DE10023752A1

DE10023752A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters eines Testobjekts

Info

Publication number: DE10023752A1
Application number: DE2000123752
Authority: DE
Inventors: Christoph Uhlig; Monika Bauer; Olaf Kahle; Dietmar Vogel; Bernhard Wieneke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: WO2001088502A2; DE10023752B4; WO2001088502A9; WO2001088502A3

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters eines Prüfkörpers umfaßt den Schritt des Durchführens eines bruchmechanischen Tests zur Initiierung von Rißausbreitung ausgehend von einem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper. Eine zeitliche Sequenz von Bildern des Prüfkörpers wird während des bruchmechanischen Tests aufgenommen, so daß die Bilder jeweils den Riß enthalten, wobei digitale Darstellungen der Bilder gespeichert werden. Ein digitales Bildauswerteverfahren wird zum Bestimmen der Position der Rißspitze des Risses in den jeweiligen Bildern durchgeführt, um basierend darauf die Rißlänge als eine Funktion der Zeit zu ermitteln. Schließlich wird der zumindest eine bruchmechanische Parameter auf der Grundlage der als eine Funktion der Zeit ermittelten Rißlänge und ein weiteren auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichneten physikalischen Größe ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung zumindest eines bruchmechani schen Materialparameters, wie z. B. des kritischen Spannungsin tensitätsfaktors oder der kritischen Dehnungsenergiefreiset zungsrate, unter Verwendung beliebiger bekannter bruchmechani scher Versuche.

Als bruchmechanische Versuche werden hierbei alle mechanischen Versuche bezeichnet, wo ein definierter Anriß (d. h. ein Anriß mit definierter Länge und Form) in einem Festkörper (Prüfkör per) durch Belastung dieses Prüfkörpers durch Aufbringen einer Kraft bzw. Verformung (sowie eventuell auch weitere Belastun gen wie beispielsweise eine korrosive Flüssigkeit) zum Weiter reißen (im folgenden als Rißinitiierung bezeichnet) gebracht wird. Aus bruchmechanischen Versuchen werden durch Bestimmung der Rißlänge sowie der zur Rißinitiierung (bzw. auch Rißaus breitung) benötigten Kraft und Verformung bruchmechanische Ma terialparameter berechnet. Dies erfolgt auf Basis bruchmecha nischer Theorien und Modelle. Es können dabei zwei Arten von bruchmechanischen Versuchen unterschieden werden:

Versuche, bei denen der Einsatz von Verfahren zur Rißverfol gung, also der zeitlichen Verfolgung der Rißspitzenposition während des Tests, nicht zwingend erforderlich ist, sowie Ver suche, die eine solche Rißverfolgung erfordern.

Zu den bruchmechanischen Versuchen, welche eine Rißverfolgung zwingend erfordern, gehören beispielsweise Versuche, bei denen die schnelle Rißausbreitung Gegenstand der Untersuchung ist (z. B. wenn die Geschwindigkeit eines sich schnell ausbreiten den Risses ermittelt wird), aber auch Versuche, in denen lang sames unterkritisches Rißwachstum untersucht wird, welches beispielsweise durch eine zyklische unterkritische Belastung ausgelöst wird.

Es sind bisher nur elektrische Verfahren zur automatischen Rißverfolgung bekannt. Diese lassen sich in kontinuierliche Verfahren und diskontinuierliche Verfahren unterscheiden.

Bei kontinuierlichen elektrischen Verfahren wird ein sich kon tinuierlich änderndes Signal erfaßt, welches zu der Rißlänge proportional ist, beziehungsweise eine vorbestimmte Beziehung zu demselben aufweist. In diese Gruppe lassen sich Verfahren einordnen, bei denen eine Widerstandsänderung, die durch eine Abnahme des Restligaments bei einem Rißwachstum bewirkt wird, gemessen wird. Bei solchen Verfahren wird bei leitenden Proben der Widerstand der Probe gemessen, während bei einem elek trisch isolierenden Probenmaterial der Widerstand einer aufge brachten leitenden Schicht gemessen wird. Ein weiteres konti nuierliches Verfahren besteht darin, mittels eines Verfor mungsaufnehmers die Verformung an der Bruchprobe zu messen. Dies kann beispielsweise durch einen auf die Rückseite der Probe aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen realisiert werden.

Diskontinuierliche elektrische Verfahren sind dadurch gekenn zeichnet, daß der Rißfortschritt als eine diskrete Folge von Ereignissen erfaßt wird. Hierbei können Signale von mehreren Dehnungsmeßstreifen verwendet werden, wobei die Dehnungsmeß streifen hintereinander oberhalb oder unterhalb eines sich ausbreitenden Risses aufgebracht sind. Ferner kann eine Mehr zahl von dünnen Leiterbahnen verwendet sein, die infolge eines Rißfortschritts durchgetrennt werden, wobei durch eine ent sprechende elektrische Auswertung, beispielsweise das Messen einer Widerstandsänderung, das jeweilige Durchtrennen erfaßt werden kann.

Elektrische Verfahren sind vorteilhaft dahingehend, daß eine automatische Erfassung der Rißlängen/Zeit-Kurve möglich ist, da ein zur Rißlänge proportionales Signal direkt als Funktion der Zeit erfaßt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine schnelle Datenerfassung möglich ist.

