Summary
Un protocole pour la fatigue ultrasons essais dans la région de haute et ultra haute du cycle en mode chargement axial de traction-compression.
Abstract
Essais de fatigue par ultrasons est l’un des quelques méthodes qui permettent d’étudier les propriétés de fatigue dans la région de cycle ultra haute. La méthode est basée sur exposer l’échantillon à des vibrations longitudinales sur sa fréquence de résonance à proximité de 20kHz. Avec l’utilisation de cette méthode, il est possible de diminuer considérablement le temps requis pour le test, par rapport à des appareils d’essai conventionnelles qui travaillent habituellement à des fréquences moins 200 Hz. Il est également utilisé pour simuler le chargement de matériel au cours de l’opération dans des conditions de haute vitesse, tels que ceux vécus par des composants de moteurs à réaction ou voiture turbo pompes. Il faut n'agir que dans la région de haute et ultra haute du cycle, à cause du risque de taux de déformation extrêmement importante, qui peut avoir une influence significative sur les résultats des tests. Dimensions et forme de l’échantillon ont été soigneusement sélectionnés et calculée pour remplir la condition de résonance du système à ultrasons ; ainsi, il n’est pas possible de tester les composants complets ou spécimens de forme arbitraire. Avant chaque essai, il est nécessaire d’harmoniser le spécimen avec la fréquence du système ultrasonique pour compenser les écarts de la forme réelle de l’idéal. Il n’est pas possible d’effectuer un test avant une rupture totale de l’échantillon, puisque le test est automatiquement interrompue après initiation et la propagation de la fissure à une certaine longueur, lorsque la rigidité du système de change assez pour changer le système de la résonance fréquence. Cet article décrit le processus d’évaluation de la fatigue des matériaux propriétés à haute fréquence ultrasonique fatigue chargement avec utilisation de résonance mécanique à une fréquence proche de 20 kHz. Le protocole inclut une description détaillée de toutes les étapes requises pour un bon critère, y compris la conception de l’échantillon, calcul de la tension, l’harmonisation avec la fréquence de résonance, effectuer le test et la rupture statique finale.
Introduction
Dommages de fatigue des matériaux structurels sont fortement connecté avec l’industrialisation et surtout avec l’utilisation de la machine à vapeur et les locomotives à vapeur pour le transport ferroviaire, où un grand nombre de composants métalliques, principalement de fer basé, ont été utilisés et devait résister à divers types de charges cycliques. Un des premiers essais a été réalisé par Albert (Allemagne 1829)1 sur des chaînes soudées pour les palans de mine. La fréquence de chargement était 10 coudes par minute, et teste de la maximale enregistrée a atteint 100 000 cycles1de chargement. Une autre œuvre importante a été réalisée par William Fairbairn en 1864. Tests ont été effectués sur des poutres en fer forgé avec utilisation d’une charge statique, ce qui a été soulevée par un levier et ensuite chuté provoquant des vibrations. La poutre a été chargée avec augmentant graduellement le contraintes de chargement amplitude. Après atteignant plusieurs centaines de milliers de cycles à différentes amplitudes de contrainte, à l’extrémité de la poutre de chargement a échoué après à peu près 5 000 cycles de chargement à une amplitude de chargement des deux cinquièmes de la résistance à la traction. La première étude complète et systématique de l’influence des stress répétés sur les matériaux de construction a été faite par August Wöhler en 1860-1870,1. Pour ces tests, il a été à l’aide de torsion, flexion et modes de chargement axial. Wöhler a conçu beaucoup de fatigue unique tests automatiques, mais leur inconvénient était les vitesses de fonctionnement faible, par exemple la rotation plus rapide cintreuse fonctionne à 72 tr/min (1,2 Hz), ainsi l’achèvement du programme expérimental a eu 12 ans1. Après avoir effectué ces tests, il a été jugé qu’après avoir atteint une amplitude de chargement au cours de laquelle le matériel supporte 10 cycles de7 , la dégradation de la fatigue est négligeable et que le matériau peut supporter un nombre infini de cycles de chargement. Cette amplitude de chargement est nommé la « limite de fatigue » et est le paramètre principal en design industriel pour les nombreuses années2,3.
