-
Verfahren zur Bestimmung der Werkatoffermüdung eines Probekörpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Werkstoffermüdung eines
Probekörpers.
-
Gesicherte Aussagen über den Ermüdungazustand eines bestimmten Bauteils
kann man heute - wenn überhaupt - nur dadurch gewinnen, daß man zuvor mit einer
Vielzahl baugleicher Teile eine die Probeteile zerstörende Prüfserie durchführt.
Aus solchen Prüfserien gewonnene Rückschliisse auf den Ermüdungszustand eines Bauteils
sind nur mit den Vorbehalten statistisch gewonnener Ergebnisse verwertbar und lassen
eine Aussage über den tatsächlichen Ermüdungszustand eines individuellen Bauteils
nicht zu. Abgesehen von diesem Nachteil ist vielfach aus Zeit- oder aus Kostengründen
die Durchführung derartiger Prüfserien nicht vertretbar und aus diesem Grunde eine
wenigstens statistische Aussage über den Ermüdungazustand eines Bauteils undurchführbar.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Untersuchungsverfahren anzugeben,
das gesicherte Aussagemöglichkeiten über den Ermüdungazustand liefert, ohne daß
dazu der Probekörper bis zu seiner Zerstörung belastet werden muß.
-
Dazu wird erfindungsgeiäß in der Weise verfahren, daß der Probekörper
im Feld eines mit einer Wechs@lspannung beaufschlagton Wechselstromwiderstandes
(Xeßwiderstand) vorzugsweise im Magnetfeld einer Spule in definierter Relativlage
zum Meßwiderstand in ursprünglichem Zustand oder in einem Zustand mit bekanntem
Ermüdungsgrad (Ursprungsmessung) zum einen und in ermüdetem bzw. stärker ermüdetem
Zustand (Ermüdungimessung> zum anderen einer bestinunten gleichen Belastung unterworfen
wird und daß die Veränderung des Widerstandswertes des Meßwiderstandes bei der Ursprungsmessung
gegenüber der Ermüdungsmessung als wenigstens mittelbares Maß für die Werkstoffermüdung
ermittelt wird.
-
Erfindungsgemäß wird also ein Vergleich einer ermüdung.
-
mäßig relevanten Eigenschaft des Probekörpers in ermüdetem aber noch
nicht zerstörtem Zustand und dem ursprünglichen bzw. bekannten Zustand durchgeführt.
Als für den Ermüdungazustand eines Probekörpers relevante Eigenschaft ist hier die
je nach Werkstoffermüdung mehr oder weniger starke Beeinflussung des Widerstandswertes
eines Wechselstromwiderstandes zu nennen. Diese Beobachtung kann vielleicht damit
erklärt werden, daß die Ermüdung eines mechanischen Wechselbeanspruchungen unterworfenen
Bauteils an der Bauteiloberfläche erste Veränderungen hervorruft, die sich derart
auswirken, daß die elektrische Leitfähigkeit der oberflächennächsten Werkstoffschicht
beeinträchtigt
wird. Der Korngrenzenverbund in den Werkstoff wird
gelöckert und/oder das Kristallgitter einzelner Naterialkristalle wird örtlich bleibend
deformiert und stellenweise zertrennt. Diese Vorgänge spielen sich insbesondere
bzw.
-
als erstes in der Bauteiloberfläche und den oberflächennahen Schichten
ab. Im Grunde genommen könnte - falls dies durchführbar wäre - eine Leitfähigkeitsmessung
der äußersten Werkstoffschicht am Bauteil ebenfalls zu einer Aussage über den Ermüdungszustand
führen. Erfindungsgemäß wird diese Aussage durch Einbringen der Probe in das Wechselfeld
eines Wechselstromwiderstandes, z.B. in das Nagnetfeld einer Spule und durch Beobachtung
der Veränderung des Wirtes des Widerstandes gegenüber einem Widerstand mit frischer
oder bekannt ermüdeter Probe im Wechselfeld gewonnen. Bei ferromagnetischen Werkstoffen
konnte eine gesicherte Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse nachgewiesen werden.
