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Verfahren zum Entdecken von sich anbah-
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nenden Ermüdungsschäden in Metallteilen Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zum Entdecken von sich anbahnenden Ermüdungsschäden in einem Metallteil,
welches im Gebrauch sich zyklisch wiederholenden Ermüdungsbelastungen ausgesetzt
ist.
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Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren der genannten Art,
bei dessen Anwendung sich anbahnende Ermüdungsschäden in Metallteilen ohne Zerstörung
der Metallteile feststellen lassen.
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Viele Schäden an Maschinen oder sonstigen Konstruktionen wären vermeidbar,
wenn gewisse Teile solcher Konstruktionen kontinuierlich auf sich anbahnende Ermüdungsschäden
überwacht werden könnten. Zu diesem Zweck wurden in den vergangenen Jahren verschiedene
Verfahren für zerstörungsfreie Untersuchungen entwickelt, welche u.a. mit Ultraschallwellen,
Röntgenstrahlen, Magnetteilchen und dergl.
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arbeiten. Diese Verfahren wurden so weit entwickelt, daß sich bei
ihrer Anwendung Materialfehler mit großer Genauigkeit ermitteln lassen. Sie ermöglichen
jedoch keine Beurteilung der Bedeutung von Materialfehlern im Hinblick auf die Betriebsbedingungen.
So ist es möglich, daß an einem Metallteil Ermüdungsschäden auftreten, ohne daß
zunächst Brmüdungsrisse erkennbar werden. Dieser Zustand kann mit dem Ausdruck sich
anbahnende Ermüdungsschädentt umrissen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach anwendbares
und auswertbares Verfahren zum Erkennen von sich anbahnenden Ermüdungsschäden in
Metallteilen zu schaffen, welches im Lauf der Betriebslebensdauer des Metallteils
wiederholt anwendbar ist, ohne dabei die Betriebslebensdauer des Teils zu beeinträchtigen.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das zu untersuchende
Metallteil außer Betrieb gezogen wird, daß das Teil einer Zugspannung unterworfen
wird, welche wenigstens gleich der Betriebsbelastung des Teils ist, daß die Gesamtzahl
der unter der Zugbelastung auftretenden akustischen Emissionen bestimmt wird, daß
das Metallteil zuentlastet und erneut dem Betrieb zugeführt wird, da3 die vorstehend
genannten Schritte wiederholt
werden, bis die Beziehung zwischen
der Anzahl der akustischen Emissionen und der Anzahl der zyklisch wiederholten BrmüdunCsbelastungen
einen sich anbahnenden Ermüdungsschaden erkennen läßt, und daß das Metallteil endgültig
aus dem Betrieb gezogen wird, bevor ein erkennbarer Ermüdungsriß darin auftritt.
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Bei plastischer Verformung oder Bruch von festen Werkstoffen wird
Energie freigesetzt. Ein Teil dieser Energie tritt in Form von vorübergehenden Schwingungen
auf, welche im folgenden als akustische Emissionen bezeichnet sind.
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Zahlreiche Werkstoffe geben bei der Verformung akustische Schwingungen
im Hörbereich und im Subaudiobereich ab. Diese als akustische Emissionen bezeichneten
Schwingungen können aufgezeichnet und ausgewertet werden, um Erkenntnisse über das
Verformungsverhalten des Materiales zu gewinnen und ein sich anbahnendes Materialversagen
festzustellen.
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Bei der plastischen Verformung von Metallen werden drei verschiedene
Arten von Energie freigesetzt, nämlich eine als Kramereffekt bezeichnete Elektronenemission,
eine thermische Emission, welche sich als ein Temperaturgradient im Bereich eines
Materialfehlers auswirkt, und als akustische Emissionen bezeichnete Spannungswellen.
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Viele Metallteile sind während ihrer Betriebslebensdauer plastischer
Verformung, Bruch und schließlich endgültigem Versagen unterworfen. Von besonderem
Interesse im Rahmen der Erfindung sind metallene Leitungen für Bohrlöcher, d.h.
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also Bohrgestänge und Saugrohre zum Abführen von Öl aus fertigen Bohrlöchern.
Derartige Metallteile sind während ihrer Betriebslebensdauer sehr hohen Belastungen
unterworfen. Es erscheint daher zweckmäßig, diese Metallteile sorgfältig zu überwachen,
damit sie möglichst lange in Betrieb verwendet, andererseits jedoch ausgewechselt
werden können, bevor sie zu Bruch gehen.
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Bei der Verformung eines Metalls werden zwei Arten von akustischen
Impulsen erzeugt, welche sich hinsichtlich ihrer Amplitude und ihrer zeitlichen
Aufeinanderfolge unterscheiden. Die eine, als kontinuierliche Emission bezeichnete
Art besteht aus schnell aufeinander folgenden Impulsen kleiner Amplitude. Die kontinuierliche
Emission ist Verlagerungsbewegungen in kleinem Maßstab zuzuschreiben. Als zweite
Art von Emissionen treten Stoßimpulse mit großer Amplitude in unterschiedlichen
Zeitabständen während der Verformung des Metalls auf. Diese werden örtlichen Verformungsvorgängen
zugeschrieben, etwa mechanischer Zwillingsbildung, Flächenschlupf und Bildung von
Haarrissen und feinsten Hohlräumen.
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Beim Verformen von Werkstoffen mit komplexem Gefüge, etwa Stahl, ergibt
sich sowohl eine kontinuierliche Emission aus der allgemeinen Verformung des Ferritgefüges
als auch eine örtliche Stoßemission durch Hohlraumbildung an den Karbid-Ferrit-Grenzflächen.
