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I test di fatica ultrasonici generalmente si riferiscono a prove di fatica effettuate con una frequenza di ripetizione compresa tra 15 e 25 kHz. La loro principale caratteristica è quella di poter ottenere dati vicini al limite di fatica e alla soglia entro tempi reali di prova. Grazie alla loro alta frequenza, il metodo di prova ultrasonica permette di valutare rapidamente il limite di fatica di vari materiali industriali sottoposti a cicli elevati. Inoltre, le macchine per la prova di fatica precedenti avevano strutture di serraggio complesse su entrambe le estremità dei provini, rendendole difficili da applicare alle prove su tubi, lamiere sottili e fili. Tuttavia, con il metodo di prova ultrasonica, basta fissare correttamente una delle estremità del provino mediante incollaggio o viti, per consentire di testare materiali sottili sotto carichi di trazione e compressione senza rischio di flessione. In altre parole, le prove di fatica alternata che in passato risultavano difficoltose sono ora più semplici da eseguire. Inoltre, monitorando l'ingresso e l'uscita del sistema di trasmissione dello stress da vibrazione e la frequenza di risonanza, è possibile determinare le variazioni dell'attrito interno e delle costanti elastiche durante la prova di fatica. Questo consente di acquisire una ricca quantità di informazioni sui cambiamenti del materiale durante la prova di fatica.
Prendiamo ad esempio il test di fatica 10⁹.
Un test di fatica servo-idraulico a 20Hz richiede 1,5 anni.
La macchina per prove di flessione rotante a 50Hz impiegherà 231 giorni.
Il tavolo vibrante ad alta frequenza a 300Hz richiede 38,5 giorni.
Il test di fatica ultrasonico a 20KHz richiede soltanto 13,8 ore.
【 Principio di funzionamento della macchina per prove di fatica ad ultra-alta frequenza 】
La vibrazione longitudinale generata dal vibratore ultrasonico tipo Langevin a 4 segmenti fissato con viti viene amplificata dal trasformatore d'ampiezza in modo da far risuonare il campione. In questo momento, nel campione vi sono parti con ampiezze estremamente elevate (antinodi di vibrazione) e parti con ampiezze estremamente ridotte (nodi di vibrazione). Lo sforzo nei nodi di vibrazione è il più elevato e il danno da fatica è causato dallo sforzo della vibrazione longitudinale e dal numero intrinseco di cicli del materiale. Cioè, al centro del campione si registra lo spostamento minimo (nodo di spostamento) e la deformazione massima (antinodo di deformazione).
Analogamente, il massimo spostamento (punto di flesso dello spostamento) si verifica alle due estremità del campione. Nei precedenti test di fatica, la deformazione alternata presentava la stessa distribuzione di ampiezza lungo l'intera lunghezza del campione, ma a frequenze elevate varia da 0 alle due estremità del campione fino al valore massimo al centro lungo la sua lunghezza. Pertanto, un'estremità del campione può essere semplicemente fissata alla barra di variazione dell'ampiezza mediante incollaggio o avvitatura.
Questo dispositivo è composto dalle seguenti parti: (1) Sezione di azionamento ultrasonico, inclusi ① vibratore ultrasonico; ② trasformatore di ampiezza; ③ misuratore di spostamento ottico ad alta velocità; (2) Sezione di controllo elettrico, inclusi ① unità di alimentazione; ② unità di osservazione della forma d'onda; ③ unità di misurazione; ④ unità di alimentazione.
Caratteristiche della macchina per prove di fatica ad alto ciclo estremo:
Rispetto alle macchine per prove di fatica precedenti, questa presenta un ciclo di ripetizione estremamente rapido e il tempo richiesto per i test è estremamente breve.
2. Non è richiesta alcuna operazione idraulica. La macchina di prova è compatta, leggera e facile da utilizzare.
3. Selezionando componenti appositi, è possibile scegliere tra varie tipologie di aerosol per il test. Inoltre, possono essere installati dispositivi aggiuntivi per effettuare test di trazione e compressione.
4. Misurando la frequenza di risonanza del campione, si può determinare il modulo di Young;
5. Capacità di misurare l'attrito interno;
【 Applicazioni della Macchina per Prove di Fatica ad Alto Ciclo】
Prove di fatica su nuovi materiali come metalli e ceramiche che sono stati sottoposti a trazione e compressione fino a un certo limite;
2. Test di fatica a trazione-compressione con carichi esterni sovrapposti (allungamento o compressione);
3. Test di fatica a piegatura a tre punti;
4. Test di velocità di propagazione della cricca da fatica di tipo a risonanza;
5. Test di fatica ad alta temperatura
6. Prova di fatica ambientale;
7.Misurazione dell'attrito interno durante le prove di fatica, ecc.
La caratteristica più significativa dei test di fatica ultrasonica è la notevole riduzione del tempo richiesto per effettuare il test di fatica. Ad esempio, eseguire un test di 1010 cicli a una frequenza di 1Hz richiederebbe 320 anni, ma con un test a 20kHz, il test può essere completato entro 6 giorni. Quindi, l'utilizzo di test ultrasonici permette di effettuare più esperimenti in diverse condizioni di prova o ripetere lo stesso esperimento entro un determinato periodo di tempo, ottenendo risultati e conclusioni ad alta probabilità. Inoltre, per componenti sottoposti a carichi ad alta frequenza come le pale delle turbine, quando le condizioni del test sono uguali o simili a quelle utilizzate nell'effettivo funzionamento (inclusa la frequenza e la tensione), la macchina di prova è la più efficace.
Circa 10 anni fa, anche gli Stati Uniti avevano sviluppato una macchina per test simile a questa appena sviluppata. Tuttavia, si diceva fosse difficile da utilizzare. Ma l'utilizzo di questa nuova macchina per test per effettuare prove di fatica su materiali ceramici ha fornito risultati molto positivi, permettendoci di ottenere informazioni sui cambiamenti del materiale durante le prove di fatica ad alto numero di cicli ripetitivi.
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