O trabalho foi apoiado por projetos: "Centro de pesquisa da Universidade de Žilina - 2. ª fase", concede a ITMS 011 313011, agência de Grant científico do Ministério da educação, ciência e esportes da República Eslovaca e eslovaco Academy of Sciences, n º: 1/0045 / 17, 1/0951/17 e 15/1/0123 e conceder eslovaco pesquisa e agência de desenvolvimento, não. APVV-16-0276.

Nota: Geometria de cada amostra tem que ser selecionado e calculado de acordo com as propriedades físicas e mecânicas do material testado, para que ele tenha uma frequência de ressonância idêntico como o sistema de teste ultra-sônico.

1. determinação da dimensão de amostra teste fadiga
Nota: A geometria do espécime de tensão-compressão padrão "ampulheta", com dimensões definidas principais, é mostrada na Figura 1. Dimensões d, D e r são definidos pelo usuário (independente), enquanto a l e L dimensões tem que ser calculado, de acordo com as condições da frequência de ressonância correta (dependente). O medidor de comprimento l resulta apenas da relação entre d, r e D, de geometria e pode ser calculado facilmente ou obtidos de um modelo de componente; assim, não será um objeto de uma discussão mais aprofundada.
<ol><li>
Determinação das dimensões independentes Nota: As principais dimensões da amostra (d, D, r) são escolhidas de acordo com os parâmetros do materiais e as condições de teste.<ol>
<li>Determine o calibre de diâmetro d de acordo com o volume necessário de material para o teste. No caso de uma microestrutura homogênea com nenhum defeito interno, um menor diâmetro do calibre é preferencial. No caso de um material com defeitos internos significativos (tais como vazios e shrinkages em materiais de elenco), um maior diâmetro do calibre é necessário. O calibre de diâmetro d é geralmente de 3 mm a 5 mm.</li>
		<li>Determine o diâmetro de cabeça D de acordo com o tamanho de material experimental disponível. O diâmetro de cabeça usado D é geralmente de 10 mm a 15 mm. Nota: Quanto maior for o D , menor será o comprimento da cabeça (L).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Determine o calibre de raio r de acordo com a distribuição de estresse mecânico exigido no comprimento do calibre do espécime. Quanto maior for o calibre de diâmetro r , o mais suave é a distribuição de estresse mecânico. Um raio de calibre comumente usado é r = 20 mm ou r = 32 mm. Nota: Quanto maior o r é, quanto mais tempo o espécime será.</li>
	<li>
Determinação das dimensões dependentes
	<ol>
<li>Determine o número de onda K de acordo com a seguinte fórmula9,18: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq1.jpg"> Nota: Aqui o fr é a frequência de ressonância do sistema ultra-sônico (Hz), ρ é a densidade de volume (kg m-3), e Ed é o dinâmico módulo de elasticidade (kg m-3).</li>
		<li>Determine a aproximação hiperbólica do calibre de raio, de acordo com a seguinte fórmula9,19: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq2.jpg"> Nota: L é o comprimento de calibre (m), D é o diâmetro de cabeça (m) e d é o diâmetro do calibre (m) (Figura 1).</li>
		<li>Determine a excentricidade eficaz de acordo com a seguinte fórmula9,18: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq3.jpg"> Nota: Aqui A é a aproximação hiperbólica (m-1) determinada pela equação (2), e K é o número de onda (-), determinado de acordo com a expressão (1).</li>
		<li>Determine o comprimento da cabeça (L) de acordo com a seguinte equação9,18: <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq4.jpg"> Nota: Aqui K é o número de onda (-) determinado de acordo com a expressão (1) no ponto 1.2.1, β é a excentricidade eficaz (m-1) determinada pela equação (3), e l é o comprimento de calibre (m) (Figura 1).</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. cálculo do estresse mecânico no calibre comprimento da amostra
<ol><li>Determinar o fator de geométrico norming <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq5.jpg"> de acordo com a seguinte equação9,18: <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq6.jpg">
</li>
	<li>Determine o ɛ amplitude de deformação de acordo com a seguinte equação9,18: <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq7.jpg"> Nota: Aqui <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq5.jpg"> é o fator geométrico (-) e u é a amplitude de deslocamento exigido da extremidade livre da amostra (m).</li>
