الموجات فوق الصوتية التعب الاختبار في وضع ضغط التوتر
Summary
بروتوكول للموجات فوق الصوتية التعب التجارب في منطقة دورة عالية وعالية جداً في وضع تحميل ضغط التوتر المحوري.
Abstract
اختبار الموجات فوق الصوتية التعب هي واحدة من عدد قليل من الطرق التي تسمح للتحقيق في خصائص التعب في منطقة دورة فائقة. ويستند الأسلوب تعريض العينة إلى اهتزازات طولية على ما تردد صدى ما يقرب من 20 كيلو هرتز. باستخدام هذا الأسلوب، من الممكن أن تنخفض إلى حد كبير الوقت اللازم للاختبار، مقارنة بأجهزة فحص التقليدية التي عادة ما تعمل بترددات تقل عن 200 هرتز. فإنه يستخدم أيضا لمحاكاة تحميل المواد أثناء عملية في ظروف عالية السرعة، مثل تلك التي يعاني منها مكونات المحركات النفاثة أو سيارة المضخات التوربينية. من الضروري أن تعمل فقط في المنطقة دورة عالية وعالية جداً، بسبب إمكانية معدلات التشوه عالية للغاية، والتي يمكن أن يكون لها تأثير كبير على نتائج الاختبار. شكل العينة والأبعاد يجب أن تكون مختارة بعناية وتحسب للوفاء بالشرط صدى للنظام بالموجات فوق الصوتية؛ وهكذا، من غير الممكن لاختبار المكونات كاملة أو عينات من الشكل التعسفي. من الضروري قبل كل اختبار، للمواءمة بين العينة مع تواتر هذا النظام بالموجات فوق الصوتية للتعويض عن انحرافات الشكل الحقيقي من واحدة مثالية. من غير الممكن لتشغيل اختبار حتى كسر إجمالي للعينة، حيث يتم إنهاء الاختبار تلقائياً بعد بدء ونشر الكراك لمدة معينة، عند تغيير صلابة النظام ما يكفي لإزاحة النظام من صدى التردد. ويصف هذه المخطوطة في عملية تقييم التعب مواد خصائص في التعب بالموجات فوق الصوتية عالية التردد تحميل باستخدام الرنين الميكانيكي بتردد ما يقرب من 20 كيلو هرتز. البروتوكول يتضمن وصفاً مفصلاً لجميع الخطوات المطلوبة من أجل اختبار صحيحة، بما في ذلك تصميم العينة وحساب الإجهاد، ومواءمة مع تردد صدى، إجراء اختبار، وكسر الثابتة النهائية.
Introduction
الأضرار التعب من المواد الإنشائية بشدة متصلة بالتصنيع، وأساساً مع استخدام محرك بخارى والقاطرات البخارية للنقل بالسكك الحديدية، التي استخدمت فيها الكثير من المكونات المعدنية، أساسا من الحديد، وقد تحمل مختلف أنواع التحميل دوري. أحد الاختبارات أقرب فعل ألبرت (ألمانيا عام 1829)1 في سلاسل ملحومة لروافع الألغام. تواتر تحميل 10 الانحناءات الدقيقة، واختبارات الأعلى 100,000 بلغت مسجل تحميل دورات1. عمل مهم آخر نفذه فيربيرن ويليام في عام 1864. وأجريت اختبارات على عوارض الحديد المطاوع مع استخدام حمولة ساكنة، التي رفعت برافعة وأسقط تسبب الاهتزازات. العارضة كانت محملة بتحميل ضغط متزايد تدريجيا السعة. بعد التوصل إلى عدة مئات من الآلاف دورات على مختلف فشل تحميل ستريك الإجهاد، في نهاية المطاف العارضة بعد فقط حوالي خمسة آلاف تحميل دورات في سعة تحميل خمسي من قوة الشد في نهاية المطاف. كان ذلك أول دراسة شاملة ومنهجية عن تأثير الإجهاد المتكررة على المواد الإنشائية قبل آب/أغسطس Wöhler في 1860-18701. لهذه الاختبارات، أنه تم استخدام التواء والانحناء وطرق التحميل المحوري. Wöhler صمم العديد من التعب فريدة اختبار آلات، ولكن صالحهم سرعات التشغيل منخفضة، على سبيل المثال آلة الانحناء الدورية الأسرع يعمل 72 لفة في الدقيقة (1.2 هرتز)، ومن ثم الانتهاء من البرنامج التجريبي استغرق 12 سنة1. بعد إجراء هذه الاختبارات، فقد اعتبر أن بعد بلوغ سعة تحميل الذي يقاوم المواد 107 دورات، تدهور التعب لا يكاد يذكر والمواد التي يمكن أن تحمل عدد لا حصر له من تحميل دورات. السعة تحميل هذا كان اسمه “حد التعب” وأصبحت المعلمة الرئيسية في التصميم الصناعي للعديد من السنوات2،3.
أن المزيد من تطوير الآلات الصناعية الجديدة، التي تتطلب مستوى أعلى من الكفاءة وتحقيق وفورات في التكاليف، توفر إمكانية تحميل أعلى، أعلى بسرعة العملية والمدد العالي وموثوقية عالية مع متطلبات صيانة منخفضة. على سبيل المثال، العناصر للقطار فائق السرعة شينكانزين، بعد 10 سنوات عملية، يجب أن تحمل حوالي 109 دورات، ويمكن أن يكون فشل المكون الرئيسي عواقب مهلكة4. وعلاوة على ذلك، كثيرا ما تعمل مكونات المحركات النفاثة في 12,000 دورة في الدقيقة، وكثيراً ما تتجاوز مكونات المخبرين توربو 17,000 لفة في الدقيقة. بسرعة هذه العملية عالية زيادة الاحتياجات من التعب اختبار الحياة في منطقة ما يسمى دورة فائقة، وتقييم ما إذا كانت قوة التعب من مادة يمكن حقاً النظر المستمر لدورات أكثر من 10 مليون. بعد التجارب الأولى التي يؤديها تتجاوز هذا التحمل، فمن الواضح أن فشل التعب يمكن أن يحدث حتى في الاتساع الإجهاد المطبق أقل من الحد الأقصى، والتعب بعد عدد من دورات أكثر بكثير من 107، وأن الآلية الأضرار والفشل يمكن أن يكون مختلفاً عن المعتاد منها5.
