Name: ultrasonic fatigue testing in the tension-compression mode
Uploaded: 2018-03-07T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 54 s
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Il lavoro è stato supportato dai progetti: "Centro di ricerca dell'Università di Žilina - 2nd fase", ITMS 313011 011, Scientific Grant Agency del Ministero della pubblica istruzione, scienza e sport della Repubblica slovacca e Accademia slovacca delle scienze, concede n.: 1/0045 / 17, 17/0951/1 e 1/0123/15 e slovacco Research e Development Agency, concedere no. APVV-16-0276.

Nota: Geometria di ogni campione deve essere selezionato e calcolato secondo le proprietà fisiche e meccaniche del materiale testato, modo che ha una frequenza di risonanza identico come il sistema di test ad ultrasuoni.

1. determinazione dell'esemplare della prova di fatica dimensioni
Nota: La geometria del provino di trazione-compressione "clessidra" standard, con dimensioni principali definite, è illustrata nella Figura 1. Dimensioni d, S e r sono definiti dall'utente (indipendente), mentre l e L dimensioni devono essere calcolate, secondo le condizioni per la frequenza di risonanza corretta (dipendente). Il calibro lunghezza l risultati solo dal rapporto tra geometria tra d, r e D e può essere facilmente calcolata o ottenuti da un modello di componente; così, non sarà oggetto di ulteriori discussioni.
<ol><li>
Determinazione delle dimensioni indipendenti Nota: Le principali dimensioni del campione (d, D, r) sono scelti secondo i parametri del materiale e le condizioni di prova.<ol>
<li>Determinare il calibro diametro d secondo il volume richiesto di materiale per la prova. Nel caso di una microstruttura omogenea senza difetti interni, un più piccolo diametro di calibro è preferito. Nel caso di un materiale con difetti significativi interni (come vuoti e ritiri in ghisa), è necessario un più grande diametro del contatore. Il calibro diametro d è di solito da 3 mm a 5 mm.</li>
		<li>Determinare il diametro testa D secondo dimensione materiale sperimentale disponibile. Il diametro di testa usato D è di solito da 10 mm a 15 mm. Nota: Maggiore è la D , minore sarà la lunghezza della testa (L).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Determinare il calibro raggio r secondo la distribuzione delle sollecitazioni meccaniche richiesto nella lunghezza del provino. Maggiore è il calibro diametro r , lo strumento morbidezza è la distribuzione delle sollecitazioni meccaniche. Un raggio di calibro comunemente usato è r = 20 mm o r = 32 mm. Nota: Più grande è la r , il più a lungo il campione sarà.</li>
	<li>
Determinazione delle dimensioni dipendenti
	<ol>
<li>Determinare il numero d'onda K secondo la seguente formula9,18: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq1.jpg"> Nota: Qui la fr è la frequenza di risonanza del sistema ad ultrasuoni (Hz), ρ è la densità di volume (kg m-3), ed Ed è il dinamico modulo di elasticità (kg m-3).</li>
		<li>Determinare l'approssimazione iperbolica del raggio della scala, secondo la seguente formula9,19: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq2.jpg"> Nota: Qui l è la lunghezza (m), D è il diametro della testa (m), e d è il diametro del calibro (m) (Figura 1).</li>
		<li>Determinare l'eccentricità efficace secondo la seguente formula9,18: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq3.jpg"> Nota: Qui A è l'approssimazione iperbolica (m-1) determinato dall'equazione (2), e K è il numero d'onda (-) determinato secondo l'espressione (1).</li>
		<li>Determinare la lunghezza della testa (L) secondo la seguente equazione9,18: <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq4.jpg"> Nota: Qui K è il numero d'onda (-) determinato secondo l'espressione (1) al punto 1.2.1, β è l'eccentricità efficace (m-1) determinato dall'equazione (3) e l è la lunghezza (m) (Figura 1).</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. calcolo dello sforzo meccanico nella lunghezza dell'esemplare