Elektrische Verfahren besitzen jedoch zwei Hauptnachteile. Ei nem effektiven Einsatz, der es ermöglichen würde, den Rißfort schritt nicht nur in aufwendigen Grundlagenforschungsprojekten zu erfassen, sondern auch in anwendungsnahen Projekten, bei denen zur Materialentwicklung viele bruchmechanische Prüfungen durchzuführen sind, steht prinzipiell der große Aufwand der Probenpräparation entgegen. Ferner müssen alle kontinuierli chen elektrischen Verfahren kalibriert werden, da das elektri sche Signal nur proportional zur Rißlänge ist oder in einer nicht-linearen Beziehung zu derselben steht, wobei der Propor tionalitätsfaktor beziehungsweise die nicht-lineare Beziehung nur durch eine Kalibrierung bestimmt werden können. Schwankun gen von Parametern, die schwer auszuschließen sind, bewirken eine Abweichung von der Kalibrierung und somit Fehlerquellen. Lediglich diskontinuierliche elektrische Verfahren sind kali brierungsfrei, da hier die Positionen der aufgebrachten Lei terbahnen definiert sind. Jedoch ist ein fehlerfreies und to leranzfreies positionsgenaues Aufbringen dünner Leiterbahnen sehr aufwendig. Darüberhinaus ist bei diskontinuierlichen Ver fahren die Ortsauflösung begrenzt.

Zu den bruchmechanischen Versuchen, wo Verfahren zur Rißver folgung nicht zwingend erforderlich sind und auch im allgemei nen heute nicht eingesetzt werden, zählen "kritische Tests". Diese machen die Mehrzahl der heute durchgeführten bruchmecha nischen Materialprüfungen aus. Bei kritischen Tests wird durch kontinuierliche Erhöhung von Kraft bzw. Verformung die Rißi nitiierung ausgehend von einem bestehenden Anriß bewirkt. Hierbei wird die Rißinitiierung als ein Ereignis angesehen, welches einem definierten Zeitpunkt bzw. einem definierten Kraft- und Verformungswert sowie einer definierten Anrißlänge zugeordnet wird. Langsame (unterkritische) Rißausbreitung wird dabei vernachlässigt. Bei derartigen kritischen Tests wird die Rißlänge, d. h. die Länge des vor dem Test eingebrachten Anris ses, durch visuelle Analyse der Bruchflächen nach dem Test be stimmt. Mit diesem heute gebräuchlichen bruchmechanischen Ver fahren zur Bestimmung des kritischen Spannungsintensitätsfak tors K_Ic und/oder der kritischen Dehnungsenergiefreisetzungsra te G_Ic ist ein hoher manueller Aufwand zur visuellen Analyse der Bruchflächen verbunden. Der Einsatz einer automatischen Rißverfolgung auch bei solchen kritischen Tests würde die Testdurchführung effektiver gestalten, da die Länge des Anris ses automatisch bestimmt wird und nicht mehr manuell im An schluß an den Test ermittelt werden muß. Darüber hinaus würde es Zweideutigkeiten der heutigen Testpraxis beseitigen, die dann enstehen, wenn Rißinitiierung nicht ein eindeutig auf ei nen bestimmten Zeitpunkt (und damit Kraft- bzw. Verformungs wert) festlegbares Ereignis darstellt, sondern der kritischen (schnellen) Rißausbreitung eine Phase unterkritischen langsa men Rißwachstums vorausgeht. Da dies der allgemeine Fall ist, welcher lediglich durch die oben beschriebene Testpraxis ver nachlässigt wird, würde die Anwendung einer automatischen Riß verfolgung auch auf derartige "kritische" Tests deren Genauig keit, Zuverlässigkeit und Aussagefähigkeit erhöhen. Solche Tests werden jedoch routinemäßig zur Materialcharakterisierung durchgeführt und unterliegen somit einer Aufwand-Nutzen- Betrachtung.

