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Engineering

Ultraschall Ermüdungsprüfung im Zug-Druck-Modus

doi: 10.3791/57007 Published: March 7, 2018

Summary

Ein Protokoll für Ultraschall Ermüdungsprüfung im Bereich hoch- und Zyklus in axialer Zug-Druck-Lademodus.

Abstract

Ultraschall Ermüdungsprüfung ist eine der wenigen Methoden, die Ermüdungseigenschaften im Großraum ultrahohe Zyklus zu untersuchen. Die Methode basiert auf die Probe longitudinale Schwingungen auf seiner Resonanzfrequenz in der Nähe von 20 kHz auszusetzen. Bei Verwendung dieser Methode ist es möglich, den Zeitaufwand für den Test im Vergleich zu herkömmlichen Testgeräte in der Regel arbeiten bei Frequenzen unter 200 Hz deutlich zu verringern. Es dient auch zur Simulation Laden des Materials während des Betriebs in high-Speed-Bedingungen, wie diejenigen von Komponenten der Düsentriebwerke oder Auto Turbopumpen erlebt. Es ist notwendig, nur im Bereich hoch- und Zyklus durch die Möglichkeit der extrem hohen Verformungsgeschwindigkeiten zu betreiben, die einen wesentlichen Einfluss auf die Testergebnisse haben können. Probenform und Abmessungen müssen sorgfältig ausgewählt werden und berechnet die Resonanzbedingung das Ultraschall-System zu erfüllen; so ist es nicht möglich, die volle Komponenten oder Exemplare von beliebiger Form zu testen. Vor jedem Test ist es notwendig, die Probe mit der Frequenz des Ultraschall-System zum Ausgleich von Abweichungen der realen Form von der idealen in Einklang zu bringen. Es ist nicht möglich, führen Sie einen Test bis zum totalen Bruch der Probe, da der Test automatisch nach Einführung und Ausbreitung des Risses auf eine bestimmte Länge beendet wird, wenn die Steifigkeit des Systems ändert sich genug, um das System aus der Resonanz Frequenz. Dieses Manuskript beschreibt den Prozess der Bewertung der Materialien Müdigkeit Eigenschaften bei Hochfrequenz-Ultraschall Zyklusbelastung mit der mechanischen Resonanz bei einer Frequenz in der Nähe von 20 kHz zu verwenden. Das Protokoll enthält eine detaillierte Beschreibung aller Schritte, die erforderlich für einen richtigen Test, einschließlich Probe Design, Stress-Berechnung, Harmonisierung mit der Resonanzfrequenz, Durchführung der Test und die endgültige statische Fraktur.

Introduction

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Ermüdungsschäden von Strukturmaterialien ist stark verbunden mit der Industrialisierung und vor allem mit Einsatz von Dampfmaschine und Dampflokomotiven für den Eisenbahnverkehr, wo eine Menge von metallischen Bauteilen, vor allem Eisen basiert, verwendet wurden und verschiedene standhalten musste Arten von zyklischen Belastung. Eines der frühesten Tests erfolgte durch Albert (Deutschland 1829)1 auf geschweißte Ketten für Hebezeuge Mine. Die Beladung Frequenz war 10 Bögen pro Minute, und die maximale tests aufgezeichneten erreichte 100.000 Zyklen1laden. Eine weitere wichtige Arbeit erfolgte durch William Fairbairn in 1864. Tests wurden auf schmiedeeisernen Trägern mit einer statischen Belastung durchgeführt, die durch einen Hebel angehoben wurde und fiel dann verursachende Vibrationen. Der Träger wurde mit allmählich zunehmender Belastung Stress geladen Amplitude. Nachdem erreichen mehrere hunderttausend auf verschiedene Zyklen Fehler beim Laden von Stress Amplituden, am Ende der Träger nach nur etwa fünf tausend Ladezyklen bei einer Belastungsamplitude von zwei Fünftel der Zugfestigkeit. Die erste umfassende und systematische Studie über den Einfluss von wiederholter Belastung auf strukturelle Materialien erfolgte durch August Wöhler in 1860-18701. Für diese Tests wurde er mit dem Torsion, Biegung und axiale Belastung Modi. Wöhler entwickelt viele einzigartige Müdigkeit Prüfmaschinen, aber ihr Nachteil war gering Betrieb Geschwindigkeiten, zum Beispiel die schnellsten rotierende Biegemaschine betrieben bei 72 u/min (1,2 Hz), also Abschluss des experimentellen Programms dauerte 12 Jahre1. Nach Durchführung dieser Tests, wurde davon ausgegangen, dass nach Erreichen einer Belastungsamplitude, an dem das Material 107 Zyklen widersteht, die Müdigkeit Degradation ist zu vernachlässigen und das Material kann eine unendliche Anzahl von Ladezyklen standhalten. Diese Belastungsamplitude hieß "Dauerfestigkeit" und wurde der wichtigste Parameter im Industriedesign für viele Jahre2,3.

