Fadiga ultra-sônico de teste no modo de tensão-compressão

Summary

Um protocolo para fadiga ultra-sônico testes na região de ciclo de alta e ultra alta no modo de carga de tensão-compressão axial.

Abstract

Teste de fadiga ultra-sônico é um dos alguns métodos que permitem investigar Propriedades de fadiga na região de ciclo ultra alta. O método baseia-se em expor o espécime de vibrações longitudinais na sua frequência de ressonância, perto de 20 kHz. Com o uso desse método, é possível diminuir significativamente o tempo necessário para o teste, quando comparado aos dispositivos de teste convencionais geralmente trabalham em frequências abaixo dos 200 Hz. Ele também é usado para simular a carga de material durante a operação em condições de alta velocidade, tais como aqueles vividos pelos componentes de motores a jato ou carro turbo bombas. É necessário operar apenas na região de ciclo de alta e ultra alta, devido à possibilidade de taxas de deformação extremamente elevado, que pode ter uma influência significativa sobre os resultados do teste. Dimensões e forma da amostra tem que ser cuidadosamente selecionadas e calculada para satisfazer a condição de ressonância do sistema ultra-sônico; assim, não é possível testar os componentes completo ou espécimes de forma arbitrária. Antes de cada ensaio, é necessário harmonizar a amostra com a frequência do sistema ultra-sônico para compensar os desvios da forma real do ideal. Não é possível executar um teste até uma fratura total da amostra, uma vez que o teste é encerrado automaticamente após a iniciação e propagação do crack a um determinado período, quando a rigidez do sistema muda o suficiente para deslocar o sistema fora da ressonância frequência. Este manuscrito descreve o processo de avaliação de fadiga dos materiais, propriedades em alta frequência ultra-sônica fadiga carregando com usam de ressonância mecânica em uma frequência perto de 20 kHz. O protocolo inclui uma descrição detalhada de todas as etapas necessárias para um teste correto, incluindo o projeto de amostra, cálculo de stress, harmonizando-se com a frequência de ressonância, realizando o teste e fratura estática final.

Introduction

Danos de fadiga dos materiais estruturais é fortemente conectado com a industrialização e principalmente com o uso do motor a vapor e locomotivas a vapor para o transporte ferroviário, onde um monte de componentes metálicos, principalmente ferro baseado, têm sido usados e teve de suportar vários tipos de carregamento cíclico. Um dos primeiros testes foi feito por Albert (Alemanha 1829)¹ soldada correntes para talhas elétricas de mina. A frequência de carregamento foi 10 curvas por minuto, e o máximo testes gravados atingiu 100.000 ciclos¹a carregar. Outro importante trabalho foi realizado por William Fairbairn em 1864. Testes foram realizados em vigas de ferro com o uso de uma carga estática, o que foi levantado por uma alavanca e depois caiu causa vibrações. A viga foi carregada com aumentando gradualmente a carga stress amplitude. Depois de chegar a várias centenas de milhar ciclos em várias amplitudes de stress, na extremidade da viga de carregamento falhou depois de apenas cerca de cinco mil ciclos de carregamento em uma amplitude de carregamento de dois quintos da resistência à tração. O primeiro estudo abrangente e sistemático da influência do estresse repetido em materiais estruturais foi feito por August Wöhler em 1860-1870¹. Para estes testes, ele estava usando torção, flexão e modos de carregamento axial. Wöhler projetado muitos fadiga exclusivo teste de máquinas, mas sua desvantagem foi operação baixas velocidades, por exemplo, a máquina de dobra mais rápido rotativa operada em 72 rpm (1,2 Hz), assim, a conclusão do programa experimental levou 12 anos¹. Após a realização destes testes, considerou-se que, depois de atingir uma amplitude de carregamento, em que o material suporta 10 ciclos de⁷ , a degradação de fadiga é insignificante e o material pode suportar um número infinito de ciclos de carregamento. Esta amplitude de carregamento foi nomeado o “limite de fadiga” e se tornou o principal parâmetro em desenho industrial por muitos anos^2,3.

Desenvolvimento de novas máquinas industriais, que exigido maior eficiência e economia de custos, tinha que fornecer a possibilidade de carregamento superior, maior velocidade de operação, maior duração e alta confiabilidade com requisitos de baixa manutenção. Por exemplo, componentes do trem de alta velocidade Shinkanzen, após 10 anos de operação, têm de suportar cerca de 10 ciclos de⁹ , e a falha de um componente principal pode ter consequências fatais⁴. Além disso, componentes de motores de jato operam frequentemente a 12.000 rpm e componentes dos ventiladores turbo muitas vezes superior a 17.000 rpm. Essas operação alta velocidades exigências aumentadas para teste de vida de fadiga na região chamada ciclo ultra alta e para avaliar se a força de fadiga de um material pode ser realmente considerada constante para mais de 10 milhões de ciclos. Após os primeiros testes realizados por superior a esta resistência, era óbvio que falhas de fadiga podem ocorrer mesmo em amplitudes de estresse aplicada menores do que o limite de fadiga, após um número de ciclos de muito mais do que 10⁷e que o mecanismo de dano e falha poderia ser diferente do habitual os⁵.

