DE3153050T1

DE3153050T1 - Verfahren zum zerstoerungsfreien messen der dauerfestigkeit von ferromagnetischen werkstoffen

Info

Publication number: DE3153050T1
Application number: DE813153050T
Authority: DE
Inventors: Penti 33750 Tampere Kettunen; Pekka 33540 Tampere Ruuskanen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-11-18
Filing date: 1981-11-18
Publication date: 1983-12-29
Also published as: JPS58501966A; GB2120385B; GB8318424D0; GB2120385A; US4689558A; CA1185659A; FI813161L

Description

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Verfahren zum zerstörungsfreien Messen der Dauerfestigkeit von ferromagnetischen Werkstoffen

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren zur Bestimmung der Dauerfestigkeit von ferromagnetischen Werkstoffen.

Die Dauerfestigkeit wird dargestellt mittels der soge-■-— nannten S-N-Kurve, die experimentell dadurch bestimmt wird, daß die Prüfkörper bei verschiedenen Spannungs- oder Belastungsamplituden bis zum schließlichen Ermüdungsbruch beansprucht werden. Eine der wichtigsten Einzelheiten der S-N-Kurve ist die Dauerschwingfestigkeit oder Ursprungsfestigkeit, d.h. die begrenzende Beanspruchungs-" oder Spannungsamplitude, unter welcher die angelegten Amplituden nicht mehr länger einen

Ermüdungs- oder Dauerbruch bzw. eine Zerstörung der Prüfkörper herbeiführen können. Vom Gesichtspunkt der praktischen Anwendungen ist die Dauerschwing- oder Ursprungsfestigkeit auch der wichtigste Wert der Dauer- f" 20 Schwingfestigkeit. Die Bestimmung dieser Grenze im oben erwähnten , zerstörenden Verfahren erfordert einen Zeitraum von 5 bis 10 Tagen und Nächten, je nach der eingesetzten Prüfmaschine.

Es gibt auch einige zerstörungsfreie Verfahren zum Messen der Dauerfestigkeit , hauptsächlichem die Entwicklung der Strukturverschlechterung im Zusammenhang mit der Ermüdung zu verfolgen. Ein Kennzeichen dieser Verfahren besteht darin, daß sie einen Vergleich der Meßergebnisse mit denjenigen früherer Messungen oder denjenigen von Bezugsmaterialien« Diese Verfahren haben sich jedoch als ziemlich unzuverlässig erwiesen und weiterhin kann man mit ihnen die sehr wichtige Dauerfestigkeit, die Lastwechselzahl der Dauer-

Schwingfestigkeit nicht messen. Beispiele dieser Verfahren sind u.a. das Ermüdungseichmeßverfahren (Drahtdauerfestigkeitsverfahren) und Messungen der Koerzitivkraft.

Das vorliegende , zerstörungsfreie Verfahren zum Messen der Dauerschwingfestigkeit oder Dauerfestigkeit wendet die sogenannte mechanische Barkhausen'sehe Rauscherscheinung an . Als Erscheinung ist die mechanische Barkhausen¹sehe Rauschbildung mit den nicht umkehrbaren Veränderungen im magnetischen Zustand des Werkstoffes (mit den unterbrochenen Bewegungen der Blochwände unter dem Einfluß der mechanischen Belastung des Prüfkörpers in einem stabilen Magnetfeld oder in einem entmagnetisierten Zustand ) verwandt.

Besser bekannt ist der "gewöhnliche" Barkhausen-Rauscheffekt, der sich in einem wechselnden, äußeren Magnetfeld ergab. Zwecks Anwendung dieses "gewöhnlichen" Barkhausen-Rauscheffekts in der zerstörungsfreien . Meßtechnik wurde eine Anzahl Geräte entwickelt.

Auch die US-amerikanische Patentschrift Nr. 3.427,872 für die Messung der statischen Belastung oder des Spannungszustandes eines Werkstoffes mittels eines wechselnden, äußeren Magnetfeldes beruht auf diesem "gewöhnlichen" Rauscheffekt. Dieses Verfahren kann jedoch nicht für die Analyse des mechanischen Barkhausen¹sehen Rauschens noch für die Bestimmung der Dauerschwingfestigkeit oder Dauerfestigkeit des Werkstoffes benutzt werden.

Das Verfahren nach der Erfindung ist in den angeschlossenen Patentansprüchen gekennzeichnet,. Das Verfahren nach der Erfindung bietet den bemerkenswerten Vorteil, daß die Dauerschwing- oder Dauerfestigkeit in der Praxis sehr rasch bestimmt v/erden kann, z.B. in einem

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Zeitraum von 15 Minuten. Deshalb kann das Verfahren nach der Erfindung in der Praxis sofort zur Bestimmung angewandt werden, ob die dynamische Belastung eines Maschinenteils zu groß ist oder nicht.

