עייפות אולטראסאונד בדיקה במצב מתח דחיסה

Summary

פרוטוקול עבור עייפות אולטראסאונד בדיקה באזור מחזור גבוה וגבוה במיוחד במצב טעינה מתח צירית-דחיסה.

Abstract

בדיקות אולטרה סאונד עייפות הוא אחד מספר שיטות המאפשרות חוקרים עייפות נכסים באזור מחזור גבוהה במיוחד. השיטה מבוססת על חשיפת הדגימה כדי ויברציות האורך בתדר התהודה שלו קרוב-20 קילו-הרץ. השימוש בשיטה זו, זה אפשרי לצמצם באופן משמעותי את הזמן הנדרש עבור הבדיקה, בהשוואה התקנים הבדיקה המקובלת בדרך כלל עובדים בתדרים מתחת 200 Hz. הוא משמש גם כדי לדמות טעינה של חומר במהלך מבצע בתנאים מהירות גבוהה, כגון אלה מנוסים על ידי רכיבים של מנועי סילון או מכונית טורבו משאבות. יש צורך לפעול רק באזור מחזור גבוה וגבוה במיוחד, בשל האפשרות של שיעורי דפורמציה גבוהות ביותר, אשר יכולה להיות השפעה משמעותית על תוצאות הבדיקה. צורת הדגימה וממדים חייב להיות שנבחרו בקפידה, מחושב כדי למלא את התנאי תהודה של מערכת אולטרה סאונד; לפיכך, אין אפשרות לבחון את רכיבי מלא או דגימות של צורה שרירותית. לפני כל בדיקה, זה הכרחי ליצור הרמוניה הדגימה עם התדר של מערכת אולטראסאונד כדי לפצות על סטיות של הצורה אמיתית מזו אידיאלי. זה בלתי אפשרי לבצע בדיקה עד שבר מוחלט של הדגימה, מאז הבדיקה מסתיימת באופן אוטומטי לאחר החניכה, הפצת הקראק ל אורך מסוים, כאשר הנוקשות של המערכת משתנה מספיק כדי להעביר את המערכת מתוך התהודה תדירות. כתב יד זה מתאר את תהליך הערכה של העייפות של חומרים מאפיינים עייפות אולטרה סאונד בתדירות גבוהה טעינה עם שימוש מכני תהודה בתדר קרוב-20 קילו-הרץ. הפרוטוקול כולל תיאור מפורט של כל השלבים הדרושים עבור מבחן הנכון, כולל עיצוב הדגימה, חישוב מתח, משלימים עם התדר תהודה, ביצוע הבדיקה, ותשבור סטטי הסופי.

Introduction

עייפות נזק חומרי מבנה חזק מחובר ה תיעוש, בעיקר עם שימוש של מנוע קיטור, קטרי קיטור בתחבורה מסילתית, שבו הרבה רכיבי מתכת, בעיקר ברזל מבוסס, השתמשו ואינה לעמוד שונים סוגי העמסה מחזורית. אחד המבחנים המוקדמים נעשה על ידי אלברט (גרמניה 1829)¹ על שרשראות עוסקת בייצור ושיווק של גלגלות שלי. תדירות ההעמסה היה 10 כפיפות לדקה, ויבחן מרבית מוקלטות 100,000 הגיעו טעינת מחזורים¹. עבודה חשובה נוספת בוצעה על ידי ויליאם פיירברן בשנת 1864. הבדיקות בוצעו על קורות ברזל עם השימוש עומס סטטי, אשר הוסר על ידי מנוף, ואז הפיל גורמת ויברציות. וברוחב הייתה עמוסה בהדרגה הגדלת מתח טעינה משרעת. לאחר שהגיע-300,000 מחזורים שונות טעינת מתח amplitudes, בסופו של דבר וברוחב נכשלה לאחר כמעט 5,000 טעינת מחזורים בבית משרעת הטעינה של שתי חמישיות של חוזק מתיחה האולטימטיבי. המחקר הראשון מקיף ושיטתי של השפעת מתח חוזרות ונשנות על חומרים מבניים נעשה על ידי אוגוסט ווהלר ב 1860-1870¹. לבדיקות אלה, הוא השתמש פיתול, כיפוף ו מצבי ההעמסה צירית. ווהלר תוכנן הרבה עייפות ייחודי בדיקות המכונות, אבל החיסרון שלהם היה מבצע נמוך מהירויות, לדוגמה מכונת כיפוף המהירה מסתובב לנתח סל ד 72 (1.2 Hz), ובכך השלמה של התוכנית הניסיונית לקח 12 שנה¹. לאחר ביצוע בדיקות אלה, הוא נחשב כי כשמגיעים של משרעת טעינה שבו החומר עומד 10⁷ מחזורים, השפלה עייפות היא זניחה, החומר יכול לעמוד מספר אינסופי של מחזורי טעינה. משרעת העמסה זו נקראה "גבול העייפות" והפך הפרמטר העיקרי בעיצוב תעשייתי במשך שנים רבות^2,3.

