Ultralyd træthed test i tilstanden spændinger-komprimering

Summary

En protokol til ultralyd træthed test i høj- og ultrahøj cyklusområdet i aksiale spændinger-komprimering lastning tilstand.

Abstract

Ultralyd træthed test er en af et par metoder, som gør det muligt at undersøge træthed egenskaber i ultra-høj cyklusområdet. Metoden er baseret på udsætte prøven til langsgående vibrationer på sin resonansfrekvens tæt på 20 kHz. Med brug af denne metode er det muligt at signifikant fald den tid, der kræves til test, sammenlignet med konventionelle test enheder normalt arbejder ved frekvenser under 200 Hz. Det er også bruges til at simulere indlæsning af materiale under drift under høje hastighed betingelser, såsom dem, der opleves af komponenter af jetmotorer eller bil turbo pumper. Det er nødvendigt at operere kun i høj- og ultrahøj cyklusområdet, på grund af muligheden for ekstremt høje deformation satser, der kan have en betydelig indflydelse på testresultaterne. Modellen form og dimensioner skal være omhyggeligt udvalgt og beregnet til at opfylde betingelsen resonans af ultralyd systemet; Det er således ikke muligt at teste fuld komponenter eller enheder af vilkårlig form. Foer hver proeve er det nødvendigt at harmonisere modellen med hyppigheden af ultralyd systemet til at kompensere for afvigelser af den reelle form fra den ideelle en. Det er ikke muligt at køre en test indtil en samlet fraktur af modellen, da testen afsluttes automatisk efter indledningen og formering af knæk hen til en vis længde, når stivhed af systemet ændrer nok til at skifte system ud af resonans frekvens. Dette manuskript beskriver processen for evaluering af materialer træthed egenskaber ved høj frekvens ultralyd træthed indlæsning med brug af mekaniske resonans med en frekvens tæt på 20 kHz. Protokollen indeholder en detaljeret beskrivelse af alle trin påkrævet for en korrekt test, herunder modellen design, stress beregning, harmonisere med den resonansfrekvens, udfører test, og endelige statisk fraktur.

Introduction

Træthed beskadigelse af strukturelle materialer er stærkt forbundet med industrialiseringen og især med brug af dampmaskinen og damplokomotiver til jernbanetransport, hvor en masse metal komponenter, hovedsageligt jern baseret, har været brugt og var nødt til at modstå forskellige slags cyklisk belastning. En af de tidligste tests blev udført af Albert (Tyskland 1829)¹ på svejsede kæder for mine hejseværker. Lastning frekvensen var 10 bøjninger pr. minut, og maksimale tests indspillet nået 100.000 lastning cykler¹. Et andet vigtigt arbejde blev udført af William Fairbairn i 1864. Tests blev udført på smedejern dragere med brug af statisk belastning, som blev løftet af et håndtag og derefter faldt forårsager vibrationer. Bjælke var lastet med gradvist stigende lastning stress amplitude. Efter at nå flere hundrede tusinde cykler på forskellige lastning stress amplituder, i sidste ende bjælke mislykkedes efter næsten fem tusind lastning cyklusser med en loading amplitude på to femtedele af den trækstyrke. Den første omfattende og systematisk undersøgelse af gentagne stress indflydelse på strukturelle materialer blev udført af August Wöhler i 1860-1870¹. For disse forsøg brugte han torsion, bukning og aksial belastning tilstande. Wöhler designet mange unikke træthed test maskiner, men deres ulempe var lav operation hastigheder, for eksempel den hurtigst roterende bøjning maskine drives på 72 rpm (1,2 Hz), dermed afslutningen af programmet eksperimentelle tog 12 år¹. Efter udførelsen af disse test, fandtes det, at efter at nå en loading amplitude hvor materialet tåler 10⁷ cyklusser, træthed nedbrydning er ubetydelig og materialet, der kan modstå et uendeligt antal af lastning cyklusser. Denne ladning amplitude blev opkaldt “træthed limit” og blev den vigtigste parameter i industrielt design for mange år^2,3.

Yderligere udvikling af nye industrielle maskiner, som kræves højere effektivitet og omkostningsbesparelser, måtte give muligheden for højere lastning, højere operation hastigheder, højere varigheder og høj pålidelighed med lav vedligeholdelseskrav. For eksempel, komponenter af højhastighedstog Shinkanzen, efter 10 års drift, har til at modstå ca 10⁹ cyklusser og svigt af en hovedbestanddel kan have fatale følger⁴. Derudover komponenter af jetmotorer opererer ofte på 12.000 rpm, og komponenter af turbo blæsere overstiger ofte 17.000 rpm. Disse høje operation hastigheder øgede krav til træthed liv test i den såkaldte ultra-høj cyklusområdet, og at vurdere, om træthed styrken af et materiale kan virkelig anses for konstant for mere end 10 millioner cykler. Efter de første test udført af overstiger denne udholdenhed, det var indlysende, at træthed fejl kan forekomme selv ved anvendt stress amplituder lavere end grænsen, træthed, efter et antal cyklusser meget mere end 10⁷, og at den skader og manglende mekanisme kunne være forskellig fra den sædvanlige dem⁵.