Weitere Entwicklung der neuen industriellen Maschinen, die erforderliche höheren Effizienz und Kosteneinsparungen zu erzielen, musste die Möglichkeit, höhere Belastung, Betrieb Geschwindigkeiten, höhere Laufzeiten und hohe Zuverlässigkeit mit geringer Wartungsaufwand bieten. Zum Beispiel Bestandteil der Hochgeschwindigkeitszug Shinkanzen, nach 10 Jahren Betrieb, ca. 109 Zyklen standhalten und Ausfall der Hauptbestandteil kann fatale Folgen4haben. Darüber hinaus Komponenten von Strahltriebwerken arbeiten oft bei 12.000 u/min, und Komponenten des Turbo-Gebläse oft mehr als 17.000 u/min. Diese hohe Betrieb Geschwindigkeiten erhöhte Anforderungen an die Ermüdungsprüfung Leben, in der so genannten Ultra-high Cycle-Bereich und zu beurteilen, ob die Dauerfestigkeit eines Materials wirklich konstant für mehr als 10 Millionen Zyklen betrachtet werden könnte. Nach den ersten Tests durchgeführt durch das Überschreiten dieser Ausdauer, war es offensichtlich, dass Ermüdungsversagen auch bei angelegten Spannung Amplituden niedriger als die Dauerfestigkeit nach einer Anzahl von Zyklen mehr als 10 auftreten können7, und dass die Schäden und Ausfällen Mechanismus anders als die üblichen diejenigen-5könnte.

Müdigkeit Testprogramm zur Untersuchung der ultra-high Cycle-Bereich erstellen, erforderte die Entwicklung der neuen Testgeräte, die Beladung Häufigkeit stark erhöhen. Ein Symposium zu diesem Thema konzentriert fand in Paris im Juni 1998, wo experimentelle Ergebnisse wurden vorgestellt, die durch Stanzl-Tschegg6 gewonnen wurden und Bathias7 bei 20 kHz Frequenzen von Ritchie8 mit dem Einsatz von 1 kHz Laden geschlossen Loop Servo-hydraulische Maschine, und von Davidson8 mit einem 1,5 kHz Magneto-Strictive Test Maschine4testen. Aus dieser Zeit wurden viele Lösungen vorgeschlagen, aber immer noch am häufigsten gebrauchte Maschine für diese Art von Test basiert auf dem Konzept der Manson von 1950 und nutzt Frequenzen in der Nähe von 20 kHz9. Diese Maschinen weisen eine gute Balance zwischen Verformungsgeschwindigkeit, die Entschlossenheit Genauigkeit die Anzahl der Zyklen und die Zeit der Dauertest (1010 Zyklen erreichen wir in ca. 6 Tagen). Andere Geräte konnten noch höhere Beladung Frequenzen, wie die von Girald in 1959-92 kHz und Kikukawa in 1965-199 kHz verwendet; Allerdings sind diese selten verwendet, da sie extrem hohen Verformungsgeschwindigkeiten und, da der Test nur wenige Minuten dauert, wird ein bemerkenswerte Fehler in der Cycle-counting erwartet. Ein weiterer wichtiger Faktor, die Begrenzung der Belastung Frequenz Resonanz Geräte für Ermüdungsprüfung ist die Größe der Probe, die in unmittelbarem Zusammenhang mit der Resonanzfrequenz ist. Je größer die angeforderte laden Frequenz, desto kleiner der Probe. Dies ist der Grund, warum Frequenzen über 40 kHz selten verwendete10 sind.

