DE4303091A1 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Untersuchung und Ermittlung des durch Ermüdung
verursachten Beschädigungsgrades in einem Konstruktions
material, wie beispielsweise einem Metall, mittels einer
zerstörungsfreien Untersuchungstechnik.
Zum Zweck der Ermittlung des Gütezustands zu unter
suchender Materialien, beispielsweise unterschiedlicher
Materialien und Strukturen im Hinblick auf ihren struk
turellen Aufbau, die Qualität, die Widerstandsfähigkeit
ebenso wie ihre Gestalt usw., sind bisher eine große
Anzahl zerstörungsfreier Untersuchungsverfahren angewen
det worden, indem die erfaßten Ergebnisse ihrer physika
lischen Eigenschaften ohne Zerstörung der zu unter
suchenden Materialien oder Strukturen verwendet wurden.
Die wichtigsten bisher zum Zwecke der Materialunter
suchung verwendeten zerstörungsfreien Untersuchungsver
fahren können beispielsweise in der nachfolgenden Weise
klassifiziert werden.
Wenn in einem Objekt irgendein Defekt, wie beispielswei
se ein Mikroriß, existiert, wächst die Intensität einer
Strahlung (beispielsweise Röntgenstrahlung oder γ-
Strahlung), die durch das fehlerhafte Teilstück hin
durchtritt, im Vergleich zu der Strahlung, welche durch
das im guten Zustand befindliche Teilstück hindurch
tritt, an. Es wird daher ein für die Strahlung empfind
licher Film an der Rückseite des zu untersuchenden
Objekts so angeordnet, daß die Form des Defektes auf dem
fotografischen Film fotografiert wird und die Güte des
der Prüfung unterzogenen Objektes anhand des hergestell
ten fotografischen Bildes überprüft werden kann.
- a) Impuls-Echo-Verfahren; es wird ein sehr kurzer Ultraschallimpuls in ein zu untersuchendes Objekt einge leitet und ein von einem Defekt, beispielsweise einem Mikroriß innerhalb des Objektes reflektiertes Echo empfangen, durch welches die Position, Größe usw. des Defektes erfaßt werden kann.
- b) Durchstrahlungsverfahren; eine Abstrahlungssonde sendet eine Ultraschallwelle in Form einer kontinuier lichen Welle oder einer Impulswelle aus und die durch ein zu untersuchendes Material hindurchtretende Ultra schallwelle wird mittels einer Empfängersonde empfangen, wodurch die Position, Größe usw. eines Defektes aus der Intensität der empfangenen Welle ermittelt werden kann.
- c) Resonanzverfahren; es wird eine Spannung hoher Frequenz mit sich kontinuierlich ändernder Frequenz an eine Abstrahlungssonde derart angelegt, daß die sich aufgrund der Dicke eines zu untersuchenden Materials ergebende resonante Stehwelle gemessen werden kann, um die Dicke des zu untersuchenden Materials zu erfassen.
Ein Defekt, wie beispielsweise ein Riß, in einem zu
untersuchenden Werkstück, wird auf der Basis der Bezie
hung zwischen der Intensität eines durch eine Spule
erzeugten magnetischen Wechselfeldes und der Bedingung
für die Erzeugung der Verteilung eines magnetischen
Feldes aufgrund von durch das magnetische Wechselfeld im
Werkstück erzeugten Wirbelströmen erfaßt. Während die
Erfassungsempfindlichkeit im Vergleich mit dem Ultra
schallverfahren im allgemeinen niedrig liegt, ist die
Empfindlichkeit gut für besondere Typen von Rissen und
sie wird daher häufig als zusätzliches Hilfsmittel zur
Ultraschalluntersuchung verwendet.
Allgemein gilt, daß, wenn ein metallisches Material der
Einwirkung einer sich wiederholenden Beanspruchung oder
dergleichen unterworfen wird, ein Gleiten der Kristall
körner innerhalb des Materials bewirkt wird, dem das
Auftreten eines Mikrorisses folgt. Wenn der Riß weiter
anwächst führt er schließlich zu einem Ermüdungsbruch.
In diesem Fall wird ein großer Teil des Zeitraumes bis
zu dem Punkt, an dem im Material der Ermüdungsbruch
auftritt, für eine mikroskopische Änderung der Kristall
gitterebene verbraucht, bevor der Mikroriß auftritt.
Die bisher zum Zweck der Ermittlung des Ermüdungsgrades
verwendeten zerstörungsfreien Untersuchungstechniken
wurden hauptsächlich zur Erfassung der Größe, der Form
und der Lage eines solchen Mikrorisses eingesetzt,
welcher bereits verursacht ist, und deshalb war es mit
diesen Techniken nur möglich, den Ermüdungsgrad in einem
Material im letzten Stadium, welches zum Ermüdungsbruch
des Materials führt, zu ermitteln.
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem der Ermüdungs
grad in einem zu untersuchenden Material, beispielsweise
einem Metall, mittels einer zerstörungsfreien Unter
suchungstechnik gemessen und ermittelt werden kann,
bevor ein Punkt erreicht ist, an dem das Material
bricht, d. h. vor dem Auftreten eines Mikrorisses.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß mit
einem Verfahren, das die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen beschrieben.
