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Beschreibung zur Patentanmeldung betreffend Verfahren zum Sichtbarmachen
und Ermöglichen des Photographierens der Rißbilder (Hauptspannungslinien) von zum
Bewerten des Spannungszustandes geeigneten spröden Überzügen Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Sichtbarmachen und Ermöglichen des Photographierens der Rißbilder
(Hauptspannungslinien beziehungsweise -traektorien) von zum Bewerten des Spannungszustandes
geeigneten spröden Überzügen (Reißlacken beziehungsweise Dehnungslinienlacken) mit
Fichtenharzen und/oder Kunstharzen als Grundmaterial.
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Es ist bekannt, daß zur Bestimmung der Richtung und in einigen Fällen
annähernd der Größe der Hauptspannungen auf der Oberfläche von aus Stahl, Buntmetallen,
Beton und sogar Holz gefertigten Bauteilen, Trägern und Behältern von komplizierter
Form verschiedene, im allgemeinen aus Fichtenharzen (Kolophonium) und Kunstharzen
als Grundmaterial gefertigte, Reißüberzüge verwendet werden (Thamm-Ludvig--Huszar-Szanto:
"A szilárdságtan kisérleti módszerei" [Versuchsmethoden der Festigkeitslehre], Müszaki
Könyvkiado 1968, Budapest, Abschnitt 4: "Feszültségvizsgálat repedo lakk bevonattal"
[Spannungsprüfung mit Reißlacküberzügen], "Természet világa" [Welt der Natur] 1970,
Nr. 10, Seiten 463 bis 469 und Imre Benkö, "Egy uj módszer, nyulasmérés repedo,
rideg bevonattal" FEine neue Methode, Dehnungsmessung mit spröden Reißüberzügen].
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Die Rißbilder sind bei der Vorbereitung der mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen
und -rosetten durchzuführenden Festigkeitsprüfungen von sehr großer Bedeutung. Mit
Hilfe der Reißüberzüge kann nämlich die Richtung der Hauptdehnungen sehr genau bestimmt
und auch die Größenordnung der Spannungen ermittelt werden. So wird die quantitative
Bestimmung der Spannungen mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen und -rosetten nach der
über die Richtung und Größenordnung der Hauptspannungen erhaltenen Information wesentlich
einfacher und genauer.
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Es ist jedoch ein wesentliches Hindernis bei der Anwendung des Verfahrens
zur Spannungs- beziehungsweise Dehnungsmessung mit Reißüberzügen, daß die infolge
der Dehnung entstandenen Risse auf dem auf die Oberfläche in einer Dicke von etwa
0,1 mm aufgebrachten Überzug die Größenordnung von 1ju (etwa 3 bis 6 µ) haben, weshalb
das auf dem Reißüberzug entstandene Rißbild weder mit dem freien Auge noch mit Hilfe
des Photographierens entsprechend ausgewertet werden kann. In die Risse, die auf
der Oberfläche
nur einige Mikron (;in) breit sind und die in der
Richtung auf das Innere des überzuges zu V-förmig immer schmäler werden, kann die
Farbe nicht in der zur Anzeige beziehungsweise Indizierung benötigten Menge eingebracht
werden. Deshalb werden einige Rißlinien des Spannungsliniennetzes mit einem ziemlich
großen Arbeitsaufwand unter Zuhilfenahme einer tupe bei Licht von kleinem Einfallswinkel
mit der Hand mit Hilfe eines spitzen Pinsels mit weißer Temperafarbe ausgezogen
(sichtbar gemacht). Dieses Verfahren erfordert viel Arbeit, wobei es ungenau und
zur quantitativen Auswertung nicht geeignet ist.
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Das auf dem Reißüberzug entstandene Rißbild kann durch ein anderes
Verfahren in der Weise sichtbar gemacht werden, daß auf die Oberfläche eine elektrostatisch
aufgeladene weiße Pulverschicht aufgebracht wird, wobei jedoch die Oberfläche vorher
mit einem Elektrolyten behandelt wird.
