Akustisen emission hyödyntäminen värähtelykulumisen ja kitkaväsymisen mittauksissa

Abstract

Värähtelykuluminen ja kitkaväsyminen ovat haitallisia ilmiöitä, jotka ilmenevät kahden kosketuksessa olevan pinnan välissä pieniamplitudisen edestakaisen liikkeen, eli luiston seurauksena. Värähtelykulumista voi esiintyä hyvin pienillä, esimerkiksi muutamien mikrometrien liikeamplitudeilla. Värähtelykulumisen seurauksena materiaalipartikkeleita irtoaa kappaleen pinnoilta. Kitkaväsymistä syntyy yhdessä syklisen kuormituksen ja hankaavan liikkeen seurauksena. Tämä synnyttää materiaaliin säröjä, jotka edetessään voivat lyhentää kappaleen elinikää.

Akustinen emissio tarkoittaa elastisten aaltojen syntymistä ja etenemistä materiaalin sisällä tapahtuvien vaurioiden seurauksena. Metalleilla akustisen emission lähteitä ovat tyypillisesti säröjen kasvu, eroosio, korroosio tai pintojen hankaaminen toisiaan vasten. Akustisen emission avulla voidaan seurata reaaliajassa värähtelykulumisen ja kitkaväsymisen etenemistä.

Tämän työn tavoitteena on suunnitella ja toteuttaa toimiva akustisen emission mittausjärjestelmä värähtelykulumisen ja kitkaväsymisen mittauksille. Testilaitteena käytetään Tampereen yliopistolla olevaa laitetta, jolla tutkitaan kahden kappaleen välistä taso-taso-kosketusta. Tuloksia verrataan silmämääräisiin tarkasteluihin ja valomikroskooppikuviin sekä suureisiin, kuten luistoamplitudi ja kitkakerroin.

Mittaustulosten perusteella havaitaan, että kosketuspintojen välisellä luistoamplitudilla on suora yhteys akustisen emission signaalien amplitudeihin: suuremmilla luistoamplitudeilla esiintyy korkeampia AE-signaalien amplitudeja. Mittausten perusteella havaittiin myös, että pääsääntöisesti AE-signaalien amplitudit kasvoivat noin 10 000 kuormitussyklin jälkeen. Mittauksissa havaittiin taajuuksia 100 -1 400 kHz väliltä, jotka voivat viitata erilaisiin vauriomekanismeihin.

Fretting wear and fretting fatigue are harmful phenomena that occur between two surfaces because of small-amplitude reciprocating movement, i.e., slip. Fretting wear can occur with very small motion amplitudes, such as micrometer-scale movements. As a result of fretting wear, material particles detach from the surfaces of the components. Fretting fatigue arises from the combination of abrasive motion and cyclic loading. This generates cracks in the material, which, as they propagate, significantly reduce the lifespan of the component.

Acoustic emission refers to the generation and propagation of elastic waves within a material due to damage events. In metals, typical sources of acoustic emission include crack growth, erosion, corrosion, or surfaces rubbing against each other. Acoustic emission can be used to monitor the progression of fretting wear and fretting fatigue in real-time.

The goal of this work is to design and implement a functional acoustic emission measurement system for monitoring fretting wear and fretting fatigue. A device at Tampere University is used as the test apparatus to study the flat-on-flat contact between two components. The results will be compared with visual inspections and optical microscopy imaging, as well as with quantities such as sliding amplitudes and coefficient of frictions.

The measurement results indicate that there is a direct correlation between the amplitudes of the acoustic emission signals and the slip amplitude between the contact surfaces: higher slip amplitudes result in higher AE signal amplitudes. The measurements also showed that generally, the amplitudes of AE signals increased after approximately 10 000 load cycles. Frequencies in the range of 100 to 1 400 kHz were observed in the measurements, which can indicate various damage mechanisms.