	<li>Determine o esforço mecânico amplitude σum de acordo com a seguinte equação9,18: <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq8.jpg"> Nota: Aqui ɛ é a amplitude de deformação (-), determinada de acordo com a expressão (5), e Ed é o dinâmico módulo de elasticidade (kg m-3). Se o estresse mecânico calculado é muito baixo, é necessário aumentar a amplitude de deslocamento u (m) e vice-versa.</li>
</ol>3. fabricação do espécime com operações de usinagem
<ol><li>Devido a vários pequenos desvios dos espécimes usinados de uma forma ideal, fabricação de espécimes com mais cabeças, geralmente L + 0,5 mm.</li>
</ol>4. harmonização da frequência de ressonância da amostra com o sistema ultra-sônico
Nota: Harmonização é o processo de compensação vários pequenos desvios da amostra real da forma ideal, calculada, para obter a frequência de ressonância correta, que está em harmonia com o sonotrodo acústico ultra-sônico.
<ol><li>Escolha o tipo adequado de acústico sonotrodo, de acordo com o intervalo de deslocamento exigido, que é capaz de fornecer adequado estresse mecânico na amostra. Nota: Cada tipo de sonotrodo é projetado e calibrado para uma gama de diferentes de deslocamento, o sonotrodo adequado é escolhido, portanto, de acordo com a amplitude de deslocamento exigido, calculada de acordo com a seção 2.</li>
	<li>
Monte o sonotrodo o conversor piezo-elétrico.
	<ol>
<li>Dane-se o parafuso de conexão dentro do orifício central sobre o sonotrodo até atingir o fundo.</li>
		<li>Espalhe o gel acústico na face do sonotrodo. Nota: Uma pequena quantidade de gel é usada, apenas o suficiente para encher a irregularidade das superfícies, o que melhora a transferência da onda mecânica entre piezo-elétrico conversor e o sonotrodo.</li>
		<li>Aparafuse o sonotrodo o conversor piezo-elétrico.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Execute o sistema ultra-sônico com um conversor de piezo elétrico com sonotrodo montado para medir a frequência de ressonância do sistema específico a temperatura real.<ol>
<li>Execute o software de teste ultra-sônico (por exemplo, Win20k).</li>
		<li>Escolha o tipo do sonotrodo usado no menu drop-down na caixa "Modelo".</li>
		<li>Introduza a menor amplitude de deslocamento possível para o sonotrodo particular na caixa "Amplitude".</li>
		<li>Clique no botão "Iniciar".</li>
		<li>Leia a frequência de ressonância real do sistema na caixa "Frequência".</li>
		<li>Clique no botão "Stop".</li>
	</ol>
</li>
	<li>Monte o espécime no final do sonotrodo.<ol>
<li>Dane-se o parafuso de conexão no orifício central da amostra até atingir o fundo.</li>
		<li>Dane-se o espécime para o sonotrodo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Execute o sistema ultra-sônico com um conversor de piezo elétrico com sonotrodo montado e amostra para medir a frequência de ressonância do sistema específico a temperatura real.<ol>
<li>Execute o software de teste ultra-sônico.</li>
		<li>Escolha o tipo de sonotrodo usado no menu drop-down na caixa "Modelo".</li>
		<li>Introduza a menor amplitude de deslocamento possível para o sonotrodo particular na caixa "Amplitude".</li>
		<li>Clique no botão "Iniciar".</li>
		<li>Leia a frequência de ressonância real do sistema na caixa "Frequência".</li>
		<li>Clique no botão "Stop".</li>
	</ol>
</li>
	<li>Quando a frequência de ressonância do sistema com espécime montado é menor do que sem o espécime, reduza a massa do provete cortando as faces da cabeça do espécime. Nota: Se a frequência de ressonância com um espécime montado é maior, seria necessário reduzir o calibre de diâmetro d, que visam alterar as condições do teste. Esta é a razão de 0,5 mm é adicionado ao comprimento das cabeças no processo de fabricação.<ol>
<li>Desmonte a amostra do sonotrodo.</li>
		<li>Montar o espécime em um torno e abaixar 0,1 mm da face da cabeça primeira.</li>
		<li>Montar o espécime em um torno e abaixar 0,1 mm da face da cabeça do segunda.</li>
		<li>Repita a etapa 4.6 até a frequência de ressonância está dentro da tolerância de ± 10 Hz.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. final montagem da amostra para o sonotrodo antes do ensaio de fadiga