Es kann deshalb davon ausgegangen werden, daß nur eine solche automatische Rißverfolgung die bisherige manuelle Testpraxis ersetzen wird, deren Durchführung sich einfacher als die manuelle Analyse der Bruchflächen gestaltet. Aus den bereits oben dargestellten Gründen ist die Durchführung aller bisher be kannten Verfahren zur Rißverfolgung im Vergleich zur manuellen Analyse der Rißflächen jedoch immer noch weit aufwendiger.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ver fahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine automati sche, wenig aufwendige Bestimmung bruchmechanischer Material parameter unter Verwendung optischer Verfahren ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ei ne Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters eines Prüfkörpers, mit folgenden Schritten:
Durchführen eines bruchmechanischen Tests zur Initiierung von Rißausbreitung ausgehend von einem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper;
Aufnehmen einer zeitlichen Sequenz von Bildern des Prüfkörpers während des bruchmechanischen Tests, so daß die Bilder jeweils den Riß enthalten, und Speichern digitaler Darstellungen der Bilder;
Durchführen eines digitalen Bildauswerteverfahrens zum Bestim men der Position der Rißspitze des Risses in den jeweiligen Bildern zum Ermitteln der Rißlänge als eine Funktion der Zeit; und
Bestimmen des zumindest einen bruchmechanischen Parameters auf der Grundlage der als eine Funktion der Zeit ermittelten Riß länge und einer weiteren auf der gleichen Zeitbasis aufge zeichneten physikalischen Größe.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparame ters eines Prüfkörpers, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung zum Durchführen eines bruchmechanischen Tests zur Initiierung von Rißausbreitung ausgehend von einem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper;
einer Einrichtung zum Aufnehmen einer zeitlichen Sequenz von Bildern des Prüfkörpers während des bruchmechanischen Tests, so daß die Bilder jeweils den Riß enthalten, und zum Speichern digitaler Darstellungen der Bilder;
einer Einrichtung zum Durchführen eines digitalen Bildauswer teverfahrens zum Bestimmen der Position der Rißspitze des Ris ses in den jeweiligen Bildern, zum Ermitteln der Rißlänge als eine Funktion der Zeit; und
einer Einrichtung zum Bestimmen des zumindest einen bruchme chanischen Parameters auf der Grundlage der als eine Funktion der Zeit ermittelten Rißlänge und einer weiteren auf der glei chen Zeitbasis aufgezeichneten physikalischen Größe.

Die Rißlänge wird in der Regel mit Hilfe eines geeigneten Ska lierungsverfahrens ermittelt, so daß die Pixelkoordinaten in Koordinaten mit Längeneinheiten und Bezug auf die Probengeome trie umgerechnet werden können. Die weitere auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichnete physikalische Größe ist in der Regel die Kraft, die während des bruchmechanischen Tests auf den Prüfkörper ausgeübt wird. Ferner kann zusätzlich oder alterna tiv zur Kraft die Verformung des Prüfkörpers und/oder die Tem peratur desselben aufgezeichnet werden. Wenn mit konstanter und bekannter Kraft bzw. Verformung gearbeitet wird, ist unter der auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichneten physikalischen Größe die konstante und bekannte Kraft bzw. Verformung zu ver stehen.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß durch die Ausnutzung der Möglichkeit der Speicherung digitaler Bilder und der heute verfügbaren leistungsfähigen Rechentech nik das Potential besteht, eine automatisierte Rißverfolgung zu realisieren. Erfindungsgemäß wird eine effizient durchführ bare, automatisierte, sequentielle digitale Bildanalyse durch geführt, um die manuelle Analyse zu ersetzen. Zu diesem Zweck werden adaptierte bzw. neuentwickelte digitale Bildverarbei tungsverfahren verwendet, um die Position der Rißspitze in di gital gespeicherten Bildern auf zuverlässige und reproduzier bare Weise zu bestimmen, so daß eine automatische sequentielle Bildanalyse ohne die Notwendigkeit eines manuellen Eingreifens möglich wird. Solche Bildverarbeitungsverfahren können den Einsatz von geeigneten Bilderkennungsalgorithmen umfassen, beispielsweise digitaler Kantenfilter in Kombination mit Seg mentierungsverfahren oder auch alternativ Grauwertkorrelati onsverfahren sowie Hybrid-Verfahren, welche Elemente von Fil ter- und Korrelationsverfahren kombinieren, um die Rißlänge als Funktion der Zeit zu ermitteln.

Erfindungsgemäß wird somit unter Verwendung eines optischen Verfahrens automatisch eine Rißlänge/Zeit-Kurve ermittelt, auf deren Grundlage bruchmechanische Parameter, beispielsweise der kritische Spannungsintensitätsfaktor oder die kritische Deh nungsenergiefreisetzungsrate unter Verwendung herkömmlicher Berechnungsverfahren bestimmt werden können. Insbesondere wer den erfindungsgemäß in der Regel Rißlänge/Kraft/Zeit- Wertetripel bzw. Rißlänge/Verformung/Zeit-Wertetripel ermit telt, auf deren Grundlage der bruchmechanische Parameter be stimmt wird. Optional können zusätzlich weitere physikalische Größen, beispielsweise die Temperatur oder die Feuchtigkeit des Prüfkörpers und/oder der Umgebung erfaßt und zur Auswer tung herangezogen werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren entfällt der manuelle Aufwand zur Erfassung der Länge des Anrisses bzw. des Rißfort schritts. Eine bruchmechanische Materialcharakterisierung ist somit wesentlich schneller und bequemer durchzuführen. Durch die automatische bruchmechanische Auswertung sind zur Durch führung und Auswertung der Versuche auch keine Spezialkennt nisse mehr erforderlich, so daß die Versuche durch wenig ge schultes Personal durchgeführt werden können.

Erfindungsgemäß wird vorteilhafterweise sowohl die Phase der Rißinitiierung als auch die Phase der Rißausbreitung erfaßt, wodurch sich weitere Vorteile ergeben. Es werden ohne zusätz lichen bzw. mit verringertem Prüf- und Auswertungsaufwand ge genüber der bisherigen Praxis wesentlich mehr Informationen zum Materialverhalten gewonnen, da nicht nur ein einziger sta tischer Wert für die Rißinitiierung gewonnen wird, sondern über die Analyse sowohl der Phase der Rißinitiierung als auch der Phase der Rißausbreitung auch Informationen über die Dyna mik des Bruchverhaltens eines Materials erhalten werden.