Poursuite du développement de nouvelles machines industrielles, qui exigeait une plus grande efficacité et des économies de coûts, a dû fournir la possibilité d’un chargement plus élevé, des vitesses de fonctionnement supérieures, durées supérieures et haute fiabilité avec peu de maintenance. Par exemple, les composants du train à grande vitesse Shinkanzen, après 10 ans de fonctionnement, doivent résister à environ 109 cycles et défaillance d’un composant principal peut avoir des conséquences fatales,4. En outre, composants de moteurs à réaction souvent exploitée à 12 000 tr/min, et composants de ventilateurs turbo dépassent souvent les 17 000 tr/min. Ces opération haute vitesse accrue des exigences pour les essais dans la région de ce qu’on appelle cycle ultra-haute et d’évaluer si la résistance à la fatigue d’un matériau pouvait être vraiment considéré comme constante pendant plus de 10 millions de cycles de fatigue de la vie. Après des premiers essais effectués en dépassant cette endurance, il était évident que fatigue échecs peuvent se produire même à des amplitudes de contrainte appliquée inférieures à la limite de fatigue, après un certain nombre de cycles beaucoup plus que 107et que le mécanisme de l’endommagement et l’échec pourrait être différent de l’habituel ceux5.
Création d’un programme de test de fatigue visant à déterminer la région ultra-haute cycle a nécessité le développement de nouveaux dispositifs d’essai fortement augmenter la fréquence de chargement. Un symposium axé sur ce sujet s’est tenue à Paris en juin 1998, lorsque expérimentale résultats ont été présentés qui ont été obtenues par Stanzl-Tschegg6 et Bathias de7 à 20 kHz, fréquences, de chargement par Ritchie8 avec l’utilisation de 1kHz fermée boucle servo-hydraulique à l’essai et la machine, par Davidson8 avec un magnéto-strictive 1,5 kHz machine essai4. Dès lors, plusieurs solutions ont été proposées, mais encore le plus souvent une machine utilisée pour ce genre de test est basée sur le concept de Manson de 1950 et utilise des fréquences proches de 20kHz9. Ces machines présentent un bon équilibre entre la vitesse de déformation, de l’exactitude de la détermination du nombre de cycles et au moment de l’essai de fatigue (10 cycles de10 sont réalisés en environ 6 jours). Autres appareils étaient en mesure de fournir des fréquences de chargement encore plus élevés, comme celui utilisé par Girald en 1959-92 kHz et Kikukawa en 1965-199 kHz ; Cependant, ceux-ci sont rarement utilisés car ils créent des taux de déformation extrêmement importante et, puisque le test dure seulement quelques minutes, une erreur de remarquable dans le cycle de comptage est prévue. Un autre facteur important limitant la fréquence de chargement des appareils de résonance pour les essais de fatigue est la taille de l’échantillon, qui est en relation directe avec la fréquence de résonance. Plus la fréquence de chargement requis, le plus petit spécimen. C’est la raison pourquoi les fréquences supérieures à 40 kHz sont rarement utilisés10.