<ol><li>Determinare il fattore geometrico norming <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq5.jpg"> secondo la seguente equazione9,18: <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq6.jpg">
</li>
	<li>Determinare la ɛ di ampiezza di deformazione secondo la seguente equazione9,18: <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq7.jpg"> Nota: Qui <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq5.jpg"> è il fattore geometrico (-) e u è l'ampiezza di spostamento richiesto dell'estremità libera del campione (m).</li>
	<li>Determinare le sollecitazioni meccaniche ampiezza σun secondo la seguente equazione9,18: <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq8.jpg"> Nota: Qui ɛ è l'ampiezza di deformazione (-) determinata secondo l'espressione (5), ed Ed è il dinamico modulo di elasticità (kg m-3). Se la sollecitazione meccanica calcolata è troppo bassa, è necessario aumentare l'ampiezza di spostamento u (m) e viceversa.</li>
</ol>3. produzione dell'esemplare con le operazioni di lavorazione
<ol><li>A causa di varie piccole deviazioni degli esemplari lavorati da una forma ideale, produrre esemplari con più teste, solitamente L + 0,5 mm.</li>
</ol>4. armonizzare la frequenza di risonanza del campione con il sistema ad ultrasuoni
Nota: Armonizzazione è il processo di compensazione varie piccole deviazioni dell'esemplare reale dalla forma ideale, calcolata, per ottenere la frequenza di risonanza corretta, che è in armonia con il sonotrodo acustico ad ultrasuoni.
<ol><li>Scegliere il tipo corretto di acustica sonotrodo, secondo la gamma di spostamento richiesto, che è in grado di fornire adeguata sollecitazione meccanica nel campione. Nota: Ogni tipo di sonotrodo è stato progettato e calibrato per una gamma di differenti di spostamento, quindi il sonotrodo corretta è scelto secondo l'ampiezza di spostamento richiesto calcolato conformemente al punto 2.</li>
	<li>
Montare il sonotrodo sul convertitore piezo-elettrico.
	<ol>
<li>Avvitare la vite di collegamento all'interno del foro centrale il sonotrodo finché raggiunge il fondo.</li>
		<li>Spanda il gel di acustica sul volto il sonotrodo. Nota: Viene utilizzata una piccola quantità di gel, quanto basta per riempire le irregolarità delle superfici, che migliora la trasmissione dell'onda meccanica tra convertitore piezo-elettrico e il sonotrodo.</li>
		<li>Il convertitore di piezo-elettrico, quindi avvitare il sonotrodo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Eseguire il sistema ad ultrasuoni con un convertitore elettrico piezo-elettrico con sonotrodo montato per misurare la frequenza di risonanza del sistema particolare alla temperatura effettiva.<ol>
<li>Eseguire il software di prova ultrasonico (ad esempio, Win20k).</li>
		<li>Scegliere il tipo del sonotrodo usato nel menu a discesa nella finestra di "Modello".</li>
		<li>Immettere l'ampiezza di spostamento possibile più basso per il sonotrodo particolare nella casella "Ampiezza".</li>
		<li>Fare clic sul pulsante "Start".</li>
		<li>Leggere la frequenza di risonanza effettiva del sistema nella finestra di "Frequenza".</li>
		<li>Fare clic sul pulsante "Stop".</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montare il campione alla fine del sonotrodo.<ol>
<li>Avvitare la vite di collegamento nel foro centrale del provino fino a quando raggiunge il fondo.</li>
		<li>Avvitare l'esemplare al sonotrodo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Eseguire il sistema ad ultrasuoni con un convertitore elettrico piezo-elettrico con sonotrodo montato e campione per misurare la frequenza di risonanza del sistema particolare alla temperatura effettiva.<ol>
<li>Eseguire il software di prova ultrasonico.</li>
		<li>Scegliere il tipo del sonotrodo utilizzato nel menu a discesa nella finestra di "Modello".</li>
		<li>Immettere l'ampiezza di spostamento possibile più basso per il sonotrodo particolare nella casella "Ampiezza".</li>
		<li>Fare clic sul pulsante "Start".</li>
		<li>Leggere la frequenza di risonanza effettiva del sistema nella finestra di "Frequenza".</li>
