Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Ultraljud trötthet testning i spänning-komprimering läge

doi: 10.3791/57007 Published: March 7, 2018

Summary

Ett protokoll för ultraljud trötthet testning i regionen high och ultra-hög cykel i axiell spänning-komprimeringsläge lastning.

Abstract

Ultraljud Utmattningsprovning är en av några metoder som möjligt utreda utmattningsegenskaper i ultrahög cykelregionen. Metoden är baserad på utsätta preparatet till längsgående vibrationer på dess resonansfrekvens nära 20 kHz. Med användning av denna metod är det möjligt att avsevärt minska den tid som krävs för test, jämfört med konventionella testning enheter vanligtvis arbetar vid frekvenser under 200 Hz. Det används också för att simulera lastning av material under drift i hög hastighetsförhållanden, såsom de upplevt av komponenter i jetmotorer eller bil turbo pumpar. Det är nödvändigt att driva endast i regionen high och ultra-hög cykel, på grund av möjligheten av extremt hög deformation priser, som kan ha en betydande inverkan på testresultatet. Preparatet form och mått måste vara noggrant utvalda och beräknas för att uppfylla villkoret resonans av ultraljud systemet; Det är således inte möjligt att testa den fullständiga komponenter eller exemplar av godtycklig form. Före varje prov är det nödvändigt att harmonisera preparatet med frekvensen av ultraljud systemet att kompensera för avvikelser av verkliga form från den perfekt. Det går inte att köra ett test till en total fraktur av förlagan, eftersom testet avslutas automatiskt efter initiering och förökningen av sprickan till en viss längd, när styvheten i systemet ändras nog att flytta systemet av resonans frekvens. Detta manuskript beskriver processen med utvärdering av material trötthet egenskaper vid hög frekvens ultraljud trötthet lastning med användning av mekanisk resonans frekvens nära 20 kHz. Protokollet innehåller en detaljerad beskrivning av alla åtgärder som krävs för en korrekt test, inklusive specimen design, stress beräkning, harmonisera med resonansfrekvens, utför testet, och slutliga statisk fraktur.

Introduction

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

Trötthet skada av strukturella material är starkt ansluten med industrializationen och huvudsakligen med användning av ångamotorn och ånglok för järnvägstransporter, där en massa metall komponenter, främst järn baserat, har använts och hade att klara olika typer av cyklisk belastning. En av de tidigaste testerna utfördes av Albert (Tyskland 1829)1 på svetsade kedjor för gruvan hissar. Lastning frekvensen var 10 böjar per minut, och maximal tester inspelade nått 100,000 lastning cykler1. Ett annat viktigt arbete utfördes av William Fairbairn 1864. Tester utfördes på smide balkar med användning av en statisk belastning, som lyftes av en spak och då tappade orsakar vibrationer. Balken var lastad med gradvis ökande lastning stress amplitud. Efter att nå flera hundratusen cykler på olika lastning stress amplituder, till slut girder misslyckades efter bara cirka fem tusen lastning cykler med en lastning amplitud på två femtedelar av den ultimata tänjbara styrkan. Den första omfattande och systematiska studien av påverkan av upprepade stress på strukturella material gjordes av augusti Wöhler 1860-18701. För dessa tester, var han med vridning, böjning och axiell belastning lägen. Wöhler konstruerade många unika trötthet testning maskiner, men deras nackdel var låg drift hastigheter, till exempel den snabbast roterande bockmaskin som drivs vid 72 rpm (1,2 Hz), således slutförande av experimentella programmet tog 12 år1. Efter att utföra dessa tester, ansågs det att efter att ha nått en lastning amplitud som materialet tål 107 cykler, trötthet nedbrytningen är försumbar och materialet tål ett oändligt antal lastning cykler. Denna lastning amplitud utsågs gränsen ”trötthet” och blev den viktigaste parametern i industriell design för många år2,3.

