Próby zmęczeniowe

Określanie odporności na drgania materiałów i komponentów za pomocą optycznej metrologii 3D

Próby zmęczeniowe dzielą się na różne kategorie:

Testy niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej zgodnie z ISO 12106 i ASTM E606
Testy wysokocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej zgodnie z DIN 50100, ASTM E466-15 lub ISO 1099

Test wysokocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej (HCF), zwany również testem S-N, testem zmęczeniowym Woehlera lub testem ciągłych wibracji, to test obciążenia cyklicznego, który ma na celu określenie zachowania zmęczeniowego materiałów i komponentów. Zachowanie zmęczeniowe lub odporność na drgania dostarczają informacji na temat deformacji i uszkodzeń materiału lub komponentu pod wpływem dynamicznego obciążenia oscylacyjnego. Wyniki testów odgrywają ważną rolę w praktycznym zastosowaniu materiałów i komponentów, ponieważ cykliczne obciążenia mechaniczne są często przyczyną awarii komponentów. Znajomość zachowania zmęczeniowego pozwala na wyciągnięcie precyzyjnych wniosków na temat ograniczonej wytrzymałości zmęczeniowej i granicy zmęczenia materiału lub komponentu. Wiedza na temat zachowania zmęczeniowego materiałów i komponentów gwarantuje, że podczas cyklu życia produktu końcowego nie dojdzie do krytycznego uszkodzenia materiału lub nagłej awarii zmęczeniowej.

Koncentracje naprężeń i efekt karbu

Wysokocyklowy test zmęczeniowy (HCF) może być wykorzystywany do badań podstawowych, na przykład w przypadku nowych kompozytów wzmocnionych włóknami w dziedzinach takich jak inżynieria motoryzacyjna, lotnictwo i kosmonautyka lub biomechanika. Ponadto, test wysokocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej (lub test zmęczeniowy Woehlera) jest integralną częścią testowania prototypów, gdzie może być wykorzystany na przykład do oceny konstrukcji komponentu lub obliczenia trwałości. Projektanci nie mogą polegać na ogólnych właściwościach materiałowych podczas opracowywania produktu bez testowania, ponieważ właściwości nie można przenieść 1:1 na dowolny komponent. Powodem jest to, że otwory, rozmiar i kształt komponentu, a także inne cechy konstrukcyjne prowadzą do zmienionej koncentracji naprężeń na komponencie w porównaniu do koncentracji naprężeń na znormalizowanych geometriach próbek w testach materiałowych. W konsekwencji indywidualne właściwości konstrukcyjne znacząco wpływają na zachowanie zmęczeniowe komponentów i mogą przyspieszyć awarię. Zjawisko to nazywane jest w literaturze technicznej efektem karbu (lub efektem koncentracji naprężeń).

Jak działa test wysokocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej (HCF)?

Próbka testowa jest umieszczana na stanowisku badawczym i poddawana cyklicznemu obciążeniu (rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie lub ścinanie), zwykle przy użyciu sinusoidalnie zmiennemu obciążeniu. Podczas próby zmęczeniowej Woehlera średnie naprężenie pozostaje stałe. Próbki z serii testowej są naprzemiennie obciążane przez ugięcie naprężenia (amplitudę) po obu stronach średniego poziomu naprężenia, aż do wystąpienia wstępnie zdefiniowanego kryterium uszkodzenia, np.:

Test wysokocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej (HCF) trwa do momentu uszkodzenia próbki (lub wystąpienia jasno określonego kryterium uszkodzenia, np. pęknięcia lub złamania).
Wartość progowa w liczbie cykli jest definiowana wcześniej. Wysokocyklowy test zmęczeniowy (test S-N) kończy się, gdy próbka lub komponent osiągnie progową liczbę cykli obciążenia bez widocznego kryterium uszkodzenia. W takim przypadku badana próbka lub komponent jest określany jako odporny na zmęczenie materiału.
Naukowcy i inżynierowie testujący zawsze przeprowadzają kilka testów wysokocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej (testy S-N) na identycznych próbkach jeden po drugim. Amplituda naprężenia od próbki do próbki jest stopniowo zmniejszana (metoda schodkowa), aż do momentu, gdy predefiniowane zdarzenie (np. pęknięcie badanej próbki) przestanie występować lub zostanie osiągnięta progowa liczba cykli obciążenia. Ogólnie rzecz biorąc, przeprowadza się co najmniej trzy testy na amplitudę obciążenia w celu statystycznej weryfikacji wartości.

