WO2004010112A1 - Procedimiento y dispositivo para el estudio de la resistencia a fatiga de materiales metálicos a frecuencias ultrasónicas y temperatura constante - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para el estudio de la resistencia a fatiga de materiales metálicos a frecuencias ultrasónicas y temperatura constante Download PDF

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Víctor Manuel ACOSTA APARICIO
Fausto Montoya Vitini
Juan Antonio Gallego Juarez
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Definitions

  • the fatigue fatigue curve SN is defined for carbon steels (breaking stress depending on the number of cycles) in general, it refers to 10 7 cycles and it is admitted that there is a horizontal asymptote that allows us to talk about a limit of fatigue, taking into account the value of the tension for 10 6 -10 7 cycles.
  • the asymptote of the SN curve is not horizontal. The interest in making rapid fatigue tests thanks to an ultrasonic frequency fatigue testing machine is evident.
  • the object of this patent is the establishment of a device and a procedure that allow the determination of the fatigue resistance of metallic materials at ultrasonic frequencies and at constant temperature. At ultrasonic frequencies the propagation of the crack is so rapid that it will work with the establishment of fatigue break thresholds, for different numbers of cycles.
  • the system object of the present patent is based 1) on the design of stepped geometry resonant specimens, which greatly reduces transducer solicitations (Figure 1); 2) flexural and tensile compression tests are performed; 3) the breaking voltage is quantified by the direct, non-intrusive measurement of the vibration velocity combined with a very precise stress calculation performed using finite elements (EF); 4) a piezoelectric transducer is used for excitation of the specimens; 5) the temperature of the specimens is kept constant by excitation by electronically controllable wavelength trains; 6) the number of cycles to which the specimen has been subjected is counted electronically; 7) when fatigue rupture occurs, different electronically controlled parameters undergo an abrupt change (frequency and impedance), which allows to automatically detect the moment in which the failure occurs.
  • the device object of this patent is thus a simple, cheap and precise system, with clearly differentiated characteristics with respect to the preceding methods and devices.
  • the principle of the procedure is based on the production, control and measurement of high amplitude (nolineal) vibrations in specimens of the material to be studied that are excited by moderate or low amplitude (linear) vibrations.
  • the mechanical stress applied is calculated using a commercial finite element code.
  • the electronic system is computer controlled and counts and stores the excitation time to which the specimen has been subjected, as well as the working frequency and impedance of the transducer-specimen assembly. The abrupt change in frequency and impedance that occurs at the time of the break allows the moment of the break to be detected automatically.
  • the device consists of an excitation system, a data acquisition system and the resonant samples of the material. See Figure 2.
  • the excitation system consists of an electronic generator (1) and a piezoelectric transducer (2).
  • the electronic generator used to drive the transducer which consists of an oscillator (3) and a power amplifier (4), is equipped with a feedback system (5) to automatically adjust the excitation frequency to that of the transducer resonance.
  • the feedback system measures the amplitude of the voltage in the transducer as well as the phase between it and the current in it, making a correction in the oscillator frequency control parameter.
  • the system also has an interruption circuit (6) designed to produce periodic interruptions in the excitation signal; In this way, the excitation time can be controlled and the temperature of the sample kept constant.
  • This interrupt circuit consists essentially of a programmable counter and an output stage that acts on the input signal of the power amplifier. The excitation and stop time can be varied between 0.1 s and 1.8 hours.
  • the device consists of an impedance adaptation system between the generator and the load (7) which, depending on the type of sample considered, allows the generator to adapt to the load and thus obtain the maximum possible energy transfer between the two.
  • the electronic system is equipped with a counter that informs the user of the number of wave trains applied to the sample, and the frequency and width thereof, or, ultimately, the number of fatigue cycles that the test lasts. When the electrical parameters that, according to the procedure described above, characterize the fatigue cracking nucleation, undergo a change the counter is stopped and the test is thus terminated.
  • the excitation system is digital and is connected to a personal computer, which allows remote control of the different characteristic parameters of the test and the recording of the history of the rupture.
  • the excitation transducer (2) which is a resonant system at the frequency of interest, consists of two elements of length ⁇ / 2: a piezoelectric transducer element (8) and a step-shaped mechanical amplifier (9).
  • the transducer element is of the "sandwich” type consisting of 4 piezoelectric ceramics prestressed between a mass and a steel counter.