-
Diese Widerstand@änderung Kann dadurch ermittelt werden, daß der Meßwiderstand
als ein@ A@t einer Wechselstromwiderstand@-Meßbrückenschaltung geschaltet ist. Zweckmäßigerwei@@
wird bei oder vor der Ursprungsmessung die Neßbrücke abgeglichen. Da die Ursprungsmessung
und die Ermüdungs@essung seitlich häufig weit auseinander liegen, kann dieser Abgleich
zweckmäßigerweise dadurch erfolgen, daß die Meßbrückenschaltung bei der Ursprungsmessung
dadurch abgeglichen wird, daß fwiktionell symmetrisch zu dem Meßwiderstand ein mit
dem Meßwiderstand baugleicher
Wechselstromwiderstand (Vergleichswiderstand)
in die Meßbrückenschaltung geschaltet ist, in dessen Feld in gleicher Relativiage,
wie sie zwischen Meßwiderstand und Probe~körper ein mit dem Probe@körper baugleicher
Körper (Vergleichskörper) im ursprünglichen Werkstoffzustand eingebracht ist. Vergleichswiderstand
und Vergleichskörper können dann als Bezugsgröße während der Zeit zwischen Ursprungs-
und Ermüdungsmessung aufbewahrt werden und können gleichzeitig als Informationsträger
für die bei der Ermüdungsmessung einzuhaltende Relativlage zwischen Neßwiderstand
und ProbeWkörper dienen.
-
Die Erfindung ist noch anhand einer Prizipdarstellung im folgenden
näher erläutert; dabei zeigen Fig. 1 eine auf das Wesentliche beschränkte Prinzipskizze
des Neßaufbaues und Fig. 2 ein Diagramm, welches in seiner Art bei der Auswertung
des Meßergebnisses verwertet werden kann.
-
In Fig. t sind zwei hinsichtlich Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheit
übereinstimmende gleiche Probekörper 1 und 2 dargestellt, deren einer, der eigentliche
Probekörper 1, - wie durch die Schraffur 3 und den Belastung.-pfeil 4 angedeutet
ist - in einer Werkstoffprüfmaschine einer Wechselbeanspruchung ausgesetzt ist und
deren anderer,
der Vergleichskörper 2, unbelastet ist und aus unermüdetem
Werkstoff besteht. In unmittelbarem Bereich der Beanspruchungszone 5 des Probekörpers
1 ist eine Spule (Meßspule 6) angeordnet und in gleicher Relativlage zum Vergleichskörper
2 ist eine baugleiche weitere Spule, die Vergleichsspule 7 angeordnet. Beide Spulen
6 und 7 sind als Wechselstromwiderstände mit induktivem Anteil zu interpretieren,
die mit zwei anderen Wechselstromwiderständen 8 und 9 von untereinander gleicher
Größe des reellen und des immaginären Anteiles zu einer Wechselstromwiderstands-Meßbrückenschaltung
6 - 9 zusammengeschlossen sind.
-
Die vier Pole der Meßbrücke 6 - 9 sind auf den Trägerfrequensmeßverstärker
lo geschaltet, der die Meßbrücke mit einer Wechselspannung bekannter Frequenz und
bekannter Spannung an den Punkten 11 und 12 beaufschlagt und der die Potentialdifferenz
an den Punkten 13 und 14 - eben-*11s eine Wechselspannung - aufnimmt und verstärkt.
Bei abgeglichener Meßbrücke sind die Spannungsabfälle entlang des linken Brückenzweigs
8, 14, 7 (Vergleichszweig) nach Betrag und Phasenlage völlig gleich mit den Spannungsabfällen
in dem >1eßzweig 9, 13, 6, so daß bei abgeglichener Meßbrücke zwischen den beiden
Meßpunkten 14 und 13 keine Potentialdifferenz besteht. Dieser Abgleich wird in unbelastetem
Zustand nicht nur des Vergleichskörpers 2 sondern auch des Probekörpers 1, also
vor der Ursprungsmessung durchgeführt. Durch die Aufgabe einer Belastung von bekanntem
Betrag auf den Probekörper wird nun der Wert des aus Spule 6 und Probekörper t zusammengesetzten
Wechselstromwiderstandes
gegenüber dem unbelasteten Zustand geändert.
-
Dadurch ändert sich der Spannungsabfall im Meßzweig 9, 13, 6 gegenüber
dem Vergleichszweig 8, 14, 7 der Meßbrücke nach Betrag und/oder Phasenlage und es
tritt zwischen den beiden Meßpunkten eine Potentialdifferenz auf, die durch den
Verstärker 10 verstärkt wird und an einem Meßinstrument sichtbar gemacht oder mit
einem Koordinaten-Schreiber 15 aufgezeichnet werden kann.
-
Bei einem erstmals zu untersuchenden Probekörper ist für spätere Untersuchungen
und zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens einmal eine Eichkurve zu erstellen.