		<li>Fare clic sul pulsante "Stop".</li>
	</ol>
</li>
	<li>Quando la frequenza di risonanza del sistema con campioni montati è inferiore a quello senza il campione, ridurre la massa del campione, tagliando le facce della testa del provino. Nota: Se la frequenza di risonanza con un esemplare montato è superiore, sarebbe necessario ridurre il calibro diametro d, che avrebbe cambiato le condizioni del test. Questo è il motivo 0,5 mm viene aggiunto alla lunghezza delle teste nel processo di fabbricazione.<ol>
<li>Smontare l'esemplare dal sonotrodo.</li>
		<li>Montare il campione in un tornio e abbassare di 0,1 mm del viso del primo capo.</li>
		<li>Montare il campione in un tornio e abbassare di 0,1 mm del viso della seconda testa.</li>
		<li>Ripetere il punto 4.6 fino a quando la frequenza di risonanza rientra nella tolleranza di ± 10 Hz.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. finale montaggio dell'esemplare al sonotrodo prima della prova di fatica
<ol><li>Applicare il gel acustico sui volti di creare connessioni tra il sonotrodo e l'esemplare.<ol>
<li>Avvitare la vite di collegamento nel foro centrale del provino fino a quando raggiunge il fondo.</li>
		<li>Spanda il gel di acustico sul volto del campione. Nota: Solo una piccola quantità di gel acustico viene utilizzata per riempire le irregolarità sulla superficie per migliorare il trasferimento di onda acustica dal sonotrodo al provino.</li>
		<li>Avvitare l'esemplare al sonotrodo.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. eseguire il sistema di raffreddamento per campione
<ol><li>Se viene utilizzato il raffreddamento ad aria, fuoco il flusso d'aria direttamente al centro della lunghezza del calibro del campione e attendere per circa 20 s, in modo che il flusso del flusso dell'aria satura del campione.</li>
	<li>Se viene utilizzato il raffreddamento ad acqua, gli ugelli di acqua presso la testa in alto dell'esemplare a fuoco e regolare l'intensità del flusso in modo che l'acqua scorre senza intoppi lungo la lunghezza, per evitare la cavitazione. Nota: Immergendo il campione in acqua o olio è possibile pure, tuttavia questo può essere usato solo per breve tempo prove a causa dell'effetto di cavitazione significativi, che accelera il processo di iniziazione crepa fatica.</li>
</ol>7. eseguire il sistema di raffreddamento del convertitore elettrico piezo-elettrico
<ol><li>Aprire la valvola di flusso d'aria e regolare la pressione nell'intervallo compreso tra 0,5 e 1 bar.</li>
</ol>8. eseguire il Test ad ampiezza di spostamento richiesto
<ol><li>Eseguire il software di prova ultrasonico.</li>
	<li>Scegliere il tipo del sonotrodo usato nel menu a discesa nella finestra di "Modello".</li>
	<li>Immettere l'ampiezza di spostamento richiesto per il sonotrodo particolare nella casella "Ampiezza".</li>
	<li>Fare clic sul pulsante "Start".</li>
</ol>9. innesco e propagazione di affaticamento
<ol><li>Osservare che dopo la fatica crack iniziazione e propagazione attraverso una parte della sezione trasversale, il sistema è spostato fuori la frequenza di risonanza e naturalmente è terminato il test.</li>
	<li>Se il test non si esaurisce con una frattura, dopo aver raggiunto il numero richiesto di cicli, di carico (il test è un runout) terminare utilizzando il pulsante "Stop" nel software test ad ultrasuoni.</li>
</ol>10. Smontare l'esemplare dal sonotrodo
<ol><li>Svitare l'esemplare dal sonotrodo ultrasuoni.</li>
</ol>11. statica caricamento forza fratturazione
<ol><li>Usare la forza di carico statico per il resto della sezione trasversale con l'uso di una macchina di carico statico di frattura. Nota: Il vettore e il tipo delle forze di carico per la frattura statica deve corrispondere con il tipo della fatica caricamento in modo che la superficie di frattura ha carattere coerente.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Moore, H. F., Kommers, J. 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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>

