Ультразвуковой усталость, тестирование в режиме напряжение сжатия

Резюме

Протокол для ультразвуковой усталость, тестирование в регионе высокой и сверхвысокой цикла в режиме загрузки Осевое напряжение сжатие.

Аннотация

Ультразвуковой усталость тестирование является одним из несколько методов, которые позволяют расследования усталостные свойства в ультра-высокой цикличного региона. Метод основан на разоблачение образца для продольных колебаний на его резонансную частоту недалеко от 20 кГц. С использованием этого метода можно существенно снизить время, необходимое для испытаний, когда по сравнению с обычными тестирования устройств, обычно работает на частотах до 200 Гц. Он также используется для имитации загрузки материала во время эксплуатации в условиях высокой скоростью, такие, как те сталкиваются компонентов реактивных двигателей или автомобиля turbo насосов. Это необходимо для работы только в высокой и сверхвысокой цикличного региона, благодаря возможности чрезвычайно высоким деформации ставок, которые может иметь значительное влияние на результаты испытаний. Образец формы и размеры должны быть тщательно отобраны и рассчитаны выполнить условие резонанса ультразвуковой системы; Таким образом это не возможно проверить полное компоненты или образцов произвольной формы. Перед каждым тестом это необходимо согласовать образца с частотой ультразвуковые системы для компенсации отклонения реальных формы от того идеального. Это не возможно для запуска теста до полного разрушения образца, так как тест автоматически прекращается после инициации и распространения трещины до определенной длины, когда жесткость системы изменяется достаточно перенести систему из резонанс частота. Эта рукопись описывает процесс оценки усталости материалов, свойства в высокочастотных ультразвуковых усталость, Загрузка с использование механического резонанса с частотой около 20 кГц. Протокол включает в себя подробное описание всех шагов, необходимых для правильного теста, включая образец дизайна, расчеты на прочность, согласования с резонансной частоты, выполнение теста и окончательный статические перелом.

Введение

Усталость повреждения конструкционных материалов сильно связаны с индустриализацией и главным образом с использованием паровой двигатель и паровые локомотивы для железнодорожного транспорта, где были использованы много металлических компонентов, главным образом железа на базе и пришлось выдержать различные виды циклических загрузки. Один из первых тестов было сделано Альберт (Германия 1829)¹ на сварные цепи для талей шахты. Частота загрузки была 10 изгибы в минуту, и максимального тесты записанные достигла 100 000 загрузки циклов¹. Еще одна важная работа была проведена по Уильям Fairbairn в 1864 году. Тесты проводились на балки из кованого железа с использованием статической нагрузки, который был снят на рычаг, а затем упала вызывая вибрацию. Прогон был загружен с постепенно возрастающей нагрузки стресс амплитуды. После достижения несколько сотен тысяч циклов по различным сбой загрузки амплитуды напряжения, в конце балки после всего около пяти тысяч загрузки циклов на загрузку амплитуды две пятых предельной прочности на растяжение. Первое всеобъемлющее и систематическое изучение влияния повторяющегося стресса на конструкционных материалов было сделано в августе Вёлер в 1860-1870-¹. Для этих тестов он был с помощью кручения, изгиб и осевой нагрузки режимы. Вёлер разработаны многие уникальные усталость тестирование машины, но их недостаток был низкие эксплуатационные скорости, например быстро вращающейся гибочный станок, действовали на 72/мин (1,2 Гц), таким образом завершение экспериментальной программы 12 лет¹. После выполнения этих тестов, было считает, что после достижения загрузки амплитуда, в котором материал выдерживает 10⁷ циклов, деградация усталость является незначительным и материал выдерживают неограниченное число циклов погрузки. Эта загрузка амплитуды был назван «предел усталости» и стал главным параметром в промышленный дизайн для многих лет^2,3.

Дальнейшее развитие новых промышленных машин, которые требуют более высокой эффективности и экономии средств, должен был обеспечить возможность более высокой загрузки, высокой скорости работы, выше длительности и высокую надежность с низкими эксплуатационными требованиями. Например компоненты скоростного поезда Shinkanzen, после 10 лет работы, должны выдерживать примерно 10⁹ циклов и отказа основного компонента может иметь фатальные последствия⁴. Кроме того компоненты реактивные двигатели часто действуют на 12000 об/мин, и компоненты Турбо нагнетатели часто превышает 17 000 об/мин. Эти высокие операции ускоряет увеличение потребностей для усталость жизни тестирования в так называемых сверхвысоких цикличного региона и оценить, если усталостной прочности материала может действительно рассматриваться постоянным для более чем 10 миллионов циклов. После первых тестов, превышающий этот выносливость, было очевидно, что усталостному разрушению может произойти даже в амплитуд приложенного напряжения ниже, чем предел усталости, после нескольких циклов гораздо больше, чем 10⁷и что механизм повреждения и неудачи может отличаться от обычных те⁵.

