DE3513005A1 - Verfahren zur bestimmung von rissparametern und einrichtung fuer dessen durchfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Messtechnik und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung von Rissparametern und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Erfindung kann weitgehend angewendet werden, wo es bei Prüfungen oder im Betrieb darum geht, den Parametern von sich ausbreitenden Rissen entsprechende elektrische Signale zu gewinnen und die Parameter dieser Risse zu bestimmen, wie dies beispielsweise bei einer Untersuchung der Rissbeständigkeit neuer Konstruktionswerkstoffe für wichtige Konstruktionen im Maschinenbau und unmittelbar der Konstruktionen selbst, wie Flügel und Rümpfe von Flugzeugen, Raketenkörper, Gasleitungsrohre, Seeschiffskörper, Druckgefäße für die Lagerung verschiedener gasförmiger und flüssiger Stoffe u.ä., der Fall ist.

Die Untersuchung der Rissbildung bei Prüfungen und im Betrieb stellt ein wichtiges Problem dar, weil sie es gestattet, optimale Bauarten zu entwickeln, die ein Minimum an Materialaufwand mit einer vorgegebenen Betriebszeit und einem vorgegebenen Sicherheitsgrad in sich vereinigen.

Die vorliegende Erfindung ist besonders wirksam in den Fällen anzuwenden, wo eine exakte automatische Bestimmung der Länge oder des Verlaufes der sich ausbreitenden Risse und die Gewinnung von diesen Parametern proportionalen elektrischen Signalen erforderlich sind.

Die Rissparameter ermittelt man im Zusammenhang mit den Betriebsverhältnissen bei einer Einwirkung auf die Konstruktion, um die bei der Rissbildung am stärksten ins Gewicht fallenden Bedingungen festzustellen, wie sie beispielsweise Belastungszahlen, Korrosionsmittel, Temperatur u.ä. sind. Indem die Muster und die Konstruktionselemente im Labor geprüft werden, werden sowohl eine Einzel-, als auch die Gesamtwirkung eines Komplexes der Betriebsverhältnisse auf das Risswachstum in der Kon- struktion zur Einschätzung der Rissbeständigkeit der gesamten Konstruktion bestimmt.

Bei Rissprüfungen von Labormustern, Elementen und Naturkonstruktionen besteht das Hauptproblem in der Messung der Parameter der sich ausbreitenden Risse in Abhängigkeit vom Belastungsverlauf. Eine unmittelbare Beobachtung der Rissausbreitung in einer beanspruchten Konstruktion durch einen Operator ist sehr arbeitsintensiv und des öfteren aus Sicherheitsgründen im Falle einer Zerstörung der Konstruktion und einer unvorhersehbaren Stelle unzulässig. Das Problem einer Automatisierung der Messung der Rissparameter im Vorgang der Rissprüfungen bei erforderlicher Genauigkeit, Arbeitsintensität und vertretbaren Kosten der dafür eingesetzten Ausrüstung ist daher akut.

Es sind verschiedene Verfahren und Einrichtungen zur Bestimmung von Rissparametern bei Konstruktionen und Versuchsmustern bekannt, die von Optik, Ultraschallschwingungen, elektrischem Strom sowie von besonderen Wandlern von Parametern eines Risses in ein elektrisches Signal Gebrauch machen, die gleichzeitig mit der zur prüfenden Konstruktion oder Probe zerstört werden. Es ist auch ein Verfahren zur Bestimmung von Rissparametern unter Verwendung der Fernsehtechnik (s. z.B. "Registriergerät für die Rissausbreitung", GB 2057124A) bekannt, bei dem das Versuchsmuster vor den Prüfungen an der Stelle, wo eine Registrierung der Rissausbreitung beabsichtigt wird, gereinigt und mit einem speziellen Lack überzogen wird, worauf das Muster in der Prüfeinrichtung eingespannt und eine Abbildung der Stelle, über die sich ein Riss auszubreiten hat, mittels Optik auf eine Fernsehröhre projiziert wird, in der sie in ein diskretes elektrisches Signal in Form einer bestimmten Impulszahl umgesetzt wird. Bei der Entstehung und der weiteren Ausbreitung eines Risses im Versuchsmuster ändert sich die Impulszahl proportional zur Risslänge.

Die Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens enthält Optikteile, eine Fernsehkamera, Ablenkteile, Zähler, einen Diskriminator und mechanische Einstellvorrichtungen.

Dieses Verfahren ist aber arbeitsaufwendig bei der Verwirklichung, denn es erfordert eine vorherige Vorbereitung der Muster, eine exakte Anordnung der Rissbasis vor dem Objektiv der Optik und eine Voreinstellung des Bildes, wobei die Einrichtung die Anwendung von besonderen kostenaufwendigen Ausrüstungen verlangt.

Es ist ein Verfahren zur Bestimmung von Rissparametern unter Benutzung eines unmittelbaren Stromdurchflusses über eine einen Riss aufweisende elektrisch leitende Konstruktion mit anschließender Messung der Parameter eines elektrischen Feldes um diesen Riss herum bekannt. Dieses Verfahren wird zur Bestimmung der Rißtiefe in massiven Metallkonstruktionen und zur Messung der Rissparameter bei speziellen Labormustern aus elektrisch leitenden Stoffen während der Rissprüfung (s. beispielsweise A. Matting, V. Dentsch, Materialprüfung 3 (1961), Nr. 6, S. 218 bis 224 sowie Materialprüfung 14 (1972), Nr. 3, S. 73 bis 77 und G.H. Aronson, R.O.Ritchie, Journal of Testing and Evaluation, Vol. 7, No. 4, July 1979, p.p. 208-215) ausgenutzt.

Meist wird der elektrische Strom den Risskanten in der Weise zugeführt, dass er um den Riss herum fließt. In Abhängigkeit von der jeweiligen Situation kommt sowohl Gleich- als auch Wechselstrom in Frage. Der Strom baut indem er über das Material der Konstruktion um den Riss herum, fließt, ein elektrisches Feld auf, dessen Konfiguration von den Rissparametern der Konstruktion abhängig ist.

Die Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens enthält eine Stromquelle und besondere Elektroden, die Strom- und Messkontakte für einen Anschluss an die Stelle des Musters oder der Konstruktion besitzen, wo die Rissparameter zu messen sind.

Die Potentialdifferenz an den Messelektroden wird durch ein Millivoltmeter an den Punkten der Anordnung der Messkontakte gemessen, und nach dem Wert dieser Differenz wird einer der Rissparameter - Tiefe oder Länge - abhängig von der Art der jeweiligen Konstruktion ermittelt. Zur Sicherung einer ausreichenden Genauigkeit bei der Bestimmung der Rissparameter wird vorher mit einer rechnerischen oder einer experimentellen Methode eine Sollabhängigkeit des Wertes der Potentialdifferenz vom Sollparameter des Risses aufgetragen.

Das Verfahren und die Einrichtung zur Bestimmung von Rissparametern unter Benutzung eines unmittelbaren Stromdurchflusses über eine elektrische leitende Konstruktion besitzt mehrere Vorteile gegenüber optischen und akustischen Verfahren und Einrichtungen, denn sie gegen die Möglichkeit, ein von den Rissparametern abhängiges elektrisches Signal ohne Umwandlung zu erhalten.

Der unmittelbare Stromdurchfluss über das Material der Konstruktion hat aber einen unvertretbar großen Stromverbrauch zur Folge, denn sämtliche metallischen Stoffe weisen einen niedrigen spezifischen Widerstand auf, und eine für die Messung der Potentialdifferenz benötigte Erhöhung der Empfindlichkeit bedeutet, dass über die Konstruktion Ströme über 10A fließen müssen.

Anderer Mangel der Verfahren zur Messung von Rissparametern unter Benutzung eines unmittelbaren Stromdurchflusses über eine auf Rissbeständigkeit zu prüfende Konstruktion ist ein großer Arbeitsaufwand für das Erhalten einer Eichkurve des Wertes der Potentialdifferenz vom Sollparameter des Risses. Das Erhalten dieser Eichkurve unter Anwendung von rechnerischen Methoden erfordert arbeitsaufwendige Programmierungsarbeiten und Berechnungen auf EDVA. Die experimentellen Methoden haben des öfteren eine unzureichende Genauigkeit und sind sehr arbeitsaufwendig, denn hier ist es zur Erhaltung eines jeden Punktes dieser Abhängigkeit notwendig, mindestens ein Muster mit einem vorher gezüchteten Riss mit vorgegebenen Parametern zu verbrauchen. Darüber hinaus bewirkt eine beliebige Unregelmäßigkeit des Konstruktionselementes (Löcher, Dickenunterschied u.ä.) eine Verzerrung des elektrischen Feldes und setzt strenge Grenzen der eventuellen Erhaltung von verallgemeinerten Eichkurven für das betreffende Verfahren.