Vidareutveckling av nya industriella maskiner, som krävs för högre effektivitet och kostnadsbesparingar, hade att ge möjlighet till högre lastning, högre drift hastigheter, högre varaktigheter och hög tillförlitlighet med lågt underhållsbehov. Till exempel komponenter av höghastighetståg Shinkanzen, efter 10 års drift, måste tåla ca 109 cykler och fel i en viktigaste komponent kan ha fatala konsekvenser4. Dessutom komponenter av jetmotorer fungerar ofta på 12.000 rpm och komponenter av turbo blåsmaskiner överstiger ofta 17 000 rpm. Dessa höga drift hastigheter ökade krav på livet Utmattningsprovning i så kallade ultrahög cykelregionen och bedöma om utmattningshållfastheten av ett material kan verkligen anses vara konstant för mer än 10 miljoner cykler. Efter de första testerna utförs av överstiger denna uthållighet, det var uppenbart att trötthet fel kan uppstå även vid tillämpad stress amplituder lägre än gränsen på trötthet, efter ett antal cykler mer än 107, och att mekanismen för skador och fel kunde vara annorlunda från vanliga sådana5.

Skapa en trötthet testprogram som syftar till att utreda ultrahög cykelregionen krävs utveckling av nya test enheter att starkt öka lastning frekvensen. Ett symposium fokuserade på detta ämne hölls i Paris i juni 1998, där experimentella resultaten presenterades som erhölls genom Stanzl-Tschegg6 och Bathias7 vid 20 kHz lastning frekvenser, av Ritchie8 med användning av 1 kHz stängd slinga servohydrauliska testa maskin, och genom Davidson8 med en 1.5 kHz magneto-strictive testning maskin4. Från den tiden föreslogs många lösningar, men fortfarande de vanligaste begagnad maskin för denna typ av test är baserad på begreppet Manson från 1950 och använder frekvenser nära 20 kHz9. Dessa maskiner uppvisar en bra balans mellan stam hastighet, beslutsamhet noggrannhet antalet cykler, och tidpunkten för testet trötthet (1010 cykler uppnås i cirka 6 dagar). Andra enheter skulle kunna ge ännu högre lastning frekvenser, som den som används av Girald i 1959-92 kHz och Kikukawa i 1965-199 kHz; dessa används dock sällan eftersom de skapar extremt hög deformation priser och, eftersom testet varar bara några minuter, en anmärkningsvärd fel i den rullande inventering förväntas. En annan viktig faktor som begränsar lastning frekvensen av resonans enheter för Utmattningsprovning är storleken på det exemplaret, som är i direkt relation med resonansfrekvens. Ju större den önskade lastning frekvensen, ju mindre preparatet. Detta är anledningen till frekvenser över 40 kHz är sällan använt10.

Eftersom förskjutningen amplituden är vanligtvis begränsad inom intervallet mellan 3 och 80 µm, ultraljud Utmattningsprovning kan vara framgångsrikt tillämpas på de flesta metalliska material, även om tekniker för provning av Polymera material såsom PMMA11 och kompositer12 utvecklades också. Allmänhet, ultraljud Utmattningsprovning är möjligt att utföra i lägen av axiell belastning: tensile - komprimering symmetrisk cykel13,14, spänning - spänning cykla15, trepunkts bockning15, och det finns också några studier med särskilda ändringar av systemet för torsion tester15,16 och biaxiell böjande17. Det går inte att använda godtyckliga exemplar, eftersom denna metod, geometri är strikt relaterad till att uppnå resonansfrekvensen 20 kHz. För axiell lastning, har flera typer av exemplar vanligen använts, oftast med ett timglas form med en mätare längd diameter från 3 till 5 mm. För tre-punkt böjning, tunna blad används ofta, och för andra metoder särskilda typer av prover är utformade, enligt vilken metod och testa villkor. Metoden var avsedd för utvärdering av trötthet liv i regionen high och ultra-hög cykel, och detta innebär att en miljon cykler vid 20 kHz lastning, erhålls i 50 s; Detta anses därför oftast den nedre gränsen för lastning cykler som kan undersökas med rimlig noggrannhet, med avseende på antalet cykel bestämning. Varje prov har harmoniseras med ultraljud horn genom att ändra preparatets samlas för att ge systemet rätt resonansfrekvens: ultraljud horn med preparatet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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