L’amplitude de déplacement étant généralement limitée au sein de l’intervalle entre 3 et 80 µm, essais de fatigue par ultrasons peut être appliqué sur des matériaux plus métalliques, bien que techniques pour les essais des matériaux polymères comme le PMMA11 et composites12 ont également été développés. En règle générale, essais de fatigue par ultrasons est possible d’effectuer dans les modes de chargement axial : traction - compression symétrique cycle13,14, tension - tension cycle15,15, de flexion trois points et il y a aussi quelques études avec des modifications du système de torsion essai15,16 et flexion biaxiale17. Il n’est pas possible d’utiliser les échantillons arbitraires, car pour cette méthode, la géométrie est strictement liée à la réalisation de la fréquence de résonance de 20 kHz. Pour le chargement axial, plusieurs types de spécimens ont été couramment utilisés, généralement avec une forme de sablier avec une jauge de longueur diamètre de 3 à 5 mm. Pour la flexion trois points, feuilles minces sont couramment utilisés, et pour les autres méthodes visent certains types particuliers de spécimens, selon le type de méthode et conditions d’essai. La méthode a été conçue pour l’évaluation de la région de cycle haute et ultra haute résistance à la fatigue, et cela signifie qu’au chargement de 20 kHz, 1 million de cycles est obtenue dans 50 s ; par conséquent, il est généralement considéré comme la limite inférieure de cycles qui peuvent être étudiées avec une précision raisonnable, en ce qui concerne le nombre de cycle de détermination de chargement. Chaque échantillon doit être harmonisé avec l’avertisseur ultrasonique en changeant la masse de l’échantillon pour fournir la fréquence de résonance droite du système : avertisseur ultrasonique avec spécimen.
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Protocol
Remarque : La géométrie de chaque échantillon doit être sélectionnée et calculé selon les propriétés physiques et mécaniques du matériau testé, afin qu’il ait une fréquence de résonance identique comme le système d’essai par ultrasons.
1. détermination des Dimensions des éprouvettes Test de la Fatigue
Remarque : La géométrie de spécimen « sablier » standard de traction-compression, avec des dimensions principales définies, est illustrée à la Figure 1. Dimensions d, D et r sont définies par l’utilisateur (indépendant), tandis que l et L dimensions doivent être calculées, conformément aux conditions de la fréquence de résonance correcte (dépendante). La jauge de longueur l résulte uniquement de la ratio de géométrie entre d, r et D et peut être calculé facilement ou obtenus à partir d’un modèle de composant ; ainsi, il ne sera pas un objet d’un examen plus approfondi.
-
Détermination des Dimensions indépendantes
Remarque : Les principales dimensions de l’échantillon (d, D, r) sont choisies selon les paramètres du matériau et les conditions d’essai.- Déterminer le diamètre de jauge d selon le volume requis de matériel pour les tests. Dans le cas d’une microstructure homogène avec aucun défaut interne, un plus petit diamètre de jauge est préféré. Dans le cas d’un matériau ayant des défauts internes importants (tels que des vides et des contractions dans les matériaux de cast), un plus grand diamètre de jauge est nécessaire. La jauge de diamètre d est généralement de 3 mm à 5 mm.
- Déterminer le diamètre de tête D selon taille disponible de matériel expérimental. Le diamètre de tête D utilisé est généralement de 10 mm à 15 mm.
Remarque : Le D n’est plus, la longueur de la tête (L) sera le plus court.
- Déterminer la jauge de rayon r selon la distribution des contraintes mécaniques requis en longueur entre repères de l’éprouvette. Plus le diamètre de jauge r , l’outil Lissage de trajectoire est la distribution des contraintes mécaniques. Un rayon jauge couramment utilisés est r = 20 mm ou r = 32 mm.
Remarque : Plus le r est, plus l’échantillon sera. -
Détermination des Dimensions dépendantes
- Déterminer le nombre d’onde K selon le suivant formule9,18:
Remarque : Ici, le fr est la fréquence de résonance du système à ultrasons (Hz), ρ est la densité volumique (kg m-3), et Ed est le module dynamique d’élasticité (kg m-3). - Déterminer l’approximation hyperbolique du rayon jauge, conformément à la formule9,, suivant19:
Remarque : Ici, l est la longueur entre repères (m), D est le diamètre de tête (m) et d est le diamètre de jauge (m) (Figure 1). - Déterminer l’excentricité apparente selon suivant formule9,18:
Remarque : Ici A est l’approximation hyperbolique (m-1), déterminée par l’équation (2), et K est le nombre d’onde (-) déterminé selon l’expression (1). - Déterminer la longueur de la tête (L) selon l’équation suivante9,18:
Remarque : Ici, K est le nombre d’onde (-) déterminée selon l’expression (1) au point 1.2.1, β est l’excentricité apparente (m-1), déterminée par l’équation (3), et l est la longueur entre repères (m) (Figure 1).