Non abbiamo nulla di divulgare.

Prove di fatica ad ultrasuoni è uno dei pochi metodi che consente di testare i materiali strutturali della regione ciclo ultra-alta. Tuttavia, l'esemplare forma e le dimensioni sono molto limitate rispetto alla frequenza di risonanza. Ad esempio, test di lamiere sottili nella modalità di caricamento assiale generalmente non è possibile. Inoltre, test di grandi esemplari di solito non è possibile, perché le macchine di collaudo non forniscono tale potere e richiederebbe la progettazione di uno speciale sistema ad ult...

Danni di affaticamento dei materiali strutturali sono fortemente connesso con l'industrializzazione e principalmente con l'uso del motore a vapore e locomotive a vapore per il trasporto ferroviario, dove sono stati utilizzati un sacco di componenti metallici, principalmente ferro basato e ha dovuto resistere a vari tipi di carico ciclico. Uno dei primi test è stato fatto da Albert (Germania 1829)1 saldati catene per paranchi di miniera. La frequenza di caricamento era 10 curve al minuto e il maximal test registrato ha raggiunto 100.000 cicli1di caricamento. Un altro importante lavoro è stato svolto da William Fairbairn nel 1864. Prove sono state effettuate su travi in ferro battuto con uso di un carico statico, che è stato sollevato da una leva e poi lasciato cadere causa vibrazioni. La trave è stata caricata con aumentando gradualmente lo sforzo di caricamento ampiezza. Dopo aver raggiunto diverse centinaia di migliaia di cicli su varie ampiezze di stress, alla fine della trave di caricamento fallito dopo solo circa cinque mila cicli di carico ad un'ampiezza di caricamento di due quinti di ultima resistenza alla trazione. Il primo studio completo e sistematico dell'influenza dello stress ripetuti su materiali strutturali è stato fatto da August Wöhler nel 1860-18701. Per questi test, stava usando modalità di caricamento assiale, flessione e torsione. Wöhler progettato molti affaticamento unico collaudo macchine, ma il loro svantaggio era funzionamento a bassa velocità, ad esempio il rotante più veloce macchina piegatubi operata a 72 giri (1,2 Hz), così il completamento del programma sperimentale ha preso 12 anni1. Dopo l'esecuzione di questi test, si è ritenuto che, dopo aver raggiunto un'ampiezza di carico a cui il materiale resiste a 107 cicli, la degradazione di affaticamento è trascurabile e il materiale in grado di sopportare un numero infinito di cicli di carico. Questa ampiezza di carico è stata chiamata il "limite di fatica" e divenne il principale parametro in disegno industriale per molti anni2,3.
Ulteriore sviluppo di nuove macchine industriali, che richiedevano una maggiore efficienza e risparmio di costi, ha dovuto fornire la possibilità di caricamento superiore, maggiore velocità di funzionamento, durata superiore e alta affidabilità con bassi requisiti di manutenzione. Ad esempio, componenti del treno ad alta velocità Shinkanzen, dopo 10 anni di funzionamento, devono resistere a circa 109 cicli e guasto di un componente principale può avere conseguenze fatali4. Inoltre, componenti di motori a reazione spesso operano a 12.000 giri/min, e componenti di turbosoffianti spesso superano 17.000 giri/min. Quelli funzionamento ad alta velocità maggiori requisiti per prove di fatica vita nella regione del cosiddetto ciclo ultra-alta e per valutare se la resistenza a fatica di un materiale può essere davvero considerata costante per più di 10 milioni di cicli. Dopo i primi test eseguiti da superare questa resistenza, era ovvio che fatica errori possono verificarsi anche ad ampiezze di sollecitazione applicata inferiore al limite di fatica, dopo un certo numero di cicli molto di più di 107e che il meccanismo di danno e guasto potrebbe essere diverso dal solito quelli5.
Creazione di un programma di test di fatica puntato su che studia il ciclo ultra-alta regione ha richiesto lo sviluppo di nuovi dispositivi di prova per aumentare fortemente la frequenza di caricamento. Un simposio incentrato su questo argomento si tenne a Parigi nel giugno 1998, dove sperimentale sono stati presentati i risultati che sono stati ottenuti da Stanzl-Tschegg6 e Bathias7 a 20 kHz frequenze, di caricamento di Ritchie8 con l'uso di 1 kHz chiuso ciclo servo-idraulica test di macchina e di Davidson8 con un 1,5 kHz magneto-restrittiva test macchina4. Da quel momento, sono state proposte molte soluzioni, ma ancora il più comunemente usato macchina per questo tipo di test si basa sul concetto di Manson dal 1950 e utilizza frequenze vicino 20kHz9. Queste macchine presentano un buon equilibrio tra velocità di deformazione, la precisione della determinazione del numero di cicli e al momento della prova di fatica (1010 cicli vengono raggiunti in circa 6 giorni). Altri dispositivi sono stati in grado di fornire anche più alte frequenze di caricamento, come quella usata da albergo in 1959-92 kHz e Kikukawa nel 1965-199 kHz; Tuttavia, questi sono usati raramente perché creano tassi di deformazione estremamente elevati e, poiché il test dura solo pochi minuti, è previsto un notevole errore nel ciclo di conteggio. Un altro importante fattore che limita la frequenza di caricamento dei dispositivi di risonanza per prove di fatica è la dimensione del campione, che è in relazione diretta con la frequenza di risonanza. Maggiore la frequenza di caricamento richiesto, il più piccolo campione. Questo è il motivo per cui frequenze superiori a 40 kHz sono raramente usate10.
Poiché l'ampiezza di spostamento è solitamente limitato entro l'intervallo compreso tra 3 e 80 µm, prove di fatica ad ultrasuoni può essere correttamente applicato sui materiali più metallici, però le tecniche per la sperimentazione di materiali polimerici come il PMMA11 e Inoltre sono stati sviluppati materiali compositi12 . In genere, prove di fatica ad ultrasuoni è possibile eseguire in modalità di caricamento assiale: trazione - compressione simmetrica ciclo13,14, tensione - tensione ciclo15, piegatura15, tre punti e ci sono anche alcuni studi con particolari modifiche del sistema per prove15,16 e flessione biassiale17di torsione. Non è possibile utilizzare campioni arbitrari, perché per questo metodo, la geometria è strettamente funzionale al raggiungimento di 20 kHz la frequenza di risonanza. Per il carico assiale, diversi tipi di campioni sono stati comunemente utilizzati, di solito con una forma di clessidra con un diametro di lunghezza di calibro da 3 a 5 mm. Per la piegatura di tre punti, sottili fogli sono comunemente usati, e per gli altri metodi sono progettati speciali tipi di campioni, secondo il tipo di metodo e le condizioni dei test. Il metodo è stato progettato per la valutazione della durata a fatica nella regione ciclo ad alta e altissima, e ciò significa che al caricamento di 20 kHz, 1 milione di cicli è ottenuta in 50 s; Pertanto, questo è solitamente considerato il limite inferiore di cicli che possono essere studiate con ragionevole precisione, rispetto al numero di determinazione del ciclo di carico. Ogni campione deve essere armonizzato con il corno ad ultrasuoni modificando massa del provino per fornire la frequenza di risonanza giusto del sistema: ad ultrasuoni corno con esemplare.