<ol><li>Aplica o gel acústico nas faces para criar conexões entre o sonotrodo e o espécime.<ol>
<li>Dane-se o parafuso de conexão no orifício central da amostra até atingir o fundo.</li>
		<li>Espalhe o gel acústico na face do espécime. Nota: Apenas uma pequena quantidade de gel acústico é usada para preencher as irregularidades na superfície para melhorar a transferência de onda acústica do sonotrodo para a amostra.</li>
		<li>Dane-se o espécime para o sonotrodo.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. Execute o sistema de arrefecimento para amostra
<ol><li>Se refrigerar de ar é usado, focar o fluxo de ar diretamente no meio do medidor de comprimento da amostra e esperar por cerca de 20 s, assim que o fluxo do fluxo de ar satura o espécime.</li>
	<li>Se refrigerar de água é usado, concentrar os bocais de água na cabeça superior do espécime e ajustar a intensidade do fluxo, assim que a água flui suavemente ao longo do comprimento do calibre, para evitar a cavitação. Nota: Submergindo a amostra em água ou óleo é possível, também, no entanto, isso pode ser usado somente por curto período de tempo testes devido ao efeito significativo da cavitação, que acelera o processo de início de rachadura de fadiga.</li>
</ol>7. executar o sistema de arrefecimento do conversor Piezo elétrico
<ol><li>Abra a válvula do fluxo de ar e ajustar a pressão no intervalo entre 0,5 e 1 bar.</li>
</ol>8. executar o teste em Amplitude de deslocamento exigido
<ol><li>Execute o software de teste ultra-sônico.</li>
	<li>Escolha o tipo do sonotrodo usado no menu drop-down na caixa "Modelo".</li>
	<li>Introduza a amplitude do deslocamento requerido para o sonotrodo específico na caixa de "Amplitude".</li>
	<li>Clique no botão "Iniciar".</li>
</ol>9. Crack iniciação e propagação de fadiga
<ol><li>Observe que após a fadiga crack iniciação e propagação através de uma parte da seção transversal, o sistema é deslocado fora da frequência de ressonância e o teste é finalizado naturalmente.</li>
	<li>Se o teste não termina com uma fratura, depois de atingir o número solicitado de ciclos de carregamento (o teste é um run-out) terminar usando a tecla "Stop" no software teste ultra-sônico.</li>
</ol>10. desmontar a amostra do sonotrodo
<ol><li>Vai se ferrar a amostra do sonotrodo ultra-sônico.</li>
</ol>11. estática força fraturando a carregar
<ol><li>Use a força de carregamento estático para fraturar o resto da seção transversal com o uso de uma máquina de carregamento estático. Nota: O vetor e o tipo da força de carregamento para a fratura estática devem corresponder com o tipo de carregamento para que a superfície de fratura tem caráter consistente a fadiga.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Moore, H. F., Kommers, J. 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Fatigue. 70, 322-327 (2015).</li><li>Bathias, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Piezoelectric+fatigue+testing+machines+and+devices.">Piezoelectric fatigue testing machines and devices.</a> Int. J. Fatigue. 28 (11), 1438-1445 (2006).</li><li>Mayer, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+torsion+and+tension-compression+fatigue+testing:+Measuring+principles+and+investigations+on+2024-T351+aluminium+alloy.">Ultrasonic torsion and tension-compression fatigue testing: Measuring principles and investigations on 2024-T351 aluminium alloy.</a> Int. J. Fatigue. 28 (11), 1446-1455 (2006).</li><li>Brugger, C., Palin-Luc, T., Osmond, P., Blanc, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+ultrasonic+fatigue+testing+device+for+biaxial+bending+in+the+gigacycle+regime.">A new ultrasonic fatigue testing device for biaxial bending in the gigacycle regime.</a> Int. J. Fatigue. 100, Part 2, 619-626 (2017).</li><li>Wagner, D., Cavalieri, F. J., Bathias, C., Ranc, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+fatigue+tests+at+high+temperature+on+anaustenitic+steel.">Ultrasonic fatigue tests at high temperature on anaustenitic steel.</a> J. Propul. Power. 1 (1), 29-35 (2012).</li><li>Kohout, J., Vechet, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+function+for+fatigue+curves+characterization+and+its+multiple+merits.">A new function for fatigue curves characterization and its multiple merits.</a> Int. J. Fatigue. 23 (2), 175-183 (2001).</li></ol>