Es ist auch ein Verfahren zur Bestimmung einer Abhängigkeit der Risslänge im Labor Versuchsmuster von der Prüfzeit während einer Bruchprobe für dieses Muster bekannt, bei welchem der Wandler in Form einer stromleitenden Flachprobe am Versuchsmuster über eine Isolierschicht in der Weise befestigt wird, dass er bei der Bruchprobe an der eventuellen Rißstelle zerstört und der elektrische Widerstand daran in Abhängigkeit von der Risslänge (s. DE-PS 2745244 Int. Kl G 01 3/08 vom 7.10.1977 sowie E. Russenberger, Materialprüfung 21 (1979), Nr. 9, S. 319 bis 321) gemessen wird.

Das Wesen dieses Verfahrens besteht darin, dass der Wandler einen Messabschnitt aufweist, der das Gebiet der Rissausbreitung überdeckt, während die Konfiguration des Messabschnitts derart ist, dass dessen Widerstand mit wachsender Risslänge nach einer beinahe linearen Abhängigkeit zunimmt. Der Messabschnitt wird symmetrisch um den Riss angeordnet, dem Messwandler wird ein elektrischer Strom zugeführt, der um den Riss im Wandler herum fließt, und zur Messung der Rissparameter wird die Spannung zwischen den beiden Messelektroden am Wandler gemessen. Um die Linearität der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Risslänge zu verbessern, wird der Wert des elektrischen Speise-Gleichstroms abhängig von der Spannung an den Zusatzelektroden eingestellt.

Es ist auch eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt, die einen Flachwandler mit einem Messabschnitt enthält, der die Fläche des Versuchsmusters an der Stelle überdeckt, wo sich der Riss ausbreitet. Der Widerstand des Messabschnitts ändert

Sich beim Risswachstum in Abhängigkeit von der Risslänge.

Ein derartiges Verfahren besitzt eine größere Empfindlichkeit gegenüber dem Verfahren, das auf dem unmittelbaren Stromdurchlauf über eine elektrisch leitende Konstruktion aufbaut, wobei auch die Einrichtung kompakter ist und weniger Strom verbraucht.

Diesem Verfahren und der Einrichtung für dessen Durchführung haften aber eigene Nachteile an. Der eine von ihnen ist eine Bedingung, die dem Rissverlauf auferlegt wird: eine Abweichung der Ausbreitungsrichtung des Risses von der Symmetrieachse des Messabschnitts des Wandlers verursacht z.B. Fehler bei der Bestimmung der Risslänge, weil in diesem Fall keine lineare Abhängigkeit zwischen der Risslänge und der Spannung an den Messelektroden des Wandlers weiter besteht. Außerdem beträgt der lineare Messbereich selbst bei einer geradlinigen Rissausbreitung längs der Symmetrieachse des Wandlers lediglich ca. 70% der Fläche des Messabschnitts des Wandlers. Ein anderer Nachteil ist eine komplizierte Form des Wandlers, die genau einzuhalten ist und die, falls der Messbereich vergrößert wird, eine proportionale Vergrößerung sämtlicher Maße des Wandlers verlangt.

Am nächsten kommt dem angemeldeten Verfahren ein Messverfahren für die Rissausbreitung unter Benutzung eines Wandlers in Form eines Fühlers aus einer Leitschicht, wo in Analogie zum vorhergehenden Verfahren auf das Versuchsmuster für die Rissprüfung an der eventuellen Rissstelle über eine Isolierungsunterlage ein Fühler des Wandlers in Form einer Leitschicht (M.J. Gueury, R.V. Diendonne, NDT International, Vol. 12, No.3, June 1979, p. 121-124) aufgeklebt oder aufgedampft wird.

Als Messparameter wird eine Änderung des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Risslänge im Wandler ausgenutzt. Der Wandler wird aus Indium oder Graphit hergestellt, während die Elektroden, an denen der elektrische Widerstand gemessen wird, zu beiden Seiten der Ausbreitungsrichtung des Risses in ganzer Länge des Wandlers angeordnet werden.

Die Anwendung vom aufgedampften Graphit als Fühler des Wandlers gestattet es, die Empfindlichkeit sprunghaft zu erhöhen, während die Anordnung der Elektroden entlang des Risses Wandler für einen beliebigen Messbereich für die Risslänge fertigen lässt.

Diesem Messverfahren für die Rissausbreitung unter Benutzung eines Wandlers aus einer Leitschicht von Indium oder Graphit in der Einrichtung haften aber eigene wesentliche Mängel an. Durch Anwendung einer Graphitschicht werden der Konstanz der Schichtdicke auf dem ganzen Fühler des Wandlers sehr harte Bedingungen auferlegt. Außerdem bildet sich bei einer Fortpflanzung des Risses an dessen Spitze eine Zone plastischer Verformungen aus, und da der Graphit ein brüchiger Werkstoff ist, wird er auch weiterhin rissig werden und einen Fehler bei der Bestimmung der Risslänge verursachen. Obwohl ferner die Anordnung der Elektroden längs der Ausbreitungsrichtung des Risses die Möglichkeit gibt, den Messbereich für die Risslänge zu erweitern, wird jedoch durch diese Elektrodenanordnung eine erhebliche Nichtlinearität in die Abhängigkeit des Widerstandes des Wandlers von der Risslänge hineingebracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung von Rissparametern bei einem Versuchsmuster und eine Einrichtung für dessen Durchführung zu schaffen, die es erlauben, durch Erzeugung eines elektrischen Feldes im Wandler an nur der einen der Risskanten hochgenaue Messungen der Rissparameter in weitem Wertebereich vorzunehmen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren zur Bestimmung von Rissparametern bei einem Versuchsmuster, bei dem ein in Form einer stromleitenden Flachprobe ausgeführter Wandler über eine Zwischen- schicht an der Stelle der Rissausbreitung befestigt wird, worauf ein elektrischer Strom zugeführt und bei gleichzeitiger Zerstörung des Versuchsmusters und des Wandlers elektrische Parameter des letzteren gemessen werden, nach denen die Rissparameter im Versuchsmuster bestimmt werden, gemäß der Erfindung durch Zuführung des elektrischen Stroms zum Wandler von einer der Seiten der Rissbasis und von der Rissspitze her ein elektrisches Feld im Wandler an einer der Risskanten erzeugt und die elektrischen Parameter des Wandlers im Bereich der Zuführung des elektrischen Stroms gemessen werden.

Dies gewährleistet hochgenaue Messungen der Rissparameter in deren weitem Wertebereich.

Es ist möglich, die Parameter zweier sich in Richtung zueinander ausbreitender Risse zu bestimmen, wobei das elektrische Feld im Wandler durch Zuführung elektrischen Stroms von der Seite jeder der Rissbasen zu erzeugen ist.

Dies gestattet es, mit Hilfe eines Wandlers die Gesamtlänge von zwei sich in einem Muster in Richtung zueinander ausbreitenden Rissen zu ermitteln.

Es können die Parameter zweier sich in entgegengesetzten Richtungen von einer gemeinsamen Basis weg ausbreitender Risse bestimmt werden, wobei ein elektrisches Feld im Wandler durch Zuführung elektrischen Stroms an jeder der Rissspitzen zu erzeugen ist.

Dies erlaubt es, mit Hilfe eines Wandlers die Gesamtlänge der beiden Risse einschließlich der Abmessungen eines Konzentrators zu bestimmen, also einen am häufigsten vorkommenden Fall zu erforschen, wo die Risse von den Bohrungen für Befestigungsteile, Bolzen, Niete u.ä. herrühren.

Bei Vorhandensein zweier sich von einer gemeinsamen Basis ausbreitender Risse ist es vorteilhaft, zwei Wandler - je einen - für jeden Riss einzusetzen, sie durch mindestens einen Leiter miteinander elektrisch zu verbinden und die identischen elektrischen Felder in den beiden Wandlern gleichzeitig zu erzeugen.

Dadurch ist es in einer Reihe von wichtigen Fällen möglich, das gesamte Wachstum zweier Risse genau zu messen, deren Gesamtlänge die Abmessungen der beiden Wandler um vieles übertrifft.