Oprettelse af en træthed testprogram til formål at undersøge ultra-høj cyklusområdet kræves udvikling af nye test udstyr til kraftigt øge lastning frekvens. Et symposium med fokus på dette emne blev afholdt i Paris i juni 1998, hvor eksperimentelle resultater blev præsenteret som blev fremstillet af Stanzl-Tschegg⁶ og Bathias⁷ til 20 kHz lastning frekvenser, ved Ritchie⁸ med brug af 1 kHz lukket sløjfe servo-hydraulisk test maskine, og af Davidson⁸ med en 1.5 kHz magneto-strictive test maskine⁴. Fra tid, blev mange løsninger foreslået, men stadig de mest almindeligt anvendte maskine til denne slags test er baseret på begrebet Manson fra 1950 og bruger frekvenser tæt på 20 kHz⁹. Disse maskiner udviser en god balance mellem stamme sats, bestemmelse nøjagtigheden af antallet af cyklusser, og tidspunktet for træthed test (10¹⁰ cyklusser er nået i cirka 6 dage). Andre enheder var købedygtig levere endnu højere lastning frekvenser, som bruges af Girald i 1959-92 kHz og Kikukawa i 1965-199 kHz; disse bruges dog sjældent, fordi de skaber ekstremt høje deformation priser og da testen varer kun få minutter, en bemærkelsesværdig fejl i løbende lageroptælling forventes. En anden vigtig faktor begrænse lastning hyppigheden af resonans enheder til træthed test er størrelsen af modellen, som er i direkte forbindelse med resonansfrekvens. Jo større den anmodede lastning frekvens, jo mindre modellen. Dette er grunden til hvorfor frekvenser over 40 kHz er sjældent brugt¹⁰.

Da forskydning amplitude er normalt begrænset inden for intervallet mellem 3 og 80 µm, ultralyd træthed test kan være med held anvendes på mest metalliske materialer, selv om teknikker til afprøvning af polymere materialer såsom PMMA¹¹ og kompositter¹² blev også udviklet. Generelt, ultralyd træthed test er muligt at udføre i tilstande af aksial belastning: trækstyrke – komprimering symmetrisk cyklus^13,14, spændinger – spændinger cyklus¹⁵, tre-punkts bøjning¹⁵, og der er også et par undersøgelser med særlige ændringer af ordningen for torsion test^15,16 og biaksiale bøjning¹⁷. Det er ikke muligt at anvende vilkårlige prøver, fordi for denne metode, geometri er strengt relateret til at opnå resonansfrekvens 20 kHz. Til aksial lastning, har flere typer af enheder været almindeligt anvendt, normalt med en time-glas figur med et gauge længde diameter fra 3 til 5 mm. Tre-punkts bøjning, tynde plader er almindeligt anvendt, og andre særlige typer af enheder er designet, ifølge hvilken metode og teste betingelser. Metoden blev udviklet til evaluering af træthed liv i høj- og ultrahøj cyklusområdet, og det betyder, at en million cyklusser på 20 kHz lastning, er fremstillet i 50 s; Det anses derfor, normalt nederste grænse for lastning cyklusser, som kan undersøges med rimelig nøjagtighed, med hensyn til antallet af cyklus bestemmelse. Hvert eksemplar har harmoniseres med ultralyd horn ved at ændre den prøveeksemplar masse for at give den rigtige resonansfrekvens af systemet: ultralyd horn med modellen.

Protocol

Bemærk: Hver prøve geometri har skal vælges og beregnes i overensstemmelse med de mekaniske og fysiske egenskaber af de testede materiale, således at det har en identisk resonansfrekvens som ultralyd test systemet. 1. bestemmelse af træthed prøveemne dimensioner Bemærk: “Timeglas” spænding-standardkomprimering prøvemateriale geometri, med definerede vigtigste dimensioner, er vist i figur 1. Dimensioner <e…

Representative Results

Træthed testresultater omfatter lastning stress, antallet af cyklusser, og test opsigelse karakter (fraktur eller run-out) kan ses i tabel 1, hvor resultaterne af træthed livet af 50CrMo4 bratkølet og hærdet stål leveres. Den mest almindelige fortolkning af træthed liv testresultater er de såkaldte S – N plot (S – stress, N – antal cyklusser), også kendt som Wöhler’s plot. Afhængighed af træthed liv anvendt lastning stress er afbildet i et diagram med historisk…

Discussion

Ultralyd træthed test er en af de få metoder, som giver mulighed for prøvning af de strukturelle materialer i ultra-høj cyklusområdet. Men modellen form og størrelse er meget begrænset med hensyn til resonansfrekvens. For eksempel, er test af tynde plader i tilstanden af aksial belastning generelt ikke muligt. Desuden er test af store eksemplarer normalt ikke muligt, fordi de test maskiner giver ikke sådan magt og det ville kræve design af en særlig ultralyd system.

Korrekt design, b…

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