DE3119287A1 - Verfahren zur bestimmung der ermuedungsdauer von metallen - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der ermuedungsdauer von metallen

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Description

-4-Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Ermüdungsdauer von Werkstoffen oder Metallen, insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung der Ermüdungsdauer, indem
man ein Metall, das zyklischen Belastungen ausgesetzt ist, mit Röntgenstrahlen bestrahlt und die Halbwertsbreite einer Kurve der gestreuten Röntgenstrahlenintensität verwendet.
10
Ein herkömmliches Verfahren zur Bestimmung der Ermüdungsdauer von Werkstoffen oder Metallen, das auf der Röntgenstrahlenbeugung beruht, umfaßt folgende Schritte: eine Metallfolie wird auf ein zu messendes Teil aufgeklebt, '5 die Metallfolie wird zusammen mit dem zu messenden Teil der Ermüdung ausgesetzt, und die Metallfolie wird mit Röntgenstrahlen bestrahlt, um den Grad der Ermüdung des zu messenden Teiles zu bestimmen, und zwar auf der Basis der Integrationsbreite der resultierenden Röntgenstrahlen-2" Beugungslinie. Oder aber die Ermüdungsdauer wird aus einer Relation zwischen der Änderung der Restspannung und der Änderung der Halbwertsbreite der gebeugten Röntgenstrahlen im Falle von Kohlenstoffstahl, der geglüht ist, oder im
Falle von einem Material bestimmt, das einer Bearbeitung nc
durch Drehen ausgesetzt ist.
Bei dem zuerst genannten Verfahren mit dem Aufkleben der Metallfolie ist es jedoch schwierig, die Beschädigung durch Ermüdung der Teile abzutasten, wenn die Metallfolie nicht
befestigt oder aufgeklebt werden kann. Außerdem ist es schwierig, die Metallfolie so aufzukleben, daß sie der Ermüdung in gleichem Maße wie die zu messende Probe ausgesetzt ist, sowie die Metallfolie von der Probe in der Weise abzulösen, daß die Beschädigung durch Ermüdung nicht
geändert wird. Die obigen Probleme treten nicht bei dem zuletzt genannten Verfahren auf, bei dem die Probe mit Röntgenstrahlen bestrahlt und eine Intensitätskurve der
gebeugten Röntgenstrahlen verwendet wird. Bei dem zuletzt genannten Verfahren wird jedoch keine Änderung bei der Halbwertsbreite der gebeugten Röntgenstrahlen in Abhängigkeit von dem Verarbeitungsverfahren oder der Wärmebehandlung erkannt, auch wenn die Probe durch Ermüdung verformt wird. Die Beschädigung durch Ermüdung wird nämlich oft nicht festgestellt, so daß sich die Ermüdungsdauer nicht genau bestimmen läßt.
Aufgabe der Erfindung ist es, in Anbetracht der oben geschilderten Probleme ein Verfahren zur Bestimmung der Ermüdungsdauer von beliebigen metallischen Materialien unter Aufrechterhaltung der Präzision zu schaffen, und zwar unabhängig von der Art oder dem Zustand der metallisehen Materialien.
Gemäß der Erfindung wird nämlich die Lebensdauer des Metalls indirekt bestimmt, indem man ein Metall auf ein Aussparungsteil aufdampft, das durch Herausschneiden eines Teiles aus dem zu messenden Metallmaterial gebildet ist, wobei das aufgedampfte Metall eine Halbwertsbreite von gebeugten Röntgenstrahlen zeigt, die sich in Abhängigkeit vom Grad der Verformung durch Ermüdung ändert, und daß man die Halbwertsbreite der gebeugten Röntgenstrahlen
mißt, welche vom aufgedampften Metall erzeugt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt
Fig. 1 bis 5 Darstellungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips; und in
Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläute-
rung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Bestimmung der Ermüdungsdauer.
-δ-Nachstehend ist näher erläutert, wie die Halbwertsbreite des gebeugten Röntgenstrahles, der durch Bestrahlen eines metallischen Materials mit Röntgenstrahlen erhalten wird, sich bei der Ermüdung des metallischen Materials ändert, und zwar im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3.