Das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung basiert auf
der Tatsache, daß, wenn ein Kristallstrukturen aufwei
sendes Material, beispielsweise metallisches Material,
der Bestrahlung mit Röntgenstrahlen ausgesetzt wird, die
Daten für das auftretende Röntgenstrahlenbeugungsmaximum
(Amplituden- oder Energieniveau) charakteristische Ände
rungen zeigt, die vom Fortschreiten der Ermüdung im
Material abhängen und insbesondere ein Anzeichen für das
Erreichen des Punktes darstellen, an dem der Ermüdungs
bruch auftritt.
In Übereinstimmung mit einem charakteristischen Aspekt
der vorliegenden Erfindung wird somit ein Verfahren zur
Ermittlung des Ermüdungsgrades in einem Konstruktionsma
terial geschaffen und das Verfahren umfaßt die Verfah
rensschritte der Ausführung eines Ermüdungstests durch
Anwenden mindestens einer von vorgegebenen Arten sich
wiederholender Beanspruchungen, wie Biegen, Ziehen,
Stauchen, Verdrehen und Stoßen, die für den benutzten
Bereich des zu untersuchenden Materials vorausgesagt
sind, auf ein Vergleichsstück, das eine dem Material
entsprechende Beschaffenheit aufweist, und einer Messung
der Intensität der in einen vorgegebenen Beugungswinkel
gebeugten Röntgenstrahlen, welche von dem bestrahlten
Teilstück des Vergleichsstücks erzeugt sind durch Be
strahlung mit Röntgenstrahlen zu einer Mehrzahl von
Zeitpunkten innerhalb des Zeitintervalls zwischen dem
Zeitpunkt, an dem die Anwendung der sich wiederholenden
Beanspruchungen auf das Vergleichsstück beginnt, und dem
Zeitpunkt, an dem ein Bruch des Vergleichsstücks bewirkt
wird, sowie der Gewinnung einer Ermüdungskennlinie aus
den Meßergebnissen, die einer Beziehung zwischen den
integrierten Beträgen der sich wiederholenden Bean
spruchungen (dargestellt durch die Anzahl von Zeitpunk
ten der Anwendung oder der Zeitabschnitte der Anwendung)
und den gebeugten Röntgenstrahlintensitäten, der Be
strahlung eines auszumessenden Teilstücks des zu unter
suchenden Materials mit Röntgenstrahlen und der Messung
der Intensität der in den vorgegebenen Beugungswinkel
gebeugten Röntgenstrahlen, die von dem auszumessenden
Teilstück erzeugt wurden und des Vergleichs der Ände
rungsrate zwischen den gebeugten Röntgenstrahlintensitä
ten, die an dem Material zu mindestens zwei Zeitpunkten
in dem genutzten Bereich gemessen wurden mit der Ermü
dungskennlinie, um den Ermüdungsgrad im Material zu
bestimmen und wenn notwendig, die bis zum Auftreten
eines Ermüdungsbruchs verbleibende Lebensdauer festzu
stellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die zu messende
gebeugte Röntgenstrahlintensität entweder der Maximal
wert des Peaks (Amplitude) oder die Peak-Fläche (Ener
gie) des gebeugten Röntgenstrahls sein. Diese Messung
wird während des Meßschrittes am Vergleichsstück und
während des Meßschrittes am zu untersuchenden Material
jeweils durchgeführt. Während des Meßschrittes am Ver
gleichsstück wird eine vorgegebene sich wiederholende
Beanspruchung mittels der Technik eines Ermüdungstestes
auf das Vergleichsstück ausgeübt und obwohl der Vorgang
der Anwendung der Beanspruchung jedesmal unterbrochen
wird, wird ein vorgegebener integrierter Beanspruchungs
betrag erreicht, wobei während dieser Unterbrechungs
periode die Messung der gebeugten Röntgenstrahlen am
Vergleichsstück durchgeführt wird. Andererseits werden
während des Meßschrittes am zu untersuchenden Material,
wenn das zu untersuchende Material ein Konstruktionsma
terial ist, beispielsweise im Fall einer Mehrzahl von
periodischen Untersuchungen, eine Mehrzahl von Messungen
der gebeugten Röntgenstrahlen am zu untersuchenden
Material unter den Nutzungsbedingungen zu unterschiedli
chen Zeitpunkten der Nutzungsbedingungen ausgeführt.
Diese Messung der gebeugten Röntgenstrahlen am Mate
rial unter Nutzungsbedingungen kann im Hinblick auf das
Material durchgeführt werden, indem dieses zeitweise von
seinem Verwendungsort entfernt wird, oder die Messungen
können als Alternative am Material an seinem Verwen
dungsort als solchem ausgeführt werden, wenn eine Sonde
zur Messung gebeugter Röntgenstrahlen hergestellt wird.