Vorzugsweise ist der Wert der elektrischen Parameter des Wandlers an der Rissspitze zu messen und als elektrischer Parameter ein elektrisches Potential zu nehmen.

Dies gibt die Möglichkeit, die Messempfindlichkeit für die Rissparameter zu steigern.

Es ist zweckmäßig, das elektrische Potential an der Rissspitze bezüglich der einen der Elektroden zu messen, denen der elektrische Strom zur Erzeugung des elektrischen Feldes zugeführt wird.

Dies gestattet es, eine gegenseitige Beeinflussung der Rissparameter zu eliminieren.

Es ist vorteilhaft, vor der Durchführung der Prüfungen eine Potentialdifferenz der Elektroden zusätzlich zu messen, mit deren Hilfe am Wandler ein elektrisches Feld erzeugt wird, während die Rissparameter aus einer Differenz zwischen diesen Messungen ermittelt werden.

Dadurch erübrigt sich beim Aufkleben des Wandlers die Notwendigkeit, die Kante des Wandlers mit dem Konzentrator oder mit der Spitze eines bereits vorhandenen Risses zur Deckung zu bringen, und es genügt, den Wandler aufzukleben, indem ein Teil des Konzentrators oder des bereits vorhandenen Risses überdeckt wird.

Es wird bevorzugt, als Parameter des elektrischen Feldes ein elektrisches Potential an jeder der beiden Rißspitzen zu messen und die Gesamtlänge aus einer Differenz der gemessenen Potentiale zu bewerten.

Dies ermöglicht es, die Gesamtlänge der beiden Risse mit einer größeren Empfindlichkeit zu ermitteln.

Zweckmäßig ist, das elektrische Potential an der Rißspitze in Bezug auf die beiden Elektroden gleichzeitig zu messen, mit deren Hilfe ein elektrisches Feld erzeugt wird, wobei das elektrische Potential bezüglich der Rissbasis unter Berücksichtigung der Breite eines durch den Riss abgeschnittenen Teiles des Wandlers zu messen ist, und die Rissparameter nach einem Verhältnis zwischen dem in Bezug auf die Rissbasis gemessenen elektrischen Potential an der Rissspitze und einer Summe der elektrischen Potentiale an der Rissspitze bezüglich der beiden Elektroden zu bestimmen.

Dies gestattet es, die Rissparameter selbst dann zu ermitteln, wenn sich der Strom über den Wandler in beliebiger Weise ändern kann und außerdem die Änderung des elektrischen Widerstandes des Wandlers in Längsrichtung unbekannt ist.

Es ist möglich, den Riss in Abschnitte bestimmter Länge zu unterteilen, Ordinatenwerte von einer Risskante bis zu einer der Kanten des Wandlers zu messen, einen Spannungsabfall an jedes der Abschnitte zu bestimmen und die Risslänge aus einer Summe der Produkte aus den an jedem der Abschnitte auftretenden Spannungsabfällen und den ihnen entsprechenden Ordinatenwerten zu ermitteln.

Dies ist in dem Falle wichtig, wenn der Rißverlauf im Versuchsmuster im Prüfverfahren starken Änderungen unterliegt.

Man kann die zeitliche Abhängigkeit der Rißparameter aus einer Abhängigkeit der Änderung des elektrischen Potentials an der Rißspitze von den Rißparametern mit Rücksicht auf eine Abhängigkeit des elektrischen Potentials an der Rißspitze als Zeitfunktion ermitteln.

Damit können im Prüfungsverfahren Messungen von elektrischen Parametern eines Wandlers vorgenommen werden, wenn deren Zahl beschränkt ist sowie wenn die irgendeine Messung ungewöhnlich ist. - Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, die Koordinaten der Spitze eines sich ausbreitenden Risses zu bestimmen, indem ein elektrisches Feld im Wandler abwechselnd mal von der einen Seite, mal von der anderen Risskante erzeugt und im

Masse der Rissausbreitung das elektrische Potential an der Rißspitze zu messen, eine Differenz aus einer nachfolgenden und einer vorhergehenden Messung zu errechnen und die Koordinaten X und Y nach den Beziehungen zu bestimmen.

Dies gibt die Möglichkeit, zwei Parameter eines Risses - die Koordinaten X und Y der Rißspitze - zugleich zu bestimmen, also den Rissverlauf zu verfolgen.

Vorzugsweise sind die Koordinaten der Spitze eines sich ausbreitenden Risses in der Weise zu bestimmen, dass das elektrische Potential an dessen Spitze periodisch im Maße seiner Fortpflanzung bezüglich der beiden Elektroden gleichzeitig gemessen wird, mit deren Hilfe ein elektrisches Feld am Wandler erzeugt wird, der Koordinatenwert in Richtung der X-Achse nach einer Differenz zwischen Messungen des elektrischen Potentials an der Rißspitze in Bezug auf die an der Rißspitze vor Beginn der Rißausbreitung angeordnete Elektrode und ähnliche Messungen während der Rissausbreitung und der Koordinatenwert in Richtung der Y-Achse aus dem Verhältnis der Differenzen zwischen einer nachfolgenden und einer vorhergehenden Messung des Potentials an der Rißspitze bezüglich jeder der Elektroden, mit deren Hilfe das elektrische Feld erzeugt wird, bestimmt werden.

Dies gestattet es, zwei Koordinaten der Rißspitze zu bestimmen.

Es ist vorteilhaft, das elektrische Feld im Wandler durch Durchfluß eines betragsmäßig konstanten elektrischen Stroms oder durch Anlegen einer betragsmäßig konstanten elektrischen Spannung aufzubauen.

Dies macht es möglich, den Vorgang der Bestimmung der Rissparameter zu vereinfachen.

Einrichtung, die mindestens einen in Form einer über eine Zwischenschicht an der Stelle der Rissausbreitung im Versuchsmuster befestigten stromleitenden Flachprobe ausgeführten Wandler enthält, der Speiseelektroden für die Zuführung des elektrischen Stroms und Messelektroden für die Messung der elektrischen Parameter des Wandlers aufweist, liegen in vorteilhafter Weiterbildung die Speiseelektroden am Wandler auf der Seite der Rißbasis und -spitze und die Meßelektroden in unmittelbarer Nähe von den Speiseelektroden.

Diese Einrichtung erlaubt es, die Messungen der Rissparameter maximal zu vereinfachen und hohe Genauigkeit zu gewährleisten.

Man kann die Elektroden am Wandler auf einer Seite oder auf verschiedenen Seiten des Risses anordnen.

Dies ermöglicht es, die Parametermessung bei einer Mindestzahl von an die Elektroden des Wandlers anzuschließenden Leitern vorzunehmen.

Vorzugsweise sind die Speiseelektroden - je eine Elektrode - auf einer Seite jeder der Rissbasen angeordnet und mit den Messelektroden vereinigt.

Dies gibt die Möglichkeit, eine Mindestzahl von an die Elektroden des Wandlers bei der Messung der Gesamtlänge von zwei sich im Versuchsmuster gleichzeitig fortpflanzenden Rissen anzuschließende Leiter zu verwenden.

Vorzugsweise sind die Mess- und Speiseelektroden auf verschiedenen Seiten des Risses angeordnet.

Dadurch wird die Messgenauigkeit für die Rissparameter erhöht.

Vorteilhaft ist es, einen Ausschnitt im Wandler von der Rissbasis bis zu einer seiner Kanten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Risse auszuführen.

Dies gibt die Möglichkeit, die Gesamtlänge von zwei sich in entgegengesetzten Richtungen von einem typischen Spannungskonzentrator - einer Bohrung für Befestigungsteile (Bolzen und Niete) - bei den Prüfungen von Mustern und Konstruktionselementen ausbreitenden Rissen zu messen.

Dabei sind vorzugsweise die Wandler an jeder der Rißspitzen miteinander zu verbinden.

Dies ermöglicht es, das gesamte Wachstum von zwei sich von einem Konzentrator ausbreitenden Rissen beliebiger Form und Abmessungen zu messen, wo die beiden Risse die gleiche Bruchfläche erzeugen.

Es ist zweckmäßig, je eine Speiseelektrode an der Seite jeder der Rißspitzen anzuordnen.

Dies gestattet es, die Messungen der Gesamtlänge von zwei sich in entgegengesetzten Richtungen von einer Bohrung im Muster ausbreitenden Risse maximal zu vereinfachen und eine hohe Genauigkeit dieser Messungen zu gewährleisten.