Criação de um programa de teste de fadiga visto investigar a região de ultra-alta ciclo exigido o desenvolvimento de novos dispositivos de teste para aumentar fortemente a frequência de carregamento. Um simpósio focado sobre este tema foi realizada em Paris em junho de 1998, onde experimental foram apresentados resultados que foram obtidos por Stanzl-Tschegg⁶ e Bathias⁷ a 20 kHz, carregando frequências, Ritchie⁸ com o uso de 1KHz fechado loop servo-hidráulicos testando a máquina e por Davidson⁸ com um 1,5 kHz magneto-strictive teste máquina⁴. A partir desse momento, muitas soluções foram propostas, mas ainda mais comumente a máquina usada para este tipo de teste é baseada no conceito de Manson de 1950 e usa as frequências perto 20KHz⁹. Estas máquinas apresentam um bom equilíbrio entre a taxa de deformação, a precisão da determinação do número de ciclos e o tempo do teste de fadiga (10¹⁰ ciclos são alcançados em aproximadamente 6 dias). Outros dispositivos foram capazes de fornecer ainda maiores frequências de carregamento, como aquele usado pelo Girald em 1959-92 kHz e Kikukawa em 1965-199 kHz; no entanto, estes são raramente usados porque eles criam taxas extremamente altas de deformação e, uma vez que o teste dura apenas alguns minutos, um erro notável na ciclo de contagem é esperado. Outro fator importante limitar a frequência de carregamento de dispositivos de ressonância para o ensaio de fadiga é o tamanho da amostra, que está em relação direta com a frequência de ressonância. Quanto maior a frequência de carregamento solicitada, quanto menor a amostra. Esta é a razão por que frequências acima de 40 kHz são usados raramente¹⁰.

Desde que a amplitude de deslocamento é geralmente limitada dentro do intervalo entre 3 e 80 µm, testes de fadiga ultra-sônico podem ser com êxito aplicada em materiais mais metálicos, embora técnicas para teste de materiais poliméricos como PMMA¹¹ e compósitos¹² também foram desenvolvidos. Geralmente, testes de fadiga ultra-sônico são possível executar em modos de carregamento axial: tração – compressão simétrica ciclo^13,14, tensão – tensão do ciclo¹⁵,¹⁵, de flexão de três pontos e também há alguns estudos com modificações especiais do sistema para teste de^15,16 e flexão biaxial¹⁷da torsão. Não é possível usar amostras arbitrárias, pois para este método, a geometria está estritamente relacionada para alcançar a frequência de ressonância de 20 kHz. Para o carregamento axial, diversos tipos de espécimes têm sido comumente utilizados, geralmente com uma forma de ampulheta, com um diâmetro de comprimento de bitola de 3 a 5 mm. Para os três pontos de dobra, chapas finas são comumente usadas, e para outros métodos de tipos especiais de espécimes são projetados, de acordo com o tipo de método e condições de teste. O método foi projetado para avaliação da vida de fadiga na região de ciclo de alta e ultra alta, e isso significa que a carga de 20 kHz, 1 milhão de ciclos é obtido em 50 s; Portanto, isto é geralmente considerado como o limite inferior de ciclos, que podem ser investigados com precisão razoável, em relação ao número de determinação de ciclo de carregamento. Cada amostra tem de ser harmonizado com o chifre ultra-sônico, alterando a massa da amostra para fornecer a frequência de ressonância certa do sistema: chifre ultra-sônico com espécime.

Protocol

Nota: Geometria de cada amostra tem que ser selecionado e calculado de acordo com as propriedades físicas e mecânicas do material testado, para que ele tenha uma frequência de ressonância idêntico como o sistema de teste ultra-sônico. 1. determinação da dimensão de amostra teste fadiga Nota: A geometria do espécime de tensão-compressão padrão “ampulheta”, com dimensões definidas principais, é mostrada na Fig…

Representative Results

Resultados de teste de fadiga incluem stress, número de ciclos de carregamento de carga e o caractere de finalização do teste (fratura ou run-out) pode ser visto na tabela 1, onde os resultados da vida de fadiga do 50CrMo4 saciada e aço temperado são fornecidos. Interpretação dos resultados do teste de vida de fadiga mais comum é o chamado S – N conspiração (S – stress, N – número de ciclos), também conhecido como do Wöhler. A dependência da vida de fadiga a…

Discussion

Teste ultra-sônico fadiga é um dos poucos métodos que permite testes dos materiais estruturais na região de ciclo ultra alta. No entanto, a amostra de forma e tamanho são muito limitados no que diz respeito a frequência de ressonância. Por exemplo, testes de chapas finas na modalidade de carregamento axial geralmente não é possível. Além disso, testes de espécimes grandes geralmente não é possível, porque as máquinas de testes não fornecer tal poder e exigiria a concepção de um sistema ultra-sônico es…

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