Somit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung nur not
wendig, einen Teil des zu untersuchenden Materials mit
Röntgenstrahlen zu bestrahlen und die in einen vorgege
benen Beugungswinkel gebeugte Röntgenstrahlintensität
mit einer Sonde für gebeugte Röntgenstrahlen oder der
gleichen zu messen und es besteht daher nicht nur keine
Notwendigkeit, das Material einer Probenentnahme zu
unterwerfen, sondern das Material wird auch durch die
Messung nicht zerstört. Die Messung der gebeugten Rönt
genstrahlen am zu untersuchenden Material wird bei
spielsweise im seinem Ausgangszeitpunkt als Konstruk
tionsmaterial durchgeführt und zu einem späteren Zeit
punkt, wenn die Anwendung eines gewissen integrierten
Betrages sich wiederholender Beanspruchungen durch den
nachfolgenden Gebrauch des Materials erreicht ist, oder
die Messung kann alternativ zu zwei unterschiedlichen
Zeitpunkten während der Nutzung ausgeführt werden. In
jedem Fall erbringt die Änderungsrate der Intensitäten
der gebeugten Röntgenstrahlen an dem zu untersuchenden
Material im gemessenen vorgegebenen Beugungswinkel zu
den zwei Zeitpunkten Information, welche der Änderung
der Kristallstruktur im Material vor dem Auftreten eines
Risses entspricht und somit dient diese Änderungsrate
als ein Anzeichen für die Entwicklung der durch die
Einwirkung der auf das Material während des Zeitinter
valls zwischen den beiden Zeitpunkten ausgeübten sich
wiederholenden Beanspruchung bedingten Ermüdung. An
dererseits wird mindestens eine von vielen Arten sich
wiederholender Beanspruchungen, die für die Nutzungsum
gebung des Materials vorausgesagt sind, wie beispiels
weise Biegen, Ziehen und Stauchen, Verdrehen und Stoßen,
auf ein Vergleichsstück ausgeübt, welches die gleiche
Beschaffenheit hat wie das zu untersuchende Material und
die Beziehung zwischen den integrierten Beträgen der
ausgeübten Beanspruchungen und den gebeugten Röntgen
strahlintensitäten für einen gegebenen Beugungswinkel
wird als Ermüdungskennlinie erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese für das
Vergleichsstück erhaltene Ermüdungskennlinie als Maß für
die Ermittlung des Ermüdungsgrades in dem überprüften
Material verwendet. Genauer gesagt, wird im voraus eine
Ermüdungskennlinie erhalten, welche die Veränderungen
einer spezifischen gebeugten Röntgenstrahlintensität
in Abhängigkeit von integrierten Beträgen einer bestimm
ten Art sich wiederholender Beanspruchung zeigt, für ein
Vergleichsstück, das eine dem zu untersuchenden Material
entsprechende Beschaffenheit aufweist und es wird die
Änderungsrate der durch die integrierten ausgeübten
Beanspruchungsbeträge bewirkten entsprechend gebeugten
Röntgenstrahlintensitäten, die an dem der Prüfung
unterworfenen Material gemessen wurden, mit der Ermü
dungskennlinie verglichen, wobei beispielsweise in
Abhängigkeit von der Bestimmung des Vorzeichens der
Änderungsrate der Ermüdungsgrad des der Prüfung unter
worfenen Materials zum Zeitpunkt der Messung ermittelt
und die verbleibende Lebensdauer des Materials im Hin
blick auf die Ermüdung ohne Zerstörung des Materials
erhalten wird.
Die obenerwähnte Ermüdungskennlinie kann als Kurve in
einem rechtwinkligen Koordinatensystem erhalten werden,
indem auf der Abszisse die integrierten Beanspruchungs
beträge, beispielsweise die Anzahl der Anwendungszeit
punkte einer sich wiederholenden Beanspruchung, aufge
tragen werden, während auf der Ordinate die gebeugten
Röntgenstrahlintensitäten aufgetragen werden. Während
die Kurve in Abhängigkeit von unterschiedlichen Fakto
ren, wie Qualität, Bearbeitungsgrad und Ermüdungszustand
des Materials, variiert, gibt es in diesem Fall Beispie
le, in denen es durch eine Vorausbestimmung einer Ermü
dungskennlinie, entsprechend den Maßstäben der Koordina
tenachsen, die durch die geforderten Ermüdungszustände
usw. normalisiert sind, möglich ist, die notwendigen
Ermüdungskennlinien durch eine einzige Kurve darzu
stellen sogar in Fällen von zu untersuchenden Materia
lien, die sich in Qualität, Grad der Bearbeitung, Ermü
dungszustand usw. unterscheiden. So können beispielswei
se in dem rechtwinkligen Koordinatensystem für die
Ermüdungskennlinie die Beträge der integrierten Bean
spruchungen auf der Abszisse in Einheiten der Verhält
nisse zu dem integrierten Beanspruchungsbetrag darge
stellt werden, der an dem Punkt eines Ermüdungsbruches
eines Vergleichsstücks erreicht ist und ebenso können
die gebeugten Röntgenstrahlintensitäten auf der Ordinate
in Einheiten der Verhältnisse zur Anfangsröntgenstrahl
intensität dargestellt werden, die am Vergleichsstück
gemessen wurde, auf welches jedoch die sich wiederholen
de Beanspruchung noch nicht angewendet wurde. Aufgrund
einer solchen Normalisierung kann sogar im Falle von zu
untersuchenden Materialien die sich in Qualität, Bear
beitungsgrad, Ermüdungszustand usw., unterscheiden, die
Ermittlung des Ermüdungsgrades und die Abschätzung der
verbleibenden Lebensdauer des zu untersuchenden Mate
rials aus einer einzigen allgemeinen Ermüdungskennlinie
erzielt werden.
