Ultralyd tretthet Testing i spenning-komprimering modus

Summary

En protokoll for ultralyd tretthet i høy og ultrahøy gjentakelsesområdet i aksial spenning-Komprimeringsmodus lasting.

Abstract

Ultralyd tretthet testing er en av noen metoder som lar undersøker tretthet egenskaper i ultrahøy gjentakelsesområdet. Metoden er basert på utsette å langsgående vibrasjoner på sin resonansfrekvens nær 20 kHz. Med bruk av denne metoden er det mulig å betydelig redusere tiden for testen, sammenlignet med konvensjonelle testing enheter vanligvis arbeider på frekvenser under 200 Hz. Det er også brukt til å simulere lasting av materiale under operasjon i høy hastighet forhold, slik som de av komponenter i jetmotorene eller bil turbo pumper. Det er nødvendig å operere i regionen høy og ultrahøy syklus, på grunn av muligheten for ekstremt høy deformasjon priser, som kan ha en betydelig innflytelse på testresultatene. Prøven form og dimensjoner må være nøye valgt og kalkulert for å oppfylle betingelsen resonans av ultralyd systemet; Dermed er det ikke mulig å teste hele komponenter eller av vilkårlig figur. Før hver test er det nødvendig å harmonisere prøven med frekvensen til ultralyd systemet å kompensere for avvik av den virkelige formen fra den ideelle. Det er ikke mulig å kjøre en test før totale brudd i prøven, siden testen automatisk avsluttes etter initiering og overføring av sprekk til en bestemt lengde, når stivhet av systemet endres nok å skifte systemet ut av resonans frekvens. Dette manuskriptet beskriver prosessen for evaluering av materialers tretthet egenskaper ved høyfrekvente ultralyd tretthet lasting med bruk av mekaniske resonans med en frekvens nær 20 kHz. Protokollen inneholder en detaljert beskrivelse av alle trinnene som er nødvendig for en riktig test, inkludert prøven design, stress beregning, harmonisering med resonans frekvensen test og endelige statiske brudd.

Introduction

Trøtthet skade av strukturelle materialer er sterkt knyttet industrialisering og hovedsakelig med bruk av dampmaskiner og damplokomotiver jernbanetransport, hvor mange metall komponenter, hovedsakelig jern basert, er blitt brukt og måtte tåle ulike typer syklisk lasting. En av de tidligste testene ble gjort av Albert (Tyskland 1829)¹ på sveiset kjeder til min heiser. Lasting frekvensen var 10 svinger per minutt, og maksimale tester innspilte nådde 100000 lasting sykluser¹. En annen viktig arbeid ble utført av William Fairbairn i 1864. Testene ble utført på smijern dragere med bruk av en statisk belastning, som ble løftet en spaken og deretter falt forårsaker vibrasjoner. Bjelke var lastet med gradvis øke lessing stress amplitude. Etter å nå flere hundre tusen sykluser på ulike lasting stress amplituder, til slutt bjelke mislyktes etter omtrent fem tusen lasting sykluser på en lasting amplituden til to femtedeler av den ultimate strekkfasthet. Den første omfattende og systematisk studien av påvirkning av gjentatt stress på strukturelle materialer ble gjort av August avslutet i 1860-1870¹. For disse testene, var han bruker torsjon, bøying og aksial lasting moduser. Avslutet laget mange unike tretthet testing maskiner, men ulempen var lav drift hastighet, for eksempel raskest roterende bøying maskinen drives på 72 rpm (1,2 Hz), dermed gjennomføringen av eksperimentelle programmet tok 12 år¹. Etter utfører disse testene, var det ansett som at etter å ha nådd en lasting amplituden som materiale tåler 10⁷ sykluser, tretthet nedbrytning er ubetydelig og materialet tåler et uendelig antall lasting sykluser. Denne lasting amplituden het “tretthet limit” og ble det viktigste parameteren i industriell design for mange år^2,3.

Videre utvikling av nye industrielle maskiner som krevde høyere effektivitet og kostnadsbesparelser, hadde å gi mulighet for høyere lasting, operasjon raskere, høyere varighet og høy pålitelighet med lave vedlikeholdskrav. For eksempel komponenter av høyhastighets tog Shinkanzen, etter 10 år, måtte tåle ca 10⁹ sykluser og svikt i viktigste komponenten kan ha fatale konsekvenser⁴. Videre komponenter jetmotoren opererer ofte på 12 000 rpm, og komponentene i turbo blåsere overstiger ofte 17 000 rpm. De høye operasjonen hastigheter økte krav til trøtthet livet testing i såkalte ultrahøy gjentakelsesområdet og vurdere om tretthet styrken av et materiale kan virkelig anses konstant for mer enn 10 millioner sykluser. Etter de første testene utføres ved å overskride denne utholdenhet, var det tydelig at tretthet feil kan oppstå selv om anvendt stress amplituder lavere enn den tretthet, etter flere sykluser mye mer enn 10⁷, og som skader og manglende mekanismen kan være forskjellig fra vanlig de⁵.