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Der Nachteil dieses sogenannten "Statiflux"-Verfahrens ist, daß es
nur bei trockenem Wetter und in einem zugYeien geschlossenen Raum angewandt werden
kann. Das entwickelte Rißbild wird durch einen stärkeren Luftstrom oder durch Berührung
mit der Hand oder mit der Bekleidung unbrauchbar (zur Untersuchung ungeeignet).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besseres Verfahren
zum Ermöglichen des Auswertens sowie des Photographierens des auf den Reißüberzügen
entstandenen Rißbildes unter Erzielung von weiteren Rissen und ohne die obigen Nachteile
des Standes der Technik, insbesondere ohne großen Arbeitsaufwand und ohne die Notwendigkeit
des Einhaltens von besonderen Umgebungsbedingungen und Vorsichtsmaßregeln, zu schaffen.
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Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, daß sehr
gut
sichtbare, genau auswertbare und gut photographierbare Risse erzeugt werden können,
wenn die Oberfläche der auf die Oberfläche der Probekörper aufgebrachten spröden
tberzüge mit einem Fichtenharz und/oder Kunstharz als Grundmaterial nach der Belastungsprufung
des Probekörpers einem basischen Ätzen unterworfen und in die durch das basische
Ätzen erweiterten Risse eine wäßrige Farbsuspension eingebracht wird.
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Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Sichtbarmachen
und Ermöglichen des Photographierens der Rißbilder (Hauptspannungslinien) von zum
Bewerten des Spannungszustandes geeigneten spröden tberzügen mit einem Fichtenharz
und/oder Kunstharz als Grundmaterial, auf welchen durch Spannung beziehungsweise
Dehnung oder Entspannung Risse entstanden sind, unter Anwendung einer weißen Indikatorfarbe,
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Oberfläche des überzuges mit einer 6
bis 15%-igen, vorzugsweise 10 bis 12%-igen, wäßrigen Alkalicarbonatlösung, insbesondere
Natriumcarbonatlösung, zweckmäßigerweise 5 bis 20 Minuten lang je nach der Konzentration
der Lösuzig, behandelt und danach mit Wasser abgespült wird und gegebenenfalls mit
einer 6 bis 15%-igen, vorzugsweise 10 bis 12%-igen, wäßrigen Alkalihydroxydlösung,
insbesondere Natriumhydroxydlösung, zweckmäßigerweise 2 bis 10 Minuten lang äe nach
der Konzentration der Lösung und der Dicke des überzuges, behandelt, danach mit
Wasser abgespült und getrocknet wird, worauf eine Mischung aus 2 bis 3 Gew.-Teilen
einer wäßrigen Dispersion einer eine Korngröße von 1 bis 20 pi aufweisenden feinkörnigen
Indikatorfarbe und 1 bis 2 (2 bis 3) Gew.-Teilen Titandioxydpulverfarbe äe nach
der Dichte der Dispersion auf' den ueberzug aufgebracht und gegebenenfalls die Oberfläche
zwischen den Rissen mit einer wäßrigen Dispersion eines weißen matten Kunstwachses
behandelt wird.
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Das erhaltene Rißbild kann in an sich bekannter Weise ausgewertet
und photographiert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise wie folgt
durchgeführt werden: Die Oberfläche des spröden tberzuges, auf der infolge der Spannung
beziehungsweise Dehnung oder Entspannung Risse entstanden sind, wird mit einer 6
bis 15%-igen, vorzugsweise 10 bis 12%zeigen, wäßrigen Alkalicarbonatlösung, insbesondere
Natriumcarbonatlösung, 5 bis 20 Minuten lang je nach der Konzentration der Lösung
behandelt. Danach wird die Oberfläche des tberzuges mit Wasser abgespült. Gegebenenfalls
kann die Behandlung der Oberfläche wiederholt werden, und zwar nun mit einer 6 bis
15%zeigen, vorzugsweise 10 bis 12%zeigen (10 bis 13%-igen), wäßrigen Aikalihydroxydlösung,
insbesondere Natriiiinhydroxydlösung. Diese letztere Behandlung wird 2 bis 10 Minuten-lang
je nach der Konzentration der Lösung und der Dicke der Uberzugsschicht durchgeführt.