התפתחות נוספת של מכונות תעשייתי חדש, אשר נדרש יעילות גבוהה יותר וחיסכון בעלויות, נאלץ לספק את האפשרות של טעינה גבוה יותר, מהירויות גבוהות יותר מבצע משכים גבוה, אמינות גבוהה עם דרישות תחזוקה נמוכה. לדוגמה, רכיבים של הרכבת במהירות גבוהה Shinkanzen, לאחר 10 שנים של המבצע, חייבים לעמוד כ 10⁹ מחזורים ' כשל של רכיב ראשי יכול להיות השלכות קטלניות⁴. יתר על כן, רכיבים של מנועי סילון לעיתים קרובות פועלים עם סל"ד 12,000, מרכיבי מפוחי טורבו לעיתים קרובות עולה על 17,000 סל ד. אלה מבצע גבוהה במהירויות דרישות מוגברת עייפות החיים בדיקה באזור כביכול מחזור גבוהה במיוחד, כדי להעריך אם עוצמת עייפות חומר יכול באמת להיחשב קבוע עבור יותר מ-10 מיליון מחזורים. לאחר הבדיקות הראשונה שבוצעה על-ידי העולה על זו סיבולת, היה ברור כי עייפות כשלים יכולים להופיע אפילו נמוך יותר מאשר המגבלה עייפות, מתח יישומית amplitudes לאחר מספר מחזורים יותר מ 10⁷, וזה המנגנון נזק וכישלון יכול להיות שונה מן הרגיל אלה⁵.

יצירת תוכנית הבדיקה עייפות שמטרתו לחקור את האזור מחזור גבוהה במיוחד נדרש הפיתוח של מכשירי בדיקה חדשים חזק להגדיל את תדירות טעינה. סימפוזיון התמקד בנושא זה התקיים בפריז ביוני 1998, שבו ניסיוני תוצאות הוצגו אשר התקבלו על-ידי-Stanzl-Tschegg⁶ Bathias⁷ -טעינת תדרים, על ידי ריצ'י⁸ עם השימוש של 1 קילו-הרץ-20 קילו-הרץ סגור לולאה סרוו-הידראולי בדיקה מכונת, ועל -ידי דוידסון⁸ עם 1.5 קילו-הרץ מגנטו-strictive הבדיקה המכונה⁴. מאותו הזמן, הוצעו פתרונות רבים, אבל עדיין הכי נפוץ המכונה בשימוש עבור סוג זה של הבדיקה מבוססת על הרעיון של מנסון מ- 1950 ומשתמשת תדרים סכום קרוב ל-20 קילו-הרץ⁹. מכונות אלה שהפגינו איזון טוב בין תעריף עומס, דיוק קביעת מספר מחזורים, ואת הזמן של הבדיקה עייפות (10¹⁰ מחזורים מושגות כ 6 ימים). התקנים אחרים היו יכולים לספק תדרים העמסה גבוהה יותר, כמו זה המשמש Girald בשנת 1959-92 kHz ואת Kikukawa בשנת 1965-199-הרץ עם זאת, אלה משמשים לעתים נדירות מאחר שהם יוצרים המחירים דפורמציה גבוהה מאוד, מאז הבדיקה נמשך רק כמה דקות, שגיאת מדהים ב ספירת המחזור צפוי. גורם חשוב נוסף הגבלת התדר טעינה של התקנים תהודה לבדיקת עייפות הוא הגודל של הדגימה, אשר ביחס ישיר עם התדר תהודה. גדול יותר הטעינה המבוקש התדירות, קטן יותר הדגימה. זו הסיבה למה נדירות¹⁰תדרים מעל 40 קילו-הרץ.