In Figur 1 wird ein metallisches Material M mit einem Röntgenstrahl X bestrahlt, und ein gebeugter Röntgenstrahl X', der in einer Richtung unter einem Winkel 2Θ relativ zur Bestrahlungsrichtung gebeugt wird, wird mit einem Detektor D abgetastet. Der Detektor D bewegt sich, wie es schematisch dargestellt ist, um den gebeugten Röntgenstrahl X1 unter dem Beugungswinkel 2Θ abzutasten, und erzeugt ein Signal einer Röntgenstrahlen-Beugungsintensität I. Diese Röntgenstrahlen-Beugungsintensität I ändert sich, wie es in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, wenn die Spannungslinien-Zykluszahl N für das metallische Material M sich gemäß 0-5-N1 +N2 ändert, wobei CO < N1 < N2) . In diesem FaI-
ie repräsentiert die Halbwertsbreite b_ die Breite eines Beugungswinkels bei einer Röntgenstrahlen-Beugungsstärke, die größer ist als die Röntgenstrahlen-Beugungsintensität bei I2 = (I3 - I1)/2, wobei I3 einen Spitzenwert der Intensität und I1 einen unteren Wert der In ten-
sität bezeichnen. Wenn das metallische Material M geglüht ist, nimmt die Halbwertsbreite Werte an, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Die Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Beugungsintensität I nimmt nämlich
allmählich mit der Zunahme der Ermüdung zu. Bei dem on
metallischen Material M, das der plastischen Verformung ausgesetzt wird, nimmt andererseits die Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Beugungsintensität I allmählich bei einer Zunahme der Ermüdung ab.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 4 repräsentiert die Abszisse ein Spannungswechselverhältnis N/Nf, wobei N die Spannungswechselzahl und Nf die Ausfallzahl bezeichnen, während die Ordinate die Halbwertsbreite b während des Vorganges der Ermüdung repräsentiert. In Fig. 4 bezeichnen die Symbole bn, b- und b? Halbwertsbreiten, wenn die Spannungslinien-Wechselzahl die Werte 0, N- und N2 hat. Eine Kurve A repräsentiert ein geglühtes Material, eine Kurve B repräsentiert ein Material, das der plastischen Verformung ausgesetzt ist, der Punkt £_bezeichnet Ausfallpunkte, und N (= Nf - N) repräsentiert eine bleibende Anzahl von Zyklen vom Augenblick der Zykluszahl oder Wechselzahl N zum Ausfallpunkt, d.h. die Ermüdungsdauer (verbleibende Lebensdauer). Wie in Fig. 4 dargestellt, ist die Relation zwischen dem Spannungswechselverhältnis und der Halbwertsbreite durch eine einzige Linie dargestellt, die nicht von der Belastungsamplitude abhängt, auch wenn es sich um geglühtem Material oder plastisch " erformtes Material handelt. Wenn daher eine Hauptkurve gespeichert ist, welche eine Relation zwischen dem Spannungswechselverhältnis und der Halbwertsbreite angibt, kann das Spannungswechselverhältnis N/Nj- aus der Hauptkurve gefunden werden, indem man sich auf die Messung der Halbwertsbreite b des metallisehen Materials verläßt. Somit ist es möglich, ohne weiteres die verbleibende Anzahl von Zyklen von der Anzahl von Zyklen N in diesem Augenblick bis zur Ausfallpunkt zu finden, d.h. ohne weiteres die Ermüdungsdauer
N zu finden. Wenn die Anzahl von Zyklen N1 nicht offenen
sichtlich ist, wird das Material der Ermüdung für eine Anzahl von Zyklen N2 ausgesetzt, wobei N- - N- = N gilt, und es wird eine Halbwertsbreite b- gemessen, um die Ermüdungsdauer gemäß den nachstehenden Gleichungen zu finden. Berücksichtigt man nämlich, daß die An-
zahl N von Spannungswechseln und das Spannungswechselverhältnis eine proportionale Relation in Fig. 3 bilden, so kann die Ermüdungsdauer aus der nachstehenden Gleichung
T ermittelt werden:
N N
r (i).
N2/Nf - N.,/Nf 1 - N2/Nf
Somit gilt für die Ermüdungsdauer N
N2/Nf - N1/Nf
wobei N1/N^ und N~/N.p gefunden werden, indem man die gemessenen Halbwertsbreiten b1 und b0 auf die Hauptkurve gibt. Außerdem ist es möglich, die übrige verwendbare Zeit zu finden, indem man die Zeit ermittelt, in der das Material verwendet wurde, anstatt die Anzahl N von Zyklen zu ermitteln.
