DE2411459A1 - Verfahren zur bestimmung der werkstoffermuedung eines probekoerpers - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der werkstoffermuedung eines probekoerpers

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DE2411459A1
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N3/32Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
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Description

  • 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.

Claims (3)

  1. Patentansprüche
    9 Verfahren zur Bestimmung der Werkstoffermüdung eines Probekörpers, d a d u r c h g e k e'n n z e i c h -n e t , daß der Probekörper (1) im Feld eines mit einer Wechselspannung beaufschlagten Wechselstromwiderstandes (Meßwiderstand) vorzugsweise im Magnetfeld einer Spule (6) in definierter Relativlage zum Meßwiderstand (6) in ursprünglichem Zustand oder in einem Zustand mit bekanntem Ermüdungsgrad (Ursprungsmessung) zum einen und in ermüdetem bzw. stärker ermüdetem Zustand (Ermüdungsmessung) zum anderen jeweils einer bestimmten gleichen Belastung unterworfen wird und daß die Veränderung des Widerstandswertes des Meßwiderstandes (6) bei der Ursprungsmessung gegenüber der Ermüdungsmessung als wenigstens mittelbares Maß für die Werkstoffermüdung ermittelt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Veränderung des Wertes des Meßwiderstandes (6) dadurch ermittelt wird, daß der Meßwiderstand (6) als ein Ast tier Wechselstromwiderstands-Meßbrückenschaltung (6-9 und 11-14) geschaltet ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Meßbrückenschaltung (6-9 und ii-14) bei der Ursprungsmessung dadurch abgeglichen wird, daß funktionell symmetrisch zu dem Meßwiderstand (6) ein mit dem Meßwiderstand (6)baugleicher Wechselstromwiderstand (Vergleichswiderstand 7) in die Meßbrückenschaltung (6-9 und 11-14) geschaltet ist, in dessen Feld in gleicher Relativlage wie zwischen Meßwiderstand (6) und Probekörper (i) ein mit dem Probekörper (i) baugleicher Körper (Vergleichßkörper 2) im ursprünglichen Werkstoffzustand eingebracht ist.
    L e e r s e i t e
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DE2411459B2 DE2411459B2 (de) 1976-09-16
DE2411459C3 DE2411459C3 (de) 1977-04-28

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