Ultraljud trötthet testning i spänning-komprimering läge

Summary

Ett protokoll för ultraljud trötthet testning i regionen high och ultra-hög cykel i axiell spänning-komprimeringsläge lastning.

Abstract

Ultraljud Utmattningsprovning är en av några metoder som möjligt utreda utmattningsegenskaper i ultrahög cykelregionen. Metoden är baserad på utsätta preparatet till längsgående vibrationer på dess resonansfrekvens nära 20 kHz. Med användning av denna metod är det möjligt att avsevärt minska den tid som krävs för test, jämfört med konventionella testning enheter vanligtvis arbetar vid frekvenser under 200 Hz. Det används också för att simulera lastning av material under drift i hög hastighetsförhållanden, såsom de upplevt av komponenter i jetmotorer eller bil turbo pumpar. Det är nödvändigt att driva endast i regionen high och ultra-hög cykel, på grund av möjligheten av extremt hög deformation priser, som kan ha en betydande inverkan på testresultatet. Preparatet form och mått måste vara noggrant utvalda och beräknas för att uppfylla villkoret resonans av ultraljud systemet; Det är således inte möjligt att testa den fullständiga komponenter eller exemplar av godtycklig form. Före varje prov är det nödvändigt att harmonisera preparatet med frekvensen av ultraljud systemet att kompensera för avvikelser av verkliga form från den perfekt. Det går inte att köra ett test till en total fraktur av förlagan, eftersom testet avslutas automatiskt efter initiering och förökningen av sprickan till en viss längd, när styvheten i systemet ändras nog att flytta systemet av resonans frekvens. Detta manuskript beskriver processen med utvärdering av material trötthet egenskaper vid hög frekvens ultraljud trötthet lastning med användning av mekanisk resonans frekvens nära 20 kHz. Protokollet innehåller en detaljerad beskrivning av alla åtgärder som krävs för en korrekt test, inklusive specimen design, stress beräkning, harmonisera med resonansfrekvens, utför testet, och slutliga statisk fraktur.

Introduction

Trötthet skada av strukturella material är starkt ansluten med industrializationen och huvudsakligen med användning av ångamotorn och ånglok för järnvägstransporter, där en massa metall komponenter, främst järn baserat, har använts och hade att klara olika typer av cyklisk belastning. En av de tidigaste testerna utfördes av Albert (Tyskland 1829)¹ på svetsade kedjor för gruvan hissar. Lastning frekvensen var 10 böjar per minut, och maximal tester inspelade nått 100,000 lastning cykler¹. Ett annat viktigt arbete utfördes av William Fairbairn 1864. Tester utfördes på smide balkar med användning av en statisk belastning, som lyftes av en spak och då tappade orsakar vibrationer. Balken var lastad med gradvis ökande lastning stress amplitud. Efter att nå flera hundratusen cykler på olika lastning stress amplituder, till slut girder misslyckades efter bara cirka fem tusen lastning cykler med en lastning amplitud på två femtedelar av den ultimata tänjbara styrkan. Den första omfattande och systematiska studien av påverkan av upprepade stress på strukturella material gjordes av augusti Wöhler 1860-1870¹. För dessa tester, var han med vridning, böjning och axiell belastning lägen. Wöhler konstruerade många unika trötthet testning maskiner, men deras nackdel var låg drift hastigheter, till exempel den snabbast roterande bockmaskin som drivs vid 72 rpm (1,2 Hz), således slutförande av experimentella programmet tog 12 år¹. Efter att utföra dessa tester, ansågs det att efter att ha nått en lastning amplitud som materialet tål 10⁷ cykler, trötthet nedbrytningen är försumbar och materialet tål ett oändligt antal lastning cykler. Denna lastning amplitud utsågs gränsen ”trötthet” och blev den viktigaste parametern i industriell design för många år^2,3.

Vidareutveckling av nya industriella maskiner, som krävs för högre effektivitet och kostnadsbesparingar, hade att ge möjlighet till högre lastning, högre drift hastigheter, högre varaktigheter och hög tillförlitlighet med lågt underhållsbehov. Till exempel komponenter av höghastighetståg Shinkanzen, efter 10 års drift, måste tåla ca 10⁹ cykler och fel i en viktigaste komponent kan ha fatala konsekvenser⁴. Dessutom komponenter av jetmotorer fungerar ofta på 12.000 rpm och komponenter av turbo blåsmaskiner överstiger ofta 17 000 rpm. Dessa höga drift hastigheter ökade krav på livet Utmattningsprovning i så kallade ultrahög cykelregionen och bedöma om utmattningshållfastheten av ett material kan verkligen anses vara konstant för mer än 10 miljoner cykler. Efter de första testerna utförs av överstiger denna uthållighet, det var uppenbart att trötthet fel kan uppstå även vid tillämpad stress amplituder lägre än gränsen på trötthet, efter ett antal cykler mer än 10⁷, och att mekanismen för skador och fel kunde vara annorlunda från vanliga sådana⁵.