- Déterminer le nombre d’onde K selon le suivant formule9,18:
2. calcul de l’effort mécanique dans la longueur entre repères de l’éprouvette
- Déterminer le facteur géométrique de normalisation
selon l’équation suivante9,18:
- Déterminer la déformation amplitude ɛ selon l’équation suivante9,18:
Remarque : Ici est le facteur géométrique (-) et u est l’amplitude de déplacement requis de l’extrémité libre de l’échantillon (m). - Déterminer les contraintes mécaniques amplitude σune selon l’équation suivante9,18:
Remarque : Ɛ Voici l’amplitude de déformation (-) déterminée selon l’expression (5), et Ed est le module dynamique d’élasticité (kg m-3). Si la tension mécanique calculée est trop faible, il est nécessaire d’augmenter la cylindrée amplitude u (m) et vice versa.
selon l’équation suivante9,18:
3. fabrication de l’échantillon avec les opérations d’usinage
- En raison de diverses petites déviations des spécimens usinés d’une forme idéale, fabriquer des spécimens avec plus longues têtes, habituellement L + 0,5 mm.
4. harmonisation de la fréquence de résonance de l’échantillon avec le système à ultrasons
Remarque : Harmoniser est le processus de compensation diverses petites déviations de l’échantillon réel de la forme idéale, calculée, pour obtenir la fréquence de résonance correct, qui est en harmonie avec la sonotrode acoustique ultrasonore.
- Choisir le bon type d’acoustique sonotrode, selon la gamme de déplacement nécessaire, qui est en mesure de fournir des contraintes mécaniques appropriées dans l’échantillon.
Remarque : Chaque type de sonotrode est conçu et étalonné pour une gamme de différents déplacements, donc la sonotrode appropriée est choisie en fonction de l’amplitude de déplacement requis calculé conformément à l’article 2. -
Monter la sonotrode sur le convertisseur piézo-électrique.
- Visser la vis de connexion à l’intérieur de l’orifice central sur la sonotrode jusqu'à ce qu’il atteigne le fond.
- Propagation acoustique gel sur le visage de la sonotrode.
Remarque : Une petite quantité de gel est utilisée, juste assez pour remplir l’irrégularité des surfaces, qui améliore le transfert de l’onde mécanique entre convertisseur piézo-électrique et la sonotrode. - Visser la sonotrode dans le convertisseur piézo-électrique.
- Faire fonctionner le système à ultrasons avec un convertisseur électrique piezo monté sonotrode pour mesurer la fréquence de résonance du système particulier à la température réelle.
- Lancez le logiciel de test ultrasonique (p. ex., Win20k).
- Choisissez le type de la sonotrode utilisé dans la liste déroulante dans la boîte de « Modèle ».
- Entrer l’amplitude de déplacement possible le plus bas pour la sonotrode particulier dans la zone « Amplitude ».
- Cliquez sur le bouton « Démarrer ».
- Lire la fréquence de résonance réelle du système dans la zone « Fréquence ».
- Cliquez sur le bouton « Stop ».
- Monter le spécimen à la fin de la sonotrode.
- Visser la vis de connexion dans le trou central de l’échantillon jusqu'à ce qu’il atteigne le fond.
- Vissez le spécimen à la sonotrode.
- Faire fonctionner le système à ultrasons avec un convertisseur électrique piezo avec montée sonotrode spécimen pour mesurer la fréquence de résonance du système particulier à la température réelle.
- Lancez le logiciel de test par ultrasons.
- Choisissez le type de sonotrode utilisé dans la liste déroulante dans la boîte de « Modèle ».