Создание усталость тестовая программа, направленный на изучение сверхвысокой цикличного региона требуется разработка новых испытаний устройств сильно увеличить частоту загрузки. Основное внимание на этой теме был проведен симпозиум в Париже в июне 1998 года, где экспериментальные были представлены результаты, которые были получены по Stanzl-Tschegg⁶ и⁷ Bathias на 20 кГц, Загрузка частоты, Ричи⁸ с использованием 1 кГц закрыты цикла серво гидравлические испытания машины и⁸ Дэвидсон с тестирования машина 1,5 кГц магнито strictive⁴. С того времени многие решения были предложены, но по-прежнему наиболее часто используется машина для этого вида теста основывается на концепции Мэнсон с 1950 и использует частоты близко к 20 кГц⁹. Эти машины демонстрируют хороший баланс между скорости деформации, точность определения числа циклов, и время испытания (10¹⁰ циклов достигается приблизительно через 6 дней). Другие устройства смогли обеспечить даже более высокие частоты загрузки, как используется Хиральда в 1959-92 кГц и Kikukawa в 1965-199 кГц; Однако они редко используются потому, что они создают чрезвычайно высокой деформации ставки, и, поскольку тест длится всего несколько минут, замечательный ошибка в подсчете цикла ожидается. Другим важным фактором, ограничивающим нагрузки частота резонанса устройства для испытания на усталостную прочность является размер образца, которая находится в прямой связи с резонансной частоты. Чем больше частота запрашиваемой загрузки, тем меньше образца. Это причина, почему редко используемые¹⁰частот выше 40 кГц.

Так как амплитуда перемещения обычно ограничена в пределах интервала между 3 и 80 мкм, ультразвуковой Усталостные испытания может быть успешно применен на наиболее металлических материалов, хотя методы испытаний полимерных материалов, таких как ПММА¹¹ и композиты¹² были также разработаны. Как правило, ультразвуковые усталость тестирования можно выполнять в режимах осевой нагрузки: растяжение - сжатие симметричные цикла^13,14, напряжение - напряжение цикла¹⁵, три точка изгиба¹⁵, и есть также несколько исследования с специальные модификации системы для кручения тестирование^15,16 и двухосных изгиб¹⁷. Это не позволяет использовать произвольные образцов, потому что для этого метода, геометрия строго относящиеся к достижению резонансной частоте 20 кГц. Для осевой нагрузки, несколько типов образцов широко использовались, обычно с фигурой стойка стекла с датчика длины диаметром от 3 до 5 мм. Для трехточечном изгибе, тонкие листы широко используются и другие методы предназначены специальные виды образцов, согласно типу метода и условий тестирования. Этот метод был разработан для оценки усталости жизни в регионе высокой и сверхвысокой цикла, и это означает, что при нагружении 20 кГц, миллион циклов получается 50 s; Таким образом это обычно считается нижний предел загрузки циклов, которые могут быть исследованы с разумной точностью, в отношении числа определения цикла. Каждый образец должен быть согласован с ультразвуковой Рога путем изменения массы образца предоставлять право резонансная частота системы: ультразвуковой рога с образцом.

протокол

Примечание: Каждый образец геометрии должен быть выбран и рассчитывается согласно механические и физические свойства материалов, протестированных, так, что он имеет идентичные резонансной частоты как ультразвуковые системы тестирования.

1. Определение размеров образца испытания усталость

Примечание: «Песочные часы» напряжение стандартное образца геометрии, с определенными основными размерами, показано на рисунке 1. Размеры d, D и r , определяемые пользователем (независимый), в то время как l и L размеры должны быть рассчитаны, согласно условий правильного резонансная частота (зависимых). Расстояние между метками l результаты только из геометрии соотношения между d, r и D и может быть легко вычислить или получить из компонентной модели; Таким образом он не будет объектом дальнейшего обсуждения.

