Axiale Ermüdungsprüfung mit Ultraschallschwingungen bei 20 kHz

Die axiale Ermüdungsprüfung ist ein grundlegendes Verfahren der Werkstoffwissenschaft und des Maschinenbaus, mit dem das Verhalten von Werkstoffen und Bauteilen unter wiederholter zyklischer Belastung untersucht wird. Indem Prüfproben fortlaufend Zug- und Druckspannungen ausgesetzt werden, können Ingenieure Ermüdungsgrenzen bestimmen, die Lebensdauer vorhersagen und Versagensmechanismen identifizieren. Herkömmliche Ermüdungsprüfmaschinen arbeiten typischerweise mit Frequenzen zwischen 10 und 400 Hz. Diese konventionellen Systeme sind zwar für die übliche Ermüdungsprüfung im Bereich hoher Lastspielzahlen wirksam, werden jedoch bei der Charakterisierung des Bereichs sehr hoher Lastspielzahlen (Very High Cycle Fatigue, VHCF), der Lebensdauern von mehr als 10⁷ bis 10⁹ Lastwechseln umfasst, äußerst zeitaufwendig.

Prüfen Sie die Ermüdungsbeständigkeit von Werkstoffen bei 20 kHz!

Die Ermüdungsprüfung mit Ultraschallschwingungen richtet sich an Werkstoffforscher, Prüflabore und Entwicklungsteams, die Metalle, Legierungen, Verbindungen und moderne Werkstoffe bei mehr als (10⁷) Lastwechseln untersuchen müssen – ohne die langen Laufzeiten konventioneller Ermüdungsprüfmaschinen.
 
Ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Energiewirtschaft, der Fertigung sowie der akademischen Forschung und Entwicklung, bei denen schnelle, wiederholbare axiale Ermüdungsprüfungen die Werkstoffentwicklung, die Bewertung der Dauerhaltbarkeit und die Versagensanalyse unterstützen.
 
Mit einer 20-kHz-Anregungsquelle lässt sich eine Milliarde Lastwechsel theoretisch in etwa 14 Stunden Dauerbetrieb erreichen.

Ultraschall-Ermüdungsprüfung (UFT)

Um die zeitlichen Einschränkungen konventioneller Methoden zu überwinden, hat sich die Ultraschall-Ermüdungsprüfung zu einem unverzichtbaren Verfahren für die schnelle Werkstoffcharakterisierung entwickelt. Mit einer Resonanzfrequenz von 20 kHz beschleunigen Ultraschallsysteme die zyklische Belastung gegenüber herkömmlichen Maschinen um den Faktor 50 bis 2.000. Diese erhebliche Frequenzerhöhung verkürzt die Prüfdauer von mehreren Monaten auf nur wenige Tage oder Stunden. Dadurch lassen sich vollständige Spannungs-Lebensdauer-Kurven (S-N-Kurven) schnell erstellen und das VHCF-Verhalten von Metallen, Legierungen und modernen Verbundwerkstoffen leichter untersuchen.

Knochenförmige Probe für die axiale Ermüdungsprüfung mittels Beschallung

Das Ultraschallgerät UIP1000hdT: Funktionsweise und Regelung

Der Hielscher UIP1000hdT ist ein leistungsstarker Ultraschallprozessor, der vielfach für präzise Werkstoffprüfungen angepasst wird. Das Herzstück des Systems bilden piezoelektrische Wandler, die hochfrequente elektrische Signale in mechanische Schwingungen umwandeln. Für die axiale Ermüdungsprüfung wird der UIP1000hdT mit einer Baugruppe aus Booster und Sonotrode gekoppelt, die diese Schwingungen verstärkt und auf die Prüfprobe überträgt.
Zu den wichtigsten Betriebsmerkmalen gehören:

• Resonanzfrequenz von 20 kHz: Das System arbeitet mit einer üblichen Ultraschallfrequenz, die axiale Spannungswellen effizient durch standardisierte Ermüdungsprobengeometrien leitet.
• Geregelte Schwingungsamplitude: Der UIP1000hdT bietet eine präzise Amplitudenregelung, die typischerweise in Mikrometern einstellbar ist. Dadurch können Forscher genaue Spannungsniveaus einstellen, die bestimmten Dehnungs- oder Belastungsvorgaben entsprechen.
• Rückkopplung im geschlossenen Regelkreis: Moderne Ausführungen integrieren Wegsensoren (wie Laser-Doppler-Vibrometer oder Dehnungsmessstreifen), die Echtzeitdaten an die Steuerung des Ultraschallgeräts zurückmelden. Dieser Rückkopplungskreis passt die Eingangsleistung dynamisch an, um die Amplitude konstant zu halten und Änderungen der Probensteifigkeit, der Temperatur oder der Einspannbedingungen auszugleichen.

Der auf dem UIP1000hdT basierende Aufbau kann eine kompakte Plattform für beschleunigte axiale Ermüdungsprüfungen im Bereich hoher und sehr hoher Lastspielzahlen bieten. Da zuverlässige Ergebnisse nicht nur von den Ultraschallschwingungen, sondern auch von einer auf Resonanz abgestimmten Probenauslegung, einer genauen Kalibrierung des Zusammenhangs zwischen Amplitude und Spannung, der Temperaturregelung und der kontinuierlichen Überwachung des gesamten Schwingungssystems abhängen, unterstützt Sie Hielscher bei der Auslegung des Prüfaufbaus und fertigt maßgeschneiderte Probenaufnahmen.

Was Sie bei der Prüfung der Schwingfestigkeit von Werkstoffen beachten sollten

Der Einsatz eines 20-kHz-Ultraschallsystems wie des UIP1000hdT für die axiale Ermüdungsprüfung erfordert die sorgfältige Berücksichtigung mehrerer experimenteller Faktoren:

1. Probenauslegung: Um Resonanz bei 20 kHz zu erreichen, werden Proben typischerweise durch spanende Bearbeitung in Sanduhr- oder Knochenform gebracht. Diese Formen konzentrieren die Spannung in einem schmalen Messabschnitt und sind zugleich auf die akustische Wellenlänge des Ultraschallwellenleiters abgestimmt.
2. Temperaturmanagement: Hochfrequente zyklische Belastungen erzeugen durch Werkstoffhysterese und Reibung erhebliche Wärme im Inneren der Probe. Ein unkontrollierter Temperaturanstieg kann die Werkstoffeigenschaften verändern oder eine thermische Erweichung hervorrufen. Wirksame Kühlsysteme, etwa gezielt zugeführte Druckluft oder Flüssigkeitskühlmäntel, sind unerlässlich, um die Proben bei annähernder Umgebungstemperatur zu halten.
3. Ausrichtung und Auslegung der Einspannvorrichtung: Eine präzise axiale Ausrichtung ist entscheidend, um parasitäre Biegemomente zu vermeiden. Maßgeschneiderte Einspannvorrichtungen müssen sicherstellen, dass die Ultraschallsonotrode rein axiale Wellen direkt in die Probe überträgt und damit die Datenintegrität gewahrt bleibt.
4. Versagenserkennung: Bei 20 kHz verursacht ein Probenbruch eine abrupte Änderung der Resonanzfrequenz und der Amplitude. Überwachungssysteme verfolgen diese Änderungen in Echtzeit, um die Prüfung automatisch zu stoppen und die genaue Lastwechselzahl beim Versagen aufzuzeichnen.

Beschleunigen Sie Ermüdungsprüfungen mit dem Ultraschallgerät UIP1000hdT

Die Ultraschall-Ermüdungsprüfung mit dem Ultraschallgerät UIP1000hdT ist ein hocheffizientes und präzises Verfahren zur Bewertung der Schwingfestigkeit von Werkstoffen. Durch die Anwendung geregelter axialer Schwingungen bei 20 kHz können Forscher das Ermüdungsverhalten schnell charakterisieren.