מאז משרעת העקירה היא בדרך כלל מוגבלת בתוך מרווח הזמן בין 3 ל 80 מיקרומטר, בדיקות אולטרה סאונד עייפות יכולה להיות בהצלחה שהוחלו על חומרים מתכתיים ביותר, אבל טכניקות לבדיקה של חומרים פולימריים כגון PMMA¹¹ ו ללא הפרדות צבע¹² גם פותחו. באופן כללי, עייפות אולטראסאונד בדיקה אפשרית לבצע במצבי הטעינה צירית: מתיחה - דחיסה סימטרית מחזור^13,14, מתח - מתח מחזור¹⁵, כיפוף¹⁵, 3 נקודות, ויש גם כמה מחקרים עם שיפורים מיוחדים של המערכת עבור פיתול בדיקות^15,16 ו- כיפוף biaxial¹⁷. זה לא ניתן להשתמש דגימות שרירותי, כי עבור שיטה זו, הגיאומטריה קשורה אך ורק להשגת תדירות תהודה-20 קילו-הרץ. עבור טעינת צירית, מספר סוגים של דגימות יש כבר נפוץ, בדרך כלל עם צורת זכוכית עם קוטר אורך מד 3 עד 5 מ מ. עבור 3 נקודות הכיפוף, יריעות דקות משמשות, ועוצבו על שיטות אחרות סוגים מיוחדים של דגימות, לפי סוג שיטת ובדיקות תנאים. השיטה מיועדת הערכה של עייפות החיים באזור מחזור גבוה וגבוה במיוחד, וזה אומר כי ב-20 קילו-הרץ הטעינה, מיליון מחזורים, מתקבל ב-50 s; לכן, זה נחשב בדרך כלל את הגבול התחתון של טעינת מחזורים אשר יכול ייחקרו עם דיוק סבירה, לגבי המספר של מחזור נחישות. כל הדגימות חייב להיות בהרמוניה עם קרן אולטרה סאונד על-ידי שינוי המסה של הדגימה כדי לספק את תדר תהודה נכון של המערכת: קרן אולטרה סאונד עם הדגימה.

Protocol

הערה: הגאומטריה של הדגימה כל צריך להיות נבחר מחושבת על-פי המכאניות והפיזיקליות של החומר נבדק, כך שיהיה לה על תדר תהודה זהה של מערכת בדיקות אולטרה סאונד.

1. קביעת הדגימה הבדיקה עייפות מידות

הערה: הגיאומטריה הדגימה הרגיל דחיסה המתח "שעון חול", עם ממדים עיקריים המוגדרים, מוצג באיור1. מידות ד, יח, ו- r הם המשתמש הגדיר (עצמאית), בעוד l ו- L מידות יש לחשב, על פי התנאים של התדר הנכון תהודה (תלוי). מד אורך l נובעת רק היחס הגיאומטריה בין d, r, ו- D, ו יכול להיות מחושב בקלות או המתקבל מודל רכיב; לכן, זה לא יהיה מושא לדיון נוסף.

