Die Arbeit wurde durch Projekte unterstützt: "Research Centre der University of Žilina - 2Nd -Phase", räumt ITMS 313011 011, wissenschaftliche Grant Agentur des Ministeriums für Bildung, Wissenschaft und Sport der Slowakischen Republik und der Slowakischen Akademie der Wissenschaften, Nr.: 1/0045 / 17, 1/0951/17 und 1/0123/15 und Slowakische Forschung und Entwicklung Agentur, grant Nr. APVV-16-0276.

Hinweis: Jede Probe Geometrie hat ausgewählt und entsprechend den mechanischen und physikalischen Eigenschaften des geprüften Materials berechnet werden, so dass es eine identische Resonanzfrequenz als Ultraschall Testsystem hat.

1. Ermittlung des Prüflings Müdigkeit Abmessungen
Hinweis: Die standard "Sanduhr" Zug-Druck-Exemplar-Geometrie mit definierten Hauptabmessungen, ist in Abbildung 1angezeigt. Abmessungen d, D, und r sind benutzerdefinierte (parteilos), während l und L Abmessungen werden berechnet müssen, gemäß den Bedingungen der richtigen Resonanzfrequenz (abhängig). Die Spurweite Länge l kann ergibt sich nur aus der Geometrie-Verhältnis zwischen dund R, D, und leicht berechnet oder aus einem Komponentenmodell gewonnen; Somit werden nicht Gegenstand der weiteren Diskussion.
<ol><li>
Bestimmung der unabhängigen Dimensionen Hinweis: Die Hauptabmessungen der Probe (d, D, R) sind nach der Materialparameter und die Prüfbedingungen gewählt.<ol>
<li>Bestimmen Sie das Messgerät Durchmesser d nach das erforderliche Volumen des Materials zu Testzwecken. Im Falle einer homogenen Mikrostruktur mit keine interne Defekte ist ein kleinerer Durchmesser Gauge bevorzugt. Bei einem Material mit erheblichen inneren Fehlern (z. B. Hohlräume und Schrumpfprozesse in Gusswerkstoffe) ist ein größere Spurweite Durchmesser notwendig. Das Messgerät Durchmesser d ist in der Regel von 3 mm bis 5 mm.</li>
		<li>Bestimmen Sie der Kopfdurchmesser D nach verfügbaren experimentellen materielle Größe. Der verwendete Kopfdurchmesser D ist in der Regel von 10 mm bis 15 mm. Hinweis: Je größer die D ist, desto kürzer die Kopf Länge (L) werden.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Dem Messgerät Radius R nach erforderlichen mechanischen Spannungsverteilung in der Probe Messgerät Länge zu bestimmen. Je größer die Spurweite Durchmesser R ist, desto glatter wird die mechanischen Spannungsverteilung. Ein häufig verwendete Messgerät Radius ist R = 20 mm oder R = 32 mm. Hinweis: Je größer die R ist, desto länger die Probe werden.</li>
	<li>
Bestimmung der abhängigen Abmessungen
	<ol>
<li>Bestimmen Sie die Wellenzahl K nach der folgenden Formel9,18: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq1.jpg"> Hinweis: Hier ist die fR die Resonanzfrequenz des Ultraschall-System (Hz), ρ ist die Volumen-Dichte (kg m-3) und Ed dynamischen Elastizitätsmoduls (kg m-3).</li>
		<li>Bestimmen Sie die hyperbolische Angleichung des Messgeräts Radius, gemäß der folgenden Formel9,19: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq2.jpg"> Hinweis: Hier l ist die Spurweite Länge (m), D ist der Kopfdurchmesser (m), und d ist der Messgerät-Durchmesser (m) (Abbildung 1).</li>
		<li>Bestimmen Sie die effektive Exzentrizität nach folgenden Formel9,18: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq3.jpg"> Hinweis: Hier A ist die hyperbolische Annäherung (m-1) bestimmt durch die Gleichung (2), und K ist die Wellenzahl (-) nach Ausdruck (1) bestimmt.</li>
		<li>Bestimmen Sie die Länge des Kopfes (L) nach der folgenden Gleichung9,18: <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq4.jpg"> Hinweis: Hier ist K die Wellenzahl (-) bestimmt sich nach Ausdruck (1) unter Punkt 1.2.1, β ist die effektive Exzentrizität (m-1) bestimmt durch die Gleichung (3) und l ist die Spurweite Länge (m) (Abbildung 1).</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Berechnung der mechanischen Spannung in der Spurweite Länge der Probe
<ol><li>Bestimmen den Normierung geometrische Faktor <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq5.jpg"> nach der folgenden Gleichung9,18: <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq6.jpg">
</li>
	<li>Bestimmen Sie die Verformung Amplitude Mundarten nach der folgenden Gleichung9,18: <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq7.jpg"> Hinweis: Hier <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq5.jpg"> ist der geometrische Faktor (-) und u ist die erforderliche Verdrängung Amplitude des freien Endes der Probe (m).</li>
	<li>Bestimmen Sie die mechanische Beanspruchung Amplitude σeine nach der folgenden Gleichung9,18: <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/57007/57007eq8.jpg"> Hinweis: Mundarten ist hier die Verformung Amplitude (-) bestimmt sich nach Ausdruck (5), und Ed ist die dynamische Elastizitätsmodul (kg m-3). Wenn die berechnete mechanische Spannung zu niedrig ist, ist es notwendig, die Verdrängung Amplitude u (m), zu erhöhen und umgekehrt.</li>
</ol>3. Herstellung der Probe mit Bearbeitungen
<ol><li>Fertigen Sie durch verschiedene kleine Abweichungen der bearbeiteten Proben von einer Idealform Exemplare mit längeren Köpfe, in der Regel L + 0,5 mm.</li>
</ol>(4) Harmonisierung der Resonanzfrequenz der Probe mit dem Ultraschall-System
Hinweis: Harmonisierung ist der Prozess verschiedene kleine Abweichungen der echte Probe aus der ideale, berechnete Form, um die korrekte Resonanzfrequenz zu erhalten, die im Einklang mit dem Ultraschall akustische Sonotrode ist zu kompensieren.
<ol><li>Wählen Sie den richtigen Typ von akustischen Sonotrode je nach erforderlichen Verschiebung, die in der Lage, richtige mechanischen Beanspruchung in der Probe ist. Hinweis: Jede Art der Sonotrode ist entworfen und für vielfältige unterschiedliche Verschiebung kalibriert, ist so die richtige Sonotrode nach der erforderlichen Verdrängung Amplitude berechnet gemäß § 2 gewählt.</li>
	<li>
Montieren Sie die Sonotrode auf dem piezoelektrischen Wandler.
	<ol>
<li>Schrauben Sie die Verbindungsschraube in der zentralen Bohrung auf der Sonotrode, bis es den Boden erreicht.</li>
		<li>Akustische Gel auf den ersten Blick die Sonotrode zu verbreiten. Hinweis: Eine kleine Menge des Gels verwendet wird, gerade genug, um die Unregelmäßigkeit der Oberflächen zu füllen, die die Übertragung der mechanischen Welle zwischen Piezo-elektrische Wandler und die Sonotrode verbessert.</li>
		<li>Schrauben Sie die Sonotrode in der piezoelektrischen Wandler.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Führen Sie das Ultraschall-System mit einem Piezo-elektrische Wandler mit montierten Sonotrode, die Resonanzfrequenz des Systems der besonderen auf tatsächliche Temperatur zu messen.<ol>
<li>Führen Sie die Ultraschall-Test-Software (z.B.Win20k).</li>
		<li>Wählen Sie die Art der verwendeten Sonotrode im Dropdown-Menü im Feld "Modell".</li>
		<li>Geben Sie die niedrigste mögliche Verschiebung Amplitude für die bestimmten Sonotrode in Feld "Amplitude".</li>
		<li>Klicken Sie auf die Schaltfläche "Start".</li>
		<li>Die tatsächliche Resonanzfrequenz des Systems im Feld "Frequenz" zu lesen.</li>
		<li>Klicken Sie auf die Schaltfläche "Stopp".</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montieren Sie die Probe am Ende der Sonotrode.<ol>
<li>Schrauben Sie die Verbindungsschraube in das mittlere Loch der Probe, bis es den Boden erreicht.</li>
		<li>Schrauben Sie die Probe auf die Sonotrode.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Führen Sie das Ultraschall-System mit einem Piezo-elektrische Wandler mit montierten Sonotrode und Probe um die Resonanzfrequenz des Systems der besonderen auf tatsächliche Temperatur zu messen.<ol>
<li>Laufen Sie die Ultraschall-Test-Software.</li>
		<li>Wählen Sie den Typ der Sonotrode in der Drop-Down-Menü im Feld "Modell" verwendet.</li>
		<li>Geben Sie die niedrigste mögliche Verschiebung Amplitude für die bestimmten Sonotrode in Feld "Amplitude".</li>
		<li>Klicken Sie auf die Schaltfläche "Start".</li>
		<li>Die tatsächliche Resonanzfrequenz des Systems im Feld "Frequenz" zu lesen.</li>
		<li>Klicken Sie auf die Schaltfläche "Stopp".</li>
	</ol>
</li>
