Ultraschall Ermüdungsprüfung im Zug-Druck-Modus

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

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 Jahre^2,3.

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 verwendete^{10 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 Zyklus^13,14, Spannung – Spannung Zyklus¹⁵, drei-Punkt-Biegung¹⁵, und es gibt auch ein paar Studien mit speziellen Modifikationen des Systems für Torsion Test^15,16 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.

Protocol

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. Abmessung…

Representative Results

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 Ermüdungsfestigk…

Discussion

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 erforder…

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