Nach dieser Behandlung wird die Oberfläche wieder abgespült und getrocknet.
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Dann wird eine Farbmischung aus 2 bis 3 Gew.-Teilen einer wäßrigen
Dispersion einer eine Korngröße von 1 bis 20 e aufweisenden feinkörnigen, vorzugsweise
hellen, Indikatorfarbe und 1 bis 2 Gew.-Teil einer weißen Gitandioxydpulverfarbe
je nach der Dichte der Dispersion bereitet. Vorteilhafterweise kann eine Leuchtfarbe,
beispielsweise zitronengelbe oder hellgrüne leuchtfarbe oder bei wachsgelben Reißüberzügen
rote oder grüne leuchtfarbe, verwendet werden. (Solche leuchtfarben werden beispielsweise
von der Firma Rowney, Brechnell, Berkshire hergestellt; andere leuchtfarben sind
PELI=KAN PTAXA Beucht-Gelb oder Beucht-Gelbgrun, fluoreszierend, hergestellt von
Günther
Wagner Pelikan-Verke). Die erhaltene dichte Farbsuspension
wird auf die Oberfläche des Reißüberzuges vorsichtig, zum Beispiel mit Hilfe eines
Wattebäuschchens, gerieben.
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Die Qualität des Rißbildes kann gegebenenfalls auch dadurch verbessert
werden, daß die Oberflächenteile zwischen den Rissen mit einer wäßrigen Emulsion
eines matten Kunstwachses (beispielsweise mit der von der Firma Brafa Braurschweiger
Farbenwerke, Braunschweig hergestellten Flüssigkeit "Wachsdispersion") behandelt
wird. Durch diese Flüssigkeit kann einerseits die unnütze beziehungsweise überflüssige
Farbe von den Oberflächenteilen zwischen den Rissen entfernt werden und andererseits
kann das die visuelle Bewertung und das Photographieren störende Glitzern der glänzenden
Lackoberfläche verringert werden.
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Das so erhaltene Rißbild kann dann bei entsprechender Beleuchtung,
zum Beispiel bei Sonnenschein oder Halogenreflektorlicht vom Typ "Jodlux", aus einer
beliebigen Richtung photographiert werden. Es ist vorteilhaft, die Achse des Objektives
senkrecht zur Oberfläche einzustellen und beim Photographieren einer kleinen Oberfläche
einen Zwischenring zu verwenden. Auf den Aufnahmen kann die Rißdichte durch Einbringen
einer Maßstabskala, eines Meßgerätes oder eines Millimeterpapierstreifens ins Gesichtsfeld
mit hoher Genauigkeit und bequem ausgewertet werden.
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Das beiliegende Bild 1 zeigt ein durch das erfindungsgemäße Verfahren
auf einem 18 mm breiten Eichprobestab sichtbar gemachtes Rißbild. Das Rißbild kann
mit Wasser nicht abgewaschen werden und es ist auch nach dem Reiben mit der Hand
oder durch die Bekleidung gut sichtbar. Solange der Reißüberzug von der Oberfläche
nicht entfernt
wird, können die Spannungslinien des Rißbildes wahrgenommen
und wiederholt photographiert werden.
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- Auf den beiliegenden Bild 2 sind die bei einer praktischen Spannungsprüfung
mit Reißlackschicht durch das erfindungsgemäß Verfahren sichtbar gemachten Spannungslinien
dargestellt.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß es auch in den Fällen angewandt werden kann, in welchen die bekannten Dehnungsmeßstreifen
und -rosetten nicht verwendet werden können. So kann es beispielsweise bei gekrümmten,
besonders konkaven, Oberflächen oder kleinen Oberflächen, auf welchen Dehnungsmeßstreifen
oder -rosetten nicht oder nur schwer untergebracht werden können, angewandt werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß es wesentlich
einfacher ist als die dem gleichen Zweck dienenden, aber auf anderen Prinzipien
beruhenden Verfahren (Photostreß, Moir6e).
