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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Messung mechanischer Spannungen
in Oberflächenschichten metallischer
Gegenstände,
und sie kann eingesetzt werden, um eine zerstörungsfreie Prüfung dieser
Teile/Gefüge
von Maschinen/Strukturen auszuführen,
die einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind.
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Ein
bekanntes Verfahren zum Messen mechanischer Spannungen besteht darin,
dass in dem Material eines betreffenden Gegenstandes Öffnungen
ausgebohrt werden, um so Verformungen vom Bohren zu messen, wobei
auf Basis ihrer Messungen die mechanische Beanspruchung bestimmt
wird (Japanische Patentschrift
JP
57175233 vom 28. Oktober 1982 in der Klasse G01L5/00).
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Der
Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass notwendigerweise
die Unversehrtheit des Gegenstandes verletzt wird, aus welchem Grunde
sein Einsatzgebiet nicht sehr breit ist.
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Es
gibt auch ein weiteres allgemein bekanntes Verfahren zum Messen
mechanischer Spannungen, dass von seinen technischen Grundlagen
her dem oben dargestellten Verfahren nahe steht und üblicherweise als
ein Prototyp von diesem angesehen wird; sein Grundgedanke besteht
darin, dass durch einen Eindringkörper auf einer Oberfläche eines
Gegenstandes ein großer
Abdruck erzeugt wird; nach dem Messen des Durchmessers des so erzeugten
Abdrucks wird er mit dem Durchmesser des Abdruckes auf der beanspruchten Oberfläche eines
analogen Gegenstandes (eines Eichmaßes oder Bezugsnormals) verglichen
und so die mechanischen Eigenspannungen bestimmt (Ya. D. Vishniakov,
V. D. Piskariov, Control of Residual Stresses in Metals and Alloys.
Moscow: "Metallurgy", 1989, S. 212–215).
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Dieses
Verfahren weist tatsächlich
bedeutende Mängel
auf: Messung und Vergleich der Abdrücke auf dem Gegenstand und
dem Bezugsnormal können
keine ausreichend genaue Bestimmung der Größe der Beanspruchung bei der
Messung liefern. Was den Vergleich solcher Abdrücke anbelangt, so hat es oft
den Anschein, dass kein signifikanter Unterschied zwischen ihnen
festgestellt werden kann, während
gleichzeitige, zum Beispiel mit einem Röntgenverfahren ausgeführte Messungen
zeigen, dass der Gegenstand unter Spannung steht. Da dieses Verfahren
somit entweder bei der Genauigkeit oder bei der Adäquatheit
die notwendige Stufe verfehlt, so dass die Qualität der Messungen
beeinträchtigt
wird, kann ein akzeptabler Genauigkeitsgrad nicht erreicht werden.
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Die
US-Patentschrift 6,155,104 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bestimmen bereits vorliegender Spannungen auf Basis eines Eindrückens oder
einer anderen mechanischen Sondierung eines Materials. Die offenbarte
Technik ermöglicht
es, bereits vorliegende Spannungen in einer Probe des Materials zu
bestimmen und dann die Spannungen auf Basis von Veränderungen
in den Parametern dieses Prozesses zu berechnen. Bei der Messung
wird ein Eindringkörper
in die Probe mit Hilfe eines Presswerkzeugs eingedrückt.
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Die
US-Patentschrift 5,841,019 beschreibt ein Verfahren für die zerstörungsfreie
Messung der Druck- und Zugfestigkeit von Beton im Gefüge. Es wird
der elektrische Widerstand in der Berührungsfläche eines Eindringkörpers wie
auch der elektrische Widerstand des Materials selbst während des
Stoßmoments
und abhängig
von der Größe sowie
vom Vorzeichen der Spannungen in den stoßenden Oberflächen gemessen.
Die Druck- und Zugspannungen in dem Material werden dann durch Analyse
der Beschaffenheit der zeitlichen Veränderung und der Größe eines
Zeitabschnittes in einer aufgezeichneten Kurve bestimmt, welche
die elektrische Signalsättigung
wie auch begleitende akustische Signale zeigt.