1. קביעת ממדים עצמאית
   הערה: הממדים העיקריים של הדגימה (יח, יח, r) נבחרו על-פי הפרמטרים גשמי ותנאי הבדיקה.
   1. לקבוע את קוטר מד ד על פי הנפח הנדרש של חומר לבדיקה. במקרה של מיקרו הומוגני עם הפגמים הפנימיים לא, מד קוטר קטן יותר הוא מועדף. במקרה של חומר עם פגמים פנימיים משמעותיים (כגון חללים shrinkages בחומרים יצוקה), מד קוטר גדול יותר יש צורך. מד קוטר d היא בדרך כלל מ- 3 מ מ 5 מ מ.
   2. לקבוע את קוטר ראש D לפי הגודל הזמין גשמי ניסיוני. קוטר ראש בשימוש D הוא בדרך כלל מ 10 מ"מ עד 15 מ"מ.
      הערה: הוא D גדול יותר, האורך הראשי (L) תהיה קצרה יותר.
2. לקבוע רדיוס מד r על-פי ההתפלגות מכאניים הנדרשים באורכו מד של הדגימה. הוא מד ה-קוטר r גדול יותר, חלקה ההתפלגות מכאניים. רדיוס מד נפוץ הוא r = 20 מ מ או r = 32 מ מ.
   הערה: זה ה- r גדול יותר, זמן הדגימה.
3. קביעת ממדים מותנה
   1. לקבוע את מספר הגל K על פי נוסחה^9,הבאים¹⁸:
      
      הערה: ה- f_r הנה תדר תהודה של מערכת אולטרה סאונד (Hz), ρ היא צפיפות האחסון (ז ק ג^-3) ו- E_d הוא מודול דינאמי האלסטיות (ז ק ג^-3).
   2. לקבוע את קירוב היפרבולי של הרדיוס מד, על פי נוסחה^9,הבאים¹⁹:
      
      הערה: הנה l אורך מד (ז), D הוא קוטר ראש (ז) ו- d הוא הקוטר מד (ז) (איור 1).
   3. לקבוע האקסצנטריות יעיל על פי נוסחה^9,הבאים¹⁸:
      
      הערה: כאן הוא קירוב היפרבולי (מ^-1) נקבע על ידי משוואה (2) , K הוא מספר הגל (-) על פי הביטוי (1).
   4. לקבוע את האורך של הראש (L) על פי^9,המשוואה הבאה¹⁸:
      
      הערה: כאן K הוא מספר הגל (-) נקבע על פי הביטוי (1) למשל 1.2.1, β הוא האקסצנטריות יעיל (מ^-1) נקבע על ידי משוואה (3) ו- l הוא האורך מד (ז) (איור 1).

2. חישוב של מתח מכני באורך מד הדגימה

1. לקבוע את הגורם גיאומטרי norming על פי^9,המשוואה הבאה¹⁸:
   
2. לקבוע את ɛ משרעת דפורמציה לפי^9,המשוואה הבאה¹⁸:
   
   הערה: כאן היא הגורם גיאומטריים (-) והיא u משרעת הזחה הנדרש של הסוף חינם של הדגימה (ז).
3. לקבוע מכאניים משרעת σ על-פי^9,המשוואה הבאה¹⁸:
   
   הערה: הנה ɛ משרעת דפורמציה (-) על פי הביטוי (5), E_d מודול דינאמי האלסטיות (ז ק ג^-3). אם הלחץ מכני מחושב הוא נמוך מדי, יש צורך להגדיל את העקירה משרעת u (ז), ולהיפך.

3. ייצור של הדגימה עם בעיבוד שבבי

1. עקב סטיות קטנות שונות מהדוגמאות במכונה של צורה אידיאלית, מייצרים דגימות עם עוד ראשי, בדרך כלל L + 0.5 מ מ.

