DE68908363T2

DE68908363T2 - Verfahren zur bestimmung biaxialer beanspruchung in ferromagnetischen materialien.

Info

Publication number: DE68908363T2
Application number: DE89904953T
Authority: DE
Inventors: Seppo Tiitto
Original assignee: American Stress Tech Inc
Current assignee: American Stress Tech Inc
Priority date: 1988-04-18
Filing date: 1989-04-12
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2009-04-13
Also published as: CA1296387C; CN1040094A; DE68908363D1; WO1989010558A1; KR900700880A; US4977373A; EP0372030A1; EP0372030B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Fachgebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft die Auswertung von Restspannungen in Metallbauteilen; insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Bestimmen biaxialer Spannungen in Stahlbauteilen.

Beschreibung des Standes der Technik

Spannungen und Strukturfehler in ferromagnetischen Materialien wie Stahl, wie auch gewisse andere Eigenschaften von Metallstücken können identifiziert werden durch Schaffen eines zeitveränderlichen Magnetfeldes innerhalb des Metallstücks und Analysieren des in dem Metallstück durch das Magnetfeld erzeugten magnetischen Rauschens. Dieses Erfassungsverfahren benutzt ein Phänomen, das als "Barkhausen-Effekt" bekannt und auf diesem Gebiet Arbeitenden gut bekannt ist als eine Reihe von abrupten Änderungen oder Sprüngen der Magnetisierung einer Substanz, wenn das in dem Metallstück erzeugte Magnetfeld allmählich geändert wird. Eine ausgezeichnete Hintergrund-Diskussion des Barkhausen-Effekts ist in US-PS 3 427 872, Leep u.a., erschienen.
Die abrupten Sprünge, die bei der Magnetisierung auftreten, wenn die Intensität des Feldes geändert wird, kann als elektrisches Rauschen durch eine in der Nähe des Metallstücks oder in Berührung mit ihm angeordnete Erfassungsspule aufgenommen werden. Verschiedene Sensorgestaltungen sind beschrieben in US-PS 4 634 976 von Tiitto. Das durch die Zuleitungsdrähte der Erfassungsspule getragene Rasuchen, das allgemein als "Barkhausen-Rauschen" bezeichnet wird, kann durch ein entsprechendes Bearbeitungsnetzwerk und, falls erwünscht, an einen Lautsprecher geleitet werden. Der Pegel des an einer Stelle innerhalb eines Metallstücks erzeugten Barkhausen- Rauschens hängt teilweise von der Richtung, der Größe und dem Vorzeichen der Spannung oder Verformung an dieser Stelle und von der Mikrostruktur des Metalls ab. Dementsprechend haben auf diesem Gebiet Arbeitende versucht, den Barkhausen- Effekt und das Barkhausen-Rauschen zur Identifizierung von Spannungen oder Verformungen und Defekten in und einiger mikrostruktureller Merkmale des Metallstücks zu benutzen.
Die meisten Systeme, die den Barkhausen-Effekt zur Identifizierung voin Spannungen oder Verformungen und Effekten in einem Metallstück benutzen, enthalten eine Erregungs-Spulenanordnung und eine Erfassungs-Spulenanordnung. Die Erregungsspule ist in der Nähe der zu prüfenden Stele des Metallstücks angeordnet und wird mit einem sich periodisch mit der Zeit ändernden Signal beaufschlagt, um in dem Metallstück ein sich periodisch mit der Zeit veränderndes Magnetfeld zu induzieren. Das in dem Metallstück erzeugte resultierende Barkhausen-Rauschen wird durch die Erfassungsspule erfaßt und in eine Schaltung eingespeist, die das Rauschen in einer Vielzahl von Arten bearbeiten kann. Schließlich wird das bearbeitete Barkhausen-Rauschen einem Gerät zur Anzeige zugeführt. Das Barkhausen-Rauschen wird hier anhand eines MP-Wertes (MP = magnetoelastischer Parameter) angesprochen, der proportional zu dem innerhalb eines festgelegten Frequenzbereichs gemessenen Pegel des Barkhausen-Rauschens ist.