- Entrer l’amplitude de déplacement possible le plus bas pour la sonotrode particulier dans la zone « Amplitude ».
- Cliquez sur le bouton « Démarrer ».
- Lire la fréquence de résonance réelle du système dans la zone « Fréquence ».
- Cliquez sur le bouton « Stop ».
- Lorsque la fréquence de résonance du système avec montée de l’échantillon est inférieure à celui sans le spécimen, réduire la masse de l’échantillon en coupant les visages de la tête de l’échantillon.
Remarque : Si la fréquence de résonance avec une montée de l’échantillon est plus élevée, il serait nécessaire de réduire le calibre diamètre d, qui modifierait les conditions de l’essai. C’est la raison pour laquelle 0,5 mm est ajoutée à la longueur de la tête du processus de fabrication.- Démonter le spécimen de la sonotrode.
- Monter le spécimen dans un tour et baisser de 0,1 mm de la face de la tête première.
- Monter le spécimen dans un tour et baisser de 0,1 mm de la face de la seconde tête.
- Répétez l’étape 4.6 jusqu'à ce que la fréquence de résonance est dans la tolérance de ± 10 Hz.
5. final montage de l’échantillon à la Sonotrode avant l’essai de Fatigue
- Appliquez le gel acoustique sur les visages pour créer des connexions entre l’échantillon et la sonotrode.
- Visser la vis de connexion dans le trou central de l’échantillon jusqu'à ce qu’il atteigne le fond.
- Étaler le gel acoustique sur le visage de l’échantillon.
Remarque : Juste une petite quantité de gel acoustique est utilisée pour remplir les irrégularités à la surface pour améliorer le transfert de l’onde acoustique de la sonotrode au modèle de formulaire. - Vissez le spécimen à la sonotrode.
6. faire fonctionner le système de refroidissement pour échantillon
- Si le refroidissement par air est utilisé, se concentrer le flux d’air directement sur le milieu de la longueur entre repères de l’éprouvette et attendre environ 20 s, de sorte que l’écoulement du flux d’air sature l’échantillon.
- Si l’eau de refroidissement est utilisé, se concentrent les buses d’eau sur le dessus de l’échantillon et ajuster l’intensité du flux de l’eau s’écoule en douceur le long de la voie, pour éviter la cavitation.
Remarque : Submergeant l’échantillon dans l’eau ou l’huile est possible aussi bien, cependant, ceci peut être utilisé que pour peu de temps effectue des tests en raison de l’effet de cavitation significative, qui accélère le processus d’initiation de crack fatigue.
7. faire fonctionner le système de refroidissement du convertisseur piézoélectrique
- Ouvrir la vanne du flux d’air et régler la pression dans l’intervalle entre 0,5 et 1 bar.
8. Exécutez le Test à Amplitude de déplacement nécessaire
- Lancez le logiciel de test par ultrasons.
- Choisissez le type de la sonotrode utilisé dans la liste déroulante dans la boîte de « Modèle ».
- Entrez l’amplitude de déplacement demandée pour la sonotrode particulier dans la zone « Amplitude ».
- Cliquez sur le bouton « Démarrer ».
9. la fatigue Crack Initiation et la Propagation
- Observer que, après la fatigue crack initiation et la propagation à travers une partie de la section efficace, le système se déplace hors de la fréquence de résonance et le test se termine naturellement.
- Si le test ne se termine pas avec une fracture, après avoir atteint le nombre requis de cycles, de chargement (le test est un run-out) mettre fin à l’aide de la touche « Stop » dans le logiciel de test par ultrasons.
10. Démonter le spécimen de la Sonotrode
- Dévissez le spécimen de la sonotrode par ultrasons.
11. statique chargement Force fracturation
- Recourir à la force de charge statique pour fracturer le reste de la section efficace avec l’utilisation d’une machine de chargement statique.