4. הירמון של תדר התהודה של הדגימה עם מערכת אולטרה סאונד

הערה: הרמוניה הוא התהליך של מפצה סטיות קטנות שונות של הדגימה אמיתי מן הצורה האידיאלית, מחושבת, כדי להשיג תדר תהודה נכונה אשר נמצא בהרמוניה עם sonotrode אולטרה סאונד אקוסטי.

1. בחר את סוג sonotrode אקוסטית, המתאים על פי הטווח הזחה נדרש, אשר מסוגל לספק לחץ מכני מתאימה הדגימה.
   הערה: כל סוג של sonotrode הוא תוכנן, מכויל עבור מגוון הזחה שונים, ובכך sonotrode נכונה נבחר על פי משרעת הזחה נדרש החישוב לפי סעיף 2.
2. לטעון את sonotrode על הממיר piezo-חשמלי.
   1. בורג את בורג חיבור בתוך החור המרכזי ב sonotrode עד שהוא מגיע לתחתית.
   2. מורחים ג'ל אקוסטי על פניו sonotrode.
      הערה: כמות קטנה של ג'ל משמש, בדיוק מספיק למלא אי סדירות של המשטחים, אשר משפר את ההעברה של הגל מכני בין אלמנט פייזו-חשמלי ממיר את sonotrode.
   3. להבריג את sonotrode הממיר piezo-חשמלי.
3. הפעל את מערכת אולטרה סאונד עם ממיר חשמלי piezo עם sonotrode הנטען כדי למדוד את תדר תהודה של מערכת מסוימת בטמפרטורת בפועל.
   1. להפעיל את התוכנה בדיקות אולטרה סאונד (למשל, Win20k).
   2. בחר את סוג sonotrode בשימוש בתפריט הנפתח בתיבת "מודל".
   3. הזן את משרעת תזוזה אפשרית הנמוך ביותר עבור sonotrode מסוים לתוך התיבה "משרעת".
   4. לחץ על לחצן "התחל".
   5. קרא את תדירות תהודה בפועל של המערכת בתיבת "תדירות".
   6. לחץ על כפתור "עצור".
4. הר הדגימה בסוף sonotrode.
   1. להבריג את הבורג חיבור החור המרכזי של הדגימה עד שהוא מגיע לתחתית.
   2. בורג הדגימה sonotrode.
5. הפעל את מערכת אולטרה סאונד עם ממיר חשמלי piezo עם sonotrode הנטען, הדגימה כדי למדוד את תדר תהודה של מערכת מסוימת בטמפרטורת בפועל.
   1. להפעיל את התוכנה בדיקות אולטרה סאונד.
   2. בחר את סוג sonotrode השתמשו בתפריט הנפתח בתיבת "מודל".
   3. הזן את משרעת תזוזה אפשרית הנמוך ביותר עבור sonotrode מסוים לתוך התיבה "משרעת".
   4. לחץ על לחצן "התחל".
   5. קרא את תדירות תהודה בפועל של המערכת בתיבת "תדירות".
   6. לחץ על כפתור "עצור".
6. כאשר תדר תהודה של המערכת עם הדגימה הנטען הוא נמוך מזה בלי הדגימה, להקטין את המסה של הדגימה שתורידו פניהם של הראש של הדגימה.
   הערה: אם תדר תהודה עם דגימה הנטען הוא גבוה יותר, זה יהיה צורך להפחית את מד קוטר d, אשר לשנות את התנאים של הבדיקה. זו הסיבה 0.5 מ מ מתווסף אורך ראשי בתהליך הייצור.
   1. פרוק את הדגימה מ sonotrode.
   2. בעיא הדגימה מחרטה, להנמיך 0.1 מ מ של הפנים של הראש הראשון.
   3. בעיא הדגימה מחרטה, להנמיך 0.1 מ מ של הפנים של הראש השני.
   4. חזור על שלב 4.6 עד תדר תהודה בתוך סובלנות של ±-10 הרץ.