Bei der üblichen Praxis der Untersuchung von Spannungen in einem Metallstück werden Pegelwerte des Barkhausen-Rauschens (MP-Werte) zur praktischen Verwendung hergestellt, indem zuerst uniaxiale Eichkurven von Proben von jeder Art von zu untersuchendem Stahl hergestellt werden; indem aktuelle Messungen von MP-Werten in dem zu untersuchenden Stahlbauteil angestellt werden; und indem die von den aktuellen Messungen abgeleiteten MP-Werte mit der entsprechenden uniaxialen Eichkurve verglichen werden, um die an der Untersuchungsstelle des Stahlbauteils vorhandenen Spannungen oder Verformungen zu bestimmen. Eine uniaxiale Eichkurve wird dadurch erhalten, daß ein Probestück nur in einer (axialen) Richtung unter Druck und Zug unter Spannung gesetzt wird und die Spannungen in anderen Richtung ignoriert werden oder angenommen wird, daß sie sehr klein sind. Der bei jedem Zustand von Druck- oder Zugbeanspruchung gemessene MP-Wert bildet eine Darstellung der längs der Belastungsachse vorhandenen Spannung/Verformung. Derartige Messungen sind gültig, solange sie innerhalb des elastischen Bereichs des Probenstücks ausgeführt werden.
Auf diesem Gebiet Arbeitende haben von großen Abweichungen zwischen Spannungs/Verformungs-Messungen berichtet, die durch das gerade beschriebene Eichkurven-Verfahren und andere Spannung/Verformungs-Meßverfahren mit Barkhausen-Rauschenerhalten wurden. In den meisten Fällen wurde angenommen, daß derartige Abweichungen auf Unterschiede der mikrostrukturellen Variablen des Stahls, wie der Zusammensetzung, der Textur, der Korngröße, der Verformung und der metallurgischen Struktur bezogen werden können. Nun haben jedoch im Grunde alle praktisch eingesetzten Stahlbauteile (d.h. geschweißte, gefertigte Bauteile) einen komplexen biaxialen Restspannungs-Zustand, der durch das Stahlfertigungs-Verfahren hervorgerufen und durch die nachfolgenden Fabrikations-, Schweiß- und Bearbeitungsvorgänge vergrößert und modifiziert wurde; diese sind die wichtigen Restspannungen (Eigenspannungen), welche die Hersteller und Verwender von Stahlbauteilen zu bestimmen suchen. Wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt, kann eine Anwendung einer uniaxialen Eichung auf die Untersuchung biaxialer Spannungs/ Verformungs-Zustände zu Fehlern führen, die größer sind als solche, die sich aus typischen mikrostrukturellen Veränderungen innerhalb einer festgelegten Stahlsorte ergeben.
Das Konzept eines biaxialen oder ebenen Spannung/Verformungs-Zustandes wird gut verstanden. Nach der linearen Elastizitäts-Theorie und dem Hooke'schen Gesetz kann jeder ebene Verformungszustand ausgedrückt werden im Hinblick auf zwei grundsätzliche Normalverformungen (&epsi;&sub1;, &epsi;&sub2;), die aufeinander senkrecht stehen, und einer prinzipiellen außerhalb der Ebene verlaufenden Normalverformung (&epsi;&sub3;) senkrecht zu der Oberfläche:
wobei x und y willkürlich ausgewählte Koordinaten in der Probenebene, &epsi;x, &epsi;y in der X- und Y-Richtung gemessene Normalverformungen, γxy die Scherspannung in der xy-Probenebene und ν das Poisson'sche Verhältnis ist.
Zwei prinzipielle Normalspannungen ( &sub1;, &sub2;) des biaxialen ebenen Spannungszustandes können leicht gefunden werden durch die Ausdrücke:
wobei E der Elastizitätsmodul ist.
Es kann bemerkt werden, daß definitionsgemäß eine freie Oberfläche keine Normalspannungen senkrecht zur Oberflächenebene tragen kann, dh. &sub3; = 0, die Normalverformung &epsi;&sub3; kann jedoch infolge des Poisson-Effektes vorhanden sein.
Für technische Anwendungen werden die Verformungen &epsi;&sub1;, &epsi;&sub2; und die Spannungen &sub1;, &sub2; üblicherweise ausgewertet unter Benutzung eines Blindloch-Bohrverfahrens oder von Röntgenstrahlen-Brechung. Diese beiden Verfahren werden oft als zeitraubend und wenig praktisch angesehen.