Die Ermüdungsdauer wird in der nachstehend beschriebenen Weise bestimmt. Wie aus Figur 5 ersichtlich, zeigen jedoch einige Materialien eine Relation zwischen dem Spannungs-WechselVerhältnis N/N^ und der Halbwertsbreite b, die sich ein wenig ändert. Im Falle von Materialien, bei denen sich zeigt, daß die Halbwertsbreite b sich ein wenig ändert, ist es nicht möglich, die Ermüdungsdauer aus der Hauptkurve zu bestimmen. Zum Beispiel zeigt Stahlguß, wie
*5 z.B. Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl und Chrom-Molybdän-Stahl eine Halbwertsbreite, die sich ein wenig ändert, was es schwierig macht, die Ermüdungsdauer zu bestimmen.
Außerdem machen es Metalle, die unter Hochtemperaturbedin-
gungen oder unter Korrosionsbedingungen verwendet werden, schwierig, die Ermüdungsdauer zu ermitteln, da ihre Oberflächen mit Oxidteilchen oder Korrosionsprodukten bedeckt sind.
Gemäß der Erfindung wird somit ein Metall, bei dem sich die Halbwertsbreite in Abhängigkeit von der Verformung durch Ermüdung ändert, an einem Teil eines zu messenden
' Gefüges angebracht, und es wird die Halbwertsbreite des Metalles gemessen, um die Ermüdung der zu messenden Struktur zu bestimmen. Dieses Verfahren ermöglicht es, das Ziel zu erreichen, wie es durch die Erfindung angestrebt ist. 5
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend unter Bezugnahme auf Figur 6 näher erläutert.
Zunächst einmal wird ein ausgespartes Teil mit einer Tie-•u fe von 1 mm und einer Fläche von 1x1 mm2 (maximale Fläche 4x4 mm2) durch Bearbeitung in einem Teil eines Elementes M1 ausgebildet, dessen Ermüdungsdauer gemessen werden soll, indem man eine Fräsmaschine oder eine Schleifmaschine verwendet. Dann wird das ausgesparte Teil mit einem säurefesten und korrosionsbeständigen Metall gefüllt, z.B. mit 25-Chromstahl oder SUS 304, und zwar mit einem Schweißverfahren oder mit einem Plasma-Schweißverfahren. Teile, die über die Oberfläche des Elementes M- vorstehen, werden entfernt. Somit wird ein Metall M„ durch eine
Schmelzverbindung gebildet. Die Oberfläche des Schmelzverbindungsmetalles M2 1 das in den Aussparungsteil des Elementes M.. eingefüllt ist, wird mit einem Schmi-rgelpapier oder einem Schleifmaterial geschliffen, um die Halbwertsbreite zu erhöhen, oder aber durch Beheizen mit
einem Gasbrenner oder dgl. geglüht, um die Halbwertsbreite zu verringern. Die Spannungswechselzahl N des Elementes oder die Zeit, in der es verwendet wurde, sollte aufgezeichnet werden, bevor die Messung mit dem Detektor D beginnt. Nachdem der gebeugte Röntgenstrahl X1 vom De-
tektor D gemessen worden ist, wird die Halbwertsbreite b des Schmelzverbindungsmetalles M2 gemessen. Unter Bezugnahme auf die Hauptkurve, die vorher aufgezeichnet worden ist, wird das Spannungswechselverhältnis N/Nf aus der
so gemessenen Halbwertsbreite b ermittelt, während sich "" die Ermüdungsdauer N aus der oben erwähnten Gleichung (2) finden läßt.
-ιοί Nachstehend ist die Relation der Lebensdauer zwischen dem Schmelzverbindungsmetall M„ und dem Element M1 näher erläutert. Materialien, die unter Hochtemperaturbedingungen verwendet werden, werden hauptsächlich durch die thermische Belastung gebrochen, die aus der Differenz der Temperaturverteilung stammt. Die thermische Beanspruchung kann einfach gegeben werden durch ε = β * ΔΤ , wobei ε die Belastung, β einen linearen Ausdehnungskoeffizienten und ΔΤ eine Temperaturdifferenz bezeichnen.
Somit befinden sich das Element M- und das Schmelzverbindungsmetall M~ in einer Dehnungsmessung. Wenn ein metallisches Material dem Ermüdungstest ausgesetzt ist, um ! eine S-N-Kurve zu messen, so erkennt man, daß die Kurve | in Abhängigkeit von den Materialien, der Art der Wärme- j
behandlung und der Art der Bearbeitung im Falle der Belastungsmessung stark schwankt. Gemäß der Erfindung, die auf der Belastungsmessung beruht, schwankt die S-N-Kurve sehr wenig/auch dann, wenn die Materialien oder die Verfahren zur Wärmebehandlung oder -bearbeitung geändert v?erden. Somit kann die Ermüdungsdauer des Schmelzverbindungsmetalles M2 nahezu gleich mit der Ermüdungsdauer des Elementes M- angesehen werden. Infolgedessen kann die vom Schmelzverbindungsmetall M2 gemessene Lebensdauer direkt als Lebensdauer des Elementes M- angesehen werden.
