Ultrasons Fatigue Testing dans le Mode de traction-Compression

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 années^2,3.

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 cycle^13,14, tension – tension cycle¹⁵,¹⁵, de flexion trois points et il y a aussi quelques études avec des modifications du système de torsion essai^15,16 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.

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 …

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 dépe…

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 …

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