DE2749836B2 - Zerstörungsfreie Prüfung der Ermüdung von Bauteilen - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft die zerstörungsfreie Prüfung
der Ermüdung von Bauteilen mit einem auf der Ober
fläche des Bauteils innig befestigten Metallstreifen, der aus einem Werkstoff mit kleiner kritischer Schubspannung besteht und auf seiner freiliegenden Oberfläche zu Beginn der Wechselbeanspruchung ein hohes Reflexionsvermögen aufweist, nach Patent
2417232.
Dem Gegenstand des Hauptpatents liegt die Aufgabe zugrunde, die Ermüdung von Bauteilen zerstörungsfrei zu prüfen und hierfür eine Metallfolie zu
wählen, deren Eigenschaften sich deutlich erkennbar bei fortschreitender Ermüdung verändern. Mit Hilfe
von Metallfolien mit kleiner kritischer Schubspannung, die an ihrer freiliegenden Oberfläche zu Beginn
der Wechselbeanspruchung ein hohes Reflexionsvermögen aufweisen und mit zunehmender Beanspruchung eine zunehmende Erblindung erleiden, gelingt
es, eine zerstörungsfreie Prüfung der Ermüd-mg von
Bauteilen durchzuführen und eine sichere Aussage über die Restlebensdauer eines Bauteils zu machen.
Dies ist z. B. in der Luftfahrt von lebenswichtiger Bedeutung für Pilot und Passagiere. Das Meßergebnis
ist dabei völlig unabhängig von statischen Restspannungen, da sie auf das Reflexionsvermögen keinen
Einfluß haben.
Die mit dem Gegenstand des Hauptpatents erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die
Meßstreifen weitgehend dem Ermüdungsverhalten des zu prüfenden Bauteils angepaßt werden können,
wobei Störeinflüsse durch statische Spannungen und Temperaturen entfallen. Außerdem ist die Ermüdungsprüfung bei allen Werkstoffen (auch Kunststoffen) anwendbar, wobei durch geringen meßtechnischen Aufwand während der Messung bzw. Beobachtung der Meßstreifen ein universeller Einsatz
gewährleistet ist. Da bei inniger Verbindung des Meßstreifens mit dem zu prüfenden Bauteil die Übertragung aller Verformungen vom Bauteil auf den Meßstreifen gewährleistet ist, dient dieser als Speicher für
alte auftretenden Lastspiele. Für die Ermüdungscharakteristik des Meßstreifens ist primär die Verformungsamplitude maßgeblich. Es kann deshalb die an
einem beliebigen Werkstoff als Unterlage gemessene Charakteristik auf jeden anderen Werkstoff übertragen werden. Beim Verfahren gemäß dem Hauptpatent
erleidet eine glatte, meist spiegelnde, homogene Oberfläche einer Metallfolie durch das Aufbringen
von Lastwechseln eine zunehmende Erblindung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zerstörungsfreie Prüfung der Ermüdung von Bauteilen
die Gegenstand des Hauptpatents ist, hinsichtlich Me£g:nauigkeit, Ansprecnschwelle und Reproduzierbarkeit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Metallstreifen aus einer einkristallinen
Folie definierter Kristallorientierung gebildet ist.
Bei Verwendung von einkristallinen Folien aus reinen oder hochreinen Metallen kann eine extrem homogene Ausbildung der Oberflächenstrukturen und
damit eine hohe Meßgenauigkeit der Reflexionsmessung und Reproduzierbarkeit erzielt werden, Gleichzeitig erlaubt eine günstige Kristallorientierungsauswahl die höchstmögliche Ermüdungsempfindlichkeit.
Die obenangegebene Aufgabe wird ebenfalls durch Metallstreifen gelöst, die aus einer polykristallinen
Folie mit homogener, möglichst feiner und genau spezifizierter Korngröße und Orientierungsverteilung
gebildet sind.
höchster Empfindlichkeit Metalle verwendet, deren Reinheit besser als 99,99% ist. Für Ermüdungsmeßstreifen geringerer, jedoch ebenfalls reproduzierbarer
Empfindlichkeit werden Materialien geringerer Reinheit mit nach Art und Konzentration definierten Verunreinigungen oder Legierungen verwendet.