	<li>Wenn die Resonanzfrequenz des Systems mit montierten Exemplar ist niedriger als die ohne Probe, die Masse der Probe durch das Abschneiden der Gesichter der Objektkopf reduzieren. Hinweis: Wenn die Resonanzfrequenz mit einer montierten Probe höher ist, wäre es notwendig, die Spurweite Durchmesser d, zu verringern, die die Bedingungen des Tests ändern würde. Dies ist der Grund, warum 0,5 mm Länge der Leiter im Herstellungsprozess hinzugefügt wird.<ol>
<li>Demontieren Sie die Probe von der Sonotrode.</li>
		<li>Montieren Sie die Probe in eine Drehbank und drehen Sie 0,1 mm des Gesichts des ersten Leiters.</li>
		<li>Montieren Sie die Probe in eine Drehbank und 0,1 mm des Gesichts des zweiten ablehnen.</li>
		<li>Wiederholen Sie Schritt 4.6 bis die Resonanzfrequenz innerhalb der Toleranz von ist ± 10 Hz.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. abschließende Montage der Probe auf die Sonotrode vor Müdigkeit Test
<ol><li>Tragen Sie akustische Gel auf den Gesichtern zum Erstellen von Verbindungen zwischen der Sonotrode und der Probe.<ol>
<li>Schrauben Sie die Verbindungsschraube in das mittlere Loch der Probe, bis es den Boden erreicht.</li>
		<li>Das akustische Gel auf der Oberfläche der Probe zu verbreiten. Hinweis: Nur eine kleine Menge von akustischen Gel dient zum Ausfüllen der Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche, die acoustic-Wave-Übertragung von der Sonotrode auf die Probe zu verbessern.</li>
		<li>Schrauben Sie die Probe auf die Sonotrode.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. führen Sie das Kühlsystem für Probe
<ol><li>Wenn Luftkühlung verwendet wird, den Luftstrom direkt in der Mitte der Spurweite Länge der Probe zu konzentrieren, und warten Sie ca. 20 s, so dass die Strömung des Luftstromes Probe sättigt.</li>
	<li>Wenn Wasserkühlung verwendet wird, konzentriert sich die Wasserdüsen an der oberen Spitze der Probe und passen Sie die Stream-Intensität, so das Wasser sanft entlang der Länge der Spurweite fließt, um Kavitation zu vermeiden. Hinweis: Eintauchen der Probekörpers in Wasser oder Öl ist ebenfalls möglich, aber dies nur für kurze Zeit verwendet werden kann aufgrund der erheblichen Kavitationseffekt, die Müdigkeit Riss Einleitung Prozess beschleunigt prüft.</li>
</ol>7. führen Sie das Kühlsystem des Piezo-elektrische Wandler
<ol><li>Öffnen Sie das Ventil des Luftstromes und stellen Sie den Druck in dem Intervall zwischen 0,5 und 1 Bar.</li>
</ol>8. führen Sie den Test bei erforderlichen Verdrängung Amplitude
<ol><li>Laufen Sie die Ultraschall-Test-Software.</li>
	<li>Wählen Sie die Art der verwendeten Sonotrode im Dropdown-Menü im Feld "Modell".</li>
	<li>Geben Sie die angeforderten Verdrängung Amplitude für bestimmte Sonotrode im Feld "Amplitude".</li>
	<li>Klicken Sie auf die Schaltfläche "Start".</li>
</ol>9. Müdigkeit Rissinitiierung und Vermehrung
<ol><li>Beachten Sie, dass, nachdem die Müdigkeit zu knacken, Initiierung und Ausbreitung durch einen Teil des Querschnitts, das System aus der Resonanz-Frequenz verschoben ist und der Test ist natürlich beendet.</li>
	<li>Wenn der Test nicht mit einer Fraktur, nach erreichen der gewünschten Anzahl von Ladezyklen, endet (der Test ist ein Auslauf) kündigen, mit dem "Stop" Knopf im Ultraschall Prüfsoftware.</li>
</ol>10. die Probe von der Sonotrode demontieren
<ol><li>Das Exemplar aus dem Ultraschall Sonotrode abschrauben.</li>
</ol>11. statische Kraft Fracturing be-
<ol><li>Statische Aufladung gewaltsam den Rest des Querschnitts mit Einsatz einer Statik-Maschine zu Bruch. Hinweis: Den Vektor und die Art der Belastung Kraft für die statische Fraktur sollte die Art der Erschöpfung geladen, so dass die Bruchfläche konsistent Charakter hat entsprechen.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Moore, H. F., Kommers, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The fatigue of metals. , 321 (1927).</li><li>Nicholas, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> High Cycle Fatigue: A Mechanics of Materials Perspective. , (2006).</li><li>Schijve, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fatigue of Structures and Materials. , (2008).</li><li>Murakami, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. , (2002).</li><li>Trsko, L., Bokuvka, O., Novy, F., Guagliano, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+severe+shot+peening+on+ultra-high-cycle+fatigue+of+a+low-alloy+steel.">Effect of severe shot peening on ultra-high-cycle fatigue of a low-alloy steel.</a> Mater. Design. 57, 103-113 (2014).</li><li>Stanzl, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fracture+mechanisms+and+fracture+mechanics+at+ultrasonic+frequencies.">Fracture mechanisms and fracture mechanics at ultrasonic frequencies.</a> Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 567-579 (1999).</li><li>Bathias, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=There+is+no+infinite+fatigue+life+in+metallic+materials.">There is no infinite fatigue life in metallic materials.</a> Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 559-565 (1999).</li><li>Ritchie, R. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-cycle+fatigue+of+Ti-6Al-4V.">High-cycle fatigue of Ti-6Al-4V.</a> Fatigue. Fract. Eng. M. 22 (7), 621-631 (1999).</li><li>Bathias, C., Paris, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. , (2004).</li><li>Bokuvka, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Ultrasonic Fatigue of Materials at Low and High Frequency Loading. , (2015).</li><li>Almaraz, G. M. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+Fatigue+Testing+on+the+Polymeric+Material+PMMA,+Used+in+Odontology+Applications.">Ultrasonic Fatigue Testing on the Polymeric Material PMMA, Used in Odontology Applications.</a> Procedia Structural Integrity. 3, 562-570 (2017).</li><li>Flore, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+the+high+and+very+high+cycle+fatigue+behaviour+of+continuous+fibre+reinforced+plastics+by+conventional+and+ultrasonic+fatigue+testing.">Investigation of the high and very high cycle fatigue behaviour of continuous fibre reinforced plastics by conventional and ultrasonic fatigue testing.</a> Compos. Sci. Technol. 141, 130-136 (2017).</li><li>Tr&#353;ko, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+Severe+Shot+Peening+on+the+Surface+State+and+Ultra-High-Cycle+Fatigue+Behavior+of+an+AW+7075+Aluminum+Alloy.">Influence of Severe Shot Peening on the Surface State and Ultra-High-Cycle Fatigue Behavior of an AW 7075 Aluminum Alloy.</a> J. Mater. Eng. Perform. 26 (6), 2784-2797 (2017).</li><li>Mayer, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cyclic+torsion+very+high+cycle+fatigue+of+VDSiCr+spring+steel+at+different+load+ratios.">Cyclic torsion very high cycle fatigue of VDSiCr spring steel at different load ratios.</a> Int. J. Fatigue. 70, 322-327 (2015).</li><li>Bathias, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Piezoelectric+fatigue+testing+machines+and+devices.">Piezoelectric fatigue testing machines and devices.</a> Int. J. Fatigue. 28 (11), 1438-1445 (2006).</li><li>Mayer, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+torsion+and+tension-compression+fatigue+testing:+Measuring+principles+and+investigations+on+2024-T351+aluminium+alloy.">Ultrasonic torsion and tension-compression fatigue testing: Measuring principles and investigations on 2024-T351 aluminium alloy.</a> Int. J. Fatigue. 28 (11), 1446-1455 (2006).</li><li>Brugger, C., Palin-Luc, T., Osmond, P., Blanc, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+ultrasonic+fatigue+testing+device+for+biaxial+bending+in+the+gigacycle+regime.">A new ultrasonic fatigue testing device for biaxial bending in the gigacycle regime.</a> Int. J. Fatigue. 100, Part 2, 619-626 (2017).</li><li>Wagner, D., Cavalieri, F. J., Bathias, C., Ranc, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+fatigue+tests+at+high+temperature+on+anaustenitic+steel.">Ultrasonic fatigue tests at high temperature on anaustenitic steel.</a> J. Propul. Power. 1 (1), 29-35 (2012).</li><li>Kohout, J., Vechet, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+function+for+fatigue+curves+characterization+and+its+multiple+merits.">A new function for fatigue curves characterization and its multiple merits.</a> Int. J. Fatigue. 23 (2), 175-183 (2001).</li></ol>

