DE2411459C3 - Verfahren zur Bestimmung der Werkstoffermüdung eines Probekörpers - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Werkstorfermüdung eines Probekörpers.

Gesicherte Aussagen über den Ermüdungszustand eines bestimmten Bauteils kann man heute — wenn überhaupt — nur dadurch gewinnen, daß man zuvor mit einer Vielzahl baugleicher 'feile eine die Probeteile zerstörende Prüfserie durchführt. Aus solchen Prüfserien gewonnene Rückschlüsse 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 Ermüdungszustand eines Bauteils undurchführbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Untersuchungsverfahren anzugeben, das gesicherte Aussagemöglichekeiten über den Ermüdungszustand liefert, ohne daß dazu der Probekörper bis zu seiner Zerstörung belastet werden muß.

Dazu wird erfindungsgemäß in der Weise vei fahren, daß der Probekörper im Feld eines mit einer Wechselspannung beaufschlagten Wechselstromwiderstandes (Meßwiderstand) 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 (Ermüdungsmessung) zum anderen einer bestimmten gleichen Belastung unterworfen wird und daß die Veränderung des Wid^rstandswertes des Meßwiderstandes bei der Ursprungsmessung gegenüber der Errrüdungsmessung als wenigstens mittelbares Maß die Werkstoffermüdung ermittelt wird.

Erfindungsgemäß wird also ein Vergleich einer ermüdungsmäßig relevanten Eigenschaft des Probekörpers in ermüdetem, aber noch nicht zerstörtem Zustand und dem ursprünglichen bzw. bekannten Zustand durchgeführt. Als für den Ermüdungszustand eines Probekörpers relevanfe 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 Bputtils 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 gelockert und/oder das Kristallgitter einzelner Materialkristalle 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 Rauteil ebenfalls zu einer Aussage über den Ermüdungszustand führen. Erfindungsgemäß wird diese Aussage durch Einbringen der Probe in das Wechselfeld eines Wechselstromwiderstandes, ζ. B. in das Magnetfeld einer Spule und durch Beobachtung der Veränderung des Wertes 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 Widerstandsänderung kann dadurch ermittelt werden, daß der Meßwiderstand als ein Ast einer Wechselstromwiderstands-Meßbrückenschaltung geschaltet ist.

Zweckmäßigerweise wird bei oder vor der Ursprungsmessung die Meßbrücke abgeglichen. Da die Ursprungsmessung und die Ermüdungsmessung zeitlich häufig weit auseinander liegen, kann dieser Abgleich zweckmäßigerweise dadurch erfolgen, daß die Meßbrückenschaltung bei der Ursprungsmessung dadurch abgeglichen wird, daß funktionell symmetrisch zu dem Meßwiderstand ein mit dem Meßwiderstand baugleicher Wechselstromwiderstand (Vergleichswiderstand) in die Meßbrückenschaltung geschaltet ist, in dessen Feld in gleicher Relativlage, wie sie zwischen Meßwiderstand und Probekörper ein mit dem Probekörper 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 Meßwiderstand und Probekörper dienen.

Die Erfindung ist noch anhand einer Prinzipdarstel-

lung im folgenden näher erläutert; dabei zeigt

F i g. 1 eine auf das wesentliche beschränkte Prinzipskizze des Meßaufbaus und

Fig. 2 ein Diagramm, welches in ..einer Art bei der Auswertung des Meßergebnisses verwertet werden kann.