Da die Verdrängung Amplitude innerhalb des Intervalls zwischen 3 und 80 µm in der Regel begrenzt ist, erfolgreich sein kann Ultraschall Ermüdungsprüfung angewendet auf die meisten metallischen Werkstoffe, aber Techniken für die Prüfung von Polymeren Materialien wie z. B. PMMA11 und Verbundwerkstoffe12 wurden auch entwickelt. In der Regel Ultraschall Ermüdungsprüfung ist möglich, in den Modi der axialen Belastung durchzuführen: Zug - Kompression symmetrischen Zyklus13,14, Spannung - Spannung Zyklus15, drei-Punkt-Biegung15, und es gibt auch ein paar Studien mit speziellen Modifikationen des Systems für Torsion Test15,16 und zweiachsige Biegung17. Es ist nicht möglich, beliebige Exemplare zu verwenden, da für diese Methode die Geometrie, zur Erreichung der Resonanz-Frequenz von 20 kHz eng ist. Für die axiale Belastung, haben verschiedene Arten von Proben häufig, in der Regel mit einer Sanduhr Form mit einem Messgerät Länge Durchmesser von 3 bis 5 mm eingesetzt. Für die drei-Punkt-Biegung, dünne Bleche werden häufig verwendet, und für andere Methoden sind spezielle Arten von Proben entwickelt, je nach Methodentyp und Prüfbedingungen. Die Methode wurde entwickelt, für die Bewertung der Ermüdungsfestigkeit im Bereich hoch- und Zyklus, und dies bedeutet, dass bei 20 kHz Belastung ergibt sich 1 Million Zyklen im 50 s; Daher gilt dies in der Regel die untere Grenze der Ladezyklen, die mit hinreichender Genauigkeit in Bezug auf die Anzahl der Zyklus Bestimmung untersucht werden können. Jedes Exemplar hat mit dem Ultraschall Horn harmonisiert werden, durch Veränderung der Probe Masse, um die richtigen Resonanzfrequenz des Systems zur Verfügung stellen: Ultraschall Horn mit Probe.

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Protocol

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Hinweis: Jede Probe Geometrie hat ausgewählt und entsprechend den mechanischen und physikalischen Eigenschaften des geprüften Materials berechnet werden, so dass es eine identische Resonanzfrequenz als Ultraschall Testsystem hat.

1. Ermittlung des Prüflings Müdigkeit Abmessungen

Hinweis: Die standard "Sanduhr" Zug-Druck-Exemplar-Geometrie mit definierten Hauptabmessungen, ist in Abbildung 1angezeigt. Abmessungen d, D, und r sind benutzerdefinierte (parteilos), während l und L Abmessungen werden berechnet müssen, gemäß den Bedingungen der richtigen Resonanzfrequenz (abhängig). Die Spurweite Länge l kann ergibt sich nur aus der Geometrie-Verhältnis zwischen dund R, D, und leicht berechnet oder aus einem Komponentenmodell gewonnen; Somit werden nicht Gegenstand der weiteren Diskussion.