Das Verfahren nach der Erfindung wird im einzelnen in der angeschlossenen Beschreibung unter gleichzeitigem Hinweis auf die beifolgenden Zeichnungen klargestellt,, worin

Figur 1 die erforderlichen Meßanordnungen bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung und

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel von Messungen nach dem Verfahren in verschiedenen Reihenfolgen

zeigen.

Einzelheiten der Meßanordnungen (Fig. 1)ί a. Der Prüfkörper unter Belastung oder Beanspruchung

b. Meßwertgeber oder Meßfühler, in dem die mechanische Barkhausen¹sehe Erscheinung EMK (Spannungs-) Impulse oder Signale indiziert? der Meßfühler kann abseits von der Oberfläche des Prüfkörpers untergebracht werden.

c. Verstärker

d. Diskriminator oder Modulationsumwandler, durch den die gewünschten Impulse aus den verstärkten Rauschsignalen zwecks Analyse gewählt werden.

e. Die Messung der Korngrößenverteilung, des effektiven Wertes, des Durchschnittes des Mittelwertes, der Frequenz.

f. Ausgang (Ausdrucken oder Aufzeichnen).

Figur 1 stellt durch waagrechte Linien und zusätzlich : durch den Buchstaben g die Magnetisierungsvorrichtung dar, durch welches der Prüfkörper oder das Prüfstück mit einem stabilen Magnetfeld magnetisiert werden kann, dessen Richtung geändert werden kann.

Der Buchstabe h zeigt zusätzlich die mit der Magnetisierungsvorrichtung verbundene Gleichstromquelle.
Die Magnetisierungsvorrichtung g und die Gleichströmquelle h werden im zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung benutzt.

Die Messung erfolgt in Stufen wie folgt:

Stufe 1: Mittels einer äußeren Belastung wird ein Gitterfehlerzustand im Prüfkörper geschaffen, der dLe nicht umkehrbaren Magnetisierungsänderungen innerhalb des

Prüfkörpers beherrscht. Beispielsweise wird die mechanische Belastungsamplitude F entweder stetig, wie nach /~» Figur 2a, oder in Stufen vergrößert, in welchem Fall

jede Stufe die Größenordnung von mehreren Amplituden aufweist. Gitterfehler bedeuten in diesem Zusammenhang z.B. Gitterstörstellen, mittels denen die plastische Verformung des Werkstoffes und damit auch die Ermüdung eintritt. In dem Maße, wie die Belastungsamplitude
vergrößert wird, wird der effektive Wert RMS

(quadratischer Mittelwert) der mechanischen Barkhausen· sehen Rauschimpulse im Verhältnis (Wechselbeziehung) zur Belastungsamplitude nach Fig. 2b erhöht.

Stufe 2: Die Belastungsamplitude F wird auf Null verringert.

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Stufe 3: Die Belastungsamplitude F wird, wie in Fig. 2c gezeigt, wieder vergrößert * Wenn die erste Vergrößerung der Belastungsamplitude F auf einen genügend hohen Wert vorgenommen wird, verläuft der Effektivwert RMS der induzierten mechanischen Barkhausen'sehen Rauschimpulse durch ein Maximum bei einem bestimmten Wert der Belastungsamplitude F, wie in Fig. 2 gezeigt wird. Es wurde festgestellt, daß dieser Wert der Belastungsamplitude sehr genau der Dauerschwingfestigkeit (oder Dauerfestigkeit} des ursprünglichen nicht ermüdeten Materials entspricht.

Der genügend hohe Wert der Belastungsamplituden , auf den die Vorermüdung gebracht wird, braucht nicht von vornherein bekannt zu sein. Er kann experimentell durch Wiederholen der Stufen 1 und 2 und Steigerung des Wertes der Maximalbelastungsamplitude bei jeder Wiederholung gefunden werden, bis der höchste PUnkt im RMS-Wert gemäss der Stufe 3 erscheint. Versuche haben gezeigt, daß die erforderliche , maximale Belastungsamplitude etwa 60-70% der Streckgrenze beträgt.

Mit der mit dem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens verbundenen Magnetisierungsvorrichtung g kann das Prüfmaterial mit einem stabilen Magnetfeld während der Messung magnetisiert werden. Dann nimmt die Größe der induzierten Rauschimpulse zu und die Veränderungen bei der Dauerschwingfestigkeit (Dauerfestigkeit) erscheinen klarer. Durch Veränderung der Richtung des Magnetfeldes kann der magnetische Zustand der Struktur zusätzlich beeinflusst werden, so daß er im Verhältnis zur Richtung der wirkenden Belastung sehr wirksam wird. Z.B. in Metallen auf Eisengrundlage muß die Richtung des Magnetfeldes parallel zu derjenigen der Belastung liegen. Es wird auch beobachtet, daß die größten

Impulse des mechanischen Barkhausen 'sehen Rauscheffekts sehr empfindlich gegen Veränderungen infolge Versetzungen in Kristallgittern sind. Wenn die größten Impulse zur Analyse durch den Diskriminator d gewählt werden, erhöht sich die Genauigkeit der Meßresultate.