Die Herstellung von Meßstreifen mit höchster Empfindlichkeit durch Verwendung von Metallen mit
geringer Verfestigung bei Raumtemperatur (z. B. Metalle hoher Stapelfehlerenergie) hat sich als günstig
erwiesen. Für Anwendungen bei überwiegend Raumtemperatur oder tieferer Temperatur werden als
Meßstreifen, z. B. Materialien wie Al, Sn, In, Zn, Au, Ag, Cu, Pb, Ni, Ti verwendet. Zur Anwendung des
Verfahrens bei höheren Temperaturen (z. B. Turbinen) eignen sich als Meßstreifen auch Materialien mit
höherem Schmelzpunkt wie z. B. Co, Cr1 V, Ti, Mo, Te, Ta, Au, Ni, Cu, Ag. Die Meßstreifen müssen bei
der jeweiligen Betriebstemperatur und den auftretenden Spannungen ausgeprägt plastisches Verhalten
zeigen.
Verwendet werden insbesondere Metallfolien spezifizierter Dicke im Bereich von IO bis 100 um.
Es ist vorteilhaft, den Meßstreifen vor der Anwendung auf einer Trägerfolie höherer Festigkeit und hoher Elastizität (mindestens I % Dehnung bei der Elastizitätsgrenze), wie z. B. auf einer Kunststoffolie von
20 bis 150 μπι Dicke oder auf einer verfestigten Metallfolie zu befestigen. Dabei kann der Meßstreifen
als größere Fläche aufgebracht werden oder es können
einzelne Meßstreifen auf der Trägerfolie befestigt werden. Bei der Anwendung νird dar.j die Trägerfolie mit dem Bauteil innig verbunden.
Die Meßstreifen werden mit eine* Selbstklebe-Schutzfolie (z. B. Kunststoffolie) geringer Klebekraft
versehen, um während Lagerung, Versand und Befestigung an einem Meßobjekt die reflektierende Oberfläche vor Beschädigungen zu schützen. Nach Befestigung auf dem Meßobjekt muß die Schutzfolie ohne
Beschädigung des Meßstreifens rückstandsfrei entfernbar sein.
Die Befestigung des Meßstreifens auf der Meßstelle geschieht in bekannter Weise mittels Kleben, Plattieren, Weich-, Hart-Löten oder Diffusionsschweißen.
Zur Ermüdungsbestimmung an gewölbten Flächen ist es vorteilhaft, eine Zwischenschicht zwischen Meßstreifen und Bauteil anzubringen, die sich auf der dem
Bauteil zugewandten Seite an dessen Krümmung angepaßt und auf der anderen Seite eben ist. Damit werden Störungen der Reflexionsmessung duch Fokussierung oder Zerstreuung vermieden.
Beim Einsatz an der Meßstelle wird der Meßstreifen gegen chemische und mechanische Beschädigung
durch
- Selbstklebefolie mit Polstereinlage (z. B. Filz, Schaumstoff, Styropor, Mull),
- aufgesprühte oder aufgestrichene Kunststoffschicht, die abziehbar ist,
- festhaftende Kunststoffschicht, die voll durchsichtig bleibt und die Reflexionsmessung nicht
beeinträchtigt,
- festhaftende Schicht eines reflektierenden Materials, das mitverformt wird,
- abnehmbare Kapselung,
- Trockenmittel, das in die Abdeckung mit eingearbeitet ist (mit und ohne Farbindikator),
geschützt.
streifen (ζ. B. Meßstreifen mit Walztextur oder Einkristall-Meßstreifen) lassen sich auch die Richtungen
dynamischer Spannungen ermitteln.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Lebensdauerverfolgung an einem Bauteil, das relativ niedrigen dynamischen Spannungen ausgesetzt ist.
1(1 Als Meßstreifen werden einkristalline Folien aus
mind. 99,99% AI, mind. 99,99% Sn oder mind.
99,99% In ausgewählt. Diese Materialien sind bereits im Ausgangszustand außerordentlich weich. Die
Dicke der Metallfolien liegt bei ca. 50 μπι. Die Metall-
'"' folien werden mit Hilfe von Paraffin oder einem ähnlichen Material mit Schmelzpunkt zwischen Raumtemperatur und 100° C auf ebenen, polierten Unterlagen
befestigt. Hierzu wird die Unterlage über den Schmelzpunkt des Paraffins erhitzt. Die aufgeklebten
-" Metallfolien werden im Vibrator mit Tonerde poliert
und danach durch Erhitzen der Unterlage wieder abgelöst. Anschließend werden aus den einkristallinen
Folien Meßstreifen von ca. lern2 Größe herausgeschnitten, wobei darauf zu achten ist, daß eine für die
-'"> Ermüdung geeignete Kristallorientierung eingehalten und gekennzeichnet wird. Um den Zustand »weich«
vollständig wieder herzustellen, werden die Meßstreifen nach Glätten der Schnittkanten bei V3 bis V4 ihrer
Schmelztemperatur 0,5 bis 2 h getempert. Die polierte
ii> Fläche wird sodann mit einer leicht lösbaren Selbstklebeschutzfolie überzogen. Die so vorbereiteten
Meßstreifen können dann an den vorgesehenen Stellen des Bauteils angebracht werden. Dies erfolgt am
besten durch Kleben, wobei die üblichen Maßnahmen
»■*> zur Vorbereitung der Klebeflächen zu treffen sind.
