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Die
Erfindung betrifft eine Wirbelstromprüfeinrichtung mit
einem Wirbelstrom-Prüfgerät, einer Erregerspule
und einer außerhalb der Erregerspule angeordneten Messspule,
wobei mittels der Erregerspule einem zu prüfenden Bauteil
in einer Prüfzone ein wechselndes Magnetfeld aufprägbar
ist und mittels der Messspule die Rückwirkung der induzierten Wirbelströme
auf das wechselnde Magnetfeld erfassbar ist.
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Zur
zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen wie Armaturen
für flüssige oder gasförmige Medien sind
verschiedene zerstörungsfreie Prüfverfahren bekannt,
wobei insbesondere die visuelle Prüfung und die Eindringprüfung
angewendet werden. Diese so genannten Oberflächenverfahren
sind für eine Detektion und Bewertung von nicht oder nicht
vollständig oberflächenoffenen Fehlstellen systembedingt ungeeignet.
Die ebenfalls angewendeten Ultraschall- und Röntgentechniken
weisen bei der oberflächennahen Prüfung an dickwandigen
Objekten oftmals zu geringe Prüfempfindlichkeiten auf.
Bekannte Wirbelstromprüfverfahren sind nicht geeignet,
sowohl oberflächenoffene als auch verdeckte Fehlstellen
wie Risse zu detektieren, diese zu unterscheiden und zu quantifizieren.
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In
der
DE 42 41 437 A1 ist
ein Wirbelstromprüfverfahren zur Erkennung und Tiefenerfassung von
Rissen in Rollkörpern aus ferromagnetischem Material, insbesondere
Schienenfahrzeug rädern beschrieben, bei dem eine Prüfzone
der Lauffläche eines Schienenfahrzeugrades (Prüflings)
wenigstens annähernd magnetisch gesättigt wird,
dem Prüfling in der Prüfzone mit einer Erregerspule
ein magnetisches Wechselfeld aufgeprägt wird und die Rückwirkung
der induzierten Wirbelströme auf das Wechselfeld mit einer
außerhalb der Erregerspule im Abstand von der Oberfläche
des Prüflings befindlichen Messspule erfasst wird. Durch
die Messung bei unterschiedlichen Frequenzen sollen dabei Rückschlüsse auf
die Größenordnung eines verdeckten Risses unterhalb
der Oberfläche des Prüflings gezogen werden können.
Die Prüfspulenanordnung und der Prüfling werden
bei der Messung in eine Relativbewegung versetzt und zugleich mit
dem Signal der Messspule die relative Winkelstellung von Prüfspulenanordnung
und Prüfling detektiert, was eine Risslokalisierung am
Umfang des Prüflings gestattet. Mit dem aus der
DE 42 41 437 A1 bekannten
Wirbelstromprüfverfahren ist es jedoch nicht möglich,
oberflächenoffene und verdeckte Risse zu unterscheiden und
zu quantifizieren.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen aus
elektrisch leitfähigem Material, insbesondere Armaturen
aus austenitischem Werkstoff, auf offene und verdeckte bzw. teilverdeckte
Fehlstellen, insbesondere Risse zu schaffen, mit der zur Oberfläche
hin offene Fehlstellen, die keine kritische Tiefenerstreckung aufweisen,
von verdeckten bzw. teilverdeckten Fehlstellen, die eine kritische bzw.
unzulässige Tiefenerstreckung aufweisen, zuverlässig
unterschieden werden können, wobei die Prüfobjekte
sowohl in montierter Einbaulage als auch demontiert geprüft
werden können.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Wirbelstromprüfeinrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die
erfindungsgemäße Wirbelstromprüfeinrichtung
der eingangs genannten Art beinhaltet einen oder mehrere Vergleichskörper
zur Justierung des aus Wirbelstrom-Prüfgerät,
Erregerspule und Messspule gebildeten Prüfsystems und als
Bewertungsmaßstab für beim Prüfen des
Bauteils durch das Prüfgerät erhaltene Signalanzeigen.
Der oder die Vergleichskörper entsprechen dabei hinsichtlich
der Werkstoffeigenschaften dem zu prüfenden Bauteil und
sind an einer Oberfläche mit einer oder mehreren oberflächenoffenen
ersten Vertiefungen sowie mit einer oder mehreren den ersten Vertiefungen
entsprechenden zweiten Vertiefungen versehen, wobei jedoch die zweite/n
Vertiefung/en zusätzlich in ihrem Grund mit einer von der
Gegenseite der Oberfläche her eingebrachten Rissnachbildung
versehen ist/sind, so dass die Rissnachbildung bezüglich
der Oberfläche des Vergleichskörpers verdeckt
ist.