Bevorzugt ist eine der Messelektroden an der Seite der Rissbasis auf der anderen Seite vom Riss angeordnet.

Damit wird die Messgenauigkeit für die Rissparameter erhöht.

Die Mess- und die Speiseelektrode, die am Wandler an der Spitze angeordnet sind, können vereinigt werden.

Dies gestattet es, die Anzahl der an die Elektroden anzuschließenden Leiter auf ein Mindestmaß zu reduzieren und den Messbereich des Wandlers zu erweitern.

Es ist vorteilhaft, die Messelektroden an der Seite der Basen jedes der Risse auf einer Seite von den Speiseelektroden anzuordnen.

Dies gestattet es, die Länge der zwei Risse mit einer größeren Genauigkeit zu messen.

Es ist zweckmäßig, zur Messung der Risskoordinaten einen Zweipunktschalter zu verwenden, dessen gemeinsamer Anschluss an eine der Klemmen einer Stromquelle und dessen anderen beiden Anschlüsse an die Elektroden des Wandlers gelegt sind.

Dies sichert eine Erhöhung der Messgenauigkeit für die Risskoordinaten.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine der Ausführungsformen des Verfahrens zur Bestimmung von Rißparametern gemäß vorliegender Erfindung an einem Versuchsmuster mit einem daran angeordneten Wandler:

Fig. 2 eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von Rissparametern mit einer bestimmten Anordnung von Elektroden am Wandler;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von Parametern zweier sich von verschiedenen Basen ausbreitender Risse;

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von Parametern zweier sich von der gleichen Basis ausbreitender Risse;

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von Parametern von zwei sich von der gleichen Basis ausbreitenden Rissen unter Benutzung zweier am Versuchsmuster angeordneter Wandler;

Fig. 6 schematisch eine Potentialverteilung am erfindungsgemäßen Wandler beim Stromdurchfluss auf einer Seite vom Riss;

Fig. 7 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von Rissparametern mit einer Unterteilung des Risses in einzelne Abschnitte;

Fig. 8 schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von Koordinaten einer Rißspitze.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Rissparametern vollzieht sich wie folgt.

An einem Versuchsmuster 1 (Fig. 1) wird mittels einer Zwischenschicht (in Fig. 1 nicht gezeigt) ein Wandler 2 angeordnet. Ein Riss 3 breitet sich von einem Konzentrator bei Anlegen einer statischen oder zyklischen Belastung P (durch Pfeile angedeutet) an das Versuchsmuster 1 aus. Der Riss 3 breitet sich gleichzeitig im Muster 1 und Wandler 2 aus. Der Wandler 2 wird am Versuchsmuster 1 in der Weise befestigt, dass sich der Riss 3 im Wandler 2 vom Konzentrator in einer durch einen Pfeil angedeuteten Richtung 4 zwischen den Kanten 2a und 2b des Wandlers 2 ausbreitet und die Basis 3a des Risses 3 die Kante des Wandlers 2 in zwei Teile 2c und 2d trennt. Die Spitze 3b des Risses 3 pflanzt sich mit einer Vergrößerung der Länge 1 des letzteren in Pfeilrichtung 4 zur Kante 2e des Wandlers 2 fort und trennt ihn in zwei Teile.

Der Wandler 2 ist in Form einer stromleitenden Probe ausgeführt und kann beispielsweise als 3 bis 10 µm starke Dünnschicht einer Legierung vom Typ Ni-Cr oder Ni-Mo mit einem hohen spezifischen Widerstand hergestellt werden. Der Wandler 2 wird in Form eines Folienstreifens konstanter Stärke aus der genannten Legierung in einem der bekannten Verfahren, beispielsweise mittels einer Zwischen-Klebstoffschicht, am Versuchsmuster 1 gemäß bekannter Technologie befestigt, wie sie für die Anwendung eines Klebstoffes angegeben ist. Beim Aufkleben des Wandlers 2 auf das Versuchsmuster 1 aus Metall oder einem anderen elektrisch leitenden Stoff wird eine zusätzliche Isolierschicht zwischen dem Wandler 2 und dem Versuchsmuster 1 verwendet, als welche in der Regel eine zusätzliche Klebstoffschicht benutzt wird, die auf das Muster 1 unter anschließender Trocknung aufgetragen wird. Es kann aber auch die Isolierungsunterlage unmittelbar auf dem Wandler 2 erzeugt werden, bevor er auf das Versuchsmuster 1 aufgeklebt worden ist.

Bei der Durchführung der nachfolgenden Messungen zur Bestimmung der Parameter des Risses 3 am Wandler 2 wird ein elektrisches Feld durch Zuführung eines elektrischen Stroms I zu einer Elektrode 5 erzeugt, die an einer der Teile der Kante 2c des Wandlers 2 an der Seite der Basis 3a des Risses 3 angeordnet wird. Die Stromableitung erfolgt über eine Elektrode 6, die an der gegenüberliegenden Kante 2e bei der Spitze 3b des Risses 3 liegt. Die Anordnung der Elektroden 5 und 6 an den entsprechenden Kanten 2c und 2e kann auch anders, nicht so wie in Fig. 1, und die Richtung des Stroms I beliebig sein.

Die Messungen der elektrischen Parameter des Wandlers 2 zur Bestimmung der Parameter des Risses 3 werden mittels Elektroden 7 und 8 vorgenommen, die im Bereich der Zu- und Ableitung des elektrischen Stroms I in unmittelbarer Nähe von den Speiseelektroden 5, 6 des Wandlers 2 an dessen Kanten 2c und 2e oder 2d und 2e liegen.

Beim Durchlauf des elektrischen Stroms I von einer der Seiten der Basis 3a des Risses 3 und von der Seite der Spitze 3b wird im erfindungsgemäßen Wandler ein elektrisches Feld von der Seite der einen der Kanten des Risses 3 durch Anordnung der Elektroden 5, 6 am Wandler 2 auf der gleichen Seite des Risses 3 erzeugt. Da die Dicke der Leitschicht, aus der der Wandler 2 hergestellt ist, konstant ist, hängen die Parameter des elektrischen Feldes (beispielsweise die Potentialverteilung über den Wandler 2) von den ursprünglichen Abmessungen des Wandlers 2, dem Wert des Stroms I und den Parametern des Risses 3 ab. Diese Parameter des Risses 3 sind eine Projektion des Risses 3 auf die Kante 2a oder 2b des Wandlers 2, die in der Regel die Länge L des Risses 3 genannt wird, und eine Projektion des Risses 3 auf die Kante 2e, die als eine Abweichung von der geradlinigen Fortpflanzungsrichtung des Risses 3 bezeichnet wird.

Die Potentialverteilung über die ebenen Flächen (hier über den Wandler 2) wird durch Integration der Laplasche Gleichung für einen zweidimensionalen Fall, also der Gleichung

(1)

mit vorgegebenen Grenzbedingungen ermittelt, wo die Koordinaten X und Y längs der Kanten 2b, 2c und 2d des Wandlers 2 gerichtet sind. Die Kompliziertheit einer analytischen Lösung der Gleichung 1 besteht für jeden Fall der Ausbreitung des Risses 3 darin, dass die gesuchten Parameter des Risses 3 zur selben Zeit variable Grenzbedingungen für das elektrische Feld des Wandlers 2 darstellen, und eine genaue analytische Lösung zu erhalten, ist im gegebenen Fall unmöglich.

Eine Näherungslösung kann unter Benutzung des Ohmschen Gesetzes für einen leitenden Streifen erhalten werden, als welcher im vorliegenden Fall der Wandler 2 auftritt. In diesem Fall ist die Stärke des im Wandler 2 über die Elektroden 5 und 6 fließenden Stroms I gleich

(2) Hierin sind E[tief]n - die elektrische Feldstärke,

kleines Delta - die Dicke der Leitschicht des Wandlers 2,

L[tief]n - die Länge des leitenden Streifens,

kleines Rho - ein spezifischer elektrischer Widerstand des Werkstoffes der Leitschicht des Wandlers 2.

Für den Wandler 2 werden folgende Bedingungen angenommen:

- der Wert des elektrischen Potentials an der Stelle der Anordnung der Elektrode 5 an der Kante 2c des Wandlers 2 ist gleich groß über die gesamte Kante 2c (von der Basis 3a des Risses 3 bis zu der Kante 2b);

- der Wert des elektrischen Potentials an der Stelle der Anordnung der Elektrode 6 an der Kante 2e ist gleich groß über die gesamte Kante 2e des Wandlers 2.