  1. Bestimmung der unabhängigen Dimensionen
    Hinweis: Die Hauptabmessungen der Probe (d, D, R) sind nach der Materialparameter und die Prüfbedingungen gewählt.
    1. Bestimmen Sie das Messgerät Durchmesser d nach das erforderliche Volumen des Materials zu Testzwecken. Im Falle einer homogenen Mikrostruktur mit keine interne Defekte ist ein kleinerer Durchmesser Gauge bevorzugt. Bei einem Material mit erheblichen inneren Fehlern (z. B. Hohlräume und Schrumpfprozesse in Gusswerkstoffe) ist ein größere Spurweite Durchmesser notwendig. Das Messgerät Durchmesser d ist in der Regel von 3 mm bis 5 mm.
    2. Bestimmen Sie der Kopfdurchmesser D nach verfügbaren experimentellen materielle Größe. Der verwendete Kopfdurchmesser D ist in der Regel von 10 mm bis 15 mm.
      Hinweis: Je größer die D ist, desto kürzer die Kopf Länge (L) werden.
  2. Dem Messgerät Radius R nach erforderlichen mechanischen Spannungsverteilung in der Probe Messgerät Länge zu bestimmen. Je größer die Spurweite Durchmesser R ist, desto glatter wird die mechanischen Spannungsverteilung. Ein häufig verwendete Messgerät Radius ist R = 20 mm oder R = 32 mm.
    Hinweis: Je größer die R ist, desto länger die Probe werden.
  3. Bestimmung der abhängigen Abmessungen
    1. Bestimmen Sie die Wellenzahl K nach der folgenden Formel9,18:
      Equation 1
      Hinweis: Hier ist die fR die Resonanzfrequenz des Ultraschall-System (Hz), ρ ist die Volumen-Dichte (kg m-3) und Ed dynamischen Elastizitätsmoduls (kg m-3).
    2. Bestimmen Sie die hyperbolische Angleichung des Messgeräts Radius, gemäß der folgenden Formel9,19:
      Equation 2
      Hinweis: Hier l ist die Spurweite Länge (m), D ist der Kopfdurchmesser (m), und d ist der Messgerät-Durchmesser (m) (Abbildung 1).
    3. Bestimmen Sie die effektive Exzentrizität nach folgenden Formel9,18:
      Equation 3
      Hinweis: Hier A ist die hyperbolische Annäherung (m-1) bestimmt durch die Gleichung (2), und K ist die Wellenzahl (-) nach Ausdruck (1) bestimmt.
    4. Bestimmen Sie die Länge des Kopfes (L) nach der folgenden Gleichung9,18:
      Equation 4
      Hinweis: Hier ist K die Wellenzahl (-) bestimmt sich nach Ausdruck (1) unter Punkt 1.2.1, β ist die effektive Exzentrizität (m-1) bestimmt durch die Gleichung (3) und l ist die Spurweite Länge (m) (Abbildung 1).

2. Berechnung der mechanischen Spannung in der Spurweite Länge der Probe

  1. Bestimmen den Normierung geometrische Faktor Equation 5 nach der folgenden Gleichung9,18:
    Equation 6
  2. Bestimmen Sie die Verformung Amplitude Mundarten nach der folgenden Gleichung9,18:
    Equation 7
    Hinweis: Hier Equation 5 ist der geometrische Faktor (-) und u ist die erforderliche Verdrängung Amplitude des freien Endes der Probe (m).
  3. Bestimmen Sie die mechanische Beanspruchung Amplitude σeine nach der folgenden Gleichung9,18:
    Equation 8
    Hinweis: Mundarten ist hier die Verformung Amplitude (-) bestimmt sich nach Ausdruck (5), und Ed ist die dynamische Elastizitätsmodul (kg m-3). Wenn die berechnete mechanische Spannung zu niedrig ist, ist es notwendig, die Verdrängung Amplitude u (m), zu erhöhen und umgekehrt.

3. Herstellung der Probe mit Bearbeitungen

  1. Fertigen Sie durch verschiedene kleine Abweichungen der bearbeiteten Proben von einer Idealform Exemplare mit längeren Köpfe, in der Regel L + 0,5 mm.

(4) Harmonisierung der Resonanzfrequenz der Probe mit dem Ultraschall-System

Hinweis: Harmonisierung ist der Prozess verschiedene kleine Abweichungen der echte Probe aus der ideale, berechnete Form, um die korrekte Resonanzfrequenz zu erhalten, die im Einklang mit dem Ultraschall akustische Sonotrode ist zu kompensieren.

