तनाव संपीड़न मोड में अल्ट्रासोनिक थकान परीक्षण
Summary
उच्च और अति उच्च चक्र क्षेत्र में अक्षीय तनाव-संपीड़न लोड हो रहा है मोड में अल्ट्रासोनिक थकान परीक्षण के लिए एक प्रोटोकॉल ।
Abstract
अल्ट्रासोनिक थकान परीक्षण अल्ट्रा उच्च चक्र क्षेत्र में थकान संपत्तियों की जांच की अनुमति है जो कुछ तरीकों में से एक है । विधि 20 kHz करने के लिए करीब अपनी प्रतिध्वनि आवृत्ति पर अनुदैर्ध्य कंपन करने के लिए नमूने को उजागर करने पर आधारित है. इस विधि के उपयोग के साथ, यह काफी परीक्षण के लिए आवश्यक समय को कम करने के लिए संभव है, जब पारंपरिक परीक्षण उपकरणों की तुलना में आम तौर पर आवृत्तियों पर काम कर के तहत 200 हर्ट्ज. यह भी जेट इंजन या कार टर्बो पंपों के घटकों द्वारा अनुभवी उन के रूप में उच्च गति की स्थिति में आपरेशन के दौरान सामग्री की लोडिंग अनुकरण करने के लिए प्रयोग किया जाता है । यह उच्च और अति उच्च चक्र क्षेत्र में ही संचालित करने के लिए आवश्यक है, अत्यंत उच्च विरूपण दरों की संभावना के कारण, जो परीक्षण के परिणामों पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव हो सकता है. नमूना आकार और आयामों को ध्यान से चयनित और अल्ट्रासोनिक प्रणाली की प्रतिध्वनि हालत को पूरा करने के लिए गणना की है; इस प्रकार, यह संभव नहीं है कि पूर्ण घटकों या मनमाने ढंग से नमूनों का परीक्षण । प्रत्येक परीक्षण से पहले, यह आदर्श एक से असली आकार के विचलन के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए अल्ट्रासोनिक प्रणाली की आवृत्ति के साथ नमूना अनुरूपित करने के लिए आवश्यक है । यह संभव नमूना की कुल फ्रैक्चर तक एक परीक्षण चलाने के लिए नहीं है, के बाद से परीक्षण स्वचालित रूप से दीक्षा और एक निश्चित लंबाई के लिए दरार के प्रचार के बाद समाप्त हो गया है, जब प्रणाली काफी परिवर्तन की कठोरता से बाहर प्रतिध्वनि के सिस्टम बदलाव आवृत्ति. इस पांडुलिपि उच्च आवृत्ति अल्ट्रासोनिक थकान पर सामग्री ‘ थकान गुणों के मूल्यांकन की प्रक्रिया का वर्णन एक आवृत्ति करीब 20 kHz पर यांत्रिक अनुनाद के उपयोग के साथ लोड हो रहा है । प्रोटोकॉल नमूना डिजाइन, तनाव गणना, प्रतिध्वनि आवृत्ति के साथ संगत, परीक्षण प्रदर्शन, और अंतिम स्थैतिक फ्रैक्चर सहित एक सही परीक्षण के लिए आवश्यक सभी चरणों का एक विस्तृत विवरण शामिल हैं ।
Introduction
संरचनात्मक सामग्री की थकान क्षति दृढ़ता से औद्योगिकीकरण के साथ जुड़ा हुआ है और मुख्य रूप से रेलवे परिवहन के लिए भाप इंजन और भाप लोकोमोटिव के उपयोग के साथ, जहां धातु घटकों का एक बहुत, मुख्य रूप से लौह आधारित, इस्तेमाल किया गया है और विभिन्न सामना करने के लिए किया था चक्रीय लोडिंग के प्रकार । सबसे जल्द परीक्षणों में से एक अल्बर्ट द्वारा किया गया था (जर्मनी १८२९)1 वेल्डेड श्रृंखला पर मेरा के लिए फहराया । लोड हो रहा है आवृत्ति प्रति मिनट 10 झुकता था, और अधिक से अधिक परीक्षण दर्ज की गई 100,000 लदान चक्र1पर पहुंच गया । एक अंय महत्वपूर्ण काम १८६४ में विलियम Fairbairn द्वारा किया गया था । परीक्षण एक स्थिर लोड है, जो एक लीवर द्वारा उठाया गया था और फिर कंपन के कारण गिरा के उपयोग के साथ गढ़ा लोहे गर्डरों पर प्रदर्शन किया गया । गर्डर धीरे लोड हो रहा है तनाव आयाम बढ़ाने के साथ भरी हुई थी । विभिन्न लोडिंग तनाव आयाम पर कई सौ हजार चक्र तक पहुँचने के बाद, अंत में गर्डर परम तंयता ताकत के दो पांचवें के एक लोडिंग आयाम पर बस के बारे में ५००० लोडिंग चक्र के बाद विफल रहा है । संरचनात्मक सामग्रियों पर दोहराया गया तनाव के प्रभाव का पहला व्यापक और व्यवस्थित अध्ययन 1860-18701में अगस्त Wöhler द्वारा किया गया था । इन परीक्षणों के लिए, वह मरोड़, झुकने, और अक्षीय लोडिंग मोड का उपयोग कर रहा था । Wöhler कई अनूठी थकान परीक्षण मशीनों डिजाइन, लेकिन उनके नुकसान कम आपरेशन गति थी, उदाहरण के लिए सबसे तेजी से घूर्णन मशीन 72 rpm (1.2 हर्ट्ज) पर संचालित है, इस प्रकार प्रायोगिक कार्यक्रम के पूरा होने में 12 साल1लिया । इन परीक्षणों के बाद, यह माना जाता है कि एक लोडिंग आयाम है जिस पर सामग्री 107 चक्र का सामना करने तक पहुंचने के बाद, थकान गिरावट नगण्य है और सामग्री लदान चक्र की एक अनंत संख्या का सामना कर सकते हैं । इस लोडिंग आयाम “थकान सीमा” नाम दिया गया था और कई वर्षों के लिए औद्योगिक डिजाइन में मुख्य पैरामीटर बन गया2,3.