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei der Vorbereitung der Bestimmung
der Spannungen mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen oder -rosetten besonders vorteilhaft
anwendbar.
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Durch dieses können die Richtung und die Größenordnung der Hauptspannungen
im voraus bestimmt werden. So kann der Dehnungsmeßstreifen oder die Dehnungsmeßrosette
in der Richtung der schon bekannten Hauptspannung angebracht werden. In dieser Weise
wird die Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieses Verfahrens wesentlich erhöht.
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Die Erfindung wird an Hand des folgenden nicht als Beschränkung aufzufassenden
Beispieles näher erläutert.
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Beispiel Zur Vorführung des Beispieles diente ein Probestück aus
Flachstahl mit unterschiedlichem Querschnitt, welches auf eine seiner Kanten gestellt
und in Abständen von 12 cm auf Rollen gestützt wurde und auf welches so symrnetrisch
an einer Stelle eine Belastung von 800 kp wirkte.
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Beim ersten Versuch wurde auf der einen Seite des Probestückes im
unbelasteten Zustand auf die auf einer Temperatur von 120 bis 1300C befindliche
Oberfläche ein Reißlacküberzug BRAFA t'CI' bei einer Raumtemperatur von etwa 2200
aufgebracht. Wach dem langsamen Abkuhlen des überzuges beziehungsweise des Probestückes
auf nahezu Raumtemperatur (etwa 300C), also nach der Aushärtung des Reißlacküberzuges
erfolgte die Belastung mit 800 kp. Infolge dieser Belastung haben sich auf dem Verzug
die Spannungslinien, die auf den Bildern 3 und 4 zu sehen sind, ausgebildet.
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Das beiliegende Bild 3 (Vergleichsversuch) zeigt auffallend, daß
bei den Aufnahmen, welche ohne Färbeverfahren (Ausstreichen) nur bei Reflexionslichtwirkung
aus einer schrägen Richtung, also unter großer Verzerrung und bei nicht befriedigender
Tiefenschärfe erhalten werden konnten, nur ein kleiner Teil der Risse zu sehen ist;
so konnten die tatsächliche Richtung der Spannung und die Anzahl der Risse/cm weder
auf dem Probestück noch auf der Aufnahme bewertet werden.
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Das beiliegende Bild 4 zeigt die Aufnahme des nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren behandelten Probestückes, die mit einer zur Oberfläche senkrecht stehenden
Obäektivachse und, wie es auf Grund der auf der Photographie neben dem
Probestück
liegenden Skala mit Zentimetereinteilung zu sehen ist, im Gegensatz zum Vergleichsversuch
verzerrungsfrei gemacht wurde. Diese verzerrungsfreie Aufnahme ermöglichte im Gegensatz
zu der des Vergleichsversuches sowohl bei einer Vergrößerung von 1 : 1 mit Hilfe
einer Zentimeterskala als auch bei größeren Vergrößerungen mit Hilfe einer vergrößerten
Skala die Bestimmung der Größenordnung der an den einzelnen Stellen auftretenden
Spannungen auf Grund der Zahl der Risse/cm. Die Bestimmung der Größenordnung dieser
Spannungen wurde beim gleichen ueberzug und unter den gleichen Bedingungen (Schmelztemperatur,
Abkühlungsge schwindigkeit, Raumtemperatur und Art des Uberzuges) beispielsweise
mit Hilfe des einer bestimmten Belastung unterworfenen Eichprobekörpers (Etalons)
des Bildes 1 mit seinen gegebenen Abmessungen durchgeführt. Auf der äußeren gezogenen
Fläche eines solchen nur auf Biegung beanspruchten Probekörpers entsteht eine reine
Zugspannung, während auf seiner inneren gedrückten Fläche eine reine Druckspannung
auftritt. Die Größe dieser Spannungen kann mit einer befriedigenden Genauigkeit
berechnet werden: So gibt die Zahl der Risse/cm in den einzelnen Abschnitten auf
dem Eichprobekörper innerhalb bestimmter Grenzen je nach den einzelnen Arten der
tberzüge die Größe der Spannung an. Deren Auswertung erfolgte in üblicher Weise.