  1. Wählen Sie den richtigen Typ von akustischen Sonotrode je nach erforderlichen Verschiebung, die in der Lage, richtige mechanischen Beanspruchung in der Probe ist.
    Hinweis: Jede Art der Sonotrode ist entworfen und für vielfältige unterschiedliche Verschiebung kalibriert, ist so die richtige Sonotrode nach der erforderlichen Verdrängung Amplitude berechnet gemäß § 2 gewählt.
  2. Montieren Sie die Sonotrode auf dem piezoelektrischen Wandler.
    1. Schrauben Sie die Verbindungsschraube in der zentralen Bohrung auf der Sonotrode, bis es den Boden erreicht.
    2. Akustische Gel auf den ersten Blick die Sonotrode zu verbreiten.
      Hinweis: Eine kleine Menge des Gels verwendet wird, gerade genug, um die Unregelmäßigkeit der Oberflächen zu füllen, die die Übertragung der mechanischen Welle zwischen Piezo-elektrische Wandler und die Sonotrode verbessert.
    3. Schrauben Sie die Sonotrode in der piezoelektrischen Wandler.
  3. Führen Sie das Ultraschall-System mit einem Piezo-elektrische Wandler mit montierten Sonotrode, die Resonanzfrequenz des Systems der besonderen auf tatsächliche Temperatur zu messen.
    1. Führen Sie die Ultraschall-Test-Software (z.B.Win20k).
    2. Wählen Sie die Art der verwendeten Sonotrode im Dropdown-Menü im Feld "Modell".
    3. Geben Sie die niedrigste mögliche Verschiebung Amplitude für die bestimmten Sonotrode in Feld "Amplitude".
    4. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Start".
    5. Die tatsächliche Resonanzfrequenz des Systems im Feld "Frequenz" zu lesen.
    6. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Stopp".
  4. Montieren Sie die Probe am Ende der Sonotrode.
    1. Schrauben Sie die Verbindungsschraube in das mittlere Loch der Probe, bis es den Boden erreicht.
    2. Schrauben Sie die Probe auf die Sonotrode.
  5. Führen Sie das Ultraschall-System mit einem Piezo-elektrische Wandler mit montierten Sonotrode und Probe um die Resonanzfrequenz des Systems der besonderen auf tatsächliche Temperatur zu messen.
    1. Laufen Sie die Ultraschall-Test-Software.
    2. Wählen Sie den Typ der Sonotrode in der Drop-Down-Menü im Feld "Modell" verwendet.
    3. Geben Sie die niedrigste mögliche Verschiebung Amplitude für die bestimmten Sonotrode in Feld "Amplitude".
    4. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Start".
    5. Die tatsächliche Resonanzfrequenz des Systems im Feld "Frequenz" zu lesen.
    6. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Stopp".
  6. Wenn die Resonanzfrequenz des Systems mit montierten Exemplar ist niedriger als die ohne Probe, die Masse der Probe durch das Abschneiden der Gesichter der Objektkopf reduzieren.
    Hinweis: Wenn die Resonanzfrequenz mit einer montierten Probe höher ist, wäre es notwendig, die Spurweite Durchmesser d, zu verringern, die die Bedingungen des Tests ändern würde. Dies ist der Grund, warum 0,5 mm Länge der Leiter im Herstellungsprozess hinzugefügt wird.
    1. Demontieren Sie die Probe von der Sonotrode.
    2. Montieren Sie die Probe in eine Drehbank und drehen Sie 0,1 mm des Gesichts des ersten Leiters.
    3. Montieren Sie die Probe in eine Drehbank und 0,1 mm des Gesichts des zweiten ablehnen.
    4. Wiederholen Sie Schritt 4.6 bis die Resonanzfrequenz innerhalb der Toleranz von ist ± 10 Hz.

5. abschließende Montage der Probe auf die Sonotrode vor Müdigkeit Test

  1. Tragen Sie akustische Gel auf den Gesichtern zum Erstellen von Verbindungen zwischen der Sonotrode und der Probe.
    1. Schrauben Sie die Verbindungsschraube in das mittlere Loch der Probe, bis es den Boden erreicht.
    2. Das akustische Gel auf der Oberfläche der Probe zu verbreiten.
      Hinweis: Nur eine kleine Menge von akustischen Gel dient zum Ausfüllen der Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche, die acoustic-Wave-Übertragung von der Sonotrode auf die Probe zu verbessern.
    3. Schrauben Sie die Probe auf die Sonotrode.

6. führen Sie das Kühlsystem für Probe

  1. Wenn Luftkühlung verwendet wird, den Luftstrom direkt in der Mitte der Spurweite Länge der Probe zu konzentrieren, und warten Sie ca. 20 s, so dass die Strömung des Luftstromes Probe sättigt.
  2. Wenn Wasserkühlung verwendet wird, konzentriert sich die Wasserdüsen an der oberen Spitze der Probe und passen Sie die Stream-Intensität, so das Wasser sanft entlang der Länge der Spurweite fließt, um Kavitation zu vermeiden.
    Hinweis: Eintauchen der Probekörpers in Wasser oder Öl ist ebenfalls möglich, aber dies nur für kurze Zeit verwendet werden kann aufgrund der erheblichen Kavitationseffekt, die Müdigkeit Riss Einleitung Prozess beschleunigt prüft.

7. führen Sie das Kühlsystem des Piezo-elektrische Wandler

  1. Öffnen Sie das Ventil des Luftstromes und stellen Sie den Druck in dem Intervall zwischen 0,5 und 1 Bar.