Nós não temos nada para divulgar.

Teste ultra-sônico fadiga é um dos poucos métodos que permite testes dos materiais estruturais na região de ciclo ultra alta. No entanto, a amostra de forma e tamanho são muito limitados no que diz respeito a frequência de ressonância. Por exemplo, testes de chapas finas na modalidade de carregamento axial geralmente não é possível. Além disso, testes de espécimes grandes geralmente não é possível, porque as máquinas de testes não fornecer tal poder e exigiria a concepção de um sistema ultra-sônico es...

Danos de fadiga dos materiais estruturais é fortemente conectado com a industrialização e principalmente com o uso do motor a vapor e locomotivas a vapor para o transporte ferroviário, onde um monte de componentes metálicos, principalmente ferro baseado, têm sido usados e teve de suportar vários tipos de carregamento cíclico. Um dos primeiros testes foi feito por Albert (Alemanha 1829)1 soldada correntes para talhas elétricas de mina. A frequência de carregamento foi 10 curvas por minuto, e o máximo testes gravados atingiu 100.000 ciclos1a carregar. Outro importante trabalho foi realizado por William Fairbairn em 1864. Testes foram realizados em vigas de ferro com o uso de uma carga estática, o que foi levantado por uma alavanca e depois caiu causa vibrações. A viga foi carregada com aumentando gradualmente a carga stress amplitude. Depois de chegar a várias centenas de milhar ciclos em várias amplitudes de stress, na extremidade da viga de carregamento falhou depois de apenas cerca de cinco mil ciclos de carregamento em uma amplitude de carregamento de dois quintos da resistência à tração. O primeiro estudo abrangente e sistemático da influência do estresse repetido em materiais estruturais foi feito por August Wöhler em 1860-18701. Para estes testes, ele estava usando torção, flexão e modos de carregamento axial. Wöhler projetado muitos fadiga exclusivo teste de máquinas, mas sua desvantagem foi operação baixas velocidades, por exemplo, a máquina de dobra mais rápido rotativa operada em 72 rpm (1,2 Hz), assim, a conclusão do programa experimental levou 12 anos1. Após a realização destes testes, considerou-se que, depois de atingir uma amplitude de carregamento, em que o material suporta 10 ciclos de7 , a degradação de fadiga é insignificante e o material pode suportar um número infinito de ciclos de carregamento. Esta amplitude de carregamento foi nomeado o "limite de fadiga" e se tornou o principal parâmetro em desenho industrial por muitos anos2,3.
Desenvolvimento de novas máquinas industriais, que exigido maior eficiência e economia de custos, tinha que fornecer a possibilidade de carregamento superior, maior velocidade de operação, maior duração e alta confiabilidade com requisitos de baixa manutenção. Por exemplo, componentes do trem de alta velocidade Shinkanzen, após 10 anos de operação, têm de suportar cerca de 10 ciclos de9 , e a falha de um componente principal pode ter consequências fatais4. Além disso, componentes de motores de jato operam frequentemente a 12.000 rpm e componentes dos ventiladores turbo muitas vezes superior a 17.000 rpm. Essas operação alta velocidades exigências aumentadas para teste de vida de fadiga na região chamada ciclo ultra alta e para avaliar se a força de fadiga de um material pode ser realmente considerada constante para mais de 10 milhões de ciclos. Após os primeiros testes realizados por superior a esta resistência, era óbvio que falhas de fadiga podem ocorrer mesmo em amplitudes de estresse aplicada menores do que o limite de fadiga, após um número de ciclos de muito mais do que 107e que o mecanismo de dano e falha poderia ser diferente do habitual os5.
Criação de um programa de teste de fadiga visto investigar a região de ultra-alta ciclo exigido o desenvolvimento de novos dispositivos de teste para aumentar fortemente a frequência de carregamento. Um simpósio focado sobre este tema foi realizada em Paris em junho de 1998, onde experimental foram apresentados resultados que foram obtidos por Stanzl-Tschegg6 e Bathias7 a 20 kHz, carregando frequências, Ritchie8 com o uso de 1KHz fechado loop servo-hidráulicos testando a máquina e por Davidson8 com um 1,5 kHz magneto-strictive teste máquina4. A partir desse momento, muitas soluções foram propostas, mas ainda mais comumente a máquina usada para este tipo de teste é baseada no conceito de Manson de 1950 e usa as frequências perto 20KHz9. Estas máquinas apresentam um bom equilíbrio entre a taxa de deformação, a precisão da determinação do número de ciclos e o tempo do teste de fadiga (1010 ciclos são alcançados em aproximadamente 6 dias). Outros dispositivos foram capazes de fornecer ainda maiores frequências de carregamento, como aquele usado pelo Girald em 1959-92 kHz e Kikukawa em 1965-199 kHz; no entanto, estes são raramente usados porque eles criam taxas extremamente altas de deformação e, uma vez que o teste dura apenas alguns minutos, um erro notável na ciclo de contagem é esperado. Outro fator importante limitar a frequência de carregamento de dispositivos de ressonância para o ensaio de fadiga é o tamanho da amostra, que está em relação direta com a frequência de ressonância. Quanto maior a frequência de carregamento solicitada, quanto menor a amostra. Esta é a razão por que frequências acima de 40 kHz são usados raramente10.
Desde que a amplitude de deslocamento é geralmente limitada dentro do intervalo entre 3 e 80 µm, testes de fadiga ultra-sônico podem ser com êxito aplicada em materiais mais metálicos, embora técnicas para teste de materiais poliméricos como PMMA11 e compósitos12 também foram desenvolvidos. Geralmente, testes de fadiga ultra-sônico são possível executar em modos de carregamento axial: tração - compressão simétrica ciclo13,14, tensão - tensão do ciclo15,15, de flexão de três pontos e também há alguns estudos com modificações especiais do sistema para teste de15,16 e flexão biaxial17da torsão. Não é possível usar amostras arbitrárias, pois para este método, a geometria está estritamente relacionada para alcançar a frequência de ressonância de 20 kHz. Para o carregamento axial, diversos tipos de espécimes têm sido comumente utilizados, geralmente com uma forma de ampulheta, com um diâmetro de comprimento de bitola de 3 a 5 mm. Para os três pontos de dobra, chapas finas são comumente usadas, e para outros métodos de tipos especiais de espécimes são projetados, de acordo com o tipo de método e condições de teste. O método foi projetado para avaliação da vida de fadiga na região de ciclo de alta e ultra alta, e isso significa que a carga de 20 kHz, 1 milhão de ciclos é obtido em 50 s; Portanto, isto é geralmente considerado como o limite inferior de ciclos, que podem ser investigados com precisão razoável, em relação ao número de determinação de ciclo de carregamento. Cada amostra tem de ser harmonizado com o chifre ultra-sônico, alterando a massa da amostra para fornecer a frequência de ressonância certa do sistema: chifre ultra-sônico com espécime.