Remarque : Le vecteur et le type de l’équipe de chargement pour la rupture statique doivent correspondre au type de la fatigue de chargement afin que la surface de rupture a caractère cohérent.
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Representative Results
Résultats d’essai de fatigue inclure le stress, nombre de cycles, de chargement de chargement et le caractère d’arrêt test (fracture ou battement) peut être vu dans le tableau 1, où les résultats de la fatigue de la 50CrMo4 trempé et en acier trempé sont fournis. L’interprétation des résultats des tests de vie fatigue plus est le soi-disant S - parcelle N (S - stress, N - nombre de cycles), également connu sous le nom des parcelles de la Wöhler. La dépendance de la fatigue sur le stress de la charge appliquée est tracée dans un diagramme avec axe inversé historiquement donné, où la valeur indépendante (contrainte de chargement) est sur l’axe des y et la valeur de charge (nombre de cycles) est sur l’axe des x . Divers types d’analyse de régression sont appliquées19 sur les résultats de la vie de fatigue et, dans le cas où un ajustement est ajouté au schéma, il est communément appelé le S - courbe N. Cependant, il n’y avait aucun différence avec l’intrigue, qui comprend seulement un ajustement de données. Si le test ne se termine pas avec une fracture, et il se termine après avoir atteint le nombre requis de cycles sans dommage de chargement, ce résultat s’appelle un run-out et dans le S-N terrain généralement marqué par la flèche. La figure 2 illustre un type S - parcelle N des trois aciers testés : Hardox 450, Strenx 700 MC et S355 J2.
En outre, les surfaces de rupture des spécimens sont analysés, généralement avec l’utilisation de la microscopie électronique (MEB), où le caractère de la fatigue crack initiation et de propagation est identifiée et interprétée. La figure 3 montre une surface de fracture de fatigue après que les essais de fatigue par ultrasons des 50CrMo4 trempé et en acier. La fissure a été lancée sur une surface libre de l’échantillon et ensuite propagée par le biais de la section efficace jusqu'à ce que le système ultrasonique a été déplacé hors de la fréquence de résonance (zone sombre). En conséquence, le reste de la section transversale a été fracturé par un chargement statique qui a créé la zone plus léger sur le dessus de la figure. La figure 4 montre la zone de la propagation de la fissure de fatigue en extrudé 7075 AW - T6511 en alliage d’aluminium. La figure 5 montre une cavité créée sur l’aire en raison de la submersion de l’échantillon en refroidissement liquide (eau distillée avec inhibiteur contre la corrosion à température ambiante) pour un test de longue durée (plusieurs heures). La cavité a accéléré la fissure de fatigue, et le résultat de ce test ne peut pas considérer comme valable.
Figure 1 : Dessin de l’éprouvette de traction-compression standard fatigue par ultrasons. Les dimensions sont définies comme suit : d -jauge diamètre, rayon jauge D - diamètre de la tête, r -, L - longueur de la tête, l - jauge de longueur. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Le S - Terrain de N de l’acier Hardox 450, Strenx 700 MC et S355 J2. Test de sortie est marqué par la flèche. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Caractère surface de fracture du spécimen 50CrMo4 acier chargé au 365 MPa et fracturée après 1,97 × 10 8 cycles de chargement. La rupture initiée sur la surface libre de l’échantillon. La surface de rupture est constitué de la zone de propagation de la fissure de fatigue stable (zone sombre) et le domaine de la propagation de la fissure instable, la fracture dite statique (zone de lumière). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Zone de la propagation de fissures de fatigue dans le spécimen d’alliage d’aluminium AW 7075 chargé au 203 MPa et fracturée après 8,3 × 10 6 cycles de chargement. La fissure s’est propagée avec un mécanisme de fatigue transcristalline et le personnage de bande-genre de la surface de rupture est le résultat de la texture de forte déformation après extrusion du matériau dans le processus de fabrication. La flèche indique le sens de propagation de la fissure de fatigue. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Cavité sur une surface de l’échantillon 50CrMo4 acier lorsqu’on utilise un procédé de refroidissement inapproprié. Le spécimen a été immergé dans le liquide (eau distillée avec inhibiteur contre la corrosion à température ambiante). Cavités d’accélérer le processus d’initiation de fissure de fatigue car ils servent à souligner des encoches de la concentration, donc le résultat de ce test de fatigue n’est pas valide. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
| No de spécimen | Amplitude de contrainte | Nombre de cycles de chargement | Résultat |
| (MPa) | |||
| 1 | 449 | 1.22 × 107 | Fracture |
| 2 | 505 | 4,87 × 106 | Fracture |
| 3 | 421 | 2.08 × 107 | Fracture |
| 4 | 449 | 8,50 x 106 | Fracture |
| 5 | 421 | 1.59 × 107 | Fracture |
| 6 | 393 | 8,90 × 107 | Fracture |
| 7 | 365 | 1,22 x 108 | Fracture |
| 8 | 337 | 2,39 x 108 | Fracture |
| 9 | 337 | 5.55 × 108 | Fracture |
| 10 | 309 | 7,28 x 108 | Fracture |
| 11 | 365 | 1.97 x 108 | Fracture |
Tableau 1 : Résultats de l’acier 50CrMo4 analyse de la vie de fatigue par essais de fatigue ultrasonique. Les résultats de vie fatigue représentent la dépendance à l’égard du nombre de cycles de chargement sur le stress de la charge appliquée. Le test se terminent avec une fracture, ou par un run-out quand aucune fracture de fatigue ne survient après le nombre de cycles de chargement.
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Discussion
Essais de fatigue par ultrasons est l’une des rares méthodes qui permet de tester les matériaux de construction dans la région de cycle ultra haute. Cependant, la forme de l’échantillon et la taille sont très limitées en ce qui concerne la fréquence de résonance. Par exemple, essais de voiles dans le mode de chargement axial est généralement pas possible. En outre, essais de gros spécimens est habituellement impossible, parce que les machines d’essai ne fournissent pas une telle puissance et il faudrait la conception d’un système spécial à ultrasons.
La bonne conception, calcul et harmonisation de l’échantillon ne doivent pas être sous-estimée, même lorsque les générateurs ultrasoniques modernes sont capables de moduler l’onde ultrasonore et résonnent avec succès un spécimen avec des dimensions légèrement différentes. Toutefois, cela provoque un déplacement du nœud de l’onde ultrasonore de la partie moyenne de la longueur entre repères et ensuite l’échantillon n’est pas correctement chargé dans la longueur entre repères. Pour la même raison, le grand soin doit être pris pour assurer la symétrie de l’éprouvette en ce qui concerne les deux axes.
Une grande discussion a eu lieu sur la corrélation des résultats des tests effectués à haute fréquence avec les données obtenues sur des appareils d’essai conventionnels avec la basse fréquence de chargement. Nombreux tests ont montré que les résultats de la fréquence élevée des tests couramment étendues résultats obtenus dans les basses fréquences, et aussi une partie des résultats ont se chevauchaient, quand le même mode de chargement était considéré comme10. Plus tard, il était généralement admis que la fréquence de chargement n’est pas le paramètre pour déterminer les propriétés de fatigue, mais le taux de déformation est, et grandes déformations à basse fréquence de chargement offrent des taux similaires de déformation dans le chargement d’un petit déformations à haute fréquence. Cependant, c’est la raison principale pourquoi cette technique peut être utilisée pour les essais de l’ordre de séquence haute et ultra-haute principalement en boucle, où les amplitudes de déformation sont petites. Une augmentation de la fréquence de fonctionnement des diverses composantes faites cette discussion moins important, aussi bien, puisque cette méthode offre des conditions de chargement plus semblables que celles de l’opération à grande vitesse.