8. führen Sie den Test bei erforderlichen Verdrängung Amplitude

  1. Laufen Sie die Ultraschall-Test-Software.
  2. Wählen Sie die Art der verwendeten Sonotrode im Dropdown-Menü im Feld "Modell".
  3. Geben Sie die angeforderten Verdrängung Amplitude für bestimmte Sonotrode im Feld "Amplitude".
  4. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Start".

9. Müdigkeit Rissinitiierung und Vermehrung

  1. Beachten Sie, dass, nachdem die Müdigkeit zu knacken, Initiierung und Ausbreitung durch einen Teil des Querschnitts, das System aus der Resonanz-Frequenz verschoben ist und der Test ist natürlich beendet.
  2. Wenn der Test nicht mit einer Fraktur, nach erreichen der gewünschten Anzahl von Ladezyklen, endet (der Test ist ein Auslauf) kündigen, mit dem "Stop" Knopf im Ultraschall Prüfsoftware.

10. die Probe von der Sonotrode demontieren

  1. Das Exemplar aus dem Ultraschall Sonotrode abschrauben.

11. statische Kraft Fracturing be-

  1. Statische Aufladung gewaltsam den Rest des Querschnitts mit Einsatz einer Statik-Maschine zu Bruch.
    Hinweis: Den Vektor und die Art der Belastung Kraft für die statische Fraktur sollte die Art der Erschöpfung geladen, so dass die Bruchfläche konsistent Charakter hat entsprechen.

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Representative Results

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Müdigkeit Testergebnisse gehören Stress, Anzahl der Ladezyklen, laden und der Test Kündigung Charakter (Bruch oder Auslauf) sehen in Tabelle 1, wo Ergebnisse der Ermüdungsfestigkeit der 50CrMo4 gestillt und gehärtetem Stahl werden zur Verfügung gestellt. Die häufigste Interpretation der Testergebnisse Müdigkeit Leben ist die so genannte S - N Grundstück (S - Stress, N - Anzahl der Zyklen), auch bekannt als die Wöhler Plot. Die Abhängigkeit der Ermüdungsfestigkeit der angewandten laden Stress wird in einem Diagramm mit historisch gegebenen invertierten Achse gezeichnet, wo der unabhängigen Wert (Laden von Stress) ist auf der y-Achse und die abhängige Wert (Anzahl der Zyklen) ist auf der x-Achse . Verschiedene Arten der Regressionsanalyse sind angewandte19 auf die Müdigkeit Leben Ergebnisse und für den Fall, dass eine Passform zum Diagramm hinzugefügt, es wird gemeinhin als die S - N-Kurve. Allerdings gab es keinen Unterschied mit der ursprünglichen Handlung, umfasst nur eine Daten-Passform. Wenn der Test endet nicht mit einem Bruch, und es ist nach erreichen der erforderlichen Anzahl von Ladezyklen ohne Schaden bricht, wird dieses Ergebnis nennt man einen Run-Out und Grundstück in der Regel gekennzeichnet durch den Pfeil in die S-N. Abbildung 2 zeigt eine typische S - N-Grundstück von drei getesteten Stähle: Hardox 450, 700 MC Strenx und S355 J2.

Darüber hinaus sind die Bruchflächen der Proben in der Regel analysiert, mit Einsatz der Rasterelektronenmikroskopie (SEM), wo das Zeichen der Ermüdung crack Initiation und Ausbreitung erkannt und interpretiert. Abbildung 3 zeigt eine Bruchfläche Müdigkeit nach Ultraschall Ermüdungsprüfung von 50CrMo4 gestillt und gehärtetem Stahl. Der Riss wurde auf eine freie Fläche der Probe eingeleitet und dann durch den Querschnitt weitergegeben, bis das Ultraschall-System aus der Resonanzfrequenz (dunkler Bereich) verlagert wurde. Infolgedessen war der Rest des Querschnitts gebrochen, indem Sie statische laden, erstellt die hellere Bereiche auf der Oberseite der Abbildung. Abbildung 4 zeigt den Bereich der die Müdigkeit Rissausbreitung in extrudierten AW 7075 - Aluminium-Legierung T6511. Abbildung 5 zeigt einen Hohlraum auf der Oberfläche durch Eintauchen der Probe in die Kühlflüssigkeit (destilliertes Wasser mit Rostschutzmittel Inhibitor bei Raumtemperatur) erstellt für einen Langzeit-Test (mehrere Stunden). Die Kavität beschleunigt die Müdigkeit Rissinitiierung und das Ergebnis dieses Tests nicht als gültig angesehen werden.

