الموجات فوق الصوتية التعب الاختبار في وضع ضغط التوتر

Summary

بروتوكول للموجات فوق الصوتية التعب التجارب في منطقة دورة عالية وعالية جداً في وضع تحميل ضغط التوتر المحوري.

Abstract

اختبار الموجات فوق الصوتية التعب هي واحدة من عدد قليل من الطرق التي تسمح للتحقيق في خصائص التعب في منطقة دورة فائقة. ويستند الأسلوب تعريض العينة إلى اهتزازات طولية على ما تردد صدى ما يقرب من 20 كيلو هرتز. باستخدام هذا الأسلوب، من الممكن أن تنخفض إلى حد كبير الوقت اللازم للاختبار، مقارنة بأجهزة فحص التقليدية التي عادة ما تعمل بترددات تقل عن 200 هرتز. فإنه يستخدم أيضا لمحاكاة تحميل المواد أثناء عملية في ظروف عالية السرعة، مثل تلك التي يعاني منها مكونات المحركات النفاثة أو سيارة المضخات التوربينية. من الضروري أن تعمل فقط في المنطقة دورة عالية وعالية جداً، بسبب إمكانية معدلات التشوه عالية للغاية، والتي يمكن أن يكون لها تأثير كبير على نتائج الاختبار. شكل العينة والأبعاد يجب أن تكون مختارة بعناية وتحسب للوفاء بالشرط صدى للنظام بالموجات فوق الصوتية؛ وهكذا، من غير الممكن لاختبار المكونات كاملة أو عينات من الشكل التعسفي. من الضروري قبل كل اختبار، للمواءمة بين العينة مع تواتر هذا النظام بالموجات فوق الصوتية للتعويض عن انحرافات الشكل الحقيقي من واحدة مثالية. من غير الممكن لتشغيل اختبار حتى كسر إجمالي للعينة، حيث يتم إنهاء الاختبار تلقائياً بعد بدء ونشر الكراك لمدة معينة، عند تغيير صلابة النظام ما يكفي لإزاحة النظام من صدى التردد. ويصف هذه المخطوطة في عملية تقييم التعب مواد خصائص في التعب بالموجات فوق الصوتية عالية التردد تحميل باستخدام الرنين الميكانيكي بتردد ما يقرب من 20 كيلو هرتز. البروتوكول يتضمن وصفاً مفصلاً لجميع الخطوات المطلوبة من أجل اختبار صحيحة، بما في ذلك تصميم العينة وحساب الإجهاد، ومواءمة مع تردد صدى، إجراء اختبار، وكسر الثابتة النهائية.

Introduction

الأضرار التعب من المواد الإنشائية بشدة متصلة بالتصنيع، وأساساً مع استخدام محرك بخارى والقاطرات البخارية للنقل بالسكك الحديدية، التي استخدمت فيها الكثير من المكونات المعدنية، أساسا من الحديد، وقد تحمل مختلف أنواع التحميل دوري. أحد الاختبارات أقرب فعل ألبرت (ألمانيا عام 1829)¹ في سلاسل ملحومة لروافع الألغام. تواتر تحميل 10 الانحناءات الدقيقة، واختبارات الأعلى 100,000 بلغت مسجل تحميل دورات¹. عمل مهم آخر نفذه فيربيرن ويليام في عام 1864. وأجريت اختبارات على عوارض الحديد المطاوع مع استخدام حمولة ساكنة، التي رفعت برافعة وأسقط تسبب الاهتزازات. العارضة كانت محملة بتحميل ضغط متزايد تدريجيا السعة. بعد التوصل إلى عدة مئات من الآلاف دورات على مختلف فشل تحميل ستريك الإجهاد، في نهاية المطاف العارضة بعد فقط حوالي خمسة آلاف تحميل دورات في سعة تحميل خمسي من قوة الشد في نهاية المطاف. كان ذلك أول دراسة شاملة ومنهجية عن تأثير الإجهاد المتكررة على المواد الإنشائية قبل آب/أغسطس Wöhler في 1860-1870¹. لهذه الاختبارات، أنه تم استخدام التواء والانحناء وطرق التحميل المحوري. Wöhler صمم العديد من التعب فريدة اختبار آلات، ولكن صالحهم سرعات التشغيل منخفضة، على سبيل المثال آلة الانحناء الدورية الأسرع يعمل 72 لفة في الدقيقة (1.2 هرتز)، ومن ثم الانتهاء من البرنامج التجريبي استغرق 12 سنة¹. بعد إجراء هذه الاختبارات، فقد اعتبر أن بعد بلوغ سعة تحميل الذي يقاوم المواد 10⁷ دورات، تدهور التعب لا يكاد يذكر والمواد التي يمكن أن تحمل عدد لا حصر له من تحميل دورات. السعة تحميل هذا كان اسمه "حد التعب" وأصبحت المعلمة الرئيسية في التصميم الصناعي للعديد من السنوات^2،3.

