Fatiga ultrasónica prueba en el modo de tensión-compresión

Daño de fatiga de materiales estructurales es fuertemente conectada con la industrialización y principalmente con el uso del motor de vapor y las locomotoras del vapor para el transporte ferroviario, donde se han utilizado muchos de los componentes metálicos, principalmente de hierro base y tuvo que soportar varios tipos de cargas cíclicas. Una de las primeras pruebas fue realizada por Albert (Alemania 1829)¹ en cadenas soldadas con autógena para montacargas de la mina. La frecuencia de carga era 10 codos por minuto y el máximo de pruebas grabado alcanzó 100.000 carga ciclos¹. Otro trabajo importante fue realizado por William Fairbairn en 1864. Se realizaron pruebas en vigas de hierro forjado con el uso de una carga estática, que fue levantada por una palanca y luego cayó provoca vibraciones. La viga cargada con aumentando poco a poco la tensión de carga de amplitud. Después de alcanzar varios 100 mil ciclos en diferentes amplitudes de la tensión, en el extremo de la viga de carga falló después de casi 5 mil ciclos de carga con una amplitud de carga de dos quintas partes de la última fuerza extensible. El primer estudio global y sistemático de la influencia de estrés repetido en los materiales estructurales se realizó de agosto Wöhler en 1860-1870¹. Para estas pruebas, él estaba usando modos de carga axial, flexión y torsión. Wöhler había diseñado fatiga único muchas máquinas, pero su desventaja era operación baja velocidad, por ejemplo la dobladora más rápido giratoria operada a 72 rpm (1,2 Hz), así la terminación del programa experimental tomó 12 años¹. Después de realizar estas pruebas, se consideró que después de alcanzar una amplitud de carga en el que el material soporta 10⁷ ciclos, la degradación de la fatiga es insignificante y el material puede soportar un número infinito de ciclos de carga. Esta amplitud de carga fue nombrado el “límite de fatiga” y se convirtió en el principal parámetro de diseño industrial de muchos años de^2,3.

Desarrollo de nuevas máquinas industriales, que requieren una mayor eficiencia y ahorro de costos, que ofrecen la posibilidad de mayor carga, mayor velocidad de operación, mayor duración y alta fiabilidad con bajo mantenimiento. Por ejemplo, componentes de tren de alta velocidad Shinkanzen, después de 10 años de operación, tienen que soportar aproximadamente 10 ciclos de⁹ y la falta de un componente principal puede tener consecuencias fatales⁴. Además, componentes de motores de jet funcionan a menudo a 12.000 rpm, y componentes de turbo sopladores a menudo superan a 17.000 rpm. Ésos operación de alta velocidad de aumento de las necesidades para las pruebas de vida fatiga en la región llamada ciclo ultra alto y para evaluar si la resistencia a la fatiga de un material puede realmente considerarse constante durante más de 10 millones de ciclos. Después de las primeras pruebas realizadas por superar esta resistencia, era obvio que fallos de fatiga pueden ocurrir incluso en las amplitudes de la tensión aplicada menores que el límite de fatiga, después de un número de ciclos mucho más que 10⁷y que el mecanismo de daño y falla podría ser diferente de la habitual unos⁵.

Creación de un programa de prueba de fatiga destinado a investigar la región ciclo ultra alto requiere el desarrollo de nuevos dispositivos para aumentar fuertemente la frecuencia de carga. Un Simposio centrado en este tema se celebró en París en junio de 1998, donde experimental se presentaron resultados que se obtuvieron por Stanzl-Tschegg⁶ y Bathias de⁷ a 20 kHz, carga de frecuencias, por Ritchie⁸ con el uso de 1 kHz cerrado loop servo-hidráulico de prueba y la máquina Davidson⁸ con una prueba de máquina 1,5 kHz magneto-strictive⁴. Desde ese momento, se propusieron muchas soluciones, pero todavía más comúnmente usadas para este tipo de prueba se basan en el concepto de Manson desde 1950 y utiliza frecuencias de cerca de 20 kHz⁹. Estas máquinas presentan un buen equilibrio entre grado de deformación, la exactitud de la determinación de la cantidad de ciclos y el tiempo de la prueba de fatiga (10 ciclos de¹⁰ se alcanzan en aproximadamente 6 días). Otros dispositivos fueron capaces de ofrecer más frecuencias de carga, como el utilizado por Girald en 1959-92 kHz y Kikukawa en 1965-199 kHz; sin embargo, éstos se utilizan raramente porque crean tasas de deformación muy alta y, puesto que el examen dura sólo unos minutos, se espera un notable error en el conteo de ciclo. Otro factor importante que limita la frecuencia de carga de los dispositivos de resonancia para las pruebas de fatiga es el tamaño de la muestra, que está en relación directa con la frecuencia de resonancia. Cuanto mayor sea la frecuencia de carga solicitado, cuanto menor sea la muestra. Esta es la razón por la cual raramente usado¹⁰frecuencias por encima de 40 kHz.

Puesto que la amplitud de desplazamiento es limitada generalmente dentro del intervalo de entre 3 y 80 μm, pruebas de fatiga ultrasónica pueden ser exitosamente aplicado en materiales metálicos más, aunque las técnicas para el análisis de materiales poliméricos como PMMA¹¹ y también se desarrollaron compuestos¹² . En general, pruebas de fatiga ultrasónica son posible realizar en los modos de carga axial: tracción – compresión simétrica ciclo^13,14, tensión – tensión ciclo¹⁵,¹⁵, de flexión de tres puntos y también hay unas cuantas estudios con modificaciones especiales del sistema de torsión pruebas^15,16 y biaxial flexión¹⁷. No es posible utilizar las muestras arbitrarias, porque para este método, la geometría está estrictamente relacionado con lograr la frecuencia de resonancia de 20 kHz. Para la carga axial, varios tipos de muestras se han comúnmente utilizados, generalmente con forma de reloj de arena con un calibre longitud diámetro de 3 a 5 mm. Para la flexión de tres puntos, se utilizan láminas delgadas, y para otros métodos de tipos especiales de especímenes están diseñados, según el tipo de método y condiciones de ensayo. El método fue diseñado para la evaluación de la vida de fatiga en la región de altas y ultra altas del ciclo, y esto significa que en el cargamento de 20 kHz, se obtiene 1 millón de ciclos en 50 s; por lo tanto, esto generalmente se considera el límite inferior de carga de ciclos que se pueden investigar con exactitud razonable, con respecto al número de ciclo de determinación. Cada muestra tiene que ser armonizado con el cuerno ultrasónico cambiando la masa de la muestra para proporcionar la frecuencia de resonancia correcta del sistema: cuerno ultrasónico con la muestra.