Wir haben nichts zu veröffentlichen.

Ultraschall Ermüdungsprüfung ist eine der wenigen Methoden, wodurch der strukturellen Materialien in der ultra-high Cycle-Bereich testen. Die Probenform und Größe sind jedoch sehr beschränkt in Bezug auf die Resonanzfrequenz. Prüfung von dünnen Blechen im Modus der axialen Belastung ist zum Beispiel in der Regel nicht möglich. Darüber hinaus ist Prüfung der große Exemplare in der Regel nicht möglich, weil die Prüfmaschinen keine solche macht bieten und das Design eines speziellen Ultraschall Systems erfordern würde.
Die richtige Planung, Berechnung und Harmonisierung der Probe sollte nicht unterschätzt werden, auch wenn moderne Ultraschallgeneratoren in der Lage sind, die Ultraschallwelle zu modulieren und erfolgreich Resonanz ein Exemplar mit leicht abweichende Bemaßungen. Jedoch dies bewirkt eine Verschiebung des Knotens der Ultraschallwelle vom mittleren Teil des Messgeräts Länge, und dann die Probe wird nicht korrekt geladen in der Spurweite Länge. Aus dem gleichen Grund wurde großer Sorgfalt darauf geachtet werden, die Symmetrie des Prüflings in Bezug auf beide Achsen.
Eine große Diskussion fand über die Korrelation der Testergebnisse mit erhaltenen Daten über konventionelle Prüfgeräte mit der niederfrequenten laden bei hohen Frequenzen durchgeführt. Viele Tests haben gezeigt, dass die Ergebnisse von der hohen Frequenz testet fließend erweiterte Ergebnisse bei niedrigen Frequenzen, und auch ein Teil der Ergebnisse überschnitten haben, wenn die gleichen Lademodus10galt. Später wurde es im Allgemeinen verstanden, dass die Häufigkeit der Belastung ist nicht der Parameter bestimmen die Ermüdungseigenschaften aber die Verformungsgeschwindigkeit und große Verformungen bei niedriger Frequenz des Ladens ähnliche Verformungsgeschwindigkeiten bieten als Laden mit kleinen Verformungen mit hoher Frequenz. Allerdings ist dies der Hauptgrund, warum diese Technik für Tests im Bereich der hoch- und vor allem Cycle-Bereich verwendet werden kann, wo die Verformung Amplituden klein sind. Eine Erhöhung der Betrieb Frequenzen der verschiedenen Komponenten dieser Diskussion weniger wichtig, so gut gemacht, da diese Methode mehr ähnliche Belastungen als die in den High-Speed-Betrieb bietet.
Die interne Dämpfung Fähigkeit des geprüften Materials bestimmt die Menge von Hitze produziert während des Tests (interne Dämpfung ist die Fähigkeit des Materials, die mechanischen Energie in Wärme umwandeln). Bei unzureichender Kühlung wird die Spurweite Länge deutlich erhitzt, beschleunigt die Einleitung ein Ermüdungsriss aufgrund der niedrigeren mechanischen Eigenschaften des geprüften Materials bei erhöhten Temperaturen. Bei den meisten Aluminium und Magnesium-Legierungen genügt ein kalter Luftstrom abkühlen der Probe während des Tests. Für Materialien mit höheren internen Dämpfungsvermögen wie Stahl, Nickel und Titan-Legierungen wird ein Strom von Kühlflüssigkeit eingesetzt. Während der Abkühlung mit Kühlflüssigkeit hat die Kavitation im mittleren Teil der Spurweite Länge zu vermeiden, weil Hohlräume Einleitung des Risses, beschleunigen die Testergebnisse ungültig machen kann.
Dauertests auf den meisten herkömmlichen Testgeräte endet mit einer kompletten Fraktur des Querschnitts. Nachdem der Querschnitt der Probe durch den stetig wachsenden Riss zu einem so genannten "kritischen Querschnitt" reduziert wird, ist die Probe dann brach in einem Zyklus und einen Charakter einer statischen Fraktur hat. In den Prozess der Ultraschall Prüfung, wenn die Riss Länge eine kritische Länge erreicht, die die Steifigkeit des Systems aus der Resonanzfrequenz verschiebt sich der vibrierenden hält verursacht eine natürliche Beendigung des Tests. Dies bedeutet, dass es nicht möglich, die kritischen Querschnitt zu erreichen und der Test endet nicht mit einer vollständigen Fraktur, die später künstlich durchgeführt wird. Da die Müdigkeit crack Initiation in glatten Müdigkeit Proben (ohne eine künstliche Kerbe) repräsentiert mehr als 95 % der Anzahl der Zyklen zu Bruch, wenn eine hohe Anzahl von Zyklen betrachtet wird, wird die Differenz als vernachlässigbar angesehen.
Ultraschall Ermüdungsprüfung ist eine sehr wichtige Methode, die ermöglicht die Simulation der Bedingungen des High-Speed-Loading und reduziert die Testzeit. In diesem Protokoll haben wir die meisten kritischen Punkte, Möglichkeiten und Grenzen der Methode für erfolgreiche Anwendungen in materiellen Forschung und Sicherheit Überprüfung im Industrieeinsatz.