Durch Anwendung der Magnetisierungsvorrichtung g auf das Verfahren der Erfindung Stufe 1 und 2 kann die erste Anwendungsweise weggelassen werden. Dies besagt, daß durch Vergrößern der Belastungsamplitude nach Fig. 2c kann der Maximalpunkt von Fig. 2 d offengelegt werden, der sehr genau der Dauerschwingfestigkeit (Dauerfestigkeit) des ursprünglichen , nicht ermüdeten Materials entspricht.

Das Verfahren lässt sich durch Benutzen eines allgemein bekannten Gerätes anwenden.

Vorliegend werden nur die vorteilhaftesten Anwendungsarten des erfindungsgemässen Verfahrens vorgestellt. Es ist durchaus möglich, z.B. Veränderungen in Fre-( ^N quenzen, Korngrößenverteilung oder Mittelwert der Bark-

hausen-Rauschsignale infolge Versetzungsbewegung anstelle des oben erwähnten Effektivwertes RMS zu messen. Auch die äußere Belastung, durch welche der Maximalwert des Barkhausen¹sehen Rauscheffektes verursacht wird, kann anders als eine in ihrer Amplitude zunehmende, zyklische Belastung sein. Beispielsweise kann wiederholte Spannung, Druckspannung oder Druck diesem Zweck dienen.

Die Ausführungsbeispiele nach dem Verfahren der Erfindung sind im Rahmen der angeschlossenen Patentansprüche abwandlungsfähig.

Claims

DR.-ING. G. RIEBLING DR.-ING. P. RIESLING Dipl.-Ing., Ing. (grad.) Dipl.-Ing. Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt Professional Representatives betöre European Patent Off Ice Mandatalres agrees pres !'Office european dee brevet· Mein Zeichen R 375-ku BKt* In der Antwort wiederholen L J. Ihr Zeichen Ihre Nachricht vom D-8990 Lindau (BodenS66) Rennerle 10 - Postlach 3160 8. Juli 1983 Batreff: Anmelders Ruuskanen, Pekka, Makasiininkatu 16 A, ? SF -3323ο Tampere 23, Finland und ί Kettunen, Pentti, Liutuntie 15 D 21, 1 SF-33750 Tampere 75, Finland Ί ■ ' SI 5 Patentansprüche Ί :—~~ || ίΤ\ Verfahren unter Verwendung der mechanischen Barkhausen' I* sehen Rauscherscheinung, verursacht in ferromagnetisehen * Werkstoffen durch die Versetzungsbewegung und die wechseln- I de,mechanische Belastung als zerstörungsfreie Methode fc^*""' 10 zum Messen der Dauerfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß es aus folgenden Stufen besteht:

1) Das Prüfstück wird von außen her belastet, z.B. durch eine zyklische Belastung, nimmt in seiner Amplitude

15 stetig zu (Fig. 2a), wodurch eine vorherrschende Gitterstörstelle vom Gesichtspunkt nicht umkehrbarer Magnetisierungsänderungen im Prüfstück geschaffen wird und gleichzeitig die Veränderungen im Effektivwert, in der Frequenz, Korngrößenverteilung oder dem Mittelwert

20 der mechanischen Barkhausen"sehen Rauschimpulse, die

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Fernsprecher: Fernschreiber: Telegramm-Adreaaii: Bankkonten: " Postscheckkonto

Llndau (08382) 054374(pat-d) petrl-lindau Bayer. Vereinsbank Llndau (B) Nr. 1208578 (BLZ 73520074) Mönchen 29525-809

₍ 5025 Hypo-Bank Undau (B) Nr. 6670-278920 (BLZ 73520642)

Volksbank Undau (B) Nr. 51720000 (BLZ 73590120)

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während der Ermüdung des ferromagnetischen Materials induziert werden, gemessen werden (Fig. 2b),

2) die äussere Belastung wird auf Null verringert,

3) das Prüfstück wird von außen her durch eine zyklische oder sonstige Belastungsmethode (Fig. 2c) belastet und gleichzeitig wird der als Effektivwert auftretende Maximalpunkt, die Frequenz, die Korngrößenverteilung oder der Mittelwert der während der Ermüdung des ferromagnetischen Materials induzierten mechanisehen Barkhausen'sehen Rauschimpulse gemessen.

Die Belastungsamplitude, bei welcher der Maximalpunkt auftritt, entspricht einer Ermüdungsfestigkeit,

die gleich der Dauergeschwindigkeit (Dauerfestigkeit) des Prüfstückes ist (Fig. 2d).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß 1 und 2 durch Magnetisierung des Prüfstückes durch ein stabiles Magnetfeld ersetzt werden.