<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

Prove di fatica ad ultrasuoni è uno dei pochi metodi che permettono indagando proprietà a fatica nella regione ciclo ultra-alta. Il metodo si basa sull'esposizione l'esemplare a vibrazioni longitudinali sulla propria frequenza di risonanza vicino a 20kHz. Con l'uso di questo metodo, è possibile ridurre notevolmente il tempo richiesto per il test, rispetto ai tradizionali dispositivi di prova solitamente lavorano a frequenze sotto i 200 Hz. Serve anche per simulare il carico di materiale durante il funzionamento in condizioni di alta velocità, come quelli sperimentati dai componenti di motori a reazione o auto turbo pompe. È necessario operare solo nella regione ciclo ad alta e altissima, dalla possibilità di tassi di deformazione estremamente elevate, che possono avere un'influenza significativa sui risultati dei test. Dimensioni e forma dei campioni devono essere attentamente selezionato e calcolato per soddisfare la condizione di risonanza del sistema ad ultrasuoni; così, non è possibile testare i componenti completo o esemplari di forma arbitraria. Prima di ogni prova, è necessario armonizzare l'esemplare con la frequenza del sistema ad ultrasuoni per compensare le deviazioni della forma reale da quello ideale. Non è possibile eseguire un test fino a una frattura totale del campione, dal momento che il test è terminato automaticamente dopo l'inizio e propagazione della cricca per una certa lunghezza, quando la rigidità del sistema cambia abbastanza per spostare il sistema fuori la risonanza frequenza. Questo manoscritto descrive il processo di valutazione della fatica dei materiali proprietà a fatica ad ultrasuoni ad alta frequenza di carico con uso di risonanza meccanica ad una frequenza vicino a 20kHz. Il protocollo comprende una descrizione dettagliata di tutti i passaggi necessari per un test corretto, compreso il campione disegno, calcolo dello stress, armonizzandosi con la frequenza di risonanza, eseguire il test e la frattura finale statico.