Ermüdungsschäden von Strukturmaterialien ist stark verbunden mit der Industrialisierung und vor allem mit Einsatz von Dampfmaschine und Dampflokomotiven für den Eisenbahnverkehr, wo eine Menge von metallischen Bauteilen, vor allem Eisen basiert, verwendet wurden und verschiedene standhalten musste Arten von zyklischen Belastung. Eines der frühesten Tests erfolgte durch Albert (Deutschland 1829)1 auf geschweißte Ketten für Hebezeuge Mine. Die Beladung Frequenz war 10 Bögen pro Minute, und die maximale tests aufgezeichneten erreichte 100.000 Zyklen1laden. Eine weitere wichtige Arbeit erfolgte durch William Fairbairn in 1864. Tests wurden auf schmiedeeisernen Trägern mit einer statischen Belastung durchgeführt, die durch einen Hebel angehoben wurde und fiel dann verursachende Vibrationen. Der Träger wurde mit allmählich zunehmender Belastung Stress geladen Amplitude. Nachdem erreichen mehrere hunderttausend auf verschiedene Zyklen Fehler beim Laden von Stress Amplituden, am Ende der Träger nach nur etwa fünf tausend Ladezyklen bei einer Belastungsamplitude von zwei Fünftel der Zugfestigkeit. Die erste umfassende und systematische Studie über den Einfluss von wiederholter Belastung auf strukturelle Materialien erfolgte durch August Wöhler in 1860-18701. Für diese Tests wurde er mit dem Torsion, Biegung und axiale Belastung Modi. Wöhler entwickelt viele einzigartige Müdigkeit Prüfmaschinen, aber ihr Nachteil war gering Betrieb Geschwindigkeiten, zum Beispiel die schnellsten rotierende Biegemaschine betrieben bei 72 u/min (1,2 Hz), also Abschluss des experimentellen Programms dauerte 12 Jahre1. Nach Durchführung dieser Tests, wurde davon ausgegangen, dass nach Erreichen einer Belastungsamplitude, an dem das Material 107 Zyklen widersteht, die Müdigkeit Degradation ist zu vernachlässigen und das Material kann eine unendliche Anzahl von Ladezyklen standhalten. Diese Belastungsamplitude hieß "Dauerfestigkeit" und wurde der wichtigste Parameter im Industriedesign für viele Jahre2,3.
Weitere Entwicklung der neuen industriellen Maschinen, die erforderliche höheren Effizienz und Kosteneinsparungen zu erzielen, musste die Möglichkeit, höhere Belastung, Betrieb Geschwindigkeiten, höhere Laufzeiten und hohe Zuverlässigkeit mit geringer Wartungsaufwand bieten. Zum Beispiel Bestandteil der Hochgeschwindigkeitszug Shinkanzen, nach 10 Jahren Betrieb, ca. 109 Zyklen standhalten und Ausfall der Hauptbestandteil kann fatale Folgen4haben. Darüber hinaus Komponenten von Strahltriebwerken arbeiten oft bei 12.000 u/min, und Komponenten des Turbo-Gebläse oft mehr als 17.000 u/min. Diese hohe Betrieb Geschwindigkeiten erhöhte Anforderungen an die Ermüdungsprüfung Leben, in der so genannten Ultra-high Cycle-Bereich und zu beurteilen, ob die Dauerfestigkeit eines Materials wirklich konstant für mehr als 10 Millionen Zyklen betrachtet werden könnte. Nach den ersten Tests durchgeführt durch das Überschreiten dieser Ausdauer, war es offensichtlich, dass Ermüdungsversagen auch bei angelegten Spannung Amplituden niedriger als die Dauerfestigkeit nach einer Anzahl von Zyklen mehr als 10 auftreten können7, und dass die Schäden und Ausfällen Mechanismus anders als die üblichen diejenigen-5könnte.
Müdigkeit Testprogramm zur Untersuchung der ultra-high Cycle-Bereich erstellen, erforderte die Entwicklung der neuen Testgeräte, die Beladung Häufigkeit stark erhöhen. Ein Symposium zu diesem Thema konzentriert fand in Paris im Juni 1998, wo experimentelle Ergebnisse wurden vorgestellt, die durch Stanzl-Tschegg6 gewonnen wurden und Bathias7 bei 20 kHz Frequenzen von Ritchie8 mit dem Einsatz von 1 kHz Laden geschlossen Loop Servo-hydraulische Maschine, und von Davidson8 mit einem 1,5 kHz Magneto-Strictive Test Maschine4testen. Aus dieser Zeit wurden viele Lösungen vorgeschlagen, aber immer noch am häufigsten gebrauchte Maschine für diese Art von Test basiert auf dem Konzept der Manson von 1950 und nutzt Frequenzen in der Nähe von 20 kHz9. Diese Maschinen weisen eine gute Balance zwischen Verformungsgeschwindigkeit, die Entschlossenheit Genauigkeit die Anzahl der Zyklen und die Zeit der Dauertest (1010 Zyklen erreichen wir in ca. 6 Tagen). Andere Geräte konnten noch höhere Beladung Frequenzen, wie die von Girald in 1959-92 kHz und Kikukawa in 1965-199 kHz verwendet; Allerdings sind diese selten verwendet, da sie extrem hohen Verformungsgeschwindigkeiten und, da der Test nur wenige Minuten dauert, wird ein bemerkenswerte Fehler in der Cycle-counting erwartet. Ein weiterer wichtiger Faktor, die Begrenzung der Belastung Frequenz Resonanz Geräte für Ermüdungsprüfung ist die Größe der Probe, die in unmittelbarem Zusammenhang mit der Resonanzfrequenz ist. Je größer die angeforderte laden Frequenz, desto kleiner der Probe. Dies ist der Grund, warum Frequenzen über 40 kHz selten verwendete10 sind.
Da die Verdrängung Amplitude innerhalb des Intervalls zwischen 3 und 80 µm in der Regel begrenzt ist, erfolgreich sein kann Ultraschall Ermüdungsprüfung angewendet auf die meisten metallischen Werkstoffe, aber Techniken für die Prüfung von Polymeren Materialien wie z. B. PMMA11 und Verbundwerkstoffe12 wurden auch entwickelt. In der Regel Ultraschall Ermüdungsprüfung ist möglich, in den Modi der axialen Belastung durchzuführen: Zug - Kompression symmetrischen Zyklus13,14, Spannung - Spannung Zyklus15, drei-Punkt-Biegung15, und es gibt auch ein paar Studien mit speziellen Modifikationen des Systems für Torsion Test15,16 und zweiachsige Biegung17. Es ist nicht möglich, beliebige Exemplare zu verwenden, da für diese Methode die Geometrie, zur Erreichung der Resonanz-Frequenz von 20 kHz eng ist. Für die axiale Belastung, haben verschiedene Arten von Proben häufig, in der Regel mit einer Sanduhr Form mit einem Messgerät Länge Durchmesser von 3 bis 5 mm eingesetzt. Für die drei-Punkt-Biegung, dünne Bleche werden häufig verwendet, und für andere Methoden sind spezielle Arten von Proben entwickelt, je nach Methodentyp und Prüfbedingungen. Die Methode wurde entwickelt, für die Bewertung der Ermüdungsfestigkeit im Bereich hoch- und Zyklus, und dies bedeutet, dass bei 20 kHz Belastung ergibt sich 1 Million Zyklen im 50 s; Daher gilt dies in der Regel die untere Grenze der Ladezyklen, die mit hinreichender Genauigkeit in Bezug auf die Anzahl der Zyklus Bestimmung untersucht werden können. Jedes Exemplar hat mit dem Ultraschall Horn harmonisiert werden, durch Veränderung der Probe Masse, um die richtigen Resonanzfrequenz des Systems zur Verfügung stellen: Ultraschall Horn mit Probe.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="665">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Ultrasonic fatigue testing device</td>
			<td style="width:71px;">Lasur</td>
			<td style="width:119px;">-</td>
			<td style="width:259px;">20 kHz, used for fatigue tests</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Nyogel 783</td>
			<td style="width:71px;">Nye Lubricants</td>
			<td style="width:119px;">-</td>
			<td>Used as acoustic gel for connection of the parts of the ultrasonic system</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Win 20k software</td>
			<td style="width:71px;">Lasur</td>
			<td style="width:119px;">-</td>
			<td>Software for operation of the Lasur fatigue testing machine</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