  • the mechanical amplifier is constructed of a highly fatigue resistant alloy (Ti 6A1 4V) has a section ratio of 40/15 with a certain radius of curvature to prevent fatigue breakage.
  • the geometry of the samples (10) used is essential for the success of the fatigue system.
  • the specimens are designed so that, in the first place, they resonate at the frequency of the transducer and, secondly, there is a large concentration of energy in them.
  • the system has been designed to study materials especially resistant to fatigue, so there is a risk of breaking the transducer before the test tube if it is not properly designed.
  • samples with a stepped geometry have been designed and constructed.
  • cylindrical samples with stepped profile are used as shown in Figure 3 (A).
  • the specimens are constructed so that they are resonant at the frequency of the transducer.
  • the samples are screwed to the transducer at a point of minimum tension and vibrate freely, without any contact point.
  • the models used in Figures 1 and 4 are analytical models, which do not take into account effects such as stress concentrations in section changes. To correctly assess the stresses to which a specimen is subjected from the measurement of the vibration velocity amplitude at one point, a numerical calculation (using a commercial finite element code) of the distribution of tensions in the samples. The results corresponding to two types of test specimens used in fatigue tests are shown in Figure 5.
  • the data acquisition system has as its fundamental characteristic the use of non-intrusive methods. This particularity is essential when working at high amplitudes of vibration, where any contact would cause large local heating and consequent temperature gradients that greatly affect the characteristics under study of the material and accelerate fatigue processes.
  • the displacement amplitude is measured by a vibrometer based on a He-Ne laser interferometer (12).
  • the vibrometer measures frequencies up to 1.5 MHz and vibration speeds between 10 ⁇ m / s and 10 m s.
  • the vibrometer is connected to a digital oscilloscope (13) and this to a PC (14) where the signals are stored and analyzed by standard FFT methods.
  • the system allows the temperature controlled tests to be carried out by means of a thermally insulated and heated ceramic furnace, provided with a control system (17) that keeps the temperature in the oven constant.
  • This temperature is measured by means of a thermocouple and is regulated by a multifunction controller, connected to the heating resistors, for tests up to 1000 ° C.
  • the multifunction controller (17) is connected to the PC where the temperatures are recorded and the temperature of the test is set.
  • the surface temperature of the specimen is measured by a point infrared temperature meter (15) without contact in the vibration node of the sample which is the point of maximum heating and warming greater than or equal to 1 ° C
  • Figure 6 we show a test tube for flexional vibration broken by ultrasonic fatigue by the method and device described herein.

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Abstract

El objeto de esta patente es el establecimiento de un dispositivo y un procedimiento que permiten la determinación de la resistencia a fatiga de materiales metálicos a frecuencias ultrasónicas y a temperatura constante. El procedimiento permite el estudio de materiales sometidos a tensiones de tracción-compresión y flexión, a diferentes temperaturas desde la temperatura ambiente hasta 1000°C, a alta frecuencia. El procedimiento permite la evaluación de la tensión de ruptura y el número de ciclos al que el material ha sido sometido y la grabación de la historia de la ruptura. El dispositivo está constituido por un sistema de excitación, un sistema de adquisición de datos y las muestras resonantes del material.

Description

TÍTULO
PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA EL ESTUDIO DE LA RESISTENCIA A FATIGA DE MATERIALES METÁLICOS A FRECUENCIAS ULTRASÓNICAS Y TEMPERATURA CONSTANTE
MEMORIA DESCRIPTIVA
Un buen conocimiento de la resistencia a fatiga de los materiales metálicos utilizados habitualmente en la industria aeronáutica, aerospacial, en defensa y en energía, es un tema de incuestionable interés y actualidad. De hecho, existen métodos sencillos y bien establecidos para la determinación de otros parámetros mecánicos de interés: límite elástico, límite de ruptura, dureza, etc., pero la utilización de un determinado material en las industrias antes mencionadas tropieza con el problema de la ruptura en fatiga de sus constituyentes a altas frecuencias de vibración.
Cuando se define la curva de resistencia a fatiga SN para aceros al carbono (tensión de ruptura en función del número de ciclos) en general se refiere a 107 ciclos y se admite que después existe una asíntota horizontal que autoriza a hablar de un límite de fatiga, teniendo en cuenta el valor de la tensión para 106-107 ciclos. Para otras aleaciones y en particular las utilizadas en aeronáutica (aleaciones de titanio) la asíntota de la curva SN no es horizontal. El interés de hacer ensayos de fatiga rápidos gracias a una máquina de pruebas para fatiga a frecuencias ultrasónicas se hace evidente.