Obs: Varje prov geometri har att väljas ut och beräknas enligt de mekaniska och fysikaliska egenskaperna av de testade materialet, så att den har en identisk resonansfrekvens som ultraljud testning systemet.

1. bestämning av trötthet provkroppen mått

Obs: ”Timglas” spänning-standardkomprimering preparatet geometri, med definierade huvuddimensioner, visas i figur 1. Dimensioner d, D, och r är användardefinierade (oberoende), medan l och L dimensioner måste beräknas, enligt villkoren i den rätta resonansfrekvensen (beroende). Den mätare längd l kan resulterar endast från geometri förhållandet mellan d, r, och D, och beräknas enkelt eller erhållits från en komponentmodell; Således kommer det inte vara ett objekt för vidare diskussion.

  1. Bestämning av oberoende dimensioner
    Obs: Det huvudsakliga dimensionerar av preparatet (d, D, r) väljs enligt de materiella parametrarna och provningsförhållandena.
    1. Bestämma den mätare diameter d enligt volymen som krävs av material för att testa. När det gäller en homogen mikrostruktur med inga inre defekter föredras en mindre mätarens diameter. Material med betydande inre defekter (såsom håligheter och shrinkages i gjutna material) krävs en större mätarens diameter. Den mätare diameter d är vanligtvis från 3 mm till 5 mm.
    2. Bestämma huvud diameter D enligt tillgängliga experimentella material storlek. Används huvud diameter D är vanligtvis från 10 mm till 15 mm.
      Obs: Ju större den D är, ju kortare huvud längd (L) blir.
  2. Bestämma den spårvidd radie r enligt krävs mekanisk stress distribution i preparatets mätare längd. Ju större spårvidd diameter r är, mjukare är mekanisk stress distribution. En vanliga mätare radien är r = 20 mm eller r = 32 mm.
    Obs: Ju större r är, ju längre preparatet blir.
  3. Bestämning av beroende dimensioner
    1. Bestämma antalet wave K enligt följande formel9,18:
      Equation 1
      Obs: Här är fr resonansfrekvens ultraljud systemet (Hz), ρ är volym täthet (kg m-3), och Ed är den dynamiska elasticitetsmodulen (kg m-3).
    2. Bestämma hyperbolisk tillnärmning av spårvidd radie, enligt följande formel9,19:
      Equation 2
      Obs: L är här mätare längd (m), D är huvud diameter (m) och d är mätarens diameter (m) (figur 1).
    3. Fastställa effektiva excentricitet enligt följande formel9,18:
      Equation 3
      Obs: Är här hyperboliskt tillnärmning (m-1) bestäms av ekvation (2) , och K är antalet wave (-) bestäms enligt uttryck (1).
    4. Bestämma längden på huvudet (L) enligt följande ekvation9,18:
      Equation 4
      Obs: Här är K wave numret (-) bestäms enligt uttryck (1) i punkt 1.2.1, β är effektiv excentriciteten (m-1) bestäms av ekvation (3) och l är mätare längd (m) (figur 1).