Verwendet werden Metallkleber höchster Haftfestigkeit, vorzugsweise schnell abbindende Kleber. Bei
langsam abbindenden Klebern muß eine Fixierung des Meßstreifens verwendet werden. Nach erfolgter KIe-
i-.i bung wird die Schutzfolie abgezogen und die Ausgangsreflexion des Meßstreifens gemessen.
Zum Schutz vor äußerer Beschädigung während des Betriebes muß die Oberfläche des Meßstreifens erneut abgedeckt werden. Hierzu kann eine Selbstkle-
■n befolie hoher Klebekraft dienen, die im Bereich des
Meßstreifens mit einer Filzeinlage versehen ist, so daß sie am Meßstreifen selbst nicht haftet. Zur Bestimmung der Reflexionsintensität der Meßstreifen wird
die Abdeckung jeweils kurzzeitig entfernt.
Vi Entsprechend den äußeren Bedingungen, denen
das Bauteil ausgesetzt ist, sind auch andere Abdeckungen denkbar, wie z. B. ein durchsichtiger
Schutzlack, der dauernd auf der Metallfolie verbleibt oder ein abziehbarer Schutzlack, der nach jeder Mes-
v, sung wieder neu aufgebracht wird oder eine abnehmbare Kapsel mit Klemm-, Bajonett- oder Schraubverschluß, deren Gegenstück (z. B. Ring) am Bauteil
festhaftend angebracht wird.
Lebensdauerverfolgung bei ebenfalls relativ niederen Spannungshorizonten. Als Meßstreifen werden
polykristalline Metallfolien aus Materialien geringer kritischer Schubspannung und geringer Verfestigung
h, (relativ hoher Stapelfehlerenergie) wie z. B. Al, Sn,
In, der Reinheit mindestens 99,99% ausgewählt. In bezug auf eine homogene Ausbildung der Oberflächenstrukturen bei der späteren Wechselbelastung
sollte das Material ein möglichst homogenes und feinkörniges Mikrogefüge aufweisen. Falls die Metallfolien
eine Walztextur enthalten, sollte die Hauptspannungsrichtung mit der Walzrichtung der Folie
(Richtung höchster Empfindlichkeit) übereinstimmen. Die weitere Vorgehensweise kann entsprechend
Beispiel 1 erfolgen.
Lebensdauerverfolgung bei relativ hohen Spannungshorizonten. Es werden Metallfolien mit etwas
höherer kritischer Schubspannung ausgewählt wie z. B. 99,5% AI, Sn, Zn, In oder mindestens 99,99%
Ni, Au, Ag, Ti, Cu oder einfache Legierungen wie z. B. AlSi 6. Weitere Vorgehensweise wie bei Beispiel
1 und 2.
Auswahl der Metallfolien wie bei Beispiel 1 bis 3. Modifizierung der Präparation dadurch, daß die reflektierende
Oberfläche durch Elektropolieren oder chemisches Polieren erzeugt wird. Hierzu werden die
Metallfolien einseitig abgedeckt (z. B. mit säurefestem Lack) und in das entsprechende Bad getaucht.
Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem mechanischen Polieren liegt in der geringeren mechanischen
Beanspruchung der Metallfolie.
Auswahl der Metallfolien wie bei Beispiel 1 bis 3. Modifizierung der Präparation dadurch, daß unmittelbar
nach dem Poliervorgang größere Folienstücke wärmebehandelt werden, danach mit einer Selbstklebeschutzfolie
versehen werden und erst dann einzelne Ermüdungsmeßstreifen der entsprechenden Orientierung
entnommen werden.
Auswahl der Metallfolien wie bei Beispielen 1 bis 3. Größere Folienabschnitte oder bereits zugeschnittene
Meßstreifen werden auf eine Trägerfolie aus einem Kunststoff hoher Festigkeit und Elastizität (Dehnung
der Elastizitätsgrenze mindestens 1%) aufgeklebt. Der Poliervorgang kann dabei entweder vorher
durch Vibrationspolieren oder er kann nach Aufbringen der Trägerfolie durch Vibrationspolieren oder
Polieren mit einer schnellaufenden Stoffscheibe erfolgen. Die Trägerfolie erweist sich bei der Befestigung
"' auf Bauteilen mit leichten Oberflächenrauhigkeiten vorteilhaft. Sie dient ferner der leichteren Handhabbarkeit,
da die Metallfolien allein sehr weich sind.
in Beispiel 7
Befestigung der Metallfolie auf einer Trägerfolie wie bei Beispiel 6, jedoch Verwendung einer Metallfolie
ausreichend hoher Dehngrenze, z. B. durch Kleben, Löten, Diffusionsschweißen.