El objeto de esta patente es el establecimiento de un dispositivo y un procedimiento que permiten la determinación de la resistencia a fatiga de materiales metálicos a frecuencias ultrasónicas y a temperatura constante. A frecuencias ultrasónicas la propagación de la grieta es tan rápida que se trabajará con el establecimiento de umbrales de ruptura por fatiga, para diferentes números de ciclos.
Existen otros sistemas patentados o publicados [1,2,3] estableciendo dispositivos y/o procedimientos para el estudio de la fatiga ultrasónica. Uno de los más clásicos es el utilizado por Kuzmenko [1] en el que se trabaja con vibraciones longitudinales, se utiliza un transductor magnetostrictivo y las probetas son barras resonantes a 12 con una entalladura central. La amplitud de vibración es controlada mediante un sensor por contacto. La temperatura de la muestra se mantiene constante mediante un baño isotermo. Las altas solicitaciones a las que el transductor magnetostrictivo está sometido, exige la incorporación de un sistema de refrigeración del mismo. En el documento [2] se patenta un dispositivo, que es una modificación del comentado anteriormente, para el estudio del efecto de la superposición de una fuerza estática a la vibración de alta frecuencia; se utiliza la misma filosofía de diseño de probetas y el mismo tipo de transductor que en [1]. El sistema objeto de la presente patente se basa 1) en el diseño de probetas resonantes de geometría escalonada, lo que reduce muchísimo las solicitaciones del transductor (Figura 1); 2) se realizan ensayos a flexión y a tracción-compresión; 3) la tensión de ruptura se cuantifica mediante la medida directa, no intrusiva, de la velocidad de vibración combinada con un cálculo de tensiones muy preciso realizado mediante elementos finitos (EF); 4) se utiliza un transductor piezoeléctrico para la excitación de las probetas; 5) la temperatura de las probetas se mantiene constante mediante la excitación por trenes de onda de longitud controlable electrónicamente; 6) el número de ciclos al que la probeta ha estado sometida se cuenta electrónicamente; 7) cuando se produce la ruptura por fatiga, diferentes parámetros controlados electrónicamente sufren un cambio brusco (frecuencia e impedancia), lo que permite detectar de forma automática el momento en que el fallo ocurre. El dispositivo objeto de esta patente resulta así un sistema sencillo, barato y preciso, con características claramente diferenciadas respecto a los métodos y dispositivos precedentes.
El principio del procedimiento se basa en la producción, control y medida de vibraciones de alta amplitud (nolineales) en probetas del material a estudiar que son excitadas mediante vibraciones de moderada o baja amplitud (lineales). La tensión mecánica aplicada se calcula utilizando un código de elementos finitos comercial. El sistema electrónico es controlado por ordenador y cuenta y almacena el tiempo de excitación al que ha estado sometida la probeta, así como la frecuencia de trabajo y la impedancia del conjunto transductor-probeta. El cambio brusco de frecuencia e impedancia que se produce en el momento de la ruptura permite detectar el momento de la ruptura de forma automática. El dispositivo está constituido por un sistema de excitación, un sistema de adquisición de datos y las muestras resonantes del material. Ver Figura 2.
El sistema de excitación consiste en un generador electrónico (1) y un transductor piezoeléctrico (2).