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Mit
der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung lassen
sich zur Oberfläche hin offene Fehlstellen, insbesondere
Korrosionsmulden und/oder Korrosionsnarben, und verdeckte sowie
teilverdeckte Fehlstellen, insbesondere verdeckte Risse zuverlässig
erfassen und unterscheiden. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße
Wirbelstromprüfverfahren bzw. die erfindungsgemäße
Prüfeinrichtung den Nachweis, dass zur Oberfläche
hin offene Korrosionsmulden und/oder Korrosionsnarben eine bestimmte
maximale Tiefenerstreckung nicht überschreiten.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten Vertiefungen
sowie die zweiten Vertiefungen des verwendeten Vergleichskörpers
unterschiedlich tief ausgebildet, während die von der Gegenseite
der Oberfläche in den Vergleichskörper eingebrachten,
sich bis zum jeweiligen Grund einer der zweiten Vertiefungen erstreckenden Rissnachbildungen
eine im Wesentlichen konstante Nuttiefe aufweisen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
dass die jeweilige Prüfzone mit mindestens einem Permanent-Magnet
mit hoher Magnetfeldstärke, vorzugsweise einem Neodym-Magnet,
magnetisiert wird. Hierdurch lassen sich Störsignale bei
der Messung unterdrücken.
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Hinsichtlich
der Prüfempfindlichkeit ist es ferner günstig,
wenn die Erregerspule und/oder die Messspule der erfindungsgemäßen
Prüfeinrichtung jeweils einen Ferritkern aufweisen.
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Weitere
bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Wirbelstromprüfeinrichtung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
in schematischer Darstellung:
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1 eine
erfindungsgemäße Wirbelstromprüfeinrichtung
mit einem Wirbelstrom-Prüfgerät, einem Wirbelstromsensor
und einem Vergleichskörper;
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2 einen
Wirbelstromsensor auf einem Vergleichskörper mit einem
Vergleichsfehler, der eine Korrosionsnarbe mit einer angrenzenden,
(teil-)verdeckten rissartigen Fehlstelle simuliert;
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3 einen
Wirbelstromsensor auf bzw. an einem zu prüfenden Bauteil,
welches eine Korrosionsmulde mit einer unterhalb der Mulde gewachsenen
rissartigen Fehlstelle aufweist;
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4 eine
Draufsicht auf einen Vergleichskörper mit mehreren gleichlangen,
jedoch unterschiedlich tiefen Nuten;
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5 eine
Draufsicht auf einen weiteren Vergleichskörper mit einer
Reihe unterschiedlich großer Mulden und einer zweiten Reihe
entsprechender Mulden, die jedoch zusätzlich im Muldengrund
mit von der Gegenseite eingebrachten Risssimulationen versehen sind;
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6 eine
Schnittdarstellung des Vergleichskörpers der 5 entlang
der Schnittlinie A-A.
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Die
in der Zeichnung schematisch dargestellte Wirbelstromprüfeinrichtung 1 dient
der Erkennung und Bewertung von oberflächenoffenen sowie verdeckten
Rissen in Bauteilen aus elektrisch leitfähigem Material.
Sie ist insbesondere bestimmt für die zerstörungsfreie
Materialprüfung von Armaturen, Behältern und anderen
Bauteilen aus austenitischen Werkstoffen auf offene und (teil-)verdeckte
Fehlstellen, insbesondere von Rissen, die aufgrund von Korrosion
oder anderen Belastungen des Prüfobjektes entstanden sein
können. Derartige Prüfobjekte befinden sich beispielsweise
in Kraftwerken, insbesondere Kernkraftwerken, und anderen Prozessanlagen.
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Die
erfindungsgemäße Wirbelstromprüfeinrichtung
(Wirbelstromprüfsystem) 1 umfasst ein Wirbelstrom-Prüfgerät 2,
einen oder mehrere an dem Prüfgerät 2 angeschlossene
Wirbelstrom-Prüfsensoren 3 und einen oder mehrere
Vergleichskörper 4, 5, 6.