Aus den obigen Darlegungen kann erkannt werden, daß es,
weil die Meßergebnisse der gebeugten Röntgenstrahlinten
sitäten verschiedene innere Informationen, wie bei
spielsweise die Kristallstruktur eines zu untersuchenden
Materials, enthalten, durch Messen von Unterschieden der
gebeugten Röntgenstrahlintensität, die auf Ermüdung
beruhen, möglich ist, den Ermüdungsgrad zu ermitteln.
Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Grad der
Ermüdungsschädigung eines zu untersuchenden Materials,
beispielsweise eines Metalls, vor dem Auftreten eines
Mikrorisses aus den Meßergebnissen durch eine zerstö
rungsfreie Meßtechnik ermittelt werden.
Die vorliegende Erfindung ist gut geeignet zur Ermitt
lung des Ermüdungsgrades in üblichen Maschinenteilen,
ebenso wie in verschiedenen Konstruktionsmaterialien,
beispielsweise für Anlagen, Gebäude, Luftfahrzeuge,
Schiffe, Kraftfahrzeuge, Kernreaktoren und deren beglei
tende Ausrüstung und die Erfindung ist auf alle zu
untersuchenden Materialien anwendbar, welche nicht nur
solche Metalle, wie rostfreie Stähle und rostfreie
Stahllegierungen, umfassen, sondern auch jene Materia
lien, die eine übliche Kristallstruktur besitzen.
Die oben beschriebenen und andere Aufgaben, Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels nicht begrenzender
Natur in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, welche die
Art zeigt, in der die Messung der gebeugten
Röntgenstrahlintensität an einem zu untersuchen
den Material und einem Vergleichsstück in Über
einstimmung mit einer bevorzugten Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung durchgeführt
wird;
Fig. 2 zeigt eine an dem Vergleichsstück erhaltene
typische Ermüdungskennlinie;
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die äußere Gestalt und
Größe (in Einheiten von mm) des Vergleichs
stücks;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, welche die
Hauptteile einer Apparatur zur wiederholten
Ausübung einer Rotationsbiegungsbeanspruchung
als sich wiederholende Beanspruchung auf das
Vergleichsstück zeigt;
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, in welcher die
gebeugten Röntgenstrahlmaximalwerte in der
Ebene (110) des Vergleichsstückes gegen die An
zahl der Zeitpunkte der Ausübung der Rotations
biegungsbeanspruchung aufgetragen sind;
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung analog der
graphischen Darstellung von Fig. 5, in welcher
der Maßstab der Abszisse durch die Anzahl der
Zeitpunkte der Beanspruchungsanwendung, welche
zu einem Bruch führt, normalisiert ist und in
ähnlicher Weise der Maßstab der Ordinate durch
die Ausgangswerte für die gebeugten Röntgen
strahlmaximalwerte normalisiert ist.
Das in Fig. 1 dargestellte Meßobjekt 11 ist ein zu
untersuchendes Material oder ein Vergleichsstück, das
von einem von einer Röntgenstrahlenquelle 12 ausgehenden
Röntgenstrahlbündel 13 mit einem Einfallswinkel R auf
einem auszumessenden Teilstück an der Oberfläche des
Objektes 11 bestrahlt wird. Ein gebeugtes Röntgenstrahl
bündel 14 mit einem Beugungswinkel R geht von dem be
strahlten Teilstück aus und wird auf einen Röntgenstrah
lendetektor 15 gerichtet. Der Detektor 15 führt ein
Erfassungssignal einer nicht dargestellten das gemessene
Signal verarbeitenden Einheit zu, durch welche ein
Maximalwert des unter dem Beugungswinkel R von dem
bestrahlten Teilstück ausgehenden gebeugten Röntgen
strahlbündels und ebenso die Daten der Meßstelle er
mittelt werden.
Die spezifischen Operationen, die für die Hauptmessungen
in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform
durchgeführt werden, umfassen die folgenden Verfahren:
Verfahren 1: Nach dem Herstellen eines Vergleichsstücks mit einer Beschaffenheit, die einem Ob jekt, das einem Grad einer Ermüdungsent wicklung unterworfen ist, oder einem zu untersuchenden Material entspricht, wird mindestens eine von verschiedenen Arten sich wiederholender Beanspruchungen, die für die genutzte Umgebung des zu unter suchenden Materials vorausgesagt sind, wie beispielsweise Biegen, Ziehen und Stauchen, Verdrehen und Stoßen auf das Vergleichsstück angewendet und es wird ein Spitzenwert der gebeugten Röntgen strahlintensität mittels einer Röntgen strahlbeugungsmessung bei einem spe zifischen Beugungswinkel gemessen, wenn ein bestimmter integrierter Betrag der angewendeten sich wiederholenden Be anspruchung erreicht ist. Dieser inte grierte Betrag wird durch eine Anzahl von Beanspruchungsanwendungen, bei spielsweise die Anzahl der Biegungs vorgänge repräsentiert.