أن المزيد من تطوير الآلات الصناعية الجديدة، التي تتطلب مستوى أعلى من الكفاءة وتحقيق وفورات في التكاليف، توفر إمكانية تحميل أعلى، أعلى بسرعة العملية والمدد العالي وموثوقية عالية مع متطلبات صيانة منخفضة. على سبيل المثال، العناصر للقطار فائق السرعة شينكانزين، بعد 10 سنوات عملية، يجب أن تحمل حوالي 10⁹ دورات، ويمكن أن يكون فشل المكون الرئيسي عواقب مهلكة⁴. وعلاوة على ذلك، كثيرا ما تعمل مكونات المحركات النفاثة في 12,000 دورة في الدقيقة، وكثيراً ما تتجاوز مكونات المخبرين توربو 17,000 لفة في الدقيقة. بسرعة هذه العملية عالية زيادة الاحتياجات من التعب اختبار الحياة في منطقة ما يسمى دورة فائقة، وتقييم ما إذا كانت قوة التعب من مادة يمكن حقاً النظر المستمر لدورات أكثر من 10 مليون. بعد التجارب الأولى التي يؤديها تتجاوز هذا التحمل، فمن الواضح أن فشل التعب يمكن أن يحدث حتى في الاتساع الإجهاد المطبق أقل من الحد الأقصى، والتعب بعد عدد من دورات أكثر بكثير من 10⁷، وأن الآلية الأضرار والفشل يمكن أن يكون مختلفاً عن المعتاد منها⁵.

إنشاء برنامج اختبار تعب الرامية إلى التحقيق في منطقة دورة فائقة تتطلب تطوير أجهزة الاختبار الجديد بشدة زيادة تواتر تحميل. وركزت على هذا الموضوع عقدت ندوة في باريس في حزيران/يونيه 1998، حيث تجريبية عرضت النتائج التي تم الحصول عليها التي ستنزل تشيج⁶ وأغلقت باتيس⁷ في 20 كيلوهرتز تحميل الترددات، ريتشي⁸ باستخدام 1 كيلو هرتز حلقة مضاعفات الهيدروليكية اختبار الجهاز، وقبل ديفيدسون⁸ مع آلة اختبار 1.5 كيلو هرتز مغناطيسي-ستريكتيفي⁴. من ذلك الوقت، تم اقتراح العديد من الحلول، لكن لا يزال الأكثر استخداماً تستخدم آلة لهذا النوع من اختبار يستند إلى مفهوم مانسون من عام 1950 ويستخدم ترددات قريبة من 20 كيلوهرتز⁹. هذه الآلات يحمل توازن جيد بين معدل الإجهاد، ودقة تحديد عدد الدورات، ووقت الاختبار التعب (10¹⁰ دورات تتحقق في 6 أيام تقريبا). أجهزة أخرى كانت قادرة على توفير ترددات التحميل حتى أعلى، مثل تلك المستخدمة من قبل جيرالد في 1959-92 كيلو هرتز وكيكوكاوا في عام 1965-199 كيلوهرتز؛ ومع ذلك، نادراً ما تستخدم هذه نظراً لأنها تخلق معدلات عالية للغاية من التشوه، وحيث يستمر الاختبار لبضع دقائق فقط، خطأ ملحوظ في عد دورة المتوقع. عامل مهم آخر الحد من تواتر تحميل أجهزة الرنين لاختبار التعب هو حجم العينة، وفي علاقة مباشرة مع تردد صدى. كلما زاد التردد التحميل المطلوبة، وكلما صغر حجم العينة. وهذا هو السبب الذي يجعل ترددات فوق 40 كيلو هرتز نادراً ما تستخدم¹⁰.