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Bei
dem Wirbelstrom-Prüfgerät 2 handelt es sich
beispielsweise um ein Mehrfrequenz-Mehrkanal-Wirbelstrom-Prüfgerät
mit eigener Zentralprozessoreinheit (CPU), einem Speicher zur Signalspeicherung
sowie einer Schnittstelle für eine Netzwerkanbindung. Das
Prüfgerät 2 weist ferner eine Anzeige 7 bzw.
einen Farbbildschirm sowie Schnittstellen zum Anschluss eines Druckers
und eines externen Bildschirms auf. Die Spannungsversorgung des
Prüfgerätes 2 erfolgt über einen
auswechselbaren Akkumulator.
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Die
Einstellparameter der jeweiligen Wirbelstromprüfung werden
in dem Prüfgerät 2 oder in einem externen
Computer gespeichert und zusammen mit einer Prüfungsdokumentation
archiviert.
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Das
gemessene Wirbelstromsignal wird auf der Anzeige 7 des
Prüfgerätes 2 in einer XY-Impedanzebenendarstellung
visualisiert und bei Bedarf gespeichert. Dazu werden die Messdaten
per Netzwerkanbindung auf einen externen Computer übertragen
und auf einem geeigneten Datenträger, z. B. einer CD oder
DVD gespeichert.
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An
dem Wirbelstrom-Prüfgerät 2 sind eine Erregerspule
(Senderspule) 3.1 und eine Messspule (Empfängerspule) 3.2 angeschlossen,
die vorzugsweise in einem gemeinsamen Sensorgehäuse (Wirbelstrom-Prüfsensor) 3 integriert
sind. Der im Reflexionsverfahren betriebene Wirbelstrom-Prüfsensor 3 ist
hinsichtlich der Form seiner Anlage- bzw. Sensorfläche
sowie hinsichtlich seiner Sender-Empfängerspulen 3.1, 3.2 an
die jeweilige Prüfaufgabe angepasst.
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Das
erfindungsgemäße Prüfsystem wird anhand
von Vergleichskörpern 4, 5, 6 eingestellt
(kalibriert), die hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften einem
zu prüfenden Bauteil 8 entsprechen und künstliche
und/oder natürliche Vergleichsfehlstellen in Form von oberflächenoffenen
Vertiefungen 9, 10 sowie oberflächenoffenen
Vertiefungen 10' mit davon ausgehenden verdeckten Rissnachbildungen 11 aufweisen.
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Bei
der Kalibrierung (Justierung) des Wirbelstrom-Prüfsystems
sowie bei der Prüfung eines zu untersuchenden Bauteils 8 werden
mittels der Erregerspule 3.1, die ein wechselndes Magnetfeld
erzeugt, in einer Prüfzone des zu prüfenden Bauteils 8 Wirbelströme
induziert. Die Rückwirkung der induzierten Wirbelströme
auf das wechselnde Magnetfeld wird dabei mittels der Messspule 3.2 erfasst.
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Die
Spulenachsen der Erregerspule 3.1 und der Messspule 3.2 verlaufen
mit seitlichem Abstand zueinander und im Wesentlichen senkrecht
zu einer dem zu untersuchenden Prüfobjekt (Bauteil) 8 zugewandten
Anlagefläche des Sensorgehäuses 3. Die Anlagefläche
des Sensorgehäuses 3 ist vorzugsweise an die Kontur
des zu prüfenden Bauteils 8 angepasst. Sie kann
somit insbesondere eben oder auch bogenförmig ausgebildet
sein. Sowohl die Erregerspule 3.1 als auch die Messspule 3.2 können
unmittelbar an der Anlagefläche des Sensorgehäuses 3 angeordnet
sein, so dass sie bei der Messung das zu prüfende Bauteil 8 berühren.
Alternativ können die Erregerspule 3.1 und die
Messspule 3.2 (bzw. das Sensorgehäuse 3)
aber auch berührungslos mit geringem Abstand zur Oberfläche
des zu prüfenden Bauteils 8 über dieses
hinwegbewegt werden.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die beiden
Spulenachsen parallel zueinander. Die Spulen 3.1, 3.2 haben
zudem im Wesentlichen den gleichen Spulendurchmesser. Die Messspule 3.2 kann
jedoch auch einen kleineren Durchmesser als die Erregerspule 3.1 aufweisen.