Opprette et tretthet testprogram rettet undersøker ultrahøy gjentakelsesområdet må utviklingen av nye testing enheter til sterkt øke lessing frekvensen. Et symposium fokusert på dette emnet ble holdt i Paris i juni 1998, der eksperimentelle resultatene ble presentert som ble oppnådd ved Stanzl-Tschegg-⁶ og Bathias⁷ på 20 kHz lasting frekvenser, av Ritchie⁸ med bruk av 1 kHz lukket sløyfe servo-hydraulisk tester maskinen, og av Davidson⁸ med en 1,5 kHz magneto-strictive testing machine⁴. Fra den tiden, ble mange løsninger foreslått, men fortsatt mest vanligvis brukte maskinen for denne slags test er basert på konseptet av Manson fra 1950 og bruker frekvenser nær 20 kHz⁹. Disse maskinene viser en god balanse mellom belastning rate, besluttsomhet nøyaktigheten av antall sykluser, og tidspunktet for tretthet testen (10¹⁰ sykluser er oppnådd i ca 6 dager). Andre enheter kunne levere enda høyere lasting frekvenser, som brukes av Girald i 1959-92 kHz og Kikukawa i 1965-199 kHz; men brukes disse sjelden fordi de skaper svært høye deformasjon priser, og siden testen varer bare få minutter, en bemerkelsesverdig feil i den periodiske tellingen forventes. En annen viktig faktor som begrenser lasting frekvensen av resonans enheter for tretthet testing er størrelsen på prøven, som har direkte sammenheng med resonans frekvensen. Jo større forespurte lasting frekvensen, mindre prøven. Dette er grunnen til hvorfor frekvenser over 40 kHz er sjeldent brukte¹⁰.

Siden forskyvning amplituden er vanligvis begrenset innen intervallet mellom 3 og 80 µm, ultralyd tretthet testing kan være vellykket anvendt på mest metalliske materialer, skjønt teknikker for testing av polymere materialer som PMMA¹¹ og sammensetninger¹² ble også utviklet. Vanligvis ultralyd tretthet testing er mulig å utføre i moduser av aksial lasting: strekk – komprimering symmetrisk syklus^13,14, spenning – spenning syklus¹⁵, tre-punkts bøying¹⁵, og det er også noen studier med spesielle modifikasjoner av systemet for torsjon^15,16 og biaxial bøying¹⁷. Det er ikke mulig å bruke vilkårlig prøver, fordi denne metoden, geometri er strengt knyttet til å oppnå resonans frekvensen av 20 kHz. For aksial lasting, har flere typer eksemplarer blitt vanlig, vanligvis med en time-glass figur med måle lengden diameter fra 3 til 5 mm. Tre-punkts bøying, tynne ark brukes ofte og for andre spesielle typer prøver er utformet, i henhold til hvilken metode og teste betingelser. Metoden ble utviklet for evaluering av tretthet livet i høy og ultrahøy gjentakelsesområdet, og dette betyr at på 20 kHz lasting, hentes en million sykluser i 50 s; Derfor regnes dette vanligvis nedre grensen på lasting sykluser som kan undersøkes med rimelig nøyaktighet, med hensyn til antall syklus besluttsomhet. Hver prøven har å bli harmonisert med ultralyd Hornet ved å endre prøvens masse for å gi riktig resonans frekvensen av systemet: ultralyd horn med prøven.

Protocol

Merk: Hver prøven geometri har valgt og beregnet etter de mekaniske og fysiske egenskapene av testet, slik at den har en identisk resonansfrekvens som ultralyd testsystem. 1. fastsettelse av tretthet Test prøven dimensjoner Merk: Standard “timeglass” spenning-komprimering prøven geometri, med definerte hovedmål, er vist i figur 1. Dimensjoner d, D, og r er brukerdefinerte (independen…

Representative Results

Trøtthet testresultater inkluderer lasting stress, antall lasting sykluser, og test oppsigelse tegnet (brudd eller gå ut) kan sees i tabell 1, der resultatene av tretthet i 50CrMo4 slukket og herdet stål tilbys. Den vanligste tolkningen av tretthet livet testresultatene er såkalte S – N plot (S – stress, N – antall sykluser), også kjent som den avslutet tomten. Avhengigheten av tretthet livet anvendt lasting stress er plottet i et diagram med historisk gitt omvendt a…

Discussion

Ultralyd tretthet testing er en av få metoder som gjør testing av strukturelle materialet i ultrahøy gjentakelsesområdet. Prøven form og størrelse er imidlertid svært begrenset med hensyn til resonans frekvensen. For eksempel er testing av tynne ark i modus av aksial lasting vanligvis ikke mulig. I tillegg er testing av store prakteksemplarer vanligvis ikke mulig, fordi testing maskiner gir ikke slik makt, og det ville kreve utformingen av et spesielt ultralyd system.

Riktig design, ber…

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