1. Определение размеров независимых
   Примечание: Основные размеры образца (d, D, r) выбраны согласно материальных параметров и условий теста.
   1. Определите диаметр датчика d согласно необходимый объем материала для тестирования. В случае однородной микроструктуры без внутренних дефектов меньшего диаметра датчика является предпочтительным. В случае материала с значительные внутренние дефекты (например, пустот и усадка в ролях материалы) необходим больший диаметр датчика. Диаметр датчика d обычно составляет от 3 мм до 5 мм.
   2. Определите диаметр головки D согласно имеющиеся экспериментальные размер материала. Используемые диаметр головки D обычно составляет от 10 мм до 15 мм.
      Примечание: Чем больше D , тем короче будет голову Длина (L).
2. Определите датчика радиус r согласно распределению требуемых механических напряжений в длины образца. Чем больше диаметр датчика r , гладкой является распределение механических напряжений. Часто используемых калибровочных радиус- r = 20 мм или r = 32 мм.
   Примечание: Чем больше r , тем больше образца будет.
3. Определение зависимых измерений
   1. Определите номер волны K согласно следующей формуле^9,18:
      
      Примечание: Здесь f_r -резонансная частота ультразвуковых системы (Гц), ρ — плотность объем (кг м^-3), и E_d является динамический модуль упругости (кг м^-3).
   2. Определите гиперболической аппроксимации датчика радиуса, согласно следующей формуле^9,19:
      
      Примечание: Здесь l датчик Длина (м), D -диаметр головки (m), и d – Диаметр датчика (m) (рис. 1).
   3. Определите эффективные эксцентриситет согласно следующей формуле^9,18:
      
      Примечание: Здесь A является гиперболической аппроксимации (m^-1) определяется по формуле (2), а K — число волны (-), определяется в соответствии с выражением (1).
   4. Определите длину головы (L) согласно следующим уравнением^9,18:
      
      Примечание: K вот волновых чисел (-) определяется в соответствии с выражением (1) в пункте 1.2.1, β-это эффективный эксцентриситет (m^-1) определяется по формуле (3) и l -длина датчика (m) (рис. 1).

2. Расчет механического напряжения датчика длины образца

1. Определить коэффициент геометрической нормирования согласно следующим уравнением^9,18:
   
2. Определите ɛ амплитуда деформации согласно следующим уравнением^9,18:
   
   Примечание: Здесь геометрический фактор (-) и u -амплитуда необходимые перемещения свободного конца образца (m).
3. Определение механических напряжений амплитуды σ согласно следующим уравнением^9,18:
   
   Примечание: Здесь ɛ деформации амплитуды (-) определяется в соответствии с выражением (5), и E_d является динамический модуль упругости (кг м^-3). Если вычисляемый механических напряжений является слишком низким, это необходимо для увеличения амплитуды перемещения u (m) и наоборот.

3. Изготовление образца с механической обработки операций

1. Из-за различных небольших отклонений обработанных образцов от идеальной формы изготовление образцов с больше головы, обычно L + 0,5 мм.

4. Согласование резонансной частоты образца с ультразвуковой системой

Примечание: Согласование — это процесс компенсации различные небольшие отклонения реальных образца от идеальной, рассчитанные формы, чтобы получить правильный резонансной частоты, который находится в гармонии с ультразвуковых сонотрода акустическая.

