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Einrichtung zur zerstörungsfreien Messung und Erkennbarkeit von Ermüdungszuständen
an Bauteilen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Messung
und Erkennbarkeit von Ermüdungszuständen an Bauteilen durch Beobachtung oder Vergleich
der Oberflächenstruktur.
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Aus der Praxis und Literatur (z. B. "Luft- und Raumfahrttechnik"
14 (1968) Nr. 7/8 Seite 196, "The review of scientific Instruments" Vol. 35 Nr.
6, June 1964 Seiten 738 bis 741, Vol. 37 Nr. 9, Sept. 1966 Seiten 1134 bis 1136,
DT-OS 1 814 244, DT-AS 1 297 890, FR-PS 1 035 423, US-PS 3 336 154, 3 272 003, 2
920 480 und 2449 883 und "Archiv für das EisenhUttenwesen" IIeft 6 - Juni 1972 Seiten
489 bis 494) sind eine Reihe von Vorrichtungen bzw.
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Verfahren bekannt, mit denen Bauteile, die bekannten oder unbekannten
dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, überwacht werden und die teilweise das
Bauteil bzw. den Strukturwerkstoff selbst auf Ermüdungserscheinungen überprüfen,
teilweise aber auch ermüdungmpfindliche Meßstreifen verwenden, die an kritischen
Stellen eines Bauteiles angeordnet werden.
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Zu ersteren zählen beispielsweise regelmäßige Untersuchungen geiährdeter
Stellen auf Bildung von Mikrorissen mittels Fluoreszens-, Uagn t-, Wirbelstrom und
andere Prüfmethoden. Der Nachteil dabei
ist, daß sie erst in einem
sehr späten Stadium der Ermüdung ansprechen. Auch zählen dazu Röntgenfeinstrukturuntersuchungen,
wobei mit der Tangentialanalyse spezifische Strukturänderungen bereits vor Auftreten
der ersten Risse sichtbar gemacht werden können. Hierbei können sich störende Einflüsse,
wie innere Spannungen auf die Empfindlichkeit der Prüfmethode auswirken. Außerdem
ist von entscheidendem Nachteil der große Aufwand, der eine technische Anwendung
während der Prüfung von Bauteilen stark einschränkt oder gar unmöglich macht. Ferner
sind die mittels Schallemission registrierbaren Mikroverformungsvorgänge , wie Versetzungsbewegungen
oder die Ausbreitung von Mikrorissen, zt erwähnen.
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Dabei müssen zur Ermüdungsbestimmung im allgemeinen alle vorangegangenen
Emissionen erfaßt werden. Die erforderliche kontinuierliche Registrierung macht
diese Prüfmethode für den praktischen Gebrauch sehr aufwendig. Die an sich gleichfalls
bekannte Prüfungsmethode mittels Absorption von Ultraschalloberf lächenwe Ilen,
bei der vor allem im Bereich der Oberfläche ermlldungsspezifische lokale Ver- und
Entfestigungsvorgänge registriert werden können, führt noch nicht zu sicheren Ergebnissen
und bedarf einer weiteren Erprobung.
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Zur Meßstreifenmethode zählen z.B. die elektrischen Widerstands-
und magnetischen Meßstreifen. Bei den elektrischen Widerstandsmeßstreifen ändert
sich der elektrische Widerstand infolge der bei der Ermüdung entstehenden bzw. sich
umordnenden Kristallbaufehler. Nachteilig sind dabei die von den inneren und äußeren
Spannungen ausgelösten Störeinfitisse. Sie haben außerdem den Nachteil, daß keine
kontaktfreie Messung möglich ist, die Empfindlichkeit
des Meßwertes
gegenüber Feuchtigkeit und die ungünstige Charakteristik der Veränderung des Meßwertes
in Abhängigkeit von der Lastwechselzahl. Bei den magnetischen Meßstreifen ändern
sich aus den gleichen Gründen wie bei den elektrischen Widerstandsmeßstreifen die
magnetischen Eigenschaften (z.B. Suszeptibilität) weichmagnetischer Werkstoffe während
der Ermüdung. Sie haben gleichfalls entsprechende Nachteile, von denen vor allem
die Störempfindlichkeit durch statische Spannungen zu erwähnen ist.