Erfindungsgemäß werden vorzugsweise durch eine Verrechnung der Zugkraft-Zeit-Kurve mit der Rißlängen-Zeit-Kurve durch bekann te Verrechnungsverfahren der kritische Spannungsintensitäts faktor, K_Ic, und/oder die kritische Dehnungsenergiefreiset zungsrate, G_Ic, als Funktion des Rißfortschritts berechnet. Bei bestimmten Materialien, z. B. gehärteten Reaktivharzen können damit vorteilhafterweise zuverlässiger und reproduzierbarer bruchmechanische Materialparameter bestimmt werden. Bei diesen Materialien ist der K_Ic-Wert, welcher für die Rißinitiierung gemessen wird, oft zu hoch, da der Anriß nicht hinreichend eben und senkrecht zur Kraftrichtung geformt werden kann, so daß das herkömmliche Verfahren zu hohe Werte liefert, durch Analyse der Phase der Rißausbreitung, also durch die erfin dungsgemäße Erfassung der gesamten R-Kurve, wird dagegen die intrinsische Materialeigenschaft erfaßt.

Die Bruchzähigkeit, also K_Ic oder G_Ic, ist eine lokale Eigen schaft eines Materials, so daß dieselben also im dem Sinne keine Streuung haben. Daher hat die vorliegenden Erfindung so gar bei inhomogenen Materialien einen enormen weiteren Vor teil. Wenn man die Ortsauflösung in die Größenordnung der In homogenitäten treibt, was in vielen Fällen leicht möglich ist, dann kann man diese durch die Erfassung der R-Kurve, also der ortsbezogenen Erfassung der Bruchzähigkeit des Materials sogar erfassen, nämlich dann, wenn diese Inhomogenitäten sich auch in lokal unterschiedlichen Bruchzähigkeiten äußern.

Da es sich bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung um ein optischen Verfahren handelt, können Rißinitiierung und Rißausbreitung berührungsfrei und ohne die Notwendigkeit einer vorherigen Kalibrierung oder Probenpräparation erfaßt werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegen über elektrischen Verfahren zur Rißverfolgung liegt darin, daß im Gegensatz zu elektrischen Verfahren nicht nur die Projekti on der Rißausbreitung auf die Richtung senkrecht zur Kraf trichtung (bzw. Richtung der Erfassung z. B. der Widerstandsän derung) erfaßt wird, sondern der genaue x-y-Weg der Rißaus breitung verfolgt werden kann. Dadurch wird es möglich, eine zweidimensionale bruchmechanische Analyse des Rißausbreitungs verhaltens durchzuführen, wodurch sich Genauigkeit und Aussa gegenalt gegenüber herkömmlichen Verfahren wesentlich erhöhen.

Ebenso ist es möglich, lokale Schwankungen der Bruchzähigkeit des Materials im Rahmen der Ortsauflösung der Methode, welche durch die Verwendung von Fernfeldmikroskopen und hochauflösen den CCD-Kameras bis in den Mikrometerbereich hinein gesteigert werden kann, zu erfassen. Dies ist besonders bei Materialinho mogenitäten von Bedeutung, wo mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren die bruchmechanischen Materialeigenschaften mikroskopi scher Phasen unter Verwendung eines makroskopischen Verfahrens und einer Probe mit makroskopischen Dimensionen ermittelt wer den können.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden hierin nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a) und 1b) schematische Darstellungen zur Veranschauli chung eines gemäß der vorliegenden Erfindung durchge führten digitalen Bildauswerteverfahrens;

Fig. 2a) bis 2d) schematische Graphen zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 3 einen weiteren Graphen, anhand dessen ein erfindungs gemäßer Vorteil erläutert wird.

Nachfolgend wird bezugnehmend auf die Figuren die vorliegende Erfindung anhand eines bruchmechanischen Tests unter Verwen dung eines sogenannten Kompaktzugkörpers beschrieben, wobei die Probengeometrie und Belastungsvorrichtung für derartige Versuche bekannt sind.

Ebenso kann das Verfahren auch auf andere Standardgeometrien, beispielsweise bei dem sogenannten "Single Edge Notch Three Point Bending", angewendet werden. Die vorliegende Erfindung kann generell auf alle bruchmechanischen Verfahren und Unter suchungen angewandt werden, bei denen die Erfassung der Riß länge und/oder der zeitlichen Änderung dieser erforderlich ist. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere hinsichtlich der drei folgenden Aspekte in keiner Weise eingeschränkt. Der erste Aspekt betrifft verschiedene Probengeometrien, die sich in den jeweiligen Geometriefaktoren in der Formel zur Berech nung von KID oder auch in entsprechenden Formeln zur Berechnung von G_Ic niederschlagen. Der zweite Aspekt ist die Art der Bela stung. Hier können konstante Kraft, kontinuierlich (monoton) gesteigerte Kraft bzw. Deformation, zyklische Kraft (mit stei gender Amplitude), Temperatur induzierte Spannungen sowie Riß fortschritt durch korrosive Einwirkungen, also physiko chemische Prozesse, und alle erdenklichen Methoden zur Erzeu gung einer geeigneten Belastung angewendet werden. Die Erfin dung kann bei allen diesen verschiedenen Belastungen prinzipi ell angewandt werden, so lange der Rißfortschritt mit einer Kamera beobachtet werden kann. Der dritte Aspekt ist die Art der bruchmechanischen Theorie, die der Versuchsdurchführung und Auswertung zugrunde liegt. In dem erläuterten Beispiel ist die Theorie der linear elastischen Bruchmechanik die Grundla ge. Ebenso ist die Anwendung der Erfindung aber auch auf bruchmechanische Verfahren und Versuchsauswertungen denkbar, welche auf Theorien der Fließbruchmechanik oder der elastisch- plastischen Bruchmechanik beruhen.