Die übliche Anwendung einer uniaxialen Eichung unter Benutzung von Barkhausen-Rauschen, wie vorstehend beschrieben, zum Testen von biaxialen ebenen Spannungs/Verformungs-Zuständen können zu ernsthaften Fehlern, manchmal in der Größenordnung von 50-100% führen. Wenn beispielsweise bei Benutzung des uniaxialen Eichverfahrens ein gewisser MP-Wert an einem strukturellen Bestandteil gemessen und der MP-Wert an eine Eichkurve angelegt wird, die annimmt, daß die Querverformung (&epsi;&sub2;) Null ist, ergibt sich ein bestimmter Wert der Längsverformung (&epsi;&sub1;). Tatsächlich kann aber die Querverformung bei einem strukturellen Bauteil einen großen Wert besitzen, und die Verwendung einer Eichkurve, die bei dem tatsächlichen Wert der Querspannung erhalten wurde, würde eine bemerkenswert andere Längsverformung ergeben als den Wert, der von der Verwendung der erwähnten Eichkurve abgeleitet wurde, die annimmt, daß die Querverformung Null ist. Es ist diese Möglichkeit, daß beide grundsätzliche Verformungs-Komponenten groß sind, die für Hersteller und Verbraucher von Bauelementen wichtig ist und die das uniaxiale Eichverfahren unzuverlässig oder sogar gefährlich sein läßt.
Dementsprechend besteht die Notwendigkeit, ein Meßverfahren mit Barkhausen-Rauschen zu entwickeln mit besserer Bestimmung von biaxialen Spannungszuständen bei praktisch eingesetzten Stahlbauteilen. Bis heute ergab sich wenig Erkenntnis bei auf diesem Gebiet Tätigen, daß eine biaxiale Rest- oder Eigenspannungsverteilung tatsächlich ein großer Faktor sein kann, der die Untersuchungen mit Barkhausen-Rauschen beeinflußt. Z.B. werden in einem Artikel mit dem Titel "Barkhausen Biaxial Stress/Strain Measurement System" von K. Loomis, Proceedings of the 13th International Nondestructive Testing Conference (San Antonio, Texas, 1981) Daten weitergegeben von Experimenten, bei denen nur geringe Querspannung in den Hauptrichtungen entwickelt waren; aufgrund dieser Daten wurde der Schluß abgeleitet, daß keine Korrektur bei biaxialer Spannung nötig ist. In einem Artikel mit dem Titel "Detection of Fabrication Stresses by the Barkhausen Noise Method" von L. Karjalainen e.a., The Effects of Fabrication Related Stresses on Product Manufacture and Performance (The Welding Institute, Abington Hall, Cambridge 1985), § 13, Seite 1, erkennen die Autoren die Wichtigkeit der biaxialen Restspannungen und der vorhandenen Daten über ihren Einfluß auf uniaxiale Eichkurven an, schlagen jedoch kein Verfahren zum Auswerten der Effekte der Anwesenheit biaxialer Restspannungen vor. In einem Artikel mit dem Titel ""Magnetic Barkhausen Noise Analysis in Bi-Axial Stress Test" von Furuya u.a., Journal of Japanese Society of Nondestructive Inspection, Band 38, Nr. 8 (1987), Seite 530 machen die Autoren einen Versuch, biaxiale Spannungen mit dem Barkhausen-Rauschen-Meßverfahren direkt auszuwerten, jedoch kommen sie zu dem Schluß, daß das Rauschen nur auf die Differenz in jeder Hauptspannung bezogen werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein auf Barkhausen-Rauschen beruhendes Meßverfahren zum Bestimmen biaxialer Spannungen in Stahlbauteilen zu schaffen, mit Beseitigung oder beträchtlicher Verringerung von Fehlern, die von dem Effekt der Spannung/Verformung auf Barkhausen-Rauschpegel herrühren, indem jede Kombination von Quer- und längsspannungen (Verformungen) in Betracht gezogen wird.
