Ultrasone vermoeidheid in de modus van de spanning-compressie testen

Summary

Een protocol voor ultrasone vermoeidheid testen in het hoog en ultra-hoge lussegment in axiale spanning-compressie laden modus.

Abstract

Testen van ultrasone vermoeidheid is een van een aantal methoden waarmee eigenschappen van vermoeidheid in de ultra-hoge lussegment onderzoeken. De methode is gebaseerd op het blootstellen van het specimen aan longitudinale trillingen op zijn resonantiefrequentie dicht bij 20 kHz. Met gebruik van deze methode is het mogelijk om te leiden tot aanzienlijke afname van de tijd die nodig is voor de proef, in vergelijking met conventionele testen apparaten meestal werken bij frequenties onder 200 Hz. Het wordt ook gebruikt om te simuleren laden van materiaal tijdens operatie in hoge snelheid de voorwaarden, zoals die ervaren door onderdelen voor straalmotoren of auto turbo pompen. Het is noodzakelijk om te werken alleen in het hoog en ultra-hoge lussegment, te wijten aan de mogelijkheid van extreem hoge vervorming tarieven, die een aanzienlijke invloed op de testresultaten kunnen hebben. Specimen vorm en afmetingen moeten zorgvuldig worden geselecteerd en berekend om te voldoen aan de voorwaarde van de resonantie van de ultrasone systeem; het is dus niet mogelijk om de volledige onderdelen of exemplaren van willekeurige vorm te testen. Vóór elke proef is het noodzakelijk te harmoniseren van het model met de frequentie van de ultrasone systeem om te compenseren voor afwijkingen van de echte vorm van de ideale. Het is niet mogelijk een test uitvoeren tot een totale breuk van het model, aangezien de test wordt automatisch beëindigd na inleiding en vermeerdering van naar de spleet tot een bepaalde lengte, wanneer de stijfheid van het systeem verandert genoeg om over te stappen van het systeem uit de resonantie frequentie. Dit manuscript beschrijft het proces van evaluatie van materialen vermoeidheid eigenschappen op hoogfrequente ultrasone vermoeidheid laden met gebruik van mechanische resonantie met een frequentie die dicht bij de 20 kHz. Het protocol bevat een gedetailleerde beschrijving van alle stappen die nodig zijn voor een correcte test, waaronder specimen ontwerp, berekening van de stress, harmonisatie met de resonantiefrequentie, uitvoeren van de test, en definitieve statische fractuur.

Introduction

Vermoeidheid schade van structurele materialen is sterk verbonden met de industrialisatie en vooral met gebruik van de stoommachine en stoomlocomotieven voor vervoer per spoor, waar een heleboel metalen onderdelen, voornamelijk ijzer gebaseerd, zijn gebruikt en moest weerstaan diverse soorten cyclische laden. Een van de vroegste tests werd gedaan door Albert (Duitsland 1829)¹ op gelaste kettingen voor mijn Hijswerktuigen. De frequentie van de lading was 10 bochten per minuut, en de maximale test opgenomen bereikt 100.000 laden cycli¹. Een ander belangrijk werk werd uitgevoerd door William Fairbairn in 1864. Tests werden uitgevoerd op smeedijzeren liggers met gebruik van een statische lading, die werd opgeheven door een hendel en dan gedropt veroorzaken trillingen. De ligger was geladen met geleidelijk toenemende laden stress amplitude. Na het bereiken van honderdduizenden cycli op verschillende amplitudes van de stress, op het einde de ligger laden mislukt na zowat vijf duizend laden cycli bij een amplitude van de laden van twee vijfde van de ultieme treksterkte. De eerste uitgebreide en systematische studie van de invloed van herhaalde stress op structurele materialen werd gedaan door augustus Wöhler in 1860-1870¹. Voor deze tests, was hij met behulp van torsie, buigen en axiale laden modi. Wöhler ontworpen vele unieke vermoeidheid testen van machines, maar hun nadeel was lage werking snelheden, bijvoorbeeld de snelst roterende buigende machine, gevoed met 72 rpm (1.2 Hz), dus de voltooiing van het experimentele programma nam 12 jaar¹. Na het uitvoeren van deze tests, werd geoordeeld dat na het bereiken van een amplitude van de laden waartegen het materiaal 10⁷ cycli doorstaat, aantasting van de vermoeidheid te verwaarlozen is en het materiaal kan weerstaan een oneindig aantal cycli te laden. Deze laden amplitude uitgeroepen tot de “vermoeidheid limit” en werd de belangrijkste parameter in industrieel ontwerp voor vele jaren^2,3.

Verdere ontwikkeling van nieuwe industriële machines, die vereist hogere efficiëntie en kostenbesparingen, moest bieden de mogelijkheid van hogere belasting, hogere snelheden van de werking, hogere duur en hoge betrouwbaarheid met lage onderhoudsvereisten van. Bijvoorbeeld, kan onderdelen van de hogesnelheidstrein Shinkanzen, na 10 jaar van werking, moeten ongeveer 10⁹ cycli weerstaan en falen van een hoofdbestanddeel fatale gevolgen⁴. Bovendien, onderdelen voor straalmotoren opereren vaak op 12.000 rpm, en onderdelen van turbo blowers vaak meer dan 17.000 rpm. Die hoge werking snelheden verhoogde eisen voor vermoeidheid leven testen in het zogenaamde ultra-hoge lussegment, en er moeten beoordelen of de sterkte van de vermoeidheid van een materiaal kan worden echt overwogen constante voor meer dan 10 miljoen cycli. Na de eerste tests uitgevoerd door meer dan deze uithoudingsvermogen, was het duidelijk dat vermoeidheid mislukkingen zelfs bij amplitudes van de toegepaste spanning lager is dan de limiet van vermoeidheid, na een aantal cycli veel meer dan 10 optreden kunnen⁷, en dat de schade en mislukking mechanisme kunnen afwijken van de gebruikelijke degenen⁵.