1. Выберите соответствующий тип акустической сонотрода, согласно необходимые перемещения диапазона, который способен обеспечить надлежащее механических напряжений в в образца.
   Примечание: Каждый тип сонотрода разработан и откалиброван для ряда различных перемещений, таким образом надлежащего сонотрода выбирается в соответствии необходимые перемещения амплитуды, рассчитывается в соответствии с разделом 2.
2. Смонтируйте сонотрода на пьезо электрической конвертер.
   1. Винт винт подключения внутри центральное отверстие сонотрода до тех пор, пока он не достигнет нижнего.
   2. Распространения акустических гель на лице сонотрода.
      Примечание: Небольшое количество геля используется, просто достаточно, чтобы заполнить нерегулярность поверхности, которая улучшает передачу механической волны между пьезоэлектрических конвертер и сонотрода.
   3. Вверните сонотрода пьезоэлектрических конвертер.
3. Запустите ультразвуковой системы с пьезо электрические конвертер с подключенного сонотрода для измерения резонансной частоты конкретной системы при фактической температуре.
   1. Запустите ультразвуковой тестирования программного обеспечения (например, Win20k).
   2. Выберите тип используемых сонотрода в раскрывающемся меню в поле «Модель».
   3. Самые низкие возможные перемещения амплитуды для конкретного сонотрода введите в поле «Амплитуда».
   4. Нажмите кнопку «Пуск».
   5. Читайте фактическое резонансная частота системы в поле «Частота».
   6. Нажмите кнопку «Стоп».
4. Установите образец в конце сонотрода.
   1. Винт винт подключения в центральное отверстие образца до тех пор, пока он не достигнет нижнего.
   2. Винт образца сонотрода.
5. Запустите ультразвуковой системы с пьезо электрические конвертер с подключенного сонотрода и образцы для измерения резонансной частоты конкретной системы при фактической температуре.
   1. Запустите ультразвуковой тестирования программного обеспечения.
   2. Выберите тип сонотрода, используемых в раскрывающемся меню в поле «Модель».
   3. Самые низкие возможные перемещения амплитуды для конкретного сонотрода введите в поле «Амплитуда».
   4. Нажмите кнопку «Пуск».
   5. Читайте фактическое резонансная частота системы в поле «Частота».
   6. Нажмите кнопку «Стоп».
6. Когда резонансная частота системы с установлен образец ниже, чем без образца, уменьшить массу образца, отрезав лица образец головы.
   Примечание: Если резонансная частота с подключенного образец выше, было бы необходимо уменьшить датчика диаметром d, который будет изменить условия теста. Это причина, по которой добавляется 0,5 мм Длина головы в производственном процессе.
   1. Демонтируйте образца от сонотрода.
   2. Смонтировать образца в токарном станке и поверните вниз 0,1 мм лица первого руководителя.
   3. Смонтировать образца в токарном станке и поверните вниз 0,1 мм лица второй главы.
   4. Повторите шаг 4.6 до частоты резонанса в пределах допуска ± 10 Гц.

5. Окончательный монтаж образца для сонотрода до испытания на усталость

1. Примените акустические гель на лицах для создания соединения между сонотрода и образца.
   1. Винт винт подключения в центральное отверстие образца до тех пор, пока он не достигнет нижнего.
   2. Распространения акустических гель на лицевой стороне образца.
      Примечание: Просто небольшое количество акустических геля используется для заполнения неровностей на поверхности для улучшения передачи акустических волн от сонотрода образца.
   3. Винт образца сонотрода.

6. Запустите систему охлаждения для образца

1. Если используется охлаждение воздуха, сосредоточиться поток воздуха прямо на середине длины образца и ждать около 20 сек, поэтому поток потока воздуха насыщает образца.
2. Если используется водяного охлаждения, фокус водяные сопла на Топ глав образца и отрегулировать интенсивность потока, так что вода течет гладко вдоль длины, чтобы избежать кавитации.
   Примечание: Погружаясь в воду или масло образца Возможен также, однако может использоваться только на короткое время испытаний из-за значительных Кавитационный эффект, который ускоряет процесс инициации трещины усталости.

7. Запуск системы охлаждения Piezo электрического преобразователя

1. Открыть клапан воздушный поток и отрегулировать давление в интервале между 0,5 и 1 бар.

8. Запустите тест на необходимые перемещения амплитуда

1. Запустите ультразвуковой тестирования программного обеспечения.
2. Выберите тип используемых сонотрода в раскрывающемся меню в поле «Модель».
3. Введите запрошенные перемещения амплитуды для конкретного сонотрода в поле «Амплитуда».
4. Нажмите кнопку «Пуск».

9. усталостных трещин и распространение

1. Обратите внимание, что после того, как усталость трещины посвящения и распространения через часть поперечного сечения, системы смещается из резонансной частоты и тест естественно прекращается.
2. Если тест не заканчивается с переломом, после достижения запрошенное количество циклов, загрузки (тест это биение) прекратить, используя кнопку «Стоп» в ультразвуковой тестирования программного обеспечения.

10. Демонтируйте образца от сонотрода

1. Отвинтить образца от ультразвуковых сонотрода.

11. статические загрузки силы ГРП

1. Используйте силу статической нагрузки для разрушения остальной части поперечного сечения с использованием статической нагрузки машины.
   Примечание: Вектор и тип загрузки силы для статических перелом должен соответствовать с типом усталости, загрузки, так что перелом поверхность имеет последовательный характер.

Результаты

Результаты тестирования усталости включают загрузку стресс, количество циклов, загрузки и символ завершения теста (перелом или биение) можно увидеть в таблице 1, где результаты усталость жизни 50CrMo4 закаленной и отпущенной стали предоставляются. Наиболее расп...

Обсуждение

Ультразвуковой усталость тестирование является одним из немногих методов, которые позволяет тестирование конструкционных материалов в регионе ультра-высокой цикла. Однако образец форма и размер весьма ограничены относительно резонансной частоты. Например тестирование тонких листо...

Материалы

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