In F i g. 1 sind zwei hinsichtlich Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheit übereinstimmende gleiche Probekörpe/ 1 und 2 dargestellt, deren einer, der eigentliche Probekörper 1, — wie durch die Schraffur 3 und den Belastungspfeil 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 zu-ii Vergleichskörper 2 ist eine baugleiche weitere Spule, die Vergleichsspule 7, angeordnet. Beide Spulen 6 und 7 sind als Wechsclstromwiderstände mit induktivem Anteil zu interpretieren, die mit zwei anderen Wechselstromwiderständen 8 und 9 von untereinander gleicher Größe des reellen und des imaginären Anteils zu einer Wechselstromwiderstands-Meßbrückenschaltung 6 — 9 zusammengeschlossen sind. Die vier Pole der Meßbrükke 6 — 9 sind auf den Trägerfrequenzmeßverstärker 10 geschaltet, der die Meßbrücke mit einer Wechselspannung bekannter Frequenz und bekannter Spannur.g an den Punkten 11 und 12 beaufschlagt und der die Potentialdifferenz an den Punkten 13 und 14 — ebenfalls 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 Meßzweig 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 1 zusammengesetzten Wechselstromwiderstandes gegenüber dem unbelasteten Zustand geändert. Dadurch ändert sich der Spannungsabfall im Meßzweig 9, 13, 6 gegenüber dem Vergleithszweig 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 so 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 Probekorper genügend weit unterhalb dor I ließgrenze möglichst praxisnah einer gleichbleibenden Wechselbe- f,o anspruchung unterzieht und dabei ständig die beobachteten Maxinialausschlägc der Meßbrückenverstimmung Λ/ 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 Aufschrieben in zeitlicher Hinsicht auf die Bruch-Last-Wechselzahl 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 Lastwechsehahl bezogene tatsächliche Lastwechselzahl aufgetragen ist. Wiederholte Erstellungen solcher Diagramme mit verschiedenen maßgleichen Proben ergaben unter Berücksichtigung der sonst bei Dauerwechselbeanspruchungen zu beobachtenden Streuungen in der Größenordnung von wenigstens etwa einer Zehnerpotenz demgegenüber erstaunlich gute Reproduzierbarkeiten. Der Verlauf der Kurve nach F i g. 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 Querschnitte; 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 F i g. 2 hat man gewissermaßen eine »Lebenslinie« des Bauteils und. u as noch wichtiger ist. man kann mittels eines solchen Diagramms reproduzierbare Aussagen übe: den F.nmidungszustand eines beanspruchten, aber noch nicht zu Bruch gegangenen anderen Bauteils gleicher Abmessung machen. Dazu ist es erforderlich, mit der gleichen Belastung wie der. bei der das Diagramm nach F i g. 2 ermittelt wurde, eine vorgeschädigtc Probe, deren Ermüdungszustand ermittelt werden soll, einmal unter gleicher Relativlage der Spule zu belasten und dabei die Brückenverstimmung Mi zu ermitteln. Mit diesem Wert kann man dann anhand der Eichkurve der F i g. 2 die zu dem Wert M\ gehörige normierte Lastwechselzahl η/Ν ermitteln. Dieser Wert stellt eine anschauliche Zahl finden Ermüdungszustand des Probekörpers dar. da man mit relativ guter Reproduzierbarkeit vorhersagen kann, daß der Probekorper unter der Voraussetzung einer Wechsclbeanspruchung in Höhe der Eichbelastung Pn z. B. im ausgewählten Beispiel bereits 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. Pas Ausmaß der Beeinträchtigung der Probenoberfläche und der oberflächennahen Werkstoffschichten ist jederzeit vor Probenbruch feststellbar und stellt gewissermaßen einen zeitlichen Integralwert aller vergleichbaren auf den Probekorper eingewirkten Wechselbcanspruchung dar. Dank dem crfindnngsgemäßen Verfahren können die Oberflächensuiichten des Bauteils selbst zum Indikator des Integralwertes aller bisher ertragenen WechselbeanspruchunL-en gemacht weiden. Fine Zuordnung von noch zu erwartender Lebensdauer des individuellen Bauteils und dem festgestellten Intcgralwort ist anhand einer einmal erstellten Fichkurve leicht möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnunccn

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Werkstoff errniidung eines Probekörpers, dadurch gekennzeichnet, 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 u-sprünglichem Zustand oder in einem Zustand mit bekanntem Ermüdungsgrad (Ursprungsmessung) zum einen und in ermüdetem bzw. stärk;- 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. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Wertes des Meßwiderstandes (6) dadurch ermittelt wird, daß der Meßwiderstand (6) als ein Ast einer Wechselstromwiderstands-Meßbrückenschaltung (6 — 9 und 11-14) geschaltet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbrückenschaltung (6 — 9 und 11 — 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 (1) ein mit dem Probekörper (1) baugleicher Körper (Vergleichskörper 2) im ursprünglichen Werkstoffzustand eingebracht ist.