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen biaxialer Spannungen in einem Stahlbauteil mit den Schritten: (a) es wird ein Eichbezugswert erzeugt (i) von einem experimentellen Teststück mit denen der Stahlkomponente gleichartigen metallurgischen Eigenschaften und (ii) innerhalb der Elastizitätsgrenzen des Teststücks, wobei der Eichbezugswert sich ändernde Barkhausen-Rauschpegel wiedergibt, wenn sowohl Längs- wie Querverformungen in dem Teststück von ihren Nullwerten aus verändert werden; b) die Barkhausen-Rauschpegel in der ersten und der zweiten Hauptrichtung werden an einem ausgewählten Ort an dem Stahlbauteil gemessen; und (c) unterer Benutzung des Eichbezugswertes werden die gemessenen Barkhausen-Rauschpegel in Werte von Längs- und Querverformungen in der ersten und der zweiten Hauptrichtung an dem ausgewählten Ort des Stahlbauteils gewandelt. Die Praxis der vorliegenden Erfindung ergibt Verformungswerte in der ersten und der zweiten Hauptrichtung an dem ausgewählten Ort des zu untersuchenden Stahlbauteils; diese Verformungsdwerte können leicht in Spanungswerte gewandelt werden durch Anwendung der oben angeführten üblichen Formeln (4), (5).
Bei der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung werden genaue Werte von Längs- und Querverformungen in den Hauptrichtungen an dem ausgewählten Ort des zu untersuchenden Stahlbauteils erzeugt durch Wandeln eines Paares von in der ersten und der zweiten Hauptrichtung gemessenen MP-Werten durch die Eich-Bezugsgröße direkt in Werte von Verformung oder Spannung in den Hauptrichtungen.
Bei einer zweiten Ausführung der Erfindung wird eine Annäherung von Längs- und Querverformung in der ersten und der zweiten Hauptrichtung an dem ausgewählten Testort erzeugt. Die Annäherung wird dadurch hergestellt, daß zuerst für die gemessenen Barkhausen-Rauschpegel repräsentative Werte bei Querverformung Null an die Eichbezugsgröße angelegt werden, um eine Annäherung der Verformungswerte in der ersten und der zweiten Hauptrichtung zu erhalten. Dann wird unter Verwendung der Eichbezugsgröße (i) die Verformungs-Annäherung in der ersten Hauptrichtung korrigiert durch Anwenden des Quereffektes der Annäherung in der zweiten Hauptrichtung; und (ii) die Verformungs-Annäherung in der zweiten Hauptrichtung korrigiert durch Anwenden des Quereffektes der Verformungs-Annäherung in der ersten Hauptrichtung.
Der Ausdruck "Eichbezugsgröße", wie er hier benutzt wird, bedeutet eine Sammlung numerischer Information, welche die gegenseitige Abhängigkeit der in MP-Einheiten ausgedrückten Rauschpegel, der Querverformung oder -Spannung und der Längsverformung oder -Spannung darstellt. Da Verformung direkt mit Verformungsmeßeinrichtungen gemessen werden kann, wird sie üblicherweise anstatt der Spannung als Variable benutzt. Die Eichbezugsgröße C, die bei der Einrichtung als experimentelle Punkte erzeugt wird, die aus der biaxialen Belastung eines Prüfstücks erzeugt werden, wie es vollständiger nachstehend beschrieben wird, und in Übereinstimmung mit dem Ausdruck
(6) C = f (MP, &epsi;L, &epsi;T),
wobei eine f eine experimentelle Funktion und MP, &epsi;L und &epsi;T kartesische Koordinaten darstellen;
MP = ein dem innerhalb eines festgelegten Freguenzbereichs gemessenen Barkhausen-Rauschpegel proportionaler magnetoelastischer Parameter,
&epsi;L = Längsverformung,
&epsi;T = Querverformung,
kann eine Vielzahl von Formen annehmen einschließlich einer Tabelle oder einer entweder zwei- oder dreidimensionalen graphischen Form. Als zweidimensionale Form kann die Eichbezugsgröße eine Reihe von aus über der Verformung aufgetragenen Längs- oder Quer-MP-Werten bestehenden Kurven sein, mit festgelegten Werten der Quer- oder Längsverformung; in dreidimensionaler Form kann die Eichbezugsgröße eine dreidimensionale Fläche sein, die MP als eine Funktion von Längs- und Quer-Verformung wiedergibt.
Die nachfolgende Beschreibung wird einen auf diesem Gebiet erfahrenen Fachmann in die Lage versetzen, eine Eichbezugsgröße zur Verwendung in der Praxis der vorliegenden Erfindung zu erzeugen durch die Anwendung bekannter Verfahren einschließlich der Anwendung bekannter computergestützter Aufzeichnungsverfahren.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugte Ausführungen offensichtlich, zusammen mit den beigefügten Zeichnungen genommen, in welchen:

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Eichteststück mit einer Anzeige eines zentralen Testortes ist;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Testortes aus Fig. 1 ist, die die Anbringung von verformungsmeßeinrichtungen zeigt;
Fig. 3 eine isometrische Darstellung des Bodens des Teststücks aus Fig. 1 ist;
Fig. 4 eine Aufzeichnung einer einaxialen Verformungskurve ist, die einen Nullverformungspunkt und die elastsichen Grenzen in Zug- und Druckbelastung anzeigt;
Fig. 5a eine Aufzeichnung einaxialer Verformungskurven in der Walzrichtung und der Querrichtung bei Material mit einer geringen Anisotropie ist;
Fig. 5b eine Aufzeichnung von einaxialen Verformungskurven in der Walzrichtung und der Querrichtung bei Material mit einer starken Anisotropie ist;
Fig. 6 eine Aufzeichnung von Längs-Verformungs-Eichkurven mit 8 unterschiedlichen Werten einer Querbelastung ist;
Fig. 7 eine isometrische Ansicht einer Eichbezugsgröße ist, die aus den in Fig. 6 gezeigten Kurven erzeugt und zur Erklärung des Beispiels I benutzt ist; und
Fig. 8 eine bei der Erklärung des Beispiels II benutzte isometrische Ansicht ähnlich Fig. 7 ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