नई औद्योगिक मशीनों, जो उच्च दक्षता और लागत बचत की आवश्यकता के आगे विकास, उच्च लदान, उच्च संचालन गति, उच्च अवधि, और कम रखरखाव आवश्यकताओं के साथ उच्च विश्वसनीयता की संभावना प्रदान करने के लिए किया था । उदाहरण के लिए, उच्च गति ट्रेन Shinkanzen के घटक, आपरेशन के 10 वर्षों के बाद, लगभग 109 चक्र और एक मुख्य घटक की विफलता का सामना करना पड़ता है घातक परिणाम4हो सकता है । इसके अलावा, जेट इंजन के घटक अक्सर 12,000 rpm पर काम करते हैं, और टर्बो उड़ाने के घटक अक्सर 17,000 rpm से अधिक है । उन उच्च आपरेशन तथाकथित अल्ट्रा उच्च चक्र क्षेत्र में थकान जीवन परीक्षण के लिए आवश्यकताओं में वृद्धि हुई गति, और आकलन करने के लिए अगर एक सामग्री की थकान ताकत वास्तव में अधिक से अधिक १०,०००,००० चक्र के लिए लगातार माना जा सकता है । पहले परीक्षणों के बाद इस धीरज से अधिक द्वारा प्रदर्शन किया, यह स्पष्ट है कि थकान विफलताओं लागू तनाव पर भी हो सकता है, थकान सीमा से कम आयाम है, बहुत अधिक 107चक्र की संख्या के बाद, और नुकसान और विफलता तंत्र 5सामांय लोगों से अलग हो सकता है ।
एक थकान परीक्षण अल्ट्रा उच्च चक्र क्षेत्र की जांच के उद्देश्य से कार्यक्रम बनाने के नए परीक्षण उपकरणों के विकास के लिए दृढ़ता से लोडिंग आवृत्ति वृद्धि की आवश्यकता है । इस विषय पर केंद्रित एक संगोष्ठी पेरिस में जून 1998 में आयोजित किया गया था, जहां प्रयोगात्मक परिणाम प्रस्तुत किए गए थे जो Stanzl द्वारा प्राप्त किए गए थे-Tschegg6 और Bathias7 पर 20 khz लोडिंग आवृत्तियों, द्वारा रिची8 के उपयोग के साथ 1 khz बंद लूप इमदादी हाइड्रोलिक परीक्षण मशीन, और डेविडसन8 द्वारा एक 1.5 kHz चुंबक-सख्त परीक्षण मशीन4के साथ. उस समय से, कई समाधान का प्रस्ताव किया गया था, लेकिन अभी भी परीक्षण के इस तरह के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल किया मशीन 1950 से Manson की अवधारणा पर आधारित है और आवृत्तियों का उपयोग करता है करीब 20 kHz9. इन मशीनों तनाव दर के बीच एक अच्छा संतुलन प्रदर्शन, चक्र की संख्या का निर्धारण सटीकता, और थकान परीक्षण के समय (1010 चक्र लगभग 6 दिनों में प्राप्त कर रहे हैं) । अन्य उपकरणों के लिए भी उच्च लोड आवृत्तियों प्रदान करने में सक्षम थे, 1959 में Girald द्वारा इस्तेमाल एक की तरह-92 khz और Kikukawa में 1965-199 khz; हालांकि, ये शायद ही कभी इस्तेमाल कर रहे है क्योंकि वे अत्यंत उच्च विरूपण दरों बनाने और, के बाद से परीक्षण केवल कुछ मिनट के लिए रहता है, चक्र की गिनती में एक उल्लेखनीय त्रुटि की उंमीद है । एक और महत्वपूर्ण कारक थकान परीक्षण के लिए अनुनाद उपकरणों की लोडिंग आवृत्ति सीमित नमूना है, जो अनुनाद आवृत्ति के साथ सीधा संबंध में है के आकार है । बड़ा अनुरोध लोडिंग आवृत्ति, छोटे नमूना । यह 40 kHz से ऊपर आवृत्तियों शायद ही कभी10इस्तेमाल कर रहे हैं कारण है.