<table><tbody><tr><td>Ultrasonic fatigue testing device</td><td>Lasur</td><td>-</td><td>20 kHz, used for fatigue tests</td></tr><tr><td>Nyogel 783</td><td>Nye Lubricants</td><td>-</td><td>Used as acoustic gel for connection of the parts of the ultrasonic system</td></tr><tr><td>Win 20k software</td><td>Lasur</td><td>-</td><td>Software for operation of the Lasur fatigue testing machine</td></tr></tbody></table>

ultrasonic fatigue testing in the tension-compression mode

Teste de fadiga ultra-sônico é um dos alguns métodos que permitem investigar Propriedades de fadiga na região de ciclo ultra alta. O método baseia-se em expor o espécime de vibrações longitudinais na sua frequência de ressonância, perto de 20 kHz. Com o uso desse método, é possível diminuir significativamente o tempo necessário para o teste, quando comparado aos dispositivos de teste convencionais geralmente trabalham em frequências abaixo dos 200 Hz. Ele também é usado para simular a carga de material durante a operação em condições de alta velocidade, tais como aqueles vividos pelos componentes de motores a jato ou carro turbo bombas. É necessário operar apenas na região de ciclo de alta e ultra alta, devido à possibilidade de taxas de deformação extremamente elevado, que pode ter uma influência significativa sobre os resultados do teste. Dimensões e forma da amostra tem que ser cuidadosamente selecionadas e calculada para satisfazer a condição de ressonância do sistema ultra-sônico; assim, não é possível testar os componentes completo ou espécimes de forma arbitrária. Antes de cada ensaio, é necessário harmonizar a amostra com a frequência do sistema ultra-sônico para compensar os desvios da forma real do ideal. Não é possível executar um teste até uma fratura total da amostra, uma vez que o teste é encerrado automaticamente após a iniciação e propagação do crack a um determinado período, quando a rigidez do sistema muda o suficiente para deslocar o sistema fora da ressonância frequência. Este manuscrito descreve o processo de avaliação de fadiga dos materiais, propriedades em alta frequência ultra-sônica fadiga carregando com usam de ressonância mecânica em uma frequência perto de 20 kHz. O protocolo inclui uma descrição detalhada de todas as etapas necessárias para um teste correto, incluindo o projeto de amostra, cálculo de stress, harmonizando-se com a frequência de ressonância, realizando o teste e fratura estática final.

Resultados de teste de fadiga incluem stress, número de ciclos de carregamento de carga e o caractere de finalização do teste (fratura ou run-out) pode ser visto na tabela 1, onde os resultados da vida de fadiga do 50CrMo4 saciada e aço temperado são fornecidos. Interpretação dos resultados do teste de vida de fadiga mais comum é o chamado S - N conspiração (S - stress, N - número de ciclos), também conhecido como do Wöhler. A dependência da vida de fadiga a...

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Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

Um protocolo para fadiga ultra-sônico testes na região de ciclo de alta e ultra alta no modo de carga de tensão-compressão axial.

Fadiga ultra-sônico de teste no modo de tensão-compressão

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on ...

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Bending

SCIENTISTS IN ACTION

10.6K visualizações.  University of Žilina. Um protocolo para fadiga ultra-sônico testes na região de ciclo de alta e ultra alta no modo de carga de tensão-compressão axial.