A. HERSTELLUNG DER EICHPROBE

Probenmerkmale

Um sicherzustellen, daß die Eichbezugsgröße und damit die endgültigen Testresultate so genau wie möglich sind, sollte die Eichprobe die zu untersuchende Komponente so eng wie möglich darstellen. Dementsprechend sollten die folgenden Faktoren beachtet werden:
(a) die Mikrostruktur der Eichprobe sollte der des zu untersuchenden tatsächlichen Materials entsprechen. Das bedeutet, daß Wärmebehandlung, Zusammensetzung, Härte und andere Stahl-Herstellparameter bei der Eichprobe und der zu untersuchenden Komponente gleich sein sollten.
(b) die Oberflächen-Endbearbeitung der Eichprobe sollte die des zu untersuchenden Bauteils nachahmen. Lackierte oder oxidierte Oberlfächen sollten bis auf das bloße Metall durch Schleifen mit Feinsandpapier gereinigt werden. Je nachdem, ob die Oberfläche des Prüfbauteils geschliffen, maschinenbearbeitet oder gesandstrahlt ist, sollte die Eichprobenfläche auf die gleiche Weise hergestellt oder aber aus dem tatsächlichen Testbauteil herausgeschnitten sein.

Probenvorbereitung

In der Zeichnung, insbesondere in Fig. 1 bis 3 ist eine Eichprobe 10 gezeigt, die zur Verwendung bei der Erzeugung von experimentellen Daten geeignet ist, aus denen die Eichbezugsgröße der vorliegenden Erfindung aufgebaut werden kann. Die Eichprobe 10 hat vorzugsweise Kreuzform und ist zum Halten in einer entsprechenden Fassung zur Anwendung von kontrollierten Zug- und Druckbelastungen innerhalb des elastischen Bereiches um den Mittelpunkt der Längsachse (L) und der Querachse (T) ausgelegt. Falls die Walzrichtung bekannt ist, sollte sie parallel zu einer der Achsen liegen.
Die Abmessungen der Eichprobe 10 können unterschiedlich sein, jedoch sollten eine Reihe von Abmessungen eine Dicke von 6 mm, eine Schenkellänge von 100 mm und eine Breite jedes Schenkelabschnittes von 20 mm sein. Eine zentrale Testfläche mit einem Durchmesser von 6 mm ist durch das Bezugszeichen 14 angezeigt; innerhalb dieser Testfläche 14 liegt der Testort 15 mit einem Durchmesser von etwa 2 mm (siehe Fig. 2). Um ein so gut wie möglich kontrollierbares biaxiales Spannungsfeld sicherzustellen und es in der Fläche 14 zu fokussieren, werden Axialnuten 16, 17 in Form eines an dem Mittelpunkt 12 zentrierten Kreuzes in eine Tiefe von 2 mm in den Boden des Teststücks 10 eingearbeitet (siehe Fig. 3). Jede Nut besitzt eine Länge von 30 mm.
Wie in Fig. 2 gezeigt, sind kleine Längs- und Querverformungs-Meßstreifen 18 bzw. 20 eines gut bekannten Typs an der Oberfläche des Testbereichs 14 eben außerhalb des Testortes 15 angebracht. Es wird bemerkt werden, daß der Längsverformungs-Meßstreifen 18 mit der Querachse (T) und der Querverformungs-Meßstreifen 20 mit der Längsachse (L) ausgerichtet ist, wobei die letztere parallel zur Walzrichtung liegt, falls diese bekannt ist. Die Genauigkeit der mit den Verformungs-Meßstreifen 18, 20 erhaltenen Ablesewerte kann geprüft werden durch Befestigen von zusätzlichen Verformungs-Meßstreifen (nicht dargestellt) an beiden Achsen innerhalb des Testortes 15 in der eben beschriebenen Ausrichtung.
Verformungsdaten werden von der Eichprobe 10 dadurch erzeugt, daß sie in eine biaxiale Biegefassung eingesetzt wird und gesteuerte Belastungen in Zug und Druck auf die Längs- und Querabschnitte der Probe 10 ausgeübt werden durch Verbiegen derselben, als ob jeder dieser Abschnitte unabhängig von dem anderen wäre. Die exakte Gestaltung der biaxialen Biegefassung ist unkritisch; es wird durch den Fachmann auf diesem Gebiet anerkannt werden, daß jede entsprechende Gestaltung benutzt werden kann, die ein derartiges Biegen jedes Schenkels der Eichprobe unabhängig vom anderen Schenkel zuläßt. Bei jedem Lastzustand wird Barkhausen-Rauschen innerhalb des Testortes 15 in den Magnetisier-Richtungen der Längs- und Querachsen gemessen. Diese Messungen können durch jedes entsprechende Erfassungssystem für Barkhausen-Rauschen hergestellt werden, wie die Erfassungs- und Erregungsspulen- und Kernanordnungen, wie sie in der US-PS 4 634 976 (Tiitto) beschrieben sind, die hier zu Vergleichszwecken angeführt wird.