Diese Bedingungen sind erfüllbar und können durch

Anordnung massiver Elektroden 5, 6 in Form von Streifen aus einem Werkstoff mit einem spezifischen Widerstand nahe Null an den genannten Kanten 2c und 2e des Wandlers 2 realisiert werden. In Fig. 2 ist ein Beispiel eines derartigen Wandlers 2 mit einer Länge von L und einer Breite von B angeführt, wobei h - einen durch den Riss 3 abgeschnittenen Teil der Breite B des Wandlers bedeutet, über den ein Strom I fließt, und 1 - die Risslänge ist.

Dann ist 1 = (kleines Phi[tief]5 - kleines Phi[tief]6)

(3)

Hierin sind kleines Phi[tief]25, kleines Phi[tief]26 elektrische Potentiale der Elektroden 5 und 6, die an den Kanten 2c bzw. 2e des Wandlers 2 angeordnet sind;

r[tief]o =

kleines Rho / kleines Delta

ein spezifischer Oberflächenwiderstand des Wandlers 2.

Die Gleichung (3) deutet einen Zusammenhang zwischen den geometrischen Parametern B, L und h des Wandlers 2, seinen elektrischen Parametern kleines Phi[tief]5, kleines Phi[tief]6, I und der Länge 1 des Risses 3 (in Wirklichkeit einer Rissprojektion auf die Kante 2a des Wandlers 2) an.

Die Potentialdifferenz kleines Phi[tief]5 - kleines Phi[tief]6 wird auch als Spannungsabfall U[tief]25,26 am Wandler 2 definiert, der an den Elektroden 5 und 6 gemessen ist.

Dann ist U[tief]5,6 =

(4)

woraus die Länge 1 des Risses 23, ausgehend von der Beziehung

(5)

abgeleitet wird.

Es sei bemerkt, dass ein Riss 3 ein Riss mit einer Basis 3a genannt wird. Die anderen Risse, die beispielsweise zwei Spitzen aufweisen, werden als zwei Risse betrachtet.

Falls die Parameter von zwei sich in Richtung aufeinander zu ausbreitenden Rissen 3' und 3" (Fig. 3) gemessen werden, wird das elektrische Feld im Wandler 2 durch Zuführung von elektrischem Strom seitens der Basen 3a' und 3a'' der Risse 3' und 3'' aufgebaut. Zu diesem Zweck sind die Speiseelektroden 5 und 6 je an den Kanten 2c' und 2c'' von der Seite jeder der Basen 3a' und 3a'' der Risse 3' bzw. 3'' angeordnet und mit den Messelektroden 7 und 8 vereinigt. Als Parameter der Risse 3' und 3'' wird deren Gesamtlänge 1[tief]1+1[tief]2 bestimmt. Selbstverständlich ist

1[tief]1+1[tief]2 <= L

wobei L die Länge des Wandlers 2, und

1[tief]1,1[tief]2 die Länge eines jeden der Risse 3' bzw. 3'' bedeutet.

Es sei zusätzlich bemerkt, dass wenn die Elektroden 5 und 6 in Form massiver Streifen erzeugt sind und h[tief]1, h[tief]2 als durch die Risse 3' bzw. 3'' abgeschnittenen Teile der Breite B des Wandlers einander gleich sind, d.h. wenn

h[tief]1 = h[tief]2 = h,

die Gesamtlänge der beiden Risse aus der Beziehung

(6)

d.h. in Analogie zur Beziehung (5), ermittelt wird. Falls die Parameter der beiden sich in entgegengesetzten Richtungen von einer gemeinsamen Basis 3a (Fig. 4) ausbreitenden Risse 3' und 3'' bestimmt werden, werden die Elektroden 5 und 6 erfindungsgemäß an den entgegengesetzten Kanten 2e' und 2e'' des Wandlers 2 von der Seite der Spitzen 3b' und 3b'' der Risse 3' bzw. 3'' angeordnet, während der Wandler 2 selbst einen sich von der Basis der Risse 3' und 3'' bis zu einer seiner Kanten erstreckenden Ausschnitt 2k aufweist. Als Parameter der Risse 3' und 3'' wird die Gesamtlänge 1[tief]1 + 1[tief]2 der beiden Risse wie im vorhergehenden Fall definiert, wobei die Be- ziehung (6) herangezogen wird.

Falls die Parameter der beiden sich von einer gemeinsamen Basis 3a ausbreitenden Risse bestimmt werden, wo die Abmessungen des Wandlers 2 kleiner als die vermutliche Gesamtlänge 1[tief]1 + 1[tief]2 + 1[tief]o der beiden Risse 3' und 3'' (1[tief]o ist ein Abstand zwischen den Kanten 2d' und 2d'' der Wandler 2' bzw. 2'') sind, werden die beiden Wandler 2' und 2'' eingesetzt und je im Bereich jeder Spitze 3b' und 3b'' der Risse 3' bzw. 3'' angeordnet. Dies trifft für die Fälle zu, wo es notwendig ist, einen weiteren Verlauf der Risse 3' und 3'' festzustellen, die recht große ursprüngliche Maße besitzt. Zu diesem Zweck werden in den beiden Wandlern 2' und 2'' durch Verbindung der an den Kanten 2e' und 2e'' von der Seite der Spitzen 3b' bzw. 3b'' angeordneten Elektroden 6' und 6'' identische elektrische Felder erzeugt, und der elektrische Strom wird den auf den Abschnitten der Kanten 2c' und 2c'' von der Seite der Basis 3a der Risse 3' bzw. 3'' angeordneten Elektroden 5' und 5'' zugeführt. Es ist auch eine andere Schaltung der Wandler 2' und 2'' möglich, wo die Elektroden 5' und 5'' an den Kanten 2c' und 2c'' der Wandler 2' bzw. 2'' beispielsweise zusammengeschaltet werden, und der elektrische Strom 1 wird den an den Kanten 2c' und 2c'' angeordneten Elektroden 6' bzw. 6'' zugeführt. Die Gesamtlänge 1[tief]1 + 1[tief]2 der Risse 3' und 3'' wird unter Vernachlässigung von 1[tief]o gemäß der Beziehung zu

(6a)

errechnet.

In allen aufgeführten Fällen der Bestimmung der Parameter der Risse 3 wird als Parameter der Länge 1 oder die Gesamtlänge 1[tief]1 + 1[tief]2 d.h. 1[tief]großes Sigma ermittelt, indem praktisch dazu die gleichen aus der Beziehung (4) erhaltenen Beziehungen (5, 6) herangezogen werden. Die Beziehung (4) hat zwei Summanden 1/h und L - 1 / B, von denen der erste den Widerstandswert des Teiles des Wand- lers 2 von der Basis 3a bis zur Spitze 3b des Risses 3 und der andere den Widerstandswert des Teiles des Wandlers 2 von der Spitze 3b bis zur Kante 2d des Wandlers 2 definiert.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel von Stromlinien und einer Potentialverteilung im Wandler 2. Es sollte hervorgehoben werden, dass auf dem Abschnitt des Wandlers 2 von der Spitze 3b bis zur Basis 3a von der Seite der Kante des Risses 3, über den kein elektrischer Strom I fließt, der Wert des elektrischen Potentials über dessen ganze Länge gleich und auf dem Niveau des elektrischen Potentials an der Spitze 3b des Risses 3 gehalten wird.

Indem der Wert des Potentials an der Spitze 3b des Risses 3 gemessen wird, wird der Spannungsabfall U an den einzelnen Teilen des Wandlers 2 bestimmt. Zu diesem Zweck wird an der Kante des Wandlers 2c eine Elektrode 9 angeordnet. Bei einer Messung des elektrischen Potentials an der Elektrode 9 an der Spitze 3b des Risses 3, beispielsweise in Bezug auf die Speiseelektrode 5, wird der Spannungsabfall U[tief]5,9 auf dem Abschnitt des Wandlers 2 von der Basis 3a des Risses 3 bis zur Spitze 3b beispielsweise anhand der Beziehung U[tief]5, 9 = Ixr[tief]ox1/h

(7)

und bei einer Messung des elektrischen Potentials an der Spitze 3b bezüglich der Elektrode 6 der Spannungsabfall U[tief]6,9 auf dem Abschnitt des Wandlers 2 von der Spitze 3b bis zur Kante 2e, beispielsweise anhand der Beziehung

U[tief]6,9 = Ixr[tief]a L - 1 / B,

(8)

ermittelt.