Eine solche Eichkurve erhält man, wenn man den in obiger Weise in eine Meßeinrichtung
eingebrachten Probekörper genügend weit unterhalb der Fließgrenze möglichst praxisnah
einer gleichbleibenden Wechselbeanspruchung unterzieht und dabei ständig die beobachteten
Maximalausschläge der Meßbrückenverstimmung M zeitlich aufzeichnet. Bei einem Zug-Druckstab
wird sich der zu beobachtende Zeigerausschlag M zunächst nur geringfügig, mit zunehmender
Ermüdung aber sehr rasch verringern. Durch Normierung dieses Aufschriebea im zeitlichor
Mi@sicht auf die Bruch- g ast-Wechselsahl N erhält man ein Diagramm (Fig. 2.), in
welchem parallel zur Ordinatenachse die Meßausschläge M und parallel zur Abszissenachse
die auf die bis zum Probenbruch erfolgte @@@twechselzahl bezogene tatsächliche Lastwechselzahl
aufgetragen ist.
-
Wiederholte Erstellungen solcher Diagramme mit verschiedenen maßgleichen
Proben ergaben unter Berücksichtigung der sonst bei DRuerwechselbeanspruchungen
zu beobachtenden
Streuungen in der Größenordnung von wenigstens
etwa einer Zehnerpotenz demgegenüber erstaunlich gute Reproduzierbarkeiten. Der
Verlauf der Kurve nach Fig. 2 ist sehr von der Probe und der Beanspruchungsart und
der Homogenität des beanspruchten Querschnittes abhängig. Teilweise, z.B. in den
oberflächennahen Schichten gehärtete Bauteile zeitigen einen andersartigen Kurvenverlauf
wie nicht oder gleichmäßig durchgehärtete Querechnitte; eine Wechsel-Biegebeanspruchung
ergibt eine andersartige Kurve wie eine reine Zug-Druck-Wechselbeanspruchung und
die praxisnahe Wechsel-Biegebeanspruchung eines Zahnradzahnes ergibt vermutlich
eine andere Kurve wie die Wechsel-Biegebeanspruchung eines Rundstabes.
-
In einem solcherart gewonnenen normierten Diagramm nach dem Vorbild
der Fig. 2 hat man gewissermaßen eine "Lebenslinie" des Bauteils und, was noch wichtiger
ist, man kann mittels eines solchen Diagrammes reproduzierbare Aussagen über den
Ermüdungszustand eines beanspruchten aber noch nicht zu Bruch gegangenen anderen
Bauteile gleicher Abmessung machen. Dazu ist es erforderlich, mit der gleichen.
-
Belastung wie der, bei der das Diagramm nach Fig. 2 ermittelt wurde,
eine vorgeschäditte Probe, deren Ermüdungszustand ermittelt werden soll, einmal
unter gleicher Relativlage der Spule zu belasten und dabei die Brückenverstimmung
N1 zu ermitteln. Mit diesem Wert kann nan dann anhand der Eichkurve der Fig. 2 die
zu dem Wert t11 gehörige normierte Lastwechselzahl n/N ermitteln. Dieser Wert stellt
eine anschauliche Zahl für den Ermüdungezustand des Probekörper dar, da man mit
relativ guter Reproduzierbarkeit vorhersagen kann, daß der Probekörper unter der
Yoraussetung einer Wechselbeanspruchung in Höhe der
Lichbelastung
P z.B. im ausgewählten Beispiel bereits 0 zu 86 % seine Bruch-Lastwechselzahl erreicht
hat. Es spielt dabei nur eine untergeordnete Rolle, ob die mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren feststellbaren Ermüdungen zeitweise bei einer höheren und/oder bei einer
geringeren Belastung eingetreten sind. Das Ausmaß der Beeinträchtigung der Probenoberfläche
und der oberflächennahen Werkatoffachichten ist jederzeit vor Probenbruch feststellbar
und stellt gewissermaßen einen zeitlichen Integralwert aller vergleichbaren auf
den Probekörper eingewirkten Wechselbeanspruchung dar. Dank dem erfindungsgemäßen
Verfahren können die Oberflächenschichten des Bauteils selbst zum Indikator des
Integralwertes aller bisher ertragenen Wechselbeanspruchungen gemacht werden. Eine
Zuordnung von noch zu erwartender Lebensdauer des individuellen Bauteils und dem
festgestellten Integralwert ist anhand einer einmal erstellten Eichkurve leicht
möglich.