ultrasonic fatigue testing in the tension-compression mode

Ultraschall Ermüdungsprüfung ist eine der wenigen Methoden, die Ermüdungseigenschaften im Großraum ultrahohe Zyklus zu untersuchen. Die Methode basiert auf die Probe longitudinale Schwingungen auf seiner Resonanzfrequenz in der Nähe von 20 kHz auszusetzen. Bei Verwendung dieser Methode ist es möglich, den Zeitaufwand für den Test im Vergleich zu herkömmlichen Testgeräte in der Regel arbeiten bei Frequenzen unter 200 Hz deutlich zu verringern. Es dient auch zur Simulation Laden des Materials während des Betriebs in high-Speed-Bedingungen, wie diejenigen von Komponenten der Düsentriebwerke oder Auto Turbopumpen erlebt. Es ist notwendig, nur im Bereich hoch- und Zyklus durch die Möglichkeit der extrem hohen Verformungsgeschwindigkeiten zu betreiben, die einen wesentlichen Einfluss auf die Testergebnisse haben können. Probenform und Abmessungen müssen sorgfältig ausgewählt werden und berechnet die Resonanzbedingung das Ultraschall-System zu erfüllen; so ist es nicht möglich, die volle Komponenten oder Exemplare von beliebiger Form zu testen. Vor jedem Test ist es notwendig, die Probe mit der Frequenz des Ultraschall-System zum Ausgleich von Abweichungen der realen Form von der idealen in Einklang zu bringen. Es ist nicht möglich, führen Sie einen Test bis zum totalen Bruch der Probe, da der Test automatisch nach Einführung und Ausbreitung des Risses auf eine bestimmte Länge beendet wird, wenn die Steifigkeit des Systems ändert sich genug, um das System aus der Resonanz Frequenz. Dieses Manuskript beschreibt den Prozess der Bewertung der Materialien Müdigkeit Eigenschaften bei Hochfrequenz-Ultraschall Zyklusbelastung mit der mechanischen Resonanz bei einer Frequenz in der Nähe von 20 kHz zu verwenden. Das Protokoll enthält eine detaillierte Beschreibung aller Schritte, die erforderlich für einen richtigen Test, einschließlich Probe Design, Stress-Berechnung, Harmonisierung mit der Resonanzfrequenz, Durchführung der Test und die endgültige statische Fraktur.