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Die
Aufgabe dieser Erfindung ist die Erhöhung der Qualität von mechanischen
Beanspruchungsmessungen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und
eine Vorrichtung, wie sie in den Ansprüchen 1 bis 3 definiert sind.
Das Verfahren umfasst die Abfolge der folgenden Maßnahmen:
durch dynamischen Stoß eines kugelförmigen Eindringskörpers werden
Abdrücke
hergestellt; dann wird nur der Durchmesser des Abdrucks gemessen,
der auf dem Bezugsnormal erzeugt wird; Geschwindigkeiten, mit denen
der kugelförmige
Eindringkörper
auf die Oberflächen
des Gegenstandes und des Bezugsnormals aufgeprallt und von ihnen
abgeprallt ist; und schließlich
werden die mechanischen Spannungen aus der folgenden Formel bestimmt:
wobei ist:
σ – der gesuchte
Wert;
C – dimensionsloser
reduzierter Koeffizient, der von den Eigenschaften der jeweiligen
Materialien abhängt,
aus denen Eindringkörper,
Bezugsnormal und Gegenstand bestehen, und 5 ≤ C ≤ 20;
g – dimensionsloser
Koeffizient, der zahlenmäßig gleich
der Schwerebeschleunigung ist;
m – Masse des kugelförmigen Eindringkörpers;
v – Aufprallgeschwindigkeit;
d – Durchmesser
des am Bezugsnormal erzeugten Abdrucks;
k
1 – Koeffizient,
der aus der Gleichung k
1 = v
1/v
zu bestimmen ist;
wobei v die Aufprallgeschwindigkeit ist;
v
1 ist die Geschwindigkeit, mit welcher
der kugelförmige
Eindringkörper vom
Bezugsnormal abgeprallt ist;
k
2 – Koeffizient,
der aus der Gleichung k
2 = v
2/v
zu bestimmen ist;
wobei v die Aufprallgeschwindigkeit ist;
v
2-Geschwindigkeit, mit welcher der kugelförmige Eindringkörper vom Gegenstand
abgeprallt ist;
π – Zahl "π" = 3.1412 ....
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Wo
es nötig
ist, kann die Oberfläche
des Gegenstandes, aus der die mechanischen Spannungen beseitigt
wurden, als das Bezugsnormal dienen.
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Es
gibt ein allgemein bekanntes Verfahren zum Untersuchen von Eigenschaften
des Materials, aus dem ein Gegenstand hergestellt ist; dieses umfasst:
die Belastung des Bezugsnormals und des analysierten Gegenstandes
(die Russische Patentschrift Nr. 2140075 vom 9. Juli 1998 in der
Klasse G01N 29/14, 19/04, 3/00, Erfindungsbulletin der Russischen
Föderation
Nr. 29 vom 20. Oktober 1999) durch das Eindringen eines Eindringkörpers und
das Registrieren von Schallabstrahlungssignalen, die mit der Belastung
einhergehen, mit der anschließenden
Bestimmung der Eigenschaften des Materials. Dieses Verfahren wurde
jedoch eigens dafür
entwickelt, die Eigenschaften des Materials zu analysieren und zu
erkennen, und es kann als solches nicht dazu verwendet werden, mechanische
Spannungen zu bestimmen, denen ein Material, aus dem ein Gegenstand
angefertigt ist, unterworfen ist, weil solche mechanischen Spannungen
in keiner Weise als eine innere Eigenschaft oder Eigenschaften angesehen
werden können,
wie z.B. die Härte,
sondern eher das Ergebnis oder die Folge einer äußeren Einwirkung (zum Beispiel
Dehnen) oder mitunter einer inneren Einwirkung (zum Beispiel Phasenumwandlungen
in Metallen) sind.