2. beräkning av mekanisk Stress i Gauge längden av preparatet

  1. Bestäm faktorn normbildning geometriska Equation 5 enligt följande ekvation9,18:
    Equation 6
  2. Avgöra den deformation amplitud ɛ enligt följande ekvation9,18:
    Equation 7
    Obs: Här Equation 5 är den geometriska faktorn (-) och u är krävs deplacement amplituden av den fria änden av preparatet (m).
  3. Avgöra den mekanisk stress amplitud σen enligt följande ekvation9,18:
    Equation 8
    Obs: Ɛ är här deformation amplituden (-) bestäms enligt uttryck (5), och Ed är den dynamiska elasticitetsmodulen (kg m-3). Om den beräknade mekanisk stressen är för låg, är det nödvändigt att öka den förskjutning amplitud u (m), och vice versa.

3. tillverkning av preparatet med bearbetning

  1. På grund av olika små avvikelser av bearbetade exemplar från en idealisk form, tillverka exemplar med längre huvuden, vanligtvis L + 0,5 mm.

4. harmonisering av resonansfrekvensen av preparatet med ultraljud systemet

Obs: Harmonisering är processen att kompensera olika små avvikelser av riktiga förlagan från formen perfekt, beräknat, att få rätt resonansfrekvens, som är i harmoni med ultraljud akustiska sonotrode.

  1. Välja rätt typ av akustisk sonotrode, enligt intervallet krävs deplacement, vilket kan ge ordentlig mekanisk stress i preparatet.
    Obs: Varje typ av sonotrode är utformats och kalibrerats för en annan förskjutning, således väljs rätt sonotrode enligt krävs deplacement amplituden beräknas enligt punkt 2.
  2. Montera sonotrode på den piezoelektriska converter.
    1. Skruva skruven anslutning inuti hål i mitten på sonotrode tills den når botten.
    2. Sprida akustiska gel på framsidan av sonotrode.
      Obs: En liten mängd gel används, precis tillräckligt för att fylla den oegentlighet av ytbehandlar, som förbättrar överföring av den mekaniska vågen mellan piezoelektriska converter och sonotrode.
    3. Skruva den piezoelektriska converter sonotrode.
  3. Kör ultraljud systemet med piezo-elektriska omvandlare med monterade sonotrode att mäta resonansfrekvens av särskilda systemet på faktisk temperatur.
    1. Kör ultraljud testning programvaran (t.ex., Win20k).
    2. Välj typ av begagnade sonotrode i den nedrullningsbara menyn i rutan ”modell”.
    3. Ange lägsta möjliga deplacement amplituden för särskilda sonotrode i rutan ”amplitud”.
    4. Klicka på knappen ”Start”.
    5. Läs den faktiska resonansfrekvensen av systemet i rutan ”frekvens”.
    6. Klicka på knappen ”Stopp”.
  4. Montera preparatet i slutet av sonotrode.
    1. Skruva skruven anslutning i hål i mitten av provet tills den når botten.
    2. Skruva fast preparatet till sonotrode.
  5. Kör ultraljud systemet med piezo-elektriska omvandlare med monterade sonotrode och preparatet att mäta resonansfrekvens av särskilda systemet på faktisk temperatur.
    1. Kör programvaran ultraljud testning.
    2. Välj typ av sonotrode som används i den nedrullningsbara menyn i rutan ”modell”.
    3. Ange lägsta möjliga deplacement amplituden för särskilda sonotrode i rutan ”amplitud”.
    4. Klicka på knappen ”Start”.
    5. Läs den faktiska resonansfrekvensen av systemet i rutan ”frekvens”.
    6. Klicka på knappen ”Stopp”.
  6. När systemet med monterade preparatet resonansfrekvens är lägre än utan preparatet, minska massan av preparatet genom att skära av ansiktena på de preparathuvudet.
    Obs: Om resonansfrekvensen med en monterad exemplaret är högre, vore det nödvändigt att minska den mätare diameter d, som skulle förändra villkoren för testet. Detta är anledningen till 0,5 mm läggs till längden av cheferna i tillverkningsprocessen.
    1. Demontera preparatet från sonotrode.
    2. Montera preparatet i en svarv och slå ner 0,1 mm i ansiktet av första huvudet.
    3. Montera preparatet i en svarv och slå ner 0,1 mm i ansiktet av andra huvudet.
    4. Upprepa steg 4,6 tills resonansfrekvensen ligger inom tolerans av ± 10 Hz.