La capacité d’amortissement interne du matériau testé détermine la quantité de chaleur produite lors de l’essai (amortissement interne est la capacité du matériau à convertir l’énergie mécanique à la chaleur). Dans le cas d’un refroidissement insuffisant, la longueur entre repères est significativement chauffée, qui accélère l’ouverture d’une fissure de fatigue en raison des propriétés mécaniques inférieures du matériau testé à des températures élevées. Dans le cas de la plupart des alliages d’aluminium et de magnésium, un courant d’air froid est suffisant pour refroidir le spécimen pendant l’essai. Pour les matériaux avec une plus grande capacité d’amortissement interne tels que l’acier, le nickel et alliages de titane, un flux de liquide de refroidissement est utilisé. Lors du refroidissement avec le liquide de refroidissement, la cavitation dans la partie moyenne de la longueur du calibre doit être évitée, car les cavités accélérer initiation de la fissure, qui peut invalider les résultats du test.
Essais de fatigue sur la plupart des dispositifs classiques tests se terminent par une fracture complète de la section efficace. Après que la coupe transversale de l’échantillon est réduite par la fissure sans cesse croissante à une soi-disant « section critique de croix », le spécimen est ensuite fracturé en un seul cycle et a un caractère d’une fracture de la statique. Ultrasons dans le processus de test, lorsque la longueur de la fente atteint une longueur critique qui déplace la rigidité du système de la fréquence de résonance, les arrêts vibrants entraînant une cessation naturelle de l’essai. Cela signifie qu’il n’est pas possible de parvenir à la section critique et le test ne se termine pas avec une fracture complète, qui est ensuite jouée artificiellement. La fatigue crack initiation en représente de spécimens (sans une encoche artificiel) fatigue lisse plus de 95 % du nombre de cycles à rupture, lorsque tel un grand nombre de cycles est considéré, la différence est considérée comme négligeable.
Essais de fatigue ultrasonique est une méthode très importante, qui permet la simulation des conditions de chargement à grande vitesse et réduit le temps de test. Dans ce protocole, nous avons mis en évidence les points les plus critiques, les possibilités et les limites de la méthode pour les demandes retenues dans la vérification matérielle de recherche et de sécurité en exploitation industrielle.
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Disclosures
Nous n’avons rien à divulguer.
Acknowledgments
Le travaux ont été subventionnés par les projets : subventions de ITMS 313011 011, Agence Grant scientifique du ministère de l’éducation, des sciences et des Sports de la République slovaque et l’Académie des Sciences slovaque, « Centre de recherche de l’Université de Žilina - 2ème phase », no : 1/0045 / 17, 1/0951/17 et 1/0123/15 et accorde le slovaque Agence de recherche et développement, no 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
- Moore, H. F., Kommers, J. B. The fatigue of metals. , McGraw-Hill book company, inc. New York. 321 (1927).
- Nicholas, T. High Cycle Fatigue: A Mechanics of Materials Perspective. , Elsevier Science. (2006).
- Schijve, J. Fatigue of Structures and Materials. , Springer. Netherlands. (2008).
- Murakami, Y. Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. , Elsevier Science. (2002).
- 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).
- Stanzl, T. Fracture mechanisms and fracture mechanics at ultrasonic frequencies. Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 567-579 (1999).
- Bathias, C. There is no infinite fatigue life in metallic materials. Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 559-565 (1999).
- Ritchie, R. O., et al. High-cycle fatigue of Ti-6Al-4V. Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 621-631 (1999).
- Bathias, C., Paris, P. C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. , CRC Press. (2004).
- Bokuvka, O., et al. Ultrasonic Fatigue of Materials at Low and High Frequency Loading. , 2nd, University of Zilina. Zilina. (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bathias, C. Piezoelectric fatigue testing machines and devices. Int. J. Fatigue. 28 (11), 1438-1445 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kohout, J., Vechet, S. A new function for fatigue curves characterization and its multiple merits. Int. J. Fatigue. 23 (2), 175-183 (2001).