Verfahren 2: Der sich ergebende Spitzenwert der Inten sität des gebeugten Röntgenstrahlbündels (Peak-Maximalwert oder Peak-Fläche) und die dann laufende Nummer der Beanspru chungsanwendungen werden in ein recht winkliges Koordinatensystem eingetragen. Es wird darauf hingewiesen, daß diese Operation beispielsweise mittels einer Datenverarbeitung innerhalb des der Meß apparatur hinzugefügten Computers durch geführt werden kann.
Verfahren 3: Durch die jeweilige Wiederholung der Verfahren 1 und 2 mit Intervallen verschie dener Anzahl von Beanspruchungsanwendungen wird eine Kennlinie (Ermüdungskennlinie) erhalten, welche die Beziehung zwischen der Anzahl der Beanspruchungsanwendungen und dem gebeugten Röntgenstrahlintensi täten zeigt. Fig. 2 zeigt ein Beispiel der sich ergebenden Ermüdungskennlinie und Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Gestalt und Größe des Vergleichsstückes.
Verfahren 4: Die gleiche Messung gebeugter Röntgen strahlen wie in Verfahren 1 wird an dem zu untersuchenden Material durchgeführt, um einen Wert für die erste Intensität ge beugter Röntgenstrahlen zu erhalten.
Verfahren 5: An dem zu untersuchenden Material wird dieselbe Messung gebeugter Röntgenstrahlen in der gleichen Weise wie in Verfahren 4 durchgeführt, nachdem die sich wieder holende Beanspruchung in der Nutzungsum gebung innerhalb eines gewissen Zeitraums angewendet wurde, um den zweiten Wert für die Intensität der gebeugten Röntgen strahlen zu erhalten.
Verfahren 6: In Übereinstimmung mit dem Verhältnis des ersten durch Verfahren 4 erhaltenen Wertes zum zweiten durch Verfahren 5 erhaltenen Wertes wird die Änderungsrate der ge beugten Röntgenstrahlintensität für das der Oberprüfung unterworfenen Material er halten.
Verfahren 1: Nach dem Herstellen eines Vergleichsstücks mit einer Beschaffenheit, die einem Ob jekt, das einem Grad einer Ermüdungsent wicklung unterworfen ist, oder einem zu untersuchenden Material entspricht, wird mindestens eine von verschiedenen Arten sich wiederholender Beanspruchungen, die für die genutzte Umgebung des zu unter suchenden Materials vorausgesagt sind, wie beispielsweise Biegen, Ziehen und Stauchen, Verdrehen und Stoßen auf das Vergleichsstück angewendet und es wird ein Spitzenwert der gebeugten Röntgen strahlintensität mittels einer Röntgen strahlbeugungsmessung bei einem spe zifischen Beugungswinkel gemessen, wenn ein bestimmter integrierter Betrag der angewendeten sich wiederholenden Be anspruchung erreicht ist. Dieser inte grierte Betrag wird durch eine Anzahl von Beanspruchungsanwendungen, bei spielsweise die Anzahl der Biegungs vorgänge repräsentiert.
Verfahren 2: Der sich ergebende Spitzenwert der Inten sität des gebeugten Röntgenstrahlbündels (Peak-Maximalwert oder Peak-Fläche) und die dann laufende Nummer der Beanspru chungsanwendungen werden in ein recht winkliges Koordinatensystem eingetragen. Es wird darauf hingewiesen, daß diese Operation beispielsweise mittels einer Datenverarbeitung innerhalb des der Meß apparatur hinzugefügten Computers durch geführt werden kann.
Verfahren 3: Durch die jeweilige Wiederholung der Verfahren 1 und 2 mit Intervallen verschie dener Anzahl von Beanspruchungsanwendungen wird eine Kennlinie (Ermüdungskennlinie) erhalten, welche die Beziehung zwischen der Anzahl der Beanspruchungsanwendungen und dem gebeugten Röntgenstrahlintensi täten zeigt. Fig. 2 zeigt ein Beispiel der sich ergebenden Ermüdungskennlinie und Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Gestalt und Größe des Vergleichsstückes.
Verfahren 4: Die gleiche Messung gebeugter Röntgen strahlen wie in Verfahren 1 wird an dem zu untersuchenden Material durchgeführt, um einen Wert für die erste Intensität ge beugter Röntgenstrahlen zu erhalten.
Verfahren 5: An dem zu untersuchenden Material wird dieselbe Messung gebeugter Röntgenstrahlen in der gleichen Weise wie in Verfahren 4 durchgeführt, nachdem die sich wieder holende Beanspruchung in der Nutzungsum gebung innerhalb eines gewissen Zeitraums angewendet wurde, um den zweiten Wert für die Intensität der gebeugten Röntgen strahlen zu erhalten.
Verfahren 6: In Übereinstimmung mit dem Verhältnis des ersten durch Verfahren 4 erhaltenen Wertes zum zweiten durch Verfahren 5 erhaltenen Wertes wird die Änderungsrate der ge beugten Röntgenstrahlintensität für das der Oberprüfung unterworfenen Material er halten.
In Übereinstimmung mit der durch das Verfahren 6 erhal
tenen Änderungsrate und der durch das Verfahren 3 erhal
tenen Ermüdungskennlinie ist es nun möglich, den Ermü
dungsgrad in dem zu untersuchenden Material zu be
stimmen.