منذ السعة التشرد يقتصر عادة ضمن الفاصل الزمني بين 3 و 80 ميكرومتر، الفحص بالموجات فوق الصوتية التعب يمكن بنجاح تطبيقها على المواد المعدنية الأكثر، على الرغم من تقنيات لاختبار المواد البوليمرية مثل البولي ميثيل ميثا اكريلات¹¹ و كما تم تطوير المركبة¹² . اختبار الموجات فوق الصوتية التعب عموما، أن من الممكن لتنفيذ في وسائط التحميل المحوري: الشد-ضغط متناظرة دورة^13،14، التوتر--دورة التوتر¹⁵، ثلاث نقاط الانحناء¹⁵، وهناك أيضا عدد قليل دراسات مع تعديلات خاصة للنظام لالتواء اختبار^15،16 و¹⁷بياكسيال الانحناء. من غير الممكن استخدام عينات عشوائية، لأن لهذا الأسلوب، والهندسة دقة تتصل بتحقيق تردد صدى 20 كيلوهرتز. للتحميل المحوري، عدة أنواع من العينات قد تم استخداماً، عادة مع شكل زجاج ساعة قياس طول قطرها من 3 إلى 5 مم. للانحناء ثلاث نقاط، ويشيع استخدام صفائح رقيقة، لأساليب أخرى يتم تصميم أنواع خاصة من العينات، وفقا لنوع الأسلوب واختبار الشروط. الأسلوب الذي صمم للتقييم لحياة التعب في منطقة دورة عالية وعالية جداً، وهذا يعني أنه في التحميل 20 كيلوهرتز، هو الحصول على دورات 1 مليون في 50 ثانية؛ ولذلك، وهذا يعتبر عادة الحد السفلي لتحميل الدورات التي يمكن أن تحقق بدرجة معقولة من الدقة، وفيما يتعلق بعدد تصميم دورة. كل العينة يجب أن تكون متسقة مع القرن الأفريقي بالموجات فوق الصوتية عن طريق تغيير كتلة العينة توفير تردد صدى الحق للنظام: القرن بالموجات فوق الصوتية مع العينة.

Protocol

ملاحظة: قد الهندسة كل عينة مختارة وتحسب وفقا للخصائص الميكانيكية والفيزيائية للمواد التي تم اختبارها، حيث يحتوي تردد صدى متطابقة كنظام الفحص بالموجات فوق الصوتية.

1-تحديد الأبعاد عينة الاختبار التعب

ملاحظة: هندسة العينة القياسية "الساعة الرملية" ضغط التوتر، مع الأبعاد الرئيسية المحددة، يرد في الشكل 1. أبعاد د ود، و r هي المعرفة من قبل المستخدم (مستقل)، بينما l و L الأبعاد يجب أن تحسب، وفقا لظروف تردد صدى الصحيح (تابع). طول قياس l النتائج فقط من نسبة الهندسة بين د،، البحث و التطوير ، ويمكن حسابها بسهولة أو التي تم الحصول عليها من نموذج عنصر؛ وهكذا، فإنه لن كائن لمزيد من المناقشة.