Des Weiteren weisen die Erregerspule 3.1 und die Messspule 3.2 jeweils
einen Ferritkern (nicht gezeigt) auf. Zur Unterdrückung
bzw. Minimierung von Störsignalen, insbesondere von δ-Ferrit-Störsignalen
bei zu prüfenden Stahlgussbauteilen, ist in dem Sensorgehäuse 3 mindestens
ein Permanent-Magnet (nicht gezeigt) mit hoher Magnetfeldstärke,
vorzugsweise ein Neodym-Magnet vorgesehen.
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Die
in den 1 und 4 dargestellten Vergleichskörper 4 weisen
jeweils von ihrer Oberfläche bzw. Oberseite her eingebrachte
Nuten 9 als künstliche Fehlstellen auf, die hinsichtlich
ihrer Nutlänge übereinstimmen, jedoch unterschiedliche
Nuttiefen aufweisen. Die Länge der zur Oberfläche
hin offenen Nuten 9 kann beispielsweise ca. 10 mm betragen.
Ihre Nuttiefe ist abgestuft und beträgt zum Beispiel 0,2
mm, 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm bzw. 4 mm.
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Der
in 2 schematisch dargestellte Vergleichskörper 5 weist
an seiner Oberseite eine muldenförmige Vertiefung 10 mit
einer von der Gegenseite her eingebrachten dünnen sehr
Nut 11 auf, wobei der Nutgrund den Muldengrund berührt.
Die muldenförmige Vertiefung 10 stellt eine oberflächenoffene
Fehlstelle dar, die einen – durch die Nut 11 simulierten – verdeckten
Riss aufweist.
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In 3 ist
ein Bauteil 8 dargestellt, das eine Korrosionsmulde 12 mit
einer von der Mulde ausgehenden, unterhalb der Bauteiloberfläche
gewachsenen rissartigen Fehlstelle 13 aufweist. Solche
Fehlstellen 13 können zum Beispiel in Armaturen
aus austenitischen Werkstoffen sowie anderen Bauteilen durch transkristalline
Spannungskorrosion entstehen.
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Das
zu prüfende Bauteil 8 wird mit einem Wirbelstrom-Prüfsensor 3 einer
erfindungsgemäßen Wirbelstrom-Prüfeinrichtung 1 berührend
oder berührungslos mit geringem Abstand vollflächig
abgetastet wird. Der Wirbelstrom-Prüfsensor 3 kann
hierzu sowohl manuell, teilmechanisiert oder mechanisiert, insbesondere
durch einen automatisierten Manipulator (nicht gezeigt) geführt
werden.
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In
den 5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel
eines weiteren erfindungsgemäßen Vergleichskörpers 6 dargestellt,
der an einer Oberfläche (Oberseite) mit mehreren oberflächenoffenen
ersten Vertiefungen 10 sowie mit mehreren den ersten Vertiefungen 10 entsprechenden
zweiten Vertiefungen 10' versehen ist. Die zweiten Vertiefungen 10' sind zusätzlich
in ihrem Grund mit einer von der Gegenseite der Oberfläche
her eingebrachten Rissnachbildung 11 ver sehen, so dass
die jeweilige Rissnachbildung 11 bezüglich der
Oberfläche des Vergleichskörpers 6 verdeckt
ist.
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Die
ersten und zweiten Vertiefungen 10, 10' sind jeweils
in Form von halbkugelförmigen Mulden ausgebildet. Insbesondere
ist gezeigt, dass die ersten Vertiefungen 10 sowie die
zweiten Vertiefungen 10' unterschiedlich tief ausgebildet
sind, während die von der Gegenseite der Oberfläche
in den Vergleichskörper 6 eingebrachten, sich
bis zum jeweiligen Grund einer der zweiten Vertiefungen 10' erstreckenden
Rissnachbildungen 11 eine im Wesentlichen konstante Nuttiefe
aufweisen.
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Die
muldenförmigen Vertiefungen 10, 10' sowie
Rissnachbildungen 11 werden mittels Funkenerosion und/oder
anderen geeigneten Verfahren in den Vergleichkörper 6 eingebracht.
Dazu wird das überschüssige Material vor dem Erodieren
der Risssimulation 11 mechanisch oder ebenfalls funkenerosiv
entfernt. Dadurch wird eine konstante Nuttiefe bei unterschiedlichen
Ligamenten erreicht. Dies ist insbesondere für die Erkennung
von verdeckten Rissen günstig, die aufgrund einer begrenzten
Tiefenerstreckung als unkritisch angesehen werden. Typische zu detektierende
Fehlstellen befinden sich in Tiefen von 0 bis 5 mm.