Der Ermüdungsgrad kann beispielsweise in der folgenden
Weise erhalten werden:
In der Darstellung nach Fig. 2 repräsentiert die Abszis
se N die Anzahl der Beanspruchungsanwendungen auf das
Vergleichsstück und die Ordinate I repräsentiert die
gebeugte Röntgenstrahlintensität. Unter der Annahme, daß
IA und IB jeweils gebeugte Röntgenstrahlintensitäten
repräsentieren, die gemessen werden, wenn die Anzahl der
Beanspruchungsanwendungen jeweils NA und NB ist, wird
die Änderungsrate (ΔI/ΔN) der gebeugten Röntgenstrahl
intensität in Bezug zur Anzahl der Beanspruchungsanwen
dungen während des Intervalls durch die folgende
Gleichung gegeben:
ΔI/ΔN=(IB-IA)/(NB-NA).
Im Fall der Fig. 2 wird beispielsweise die Änderungsrate
negativ, bevor die Anzahl der Anwendungen den Wert NC
erreicht, der ein Minimum der gebeugten Röntgenstrahlin
tensität anzeigt und sie erreicht bei der Anzahl NC der
Anwendungen den Wert 0. Die Änderungsrate wird nach
Überschreiten der Zahl NC der Anwendungen positiv.
Deshalb ist es durch Bestimmung mindestens des Vor
zeichens der Änderungsrate (ΔI/ΔN), welches durch das
Verfahren 6 erhalten wird, möglich zu erkennen, ob der
Ermüdungsgrad im Material im Bereich vor oder nach der
Anzahl NC von Anwendungen liegt, welche das Minimum der
gebeugten Röntgenstrahlintensität auf der Ermüdungskenn
linie anzeigt, welche am Vergleichsstück erhalten wurde
und die verbleibende Lebensdauer (der Ermüdungsgrad) bin
hin zur Anzahl Nf von Beanspruchungsanwendungen oder der
Punkt des Ermüdungsbruches können aus der Ermüdungskenn
linie mit einem bemerkenswert hohen Grad von Genauigkeit
vorausgesagt werden. Natürlich zeigt sich in Abhängig
keit von der Qualität oder dergleichen des individuellen
Konstruktionsmaterials als zu untersuchendes Material
ein zum Ermüdungsbruchpunkt auf der Ermüdungskennlinie
führendes Vorzeichen selbst in der Größe der Änderungsrate
oder dergleichen und somit ist es auch möglich, die
verbleibende Lebensdauer des Materials aus der Größe der
Änderungsrate zu ermitteln.
Was das Intervall (ΔN) betrifft, in dem die Ermittelung
des Ermüdungsgrades tatsächlich an dem zu untersuchenden
Material durchgeführt wird, so ist darauf hinzuweisen,
daß es vorzuziehen ist, das erforderliche Intervall aus
der im voraus für das entsprechende Vergleichsstück
erhaltenen Ermüdungskennlinie zu bestimmen.
Während diese Ermüdungskennlinie sich in Abhängigkeit
von der Qualität, dem Bearbeitungsgrad, dem Ermüdungszu
stand usw., ändert, ist es, wenn die Ermüdungskennlinie
im voraus durch die notwendigen Ermüdungszustände norma
lisiert wird, möglich, den Ermüdungsgrad und die ver
bleibende Lebensdauer in Übereinstimmung mit der norma
lisierten Ermüdungskennlinie im Hinblick auf zu unter
suchende Materialien, die sich in Qualität, Bearbei
tungsgrad, Ermüdungszustand usw., unterscheiden zu
bestimmen. Mit anderen Worten, kann beispielsweise durch
eine Verwendung der Verhältnisse, die durch Dividieren
der Anzahl der Beanspruchungsanwendungen auf der Abszis
se von Fig. 2 durch die Anzahl der Beanspruchungsanwen
dungen am Ermüdungsbruchpunkt erhalten werden und durch
Verwendung der Verhältnisse, welche durch Dividieren der
gebeugten Röntgenstrahlintensitäten auf der Ordinate
durch die gebeugte Röntgenstrahlintensität (Anfangs
wert), die erhalten wird, wenn noch keine Beanspru
chungsanwendung stattfand, erhalten werden, die gefor
derte Ermüdungskennlinie für Materialien mit unter
schiedlichen Belastungsbeanspruchungen durch die einzige
normalisierte Ermüdungskennlinie ersetzt werden.
Die Ermittlung des Ermüdungsgrades durch Messung gebeug
ter Röntgenstrahlung wurde an einem Bauelement eines
Kernreaktors durchgeführt, das aus einem hitzebeständi
gen Legierungsmaterial mit hohem Nickelanteil (Handels
name: Inconel 718, FCC-Kristall) bestand.
Es wurden zwei Vergleichsstücke 1 gleicher Gestalt und
Größe, wie in Fig. 3 dargestellt, aus dem gleichen
Legierungsmaterial hergestellt. Eine sich wiederholende
Rotationsbiegungsbeanspruchung wurde auf diese Ver
gleichsstücke 1 durch die in Fig. 4 dargestellte Ermü
dungstestmaschine angewendet. Genauer gesagt, besitzt
diese Ermüdungstestmaschine, wie in Fig. 4 gezeigt,
Lager 4a und 4b, die jeweils kippbar an Auflagerpunkten
6a und 6b unterstützt und einander gegenüberliegend
angeordnet waren, sowie Rotationsspannfutter 2a und 2b′
die jeweils drehbar von diesen Lagern getragen wurden,
einen Motor 5, um das Rotationsspannfutter 2a in Rota
tion zu versetzen und ein Gewicht 3 zum Anlegen einer
Last, um eine Biegungsbeanspruchung zu bewirken, welche
auf das zwischen den Lagern gehalterte Vergleichsstück 1
einwirkt.