1. تحديد أبعاد مستقلة
   ملاحظة: ويتم اختيار الأبعاد الرئيسية للعينة (د، D, r) وفقا لمعايير مادية وشروط الاختبار.
   1. تحديد قياس القطر د وفقا لحجم المواد للاختبار المطلوب. في حالة المجهرية متجانسة مع لا عيوب داخلية، قياس قطرها أصغر المفضل. وفي حالة مواد مع العيوب الداخلية الهامة (مثل الفراغات وشرينكاجيس في مواد المدلى بها)، قياس قطرها أكبر أمر ضروري. قياس القطر د عادة من 3 مم إلى 5 مم.
   2. تحديد قطر الرأس د وفقا لحجم المواد التجريبية المتاحة. قطر الرأس تستخدم د عادة من 10 ملم إلى 15 ملم.
      ملاحظة: د أكبر، وأقصر سوف يكون طول الرأس (L).
2. تحديد قياس دائرة نصف قطرها r وفقا لتوزيع الإجهاد الميكانيكية المطلوبة في العينة لقياس الطول. يتم قياس القطر r أكبر، سلاسة هو توزيع الضغط الميكانيكي. دائرة نصف قطرها قياس استخداماً r = 20 ملم أو r = 32 مم.
   ملاحظة: r أكبر، كلما طالت فترة العينة.
3. تحديد الأبعاد تعتمد
   1. تحديد عدد الموجات ك وفقا للصيغة^9،التالية¹⁸:
      
      ملاحظة: هنا هو و_r تردد صدى للنظام بالموجات فوق الصوتية (هرتز)، ρ كثافة حجم (م^-3كجم)، وهو ه_د المعامل الحيوي من مرونة (م^-3كجم).
   2. تحديد التقريب القطعي لقياس نصف قطر، وفقا للصيغة^9،التالي¹⁹:
      
      ملاحظة: هنا l هو طول قياس (m) وهو د قطر الرأس (م) د هو قياس القطر (m) (الشكل 1).
   3. تحديد انحراف فعالة وفقا للصيغة^9،التالية¹⁸:
      
      ملاحظة: هنا هو تقريب القطع الزائد (م^-1) تحدد بالمعادلة (2) ، و K هو عدد الموجات (-) تحدد وفقا لتعبير (1).
   4. تحديد طول الرأس (L) وفقا للمعادلة التالية^9،18:
      
      ملاحظة: هنا هو ك عدد الموجات (-) تحدد وفقا لتعبير (1) في النقطة 1.2.1 وبيتا هو انحراف فعالة (م^-1) تحدد بالمعادلة (3) l هو طول قياس (m) (الشكل 1).

2-حساب الضغط الميكانيكي في قياس طول العينة

1. تحديد عامل المعايرة على أسس هندسية وفقا للمعادلة التالية^9،18:
   
2. تحديد ɛ السعة تشوه وفقا للمعادلة التالية^9،18:
   
   ملاحظة: هنا هو عامل هندسية (-) وهو يو السعة التشرد المطلوبة من الطرف الحر من العينة (m).
3. تحديد الضغط الميكانيكي السعة σ وفقا للمعادلة التالية^9،18:
   
   ملاحظة: هنا ɛ تشوه السعة (-) تحدد وفقا لتعبير (5)، وهو ه_د المعامل الحيوي من مرونة (م^-3كجم). إذا كان الضغط الميكانيكي المحسوبة منخفضة جداً، من الضروري زيادة السعة التشرد u (m)، والعكس بالعكس.

3-الصناعات التحويلية العينة مع عمليات القطع

1. بسبب انحرافات صغيرة مختلف العينات تشكيلة من شكل مثالي، تصنيع العينات مع أطول رؤساء، وعادة ما تكون ل + 0.5 مم.