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Davon ausgehend war es Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung zu
schaffen, mit der eine kontakt- bzw. berührungslose und zerstörungsfreie h*ssung
und Erkennbarkeit von Ermüdungszuständen an mit unbekannter dynamischen Belastung
ausgesetzten und aus verschiedenen Materialien bestehenden Bauteilen durchgeführt
werden kann. Außerdem sollten damit die Messungen von Feuchtigkeitseinflüssen unabhängig
sein und eine gute Charakteristik der Mer t lsänderungen in Abhängigkeit von der
Lastwechsel.zahl haben. Ferner sollte zur Durchführung der Messungen der apparative
Aufwand gering und ein für alle Werkstoffe universeller Einsatz möglich sein.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß auf
das Bauteil ein oder mehrere Indikatoren angeordnet und damit fest verbunden sind
und daß Veränderungen der Indikatoroberfläche den Ermüdungszustand des Bauteiles
anzeigen.
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Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß die Veränderungen
der Indikatoroberf lache in Form von Streu- und Reflexionsveränderungen im ultraroten,
sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich angezeigt bzw. registriert werden.
Die Erfindung sieht
ierner vor, daß der Indikator ein thermisch
vorbehandeltes unlegierter Metall oder eine Legierung oder ein mehr oder minder
verfestigtes unlegiertes Metall oder cine Legierung ist. Weiterhin sieht die Erfindung
vor, daß der Indikator ein Kunststoff oder eine Kombination von unlegierten Metallen,
Legierungen und Kunststoffen ist. Vorteilhafterweise können auch mehrere Indikatoren
unterschiedlicher nharakteristika an einer Prüf- bzw. beßstelle des Bauteiles angeordnet
sein.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß mit der Einrichtung eine berührungslose und zerstörungsfreie Messung und Erkennbarkeit
von Ermüdungszuständen an mit unbekannten dynamischen Belastungen ausgesetzten Bauteilen
ermöglicht wird. Diese kontakt lose Messung ist unabhängig von Feuchtigkeitseinflüssen
und zeigt nach eintretender Ermüdung des mit der Bauteiloberfläche innig verbundenen
Indikators auf seiner Oberfläche charakteristische Veränderungen, die mittels der
darüber angeordneten optischen Meßanordnung quanditativ oder visuell qualitat iv
erfaßt werden können. w iter ist von Vorteil, daß die Esprindlichkeit des bzw. der
Indikatoren weitgehend der Ermüdung des Strukturwerkstoffes eines zu prüfenden oder
überwachenden Bauteiles angepaßt werden kann, wobei Störeinflüsse durch statische
Spannungen und Temperaturen entfallen. Außerdem ist die Einrichtung bei allen Herkstoffon
anwendbar, wobei durch den relativ-geringen eßtechnischen Aufwand während der Messung
bzw. Beobachtung ein universeller Einsatz gewährleistet ist.
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Die Einrichtung nutzt die Tatsache der Veränderung der Oberfläche
bestim t-r Materialien aus, die für mechanische Wechselbeanspruchungen
(Lastwechselzahl)
spezifisch ist. Bei der Wechselbeanspruchung bzw. -verformung reiner, weichgeglühter
Metalle sind die Laufweg der Kristallbaufehler, insbesondere der Versetzungen, relativ
groß. Dadurch entstehen an der Oberfläche wechselverformter Reinmetalle makroskopische
Strukturen, die mit unbewaffnetem Auge erkennbar sind. Bei mikroskopischer Betrachtung
erweisen sich diese Oberfläcbenrauhigkeiten bzw.
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-veränderungen als sogenannte Gleitbänder bzw. Materialaus- bzw.
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Leinbrüche (Extrusions bzw. Intrusions) und Mikrorisse. Der Oberfläche
kommt dabei auch deshalb eine bevorzugte Stellung zu, weil sie im allgemeinen Ausgangspunkt
der Ermüdungserscheinungen ist.