Creëren van een vermoeidheid testprogramma gericht onderzoek op het ultra-hoge lussegment vereist de ontwikkeling van nieuwe testen apparaten sterk de frequentie te verhogen laden. Een symposium over dit onderwerp gericht werd gehouden in Parijs in juni 1998, waar experimentele resultaten werden gepresenteerd die werden verkregen door Stanzl-Tschegg-⁶ en Bathias⁷ op 20 kHz laden van frequenties, door Ritchie⁸ met het gebruik van 1 kHz gesloten lus Servo-hydraulische testen machine, en door Davidson⁸ met een 1,5 kHz magneto-strictive testen machine⁴. Vanaf die tijd werden veel oplossingen voorgesteld, maar nog steeds de meest algemeen gebruikte machine voor dit soort test is gebaseerd op het concept van Manson van 1950 en maakt gebruik van frequenties dicht bij 20 kHz⁹. Deze machines vertonen een goede balans tussen spanning tarief, de juistheid van de bepaling van het aantal cycli, en de tijd van de vermoeidheid test (10¹⁰ cycli worden bereikt in ongeveer 6 dagen). Andere apparaten konden bieden zelfs hogere laden frequenties, zoals die gebruikt door Girald in 1959-92 kHz en Kikukawa in 1965-199 kHz; deze worden echter zelden gebruikt omdat ze extreem hoge vervorming tarieven maakt en, aangezien de test slechts enkele minuten duurt, een opmerkelijke vergissing in de clustertelling wordt verwacht. Een andere belangrijke factor die de frequentie van de laden van resonantie apparaten voor het testen van vermoeidheid te beperken is de grootte van het specimen, dat in directe relatie met de resonantiefrequentie. Hoe groter de frequentie van de gevraagde laden, hoe kleiner het model. Dit is de reden waarom frequenties boven 40 kHz zelden gebruikte^{10 zijn}.

Aangezien de amplitude van de verplaatsing meestal beperkt binnen het interval tussen 3 en 80 µm is, ultrasone vermoeidheid testen met succes kan worden toegepast op de meeste metalen, hoewel technieken voor het testen van polymere materialen zoals PMMA¹¹ en composieten¹² werden ook ontwikkeld. In het algemeen, ultrasone vermoeidheid testen is het mogelijk om uit te voeren in modi van axiale laden: treksterkte – compressie symmetrische cyclus^13,14, spanning – spanning cyclus¹⁵, drie-punt¹⁵, buigen en er zijn ook een paar studies met speciale wijzigingen van het systeem voor torsie testen^15,16 en biaxial buigende¹⁷. Het is niet mogelijk om willekeurige monsters, omdat voor deze methode, de geometrie is strikt gerelateerd aan het bereiken van de resonantiefrequentie van 20 kHz. Voor de axiale laden, zijn verschillende soorten exemplaren vaak gebruikt, meestal met een zandloper vorm met een meter lengte diameter van 3 tot 5 mm. Dunne platen worden vaak gebruikt voor de drie-punt buigen, en voor andere methoden speciale soorten monsters zijn ontworpen, volgens het type van de methode en het testen van de voorwaarden. De methode is ontworpen voor de evaluatie van vermoeidheid leven in het hoog en ultra-hoge lussegment, en dit betekent dat een miljoen cycli op 20 kHz laden, wordt verkregen in 50 s; Daarom wordt dit meestal beschouwd als de ondergrens van het laden van de cycli die kunnen worden onderzocht met een redelijke nauwkeurigheid, met betrekking tot het aantal cyclus bepaling. Elk monster moet worden geharmoniseerd met de ultrasone hoorn door het veranderen van het model mis om te zorgen voor de juiste resonantiefrequentie van het systeem: Ultrasone hoorn met specimen.

Protocol

Opmerking: Elk specimen van meetkunde moet worden geselecteerd en berekend op basis van de mechanische en fysische eigenschappen van het geteste materiaal, zodat er een identieke resonantiefrequentie als het ultrasoon testsysteem. 1. bepaling van de afmetingen van vermoeidheid Test Specimen Opmerking: De “zandloper” spanning-standaardcompressie specimen geometrie, met gedefinieerde belangrijkste dimensies, wordt weergegeven in <strong class="x…

Representative Results

Vermoeidheid testresultaten omvatten laden van stress, aantal cycli, laden en de test beëindiging karakter (fractuur of run-out) is te zien in tabel 1, waar resultaten van vermoeidheid leven van de 50CrMo4 gehard en getemperd staal worden geleverd. De meest voorkomende interpretatie van de testresultaten van de vermoeidheid-leven is de zogenaamde S – N perceel (S – stress, N – aantal cycli), ook bekend als de de Wöhler plot. De afhankelijkheid van vermoeidheid leven van…

Discussion

Testen van ultrasone vermoeidheid is een van de enkele methoden waarmee het testen van de structurele materialen in het ultra-hoge lussegment. De specimen vorm en grootte zijn echter zeer beperkt met betrekking tot de resonantiefrequentie. Bijvoorbeeld, is testen van dunne platen in de modus van axiale laden over het algemeen niet mogelijk. Daarnaast is testen van grote specimens meestal niet mogelijk, omdat het testen machines geen dergelijke macht bieden en het ontwerpen van een speciale ultrasone systeem zou het verei…

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