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Außerdem wird
in diesem anerkannten Verfahren eher eine statische Belastung des
Bezugsnormals und des getesteten Gegenstandes durch Eindrücken eines
Eindringkörpers
vorgenommen als eine dynamische Belastung wie in dem vorgeschlagenen
Verfahren.
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Es
gibt auch ein allgemein bekanntes Verfahren zur Messung mechanischer
Eigenspannungen, und es gibt ein Gerät, um dieses Verfahren zur
Anwendung zu bringen (siehe die Patentschrift Nr.
JP 5079928 vom 30.03.1993 unter der
IPC-Klasse 0O1L 1/00) einschließlich
einer Anwendung von Dehnungsmessern, die paarweise auf die Testoberfläche geklebt
werden, und einer Vorrichtung für
das Eindrücken
des Eindringkörpers
in den mittleren Bereich zwischen den aufgeklebten Dehnungsmessern.
Aus der Eindrückkraft
und aus Differenzen der Messwerten der Dehnungsmesser werden die
Eigenspannungen in der Oberfläche
und die Härte
des Materials bestimmt, was es möglich
macht, die Materialfestigkeit zum Beispiel einer Kernreaktorausrüstung zu
beurteilen. Dieses Verfahren hat jedoch seine Unzulänglichkeiten,
nämlich:
im Gegensatz zum vorgeschlagenen Verfahren ist es nötig, Dehnungsmesser
aufzukleben, und es ist auch nötig,
ein Gerät
für das Eindrücken des
Eindringkörpers
mit einer hohen Genauigkeit (Zentrierung) zwischen die Dehnungsmesser
zu setzen.
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Es
gibt auch ein bekanntes Beanspruchungsmessverfahren, das in einer
Vorrichtung zum Messen von Spannungen (siehe die US-Patentschrift Nr.
5,463,896 vom 07.11.1995) in Geschützstahlproben mit einem bekannten
Zusammenhang zwischen Härte,
Kontaktdruck und elastischen Spannungen realisiert ist. Die Probe wird
als ein zylindrischer Ring (US-Patentschrift Nr. 5,463,896 vom 07.11.1995, 2)
mit dem bekannten Innen- und Außendurchmesser
dargestellt.
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Wenn
die Härte
zum Beispiel mit dem allgemein bekannten Verfahren von Meyer entlang
des Radius vom inneren Durchmesser zum äußeren Durchmesser gemessen
wird, dann werden diese Härtemessungen auf
Grundlage der bekannten Beziehung in elastische Spannungsdaten umgeformt.
Es gibt die folgenden Mängel:
beschränkt
auf einen spezifischen Probentyp wird – im Gegensatz zum vorgeschlagenen
Verfahren – ein
statistisches Eindrücken
nach dem bekannten Verfahren mit Härtemessungen verwendet.
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Das
Wesen der Erfindung besteht darin, dass die Wechselbeziehung zwischen
dem dynamischen Eindringen des kugelförmigen Eindringkörpers in
das Material des Bezugsnormals und in den getesteten Gegenstand
berücksichtigt
wird. Und es kann auch der Teil des getesteten Gegenstandes, der
mit Sicherheit nicht den zu bestimmenden mechanischen Spannungen
ausgesetzt war, als ein Bezugsnormal genommen werden. Veränderungen
in der Abprallgeschwindigkeit des kugelförmigen Eindringkörpers von
der Oberfläche
des Materials gehen auf zwei Ursachen zurück: die Härte dieser Oberfläche und
das Vorliegen mechanischer Spannungen in dieser Oberfläche (Stauchen,
Ziehen, Verdrillen). Ist die Härte
des Materials des Bezugsnormals gleich der Härte des getesteten Gegenstandes,
dann werden Veränderungen
der Abprallgeschwindigkeit des kugelförmigen Eindringkörpers nur
von dem Vorhandensein mechanischer Spannungen abhängen, und
folglich ist die Abprallgeschwindigkeit des kugelförmigen Eindringkörpers eine
Funktion des Betrages und des Vorzeichens der mechanischen Spannungen
in der Oberfläche