Müdigkeit Testergebnisse gehören Stress, Anzahl der Ladezyklen, laden und der Test Kündigung Charakter (Bruch oder Auslauf) sehen in Tabelle 1, wo Ergebnisse der Ermüdungsfestigkeit der 50CrMo4 gestillt und gehärtetem Stahl werden zur Verfügung gestellt. Die häufigste Interpretation der Testergebnisse Müdigkeit Leben ist die so genannte S - N Grundstück (S - Stress, N - Anzahl der Zyklen), auch bekannt als die Wöhler Plot. Die Abhängigkeit der Ermüdungsfestigkeit der angewandten laden Stress wird in einem Diagramm mit historisch gegebenen invertierten Achse gezeichnet, wo der unabhängigen Wert (Laden von Stress) ist auf der y-Achse und die abhängige Wert (Anzahl der Zyklen) ist auf der x-Achse . Verschiedene Arten der Regressionsanalyse sind angewandte19 auf die Müdigkeit Leben Ergebnisse und für den Fall, dass eine Passform zum Diagramm hinzugefügt, es wird gemeinhin als die S - N-Kurve. Allerdings gab es keinen Unterschied mit der ursprünglichen Handlung, umfasst nur eine Daten-Passform. Wenn der Test endet nicht mit einem Bruch, und es ist nach erreichen der erforderlichen Anzahl von Ladezyklen ohne Schaden bricht, wird dieses Ergebnis nennt man einen Run-Out und Grundstück in der Regel gekennzeichnet durch den Pfeil in die S-N. Abbildung 2 zeigt eine typische S - N-Grundstück von drei getesteten Stähle: Hardox 450, 700 MC Strenx und S355 J2.
Darüber hinaus sind die Bruchflächen der Proben in der Regel analysiert, mit Einsatz der Rasterelektronenmikroskopie (SEM), wo das Zeichen der Ermüdung crack Initiation und Ausbreitung erkannt und interpretiert. Abbildung 3 zeigt eine Bruchfläche Müdigkeit nach Ultraschall Ermüdungsprüfung von 50CrMo4 gestillt und gehärtetem Stahl. Der Riss wurde auf eine freie Fläche der Probe eingeleitet und dann durch den Querschnitt weitergegeben, bis das Ultraschall-System aus der Resonanzfrequenz (dunkler Bereich) verlagert wurde. Infolgedessen war der Rest des Querschnitts gebrochen, indem Sie statische laden, erstellt die hellere Bereiche auf der Oberseite der Abbildung. Abbildung 4 zeigt den Bereich der die Müdigkeit Rissausbreitung in extrudierten AW 7075 - Aluminium-Legierung T6511. Abbildung 5 zeigt einen Hohlraum auf der Oberfläche durch Eintauchen der Probe in die Kühlflüssigkeit (destilliertes Wasser mit Rostschutzmittel Inhibitor bei Raumtemperatur) erstellt für einen Langzeit-Test (mehrere Stunden). Die Kavität beschleunigt die Müdigkeit Rissinitiierung und das Ergebnis dieses Tests nicht als gültig angesehen werden.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57007/57007fig1.jpg"> Abbildung 1 : Zeichnung des Prüflings Standardkompression Spannung Ultraschall Müdigkeit. Die Abmessungen sind wie folgt definiert: d -Durchmesser, D - Kopfdurchmesser, R - Messgerät Radius, Länge L - Kopf Länge, l - Messgerät zu messen. <a href="//cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57007/57007fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57007/57007fig2.jpg"> Abbildung 2 : Die S - N Plot der stählernen Hardox 450, 700 MC Strenx und S355 J2. Auslauf-Test ist durch Pfeil gekennzeichnet. <a href="//cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57007/57007fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57007/57007fig3.jpg"> Abbildung 3 : Oberflächencharakter Bruch der Probe 50CrMo4 Stahl geladen bei 365 MPa und brach nach 1.97 × 10 8 Ladezyklen. Die Fraktur an der freien Oberfläche der Probe eingeleitet. Die Bruchfläche besteht aus Bereich der stabilen Müdigkeit Rissausbreitung (dunkler Bereich) und den Bereich der instabile Rissausbreitung, die so genannte statische Fraktur (Bereich). <a href="//cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57007/57007fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57007/57007fig4.jpg"> Abbildung 4 : Die Müdigkeit Rissausbreitung in der AW 7075 Aluminiumlegierung Probe geladen bei 203 MPa und gebrochen nach 8,3 × 10 6 Ladezyklen. Der Riss mit einem Transcrystalline Müdigkeit Mechanismus propagiert und die Band-Art Charakter der Bruchfläche ergibt sich aus der starken Verformung Textur nach Extrusion des Materials bei der Herstellung. Der Pfeil zeigt die Richtung der Müdigkeit Rissausbreitung. <a href="//cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57007/57007fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57007/57007fig5.jpg"> Abbildung 5 : Hohlraum auf einer Fläche von 50CrMo4 Stahl Probe wenn eine unsachgemäße Kühlung verwendet wurde. Die Probe wurde in der Flüssigkeit (destilliertes Wasser mit Rostschutzmittel Inhibitor bei Raumtemperatur) versenkt. Hohlräume der Müdigkeit Riss Einleitung Prozess zu beschleunigen, denn sie dienen als Konzentration Kerben zu betonen, so ist das Ergebnis von diesem Dauertest nicht gültig. <a href="//cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57007/57007fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td rowspan="2">Probe Nr.</td>
			<td>Spannungsamplitude</td>
			<td rowspan="2">Anzahl der Ladezyklen</td>
			<td rowspan="2">Ergebnis</td>
		</tr>
<tr>
<td>(MPa)</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>449</td>
			<td>1,22 × 107
</td>
			<td>Fraktur</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>505</td>
			<td>4.87 × 106
</td>
			<td>Fraktur</td>
		</tr>
<tr>
<td>3</td>
			<td>421</td>
			<td>2.08 × 107
</td>
			<td>Fraktur</td>
		</tr>
<tr>
<td>4</td>
			<td>449</td>
			<td>8,50 × 106
</td>
			<td>Fraktur</td>
		</tr>
<tr>
<td>5</td>
			<td>421</td>
			<td>1,59 × 107
</td>
			<td>Fraktur</td>
		</tr>
<tr>
<td>6</td>
			<td>393</td>
			<td>8,90 × 107
</td>
			<td>Fraktur</td>
		</tr>
<tr>
<td>7</td>
			<td>365</td>
			<td>1,22 × 108
</td>
			<td>Fraktur</td>
		</tr>
<tr>
<td>8</td>
			<td>337</td>
			<td>2,39 × 108
</td>
			<td>Fraktur</td>
		</tr>
<tr>
<td>9</td>
			<td>337</td>
			<td>5,55 × 108
</td>
			<td>Fraktur</td>
		</tr>
<tr>
<td>10</td>
			<td>309</td>
			<td>7,28 × 108
</td>
			<td>Fraktur</td>
		</tr>
<tr>
<td>11</td>
			<td>365</td>
			<td>1.97 × 108
</td>
			<td>Fraktur</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabelle 1: Ergebnisse der stählernen 50CrMo4 Müdigkeit Leben Analyse von Ultraschall Ermüdungsprüfung. Müdigkeit Leben Ergebnisse stellen die Abhängigkeit von der Anzahl der Ladezyklen über angewandte Belastung Stress. Der Test kann am Ende mit Fraktur oder von einem Run-Out tritt kein Ermüdungsbruch nach der gewünschten Anzahl von Ladezyklen.

Watch this Scientific Journal Video about Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode at JoVE.com

Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

Ein Protokoll für Ultraschall Ermüdungsprüfung im Bereich hoch- und Zyklus in axialer Zug-Druck-Lademodus.

Ultraschall Ermüdungsprüfung im Zug-Druck-Modus

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on ...

ultrasonic-fatigue-testing-in-the-tension-compression-mode

Nanyang Technological University

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Bending

SCIENTISTS IN ACTION

10.6K Aufrufe.  University of Žilina. Ein Protokoll für Ultraschall Ermüdungsprüfung im Bereich hoch- und Zyklus in axialer Zug-Druck-Lademodus.

Serie: Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The optical modes are frequently referred to as "whispering gallery modes" (WGM) or "morphology dependent resonances" (MDR) and exhibit high optical quality factors. Some proposed applications of micro-cavity optical resonators are in spectroscopy1, micro-cavity laser technology2, optical communications3-6 as well as sensor technology. The WGM-based sensor applications include those in biology7, trace gas detection8, and impurity detection in liquids9. Mechanical sensors based on microsphere resonators have also been proposed, including those for force10,11, pressure12, acceleration13 and wall shear stress14. In the present, we demonstrate a WGM-based electric field sensor, which builds on our previous studies15,16. A candidate application of this sensor is in the detection of neuronal action potential.
The electric field sensor is based on polymeric multi-layered dielectric microspheres. The external electric field induces surface and body forces on the spheres (electrostriction effect) leading to elastic deformation. This change in the morphology of the spheres, leads to shifts in the WGM. The electric field-induced WGM shifts are interrogated by exciting the optical modes of the spheres by laser light. Light from a distributed feedback (DFB) laser (nominal wavelength of ~ 1.3 &mu;m) is side-coupled into the microspheres using a tapered section of a single mode optical fiber. The base material of the spheres is polydimethylsiloxane (PDMS). Three microsphere geometries are used: (1) PDMS sphere with a 60:1 volumetric ratio of base-to-curing agent mixture, (2) multi layer sphere with 60:1 PDMS core, in order to increase the dielectric constant of the sphere, a middle layer of 60:1 PDMS that is mixed with varying amounts (2% to 10% by volume) of barium titanate and an outer layer of 60:1 PDMS and (3) solid silica sphere coated with a thin layer of uncured PDMS base. In each type of sensor, laser light from the tapered fiber is coupled into the outermost layer that provides high optical quality factor WGM (Q ~ 106). The microspheres are poled for several hours at electric fields of ~ 1 MV/m to increase their sensitivity to electric field.