Bei in die Spannfutter 2a und 2b eingespannten Enden des
Vergleichsstücks 1 wurde eine Last an das Vergleichs
stück 1 angelegt, während dieses durch den Motor 5
gedreht wurde und eine Rotationsbiegebeanspruchung, die
sich bei jeder Drehung wiederholte, wurde auf das Ver
gleichsstück 1 angewendet, wodurch ein Ermüdungstest
durch die sogenannte Rotationsbiegung ausgeführt wurde.
Die auf eines der Vergleichsstücke durch das Gewicht
ausgeübte Belastung betrug 75 kg/mm2 und die auf das
andere Vergleichsstück ausgeübte Belastung betrug
80 kg/mm2 (die beiden Belastungen entsprachen den ermittel
ten maximalen Beanspruchungswerten). Die Rotationsfre
quenz betrug 30 Hz in beiden Fällen.
Die Messung der gebeugten Röntgenstrahlen wurde in der
folgenden Weise durchgeführt. Mit anderen Worten, eine
als Röntgenstrahlquelle benutzte Röntgenröhre eines
Röntgenstrahlen-Diffraktometers war eine Cu-Röhren-Lampe
(mit einem Monochrometer) und die Wellenlängen der durch
das Auftreffen des erregenden Elektronenstrahlbündels
auf das Cu (Kupfer)-Target wurden durch die Siebung
mittels des Monochrometers, das einen Graphit-Monokri
stall aufwies, gleichförmig gemacht Genauer betrugen
die Röhrenspannung und der Röhrenstrom jeweils 40 kV und
40 mA und die Röntgenstrahlen wurden nach dem Verfahren
des konzentrierten Bündels unter Verwendung eines
Schlitzes auf das Teststück aufgestrahlt. An der
Empfangsseite des Röntgenstrahl-Diffraktometers wurden
die gebeugten Röntgenstrahlen durch Abtasten mit einem
Röntgenstrahlenzähler über einen Bereich von mehreren
Grad mit dem Peak der von dem bestrahlten Teilstück
erzeugten gebeugten Röntgenstrahlen im Mittelpunkt
gezählt. In diesem Zeitraum war die Abtastrate 1,0
Grad/min. und der Abtastschritt betrug 0,002 Grad. Es
wird bemerkt, daß die Messung der gebeugten Röntgen
strahlen unter Entfernung des Teststückes aus der Ermü
dungstestmaschine während des Ermüdungstestes durchge
führt wurde, wie es der Anlaß erforderte.
Fig. 5 zeigt ein Ermüdungskennliniendiagramm, in welchem
die Spitzenwerte der von der FCC-Kristall-Ebene (111)
des Vergleichsstückes gebeugten Röntgenstrahlen gegen
die Anzahl der Anwendungen der Rotationsbiegung aufge
tragen sind. In der Zeichnung bedeuten die Punkte ∆
wie das Meßergebnis bei einer angelegten Last von
75 kg/mm2 aussieht und die Punkte zeigen wie das
Meßergebnis aussieht bei einer angelegten Last von
80 kg/mm2. Weiterhin bezeichnet das Symbol Io die Aus
gangswerte und das Zeichen F den Punkt des Ermüdungs
bruchs. In beiden Fällen der angelegten Lasten zeigt der
Spitzenwert die charakteristische Änderung eines
schnellen Abfalls und Wiederanstiegs vor dem Punkt des
Ermüdungsbruchs.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die der Dar
stellung nach Fig. 5 entspricht, in welcher die Ordinate
und die Abszisse kalibriert sind, indem sie durch norma
lisierte Maßstäbe repräsentiert werden (beispielsweise
ist die Abszissenskala dividiert durch die Anzahl der
Rotationsbiegungsanwendungen NF am Bruchpunkt und die
Ordinatenskala ist dividiert durch die Ausgangsspitzen
werte Io).
Während in Fig. 5 der Ausgangsspitzenwert und die Anzahl
der Biegungen am Bruchpunkt für die jeweils angelegten
Lasten getrennt angezeigt sind, ist es möglich, sie, wie
oben bemerkt, zu normalisieren und sie dadurch durch
eine einzige Ermüdungskennlinie, wie in Fig. 6 gezeigt,
darzustellen. Mit anderen Worten, aus Fig. 6 kann er
kannt werden, daß beispielsweise, wenn die Änderungsrate
des Spitzenwertverhältnisses (I/Io) im Hinblick auf die
Zahl des Biegungsverhältnisses (N/Nf) 0 ist, das Ermü
dungs-Lebensdauer-Verhältnis 0,75 ist, was bedeutet, daß
75% der Lebensdauer bis zum Ermüdungsbruch erreicht
sind. Es wird darauf hingewiesen, daß, während bei
dieser Ausführungsform die Peak-Niveaus der gebeugten
Röntgenstrahlen gemessen wurden, Kurven mit ähnlicher
Tendenz erhalten werden können, indem die Peak-Flächen
gemessen werden. In der Tat wurde unter Verwendung der
Sonde für gebeugte Röntgenstrahlen die Messung der
gebeugten Röntgenstrahlen zweimal innerhalb eines gege
benen Zeitintervalls an dem Konstruktionselement aus der
obenerwähnten Legierung, das in einer Kernreaktoranlage
verwendet wurde, unter äquivalenten Meßbedingungen
durchgeführt und die Bestimmung der Änderungsrate des
Spitzenwertes der gebeugten Röntgenstrahlen während des
Intervalls ergab einen negativen Wert. Aufgrund dieser
Tatsache wurde herausgefunden, daß das Ermüdungs-Lebens-
Verhältnis dieses Konstruktionselementes noch kleiner
als 75% war.