Vídeo: Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

A Testing Platform for Durability Studies of Polymers and Fiber-reinforced Polymer Composites under Concurrent Hygrothermo-mechanical Stimuli

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs and condition-based maintenance. These materials are adopted in a wide range of engineering applications, from aircraft and ship structures, to bridges, wind turbine blades, biomaterials and biomedical implants. Polymers are viscoelastic materials, and their response may be highly nonlinear and thus make it challenging to predict and monitor their in-service performance. The laboratory-scale testing platform presented herein assists the investigation of the influence of concurrent mechanical loadings and environmental conditions on these materials. The platform was designed to be low-cost and user-friendly. Its chemically resistant materials make the platform adaptable to studies of chemical degradation due to in-service exposure to fluids. An example of experiment was conducted at RT on closed-cell polyurethane foam samples loaded with a weight corresponding to ~50% of their ultimate static and dry load. Results show that the testing apparatus is appropriate for these studies. Results also highlight the larger vulnerability of the polymer under concurrent loading, based on the higher mid-point displacements and lower residual failure loads. Recommendations are made for additional improvements to the testing apparatus.

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites in service is a critical aspect for their designs and condition-based maintenance. We present a novel low-cost laboratory testing platform for the investigation of the influence of concurrent mechanical and environmental loadings, and may help design more efficient yet safer composite structures.

A Plataforma de testes de durabilidade Estudos de Polímeros e reforçado com fibra de polímero Composites, sob estímulo Concurrent Hygrothermo-mecânico

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs ...

Engenharia

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at a frequency above the acoustic range (20 kHz). As a solid-state technology, ultrasonic lubrication can be used where conventional lubricants are unfeasible or undesirable. Further, ultrasonic lubrication allows for electrical modulation of the effective friction coefficient between two sliding surfaces. This property enables adaptive systems that modify their frictional state and associated dynamic response as the operating conditions change. Surface wear can also be reduced through ultrasonic lubrication. We developed a protocol to investigate the dependence of friction force reduction and wear reduction on the linear sliding velocity between ultrasonically lubricated surfaces. A pin-on-disc tribometer was built which differs from commercial units in that a piezoelectric stack is used to vibrate the pin at 22 kHz normal to the rotating disc surface. Friction and wear metrics including effective friction force, volume loss, and surface roughness are measured without and with ultrasonic vibrations at a constant pressure of 1 to 4 MPa and three different sliding velocities: 20.3, 40.6, and 87 mm/sec. An optical profilometer is utilized to characterize the wear surfaces. The effective friction force is reduced by 62% at 20.3 mm/sec. Consistently with existing theories for ultrasonic lubrication, the percent reduction in friction force diminishes with increasing speed, down to 29% friction force reduction at 87 mm/sec. Wear reduction remains essentially constant (49%) at the three speeds considered.

We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties.

Experimentos em Ultrasonic Lubrificação Usando um tribômetro piezoelectricamente-assistida e Profilometer Optical

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Ultrasonic Welding of Thermoplastic Composite Coupons for Mechanical Characterization of Welded Joints through Single Lap Shear Testing

This paper presents a novel straightforward method for ultrasonic welding of thermoplastic-composite coupons in optimum processing conditions. The ultrasonic welding process described in this paper is based on three main pillars. Firstly, flat energy directors are used for preferential heat generation at the joining interface during the welding process. A flat energy director is a neat thermoplastic resin film that is placed between the parts to be joined prior to the welding process and heats up preferentially owing to its lower compressive stiffness relative to the composite substrates. Consequently, flat energy directors provide a simple solution that does not require molding of resin protrusions on the surfaces of the composite substrates, as opposed to ultrasonic welding of unreinforced plastics. Secondly, the process data provided by the ultrasonic welder is used to rapidly define the optimum welding parameters for any thermoplastic composite material combination. Thirdly, displacement control is used in the welding process to ensure consistent quality of the welded joints. According to this method, thermoplastic-composite flat coupons are individually welded in a single lap configuration. Mechanical testing of the welded coupons allows determining the apparent lap shear strength of the joints, which is one of the properties most commonly used to quantify the strength of thermoplastic composite welded joints.

A straightforward procedure for ultrasonic welding of thermoplastic composite coupons for basic mechanical testing is described. Key characteristics of this ultrasonic welding process are the use of flat energy directors for simplified process preparation and the use of process data for the fast definition of optimum processing conditions.

Ultrasonic Welding de cupons termoplástica composta de Mecânica Caracterização de Juntas Soldadas através Individual Sobreposição Testing

This paper presents a novel straightforward method for ultrasonic welding of thermoplastic-composite coupons in optimum processing conditions. The ...