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Als Maß für die Stärke einer vorangegangenen Wechselverformung dient
die Zahl und Ausdehnung der Oberflächenrauhigkeiten bzw.
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-veränderungen. Die Rauhigkeit bzw. Veränderung wächst sowohl mit
steigender Lastspielzahl als auch mit steigender Last- bzw.
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Verformungsamplitude kontinuierlich an. Ein wichtiges Kriterium für
die Empfindlichkeit eines Indikators ist das Verhältnis Streckgrenze zu Elastizitätsmodul.
Je kleiner dieses Verhältnis ist, um so tiefer liegt die Ansprechschwelle des Indikators.
Bei der Auswahl der Indikatoren spielt daher die Reinheit und die eng damit verbundene
Dehngrenze eine wichtige Rolle. Im allgemeinen sind die Indikatoren am Strukturwerkstoff
eines Bauteiles anzuordnen.
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Der Indikator kann dann, sofern die exakte Übertragung aller Verformungen
vom Bauteil auf den Indikator gewährleistet ist, als Speicher für alle auftretenden
Wechselbelastungen (Lastspiele) dienen. Da für die Ermüdungscharakteristik des Indikators
primär
die Verformungsamplitude maßgeblich ist, kann die an einem
beliebigen Strukt urwerkstoff als Unterlage gemessene Charakteristik auf jeden anderen
Strukturwerkstoff übertragen werden, sofern dessen Wöhlerkurve bekannt ist. Dabei
ist die Eichung in bezug auf die Verformungsamplitude des bleßstrelfens durchzuführen.
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Eine ursprünglich glatte bzw. homogene Oberfläche eines Indikatormaterials
erleidet durch das Auftreten von durch Lastspiele verursachte Veränderung seiner
Oberfläche auch eine Veränderung seines Reflexionsvermögens. Zwischen dem Auftreten
einer Oberflächenänderung und der damit verbundenen Änderung des Reflexionsvermögensund
der Lastspielzahl besteht eine eindeutige Relation. Dabei äußert sich die Änderung
des Reflexionsvermögens sowohl in der Änderung der Intensität des reflektierten
wie auch des gestreuten Lichtes eines einfallenden Lichbündels des Spektralbereiches
von Ultrarot bis Ultraviolett.
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Ein Ausführungsbeispiel ist folgend beschrieben und durch Skizzen
erläutert: Fig. 1 zeigt Kennlinien eines Aluminium-Indikators, Fig. 2 zeigt eine
Einrichtung zur Aufzeichnung der OberflWchenveränderung.
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Die in Fig. 1 dargestellten Kennlinien a, b, c, d zeigen den charakteristischen
Verlauf der Intensitätsänderung 1R des reflektierten Lichtes in Abhängigkeit der
Lastwechselzahl N bis zum Bruch am Beispiel einer Folie als Indikator aus einer
weichen Aluminiumlegierung von ca. O,~mm Dicke. Dabei zeigt sich eine starke Änderung
der hßwerte in dem für den Bruch relevanten
Lastwechselbereich,
wodurch eine hohe Empfindlichkeit der MOB-vorrichtung 1 (siehe Fig. 2) gegeben ist.
Im Bereich niedriger Lastwochselzahlen, in den kein Bruch zu erwarten ist, tritt
keine erkennbare Änderung auf der Oberfläche des Indikators 2 (siehe Fig. 2) und
damit des Reilexionsverarögens auf.
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Diese Oberflächenveränderungen treten vorwiegend bei Werkstoffen
kristalliner metallischer Materialien auf, deren Verformungsvermögen bei mechanischer
Wechselbelastung ausreichend hoch ist. Materialien mit ausgeprägtem Auftreten von
Oberflächenveränderungen sind beispielsweise weiche geglühte Metalle mit einer relativ
kleinen kritischen Schubspannung, wozu z.B. Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel,
Zinn, Zink u. a. gehören.
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Bei Strukturwerkstoffen, die bereits ausgeprägte Oberflächenveränderungen
aufweisen (z.B. aluminiunplatticrta Aluminiumlegierungen) kann die Änderung des
Reflexionsvermögens ohne zusffitzliche Oberflächenbeschichtung bestimmt werden.