Die vorliegende Erfindung ist in der Hauptsache zur
Ermittlung der Ermüdung in Konstruktionsmaterialien
verwendbar, die in der Anwendung von sich wiederholender
Beanspruchung ausgesetzt sind. Wenn es jedoch möglich
ist, durch Messung gebeugter Röntgenstrahlen Vergleichs-
Hysterecharakteristiken im Hinblick auf beispielsweise
die Kriechdehnung, die Warmrißanfälligkeit, die Versprö
dung durch radioaktive Strahlung usw. von Konstruktions
materialien zu erhalten, ist es denkbar, daß in einem
analogen Vorgehen Verfahren zur Ermittlung ihrer Lebens
dauer entwickelt werden können.
Claims (6)
1. Verfahren zur Ermittlung des Ermüdungsgrades in einem
Konstruktionsmaterial, gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschritte:
- - Ausführen eines Ermüdungstests an einem Vergleichs stück, das eine dem zu untersuchenden Material ent sprechende Beschaffenheit aufweist;
- - Bestrahlen des besagten Vergleichsstücks mit einem Röntgenstrahlbündel zu einer Mehrzahl von Zeitpunk ten während des besagten Ermüdungstests, um die In tensität eines in einem vorgegebenen Beugungswinkel gebeugten, von einem bestrahlten Teilstück erzeugten Röntgenstrahlbündels zu messen;
- - Aufnehmen einer Ermüdungskennlinie, die einer Be ziehung zwischen integrierten Beträgen sich wieder holender Beanspruchungen und besagten gebeugten Röntgenstrahlintensitäten entspricht, die durch den besagten Ermüdungstest aus den besagten Messungen erhalten werden;
- - Bestrahlen eines auszumessenden Teilstücks des zu untersuchenden Materials mit besagtem Röntgenstrahl bündel, um die Intensität eines in den besagten Beugungswinkel gebeugten, von dem besagten auszu messenden Teilstück erzeugten Röntgenstrahlbündels zu messen; und
- - Bestimmen des Ermüdungsgrades in dem besagten zu untersuchenden Material durch Vergleichen einer Änderungsrate zwischen den besagten gebeugten Röntgenstrahlbündeln, die an dem besagten Material zu mindestens zwei Zeitpunkten gemessen wurden, zwischen denen die Anwendung einer vorgegebenen Art sich wiederholender Beanspruchung auf einen genutzten Bereich des besagten Materials ausgeübt wurde, mit der besagten Ermüdungskennlinie.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine einer Mehrzahl von vorgegebenen
Arten sich wiederholender Beanspruchungen, die für den
genutzten Bereich des besagten zu untersuchenden Mate
rials vorausgesagt sind, wie Biegen, Ziehen, Stauchen,
Verdrehen und Stoßen, auf das besagte Vergleichsstück
mit einer dem besagten Material entsprechenden Be
schaffenheit während des Ermüdungstests angewendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Anzahl von Beanspruchungsanwendungen als der
besagte integrierte Betrag sich wiederholender Bean
spruchungen verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der besagte Verfahrensschritt des Messens der Inten
sität eines gebeugten Röntgenstrahlenbündels einen
Verfahrensschritt enthält, gemäß dem das besagte Ver
gleichsstück mit einem Röntgenstrahlenbündel zu einer
Mehrzahl von Zeitpunkten bestrahlt wird, die in einem
Zeitintervall zwischen einem Zeitpunkt, an dem die
Anwendung der besagten sich wiederholenden Beanspruchun
gen auf das besagte Vergleichsstück beginnt, und einem
Zeitpunkt, an dem am besagten Vergleichsstück ein Bruch
auftritt, liegen und die Intensitäten von in einen
vorgegebenen Beugungswinkel gebeugten, von dem besagten
bestrahlten Teilstück erzeugten Röntgenstrahlenbündeln
gemessen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung der Röntgenstrahlbeugung an einem oder
dem anderen der besagten Vergleichsstücke und an dem
besagten zu untersuchenden Material durch Messung der
gebeugten Röntgenstrahlspitzenniveaus oder -amplituden
bewirkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung der Röntgenstrahlbeugung an einem oder
dem anderen der besagten Vergleichsstücke und an dem
besagten zu untersuchenden Material durch Messung der
gebeugten Röntgenstrahlspitzenflächen oder -energien
bewirkt wird.
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