Full-field Strain Measurements for Microstructurally Small Fatigue Crack Propagation Using Digital Image Correlation Method

A novel measurement approach is used to reveal the cumulative deformation field at a sub-grain level and to study the influence of microstructure on the growth of microstructurally small fatigue cracks. The proposed strain field analysis methodology is based on the use of a unique pattering technique with a characteristic speckle size of approximately 10 &#181;m. The developed methodology is applied to study the small fatigue crack behavior in body centered cubic (bcc) Fe-Cr ferritic stainless steel with a relatively large grain size allowing a high spatial measurement accuracy at the sub-grain level. This methodology allows the measurement of small fatigue crack growth retardation events and associated intermittent shear strain localization zones ahead of the crack tip. In addition, this can be correlated with the grain orientation and size. Thus, the developed methodology can provide a deeper fundamental understanding of the small fatigue crack growth behavior, required for the development of robust theoretical models for the small fatigue crack&#160;propagation in polycrystalline materials.

Microstructurally small fatigue crack growth behavior is investigated using a novel methodological approach combining crack growth rate measurement and strain-field analysis to reveal the cumulative deformation field at sub-grain level.

Medições de tensão de campo integral para fadiga Microstructurally pequena rachadura propagação usando o método de correlação de imagem Digital

A novel measurement approach is used to reveal the cumulative deformation field at a sub-grain level and to study the influence of microstructure on the ...

Intermediate Strain Rate Material Characterization with Digital Image Correlation

The mechanical response of a material under dynamic load is typically different than its behavior under static conditions; therefore, the common quasistatic equipment and procedures used for material characterization are not applicable for materials under dynamic loads. The dynamic response of a material depends on its deformation rate and is broadly categorized into high (i.e., greater than 200/s), intermediate (i.e., 10&#8722;200/s) and low strain rate regimes (i.e., below 10/s). Each of these regimes calls for specific facilities and testing protocols to ensure the reliability of the acquired data. Due to the limited access to high-speed servo-hydraulic facilities and validated testing protocols, there is a noticeable gap in the results at the intermediate strain rate. The current manuscript presents a validated protocol for the characterization of different materials at these intermediate strain rates. Strain gauge instrumentation and digital image correlation protocols are also included as complimentary modules to extract the utmost level of detailed data from every single test. Examples of raw data, obtained from a variety of materials and test setups (e.g., tensile and shear) is presented and the analysis procedure used to process the output data is described. Finally, the challenges of dynamic characterization using the current protocol, along with the limitations of the facility and methods of overcoming potential problems are discussed.

Here we present a methodology for the dynamic characterization of tensile specimens at intermediate strain rates using a high-speed servo-hydraulic load frame. Procedures for strain gauge instrumentation and analysis, as well as for digital image correlation strain measurements on the specimens, are also defined.

Cepa intermediária taxa Material caracterização com correlação de imagem Digital

The mechanical response of a material under dynamic load is typically different than its behavior under static conditions; therefore, the common ...

Crack Monitoring in Resonance Fatigue Testing of Welded Specimens Using Digital Image Correlation

A procedure using digital image correlation (DIC) to detect cracks on welded specimens during fatigue tests on resonance testing machines is presented. It is intended as a practical and reproducible procedure to identify macroscopic cracks at an early stage and monitor crack propagation during fatigue tests. It consists of strain field measurements at the weld using DIC. Images are taken at fixed load cycle intervals. Cracks become visible in the computed strain field as elevated strains. This way, the whole width of a small-scale specimen can be monitored to detect where and when a crack initiates. Subsequently, it is possible to monitor the development of the crack length. Because the resulting images are saved, the results are verifiable and comparable. The procedure is limited to cracks initiating at the surface and is intended for fatigue tests under laboratory conditions. By visualizing the crack, the presented procedure allows direct observation of macrocracks from their formation until rupture of the specimen.

Digital image correlation is used in fatigue tests on a resonance testing machine to detect macroscopic cracks and monitor crack propagation in welded specimens. Cracks on the specimen surface become visible as increased strains.

Monitoramento de crack em testes de fadiga de ressonância de espécimes soldados usando correlação de imagem digital

A procedure using digital image correlation (DIC) to detect cracks on welded specimens during fatigue tests on resonance testing machines is presented. It ...

Biomechanical Characterization of Human Soft Tissues Using Indentation and Tensile Testing

Regenerative medicine aims to engineer materials to replace or restore damaged or diseased organs. The mechanical properties of such materials should mimic the human tissues they are aiming to replace; to provide the required anatomical shape, the materials must be able to sustain the mechanical forces they will experience when implanted at the defect site. Although the mechanical properties of tissue-engineered scaffolds are of great importance, many human tissues that undergo restoration with engineered materials have not been fully biomechanically characterized. Several compressive and tensile protocols are reported for evaluating materials, but with large variability it is difficult to compare results between studies. Further complicating the studies is the often destructive nature of mechanical testing. Whilst an understanding of tissue failure is important, it is also important to have knowledge of the elastic and viscoelastic properties under more physiological loading conditions.
This report aims to provide a minimally destructive protocol to evaluate the compressive and tensile properties of human soft tissues. As examples of this technique, the tensile testing of skin and the compressive testing of cartilage are described. These protocols can also be directly applied to synthetic materials to ensure that the mechanical properties are similar to the native tissue. Protocols to assess the mechanical properties of human native tissue will allow a benchmark by which to create suitable tissue-engineered substitutes.

