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

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 anos^2,3.

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 ciclo^13,14, tensão – tensão do ciclo¹⁵,¹⁵, de flexão de três pontos e também há alguns estudos com modificações especiais do sistema para teste de^15,16 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.