إنشاء برنامج اختبار تعب الرامية إلى التحقيق في منطقة دورة فائقة تتطلب تطوير أجهزة الاختبار الجديد بشدة زيادة تواتر تحميل. وركزت على هذا الموضوع عقدت ندوة في باريس في حزيران/يونيه 1998، حيث تجريبية عرضت النتائج التي تم الحصول عليها التي ستنزل تشيج6 وأغلقت باتيس7 في 20 كيلوهرتز تحميل الترددات، ريتشي8 باستخدام 1 كيلو هرتز حلقة مضاعفات الهيدروليكية اختبار الجهاز، وقبل ديفيدسون8 مع آلة اختبار 1.5 كيلو هرتز مغناطيسي-ستريكتيفي4. من ذلك الوقت، تم اقتراح العديد من الحلول، لكن لا يزال الأكثر استخداماً تستخدم آلة لهذا النوع من اختبار يستند إلى مفهوم مانسون من عام 1950 ويستخدم ترددات قريبة من 20 كيلوهرتز9. هذه الآلات يحمل توازن جيد بين معدل الإجهاد، ودقة تحديد عدد الدورات، ووقت الاختبار التعب (1010 دورات تتحقق في 6 أيام تقريبا). أجهزة أخرى كانت قادرة على توفير ترددات التحميل حتى أعلى، مثل تلك المستخدمة من قبل جيرالد في 1959-92 كيلو هرتز وكيكوكاوا في عام 1965-199 كيلوهرتز؛ ومع ذلك، نادراً ما تستخدم هذه نظراً لأنها تخلق معدلات عالية للغاية من التشوه، وحيث يستمر الاختبار لبضع دقائق فقط، خطأ ملحوظ في عد دورة المتوقع. عامل مهم آخر الحد من تواتر تحميل أجهزة الرنين لاختبار التعب هو حجم العينة، وفي علاقة مباشرة مع تردد صدى. كلما زاد التردد التحميل المطلوبة، وكلما صغر حجم العينة. وهذا هو السبب الذي يجعل ترددات فوق 40 كيلو هرتز نادراً ما تستخدم10.
منذ السعة التشرد يقتصر عادة ضمن الفاصل الزمني بين 3 و 80 ميكرومتر، الفحص بالموجات فوق الصوتية التعب يمكن بنجاح تطبيقها على المواد المعدنية الأكثر، على الرغم من تقنيات لاختبار المواد البوليمرية مثل البولي ميثيل ميثا اكريلات11 و كما تم تطوير المركبة12 . اختبار الموجات فوق الصوتية التعب عموما، أن من الممكن لتنفيذ في وسائط التحميل المحوري: الشد-ضغط متناظرة دورة13،14، التوتر–دورة التوتر15، ثلاث نقاط الانحناء15، وهناك أيضا عدد قليل دراسات مع تعديلات خاصة للنظام لالتواء اختبار15،16 و17بياكسيال الانحناء. من غير الممكن استخدام عينات عشوائية، لأن لهذا الأسلوب، والهندسة دقة تتصل بتحقيق تردد صدى 20 كيلوهرتز. للتحميل المحوري، عدة أنواع من العينات قد تم استخداماً، عادة مع شكل زجاج ساعة قياس طول قطرها من 3 إلى 5 مم. للانحناء ثلاث نقاط، ويشيع استخدام صفائح رقيقة، لأساليب أخرى يتم تصميم أنواع خاصة من العينات، وفقا لنوع الأسلوب واختبار الشروط. الأسلوب الذي صمم للتقييم لحياة التعب في منطقة دورة عالية وعالية جداً، وهذا يعني أنه في التحميل 20 كيلوهرتز، هو الحصول على دورات 1 مليون في 50 ثانية؛ ولذلك، وهذا يعتبر عادة الحد السفلي لتحميل الدورات التي يمكن أن تحقق بدرجة معقولة من الدقة، وفيما يتعلق بعدد تصميم دورة. كل العينة يجب أن تكون متسقة مع القرن الأفريقي بالموجات فوق الصوتية عن طريق تغيير كتلة العينة توفير تردد صدى الحق للنظام: القرن بالموجات فوق الصوتية مع العينة.
Protocol
Representative Results
Discussion
اختبار الموجات فوق الصوتية التعب هي واحدة من الطرق القليلة التي يسمح لاختبار المواد الإنشائية في منطقة دورة فائقة. ومع ذلك، شكل العينة وحجم محدودة جداً فيما يتعلق بتردد صدى. على سبيل المثال، اختبار من صفائح رقيقة في وضع التحميل المحوري ليس عموما ممكن. وبالإضافة إلى ذلك، اختبار عينات كبيرة…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيده العمل المشاريع: “مركز البحوث التابع لجامعة Žilina-2nd المرحلة”، منح ITMS 313011 011، العلم منحة وكالة وزارة التربية والتعليم والعلوم والرياضة في الجمهورية السلوفاكية والأكاديمية السلوفاكية للعلوم، رقم: 1/0045/ 17, 1/0951/17 و 1/0123/15 ومنح البحوث السلوفاكية ووكالة التنمية، رقم أبفف-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 |
Riferimenti
- 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).