Figure 1
Abbildung 1 : Zeichnung des Prüflings Standardkompression Spannung Ultraschall Müdigkeit. Die Abmessungen sind wie folgt definiert: d -Durchmesser, D - Kopfdurchmesser, R - Messgerät Radius, Länge L - Kopf Länge, l - Messgerät zu messen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2 : Die S - N Plot der stählernen Hardox 450, 700 MC Strenx und S355 J2. Auslauf-Test ist durch Pfeil gekennzeichnet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3 : Oberflächencharakter Bruch der Probe 50CrMo4 Stahl geladen bei 365 MPa und brach nach 1.97 × 10 8 Ladezyklen. Die Fraktur an der freien Oberfläche der Probe eingeleitet. Die Bruchfläche besteht aus Bereich der stabilen Müdigkeit Rissausbreitung (dunkler Bereich) und den Bereich der instabile Rissausbreitung, die so genannte statische Fraktur (Bereich). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 : Die Müdigkeit Rissausbreitung in der AW 7075 Aluminiumlegierung Probe geladen bei 203 MPa und gebrochen nach 8,3 × 10 6 Ladezyklen. Der Riss mit einem Transcrystalline Müdigkeit Mechanismus propagiert und die Band-Art Charakter der Bruchfläche ergibt sich aus der starken Verformung Textur nach Extrusion des Materials bei der Herstellung. Der Pfeil zeigt die Richtung der Müdigkeit Rissausbreitung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5 : Hohlraum auf einer Fläche von 50CrMo4 Stahl Probe wenn eine unsachgemäße Kühlung verwendet wurde. Die Probe wurde in der Flüssigkeit (destilliertes Wasser mit Rostschutzmittel Inhibitor bei Raumtemperatur) versenkt. Hohlräume der Müdigkeit Riss Einleitung Prozess zu beschleunigen, denn sie dienen als Konzentration Kerben zu betonen, so ist das Ergebnis von diesem Dauertest nicht gültig. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Probe Nr. Spannungsamplitude Anzahl der Ladezyklen Ergebnis
(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

Tabelle 1: Ergebnisse der stählernen 50CrMo4 Müdigkeit Leben Analyse von Ultraschall Ermüdungsprüfung. Müdigkeit Leben Ergebnisse stellen die Abhängigkeit von der Anzahl der Ladezyklen über angewandte Belastung Stress. Der Test kann am Ende mit Fraktur oder von einem Run-Out tritt kein Ermüdungsbruch nach der gewünschten Anzahl von Ladezyklen.

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Discussion

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Ultraschall Ermüdungsprüfung ist eine der wenigen Methoden, wodurch der strukturellen Materialien in der ultra-high Cycle-Bereich testen. Die Probenform und Größe sind jedoch sehr beschränkt in Bezug auf die Resonanzfrequenz. Prüfung von dünnen Blechen im Modus der axialen Belastung ist zum Beispiel in der Regel nicht möglich. Darüber hinaus ist Prüfung der große Exemplare in der Regel nicht möglich, weil die Prüfmaschinen keine solche macht bieten und das Design eines speziellen Ultraschall Systems erfordern würde.

Die richtige Planung, Berechnung und Harmonisierung der Probe sollte nicht unterschätzt werden, auch wenn moderne Ultraschallgeneratoren in der Lage sind, die Ultraschallwelle zu modulieren und erfolgreich Resonanz ein Exemplar mit leicht abweichende Bemaßungen. Jedoch dies bewirkt eine Verschiebung des Knotens der Ultraschallwelle vom mittleren Teil des Messgeräts Länge, und dann die Probe wird nicht korrekt geladen in der Spurweite Länge. Aus dem gleichen Grund wurde großer Sorgfalt darauf geachtet werden, die Symmetrie des Prüflings in Bezug auf beide Achsen.