Das Obige zeigt also eindeutig die tberlegenheit des erfindungsgemäßen Verfahrens
gegenüber dem Stand der Technik.
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Bild 4 sowie Bild 5, das vom in der weiter unten beschriebenen Weise
durchgeführten Versuch aufgenommen wurde, zeigen Probestücke, auf denen der Reißlacküberzug
nach der Ausbildung des Rißbildes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt
wurde.
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Auf dem Reißlacküberzug des Probestückes von Bild 4 sind die isostatischen
Linien nach dem Wirken der Belastung
von 800 kp erschienen, während
sie auf dem Reißlacküberzug des Probestückes von Bild 5 nach dem Aufheben der während
der Aushärtung ständig auf das Probestück wirkenden Belastung von 800 kp auftraten.
Das Rißbild von Bild 4 ist also infolge der Hauptzugspannung, das heißt infolge
der Dehnung entstanden und das Rißbild von Bild 5 ist infolge der Entspannung, das
heißt infolge der Hauptdruckspannungen zustandegekommen.
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Die Behandlung wurde wie folgt durchgeführt: Nach 15 Minuten langem
Behandeln des Über zuges mit einer 10%-igen Natriumcarbonatlösung mit Hilfe eines
Pinsels wurde er abgespült. Danach folgte eine 5 Minuten dauernde Behandlung mit
einer 10%-gen Natriumhydroyydlösung ebenfalls mittels eines Pinsels und daraufhin
wurde der Überzug wieder abgespült und mit einem Flanelltuch getrocknet.
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Das Färbeverfahren bestand aus dem gleichmäßigen Aufbringen einer
Mischung von 2 Gew.-Teilen einer zitronengelben Beuchtfarbe und 1 Gew.-Teil einer
weißen Ditandioxydpulverfarbe mit einem feinhaarigen Insel oder einen Wattebausch
und dem Einreiben dieser Farbmischung.
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Nachdem die Farbe nach einigen Minuten getrocknet war, wurde die
unnütze beziehungsweise überflüssige Farbe von den Stellen, die nicht hätten gefärbt
werden sollen, das heißt von den ebenen Oberflächenteilen des überzuges zwischen
den Rissen mit Hilfe einer in eine wäßrige Emulsion eines weißen matten Kunstwachses
getauchten Watte durch mildes Reiben entfernt.
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Damit war das Färbeverfahren beendet und der Empfindlichkeit beziehungsweise
den Eigenschaften des gewählten Überzuges entsprechend waren dann die infolge der
gegebenen
Belastung entstandenen Spannungsverhältnisse sowohl qualitativ
als auch quantitativ auswertbar.
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Das beiliegende Bild 5 zeigt einen Probekörper, der die gleichen
Abmessungen wie der Probekörper von Bild 4 hat. Der Probekörper von Bild 5 wurde
in der gleichen Spannweite abgestützt und mit der gleichen Last von800 kp belastet,
aber dieser letztere Versuch war ein sogenannter "Entlastungsversuch". Dieser Versuch
bestand darin, daß der Reißlacküberzug bei konstanter Belastung aufgebracht wurde.
Die Entlastung erfolgte erst nach dem Abkühlen des Probestückes auf nahezu Raumtemperatur,
also nach der Aushärtung des tberzuges. In diesem Falle entstanden die Risse auf
dem Reißlackii'berzug nach der Entlastung (als die Druckspannung gleich Null'wurde)
infolge des Aufhörens der Schrumpfung.
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Vom Schrifttnm werden diese Risse Relaxationslinien genannt.
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Diese Risse stehen in jedem Punkt zur Richtung der Hauptdruckspannung
senkrecht. Gleichzeitig stehen sie 2;u den bei Belastung unter den gleichen Bedingungen
erhaltenen und auf Bild 4 dargestellten Rissen senkrecht. Dieser letztere Versuch
ist also gleichzeitig auch eine Kontrolle des vorigen Versuches und das bei den
2 Versuchen erhaltene Netz der Risse zeigt gemeinsam das der gegebenen Belastung
zugeordnete volle Spannungsfeld und gibt in jedem einzelnen Punkt die Richtungen
der größten Zug- und Druckspannung an.