Tissue biomechanics is important for maintaining cell shape and function and for determining phenotype. This report demonstrates non-destructive mechanical protocols for characterizing elastic and viscoelastic properties of human soft tissues, which can be directly applied to tissue-engineered substrates to allow a close matching of engineered materials to native tissue.

Caracterização biomecânica de tecidos moles Humanos Usando recuo e testes de tração

Regenerative medicine aims to engineer materials to replace or restore damaged or diseased organs. The mechanical properties of such materials should ...

Bioengenharia

Biomechanical Testing of Murine Tendons

Tendon disorders are common, affect people of all ages, and are often debilitating. Standard treatments, such as anti-inflammatory drugs, rehabilitation, and surgical repair, often fail. In order to define tendon function and demonstrate efficacy of new treatments, the mechanical properties of tendons from animal models must be accurately determined. Murine animal models are now widely used to study tendon disorders and evaluate novel treatments for tendinopathies; however, determining the mechanical properties of mouse tendons has been challenging. In this study, a new system was developed for tendon mechanical testing that includes 3D-printed fixtures that exactly match the anatomies of the humerus and calcaneus to mechanically test supraspinatus tendons and Achilles tendons, respectively. These fixtures were developed using 3D reconstructions of native bone anatomy, solid modeling, and additive manufacturing. The new approach eliminated artifactual gripping failures (e.g., failure at the growth plate failure rather than in the tendon), decreased overall testing time, and increased reproducibility. Furthermore, this new method is readily adaptable for testing other murine tendons and tendons from other animals.

The protocol describes efficient and reproducible tensile biomechanical testing methods for murine tendons through the use of custom-fit 3D printed fixtures.

Teste biomecânico de tendões murinos

Tendon disorders are common, affect people of all ages, and are often debilitating. Standard treatments, such as anti-inflammatory drugs, rehabilitation, ...

<meta charset="utf8"></head><body>Avaliação do osso cortical usando o dispositivo ultrassônico BDAT

Cortical Bone Assessment Using Ultrasonic Guided Waves: A Reproducibility Study in a Healthy Population

Fragility fractures are still a worldwide health burden in the context of population aging. In particular, the global number of hip fractures is expected to double between 2020 and 2050. Therefore, it is essential to detect patients at risk of fragility fracture at the population scale. The current golden standard is dual X-ray absorptiometry (DXA), providing the areal bone mineral density (aBMD). Ultrasonic devices, usually more portable and cheaper than X-ray devices, represent interesting DXA alternatives as screening tools. However, operator dependency is usually recognized as their main drawback. In this study, the measurement protocol of the bi-directional axial transmission (BDAT) ultrasonic device is presented in detail. The dedicated ultrasonic probe is placed at the one-third distal radius of the non-dominant forearm using conventional coupling gel. The guided interface provides in quasi-real time (about 2 Hz) four parameters of interest: velocities of the first arriving signal (vFAS) and the A0 mode (vA0),&#160;cortical thickness (Ct.Th) and porosity (Ct.Po), as well as four quality parameters. The operator moves the probe slowly at the measurement site, carefully observing the feedback provided by the interface until finding a stable position and starting a series of 10 acquisitions. When at least four consistent series are obtained, the measurement ends, and an automatic report is generated. The measurement usually takes about 5 min to complete. To determine the robustness of this protocol, a reproducibility study was conducted among 3 operators (one expert and two novices) and 14 healthy participants (6 women, 8 men, 21-53 years old). The intraclass correlation coefficients (ICC) were found good for vA0 (0.76), Ct.Po (0.80) or excellent for Ct.Th (0.87) and vFAS (0.91). The standard deviations were found to be less than 10% of the total ranges in clinical practice.

<meta charset="utf8"></head><body>Avaliação óssea cortical usando ondas guiadas por ultrassom: um estudo de reprodutibilidade em uma população saudável

Here, we present the measurement protocol of the bi-directional axial transmission (BDAT) ultrasonic device in detail and test it in a reproducibility study, considering 14 healthy participants and 3 operators. Reliability, measured with the intraclass correlation coefficients (ICC), was good to excellent for four parameters of interest.

Avaliação óssea cortical usando ondas guiadas por ultrassom: um estudo de reprodutibilidade em uma população saudável

Fragility fractures are still a worldwide health burden in the context of population aging. In particular, the global number of hip fractures is expected ...

Fadiga ultra-sônico de teste no modo de tensão-compressão

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