Aus den Beziehungen (7) und (8) wird ein Parameter, z.B. Länge 1, mit einer viel größeren Empfindlichkeit als bei Messungen der elektrischen Parameter des Wandlers 2 an den Stellen der Zuführung des Stroms I ermittelt, nämlich

(9)

(10)

In manchen Fällen wird es bevorzugt, die Länge 1 des Risses 3 anhand der Beziehung (10) zu ermitteln, weil in dieser der geometrische Parameter h des Wandlers 2 nicht enthalten ist, der sich in dem Maße der Ausbreitung des Risses 3 ändern kann, d.h. von der Länge 1 des Risses 3 abhängig ist.

Während der Rissprüfung von Mustern oder Konstruktionselementen beim Aufkleben des Wandlers 2 fällt es schwer, die Kante des Wandlers 2 bekannter Länge mit einem Konzentrator oder mit der Spitze 3b eines bereits vorhandenen Risses 3 zur Deckung zu bringen. Deshalb wird der Wandler 2, falls er auf den Konzentrator oder auf einen Teil des vorhandenen Risses 3 unmittelbar aufgelegt wird, bis zur Kante des Konzentrators oder der Spitze 3b des Risses 3 angeschnitten, und ein durch Verringerung der Länge des Wandlers 2 verursachter Anfangsfehler wird vor Beginn der Prüfungen durch zusätzliche Messungen der Potentialdifferenz (bzw. des Spannungsabfalls U[tief]o) zwischen den Elektroden 5 und 6 ausgeglichen, mit deren Hilfe am Wandler 2 ein elektrisches Feld erzeugt wird, und die Parameter des Risses 3 werden im Prüfverfahren nach einer Differenz zwischen den Messungen der Spannungen U[tief]o und U[tief]6,9 an der Spitze des Risses 3 bezüglich der Elektroden 6 und 9, beispielsweise anhand der Beziehung

(11)

errechnet, worin U[tief]o ein vor Beginn der Prüfungen an den Elektroden 5, 6 gemessener Spannungsabfall ist.

Zur Ermittlung der Gesamtlänge l[tief]großes Sigma von zwei sich in Richtung aufeinander zu von verschiedenen Basen 3a' und 3a'' (Fig. 3) ausbreitenden Rissen l[tief]1 und l[tief]2 wird eine Potentialdifferenz (Spannungsabfall U[tief]9,[tief]9'') unmittelbar an den Elektroden 9' und 9'' gemessen.

Die Gesamtlänge l[tief]großes Sigma der beiden Risse wird beispielsweise anhand der Beziehung

(11a)

ermittelt, worin U[tief]9, 9'' ein Spannungsabfall an den Elektroden 9', 9'' ist.

Falls der Wert des elektrischen Stroms I über den Wandler 2 (Fig. 2) unkontrollierbar ist, während sich der spezifische Oberflächenwiderstand r[tief]o in Längsrichtung des Wandlers 2 beliebig ändert, wird das elektrische Potential an der Spitze 3b des Risses 3 gleichzeitig in Bezug auf die beiden Elektroden 5 und 6 gemessen, mit deren Hilfe das elektrische Feld aufgebaut wird, wobei das Potential oder der Spannungsabfall U[tief]5,9 an den seitens der Basis 3a angeordneten Elektroden 5,9 unter Berücksichtigung der Breite h des durch den Riss 3 abgeschnittenen Teiles des Wandlers 2 gemessen wird. Die Parameter des Risses 3 werden aus einem Verhältnis zwischen dem bezüglich der Elektrode 5 mit Rücksicht auf den Teil der Breite h gemessenen elektrischen Potential an der Spitze 3a, beispielsweise dem Spannungsabfall U[tief]5,9 an den Elektroden 5,9, und einer Summe von bezüglich der beiden Elektroden 5 und 6 gemessen elektrischen Potentialen, wie sie Spannungsabfälle U[tief]5,9 und U[tief]6,9 sind, bestimmt. Der Wert 1 der Länge des Risses 3 kann für den vorliegenden Fall beispielsweise aus der Beziehung

(12)

ermittelt werden.

Wenn der Verlauf des Risses 3 im Prüfverfahren starken Änderungen unterliegt, wie dies beispielsweise in Fig. 7 gezeigt ist, und es notwendig ist, den Prozess der Messung des Verlaufes des Risses 3 wiederherzustel- len, so wird der Riss 3 im Wandler 2 nach den Prüfungen in Abschnitte großes Delta1 bestimmter Länge auf der Kante 2a des Wandlers 2 geteilt, worauf die Ordinatenwerte h[tief]i gemessen, wo der Index "i" der Nummer des Abschnitts großes Delta1 des Wandlers 2 entspricht, der Spannungsabfall großes Delta U[tief](5,9)i auf jedem Abschnitt unter Berücksichtigung des Koordinatenwertes h[tief]i, beispielsweise aus der Beziehung

(13)

bestimmt und nach der im Messverfahren erhaltenen Abhängigkeit U[tief]5,9 = f(1) die Parameterwerte l[tief]i der Länge des Risses 3 für jeden Wert h[tief]i ermittelt werden.

Falls es notwendig ist, die Abhängigkeit der Messparameter des Risses 3, wie sie beispielsweise die Länge 1 (Fig. 1) ist, als Funktion der Zeit zu bestimmen, wird vorher erfindungsgemäß eine Abhängigkeit bei der Messung des elektrischen Potentials an der Spitze 3b von der Länge 1 des Risses 3 im Wandler 2 erhalten.

Bei einer weiteren Rissprüfung von Mustern oder Konstruktionselementen wird eine zweite Abhängigkeit der elektrischen Parameter des Wandlers 2 von der Zeit erhalten, und nach diesen beiden Abhängigkeiten werden die Parameter des Risses 3 bestimmt.

Zur gleichzeitigen Bestimmung zweier Parameter eines Risses 3, wie sie Projektionen der Länge 1 (Koordinate X im System des Wandlers 2) und Werte einer Abweichung von der geradlinigen Ausbreitung (Koordinate Y) sind, wird das elektrische Feld im Wandler 2 abwechselnd mal von der einen Seite, mal von der anderen Kante des Risses 3 mit Hilfe eines Schalters 10 (Fig. 8) erzeugt, und in dem Maße der Ausbreitung des Risses 3 wird das elektrische Potential an dessen Spitze 3b, beispielsweise der Spannungsabfall an den Elektroden 5 und 9, gemessen, wobei beim Stromdurchlauf über die Elektrode 5 der Spannungsabfall U[tief]5,9 einen Wert von U[tief]1i = U[tief]5,9 und beim Stromdurchlauf über die Elektrode 9 einen Wert von U[tief]2i = U[tief]5,9 annimmt; zur Berechnung der Koordinaten der Spitze 3b des Risses 3 wird eine periodische Umschaltung (mit einer Sollfrequenz) von der Elektrode 5 auf die Elektrode 9 vorgenommen und umgekehrt. Bei einer Wiederholung des Schaltzyklus werden Differenzen von großes Delta U[tief]1i und großes Delta[tief]2i zwischen nachfolgenden und vorhergehenden Spannungsabfällen U[tief]1(i+1), U[tief]2(i+1) bzw. U[tief]1i, U[tief]2(i+1) bzw. U[tief]1i, U[tief]2i, beispielsweise

großes Delta U[tief]1i = U[tief]1i - U[tief]1(i+1) und

großes Delta U[tief]2i = U[tief]2i - U[tief]2(i+1),

(14)

berechnet, während die zeitlich wechselnden Koordinaten X und Y aus den Beziehungen

(15)

ermittelt werden, worin K, D - konstante Faktoren sind.

Eine andere Variante der Bestimmung der Koordinaten X und Y des Risses 3 im System des Wandlers 2 (s. Fig. 1) ist die Ermittlung der Länge l des Risses 3, d.h. der Koordinaten X der Spitze 3b des Risses 3, aus einer Differenz aus Messungen des elektrischen Potentials an der Spitze 3b des Risses 3 bezüglich der seitens der Spitze 3b angeordneten Elektrode 6 vor Beginn der Ausbreitung des Risses 3 und ähnlichen Messungen im Vorgang der Ausbreitung. Indem also die Anfangslage des Risses 3 als eine entsprechende Anfangsspannung U[tief]o an den Elektroden 6 und 9 festgestellt wird, werden dann im Vorgang der Ausbreitung des Risses 3 ähnliche Messungen einer momentanen Spannung U[tief]6,9 an den gleichen Elektroden 6 und 9 vorgenommen, worauf die Koordinaten X der Spitze 3b des Risses 3 beispielsweise in Analogie zur Beziehung (11)

(16) und die Koordinate Y der Spitze 3b des Risses 3 beispielsweise als ein Verhältnis zwischen den Differenzen aus einer nachfolgenden und einer vorhergehenden Messung des Spannungsabfalls

(17)

berechnet werden.