Eine große Diskussion fand über die Korrelation der Testergebnisse mit erhaltenen Daten über konventionelle Prüfgeräte mit der niederfrequenten laden bei hohen Frequenzen durchgeführt. Viele Tests haben gezeigt, dass die Ergebnisse von der hohen Frequenz testet fließend erweiterte Ergebnisse bei niedrigen Frequenzen, und auch ein Teil der Ergebnisse überschnitten haben, wenn die gleichen Lademodus10galt. Später wurde es im Allgemeinen verstanden, dass die Häufigkeit der Belastung ist nicht der Parameter bestimmen die Ermüdungseigenschaften aber die Verformungsgeschwindigkeit und große Verformungen bei niedriger Frequenz des Ladens ähnliche Verformungsgeschwindigkeiten bieten als Laden mit kleinen Verformungen mit hoher Frequenz. Allerdings ist dies der Hauptgrund, warum diese Technik für Tests im Bereich der hoch- und vor allem Cycle-Bereich verwendet werden kann, wo die Verformung Amplituden klein sind. Eine Erhöhung der Betrieb Frequenzen der verschiedenen Komponenten dieser Diskussion weniger wichtig, so gut gemacht, da diese Methode mehr ähnliche Belastungen als die in den High-Speed-Betrieb bietet.

Die interne Dämpfung Fähigkeit des geprüften Materials bestimmt die Menge von Hitze produziert während des Tests (interne Dämpfung ist die Fähigkeit des Materials, die mechanischen Energie in Wärme umwandeln). Bei unzureichender Kühlung wird die Spurweite Länge deutlich erhitzt, beschleunigt die Einleitung ein Ermüdungsriss aufgrund der niedrigeren mechanischen Eigenschaften des geprüften Materials bei erhöhten Temperaturen. Bei den meisten Aluminium und Magnesium-Legierungen genügt ein kalter Luftstrom abkühlen der Probe während des Tests. Für Materialien mit höheren internen Dämpfungsvermögen wie Stahl, Nickel und Titan-Legierungen wird ein Strom von Kühlflüssigkeit eingesetzt. Während der Abkühlung mit Kühlflüssigkeit hat die Kavitation im mittleren Teil der Spurweite Länge zu vermeiden, weil Hohlräume Einleitung des Risses, beschleunigen die Testergebnisse ungültig machen kann.

Dauertests auf den meisten herkömmlichen Testgeräte endet mit einer kompletten Fraktur des Querschnitts. Nachdem der Querschnitt der Probe durch den stetig wachsenden Riss zu einem so genannten "kritischen Querschnitt" reduziert wird, ist die Probe dann brach in einem Zyklus und einen Charakter einer statischen Fraktur hat. In den Prozess der Ultraschall Prüfung, wenn die Riss Länge eine kritische Länge erreicht, die die Steifigkeit des Systems aus der Resonanzfrequenz verschiebt sich der vibrierenden hält verursacht eine natürliche Beendigung des Tests. Dies bedeutet, dass es nicht möglich, die kritischen Querschnitt zu erreichen und der Test endet nicht mit einer vollständigen Fraktur, die später künstlich durchgeführt wird. Da die Müdigkeit crack Initiation in glatten Müdigkeit Proben (ohne eine künstliche Kerbe) repräsentiert mehr als 95 % der Anzahl der Zyklen zu Bruch, wenn eine hohe Anzahl von Zyklen betrachtet wird, wird die Differenz als vernachlässigbar angesehen.

Ultraschall Ermüdungsprüfung ist eine sehr wichtige Methode, die ermöglicht die Simulation der Bedingungen des High-Speed-Loading und reduziert die Testzeit. In diesem Protokoll haben wir die meisten kritischen Punkte, Möglichkeiten und Grenzen der Methode für erfolgreiche Anwendungen in materiellen Forschung und Sicherheit Überprüfung im Industrieeinsatz.

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Disclosures

Wir haben nichts zu veröffentlichen.

Acknowledgments

Die Arbeit wurde durch Projekte unterstützt: "Research Centre der University of Žilina - 2Nd -Phase", räumt ITMS 313011 011, wissenschaftliche Grant Agentur des Ministeriums für Bildung, Wissenschaft und Sport der Slowakischen Republik und der Slowakischen Akademie der Wissenschaften, Nr.: 1/0045 / 17, 1/0951/17 und 1/0123/15 und Slowakische Forschung und Entwicklung Agentur, grant 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

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Ultraschall Ermüdungsprüfung im Zug-Druck-Modus
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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).

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