5. סופי הרכבה של הדגימה Sonotrode לפני הבחינה עייפות

1. החל ג'ל אקוסטי על פניהם ליצור חיבורים בין sonotrode את הדגימה.
   1. להבריג את הבורג חיבור החור המרכזי של הדגימה עד שהוא מגיע לתחתית.
   2. מורחים את הג'ל אקוסטי על הדגימה.
      הערה: רק כמות קטנה של ג'ל אקוסטי משמש למילוי סדרים על פני השטח כדי לשפר את העברת גל אקוסטי מ sonotrode הדגימה.
   3. בורג הדגימה sonotrode.

6. להפעיל את מערכת הקירור עבור הדגימה

1. אם קירור אוויר, למקד את זרם אוויר ישירות על האמצע של מד אורך הדגימה, ולהמתין עד 20 s, אז הזרימה של הנחל אוויר הרוויות הדגימה.
2. אם קירור, למקד את חרירי מים בראש העליון של הדגימה, התאם את עוצמת זרם כך המים זורם בצורה חלקה לאורך מד, כדי להימנע קוויטציה.
   הערה: השוקע הדגימה לתוך מים או שמן אפשרי גם כן, עם זאת ניתן להשתמש רק למשך זמן קצר בדיקות בשל האפקט קוויטציה משמעותית, אשר מאיץ את תהליך החניכה של קראק עייפות.

7. להפעיל את מערכת הקירור של ממיר חשמלי Piezo

1. לפתוח את השסתום זרם אוויר ולהתאים את הלחץ במרווח בין 0.5 ל- 1 בר.

8. להריץ את הבדיקה-הזחה נדרש משרעת

1. להפעיל את התוכנה בדיקות אולטרה סאונד.
2. בחר את סוג sonotrode בשימוש בתפריט הנפתח בתיבת "מודל".
3. הזן את משרעת הזחה המבוקש sonotrode מסוים לתוך התיבה "משרעת".
4. לחץ על לחצן "התחל".

9. עייפות קראק חניכה והתפשטות

1. שימו לב כי לאחר העייפות לפצח חניכה והתפשטות דרך חלק של חתך הרוחב, המערכת הוא העביר את תדר תהודה הבדיקה מסתיימת באופן טבעי.
2. אם הבדיקה אינה מסתיימת עם שבר, כשמגיעים המבוקש מספר מחזורים, טעינה (המבחן הוא בניהול אאוט) לסיים באמצעות לחצן "Stop" לתוכנה בדיקות אולטרה סאונד.

10. ביטול טעינה הדגימה מ Sonotrode

1. . לך הדגימה מ sonotrode אולטראסוניות לעזאזל

11. סטטי טעינת כוח שבירה

1. להשתמש כוח טעינה סטטית שבר את שאר חתך הרוחב עם שימוש של מכונה טעינה סטטית.
   הערה: וקטור ואת סוג כוח טעינה עבור השבר סטטי צריך להתכתב עם הסוג של העייפות טוען כך השטח שבר יש אופי עקבי.

תוצאות

תוצאות הבדיקה עייפות כוללים טעינת מתח, מספר מחזורים, טעינה, התו סיום הבדיקה (שבר או ריצה-אאוט) ניתן לראות טבלה 1, התוצאות של עייפות חיי 50CrMo4 מתרצה ואיפה מחושלת הינם מסופקים. הפרשנות הנפוצה ביותר של תוצאות הבדיקה של החיים עייפות הוא ה-S כביכול - N מגרש (S - מתח, N - מספר מח...

Discussion

בדיקות אולטרה סאונד עייפות הוא אחד מהשיטות אשר מאפשר בדיקה של החומרים מבניים באזור מחזור גבוהה במיוחד. עם זאת, הדגימה לצורה ולגודל מוגבלים מאוד ביחס תדר תהודה. למשל, בדיקה של יריעות דקות במצב הטעינה צירית אפשרי בדרך כלל לא. בנוסף, בדיקה של דגימות גדולות בדרך כלל. בלתי אפשרי, כי המכונות הבדיק...

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