des getesteten Gegenstandes. Und umgekehrt, wenn die oben erwähnte Bedingung
erfüllt
ist, dann können
die mechanischen Spannungswerte als eine Funktion definiert werden,
die von Veränderungen
des Abprallkoeffizienten abhängt,
wobei der Koeffizient in digitaler Form gleich einem Verhältnis der
Abprallgeschwindigkeit des kugelförmigen Eindringkörpers zur
Aufprallgeschwindigkeit des Eindringkörpers ist. Es ist diese Definition
der mechanischen Spannungen, die in der vorgeschlagenen Erfindung
realisiert wird, wobei die unbekannte Größe der mechanischen Spannungen
eine Funktion ist, die nur von einem Verhältnis zwischen den Abprallkoeffizienten
vom Bezugsnormal und vom getesteten Gegenstand abhängt, weil
alle anderen Voraussetzungen gleich sind und ein und derselbe kugelförmige Eindringkörper beim
Stoß sowohl
mit dem Bezugsnormal als auch mit dem getesteten Gegenstand verwendet
wird. Somit erhöht
gerade die Bestimmung der genauen funktionalen Abhängigkeit
der mechanischen Spannungen von den Veränderungen des Abprallkoeffizienten
die Genauigkeit und die Adäquatheit
der Bestimmung solcher Spannungen, und folglich wird das Ziel der
Erfindung erreicht, das darin besteht, die Qualität der Messung
von mechanischen Spannungen in der Oberfläche eines getesteten Gegenstandes
zu verbessern.
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Die
Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens liegen in der Möglichkeit
der zerstörungsfreien Überprüfung des
Beanspruchungszustandes von stark belasteten metallischen Tragekonstruktionen
und Gegenständen
im Unterschied zu anderen Verfahren, zum Beispiel dem Röntgenverfahren,
die nicht effizient sind, die Zerstörungsprüfverfahren sind und die eine
geringe Genauigkeit bei der Bestimmung der mechanischen Spannungen
aufweisen.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend ausführlich beschrieben, wobei auf
die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird, die nur als ein Beispiel angegeben
sind und in denen
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung für das Ausführen des Verfahrens gemäß vorliegender
Erfindung zeigt, und
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2 die
an dem Bezugsnormal (Eichmaß)
und an einem getesteten Gegenstand gemessenen Signale zeigt.
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Das
vorgeschlagene Verfahren wird praktisch mit Hilfe eines Gerätes (1)
realisiert, das aus dem Folgenden besteht: Gehäuse 1, Elektromagnet 2,
Stab 3, Schlitten 4, Anschubfeder 5,
Rückholfeder 6,
Schlagbolzen 7, Arretierung 8, kugelförmiger Eindringkörper 9, Γ-förmige Blattfeder 10,
Arretierungsfeder 11, Auslösebügel 12, Druckring 13,
Licht emittierende Diode 14, Strahlungsempfänger 15,
Impulsgenerator 16, Logikbaugruppe 17, Rechner 18,
Recheneinheit 19, Anzeigevorrichtung 20, Druckvorrichtung 21,
Halterung 22, Verriegelung 23, Kanal 24 und
Testoberfläche 25.
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Die
Vorrichtung arbeitet wie folgt: beim Einschalten des Elektromagneten 2 stößt der sich
vorwärts
bewegende Stab 3 gegen den Schlitten 4, und mit
Hilfe des Schlittens werden die Anschubfeder 5 und die
Rückholfeder 6 zusammengedrückt, wobei
die Kante des Schlittens 4 durch Arretierungen 8 festgehalten
wird, welche den Schlitten 4 in der Endlage halten, in
der die Federn 5 und 6 zusammengedrückt sind.
Beim Drücken des
Auslösebügels 12 drückt der
Schlagbolzen 7, der durch die Anschubfeder 5 angetrieben
wird, den kugelförmigen
Eindringkörper
durch die Öffnung
im Druckring 13 in den Kanal 24 des Gehäuses 1 hinein.
