen
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