Axiale Ermüdungsprüfung mit Ultraschallschwingungen bei 20 kHz

Die axiale Ermüdungsprüfung ist ein Eckpfeiler der Werkstoffwissenschaft und des Maschinenbaus und dient dazu, das Verhalten von Werkstoffen und Bauteilen unter wiederholter zyklischer Beanspruchung zu bewerten. Indem Proben kontinuierlichen Zug- und Druckspannungen ausgesetzt werden, können Ingenieure Ermüdungsgrenzen bestimmen, die Lebensdauer vorhersagen und Versagensmechanismen identifizieren. Herkömmliche Ermüdungsprüfmaschinen arbeiten typischerweise bei Frequenzen zwischen 10 und 400 Hz. Während diese konventionellen Systeme für Standard-Hochzyklus-Ermüdungsprüfungen effektiv sind, erweisen sie sich bei der Charakterisierung des Very-High-Cycle-Fatigue-Bereichs (VHCF) – bei dem Lebensdauern von mehr als 10⁷ bis 10⁹ Zyklen auftreten – als äußerst zeitaufwendig.

Prüfung der Materialausdauer bei 20 kHz!

Die Ultraschall-Ermüdungsprüfung richtet sich an Materialforscher, Prüflabore und Ingenieurteams, die Metalle, Legierungen, Verbindungen und moderne Werkstoffe über (10⁷) Belastungszyklen – ohne die langen Laufzeiten herkömmlicher Ermüdungsprüfmaschinen.
 
Ideal für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, den Energiesektor, die Fertigungsindustrie und die akademische Forschung&D-Anwendungen, bei denen schnelle, wiederholbare axiale Ermüdungsprüfungen die Materialentwicklung, die Bewertung der Lebensdauer und die Fehleranalyse unterstützen.
 
Bei Verwendung einer 20-kHz-Anregungsquelle lassen sich theoretisch eine Milliarde Zyklen in etwa 14 Stunden Dauerbetrieb akkumulieren.

Ultraschall-Ermüdungsprüfung (UFT)

Um den zeitlichen Einschränkungen herkömmlicher Methoden entgegenzuwirken, hat sich die Ultraschall-Ermüdungsprüfung zu einer unverzichtbaren Technik für die schnelle Materialcharakterisierung entwickelt. Ultraschallsysteme, die mit einer Resonanzfrequenz von 20 kHz arbeiten, beschleunigen die zyklische Belastung im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen um den Faktor 50 bis 2.000. Diese drastische Erhöhung der Frequenz verkürzt die Prüfdauer von mehreren Monaten auf nur wenige Tage oder Stunden, ermöglicht die schnelle Erstellung vollständiger Spannungs-Lebensdauer-Kurven (S-N-Kurven) und erleichtert die Untersuchung des VHCF-Verhaltens in Metallen, Legierungen und modernen Verbundwerkstoffen.

„Dog-Bone“-Probe für axiale Ermüdungsprüfungen mittels Ultraschallbehandlung

Der UIP1000hdT-Sonicator: Funktionsweise und Steuerung

Der Hielscher UIP1000hdT ist ein leistungsstarker Ultraschallprozessor, der sich hervorragend für die präzise Materialprüfung eignet. Das System basiert im Kern auf piezoelektrischen Wandlern, die hochfrequente elektrische Signale in mechanische Schwingungen umwandeln. Bei der Konfiguration für axiale Ermüdungsprüfungen wird der UIP1000hdT mit einer Verstärker- und Hornbaugruppe kombiniert, die diese Schwingungen verstärkt und auf das Prüfstück überträgt.
Zu den wichtigsten betrieblichen Merkmalen zählen:

• Resonanzfrequenz von 20 kHz: Das System arbeitet mit einer Standard-Ultraschallfrequenz, die axiale Spannungswellen effizient durch Standardgeometrien von Ermüdungsproben leitet.
• Abgabe mit kontrollierter Amplitude: Der UIP1000hdT ermöglicht eine präzise Amplitudenregelung, die in der Regel im Mikrometerbereich einstellbar ist. Dadurch können Forscher exakte Spannungswerte festlegen, die bestimmten Dehnungs- oder Belastungszielen entsprechen.
• Regelkreis: Moderne Ausführungen verfügen über Wegsensoren (wie beispielsweise Laser-Doppler-Vibrometer oder Dehnungsmessstreifen), die Echtzeitdaten an die Steuerung des Ultraschallgeräts zurückmelden. Diese Rückkopplungsschleife passt die Eingangsleistung dynamisch an, um eine konstante Amplitude aufrechtzuerhalten, und gleicht dabei Änderungen der Probensteifigkeit, der Temperatur oder der Befestigungsbedingungen aus.

Die auf dem UIP1000hdT basierende Anlage bietet eine kompakte Plattform für beschleunigte axiale Ermüdungsprüfungen im Hochzyklus- und Sehr-Hochzyklus-Bereich. Da zuverlässige Ergebnisse nicht nur von der Ultraschallschwingung abhängen, sondern auch von der resonanten Probenkonstruktion, einer genauen Kalibrierung von Amplitude und Spannung, der Temperaturregelung und der kontinuierlichen Überwachung des gesamten Schwingungssystems, unterstützt Hielscher Sie bei der Konzeption der Anlage und fertigt maßgeschneiderte Probenhalterungen.

Was Sie bei der Prüfung der Materialfestigkeit unter Schwingungsbelastung beachten sollten

Bei der Implementierung eines 20-kHz-Ultraschallsystems wie dem UIP1000hdT für axiale Ermüdungsprüfungen müssen mehrere experimentelle Faktoren sorgfältig berücksichtigt werden:

1. Musterentwurf: Um eine Resonanz bei 20 kHz zu erzielen, werden die Proben in der Regel in Sanduhr- oder Dog-Bone-Geometrien bearbeitet. Diese Formen konzentrieren die Spannung auf einen schmalen Querschnittsbereich und sind gleichzeitig auf die akustische Wellenlänge des Ultraschallwellenleiters abgestimmt.
2. Wärmemanagement: Hochfrequente Zyklen erzeugen aufgrund von Materialhysterese und Reibung erhebliche interne Wärme. Ein unkontrollierter Temperaturanstieg kann die Materialeigenschaften verändern oder zu einer thermischen Erweichung führen. Wirksame Kühlsysteme, wie beispielsweise gezielte Druckluftkühlung oder Flüssigkeitskühlmäntel, sind unerlässlich, um die Proben nahe den Umgebungsbedingungen zu halten.
3. Ausrichtung und Konstruktion von Spannvorrichtungen: Eine präzise axiale Ausrichtung ist entscheidend, um die Entstehung parasitärer Biegemomente zu vermeiden. Maßgeschneiderte Halterungen müssen sicherstellen, dass das Ultraschallhorn reine axiale Wellen direkt in die Probe überträgt, um die Datenintegrität zu gewährleisten.
4. Fehlererkennung: Bei 20 kHz führt der Bruch der Probe zu einer abrupten Verschiebung der Resonanzfrequenz und -amplitude. Überwachungssysteme verfolgen diese Veränderungen in Echtzeit, um den Versuch automatisch zu beenden und die genaue Zykluszahl zum Zeitpunkt des Bruchs aufzuzeichnen.

Beschleunigen Sie Ermüdungsprüfungen mit dem Ultraschallgerät UIP1000hdT

Die Ultraschall-Ermüdungsprüfung mit dem Ultraschallgerät UIP1000hdT stellt eine hocheffiziente und präzise Methode zur Bewertung der Schwingfestigkeit von Werkstoffen dar. Durch die Anwendung kontrollierter axialer Schwingungen mit einer Frequenz von 20 kHz können Forscher das Ermüdungsverhalten schnell charakterisieren.