Lebensdauerverfolgung an einem dynamisch belasteten Bauteil, wobei die Hauptspannungsrichtung
nicht bekannt ist. Meßstreffcin werden entsprechend
-" Beispiel I bis 5 präpariert. Ausgewählt werden solche
Metallfolien, die eine starke Anisotropie in ihrer Ermüdungsanzeige aufweisen. Dies können sowohl einkristalline
Folien als auch Streifen mit Walztextur sein. Solche Streifen werden rosettenartig auf dem Bauteil
-"> befestigt. Aus dem unterschiedlichen Ansprechen der
unter verschiedenen Winkeln angebrachten Meßstreifen können dann Hauptspannungsrichtung unc
Ermüdungszustand unabhängig voneinander bestimmt werden.
Lebensdauerverfolgung aus Bauteilen mit höherer Betriebstemperatur. Hierfür werden Metallfolien
ausgewählt, die bei der Betriebstemperatur des Bau-
i"i teils eine geringe Verfestigung und eine geringe kritische
Schubspannung aufweisen und die bei den entsprechenden Umgebungsbedingungen beständig gegen
Korrosion und Oxydation sind. Es kommen z. B. AI, Ni, Au, Cr, Co, Ti, Ag in Frage. Die Präparation
··> erfolgt wie bei Beispielen 1 bis 5, Die Befestigung
kann bei höheren Betriebstemperaturen nicht mehr durch Kleben erfolgen. Hier müssen daher Techniken
wie Weichlöten, Hartlöten oder Diffusionsschweißen angewandt werden.
Claims (9)
1. Zerstörungsfreie Prüfung der Ermüdung von Bauteilen mit einem auf der Oberfläche des Bauteils innig befestigten Metallstreifen, der aus einem Werkstoff mit kleiner kritischer Schubspannung besteht und auf seiner freiliegenden
Oberfläche zu Beginn der Wechselbeanspruchung ein hohes Reflexionsvermögen aufweist, nach
Patent 2417232, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstreifen aus einer einkristallinen
Folie definierter Kristallorientierung gebildet ist.
2. Zerstörungsfreie Prüfung der Ermüdung von Bauteilen mit einem auf der Oberfläche des Bauteils innig befestigten Metallstreifen, der aus einem Werkstoff mit kleiner kritischer Schubspannung besteht und auf seiner freiliegenden
Oberfläche zu Beginn der Wechselbeanspruchung ein hohes Reflexionsvermögen aufweist, nach Patent 2417232, dadurch gekennzeichnet, daß der
Metallstreifen aus einer polykristallinen Folie mit homogener, möglichst feiner und genau spezifizierter Korngröße und Orientierungsverteilung
gebildet ist.
3. Metallstreifen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Metallfolie 10 bis 100 μπι beträgt.
4. Metallstreifen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie aus
einem Werkstoff mit geringer Verfestigung bei Raumtemperatur, beispielsweise aus einem Metall
reit hoher Stapelfehlerenergie besteht.
5. Metallstreifen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie aus
einem Werkstoff besteht, der bei der jeweiligen Anwendungstemperatur eine ausgeprägte plastische Verformbarkeit und eine geringe Verfestigung aufweist.
6. Metallstreifen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie aus
einem Material der Reinheit mindestens 99,99% besteht oder definierte Legierungsbestandteile
oder Verunreinigungen enthält.
7. Metallstreifen nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie im
Betrieb mit einem Oberflächenschutz aus selbstklebender Abdeckung, abziehbarer Kunststoffschicht, reflektierender Schicht oder einer Kapselung versehen ist.
8. Metallstreifen nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung anisotroper Meßstreifen (Streifen mit Walztextur oder
Einkristallstreifen) in rosettenartiger Anordnung an der Meßstelle.
9. Metallstreifen nach Anspruch 1 bis 8 für die zerstörungsfreie Prüfung der Ermüdung an gewölbten Flächen, gekennzeichnet durch Aufbringung einer Zwischenschicht die einerseits der
Bauteilwölbung angepaßt ist und auf der anderen Seite eine ebene Fläche besitzt.
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