B. Optimieren der Magnetfeldstärke des Erfassungssystems für Barkhausen-Rauschen

Ein Erfassungssystem für Barkhausen-Rauschen sollte eine Steuerung für das Einstellen der Stärke des in der Eichprobe erzeugten Magnetfeldes haben. Beispielsweise besitzt das von der American Stress Technology Inc. hergestellte STRESSCAM 500C eine mit MAGN bezeichnete Steuerung. Falls die in der Eichprobe erzeugte Magnetfeldstärke zu hoch liegt, kann entweder die Probe oder der Magnetkreis des Fühlers magnetisch gesättigt werden. Wenn dieser Zustand annähernd erreicht wird, wird die Ansprech-Empfindlichkeit des Systems beeinträchtigt. Wenn umgekehrt die Magnetfeldstärke zu niedrig liegt, können keine ausreichenden Signalpegel zur Erfassung erreicht und/oder es kann der Meßbereich begrenzt werden. Deshalb ist es erwünscht, den optimalen Wert der Magnetfeldstärke entsprechend der optimalen Spannungs-Empfindlichkeit vor der Erzeugung von Eichdaten von der Eichprobe zu bestimmen.
Die Optimierung der Magnetfeldstärke enthält eine Bestimmung des steilsten Anstieges der die Spannung über MP bezeichnenden Kurve, wenn die Eichprobe sowohl Zug wie Druck unterworfen wird. Die Bestimmung kann ausgeführt werden, indem (i) langsam der Druckwert erhöht wird, dem ein Schenkel der Eichprobe unterworfen ist, bis sich die Änderungsrate von MP verlangsamt, (ii) in diesem Zustand die Magnetfeldstärke variiert und die MP-Werte aufgezeichnet werden, (iii) der Vorgang wiederholt wird, während der Schenkel der Eichprobe Zug unterworfen wird, und (iv) das Verhältnis MP Zug/MP Druck bei jeder Feldstärken-Einstellung errechnet wird. Die Einstellung der Magnetfeldstärke mit dem größten Verhältnis von MP Zug/MP Druck wird als die optimale Einstellung benutzt.
Bei auf den Optimalwert eingestellter Magnetfeldstärke wird MP in der L- und T-Richtung ohne Belastung in einer der beiden Richtungen gemessen. Auf diese Ablesewerte wird nachher als MPL und MPT zurückgegriffen.