Um die Anzahl der elektrischen Messparameter des Wandlers 2 zu reduzieren, kann das elektrische Feld zur Bestimmung der Parameter des Risses 3 von einer Seite des Risses 3 durch Zuführung eines betragsmäßig konstanten elektrischen Stroms zu den Elektroden 5 und 6 erzeugt werden. Dann kann der Stromwert in vielen Beziehungen (4 bis 13) durch irgendeine Konstante gegeben werden.

In manchen Fällen, beispielsweise bei Änderungen der Umgebungstemperatur während der Rissprüfungen der Muster, kann sich das elektrische Feld im Wandler temperaturabhängig ändern und Fehler bei der Bestimmung der Rissparameter verursachen. In diesem Fall wird das elektrische Feld im Wandler durch Anlegen einer betragsmäßig konstanten elektrischen Spannung an die Elektroden 5 und 6 aufgebaut.

Die nachstehend beschriebenen konkreten Ausführungsbeispiele der Erfindung treffen für Muster aus einer Aluminiumlegierung zu, die in Form von 4 mm dicken, 300 mm breiten und 1000 mm langen Platten hergestellt sind.

Der Wandler 2 zur Bestimmung der Parameter der Risse 3 an diesen Mustern wurde aus einer 0,005 mm starken und 30 mm breiten Folie erzeugt. Der Wandler 2 ist aus einer hitzebeständigen Legierung mit einer Arbeitstemperatur bis zu 800°C hergestellt und besitzt einen hohen spezifischen Widerstand (der spezifische Oberflächenwiderstand r[tief]o bei solch einem Wandler 2 mit einer Dicke von 0,005 mm beträgt 0,3

Die Länge des Wandlers 2 wurde ausgehend von den konkreten Bedingungen der Durchführung der Prüfungen und der Bestimmung der erforderlichen Parameter der Risse 3 gewählt. Die Muster wurden auf Rissbeständigkeit bei einer konventionellen zyklischen und statischen Belastung geprüft.

Vor dem Aufkleben des Wandlers 2 auf die Versuchsmuster 1 wurden an den Wandler 2 eine Isolierungsunterlage aus einem Glasgewebe mit einer Dicke von ca. 0,025 mm erzeugt, die mit Hilfe eines warmhärtenden Klebstoffes angeklebt wurde, wonach die Speise- und Messelektroden 5,6 bzw. 9,10 angeordnet wurden. Den Speiseelektroden 5, 6 des Wandlers 2 wurde in manchen Fällen ein betragsmäßig stabilisierter konstanter elektrischer Strom in einem Bereich von ca. 10 bis zu ca. 100 µA in Abhängigkeit von der konkreten Variante der Bestimmung der erforderlichen Parameter der jeweiligen Risse 3, 3', 3'' zugeführt.

In der Tabelle 1 sind Ergebnisse der Bestimmung der Parameter der jeweiligen Risse 3, 3', 3'' aufgeführt, die erfindungsgemäß und nach den Resultaten visueller Messungen bei verschiedenartigen Rissprüfungen erhalten sind.

Tabelle 1

Tabelle 1(Forts.)

Diese Messungen wurden wie folgt durchgeführt. Sobald die Risse eine bestimmte Länge erreicht haben, werden die Prüfungen unterbrochen und die Parameter der jeweiligen Risse 3, 3', 3'' erst visuell mit Hilfe eines Mikroskops mit einer Genauigkeit von ca. 0,2 mm und dann im erfindungsgemäßen Verfahren gemessen, worauf die Ergebnisse verglichen werden.

In der Tabelle 2 sind Resultate aufgeführt, die bei der Koordinatenberechnung für einen sich ausbreitenden Riss 3 nach visuellen Messungen und erfindungsgemäß nach folgenden Beziehungen erhalten sind:

Tabelle 2

Tabelle 2 (Forts.)

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Rissparametern gestattet es, den Messbereich für die Risse zu erweitern und gleichzeitig die Messgenauigkeit bei Rissprüfungen von Mustern und Elementen von Naturkonstruktionen zu erhöhen. Darüber hinaus gestattet es das erfindungsgemäße Verfahren, die Anzahl zu bestimmender Rissparameter zu vergrößern, beispielsweise ermöglicht es eine eventuelle Bestimmung von laufenden Koordinaten der Rißspitze, die Durchführung von Prüfungen in den Fällen vorzunehmen, wo sich die Ausbreitungsrichtung eines Risses vor den Prüfungen nicht genau festlegen lässt, was die Quote nichtstandartisierter Prüfungen sehr aufwendiger natürlicher Konstruktionselemente, beispielsweise von Flügeln bei Flugzeugen, reduziert.

Einer der Hauptvorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Möglichkeit, die Parameter beispielsweise zweier Risse gleichzeitig zu bestimmen, was den Arbeitsaufwand und die Messzeit wesentlich reduziert.

Außerdem erhöht die Möglichkeit, die elektrischen Parameter des Wandlers an der Rißspitze zu messen, die für die Bestimmung der Rißparameter erforderliche Messempfindlichkeit beträchtlich.

Die Einrichtung für die Durchführung des obengenannten Verfahrens ist außerordentlich einfach und sicher im Betrieb und infolgedessen billig in der Herstellung.

Da die erfindungsgemäße Einrichtung eine außerordentlich einfache Form der Umsetzung der Rissparameter in ein elektrisches Signal realisiert, ist sie selbst höchst einfach und sicher im Betrieb. Darüber hinaus sind keine arbeitsaufwendigen Operationen erforderlich.

Leerseite

Claims (28)

1. Verfahren zur Bestimmung von Parametern eines Risses (3; 3'; 3'') bei einem Versuchsmuster (1), nach dem ein in Form einer stromleitenden Flachprobe ausgeführter Wandler (2; 2'; 2'') über eine Zwischenschicht an der Stelle der Ausbreitung des Risses (3; 3'; 3'') befestigt wird, worauf ein elektrischer Strom (I) zugeführt und bei einer gleichzeitigen Zerstörung des Versuchsmusters (1) und des Wandlers (2; 2'; 2'') elektrische Parameter des letzteren gemessen werden, die den Parameter des Risses (3; 3'; 3'') im Versuchsmuster (1) entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass durch Zuführung des elektrischen Stroms (I) zum Wandler (2; 2'; 2'') von einer der Seiten des Basis (3a; 3a'; 3a'') des jeweiligen Risses (3; 3'; 3'') ein elektrisches Feld an einer der Kanten des Risses (3; 3'; 3'') erzeugt und die elektrischen Parameter des Wandlers (2; 2'; 2'') im Bereich der Zuführung des elektrischen Stroms (I) gemessen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Parameter zweier sich in Richtung zueinander ausbreitender Risse (3' und 3'') ein elektrisches Feld im Wandler (2) durch Zuführung elektrischen Stroms (I) von der Seite jeder der Basen (3a' und 3a'') der Risse (3' bzw. 3'') erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung der Parameter zweier sich in entgegengesetzten Richtungen von einer gemeinsamen Basis weg (3a) ausbreitender Risse (3' und 3'') ein elektrisches Feld durch Zuführung elektrischen Stroms (I) von seiten jeder der Spitzen (3b' und 3b'') der Risse (3' bzw. 3'') erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein zweier sich von einer gemeinsamen Basis (3a) ausbreitender Risse (3' und 3'') zwei miteinander durch Leiter verbundene Wandler (2' und 2'') d.h. je ein Wandler für jeden Riss (3' und 3'') benutzt und identisch elektrische Felder in den beiden Wandlern (2' und 2'') gleichzeitig erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der elektrischen Parameter des Wandlers (2; 2'; 2'') an der Spitze (3b; 3b'; 3b'') der jeweiligen Risse (3; 3'; 3'') gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man als elektrische Parameter des im Wandler (2; 2'; 2'') erzeugten elektrischen Feldes ein elektrisches Potential an der Spitze (3b; 3b'; 3b'') der jeweiligen Risse (3; 3'; 3b'') misst.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Potential an der Spitze des Risses (3; 3'; 3'') bezüglich einer der Elektroden (5,6; 5',6'; 5'',6'') gemessen wird, denen der elektrische Strom (I) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung der Prüfungen die eine Potentialdifferenz der Elektroden (5, 6; 5', 6'; 5'', 6'') zusätzlich gemessen wird, mit deren Hilfe am jeweiligen Wandler (2; 2'; 2'') ein elektrisches Feld erzeugt und die Parameter der jeweiligen Risse (3; 3'; 3'') aus einer Differenz zwischen diesen Messungen ermittelt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, dass man als Parameter des elektrischen Feldes ein Potential an jeder Spitze (3b'; 3b'') der Risse (3' bzw. 3'') misst und die Gesamtlänge aus einer Differenz der gemessenen Potentiale bewertet.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Potential an der Spitze (3b) des Risses (3) in Bezug auf die beiden Elektroden (5; 6) gleichzeitig gemessen wird, mit deren Hilfe ein elektrisches Feld erzeugt wird, wobei das elektrische Potential bezüglich der Basis (3a) des Risses (3) unter Berücksichtigung der Breite eines durch den Riss (3) abgeschnittenen Teiles (h) des Wandlers (2) gemessen und die Parameter des Risses (3) nach einem Verhältnis zwischen dem in Bezug auf die Basis (3a) des Risses (3) gemessenen elektrischen Potential an der Spitze (3b) des Risses (3) und einer Summe der elektrischen Potentiale an der Spitze (3b) des Risses (3) bezüglich der beiden Elektroden (5, 6) bestimmt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man den Riss in Abschnitte bestimmter Länge (großes Delta 1) unterteilt, Ordinatenwerte (h[tief]i) von einer Kante des Risses (3) bis zu einer der Kanten (2b) des Wandlers (2) misst, der einen Spannungsabfall an jedem der Abschnitte (großes Delta1[tief]i) bestimmt und die Länge des Risses (3) aus einer Summe der Produkte aus den an jedem der Abschnitte (großes Delta 1[tief]i) auftretenden Spannungsabfällen und den ihnen entsprechenden Ordinatenwerten (h[tief]i) ermittelt.