A high-sensitivity photonic micro sensor was developed for electric field detection. The sensor exploits the optical modes of a dielectric sphere. Changes in the external electric field perturb the sphere morphology leading to shifts in its optical modes. The electric field strength is measured by monitoring these optical shifts.

Entwicklung von Whispering Gallery-Modus polymeren Mikro-optische Electric Field Sensoren

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The ...

Forschung

Ingenieurwesen

Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various areas of technology and applied science, such as aerospace and communication engineering, sensing, metrology, nonlinear photonics, and quantum optics. In this article, we present the principal techniques used in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators. First detailed in this article is the protocol for resonator polishing, which is based on a grind-and-polish technique close to the ones used to polish optical components such as lenses or telescope mirrors. Then, a white light interferometric profilometer measures surface roughness, which is a key parameter to characterize the quality of the polishing. In order to launch light in the resonator, a tapered silica fiber with diameter in the micrometer range is used. To reach such small diameters, we adopt the "flame-brushing" technique, using simultaneously computer-controlled motors to pull the fiber apart, and a blowtorch to heat the fiber area to be tapered. The resonator and the tapered fiber are later approached to one another to visualize the resonance signal of the whispering gallery modes using a wavelength-scanning laser. By increasing the optical power in the resonator, nonlinear phenomena are triggered until the formation of a Kerr optical frequency comb is observed with a spectrum made of equidistant spectral lines. These Kerr comb spectra have exceptional characteristics that are suitable for several applications in science and technology. We consider the application related to ultra-stable microwave frequency synthesis and demonstrate the generation of a Kerr comb with GHz intermodal frequency.

The customized techniques developed in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators are presented. The protocols to obtain and characterize these resonators are detailed, and an explanation of some of their applications in microwave photonics is given.

Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various ...

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for synthesizing nanoscopic VB2 is presented as well as step-by-step procedure for applying a zirconium oxide coating to the VB2 particles for stabilization upon discharge. The process for disassembling existing zinc/air cells is shown, in addition construction of the new working electrode to replace the conventional zinc/air cell anode with a the nanoscopic VB2 anode. Finally, discharge of the completed VB2/air battery is reported. We show that using the zinc/air cell as a test bed is useful to provide a consistent configuration to study the performance of the high-energy high capacity nanoscopic VB2 anode.

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A protocol is presented to study multi-electron metal/air battery systems by using previous technology developed for the zinc/air cell. Electrochemical testing is then performed on fabricated batteries to evaluate performance.

Herstellung von VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Air Cells für Elektrochemische Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for ...

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at a frequency above the acoustic range (20 kHz). As a solid-state technology, ultrasonic lubrication can be used where conventional lubricants are unfeasible or undesirable. Further, ultrasonic lubrication allows for electrical modulation of the effective friction coefficient between two sliding surfaces. This property enables adaptive systems that modify their frictional state and associated dynamic response as the operating conditions change. Surface wear can also be reduced through ultrasonic lubrication. We developed a protocol to investigate the dependence of friction force reduction and wear reduction on the linear sliding velocity between ultrasonically lubricated surfaces. A pin-on-disc tribometer was built which differs from commercial units in that a piezoelectric stack is used to vibrate the pin at 22 kHz normal to the rotating disc surface. Friction and wear metrics including effective friction force, volume loss, and surface roughness are measured without and with ultrasonic vibrations at a constant pressure of 1 to 4 MPa and three different sliding velocities: 20.3, 40.6, and 87 mm/sec. An optical profilometer is utilized to characterize the wear surfaces. The effective friction force is reduced by 62% at 20.3 mm/sec. Consistently with existing theories for ultrasonic lubrication, the percent reduction in friction force diminishes with increasing speed, down to 29% friction force reduction at 87 mm/sec. Wear reduction remains essentially constant (49%) at the three speeds considered.

We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties.

Experimente an Ultraschall-Schmierung Verwenden eines piezoelektrisch unterstützten Tribometer und optische Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Ultrasonic Welding of Thermoplastic Composite Coupons for Mechanical Characterization of Welded Joints through Single Lap Shear Testing

This paper presents a novel straightforward method for ultrasonic welding of thermoplastic-composite coupons in optimum processing conditions. The ultrasonic welding process described in this paper is based on three main pillars. Firstly, flat energy directors are used for preferential heat generation at the joining interface during the welding process. A flat energy director is a neat thermoplastic resin film that is placed between the parts to be joined prior to the welding process and heats up preferentially owing to its lower compressive stiffness relative to the composite substrates. Consequently, flat energy directors provide a simple solution that does not require molding of resin protrusions on the surfaces of the composite substrates, as opposed to ultrasonic welding of unreinforced plastics. Secondly, the process data provided by the ultrasonic welder is used to rapidly define the optimum welding parameters for any thermoplastic composite material combination. Thirdly, displacement control is used in the welding process to ensure consistent quality of the welded joints. According to this method, thermoplastic-composite flat coupons are individually welded in a single lap configuration. Mechanical testing of the welded coupons allows determining the apparent lap shear strength of the joints, which is one of the properties most commonly used to quantify the strength of thermoplastic composite welded joints.

A straightforward procedure for ultrasonic welding of thermoplastic composite coupons for basic mechanical testing is described. Key characteristics of this ultrasonic welding process are the use of flat energy directors for simplified process preparation and the use of process data for the fast definition of optimum processing conditions.

Ultraschallschweißen von thermoplastischen Verbund Coupons für Mechanische Charakterisierung von Schweißverbindungen durch Einzelüberlappungsscherprüfung

This paper presents a novel straightforward method for ultrasonic welding of thermoplastic-composite coupons in optimum processing conditions. The ...

Automation of Mode Locking in a Nonlinear Polarization Rotation Fiber Laser through Output Polarization Measurements

When a laser is mode-locked, it emits a train of ultra-short pulses at a repetition rate determined by the laser cavity length. This article outlines a new and inexpensive procedure to force mode locking in a pre-adjusted nonlinear polarization rotation fiber laser. This procedure is based on the detection of a sudden change in the output polarization state when mode locking occurs. This change is used to command the alignment of the intra-cavity polarization controller in order to find mode-locking conditions. More specifically, the value of the first Stokes parameter varies when the angle of the polarization controller is swept and, moreover, it undergoes an abrupt variation when the laser enters the mode-locked state. Monitoring this abrupt variation provides a practical easy-to-detect signal that can be used to command the alignment of the polarization controller and drive the laser towards mode locking. This monitoring is achieved by feeding a small portion of the signal to a polarization analyzer measuring the first Stokes parameter. A sudden change in the read out of this parameter from the analyzer will occur when the laser enters the mode-locked state. At this moment, the required angle of the polarization controller is kept fixed. The alignment is completed. This procedure provides an alternate way to existing automating procedures that use equipment such as an optical spectrum analyzer, an RF spectrum analyzer, a photodiode connected to an electronic pulse-counter or a nonlinear detecting scheme based on two-photon absorption or second harmonic generation. It is suitable for lasers mode locked by nonlinear polarization rotation. It is relatively easy to implement, it requires inexpensive means, especially at a wavelength of 1550 nm, and it lowers the production and operation costs incurred in comparison to the above-mentioned techniques.