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Da die Stoßemissionen eine sehr viel größere Amplitude haben als die
kontinuierliche Emission, sind sie leichter feststellbar. Außerdem ergeben sich
Stoßemissionen aus örtlichen Materialfehlern, so daß ihnen für die Beurteilung des
Zustands des Materials eine erhöhte Bedeutung zukommt.
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Ein zu untersuchendes Metallteil wird vorzugsweise nahe seinen beiden
Enden eingespannt und durch Zug unter Spannung gesetzt. Die akustische Emissionscharakteristik
des Metallteils kann entweder durch Zählung der Gesamtzahl der akustischen Emissionen
oder durch Zählung der auf die Einheit der Belastung bezogenen Anzahl der Emissionen
ermittelt werden.
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Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung
zum Bestimmen der akustischen Emissionscharakteristik eines Metalltells und Fig.
2 eine grafische Darstellung der für ein Metallteil ermittelten akustischen Emissionscharakteristik.
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Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens enthält einen akustischen Wandler, etwa einen elektrodynamischen Wandler
oder ein piemoelektrisches Akzelerometer, welches mittels einer Übertragungsflüssigkeit
12, etwa ein Epoxidharz oder Leichtöl, an ein Metallteil 10 ankoppelbar ist. Die
bei Anlegen einer Zugspannung an das Metallteil 10 von dem Wandler erzeugten schwachen
elektrischen Signale werden über ein Bandpaßfilter 16 und einen Vorverstärker 18
einem Verstärker 20 zugeleitet. Nicht von akustischen Emissionen herrührende Störgeräusche,
etwa von Werkzeugen od. dergl. verursachte, haben Frequenzen von weniger als 25
kHz. Daher wird für die Auswertung gewöhnlich eine sehr hohe Frequenz von beispielsweise
50 kHz bis 3 MHz herangezogen. Das Bandpaßfilter 16 erhöht das Signal-Rauschverhältnis.
Das sich ergebende Signal kann akustisch oder optisch dargestellt werden. Für die
akustische Darstellung wird das Signal über einen Audioverstärker 38 einem Lautsprecher
40 zugeführt. Für die optische Darstellung wird das Signal über einen im gewählten
Frequenzbereich eine lineare Ansprechcharakteristik aufweisenden Zähler 24 und einen
Analogwandler 26 einem Kurvenschreiber 28 zuge führt. Dieser ist ferner mit einem
der Belastung 30 des Metallteils 10 entsprechenden Signal gespeist. Eine votit Kurvenschreiber
28 aufgezeichnete typische Darstellung zeigt Fig. 2. In noch einer anderen Ausführung
kann das vom Wandler 14 erzeugte Signal über einen Leistungsverstärker 32 einem
Spektralanalysator 34 zugeführt und an einem Oszilloskop 36 direkt beobachtet werden.
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Fig. 2 zeigt eine unter Verwendung der Anordnung nach Fig. 1 mit einem
piezoelektrischen Wandler aufgezeichnete grafische Darstellung der akustischen Emissionen
eines Probestücks aus Nangan-Kohlenstoffstahl bei einer Spitzenbelastung von ca.
2110 kp/cm2 in einer Reihe von periodischen Untersuchungen. Die Gesamtzahl der Emissionen
erhöhte sich bis zu etwa 40 000 Belastungezyklen im wesentlichen linear. Von 40
000 bis etwa 60 000 Belastungszyklen ist ein steilerer Anstieg der Gesamtzahl der
Emissionen zu verzeichnen. Innerhalb dieser Spanne liegt der Bereich von sich anbahnenden
Ermüdungsschäden. Nach einem kurzzeitigen flacheren Verlauf der Kurve steigt die
Gesamtzahl der Emissionen von 70 000 bis 80 000 Belastungszyklen wiederum schnell
an, bis ein Bruch der Probestücks eintritt. Anhand dieser Darstellung ist somit
zu erkennen, daß das Metallteil über wenigstens etwa 70 000 Belastungszyklen sicher
verwendbar ist, bevor es ausgewechselt werden muß.
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Die Prüfbelastung des Metallteils beträgt vorzugsweise etwa das Ein-
bis Zweifache der normalen Betriebsbelastung.
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Ein zusätzlicher Vorteil der periodischen Untersuchungen auf akustische
Emissionen liegt darin, daß die Untersuchungen selbst die Betriebslebensdauer von
so untersuchten Bohrges-tängen oder Rohren um das Drei- bis Vierfache der Lebensdauer
ohne periodische Untersuchungen erhöht.
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Die akustischen Emissionen eines Werkstoffs sind in bezug auf die
Belastung irreversibel. Wird ein einen Materialfehler enthaltendes Teil bis zu einer
vorbestimmten Belastung untersucht und die Belastung anschließend aufgehoben, so
treten bei einer folgenden Untersuchung keine akustischen Emissionen auf, bis die
Belastung die vorher aufgewendete übersteigt. Hat sich jedoch der Materialfehler
in der Zeitspanne zwischen den beiden Untersuchungen
vergrößerst,
etwa durch Rißbildung, Ermüdungskorrosion oder Spannungskorrosion, bewirkt die sich
aus den größeren Abmessungen des Materialfehlers ergebende erhöhte Konzentration
der Spannungen auch bei der gleichen Belastung eine weitere plastische Verformung
im Bereich des Materialfehlers. Die zusätzliche plastische Verformung führt zu akustischen
Emissionen, deren Intensität proportional der Zunahme des Materialfehlers ist. Damit
läßt sich durch periodische Untersuchungen unter Beobachtung der akustischen Emissionen
eine durch Zunahme eines Materialfehlers verursachte Schwächung des Gefuges feststellen.
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Sämtliche aus der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der
Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung können sowohl für sich
als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.