Der 25-Chrom-Stahl oder SUS 304-Stahl, die oben bereits erwähnt wurden, mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten ß, der größer ist als der des Elementes M-, werden
für das Schmelzverbindungsmetall M- verwendet. Somit zeigt on
das Schmelzverbindungsmetall M2 einen zunehmenden Grad der Ermüdung, was bedeutet, daß die übrige Lebensdauer bescheiden eingeschätzt wird, und die Lebensdauer der Elemente wird auf der Sicherheitsseite eingeschätzt.
Unter Hochtemperatur-Atmosphärenbedingungen unterliegen die Materialien einer kriechenden Verformung. Hier nimmt die Halbwertsbreite des gebeugten Röntgenstrahls mit der Zunahme der kriechenden oder schleichenden Verformung zu. Somit ist es auch möglich, den Schaden durch Kriechen abzutasten und die Ermüdungsdauer einzuschätzen.
Wie bereits erwähnt, macht es das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Ermüdungsdauer von Metallen möglich, die Ermüdungsdauer zu bestimmen und dabei die Präzision beizubehalten, und zwar unabhängig von der Art der zu messenden Metalle und unabhängig von den Bedingungen, in denen sich die zu messenden Metalle befinden. Dementsprechend lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren große industrielle Vorteile erzielen.
Leerseite

Claims (1)

  1. PATE NTANWÄLTE
    SCHIFF v. FÜNER STREHL SCHÜ BEL-HO FF EBBIfOGHAUS FINCK
    MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN SS
    HITACHI, LTD. 14..-Mai 1981
    DEA-25 478
    DEA-25478
    Verfahren zur Bestimmung der Ermüdungsdauer
    von Metallen
    Patentansprüche
    Verfahren zur Bestimmung der Ermüdungsdauer von Metallen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    es wird ein Aussparungsteil in einem metallischen Material ausgebildet, dessen Ermüdungsdauer zu bestimmen ist; in dem Aussparungsteil wird ein Metall mit einer Schmelzverbindung angebracht, wobei das Metall eine Halbwertsbreite besitzt, die in Abhängigkeit vom Grad der Verformung durch Ermüdung schwankt;
    ein gebeugter Röntgenstrahl wird abgetastet, der erhalten wird, wenn das Schmelzverbindungsmetall mit einem Röntgenstrahl bestrahlt wird;
    es wird die Halbwertsbreite in einer S-N-Kurve der Röntgenstrahlbeugung ermittelt, inden man von dem abgetasteten gebeugten Röntgenstrahl ausgeht; es wird die Ermüdungsdauer des metallischen Materials bestimmt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzverbindungsmetall geglüht oder plastisch verformt wird, bevor es mit dem Röntgenstrahl bestrahlt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Schmelzverbindungsmetall verwendet wird, das ein säurefestes Metall oder ein korrosionsbeständiges Metall ist.
    4. Verfahren zur Bestimmung der Ermüdungsdauer von Metallen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    es wird ein Aussparungsteil in einem metallischen Material ausgebildet, dessen Ermüdung zu bestimmen ist; in dem Aussparungsteil wird ein Metall durch Schmelzverbindung angeordnet, wobei das Metall eine Halbwertsbreite besitzt, die sich in Abhängigkeit von dem Grad der Verformung durch Ermüdung ändert; es wird ein gebeugter Röntgenstrahl abgetastet, der erhalten wird, wenn das Schmelzverbindungsmetall mit einem Röntgenstrahl bestrahlt wird; es wird die halbwertsbreite bei einer S-N-Kurve der Röntgenstrahlbeugung ermittelt/ indem man von dem abgetasteten gebeugten Röntgenstrahl ausgeht; es wird die Ermüdungsdauer des metallischen Materials ermittelt, indem man von einer Relation zwischen der Halbwertsbreite und dem Spannungswechselverhältnis des Schmelzverbindungsmetalles ausgeht, die vorher gespeichert worden ist.
    1 5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Schmelzverbindungsmetall geglüht oder plastisch verformt wird, bevor es mit Röntgenstrahlen bestrahlt wird. 5
    6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß als Schmelzverbindungsmetall ein säurefestes Metall oder ein korrosionsbeständiges Metall verwendet wird. 10
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DE3119287A1 true DE3119287A1 (de) 1982-03-11
DE3119287C2 DE3119287C2 (de) 1987-12-23

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