A protocol to detect and automate mode locking in a pre-adjusted nonlinear polarization rotation fiber laser is presented. The detection of a sudden change in the output polarization state when mode locking occurs is used to command the alignment of an intra-cavity polarization controller in order to find mode-locking conditions.

Automatisierung der Modenkopplung in einem nicht-linearen Polarisationsdrehung Faserlaser durch Ausgabe Polarisationsmessungen

When a laser is mode-locked, it emits a train of ultra-short pulses at a repetition rate determined by the laser cavity length. This article outlines a ...

Characterization of Anisotropic Leaky Mode Modulators for Holovideo

Holovideo displays are based on light-bending spatial light modulators. One such spatial light modulator is the anisotropic leaky mode modulator. This modulator is particularly well suited for holographic video experimentation as it is relatively simple and inexpensive to fabricate1-3. Some additional advantages of leaky mode devices include: large aggregate bandwidth, polarization separation of signal light from noise, large angular deflection and frequency control of color1. In order to realize these advantages, it is necessary to be able to adequately characterize these devices as their operation is strongly dependent on waveguide and transducer parameters4. To characterize the modulators, the authors use a commercial prism coupler as well as a custom characterization apparatus to identify guided modes, calculate waveguide thickness and finally to map the device's frequency input and angular output of leaky mode modulators. This work gives a detailed description of the measurement and characterization of leaky mode modulators suitable for full-color holographic video.

This work describes fabrication and characterization of anisotropic leaky mode modulators for holographic video.

Charakterisierung von anisotroper Leaky-Modus Modulatoren für die Holovideo

Holovideo displays are based on light-bending spatial light modulators.  One such spatial light modulator is the anisotropic leaky mode modulator.  This ...

Stimulated Stokes and Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery Mode Resonators

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres can be thought as a store of energy with a huge variety of applications: compact laser sources, highly sensitive biochemical sensors and nonlinear phenomena. A protocol for the fabrication of both the microspheres and coupling system is given. The couplers described here are tapered fibers. Efficient generation of nonlinear phenomena related to third order optical non-linear susceptibility &#935;(3) interactions in triply resonant silica microspheres is presented in this paper. The interactions here reported are: Stimulated Raman Scattering (SRS), and four wave mixing processes comprising Stimulated Anti-stokes Raman Scattering (SARS). A proof of the cavity-enhanced phenomenon is given by the lack of correlation among the pump, signal and idler: a resonant mode has to exist in order to obtain the pair of signal and idler. In the case of hyperparametric oscillations (four wave mixing and stimulated anti-stokes Raman scattering), the modes must fulfill the energy and momentum conservation and, last but not least, have a good spatial overlap.

Efficient generation of nonlinear phenomena related to third order optical non-linear susceptibility &#935;(3) interactions in triply resonant silica microspheres is presented in this paper. The interactions here reported are: Stimulated Raman Scattering (SRS), and four wave mixing processes comprising Stimulated Anti-stokes Raman Scattering (SARS).

Stimulated Stokes und Antistokes Raman Scattering in Mikrosphärische Whispering Gallery-Modus Resona

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres ...

Subsurface Defect Localization by Structured Heating Using Laser Projected Photothermal Thermography

The presented method is used to locate subsurface defects oriented perpendicularly to the surface. To achieve this, we create destructively interfering thermal wave fields that are disturbed by the defect. This effect is measured and used to locate the defect. We form the destructively interfering wave fields by using a modified projector. The original light engine of the projector is replaced with a fiber-coupled high-power diode laser. Its beam is shaped and aligned to the projector&#39;s spatial light modulator and optimized for optimal optical throughput and homogeneous projection by first characterizing the beam profile, and, second, correcting it mechanically and numerically. A high-performance infrared (IR) camera is set up according to the tight geometrical situation (including corrections of the geometrical image distortions) and the requirement to detect weak temperature oscillations at the sample surface. Data acquisition can be performed once a synchronization between the individual thermal wave field sources, the scanning stage, and the IR camera is established by using a dedicated experimental setup which needs to be tuned to the specific material being investigated. During data post-processing, the relevant information on the presence of a defect below the surface of the sample is extracted. It is retrieved from the oscillating part of the acquired thermal radiation coming from the so-called depletion line of the sample surface. The exact location of the defect is deduced from the analysis of the spatial-temporal shape of these oscillations in a final step. The method is reference-free and very sensitive to changes within the thermal wave field. So far, the method has been tested with steel samples but is applicable to different materials as well, in particular to temperature sensitive materials.

This method aims at locating vertical subsurface defects. Here, we couple a laser with a spatial light modulator and trigger its video input to heat a sample surface deterministically with two anti-phased modulated lines while acquiring highly resolved thermal images. The defect position is retrieved from evaluating thermal wave interference minima.

Untergrundfehler-Lokalisierung durch strukturierte Erwärmung mittels laserprojektierter photothermischer Thermografie

The presented method is used to locate subsurface defects oriented perpendicularly to the surface. To achieve this, we create destructively interfering ...

In Situ High Pressure Hydrogen Tribological Testing of Common Polymer Materials Used in the Hydrogen Delivery Infrastructure

High pressure hydrogen gas is known to adversely affect metallic components of compressors, valves, hoses, and actuators. However, relatively little is known about the effects of high pressure hydrogen on the polymer sealing and barrier materials also found within these components. More study is required in order to determine the compatibility of common polymer materials found in the components of the hydrogen fuel delivery infrastructure with high pressure hydrogen. As a result, it is important to consider the changes in physical properties such as friction and wear in situ while the polymer is exposed to high pressure hydrogen. In this protocol, we present a method for testing the friction and wear properties of ethylene propylene diene monomer (EPDM) elastomer samples in a 28 MPa high pressure hydrogen environment using a custom-built in situ pin-on-flat linear reciprocating tribometer. Representative results from this testing are presented which indicate that the coefficient of friction between the EPDM sample coupon and steel counter surface is increased in high pressure hydrogen as compared to the coefficient of friction similarly measured in ambient air.

In Situ High Pressure Hydrogen Tribological Testing of Common Polymer Materials Used in the Hydrogen Delivery Infrastructure

A test methodology for quantifying tribological properties of polymers used in hydrogen infrastructure service is demonstrated and characteristic results for a common elastomer are discussed.

In Situ Hochdruck-Wasserstoff tribologischen Tests der gemeinsamen Polymerwerkstoffe in Lieferung Wasserstoffinfrastruktur

High pressure hydrogen gas is known to adversely affect metallic components of compressors, valves, hoses, and actuators. However, relatively little is ...