Bei dem in diesem Beispiel gezeigten Test in Anlehnung an be kannte Normen (z. B. A. S. T. M. E399 oder D5054), einem bruchme chanischen Test unter Verwendung eines Kompaktzugkörpers, wird über entsprechende Klemmen eine Kraft auf einen Prüfkörper ausgeübt, indem die Klemmen mit einer konstanten Geschwindig keit, beispielsweise 1 mm/min. auseinandergezogen werden. Die dadurch auf den Prüfkörper ausgeübte Kraft wird mittels einer beliebigen Krafterfassungseinrichtung, beispielsweise der Kraftmeßdose einer Zug/Druck-Prüfmaschine erfaßt, wobei in diesem Beispiel das Analogsignal von dieser Kraftmeßdose abge griffen wird (eine Gleichspannung z. B. zwischen -5 und +5 V, welche proportional der Kraft ist) und über eine Ana log/Digitalwandler-Karte digital als Funktion der Zeit im PC gespeichert wird.

Über einen Framegrabber werden in diesem Beispiel vom gleichen PC die Bilder von der Video-Kamera eingelesen und digital im RAM gespeichert. Somit sind die Zeitpunkte der Kraftmessung und der Bildaufzeichnung genau miteinander synchronisiert, wo bei bei einer geringen Framerate (wie z. B. 10 Hz) auch noch eine geeignete Mittelung der Kraft über den Zeitraum der Bild aufnahme vorgenommen werden kann, womit das Rauschen verrin gert werden kann. Bei hohen Frame-Raten wie z. B. bei Verwen dung von High-Speed-Kameras kann diese Mittelung unter Umstän den wegfallen.

Die Triggerung des Beginns der Bildaufzeichnung kann bei spielsweise durch die Festsetzung eines Kraft-Schwellwertes erfolgen, welcher unterhalb der kritischen Kraft liegt, die materialspezifisch für die Rißinitierung benötigt wird. Alter nativ kann der Start der Bild- und Kraftaufzeichnung auch ma nuell erfolgen, z. B. dann, wenn die Prüfmaschine, d. h. die Be lastung des Kompakt-Zugkörpers mit konstanter Abzugsgeschwin digkeit der Prüfmaschine (also mit konstanter Verformungsge schwindigkeit), gestartet wird. Die Synchronisierung des Prüf maschinenstarts und des Starts der Kraft- und Bildaufzeichnung durch den PC ist hierbei nicht erforderlich, da ja Kraft (so wie eventuell, wenn diese ebenfalls in den PC eingelesen wird (was in dem gezeigten Beispiel nicht gegeben war) auch Verfor mung) und Bildaufzeichnung durch die Erfassung auf der glei chen Zeitbasis in einem PC intern bereits synchronisiert sind.

Diese Rißausbreitung, welche materialabhängig bei Erreichen einer bestimmten Verformung bzw. Kraft einsetzt, wird somit durch Aufzeichnung und Abspeicherung digitaler Bilder der Pro benoberfläche (in einem geeigneten Bildausschnitt) erfaßt, wo bei mit jedem Bild auch der Zeitpunkt der Bildaufzeichnung ab gespeichert wird. Im Anschluß an den Versuch werden die abge speicherten Bilder sequentiell einem digitalen Bildanalyseverfahren unterzogen, um aus jedem Bild die Position der Rißspit ze zu bestimmen. Somit wird (da jedem Bild ein definierter Zeitpunkt der Aufzeichnung (bzw. korrekter gesagt eine Zeit spanne) zugeordnet werden kann) die Rißlänge als Funktion der Zeit erhalten.