5. slutgiltig montering av preparatet till Sonotrode innan testet trötthet

  1. Applicera akustiska gel i ansiktet att skapa anslutningar mellan sonotrode och preparatet.
    1. Skruva skruven anslutning i hål i mitten av provet tills den når botten.
    2. Sprida akustiska gelen på framsidan av preparatet.
      Obs: Bara en liten mängd akustiska gel används för att fylla i oegentligheterna på ytan för att förbättra Akustiskt vinka överföringen från sonotrode med förlagan.
    3. Skruva fast preparatet till sonotrode.

6. kör kylsystemet för preparatet

  1. Om luftkylning används, fokusera luftströmmen direkt på mitten av preparatet mätare längd och vänta ca 20 s, så flödet av luftströmmen mättar preparatet.
  2. Om vattenkylning används, fokusera vatten munstyckena i översta spetsen av förlagan och justera stream intensiteten så vattnet flyter smidigt längs mätare, att undvika kavitation.
    Obs: Dränka preparatet i vatten eller olja är också möjlig, men detta kan användas endast under kort tid tester på grund av den betydande kavitation effekten, som accelererar den trötthet spricka inledande förlopp.

7. kör kylsystemet av Piezo elektriska omvandlare

  1. Öppna ventilen av luftströmmen och justera trycket i intervallet mellan 0,5 och 1 bar.

8. köra testet med krävs deplacement amplitud

  1. Kör programvaran ultraljud testning.
  2. Välj typ av begagnade sonotrode i den nedrullningsbara menyn i rutan ”modell”.
  3. Ange önskade förskjutning amplituden för särskilda sonotrode i rutan ”amplitud”.
  4. Klicka på knappen ”Start”.

9. trötthet spricka initiering och förökning

  1. Observera att efter trötthet spricka initiering och förökning genom en del av tvärsnittet, systemet skiftas av resonansfrekvens och testet avslutas naturligt.
  2. Om testet inte slutar med en fraktur, efter önskade antal lastning cykler, (testet är ett kast) avsluta med ”Stop”-knappen i den ultraljud testning programvaran.

10. Demontera preparatet från Sonotrode

  1. Skruva av preparatet från det ultraljuds sonotrode.

11. statisk laddar kraft spräckning

  1. Använd statiska lastning kraft till fraktur resten av tvärsnittet med användning av en statisk lastning maskin.
    Obs: Den vektor och typ av lastning kraft för den statiska frakturen bör överensstämma med typ av trötthet lastning så att fraktur ytan har konsekvent karaktär.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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

Trötthet testresultaten inkluderar inläsning av stress, antal lastning cykler, och tecknet test uppsägning (fraktur eller kast) kan ses i tabell 1, där resultaten av trötthet liv av 50CrMo4 härdas och härdat stål tillhandahålls. Den vanligaste tolkningen av testresultaten trötthet liv är den så kallade S - N tomt (S - stress, N - antal cykler), även känd som den Wöhler tomt. Beroendet av trötthet liv på tillämpad lastning stress är ritade i ett diagram med historiskt givna inverterad axel, där oberoende värdet (lastning stress) på y -axeln och beroende av värdet (antal cykler) är på x -axeln. Olika typer av regressionsanalys är tillämpad19 på trötthet liv resultaten och, i fall en passform läggs till diagrammet, det brukar kallas S - N kurva. Dock fanns det ingen skillnad med den ursprungliga tomten, vilket inkluderar bara en data passform. Om testet inte slutar med en fraktur och det är avslutade efter att ha nått det nödvändiga antalet lastning cykler utan skador, detta resultat kallas en rundgångsnoggrannhet och i S-N Rita vanligen märkt med pil. Figur 2 visar en typisk S - N tomt på tre testade stål: Hardox 450, Strenx 700 MC och S355 J2.

