超音波疲労引張圧縮モードでのテスト

Summary

超音波疲労軸引張・圧縮荷重モードで高・超高サイクル領域でのテストのためのプロトコル。

Abstract

超音波疲労試験超高サイクル領域における疲労特性の調査を許可するいくつかの方法の 1 つです。メソッドは、20 kHz に近いその共振周波数の縦振動に標本を公開することに基づいています。このメソッドの使用は、200 Hz 未満の周波数で通常働く従来の試験装置と比較した場合に、テストに必要な時間を大幅に削減することが可能です。ようなものはジェット エンジンや車のコンポーネントによってターボポンプを経験した高速条件で操作中に素材の読み込みをシミュレートするためにも使用されます。テスト結果に大きな影響を持つことができる非常に高い変形率の可能性があるため、高・超高サイクル領域でのみ動作する必要があります。試験片の形状及び寸法を慎重に選択し、超音波システムの共鳴条件を満たすために計算があります。したがって、完全なコンポーネントまたは任意形状の標本をテストする不可能です。各テストの前に理想的な 1 つから実際の形状の偏差を補償する超音波システムの周波数と標本を調和する必要は。システムの剛性が十分な共鳴からシステムをシフトする変更されたとき特定の長さにき裂の発生と伝ぱ後テストが自動的に終了するので、試料の総破壊までテストを実行することが不可能します。周波数。本稿では、高周波の超音波疲労特性を 20 kHz に近い頻度で機械共振の使用材料の疲労の評価のプロセスについて説明します。プロトコルには、標本設計応力の計算、テスト、および最終的な静的破壊を実行する共振周波数と調和を含む適切なテストに必要なすべての手順の詳細な説明が含まれています。

Introduction

構造材料の疲労損傷が強く主に鉄系、金属部品の多くが使用されている、工業化と主に蒸気機関、蒸気機関車の鉄道輸送のための使用を接続され、各種に耐えていた繰返し載荷の種類。初期のテストの 1 つは、アルバート (ドイツ 1829)¹鉱山ホイスト用溶接鎖によって行われました。読み込み頻度が毎分 10 曲がり、最大テスト記録に達した 100,000 サイクル¹をロードします。もう一つ重要な仕事行ったウィリアム ・ フェアバーンによって 1864 年に。錬鉄製桁をレバーで解除されたそして原因となる振動を落とした静荷重の使用のテストを行った。桁の荷重ストレスを徐々 に読み込まれた振幅。様々 なサイクル数 10 万に達する後ちょうど約五千究極の引張強さの 5 分の 2 の載荷振幅の繰返し後端桁の応力振幅を読み込みに失敗しました。構造材料に繰返し応力の影響の最初の包括的かつ体系的な研究が 8 月に行われた 1860-1870¹Wöhler。これらのテストでは、彼は、ねじり、曲げ、および荷重モードに使用していた。Wöhler 設計多くのユニークな疲労試験機、しかし、彼らの欠点だった動作速度、例えば 72 rpm (1.2 Hz)、従って実験的なプログラムの完了で最速の回転曲げ機を取った 12 年¹。これらのテストを実行した後、材料に耐える 10⁷サイクル載荷振幅に達すると後、疲労劣化は無視と素材が無限に繰返し数に耐えることができますが考えられました。この載荷振幅「疲労」と多くの年^2,3の工業デザインの主なパラメーターになった。

高効率化に必要なコストの削減、新しい産業機械の発展は、高い読み込み、操作速度、高い期間と低いメンテナンスの要件による高い信頼性の可能性を提供していた。たとえば、高速列車 Shinkanzen、操作の 10 年後のコンポーネントは、約 10 の⁹サイクルに耐える必要がある、メイン コンポーネントの障害は致命的な結果⁴を持つことができます。また、ジェット エンジンのコンポーネントは、多くの場合 12,000 rpm で動作し、ターボ送風機のコンポーネントは多くの場合 17,000 rpm を超えます。これらの高い操作の速度疲労寿命試験と材料の疲労強度本当に考えられる一定以上 1000 万サイクルを評価するいわゆる超高サイクル領域での向上の要件。この持久力を超過することによって実行される最初のテストの後、疲労障害が発生応力振幅が疲労限度より低いでもサイクル数後より 10 は明らかだった⁷損傷・破壊機構いつも物⁵から異なる可能性があります。