Bis zu diesem Moment wurde der kugelförmige Eindringkörper durch
die Γ-förmige Blattfeder 10 gehalten,
welche den Spalt im Kanal geschlossen und die spontane Bewegung
des kugelförmigen
Eindringkörpers
verhindert hatte. Angetrieben durch den Aufschlagdruck vom Stab 7 überwindet
der kugelförmige
Eindringkörper 9 den Widerstand
der Feder 10 und fällt
entlang des Kanals 24, wobei er mit dieser Bewegung die
Strahlen "a" und "b" aus den Licht emittierenden Dioden 14 kreuzt,
die auf die Strahlungsempfänger 15 gerichtet
sind. Der kugelförmige
Eindringkörper 9 prallt
von der Testoberfläche 25 ab
und kreuzt wieder die Strahlen "a" und "b" in entgegengesetzter Richtung. Durch
seinen eigenen Impuls angetrieben überwindet der kugelförmige Eindringkörper 9 den
Widerstand der Feder 10, dessen Größe in der entgegengesetzten
Richtung geringer ist als die Größe in der
Fallrichtung des kugelförmigen
Eindringkörpers 9 zur
Testoberfläche 25 hin,
und die Feder 10 biegt sich zurück, wobei sie den kugelförmigen Eindringkörper vorbeilaufen
lässt,
und kehrt in die Ausgangslage zurück, ohne eine spontane Bewegung
des Eindringkörpers
zuzulassen. Nachdem der Schlagbolzen 7 den Eindringkörper 9 heraus
gedrückt
hat, schiebt er in seiner eigenen Bewegung durch seinen eigenen
Impuls die Arretierungen 8 durch konische Anschläge zur Seite
und gibt den Schlitten 4 sowie die Rückholfeder 6 frei. Angetrieben
durch die Feder bewegt sich der Schlitten 4 zusammen mit
dem Schlagbolzen 7 in entgegengesetzte Richtung. Die Vorrichtung
kehrt in die Ausgangslage zurück
und kann erneut beim Einschalten des Elektromagneten 2 eingesetzt
werden. Der Elektromagnet 2 weist eine Verriegelung 23 auf,
die sein Einschalten verhindert, außer wenn die Halterung 22 derart
auf die getestete Oberfläche
gedrückt
wird, dass die Achse des Fallkanals des Eindringkörpers 9 einen
Winkel von 90° mit
der Testoberfläche 25 einschließt.
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Der
Impulsgenerator 16 moduliert die Strahlung aus den Licht
emittierenden Dioden 14, und wenn der kugelförmige Eindringkörper 9 die
Strahlen "a" und "b" in der direkten und entgegengesetzten
Richtung kreuzt, dann entstehen Strahlungs"Lücken"-Impulse mit dem
Abstand zwischen ihnen (2), der indirekt proportional
zur Bewegungsgeschwindigkeit des kugelförmigen Eindringkörpers ist.
Davon ausgehend berechnet der Rechner 18 die Geschwindigkeit
des kugelförmigen Eindringkörpers 9 und
den Wert der Prallkoeffizienten k1 und k2 und zeigt diese Werte auf der Anzeigevorrichtung 20 an.
Die Logikbaugruppe 17 bestimmt die Reihenfolge, in der
die Strahlen gekreuzt werden: "a" – "b" – "b" – "a", und bei einer Abweichung von dieser
Reihenfolge wird das Ergebnis annulliert, und es wird auf der Anzeigevorrichtung 20 auch
eine entsprechende Information angezeigt. Liegen keine Abweichungen
vor, dann übergibt
der Rechner 18 die Quelldaten der Recheneinheit 19,
deren Ergebnis der Anzeigevorrichtung 20 in Form des Wertes
der unbekannten Größe σ übermittelt
wird. Falls nötig
stellt die Recheneinheit 19 die σ-Verteilungskurven grafisch dar und zeigt
sie auf der Anzeigevorrichtung 20 an. Um das erhaltene
Ergebnis aufzuzeichnen, kann es auf einer Druckvorrichtung 21 ausgedruckt
werden. Die Recheneinheit 19 ist gewöhnlich als ein Programm für einen
Personalcomputer (Notebook) ausgeführt.