4-المواءمة بين تردد صدى للعينة بنظام الموجات فوق الصوتية

ملاحظة: تنسيق هو عملية تعويض الانحرافات الصغيرة المختلفة للعينة الحقيقية من الشكل المثالي، ومحسوب، للحصول على تردد الرنين الصحيح، الذي في وئام مع سونوترودي الصوتية بالموجات فوق الصوتية.

1. اختيار النوع المناسب من سونوترودي الصوتية، وفقا لنطاق التشريد المطلوبة، التي قادرة على توفير الضغط الميكانيكي السليم في العينة.
   ملاحظة: تصميم كل نوع من سونوترودي ومعايرة لمجموعة مختلفة من تشرد، وهكذا يتم اختيار سونوترودي المناسبة حسب السعة المطلوبة التشرد المحسوبة وفقا للمادة 2.
2. جبل في سونوترودي على المحول الكهربائي بيزو.
   1. المسمار المسمار اتصال داخل الحفرة المركزية على سونوترودي حتى يصل إلى الأسفل.
   2. نشر جل الصوتية على وجه سونوترودي.
      ملاحظة: يتم استخدام كمية صغيرة من هلام، ما يكفي لملء هذه مخالفة السطوح، مما يحسن نقل موجه ميكانيكية بين محول كهربائي بيزو وسونوترودي.
   3. المسمار سونوترودي في المحول الكهربائي بيزو.
3. تشغيل النظام بالموجات فوق الصوتية مع محول كهربائي بيزو مع سونوترودي المحملة لقياس تردد صدى لنظام معين في درجة الحرارة الفعلية.
   1. قم بتشغيل برنامج اختبار بالموجات فوق الصوتية (مثلاً، Win20k).
   2. اختر نوع سونوترودي المستخدمة في القائمة المنسدلة في مربع "نموذج".
   3. أدخل السعة ممكن التشريد أدنى سونوترودي خاصة في المربع "السعة".
   4. انقر فوق الزر "ابدأ".
   5. قراءة تردد صدى الفعلي للنظام في مربع "تردد".
   6. انقر فوق الزر "إيقاف".
4. تحميل العينة في نهاية سونوترودي.
   1. المسمار المسمار اتصال في حفرة المركزية للعينة حتى يصل إلى الأسفل.
   2. برغي العينة إلى سونوترودي.
5. تشغيل النظام بالموجات فوق الصوتية مع محول كهربائي بيزو مع سونوترودي المحملة، وعينه لقياس تردد صدى لنظام معين في درجة الحرارة الفعلية.
   1. قم بتشغيل برنامج اختبار بالموجات فوق الصوتية.
   2. اختر نوع سونوترودي المستخدم في القائمة المنسدلة في مربع "نموذج".
   3. أدخل السعة ممكن التشريد أدنى سونوترودي خاصة في المربع "السعة".
   4. انقر فوق الزر "ابدأ".
   5. قراءة تردد صدى الفعلي للنظام في مربع "تردد".
   6. انقر فوق الزر "إيقاف".
6. عندما تردد صدى للنظام مع العينة المركبة أقل من ذلك دون العينة، والحد من كتلة العينة بقطع وجوه رئيس العينة.
   ملاحظة: إذا تردد صدى مع عينة محمل أعلى، أنه سيكون من الضروري تخفيض في قياس القطر د، التي تتغير ظروف الاختبار. وهذا هو السبب يتم إضافة 0.5 مم على طول الرؤساء في عملية التصنيع.
   1. تركيب العينة من سونوترودي.
   2. جبل العينة في مخرطة وانتقل بانخفاض 0.1 مم وجه أول رئيس.
   3. جبل العينة في مخرطة وانتقل بانخفاض 0.1 مم وجه الرأس الثاني.
   4. كرر الخطوة 4.6 حتى تردد صدى داخل التسامح ± 10 هرتز.