Skapa en trötthet testprogram som syftar till att utreda ultrahög cykelregionen krävs utveckling av nya test enheter att starkt öka lastning frekvensen. Ett symposium fokuserade på detta ämne hölls i Paris i juni 1998, där experimentella resultaten presenterades som erhölls genom Stanzl-Tschegg⁶ och Bathias⁷ vid 20 kHz lastning frekvenser, av Ritchie⁸ med användning av 1 kHz stängd slinga servohydrauliska testa maskin, och genom Davidson⁸ med en 1.5 kHz magneto-strictive testning maskin⁴. Från den tiden föreslogs många lösningar, men fortfarande de vanligaste begagnad maskin för denna typ av test är baserad på begreppet Manson från 1950 och använder frekvenser nära 20 kHz⁹. Dessa maskiner uppvisar en bra balans mellan stam hastighet, beslutsamhet noggrannhet antalet cykler, och tidpunkten för testet trötthet (10¹⁰ cykler uppnås i cirka 6 dagar). Andra enheter skulle kunna ge ännu högre lastning frekvenser, som den som används av Girald i 1959-92 kHz och Kikukawa i 1965-199 kHz; dessa används dock sällan eftersom de skapar extremt hög deformation priser och, eftersom testet varar bara några minuter, en anmärkningsvärd fel i den rullande inventering förväntas. En annan viktig faktor som begränsar lastning frekvensen av resonans enheter för Utmattningsprovning är storleken på det exemplaret, som är i direkt relation med resonansfrekvens. Ju större den önskade lastning frekvensen, ju mindre preparatet. Detta är anledningen till frekvenser över 40 kHz är sällan använt¹⁰.

Eftersom förskjutningen amplituden är vanligtvis begränsad inom intervallet mellan 3 och 80 µm, ultraljud Utmattningsprovning kan vara framgångsrikt tillämpas på de flesta metalliska material, även om tekniker för provning av Polymera material såsom PMMA¹¹ och kompositer¹² utvecklades också. Allmänhet, ultraljud Utmattningsprovning är möjligt att utföra i lägen av axiell belastning: tensile – komprimering symmetrisk cykel^13,14, spänning – spänning cykla¹⁵, trepunkts bockning¹⁵, och det finns också några studier med särskilda ändringar av systemet för torsion tester^15,16 och biaxiell böjande¹⁷. Det går inte att använda godtyckliga exemplar, eftersom denna metod, geometri är strikt relaterad till att uppnå resonansfrekvensen 20 kHz. För axiell lastning, har flera typer av exemplar vanligen använts, oftast med ett timglas form med en mätare längd diameter från 3 till 5 mm. För tre-punkt böjning, tunna blad används ofta, och för andra metoder särskilda typer av prover är utformade, enligt vilken metod och testa villkor. Metoden var avsedd för utvärdering av trötthet liv i regionen high och ultra-hög cykel, och detta innebär att en miljon cykler vid 20 kHz lastning, erhålls i 50 s; Detta anses därför oftast den nedre gränsen för lastning cykler som kan undersökas med rimlig noggrannhet, med avseende på antalet cykel bestämning. Varje prov har harmoniseras med ultraljud horn genom att ändra preparatets samlas för att ge systemet rätt resonansfrekvens: ultraljud horn med preparatet.

Protocol

Obs: Varje prov geometri har att väljas ut och beräknas enligt de mekaniska och fysikaliska egenskaperna av de testade materialet, så att den har en identisk resonansfrekvens som ultraljud testning systemet. 1. bestämning av trötthet provkroppen mått Obs: ”Timglas” spänning-standardkomprimering preparatet geometri, med definierade huvuddimensioner, visas i figur 1. Dimensioner d, D, oc…

Representative Results

Trötthet testresultaten inkluderar inläsning av stress, antal lastning cykler, och tecknet test uppsägning (fraktur eller kast) kan ses i tabell 1, där resultaten av trötthet liv av 50CrMo4 härdas och härdat stål tillhandahålls. Den vanligaste tolkningen av testresultaten trötthet liv är den så kallade S – N tomt (S – stress, N – antal cykler), även känd som den Wöhler tomt. Beroendet av trötthet liv på tillämpad lastning stress är ritade i ett diagram …

Discussion

Ultraljud Utmattningsprovning är en av de få metoder som tillåter testning av strukturella material i ultrahög cykelregionen. Men är preparatet form och storlek mycket begränsad när det gäller resonansfrekvens. Exempelvis är testning av tunna blad i funktionsläget av axiell belastning i allmänhet inte möjligt. Dessutom är test av stora exemplar vanligtvis inte möjligt, eftersom testa maskinerna inte tillhandahåller sådan makt och det skulle kräva att utformningen av ett särskilt ultraljud system.

<p…

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