Zur Bestimmung der genauen Rißspitzenposition können verschie dene digitale Bildanalyseverfahren verwendet werden. In diesem Beispiel ist erreicht worden, daß der Anriß durch eine Be leuchtung schräg zur Probenoberfläche Licht reflektiert, so daß ein Helligkeitsgradient von oberhalb zu unterhalb des Ris ses entsteht. Auf das somit erzeugte Rohbild (Fig. 1a)) wird dann ein Kantenfilter angewendet, das den Helligkeitsgradien ten von Übergängen in einer Richtung hervorhebt. Derartige Kantenfilter sind auf dem Gebiet der digitalen Bildverarbei tung bekannt. Bei dem gezeigten Beispiel wurde ein vertikales Kantenfilter verwendet, das den Helligkeitsgradienten vom Übergang von oberhalb 2 nach unterhalb 4 des Risses 6 hervor hebt. Anschließend werden durch eine Binarisierung mit einem geeigneten Schwellwert andere Strukturen, die von dem Kanten filter ebenfalls verstärkt werden, deren Intensität aber in diesem Beispiel wesentlich geringer ist als die des Risses, unterdrückt. Somit ergibt sich ein Bild des Risses, wie in Fig. 1b) dargestellt. Im gezeigten Beispiel ist dies bereits ausreichend, um andere Strukturen verschwinden zu lassen und nur den Riß aus Fig. 1a) herauszufiltern. Durch geeignete Seg mentierungsroutinen wird dann das längste Bogensegment gesucht und als Riß ausgewertet. Die x-Koordinate des (im Fig. 1b)) rechten Endes dieses Bogensegmentes wird als Rißspitze er kannt, und die x-Position pixelgenau bestimmt. Durch eine vor her oder anschließend durchzuführende Skalierung, welche ent weder (bei starrer Probeneinspannung) ein Standard-Maß verwen det, oder aber Markierungen auf der Probe, welche beispiels weise durch eine Präzisions-CNC-Fräsmaschine eingebracht sein können, werden diese Pixelkoordinaten dann in Koordinaten mit Längeneinheiten umgerechnet, wobei dieses Koordinatensystem durch die Skalierung in einem festen und bekannten Bezug zur Probengeometrie steht, also nicht nur x₁-x₀ skaliert werden, sondern auch x_o in Bezug auf eine geeignete Stelle der Probe (wie z. B. die rechte Kante) festgesetzt wird.

Alternativ kann das Grauwertkorrelationsverfahren eingesetzt werden, um die Position der Rißspitze zu ermitteln. Bei der Grauwertkorrelation wird die Verschiebung von Oberflächen strukturen, die einen Kontrast (d. h. verschiedene Grauwerte) liefern, zwischen aufeinanderfolgenden Bildern analysiert, und daraus ein zweidimensionales Feld von Verschiebungsvektoren als Funktion der Zeit berechnet. Durch Auswertung des Ver schiebungsfeldes wird die Rißspitzenposition bestimmt. Dar überhinaus kann aus dem zweidimensionalen Feld von Verschie bungsvektoren auch das zweidimensionale Deformationsfeld in der Rißspitzenumgebung bruchmechanisch ausgewertet werden.

Im Anschluß an diese sequentielle Bildanalyse wird aus der daraus berechneten Rißlänge-Zeit-Kurve und der (wie oben be schrieben) ebenfalls aufgezeichneten Kraft-Zeit-Kurve gemäß der linear elastischen Bruchmechanik der kritische Spannungs- Intensitäts-Faktor K_Ic gemäß K_Ic = P_c/(b . sqrt(w)) . f(a/w) berech net, wobei P_c die Kraft ist, a die Rißlänge ist, b die Dicke des Prüfkörpers ist und w bzw. f(a/w) eine probengeometrieab hängige Größe bzw. Funktion sind, wobei diese für einige Stan dardgeometrien definiert bzw. bekannt sind, und als Funktion der Rißlänge aufgetragen werden, Kurve 14 in Fig. 2c).

Weiterhin kann entweder zusätzlich die Verformung aufgezeich net werden, oder aber, wie in diesem Beispiel, bei konstanter und bekannter Verformungsgeschwindigkeit aus der Zeit die Ver formung berechnet werden. In dieser Kraft-Verformungs-Kurve 10 wird, wie in Fig. 2a) schematisch dargestellt, gemäß der Area- Methode von Gurney und Hunt, die Fläche eines Dreieckssegmentes DU bestimmt, und durch den dieser Dreiecksfläche zuorden baren Rißfortschritt Δa geteilt, wobei der Rißfortschritt als Kurve 12 in Fig. 2b) gezeigt ist. Der Nullpunkt für die Be stimmung der Dreiecksfläche wird dabei durch Extrapolation ei ner Gerade ermittelt, welche durch Anpassung an den linearen Teil der Kraft-Verformungs-Kurve (der Teil der Kurve, welcher der Rißinitiierung vorausgeht) festgelegt wird. Die sich erge bende kritische Dehnungsenergiefreisetzungsrate G_Ic ist in Fig. 2d) gezeigt.

Die oben beschriebene bruchmechanische Auswertung basiert auf Theorien der linear elastischen Bruchmechanik. Ebenso sind je doch zur Bestimmung von bruchmechanischen Parametern beim Durchführen der vorliegenden Erfindung auch andere Auswertun gen möglich, beispielsweise nach Methoden der nicht-linearen, elastischplastischen Bruchmechanik. Genauso läßt sich das Verfahren auch andere Standard-Prüfkörper-Geometrien anwenden. Durch Anwendung der Area-Methode zur Bestimmung von G_Ic läßt sich das Verfahren weiterhin auch auf Prüfkörper undefinierter Geometrie und/oder Zusammensetzung anwenden.