5-النهائي تركيب العينة إلى سونوترودي قبل الاختبار التعب

1. تطبيق هلام الصوتية على وجوه لإنشاء اتصالات بين سونوترودي والعينة.
   1. المسمار المسمار اتصال في حفرة المركزية للعينة حتى يصل إلى الأسفل.
   2. انتشار الهلام الصوتية على وجه العينة.
      ملاحظة: يتم استخدام فقط كمية صغيرة من هلام الصوتية لملء في المخالفات على السطح لتحسين نقل الموجات الصوتية من سونوترودي للعينة.
   3. برغي العينة إلى سونوترودي.

6-تشغيل نظام التبريد للعينة

1. إذا تم استخدام تبريد الهواء، تركز مجرى الهواء مباشرة في منتصف طول القياس للعينة، وانتظر حوالي 20 ثانية، حيث تدفق تيار الهواء يشبع العينة.
2. إذا تم استخدام مياه التبريد، تركز فوهات المياه على رأس أعلى من العينة، وضبط كثافة تيار حيث يتدفق الماء بسلاسة على طول المقياس، لتجنب التجويف.
   ملاحظة: غمر العينة في الماء أو النفط ممكن أيضا، ولكن يمكن استخدام هذا فقط لوقت قصير الاختبارات نظراً لتأثير التجويف كبيرا، مما يسرع عملية بدء الكراك التعب.

7-تشغيل نظام تبريد المحول الكهربائي بيزو

1. فتح الصمام لمجرى الهواء وضبط الضغط في الفاصل الزمني بين 0.5 و 1 بار.

8-تشغيل الاختبار في السعة المطلوبة التشرد

1. قم بتشغيل برنامج اختبار بالموجات فوق الصوتية.
2. اختر نوع سونوترودي المستخدمة في القائمة المنسدلة في مربع "نموذج".
3. أدخل السعة المطلوبة التشرد سونوترودي خاصة في المربع "السعة".
4. انقر فوق الزر "ابدأ".

9-التعب بدء الكراك ونشر

1. ويلاحظ أنه بعد التعب الكراك البدء والنشر من خلال جزء من المقطع العرضي، وهو إزاحة النظام من تردد الرنين والاختبار يتم إنهاؤها بطبيعة الحال.
2. إذا كان الاختبار لا ينتهي بكسر، بعد بلوغ العدد المطلوب من تحميل دورات، (وهو الاختبار تشغيل السحب) إنهاء باستخدام الزر "إيقاف" في برنامج الفحص بالموجات فوق الصوتية.

10-تركيب العينة من سونوترودي

1. برغي قبالة العينة من سونوترودي بالموجات فوق الصوتية.

11-ثابت تحميل كسر القوة

1. استخدام القوة تحميل ثابت لكسر بقية المقطع العرضي مع استخدام جهاز تحميل ثابت.
   ملاحظة: ناقلات ونوع القوة تحميل لكسر ثابتة ينبغي أن تتوافق مع نوع التعب تحميل حيث يحتوي سطح الكسر حرف متسقة.

النتائج

تشمل التعب نتائج اختبار الإجهاد، وعدد من الدورات، تحميل تحميل ويمكن رؤية حرف الإنهاء اختبار (الكسر أو تشغيل السحب) في الجدول 1، حيث ترد الصلب خفف وتطفئ النتائج من حياة التعب من 50CrMo4. تفسير نتائج اختبار الحياة التعب الأكثر شيوعاً هو ما يسمى S-ن الأرض (S-الإجهاد، N-عدد...

Discussion

اختبار الموجات فوق الصوتية التعب هي واحدة من الطرق القليلة التي يسمح لاختبار المواد الإنشائية في منطقة دورة فائقة. ومع ذلك، شكل العينة وحجم محدودة جداً فيما يتعلق بتردد صدى. على سبيل المثال، اختبار من صفائح رقيقة في وضع التحميل المحوري ليس عموما ممكن. وبالإضافة إلى ذلك، اختبار عينات كبيرة...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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