Dagegen sind Strukturwerkstoifs, die kein. nennenswerten Veränderungen der Oberfläche
als Folge der Wechselbeanspruchung aufweisen (z.B. Legierungen oder Kunststoffe),
mit geeigneten Materialien als Indikatoren zu beschichten um damit eine Messung
bzw. Beobachtung des Reflexionsvermögens vornehmen zu können. Dabei braucht das
Aufbringen des Indikators nur an den interessierenden Stellen zu erfolgen. Das Aufbringen
und innige Verbinden (was Voraussetzung ist) derartiger Indikatoren auf bzw. mit
dem Strukturwerkstoff kann in Form von Beschichtungen wie Plattieren, Galvanisieren,
Aufdampfen o. ä. oder in Form von Meßstreifen aus geeigneten Materialien durch Kleben,
Löten, Schweißen oder ähnlichem erfolgen.
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In Fig. 2 ist eine Meßvorrichtung 1 in schematischer Weise dargestellt
mit der eine quantitative Erfassung bzw. Registrierung der Oberflächenrauhigkeit
bzw. -verknderungen eines oder mehrerer auf einem Strukturwerkstoff 3 angeordneter
Indikatoren 2 durchgeführt wird. Auf dem zu überwachenden bzw. zu prüfenden Strukturwerkstoff
3 ist durch eine innige Verbindung 4 (Plattieren, Kleben, Schweißen u.a.) ein Indikator
2, bestehend aus eine.
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geeigneten Material (z.B. Gold, Silber, Zinn, Aluminium u.a.) von
hohem Reinheitsgrad und unterschiedlicher Dicke aufgebracht. Über dem Indikator
2 ist ein Meßkopf bestehend aus Objektiven 5, 6, 7, einem halbdurchlffissigem Spiegel
8, einer Beleuchtungseinrichtung 9, einem Photoelement mit Photovervieltaeher 10
und einem Registrierinstrument 11 angeordnet. Die Beleuchtung des Indikators 2 erfolgt
durch die Beleuchtungseinrichtung 9 bzw. das von ihr ausgehende Strahlenbündel 12,
das durch den halbdurchlässigen Spiegel 8 auf die Indikatoroberfläche 13 umgelenkt
wird. Das von ihr reflektierte Reflexionslicht gelangt in Form des Strahlenbdndels
12' über das Objektiv 5, den halbdurchlässigen Spiegel 8 und das Objektiv 6 auf
das Photoelement und den Photovervielfacher 10, wobei die hier ausgelösten photometrischen
Impulse in dem Instrument 11 registriert werden.
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Durch die von den Lastwechseln hervorgerufene Oberflächenveränderung
des Indikators a nimmt mit steigender Ermüdung die Intensität des gestreuten Lichtes
stetig zu und die Intensität des reflektierten Lichtes stetig ab. Selbstverständlich
ist diese Messung bzw. Beobachtung auch bei Schrägbeleuchtung und einfacher
optischer
Anordnung möglich. Einen wesentlichen Einfluß auf die Meßgenauigkeit hat die Konstanz
des von der Beleuchtung ausgehenden Lichtes, wozu die Lichtquelle über einen Spannungsgleichhalter
geschaltet ist. Störende Nebeneffekte durch fremde Lichtquellen u.a. können beispielsweise
bei Verwendung von Laserdioden als Lichtquellen durch eine Modulation der. Beleuchtung
und schmalbandige Verstärkung der Empfangs intensität eliminiert werden.
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Auch ist eine Messung bzw. Abtastung der Indikatoroberfläche durch
Zwischenschaltung von Filtern und monochromatischer Beleuchtung über einzelne Spektralbereiche
zwischen Ultrarot und Ultraviolett möglich.
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Gegebenenfalls können die Indikatoren gegen äußere Einflüsse (mechanische
oder chemische) durch geeignete und die Indikatoriunktion nicht beeinflussende Überzüge
geschützt werden.