El generador electrónico utilizado para excitar el transductor, que consta de un oscilador (3) y un amplificador de potencia (4), está dotado de un sistema de realimentación (5) para ajustar automáticamente la frecuencia de excitación a la de resonancia del transductor. El sistema de realimentación mide la amplitud de la tensión en el transductor así como la fase entre esta y la corriente en el mismo, efectuando una corrección en el parámetro de control de la frecuencia del oscilador. El sistema cuenta además con un circuito de interrupción (6) diseñado para producir interrupciones periódicas en la señal de excitación; de esta forma se puede controlar el tiempo de excitación y mantener así constante la temperatura de la muestra. Este circuito de interrupción consiste esencialmente en un contador programable y una etapa de salida que actúa sobre la señal de entrada del amplificador de potencia. El tiempo de excitación y el de parada pueden variarse entre 0.1 s y 1.8 horas. Con estos rangos es posible mantener constante la temperatura para muestras metálicas sometidas a grandes deformaciones. Además el dispositivo consta de un sistema de adaptación de impedancias entre el generador y la carga (7) que, dependiendo del tipo de muestra considerado permite adaptar el generador a la carga y así obtener la máxima transferencia de energía posible entre ambos. El sistema electrónico está dotado de un contador que informa al usuario del número de trenes de onda aplicados a la muestra, y la frecuencia y anchura de los mismos, o, en definitiva, del número de ciclos de fatiga que dura el ensayo. Cuando los parámetros eléctricos que, de acuerdo con el procedimiento descrito anteriormente, caracterizan la nucleación de la grieta de fatiga, sufren un cambio el contador se para y se da así el ensayo por terminado. El sistema de excitación es digital y está conectado a un ordenador personal lo que permite el control a distancia de los distintos parámetros característicos del ensayo y la grabación de la historia de la ruptura. El transductor de excitación (2), que es un sistema resonante a la frecuencia de interés, está constituido por dos elementos de longitud λ/2: un elemento transductor piezoeléctrico (8) y un amplificador mecánico de forma escalonada (9). El elemento tranductor es del tipo "sandwich" constituido por 4 cerámicas piezoeléctricas pretensadas entre una masa y una contramasa de acero. El amplificador mecánico está construido de una aleación altamente resistente a la fatiga (Ti 6A1 4V) tiene una relación de secciones de 40/15 con un cierto radio de curvatura para evitar la ruptura por fatiga.
La geometría de las muestras (10) utilizadas es fundamental para el éxito del sistema de fatiga. Las probetas se diseñan para que, en primer lugar, resuenen a la frecuencia del transductor y, en segundo lugar, haya una gran concentración de energía en las mismas. De hecho el sistema ha sido diseñado para estudiar materiales especialmente resistentes a la fatiga, por lo que se corre el riesgo de romper el transductor antes que la probeta si esta no está correctamente diseñada. Así se han diseñado y construido muestras con una geometría escalonada. Para los ensayos tracción-compresión se utilizan muestras cilindricas de perfil escalonado como se muestra en la Figura 3 (A). En la Figura 1 se presenta la amplitud de deformación en una probeta (A) escalonada, con relación de diámetros (dχ/d =5) comparada con una cilindrica, puede verse que con este tipo de geometrías se consiguen deformaciones muy altas en el material sin grandes amplitudes de excitación, es decir, en el rango lineal del transductor de excitación (la máxima deformación en el transductor coincidiría con la deformación en una probeta de longitud λ 2). Las probetas se construyen de forma que sean resonantes a la frecuencia del transductor. Puede comprobarse que la condición de resonancia para este tipo de geometrías es tan(ωl/4c) = d2 /dl , donde ω es la frecuencia de resonancia, / la longitud de la muestra, c la velocidad del sonido en el material estudiado, y d2 y d los diámetros de las dos secciones de la barra [4]. Puede verse que, debido a la especial geometría de las muestras, las longitudes de resonancia son menores que λ/2 lo que redunda en una mayor concentración de la energía y, por lo tanto, como ya se ha dicho, en altas amplitudes de deformación (Figura 1). Esto permite romper las probetas por fatiga manteniendo el transductor trabajando en su rango lineal, incluso tratándose de materiales altamente resistentes a la fatiga como es el mismo material del que está constituido el amplificador mecánico del transductor.
Para las pruebas de vibración flexional se sigue el mismo principio, y se diseñan y construyen probetas prismáticas de perfil escalonado (11), unidas por su parte central (en este caso más gruesa) al transductor de excitación (Figura 3 B). En la Figura 4 se muestra la comparación de la distribución de deformaciones para una probeta de sección constante y otra escalonada [5]. El efecto, comentado para las probetas vibrando extensionalmente se hace de nuevo evidente, para este tipo de vibraciones.
Las muestras son atornilladas al transductor en un punto de mínima tensión y vibran libremente, sin ningún punto de contacto.
Los modelos utilizados en las figuras 1 y 4 son modelos analíticos, que no tienen en cuenta efectos tales como las concentraciones de tensiones en los cambios de sección. Para evaluar de forma correcta las tensiones a las que una probeta está sometida a partir de la medida de la amplitud de velocidad de vibración en un punto, se lleva a cabo un cálculo numérico (utilizando un código de elementos finitos comercial) de la distribución de tensiones en las muestras. En la Figura 5 se muestran los resultados correspondientes a dos tipos de probetas utilizadas en los ensayos de fatiga.