Dessutom analyseras fraktur ytorna av exemplar, vanligen med användning av svepelektronmikroskopi (SEM), där karaktären av trötthet spricka initiering och förökning identifieras och tolkas. Figur 3 visar en trötthet fraktur yta efter ultraljud utmattningsprovning av 50CrMo4 seghärdat stål. Sprickan var initierat på en yta av förlagan och sedan fortplantas genom tvärsnittet tills ultraljud systemet skiftades av resonansfrekvens (mörkt område). Följaktligen, resten av tvärsnittet var brutna av statiska lastning som skapat det ljusare området på toppen av siffran. Figur 4 visar området av trötthet spricka förökningen i extruderad AW 7075 - T6511 aluminiumlegering. Figur 5 visar en hålighet som skapats på ytan på grund av dränka av förlagan till kylvätska (destillerat vatten med rostskyddande hämmare vid rumstemperatur) för en lång tid test (flera timmar). Hålrummet accelererade trötthet spricka inledandet och resultatet av detta test inte kan betraktas som giltiga.

Figure 1
Figur 1 : Ritning av provkroppen spänning-standardkomprimering ultraljud trötthet. Dimensioner definieras enligt följande: d -gauge diameter, D - huvud diameter, r - spårvidd radie, L - huvud längd, l - mätare längd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2 : S - N handlingen i Hardox 450, Strenx 700 MC och S355 J2 stålet. Rundgångsnoggrannhet test är markerad med pil. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3 : Fraktur ytans karaktär av 50CrMo4 stål förlagan lastas på 365 MPa och brutna efter 1,97 × 10 8 laddar cykler. Frakturen inleddes den fria ytan av preparatet. Fraktur ytan består av området för stabil trötthet spricka förökning (mörkt område) och området av instabila spricka förökningen, den så kallade statiska frakturen (ljus område). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4 : Område av trötthet spricka förökningen i AW 7075 aluminiumlegering preparatet lastas på 203 MPa och brutna efter 8,3 × 10 6 laddar cykler. Sprickan sprids med en transcrystalline trötthet mekanism och band-slag karaktären av fraktur ytan är ett resultat av stark deformation textur efter extrudering av materialet i tillverkningsprocessen. Pilen visar riktningen av trötthet spricka förökningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5 : Hålighet på en yta av 50CrMo4 stål förlagan när en felaktig kylningsprocessen användes. Förlagan var nedsänkt i vätskan (destillerat vatten med rostskyddande hämmare vid rumstemperatur). Håligheter påskynda trötthet spricka inledande processen eftersom de tjäna som betona koncentration skårorna, således resultatet av denna trötthet test är inte giltig. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Prov nr. Stress amplitud Antalet cykler Resultatet
(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

Tabell 1: Resultat av 50CrMo4 stål trötthet liv analys av ultraljud Utmattningsprovning. Det representerar beroendet av antalet lastning cykler på tillämpad lastning stress trötthet liv resultaten. Testet kan avsluta med fraktur, eller genom en kast när ingen trötthet fraktur inträffar efter önskade antal lastning cykler.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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

Ultraljud Utmattningsprovning är en av de få metoder som tillåter testning av strukturella material i ultrahög cykelregionen. Men är preparatet form och storlek mycket begränsad när det gäller resonansfrekvens. Exempelvis är testning av tunna blad i funktionsläget av axiell belastning i allmänhet inte möjligt. Dessutom är test av stora exemplar vanligtvis inte möjligt, eftersom testa maskinerna inte tillhandahåller sådan makt och det skulle kräva att utformningen av ett särskilt ultraljud system.