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Der
Durchmesser der zur Oberfläche hin offenen halbkugelförmigen
Vertiefungen 10, 10' beträgt beispielsweise
1 mm, 2 mm, 4 mm, 6 mm bzw. 8 mm. Die Dimensionierung und räumliche
Anordnung der künstlichen Korrosionsmulden 10, 10' und
Risse 11 erfolgt in Korrelation mit tatsächlichen
Befunden bzw. erwarteten Befunden.
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Der
Spulendurchmesser der Erregerspule 3.1 ist vorzugsweise
größer als der Durchmesser der jeweiligen ersten
oder zweiten Vertiefung 10, 10' des Vergleichskörpers 6.
Insbesondere bei bislang nicht oder nur eingeschränkt prüfbaren
Gusswerkstoffen ist mit Verwendung größerer Senderspulen
(Erregerspulen 3.1) eine Minimierung des Störsignalpegels möglich
und damit eine relativ empfindliche Prüfung durchführbar.
In Abhängigkeit von den verwendeten Werkstoffen kann auch
eine Prüfkombination von verschiedenen Wirbelstromsensoren 3 sinnvoll
sein. Die erfindungsgemäßen Wirbelstromsensoren 3 können
sowohl als Einzelsensoren als auch in Sensor-Arrays gefertigt und
eingesetzt werden.
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Bevor
die Rissnachbildungen 11 von der Gegenseite (Unterseite)
des Vergleichskörpers her eingebracht werden, werden an
den jeweiligen Stellen zunächst unterschiedlich tiefe Nuten 14 eingearbeitet,
wobei die Nuttiefe von der zugeordneten Mulde 10' mit dem
kleinsten Durchmesser zu der Mulde mit dem größten
Durchmesser hin abnimmt. Die Breite der Nuten 14 beträgt
beispielweise etwa 4 mm.
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Die
anschließend eingebrachten Rissnachbildungen (Risssimulationen) 11 haben
jeweils eine im Wesentlichen konstante Länge von etwa 10
mm. Die im Wesentlichen konstante Nuttiefe liegt vorzugsweise im
Bereich von ca. 2 bis 4 mm, und beträgt beispielsweise
ca. 3 mm. Zur Oberfläche (Oberseite) ergeben sich Ligamentdicken
von zum Beispiel 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm und 4 mm.
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Die
Dicke (Stärke) der plattenförmigen Vergleichskörper 4, 5, 6 beträgt
mindestens 7 mm, vorzugsweise mindestens 9 mm.
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Die
Dicke des Vergleichskörper 5, 6 ist größer
als die Standard-Eindringtiefe gemäß § 2.36
der DIN EN 1330-5.
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Beim
Prüfen eines Bauteils 8 durch das Prüfgerät 2 erhaltene
Signalanzeigen werden anhand von an dem oder den Vergleichskörpern 6 gewonnenen
Signalanzeigen bewertet. Insbesondere verdeckte Fehlstellen können
so sicher detektiert werden. Die Erfindung ermöglicht insbesondere
die Unterscheidung und Bewertung von kombinierten offenen und verdeckten
Fehlstellen 12, 13, wie sie beispielsweise typisch
für chloridinduzierte transkristalline Spannungsrisskorrosion
sind.
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Die
Ausführung der Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene
Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr sind
zahlreiche Varianten denkbar, die auch bei abweichender Gestaltung
von dem in den Ansprüchen enthaltenen Erfindungsgedanken Gebrauch
machen. So ist es beispielsweise möglich, anstelle mehrerer
Vergleichskörper 4, 6 lediglich einen
Vergleichskörper zu verwenden, der verschiedene künstliche
Fehlstellen in Form von Vertiefungen 9, 10, 10' und
Rissnachbildungen 11 gemäß den 1, 2, 4 und 5 in
sich vereinigt. Auch können alternativ oder zusätzlich
zu den halbkugelförmigen Mulden anders geformte Mulden 10, 10',
beispielsweise ovale oder elliptische Mulden in den oder die Vergleichskörper 4, 5, 6 eingearbeitet
sein. Der erfindungsgemäße Vergleichskörper 4, 5, 6 kann
ferner nicht nur eben, sondern auch Bogen- oder kalottenförmig
ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4241437
A1 [0003, 0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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