Aus der obigen Beschreibung werden exemplarisch einige wesent liche Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung deutlich. Der manuelle Aufwand, der bei derartigen bruchmechanischen Ma terialprüfungen zur Bestimmung von K_Ic bisher erforderlich war, entfällt völlig. Das Verfahren zur Bestimmung des Werts für die Rißinitiierung wird gleichzeitig genauer, denn Zweideutig keiten bei der manuellen Bestimmung der Länge des Anrisses und der Zuordnung des Kraftwerts zum Ereignis der Rißinitiierung entfallen durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Da auch die bruchmechanische Auswertung automatisch erfolgt, sind Fehlermöglichkeiten weitgehend ausgeschlossen, wobei keinerlei bruchmechanische Kenntnisse und Erfahrungen zur Versuchsdurch führung erforderlich sind, so daß auch Personal ohne Spezial kenntnisse auf diesem Gebiet eingesetzt werden kann. Darüberhinaus werden bei vereinfachter Versuchsdurchführung wesent lich mehr Aussagen zum Materialverhalten gewonnen, da sowohl die Phase der Rißinitiierung als auch die Phase der Rißaus breitung erfaßt werden und somit auch Informationen zur Dyna mik des Bruchverhaltens des Materials erhalten werden. Zusam menfassend kann festgestellt werden, daß durch das Verfahren gemäß der Erfindung bruchmechanische Versuche schneller, be quemer und fehlerfreier als bisher durchführbar sind, wobei die Aussagekraft qualitativ wesentlich erweitert wird.

Bei der bruchmechanischen Prüfung von Kunststoffen ist es ge bräuchliche Praxis, einen natürlichen Anriß durch Einschlagen einer scharfen Klinge zu schaffen, wobei nicht in jedem Fall gewährleistet ist, daß sich ein Anriß eben und senkrecht zur Kraftrichtung bildet. Jede Abweichung von dieser Ebene erhöht jedoch den Wert für die Bruchzähigkeit bei der Rißinitiierung, da dadurch ein sogenannter "Mixed-Mode"-Spannungszustand zwi schen Modi I und II entsteht, wobei die Bruchzähigkeit im Mode II wesentlich höher ist als im Mode I. Somit werden bei nicht- idealen Anrissen viel zu hohe Werte gemessen, die nicht dem intrinsischen Materialparameter entsprechen. Es gab jedoch bisher keine zuverlässigen Kriterien, nach welchen sich ideale Anrisse und damit korrekt bestimmte Werte für die Bruchzähig keit von nicht-idealen Anrissen unterscheiden lassen.

Der Effekt einer solchen Überhöhung in K_Ic ist in Fig. 3 zu se hen, wo die R-Kurve für eine spröde Reaktivharz-Bruchprobe ge zeigt ist. Der bei dieser Probe nicht ideal ebene Abriß führt dazu, daß bei der Rißinitiierung 20 der Wert für K_Ic höher ist als in der Phase der Rißausbreitung 22, wo sich der Wert von K_Ic dem intrinsischen Materialwert nähert, der bei dem darge stellten Beispiel bei einem Wert von etwa 0,7 MN m^-3/2 liegt. Am rechten Rand des Graphen von Fig. 3 zeigt sich eine Streuung des ermittelte K_Ic-Wertes aufgrund divergierender Fehlerein flüsse.

Wird eine Probe mit einem solchen nicht-idealen Abriß mit ei ner herkömmlichen, heute weitgehend verwendeten Methodik ana lysiert, bei der nur die Rißinitiierung und diese noch dazu ungenau erfaßt wird, so wird ein wesentlich zu hoher Wert für K_Ic bestimmt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ohne großen Aufwand ohne weiteres möglich, zuverlässig "nicht- ideale" Anrisse von idealen zu unterscheiden, da solche Fälle durch einen höheren Wert von K_Ic und G_Ic für die Rißinitiierung verglichen mit dem Wert für die Phase der Rißausbreitung ein fach erkannt werden können. Darüberhinaus ist es bei dem er findungsgemäßen Verfahren ferner möglich, durch die Analyse der Phase der Rißausbreitung auch für solche Fälle noch einen gültigen Materialkennwert zu bestimmen, so daß die Zahl zu un tersuchender Proben erheblich reduziert sein kann, und dennoch die gleiche bzw. eine höhere Genauigkeit erhalten werden kann.

Neben den beschriebenen Vorteilen, die bei der Anwendung des Verfahrens der Erfindung auf bruchmechanische Versuche, bei denen bisher keine Rißverfolgung eingesetzt wird, bietet, ist das Verfahren auch für bruchmechanische Verfahren geeignet, bei denen bereits heute andere Verfahren der Rißverfolgung eingesetzt werden, beispielsweise die Erfassung eines langsa men Rißwachstums bei einer unterkritischen dynamischen oder statischen Belastung. In solchen Fällen wird durch die vorlie gende Erfindung eine erhebliche Vereinfachung der Versuchsge staltung erreicht, da keine zusätzliche Probenpräparation und Kalibrierung mehr erforderlich sind. Besonders durch den Vor teil der Kalibrierfreiheit können auch Fehlerquellen ausge schlossen werden, wenn herkömmliche Verfahren durch das erfin dungsgemäße Verfahren ersetzt werden. Im Falle einer zykli schen Belastung bei gleichzeitiger Erfassung der Kraftamplitu de können unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sogenannte Paris-Kurven erhalten werden.

