Prova in modalità trazione-compressione ad ultrasuoni di fatica

Summary

Un protocollo per la prova della regione ciclo ad alta e altissima in modalità caricamento assiale di trazione-compressione ad ultrasuoni di fatica.

Abstract

Prove di fatica ad ultrasuoni è uno dei pochi metodi che permettono indagando proprietà a fatica nella regione ciclo ultra-alta. Il metodo si basa sull’esposizione l’esemplare a vibrazioni longitudinali sulla propria frequenza di risonanza vicino a 20kHz. Con l’uso di questo metodo, è possibile ridurre notevolmente il tempo richiesto per il test, rispetto ai tradizionali dispositivi di prova solitamente lavorano a frequenze sotto i 200 Hz. Serve anche per simulare il carico di materiale durante il funzionamento in condizioni di alta velocità, come quelli sperimentati dai componenti di motori a reazione o auto turbo pompe. È necessario operare solo nella regione ciclo ad alta e altissima, dalla possibilità di tassi di deformazione estremamente elevate, che possono avere un’influenza significativa sui risultati dei test. Dimensioni e forma dei campioni devono essere attentamente selezionato e calcolato per soddisfare la condizione di risonanza del sistema ad ultrasuoni; così, non è possibile testare i componenti completo o esemplari di forma arbitraria. Prima di ogni prova, è necessario armonizzare l’esemplare con la frequenza del sistema ad ultrasuoni per compensare le deviazioni della forma reale da quello ideale. Non è possibile eseguire un test fino a una frattura totale del campione, dal momento che il test è terminato automaticamente dopo l’inizio e propagazione della cricca per una certa lunghezza, quando la rigidità del sistema cambia abbastanza per spostare il sistema fuori la risonanza frequenza. Questo manoscritto descrive il processo di valutazione della fatica dei materiali proprietà a fatica ad ultrasuoni ad alta frequenza di carico con uso di risonanza meccanica ad una frequenza vicino a 20kHz. Il protocollo comprende una descrizione dettagliata di tutti i passaggi necessari per un test corretto, compreso il campione disegno, calcolo dello stress, armonizzandosi con la frequenza di risonanza, eseguire il test e la frattura finale statico.

Introduction

Danni di affaticamento dei materiali strutturali sono fortemente connesso con l’industrializzazione e principalmente con l’uso del motore a vapore e locomotive a vapore per il trasporto ferroviario, dove sono stati utilizzati un sacco di componenti metallici, principalmente ferro basato e ha dovuto resistere a vari tipi di carico ciclico. Uno dei primi test è stato fatto da Albert (Germania 1829)¹ saldati catene per paranchi di miniera. La frequenza di caricamento era 10 curve al minuto e il maximal test registrato ha raggiunto 100.000 cicli¹di caricamento. Un altro importante lavoro è stato svolto da William Fairbairn nel 1864. Prove sono state effettuate su travi in ferro battuto con uso di un carico statico, che è stato sollevato da una leva e poi lasciato cadere causa vibrazioni. La trave è stata caricata con aumentando gradualmente lo sforzo di caricamento ampiezza. Dopo aver raggiunto diverse centinaia di migliaia di cicli su varie ampiezze di stress, alla fine della trave di caricamento fallito dopo solo circa cinque mila cicli di carico ad un’ampiezza di caricamento di due quinti di ultima resistenza alla trazione. Il primo studio completo e sistematico dell’influenza dello stress ripetuti su materiali strutturali è stato fatto da August Wöhler nel 1860-1870¹. Per questi test, stava usando modalità di caricamento assiale, flessione e torsione. Wöhler progettato molti affaticamento unico collaudo macchine, ma il loro svantaggio era funzionamento a bassa velocità, ad esempio il rotante più veloce macchina piegatubi operata a 72 giri (1,2 Hz), così il completamento del programma sperimentale ha preso 12 anni¹. Dopo l’esecuzione di questi test, si è ritenuto che, dopo aver raggiunto un’ampiezza di carico a cui il materiale resiste a 10⁷ cicli, la degradazione di affaticamento è trascurabile e il materiale in grado di sopportare un numero infinito di cicli di carico. Questa ampiezza di carico è stata chiamata il “limite di fatica” e divenne il principale parametro in disegno industriale per molti anni^2,3.

Ulteriore sviluppo di nuove macchine industriali, che richiedevano una maggiore efficienza e risparmio di costi, ha dovuto fornire la possibilità di caricamento superiore, maggiore velocità di funzionamento, durata superiore e alta affidabilità con bassi requisiti di manutenzione. Ad esempio, componenti del treno ad alta velocità Shinkanzen, dopo 10 anni di funzionamento, devono resistere a circa 10⁹ cicli e guasto di un componente principale può avere conseguenze fatali⁴. Inoltre, componenti di motori a reazione spesso operano a 12.000 giri/min, e componenti di turbosoffianti spesso superano 17.000 giri/min. Quelli funzionamento ad alta velocità maggiori requisiti per prove di fatica vita nella regione del cosiddetto ciclo ultra-alta e per valutare se la resistenza a fatica di un materiale può essere davvero considerata costante per più di 10 milioni di cicli. Dopo i primi test eseguiti da superare questa resistenza, era ovvio che fatica errori possono verificarsi anche ad ampiezze di sollecitazione applicata inferiore al limite di fatica, dopo un certo numero di cicli molto di più di 10⁷e che il meccanismo di danno e guasto potrebbe essere diverso dal solito quelli⁵.