Risultati della prova di fatica includono il caricamento dello stress, numero di cicli, di carico e il carattere di terminazione di prova (frattura o eccentricità) può essere visto nella tabella 1, dove risultati di vita a fatica della 50CrMo4 estiguuto e temperato acciaio sono forniti. La più comune interpretazione dei risultati del test di vita di affaticamento è il cosiddetto S - trama di N (S - stress, N - numero di cicli), noto anche come trama di Wöhler. La dip...

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Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

Un protocollo per la prova della regione ciclo ad alta e altissima in modalità caricamento assiale di trazione-compressione ad ultrasuoni di fatica.

Prova in modalità trazione-compressione ad ultrasuoni di fatica

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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10.6K Views.  University of Žilina. Un protocollo per la prova della regione ciclo ad alta e altissima in modalità caricamento assiale di trazione-compressione ad ultrasuoni di fatica.

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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.

Una piattaforma di prova per una durata Studi di polimeri e fibra-Reinforced Polymer Composites sotto Stimoli Concurrent Hygrothermo-meccanico

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

Ricerca

Ingegneria

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.

Esperimenti su ultrasuoni lubrificazione Utilizzando un tribometro piezoelettrico-assistita e Profilometro ottico

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.

Saldatura ad ultrasuoni di tagliandi termoplastico composito per la caratterizzazione meccanica dei giunti saldati attraverso singolo giro Shear Test

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.

Misure estensimetriche a pieno campo per affaticamento Microstructurally piccola crepa propagazione utilizzando il metodo di correlazione di immagini digitali

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.

Caratterizzazione di materiali intermedi ceppo tasso con correlazione di immagini digitali

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.

Monitoraggio delle crepe nei test di fatica di risonanza di campioni saldati utilizzando la correlazione digitale delle immagini

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.

Caratterizzazione biomeccanica di morbidi tessuti umani usando una indentazione e prove di trazione

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

Bioingegneria

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.

Test biomeccanici di Murine Tendons

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>Valutazione dell'osso corticale con il dispositivo BDAT a ultrasuoni

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>Valutazione dell'osso corticale mediante onde guidate da ultrasuoni: uno studio di riproducibilità in una popolazione sana

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.

Valutazione dell'osso corticale mediante onde guidate da ultrasuoni: uno studio di riproducibilità in una popolazione sana

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

Prova in modalità trazione-compressione ad ultrasuoni di fatica

Riepilogo

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Una piattaforma di prova per una durata Studi di polimeri e fibra-Reinforced Polymer Composites sotto Stimoli Concurrent Hygrothermo-meccanico

Esperimenti su ultrasuoni lubrificazione Utilizzando un tribometro piezoelettrico-assistita e Profilometro ottico

Saldatura ad ultrasuoni di tagliandi termoplastico composito per la caratterizzazione meccanica dei giunti saldati attraverso singolo giro Shear Test

Misure estensimetriche a pieno campo per affaticamento Microstructurally piccola crepa propagazione utilizzando il metodo di correlazione di immagini digitali

Caratterizzazione di materiali intermedi ceppo tasso con correlazione di immagini digitali

Monitoraggio delle crepe nei test di fatica di risonanza di campioni saldati utilizzando la correlazione digitale delle immagini

Caratterizzazione biomeccanica di morbidi tessuti umani usando una indentazione e prove di trazione

Test biomeccanici di Murine Tendons

Valutazione dell'osso corticale mediante onde guidate da ultrasuoni: uno studio di riproducibilità in una popolazione sana

Valutazione dell'osso corticale mediante onde guidate da ultrasuoni: uno studio di riproducibilità in una popolazione sana