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Wir
sind mit den Verfahren und Vorrichtungen (Deutsche Patentschrift
DE 39 30 483 vom 14.03.1991 unter
der Klasse G01 Nr. 3/02) zum Messen der dynamischen Härte des
Materials eines Gegenstandes (ein elektronisches Härtemaß) vertraut,
wobei die Vorrichtungen und Verfahren auf Basis der Messung der
Aufprallgeschwindigkeit und der Abprallgeschwindigkeit des einzudrückenden
Körpers
vom getesteten Gegenstand ausgeführt
sind. Die Beziehung zwischen diesen Geschwindigkeiten bestimmt den
Wert der Materialhärte
des Gegenstandes. Wie in der Beschreibung der Patentschrift
DE 39 30 483 dargelegt ist,
weisen das bekannte Verfahren und die Vorrichtung jedoch einen Vorteil
derart auf, dass die Anwendung den Einfluss der Zugkräfte in der
Oberfläche
des getesteten Gegenstandes auf die Ergebnisse der Härtemessungen
ausschaltet, und genau das, nämlich
die Messung dieses Einflusses, ist die Aktionsgrundlage der vorgeschlagenen
Erfindung und eine wesentliche Verschiedenartigkeit der vorgeschlagenen Vorrichtung.
So ist es unmöglich,
die bekannte Vorrichtung (das elektronische Härtemaß) zum Realisieren des vorgeschlagenen
Verfahrens einzusetzen, da es nicht empfindlich gegenüber dem
Vorliegen mechanischer Spannungen in dem getesteten Gegenstand ist.
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Es
ist auch bekannt geworden, dass das Prinzip der Geschwindigkeitsmessung
des sich bewegenden Körpers
durch Kreuzen zweier Lichtstrahlen aus Strahlungsquellen verwendet
wurde (vgl. US-Patentschrift Nr. 4,329,047 vom 05.11.82, unter der
Klasse G01 P3/36). Im Gegensatz zu der bekannten Vorrichtung kreuzt
in der vorgeschlagenen Vorrichtung ein und derselbe Körper (der
kugelförmige
Eindringkörper)
in direkter (beim Stoß)
und entgegengesetzter Richtung (beim Abprall) ein und dieselben
Strahlen zweimal. Somit ist die in der vorgeschlagenen Vorrichtung
am Erfindungsobjekt vorgenommene Reihe von Maßnahmen, welche ein Kriterium
für die
Bewertung der Neuheit ist, eine andere als in der bekannten Vorrichtung
(US-Patentschrift Nr. 4,329,047). Es ist unmöglich, eine solche Reihe von
Maßnahmen
in dem anerkannten Bescheid auszuführen.
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Das
Anwendungsgebiet des vorgeschlagenen Verfahrens und der Vorrichtung,
mit der dieses Verfahren in die Praxis überführt wird, ist durch die Notwendigkeit
eines zerstörungsfreien
Tests des Belastungszustandes der nachfolgenden Gegenstände und
Konstruktionen festgelegt:
- – Flugzeuge sowie Teile und
Einheiten von Flugzeugen;
- – Hochdruckanlagen;
- – Rohrleitungen;
- – Brückenkonstruktionen;
- – Kessel
von Überwasser-
und Unterwasserfahrzeugen, Teile und Einheiten derselben;
- – Labortests
des Belastungszustandes verschiedener Metalle und Legierungen.
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Nach
der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung
ist es für
Fachleute nun ersichtlich, dass andere Ausführungsformen, welche ihre Grundidee
enthalten, verwendet werden können. Diese
Erfindung sollte deshalb nicht auf die offenbarte Ausführungsform
beschränkt,
sondern stattdessen nur durch den Geltungsbereich der angefügten Ansprüche begrenzt
werden.