Wyniki wszystkich serii prób zmęczeniowych Woehlera są ostatecznie wprowadzane do diagramu: diagramu Woehlera. Wykres ten przedstawia zależność amplitud naprężeń (oś Y) i odpowiadającej im progowej liczby cykli obciążenia (oś X). W wyniku powstaje krzywa Woehlera (synonim: linia Woehlera).

Jak można zmierzyć deformację w teście wysokocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej?

Klasycznym urządzeniem pomiarowym do testu wysokocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej jest tensometr (lub miernik), którego wartość rezystancji zmienia się, gdy powierzchnia obiektu jest odkształcana lub ściskana. Tensometry są dostępne na rynku w szerokiej gamie materiałów i kształtów, dzięki czemu dostępne są odpowiednie tensometry do każdego standardowego testu. W celu zarejestrowania deformacji badanego materiału lub komponentu jeden lub więcej tensometrów jest ręcznie przykładanych do próbki i podłączanych do urządzenia wzmacniającego lub tak zwanego systemu akwizycji danych (DAQ) za pomocą kabli.

To, co brzmi prosto, w praktyce okazuje się bardziej skomplikowane: Lokalne przyłożenie tensometru/miernika stanowi fizyczną ingerencję w skład powierzchni próbki. Nawet jeśli warstwa samoprzylepna tensometru jest bardzo cienka, można zaobserwować lokalny efekt karbu. Wynikające z tego niewielkie wady powierzchni mogą prowadzić do niepożądanych pęknięć w obszarze tensometru, co fałszuje test. Ponadto stosowanie tensometrów pociąga za sobą drugi problem: Zmęczeniu ulega nie tylko badany materiał, ale także materiał tensometru/taśmy pomiarowej. Zwłaszcza w przypadku zaawansowanych technologicznie kompozytów, zmęczenie materiału tensometru może wystąpić wcześniej niż zmęczenie badanego materiału. W związku z tym test wysokocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej (próba zmęczeniowa Woehlera) może zostać przerwany wcześniej niż zamierzano, tj. już po uszkodzeniu tensometru.

Przydatną alternatywą lub uzupełnieniem tensometrów jest optyczna metrologia 3D: Systemy pomiarowe oparte na pracy kamer śledzą sekwencję testową w czasie rzeczywistym (w konfiguracjach wielu sensorów z różnych perspektyw jednocześnie) i umożliwiają bezstykowe pozyskiwanie danych pomiarowych. Przechwycone wartości pomiarowe odkształceń i przemieszczeń 3D dostarczają jasnych informacji na temat deformacji badanej próbki. Dane pomiarowe są automatycznie przesyłane do oprogramowania pomiarowego, umożliwiając różne oceny (np. porównanie danych pomiarowych z danymi symulacji).

Który system pomiarowy jest odpowiedni do testu wysokocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej (HCF)?

Optyczny system pomiarowy 3D ARAMIS rejestruje z wysoką precyzją współrzędne 3D, przemieszczenia 3D i odkształcenia powierzchni 2D zarówno na całej powierzchni, jak i w określonych punktach zainteresowania. Obszar pomiarowy systemu ARAMIS może być elastycznie dostosowany do badanej próbki. Bez względu na to, czy jest to mały komponent, czy specjalna konstrukcja o długości kilku metrów, sensory ARAMIS zawsze wspierają całą konfigurację testu. W przeciwieństwie do konwencjonalnych tensometrów system rejestruje dane pomiarowe całkowicie bezstykowo. W razie potrzeby użytkownik może również zastosować wirtualne tensometry/przyrządy pomiarowe do elementu za pomocą podłączonego oprogramowania ZEISS INSPECT bez konieczności wcześniejszego zastanawiania się, gdzie wystąpi największe odkształcenie. Oprogramowanie prowadzi użytkownika przez całą procedurę pomiarową: począwszy od pozyskiwania danych pomiarowych, poprzez analizę deformacji powierzchni lub punktowych przemieszczeń 3D, aż po tworzenie szczegółowych raportów pomiarowych, które są łatwe do zrozumienia i interpretacji nawet dla użytkowników, którzy nie mają doświadczenia w technice pomiarowej (np. partnerów do współpracy lub klientów). Zakres odkształcenia badanej próbki może być wizualizowany na przykład w postaci kolorystycznej mapy odchyłek.

Udostępnij tę stronę