Creazione di un programma di test di fatica puntato su che studia il ciclo ultra-alta regione ha richiesto lo sviluppo di nuovi dispositivi di prova per aumentare fortemente la frequenza di caricamento. Un simposio incentrato su questo argomento si tenne a Parigi nel giugno 1998, dove sperimentale sono stati presentati i risultati che sono stati ottenuti da Stanzl-Tschegg⁶ e Bathias⁷ a 20 kHz frequenze, di caricamento di Ritchie⁸ con l’uso di 1 kHz chiuso ciclo servo-idraulica test di macchina e di Davidson⁸ con un 1,5 kHz magneto-restrittiva test macchina⁴. Da quel momento, sono state proposte molte soluzioni, ma ancora il più comunemente usato macchina per questo tipo di test si basa sul concetto di Manson dal 1950 e utilizza frequenze vicino 20kHz⁹. Queste macchine presentano un buon equilibrio tra velocità di deformazione, la precisione della determinazione del numero di cicli e al momento della prova di fatica (10¹⁰ cicli vengono raggiunti in circa 6 giorni). Altri dispositivi sono stati in grado di fornire anche più alte frequenze di caricamento, come quella usata da albergo in 1959-92 kHz e Kikukawa nel 1965-199 kHz; Tuttavia, questi sono usati raramente perché creano tassi di deformazione estremamente elevati e, poiché il test dura solo pochi minuti, è previsto un notevole errore nel ciclo di conteggio. Un altro importante fattore che limita la frequenza di caricamento dei dispositivi di risonanza per prove di fatica è la dimensione del campione, che è in relazione diretta con la frequenza di risonanza. Maggiore la frequenza di caricamento richiesto, il più piccolo campione. Questo è il motivo per cui frequenze superiori a 40 kHz sono raramente usate¹⁰.

Poiché l’ampiezza di spostamento è solitamente limitato entro l’intervallo compreso tra 3 e 80 µm, prove di fatica ad ultrasuoni può essere correttamente applicato sui materiali più metallici, però le tecniche per la sperimentazione di materiali polimerici come il PMMA¹¹ e Inoltre sono stati sviluppati materiali compositi¹² . In genere, prove di fatica ad ultrasuoni è possibile eseguire in modalità di caricamento assiale: trazione – compressione simmetrica ciclo^13,14, tensione – tensione ciclo¹⁵, piegatura¹⁵, tre punti e ci sono anche alcuni studi con particolari modifiche del sistema per prove^15,16 e flessione biassiale¹⁷di torsione. Non è possibile utilizzare campioni arbitrari, perché per questo metodo, la geometria è strettamente funzionale al raggiungimento di 20 kHz la frequenza di risonanza. Per il carico assiale, diversi tipi di campioni sono stati comunemente utilizzati, di solito con una forma di clessidra con un diametro di lunghezza di calibro da 3 a 5 mm. Per la piegatura di tre punti, sottili fogli sono comunemente usati, e per gli altri metodi sono progettati speciali tipi di campioni, secondo il tipo di metodo e le condizioni dei test. Il metodo è stato progettato per la valutazione della durata a fatica nella regione ciclo ad alta e altissima, e ciò significa che al caricamento di 20 kHz, 1 milione di cicli è ottenuta in 50 s; Pertanto, questo è solitamente considerato il limite inferiore di cicli che possono essere studiate con ragionevole precisione, rispetto al numero di determinazione del ciclo di carico. Ogni campione deve essere armonizzato con il corno ad ultrasuoni modificando massa del provino per fornire la frequenza di risonanza giusto del sistema: ad ultrasuoni corno con esemplare.

Protocol

Nota: Geometria di ogni campione deve essere selezionato e calcolato secondo le proprietà fisiche e meccaniche del materiale testato, modo che ha una frequenza di risonanza identico come il sistema di test ad ultrasuoni. 1. determinazione dell’esemplare della prova di fatica dimensioni Nota: La geometria del provino di trazione-compressione “clessidra” standard, con dimensioni principali definite, è illustrata nella Figu…

Representative Results

Risultati della prova di fatica includono il caricamento dello stress, numero di cicli, di carico e il carattere di terminazione di prova (frattura o eccentricità) può essere visto nella tabella 1, dove risultati di vita a fatica della 50CrMo4 estiguuto e temperato acciaio sono forniti. La più comune interpretazione dei risultati del test di vita di affaticamento è il cosiddetto S – trama di N (S – stress, N – numero di cicli), noto anche come trama di Wöhler. La dip…

Discussion

Prove di fatica ad ultrasuoni è uno dei pochi metodi che consente di testare i materiali strutturali della regione ciclo ultra-alta. Tuttavia, l’esemplare forma e le dimensioni sono molto limitate rispetto alla frequenza di risonanza. Ad esempio, test di lamiere sottili nella modalità di caricamento assiale generalmente non è possibile. Inoltre, test di grandi esemplari di solito non è possibile, perché le macchine di collaudo non forniscono tale potere e richiederebbe la progettazione di uno speciale sistema ad ult…

Materials

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