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Die qualitative Bewertung der auf diese Weise hergestellten Rißbilder,
das heißt des beim Belastungsversuch die Zughauptspannung auf Bild 4 zeigenden Rißbildes
und der beim Entlastungsversuch die Hauptdruckspannung auf Bild 5 zeigenden Relaxationslinien
erfolgt unter Berücksichtigung der folgenden Faktoren: Die Richtung der durch Belastung
erhaltenen Risse
beziehungsweise deren Tangenten sind senkrecht
zur Richtung der Hauptzugspannung, während ihre Dichte die Größe der Hauptzugspannungen
anzeigt (siehe Bild 4).
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Die Richtung der durch Entlastung erhaltenen Risse beziehungsweise
deren Tangenten sind senkrecht zur Richtung der Hauptdruckspannung, während ihre
Dichte die Größe der Hauptdruckspannungen anzeigt (siehe Bild 5).
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Die ohne Richtungsänderung parallel verlaufenden Risse sind infolge
von bloßem Zug beziehungsweise bloßem Druck entstanden (siehe den Eichprobestab
Bild ; es entstehen aber auch bei bloßer Torsion parallel verlaufende Risse, die
mit der Achse der Torsion einen Winkel von 450 bilden.
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Die Richtungsänderung der Risse -zeigt immer die Biegebeanspruchung
an und die Stellen der größeren Richtungsänderungen zeigen die Wirkung der größeren
Biegespannung an.
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Der bisher erläuterte Teil der qualitativen Analyse der Prüfung mit
Hilfe des Reißlacküberzuges ist vollwertig und gibt eine sehr genaue Information
darüber, wohin und in welcher Richtung die Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt werden
sollen, um eine höhere Genauigkeit und größere Zuverlässigkeit der quantitativen
Spannungsbestimmung zu erzielen.
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Nicht weniger wichtig ist aber die weitere Analyse des Spannungsfeldes:
Für die Singularitätspunkte ist es charakteristisch, daß an diesen Stellen die beiden
Hauptspannungen einander immer gleich und meistens gleich Null sind; die Scherspannung
ist in diesen Punkten immer gleich Null. Die Singularitätspunkte kommen sowohl an
den scherspannungsfreien
Rändern als auch im Inneren des Spannungsfeldes
vor und sind nach der Ausbildung des Spannungsfeldes von verschiedenem Typ und können
dabei symmetrisch oder auch unsymmetrisch sein (siehe S1 und S2 auf Bild 2).
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Da das nähere Eingehen auf die qualitative und quantitative Auswertung
des Spannungsfeldes beziehungsweise des Netzes der Risse und innerhalb dieser die
Bestimmung der Stellen der Singularitätspunkte nicht eng zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Verfahrens gehört, wurde der Einfachheit halber zur Veranschaulichung der leichten
Handhabbarkeit und Auswertbarkeit des Rißbildes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
nur ein einziger innerer symmetrischer Singularitätspunkt mit der Bezeichnung x
in die Bilder 4 und 5 eingezeichnet.
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Das Beispiel zeigt schon auf Grund des bisher Dargelegten ohne Fortsetzung
der qualitativen und quantitativen Analyse der Spannungszustände eindeutig, daß
nach der Durchführung des Färbens nach dem erfindungsgemäßen Verfahren das zur Oberfläche
senkrechte Photographieren es ermöglicht, die Richtung der Spannungen und die Stellen
der charakteristischen Punkte verzerrungsfrei wiederzugeben und darüberhinaus mit
Hilfe der zusammen mit der Zentimeterskala durchzuführenden Vergrößerung beliebigen
Maßes die Zahl der Risse/cm, das heißt die Größenordnung der Spannung beziehungsweise
Dehnung praktisch und verhältnismäßig genau auszuwerten Patentansprüche