読み込み頻度が強く増加する新しいテスト デバイスの開発に必要な超高サイクル領域の調査を目的とした疲労テスト プログラムを作成します。このトピックに焦点を当てたシンポジウム パリで開催された 1998 年 6 月、実験的 Stanzl Tschegg⁶で得られた成果の報告し、リッチー⁸ 1 kHz の使用によって周波数を読み込み 20 kHz で Bathias⁷を閉じたループサーボ油圧マシン、およびデビッドソン⁸ 1.5 kHz 磁テスト マシン⁴でをテストします。その時から、多くのソリューションは、まだ最もよくテストのこの種の使用するマシンは 1950 年からマンソンの概念に基づいており、20 kHz⁹に近い周波数を使用して、提案しました。これらのマシンは歪速度, サイクル数と疲労試験の時間の決定精度の良いバランスを展示 (10¹⁰サイクルは約 6 日間で達成)。1959-92 kHz で Girald と菊川 1965 199 kHz で使用しているもの、さらに高いロード周波数を提供するために他のデバイスができたしかし、彼らは非常に高い変形率を作成し、テストは、数分続きます、サイクル カウントの顕著なエラーが期待されているためほとんど使用されます。疲労試験用共鳴装置の読み込み頻度を制限する別の重要な要因は、共振周波数と直接関係は、供試体のサイズです。要求された読み込み頻度が大きくより小さい標本。これは、40 kHz を超える周波数が使用頻度の低い¹⁰理由です。

変位振幅が 3 と 80 μ m の間隔の内で通常限られているのでを正常にすることができます超音波疲労試験も PMMA¹¹など高分子材料のテストのための技術をほとんどの金属材料に適用し、複合¹²はまた開発されました。一般に、超音波疲労試験は荷重のモードで実行することが可能: 引張 – 圧縮対称サイクル^13,14緊張 – 緊張サイクル¹⁵, 三点曲げ¹⁵とまたいくつかがあります。ねじり^15,16と¹⁷二軸曲げ試験用の特別な変更を研究。不可能任意標本を使用するので、このメソッドでは、ジオメトリを厳密に関連して 20 kHz の共振周波数を達成するために。軸荷重の標本のいくつかの種類使用されているよく、通常 3 から 5 mm のゲージ長さ直径と砂時計形状。三点曲げの薄いシートが使われます、他の方法の利用可能メソッドの種類によると、条件をテストする特別な種類の試料が設計されました。高・超高サイクル領域の疲労寿命の評価の方法は設計され、これは 20 kHz ロードで 100 万サイクルが 50 で得られることを意味 s;したがって、これは通常の繰返しサイクル定量数に関して、妥当な精度で調べることができます下制限と見なされます。各試験片は、超音波ホーン システムの右の共鳴頻度を提供するために試験片の質量を変更することによって調和が: 供試体の超音波ホーン。

Protocol

注: 各試験片の形状を選択し、テスト材料の機械的及び物理的性質に従って計算されますが超音波テスト システムと同じ共振周波数にあります。 1. 疲労試験片寸法の測定 注:定義の主な寸法と、標準の「砂時計」引張圧縮試験片形状は、図 1に示すです。寸法d、 D 、 rユーザー定義 (独立)、 …

Representative Results

疲労試験結果を含めるの繰返し、ストレス負荷とテスト終了文字 (破壊または実行アウト) は表 1、場所、50CrMo4 の疲労寿命の結果焼入れ・焼入れ鋼を提供見ることができます。疲労寿命試験結果の最も一般的な解釈は、いわゆる S – N プロット (S – ストレス、N – サイクル数)、Wöhler のプロットとして知られています。荷重応力疲労寿命の依存性は、歴史的?…

Discussion

超音波疲労試験超高サイクル領域における構造材料のテストを可能にするいくつかの方法の 1 つです。ただし、試験片の形状とサイズは共振周波数に関して非常に限られました。例えば、軸荷重を受けるモードで薄板のテストは不可能です。さらに、大規模な標本のテスト通常不可能です、試験機は、そのような力を与えない特殊な超音波システムの設計が必要になるので

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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