12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Abhängigkeit der Parameter des Risses (3; 3'; 3'') aus einer Abhängigkeit der Änderung des elektrischen Potentials an der Spitze (3b; 3b'; 3b'') des jeweiligen Risses (3; 3'; 3'') von den Parametern des Risses (3;3';3'') mit Rücksicht auf eine Abhängigkeit des elektrischen Potentials an der Spitze (3b; 3b'; 3'') des jeweiligen Risses (3, 3'; 3'') als Zeitfunktion ermittelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Koordinaten der Spitze (3b) eines sich ausbreitenden Risses (3) ein elektrisches Feld im Wandler (2) abwechselnd mal von der einen Seite und mal von der anderen Kante des Risses (3) erzeugt und im Maße einer Fortpflanzung des Risses (3) das elektrische Potential an der Spitze (3b) des Risses (3) gemessen, eine Differenz aus einer nachfolgenden und einer vorhergehenden Messung errechnet und die Koordinaten aus den Beziehungen bestimmt werden: worin X, Y Koordinaten der Spitze (3b) eines Risses (3) zu jedem Zeitpunkt in Ausbreitungsrichtung (L) des Risses (3),

großes DeltaU[tief]1i, großes DeltaU[tief]2i eine Differenz zwischen nachfolgenden und vorhergehenden Messungen des elektrischen Potentials an der Spitze (3b) des Risses (3) von der Seite der einen bzw. der anderen Kante des Risses (3), und D, K Proportionalitätsfaktoren sind.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Koordinaten der Spitze (3b) eines sich ausbreitenden Risses (3) das elektrische Potential an dessen Spitze (3b) periodisch im Maße seiner Fortpflanzung bezüglich der beiden Elektroden (5,6) gleichzeitig gemessen, mit deren Hilfe ein elektrisches Feld am Wandler (2) erzeugt wird, der Koordinatenwert in Richtung der X-Achse aus einer Differenz zwischen Messungen des elektrischen Potentials an der Spitze (3b) des Risses (3) in Bezug auf die seitens der Spitze (3b) des Risses (3) vor Beginn der Ausbreitung des Risses (3) angeordnete Elektrode (6) und ähnlichen Messungen während der Ausbreitung des Risses (3) und der Koordinatenwert in Richtung der Y-Achse aus einem Verhältnis von Differenzen zwischen einer nachfolgenden und einer vorhergehenden Messung der Potentiale an der Spitze (3b) des Risses (3) bezüglich jeder der Elektroden (5, 6), mit deren Hilfe ein elektrisches Feld erzeugt wird, bestimmt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 8, 10, 12, 13, 14, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld im Wandler (2; 2'; 2'') durch Durchfluss eines betragsmäßig konstanten Stroms (I) aufgebaut wird.

16. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld im Wandler (2) durch Anlegen einer betragsmäßig konstanten elektrischen Spannung aufgebaut wird.

17. Einrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 18, die mindestens einen in Form einer über eine Zwischenschicht an der Stelle der Ausbreitung des Risses (3; 3'; 3'') im Versuchsmuster (1) befestigten stromleitenden Flachprobe ausgeführten Wandler (2; 2'; 2'') enthält, der Speiseelektroden (4, 6; 5', 6'; 5'', 6'') für die Zuführung des elektrischen Stroms und Messelektroden (7; 8; 9; 9'; 9'') für die Messung der elektrischen Parameter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Speiseelektroden (5, 6; 5', 6'; 5'', 6'') am Wandler (2; 2'; 2'') von der Seite der Basis (3a; 3a'; 3a'') und der Spitze (3b; 3b'; 3b'') des jeweiligen Risses (3; 3'; 3'') und die Messelektroden (7; 8; 9; 9'; 9'') in unmittelbarer Nähe von den Speiseelektroden (5, 6; 5', 6'; 5''; 6'') liegen.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (5, 6; 5', 6'; 5'', 6''; 7, 8) am Wandler (2; 2'; 2'') auf einer Seite des jeweiligen Risses (3; 3'; 3'') angeordnet sind.

19. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (5, 6) am Wandler (2) auf verschiedenen Seiten des Risses (3) liegen.

20. Einrichtung nach Anspruch 17 für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Speiseelektrode (5, 6) auf der Seite jeder der Basen (3a'; 3a'') der jeweiligen Risse (3'; 3'') angeordnet und mit den Messelektroden (7; 8) vereinigt sind.

21. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und die Speiseelektroden (9; 9'; 9'' bzw. 5; 5'; 5'') auf verschiedenen Seiten des jeweiligen Risses (3; 3'; 3'') angeordnet sind.

22. Einrichtung nach Anspruch 17 für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler einen sich von der Basis (3a) der Risse (3'; 3'') bis zu einer seiner Kanten (2b) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Risse (3'; 3'') erstreckenden Ausschnitt (2k) aufweist.

23. Einrichtung nach Anspruch 17 für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Wandler

(2'; 2'') enthält, die seitens jeder der Spitzen (3b'; 3b'') der Risse (3' bzw. 3'') miteinander verbunden sind.

24. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Speiseelektrode (5; 6) an der Seite jeder der Spitzen (3b'; 3b'') der Risse (3' bzw. 3'') angeordnet ist.

25. Einrichtung nach Anspruch 17 für die Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eine der Messelektroden (9; 9'; 9'') an der Seite der Basis (3a; 3a; 3a'') der jeweiligen Risse (3; 3'; 3'') und auf der anderen Seite von der Kante des Risses (3; 3'; 3'') liegt.

26. Einrichtung nach Anspruch 17, 19, 22, 23, 24, 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Speise- und die Messelektrode (6 bzw. 8), die am Wandler (2) seitens der Spitze (3b) des Risses (3) angeordnet sind, vereinigt sind.

27. Einrichtung nach den Anspruch 17 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektroden (9'; 9'') von der Seite der Basen (3a' bzw. 3a'') jedes der Risse (3'; 3'') auf einer Seite von den Speiseelektroden (5, 6) angeordnet sind.

28. Einrichtung nach Anspruch 17 für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Zweipunktschalter (10) enthält, dessen gemeinsamer Anschluss an eine der Klemmen einer Stromquelle (I) und dessen andere beiden Anschlüsse an die Elektroden (5; 9) des Wandlers (2) gelegt sind.