Im Vergleich zu diskontinuierlichen elektrischen Verfahren wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine höhere Ortsauflö sung erreicht, so daß bei der Untersuchung eines langsamen un terkritischen Rißwachstums eine höhere Genauigkeit bei einer gleichzeitigen erheblichen Vereinfachung der Versuchsgestal tung, da keine Probenpräparation benötigt wird, erreicht wird.

Neben den genannten bruchmechanischen Parametern können unter Verwendung der vorliegenden Erfindung auch andere Größen er mittelt werden, die Aussagen über das Bruchverhalten eines Ma terials zulassen, beispielsweise bei Verwendung alternativer bruchmechanischer Konzepte das verallgemeinerte J-Integral.

Durch die Verwendung der Area-Methode von Gurney und Hunt zur Bestimmung der Bruchzähigkeit, d. h. der kritischen Dehnungse nergiefreisetzungsrate G_Ic können unter Verwendung der vorlie genden Erfindung auf einfache Weise auch Proben mit unregelmä ßiger Geometrie und/oder inhomogener Beschaffenheit, bei spielsweise Materialverbunde oder Verklebungen, für die keine analytischen Beziehungen zwischen äußerer Kraft, Rißlänge und bruchmechanischen Parametern existieren, bruchmechanisch cha rakterisiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters eines Prüfkörpers, mit folgenden Schritten:

a) Durchführen eines bruchmechanischen Tests zur Initiie rung von Rißausbreitung ausgehend von einem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper;
b) Aufnehmen einer zeitlichen Sequenz von Bildern des Prüfkörpers während des bruchmechanischen Tests, so daß die Bilder jeweils den Riß enthalten, und Speichern di gitaler Darstellungen der Bilder;
c) Durchführen eines digitalen Bildauswerteverfahrens zum Bestimmen der Position der Rißspitze des Risses in den jeweiligen Bildern zum Ermitteln der Rißlänge als eine Funktion der Zeit; und
d) Bestimmen des zumindest einen bruchmechanischen Parame ters auf der Grundlage der als eine Funktion der Zeit ermittelten Rißlänge und einer weiteren auf der glei chen Zeitbasis aufgezeichneten physikalischen Größe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die weitere physikali sche Größe synchron zur Aufnahme der Mehrzahl von Bildern erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die weitere phy sikalische Größe die auf den Prüfkörper ausgeübte Kraft und/oder eine Verformung des Prüfkörpers und/oder die Tem peratur des Prüfkörpers und/oder der Umgebung ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem im Schritt b) die Bilder mittels einer schrägen Beleuchtung des Prüfkörpers aufgenommen werden, um jeweils Hellig keitsgradientenbilder zu erzeugen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt c) folgende Teilschritte aufweist:
Anwenden eines digitalen Kantenfilters auf die Hellig keitsgradientenbilder, um den Riß in denselben hervorzuhe ben;
Binarisieren der gefilterten Helligkeitsgradientenbilder unter Verwendung eines Schwellenwerts zur Beseitigung von Störstrukturen und
Bestimmen der Position der Rißspitze aus den binarisier ten, gefilterten Helligkeitsgradientenbildern.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem im Schritt c) eine Segmentierungsroutine durchgeführt wird, um ein längstes Bogensegment in den jeweiligen Bildern als Riß zu beurteilen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem im Schritt c) eine Grauwertkorrelation zwischen aufeinander folgenden Bildern durchgeführt wird, um Verschiebungsvek toren als eine Funktion der Zeit zu ermitteln, die eine Verschiebung von Oberflächenstrukturen zwischen aufeinan derfolgenden Bildern anzeigen, wobei die Position der Riß spitze in den jeweiligen Bildern auf der Grundlage der Verschiebungsvektoren ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der zumindest eine bruchmechanische Parameter, der bestimmt wird, der kritische Spannungsintensitätsfaktor (K_Ic) und/oder die kritische Dehnungsenergiefreisetzungsrate (G_Ic) ist.

9. Vorrichtung zur Bestimmung zumindest eines bruchmechani schen Materialparameters eines Prüfkörpers, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung zum Durchführen eines bruchmechanischen Tests zur Initiierung von Rißausbreitung ausgehend von ei nem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper;
einer Einrichtung zum Aufnehmen einer zeitlichen Sequenz von Bildern des Prüfkörpers während des bruchmechanischen Tests, so daß die Bilder jeweils den Riß enthalten, und zum Speichern digitaler Darstellungen der Bilder;
einer Einrichtung zum Durchführen eines digitalen Bildaus werteverfahrens zum Bestimmen der Position der Rißspitze des Risses in den jeweiligen Bildern, zum Ermitteln der Rißlänge als eine Funktion der Zeit; und
einer Einrichtung zum Bestimmen des zumindest einen bruchmechanischen Parameters auf der Grundlage der als ei ne Funktion der Zeit ermittelten Rißlänge und einer weite ren auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichneten physikali schen Größe.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei dem die weitere physika lische Größe die auf den Prüfkörper ausgeübte Kraft und/oder eine Verformung des Prüfkörpers und/oder die Tem peratur des Prüfkörpers und/oder der Umgebung ist.