El sistema de adquisición de datos tiene como característica fundamental la utilización de métodos no intrusivos. Esta particularidad es imprescindible cuando se trabaja a altas amplitudes de vibración, donde cualquier contacto provocaría grandes calentamientos locales y los consiguientes gradientes de temperatura que afectan grandemente las características en estudio del material y aceleran los procesos de fatiga. Así la amplitud de desplazamiento se mide mediante un vibrómetro basado en un interferómetro láser de He-Ne (12). El vibrómetro mide frecuencias de hasta 1.5 MHz y velocidades de vibración entre 10 μm/s y 10 m s. El vibrómetro se conecta a un osciloscopio digital (13) y éste a un PC (14) donde se almacenan y analizan las señales por métodos standard de FFT. El sistema permite realizar los ensayos con temperatura controlada mediante un horno cerámico aislado térmicamente y calefactado, provisto de un sistema de control (17) que mantiene la temperatura en el interiro del horno constante. Esta temperatura se mide por medio de un termopar y se regula por un controlador multifunción, conectado a las resistencias calefactoras, para ensayos de hasta 1000°C. El controlador multifunción (17) está conectado al PC donde se registran las temperaturas y se configura la temperatura de realización del ensayo. La temperatura superficial de la probeta se mide mediante un medidor de temperatura puntual por infrarrojos (15) sin contacto en el nodo de vibración de la muestra que es el punto de máximo calentamiento y no se permiten, en dicho punto, calentamientos mayores o iguales a 1°C.
A modo de ejemplo, en la figura 6 mostramos una probeta para vibración flexional rota por fatiga ultrasónica mediante el procedimiento y dispositivo aquí descrito.
REFERENCIAS
1. V. A. Kuzmenko, "Fatigue strength of structural materials at sonic and ultrasonic loading frequencies" Ultrasonics 13 (1) 21-30 (1975)
2. C. Bathias, A. Billmann, Tieying W., "Systéme d'essai pour fatigue vibratoire á charge moyenne non nulle" n° de publicación 2 680 003 (1993)
3. Fukuhara Mikio, "Ultrasonic vibration type fatigue tester" n° de publicación JP7035668 (1995)
4. C. Campos-Pozuelo and J.A. Gallego-Juárez, "Limiting strain subjected to high- intensity ultrasound" 82 823-828 (1996)
5. C. Campos-Pozuelo and J.A. Gallego-Juárez, "Finite amplitude flexural vibrations at ultrasonic frequencies in metallic bars", J. Acoust. Soc. Am. 98 1742-1750
(1995)

Claims

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento y dispositivo para la determinación de la resistencia a fatiga ultrasónica de materiales caracterizado por la producción, control y medida de vibraciones de alta amplitud (no-lineales) en probetas del material a estudiar que son excitadas mediante vibraciones de moderada o baja amplitud (lineales).
2. Procedimiento y dispositivo para la determinación de la resistencia a fatiga ultrasónica de materiales, caracterizado por la utilización de un transductor piezoeléctrico con un amplificador mecánico de sección escalonada y de probetas vibrando a flexión o a extensionalemte, de sección escalonada, resonantes a la frecuencia de interés.
3. Procedimiento y dispositivo para la determinación de la resistencia a fatiga ultrasónica de materiales según reivindicaciones anteriores caracterizado por la utilización de un sistema electrónico de excitación que permite trabajar siempre a la frecuencia de resonancia del sistema transductor-probeta y a temperatura constante, mediante la excitación de trenes de onda de longitud controlable.
4. Procedimiento y dispositivo para la determinación de la resistencia a fatiga ultrasónica de materiales según reivindicaciones anteriores caracterizado por la utilización de un sistema de adquisición de datos que no presenta ningún punto de contacto, sin afectar la resonancia de la probeta, ni la distribución de tensiones o temperatura.
5. Procedimiento y dispositivo para la determinación de la resistencia a fatiga ultrasónica de materiales según reivindicaciones anteriores caracterizado por estar equipado de un horno cerámico que permite la realización de pruebas a diferentes temperaturas que van desde temperatura ambiente hasta 1000° C.
6. Procedimiento y dispositivo para la determinación de la resistencia a fatiga ultrasónica de materiales según reivindicaciones anteriores caracterizado por estar controlado por ordenador, lo que permite la grabación de la historia de la ruptura, el control automático de los parámetros del sistema y, en consecuencia, el conocimiento exacto del momento de la ruptura sin que el operario esté presente.
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