विस्थापन आयाम के बाद से आमतौर पर 3 और 80 µm के बीच अंतराल के भीतर सीमित है, अल्ट्रासोनिक थकान परीक्षण सफलतापूर्वक सबसे धातु सामग्री पर लागू किया जा सकता है, हालांकि इस तरह के पीएमएमए के रूप में बहुलक सामग्री के परीक्षण के लिए तकनीकों11 और कंपोजिट12 भी विकसित किया गया । आम तौर पर, अल्ट्रासोनिक थकान परीक्षण के अक्षीय लदान के मोड में प्रदर्शन करने के लिए संभव है: तन्य संपीड़न सममित चक्र13,14, तनाव-तनाव चक्र15, तीन-बिंदु झुका15, और वहाँ भी कर रहे हैं कुछ मरोड़ परीक्षण के लिए प्रणाली के विशेष संशोधनों के साथ अध्ययन15,16 और द्विअक्षीय झुकने17. यह संभव नहीं है मनमाना नमूनों का उपयोग करें, क्योंकि इस विधि के लिए, ज्यामिति कड़ाई से 20 kHz की प्रतिध्वनि आवृत्ति को प्राप्त करने के लिए संबंधित है. अक्षीय लदान के लिए, नमूनों के कई प्रकार आमतौर पर इस्तेमाल किया गया है, आम तौर पर 3 से 5 मिमी से एक गेज लंबाई व्यास के साथ एक घंटे के गिलास आकार के साथ. तीन सूत्री झुकने के लिए, पतली चादरें सामांयतः उपयोग किया जाता है, और अंय तरीकों के लिए नमूनों की विशेष प्रकार के डिजाइन किए हैं, विधि प्रकार और परीक्षण की स्थिति के अनुसार । विधि उच्च और अल्ट्रा उच्च चक्र क्षेत्र में थकान जीवन के मूल्यांकन के लिए डिजाइन किया गया था, और यह 20 kHz लोड हो रहा है, एक लाख चक्र 50 एस में प्राप्त होता है कि इसका मतलब है; इसलिए, यह आमतौर पर चक्र निर्धारण की संख्या के संबंध में उचित सटीकता के साथ जांच की जा सकती है, जो चक्र लदान के नीचे की सीमा माना जाता है । नमूना के साथ अल्ट्रासोनिक हॉर्न: प्रत्येक नमूना प्रणाली की सही अनुनाद आवृत्ति प्रदान करने के लिए नमूना के द्रव्यमान को बदलकर अल्ट्रासोनिक हॉर्न के साथ संगत हो गया है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
अल्ट्रासोनिक थकान परीक्षण अल्ट्रा उच्च चक्र क्षेत्र में संरचनात्मक सामग्री के परीक्षण की अनुमति देता है जो कुछ तरीकों में से एक है । हालांकि, नमूना आकार और आकार बहुत अनुनाद आवृत्ति के संबंध में सीमित …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
काम परियोजनाओं द्वारा समर्थित किया गया था: “Žilina विश्वविद्यालय के अनुसंधान केंद्र-2एन डी चरण”, ITMS 313011D011, शिक्षा, विज्ञान और स्लोवाक गणराज्य और स्लोवाक विज्ञान अकादमी के खेल मंत्रालय के वैज्ञानिक अनुदान एजेंसी, अनुदान नहीं: 1/0045/ 17, 1/0951/17 और 1/0123/15 और स्लोवाक अनुसंधान और विकास अभिकरण, अनुदान सं. APVV-16-0276.
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 |
References
- Moore, H. F., Kommers, J. B. . The fatigue of metals. , 321 (1927).
- Nicholas, T. . High Cycle Fatigue: A Mechanics of Materials Perspective. , (2006).
- Schijve, J. . Fatigue of Structures and Materials. , (2008).
- Murakami, Y. . Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. , (2002).
- 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).
- Stanzl, T. Fracture mechanisms and fracture mechanics at ultrasonic frequencies. Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 567-579 (1999).
- Bathias, C. There is no infinite fatigue life in metallic materials. Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 559-565 (1999).
- Ritchie, R. O., et al. High-cycle fatigue of Ti-6Al-4V. Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 621-631 (1999).
- Bathias, C., Paris, P. C. . Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. , (2004).
- Bokuvka, O., et al. . Ultrasonic Fatigue of Materials at Low and High Frequency Loading. , (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bathias, C. Piezoelectric fatigue testing machines and devices. Int. J. Fatigue. 28 (11), 1438-1445 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kohout, J., Vechet, S. A new function for fatigue curves characterization and its multiple merits. Int. J. Fatigue. 23 (2), 175-183 (2001).