Rätt design, beräkning och harmonisering av preparatet bör inte underskattas, även när moderna ultraljud generatorer kan modulera den ultraljud våg och framgångsrikt genljuder ett exemplar med lite olika dimensioner. Men detta orsakar en förskjutning av noden av ultraljud våg från den mellersta delen av mätare längd och då preparatet är inte korrekt laddade i mätare längd. Av samma anledning har stor omsorg för att säkerställa symmetri provkroppen med avseende på båda axlarna.

En stor diskussion hölls om korrelationen av de testresultat som utförs vid höga frekvenser med data som erhållits på konventionella testning enheter med den låga frekvensen lastning. Många tester har visat att resultaten av den höga frekvensen testar flytande utökade resultat som erhållits vid låga frekvenser, och också en del av resultaten har överlappat, när samma lastning läge ansågs10. Senare, var det allmänt underförstått att frekvensen av lastning inte är parametern bestämning av trötthet egenskaper, men deformation är, och stora deformationer på låg frekvens av lastning ger liknande deformation priser som laddar med små deformationer på hög frekvens. Detta är dock den främsta anledningen varför denna teknik kan användas för tester i spänna av hög och främst ultrahög cykelregionen, där deformation amplituderna är små. En ökning av drift frekvenserna av olika komponenter gjort denna diskussion mindre viktigt, liksom, eftersom denna metod ger mer liknande belastningsfall än dem i hög hastighet drift.

Inre dämpning förmåga testade materialet bestämmer mängden värme som produceras under provningen (inre dämpning är material förmåga att omvandla mekanisk energi till värme). Vid otillräcklig kylning, värms mätare längd betydligt, vilket accelererar inledandet av en trötthet spricka på grund av de lägsta mekaniska egenskaperna hos det testade materialet vid förhöjda temperaturer. Vid de flesta legeringar av aluminium och magnesium är en ström av kall luft tillräcklig för att kyla ner preparatet under provningen. För material med högre inre dämpning kapacitet såsom stål, nickel och titanlegeringar används en ström av kylarvätska. Under kyla med kylarvätska, måste kavitation i den mellersta delen av mätare längd undvikas, eftersom hålrum påskynda inledandet av den spricka, vilket kan innebära att testresultaten.

Utmattningsprovningar på de flesta konventionella testning enheter avslutas med en komplett fraktur i tvärsnittet. Efter tvärsnittet av preparatet reduceras av den ständigt växande sprickan till en så kallade ”kritiska tvärsnitt”, är preparatet då en cykel var splittrat och har en karaktär av en statisk fraktur. Håller på att ultraljud testning, när spricka längden når en kritisk längd som skiftar styvheten i systemet av resonansfrekvens, vibrerande stoppen orsakar en naturlig uppsägning av testet. Detta innebär att det inte är möjligt att nå det kritiska tvärsnittet och testet slutar inte med en fullständig fraktur, som utförs senare artificiellt. Eftersom trötthet spricka initiering i smidig trötthet exemplar (utan en konstgjord notch) representerar mer än 95% av antalet cykler till fraktur, när ett så högt antal cykler är ansedd, anses skillnaden försumbar.

Ultraljud Utmattningsprovning är en mycket viktig metod, som tillåter simulering av villkoren för snabb lastning, och minskar tiden för testning. I detta protokoll belyste vi mest kritiska punkter, möjligheter och begränsningar av metoden för framgångsrika tillämpningar i materiell forskning och säkerhet verifiering i industriell drift.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Vi har inget att redovisa.

Acknowledgments

Arbetet stöddes av projekt: ”Research Centre University of Žilina - 2nd fas”, ITMS 313011D 011, vetenskapliga bidrag byrån av ministeriet för utbildning, vetenskap och sport av Slovakiska republiken och slovakiska vetenskapsakademin, beviljar nr: 1/0045 / 17, 1/0951/17 och 1/0123/15 och slovakiska Research and Development Agency, bevilja 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

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).
Ultraljud trötthet testning i spänning-komprimering läge
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