C. Bestimmung der Elastizitätsgrenzen und des Nullverformungs-Punktes

Bei der Erzeugung von Information mit der Eichprobe für die Eichbezugsgröße sollte der elastische Bereich der Eichprobe weder in Zug noch in Druck überschritten werden. Das Überschreiten der Elastizitätsgrenze ergibt eine plastische Verformung der Eichprobe, welche wiederum den Restspannungszustand der Probe ändern, wodurch nicht korrekte Daten aufgenommen werden. Weiter können die Restspannungen bei tatsächlichen Bauteilen im Prinzip die Elastizitätsgrenze nicht übersteigen, die normalerweise 40 bis 60% der nominellen 0,2%-Streck-Festigkeit des Materials beträgt.
Der Vorgang zum Bestimmen der Elastizitätsgrenzen eines isotropen Materials geht wie folgt:
1. Die Magnetstärken-Steuerung des Fühlersystems wird auf den entsprechend dem vorher beschriebenen Verfahren bestimmten Optimalwert eingestellt. Die Verformungs-Meßstreifen der Eichprobe werden so eingestellt, daß sie in beiden Richtungen Null abgelesen wird (&epsi;L = &epsi;T = 0).
2. Zugverformung in der L-Richtung wird in Schritten von annähernd 10% der nominellen 0,2%-Streck-Festigkeit des Materials erhöht. Die entsprechenden MP-Ablesewerte werden aufgezeichnet, beginnend mit MPL, dem lastfreien Ablesewert für MP. Nach jedem Schritt wird die Last wieder gelöst, bis die Verformungs-Meßstreifen-Ablesung Null ist, und der MP-Ablesewert wird wiederum aufgezeichnet. Die Elastizitätsgrenze wird so lange nicht überschritten, wie der MP-Wert bei Nullablesung des Verformungs-Meßstreifens nach dem Schritt von MPL um weniger als 3% abweicht. Wenn die Elastizitätsgrenze überschritten wurde, ist der Verformungszyklus nicht reversibel und als Ergebnis plastischer Verformung sind Kompressions-Restspannungen erzeugt worden. So wurde bestimmt, daß die Elastizitätsgrenze zwischen den letzten zwei Verformungsschritten liegt.
3. Um die Elastizitätsgrenze genauer auszuwerten, kann die bei diesem Vorgang erzeugte neue Restspannung ausgeglichen werden durch Biegen des L-Schenkels der Eichprobe, bis MP = MPL. Der Verformungs-Meßstreifen wird auf die Ablesung Null zurückgesetzt und Schritt 2 in kleinen Steigerungsstufen wie zwischen den letzten beiden Verformungsstufen der Stufen der Stufe 2 wiederholt. Eine annähernde Abnahme von 3% von MPL kann wiederum benutzt werden, um die Elastizitätsgrenze anzuzeigen. Dann wird, wie in Fig. 4 gezeigt, markiert:
MPLt = MP Ablesung bei der Zug-Elastizitätsgrenze
&epsi;t = Verformungs-Meßstreifen-Ablesung an der Zug-Elastizitätsgrenze.
4. Die Kompressions-Elastizitätsgrenze der Eichprobe wird als nächstes bestimmt. Zuerst werden die neuen Restspannungen wie in Schritt 3 ausgeglichen. Dann wird der Verformungs-Meßstreifen auf Null zurückgestellt und die Stufen 2 und 3 werden wiederholt, um zu bestimmen:
MPLc = MP-Ablesung an der Kompressions-Elastizitäts grenze
&epsi;c = Verformungs-Meßstreifen-Ablesung an der Kompressions-Elastizitätsgrenze (negative Zahl).
5. Eine einaxiale Verformungskurve MP über &epsi;L wird gemäß Fig. 4 vorbereitet, wobei der anscheinende (lastfreie) Nullpunkt durch 0 bezeichnet ist. Der wahre Nullverformungspunkt wird als nächstes bestimmt. Da er im wesentlichen symmetrisch zwischen den Elastizitätsgrenzen in Zug und Druck angeordnet ist, kann der wahre Nullverformungspunkt bestimmt werden durch den Ausdruck:
(7) &epsi;e = ½ (&epsi;t - &epsi;c).
Durch Projizieren des Nullverformungspunktes auf die Kurve und Bewegen in horizontaler Richtung zu der MP-Achse kann der Wert MP&sub0;, der der MP-Wert bei wahrer Nullverformung ist, bestimmt werden. Eine Annäherung von MP&sub0; kann durch die Formel ausgedrückt werden:
(8) MP&sub0; = MPLc + ½ (MPLt - MPLc).
Fig. 4 gibt auch die Grundlage zur Bestimmung der Längs-Restverformung nach dem Ausdruck:
(9) &epsi;L(R) = &epsi;e - &epsi;t.
Das ist die MPL entsprechende Verformung auf einer wahren Verformungsskala und bestimmt die Verschiebung der anscheinenden (lastfreien) einaxialen Verformungsskala zu der wahren (verformungsfreien) Skala. Im Falle eines isotropen Materials wird die in der Quer-(T)-Richtung erzeugte einaxiale Spannungskurve identisch mit der Kurve in der L-Richtung sein (Fig. 4). So ist die Quer-Restverformung &epsi;T (R) die MPT entsprechende Verformung an der wahren Verformungsskala (siehe Projektion auf Fig. 4).
6. Da der MP-Wert bei MP&sub0; für die L- und T-Richtung nicht bekannt ist, werden die Schenkel L und T der Eichprobe gebogen, bis MP = MP&sub0; gleichzeitig in beiden Richtungen gemessen wird. Die L- und T-Verformungs-Meßstreifen werden auf Null zurückgestellt. In dieser Situation ist der Testort 15 an der Eichprobe nahezu im wahren Nullspannungs-Zustand. Restverformungen &epsi;L (R) und &epsi;T (R) können unter Benutzung der üblichen Gleichungen in Restspannungen gewandelt werden. Wenn jedoch MP&sub0; um mehr als 15% von MPL oder MPT abweicht, sollten die vorher besprochenen Schritte 2 bis 6 wiederholt werden, um die Auswirkung der Quer-Restverformung zu korrigieren, die beim Ausführen dieser Schritte vorhanden war, und wiederum &epsi;e, MP&sub0;, &epsi;L (R) und &epsi;T (R) zu bestimmen.
Wenn das zu untersuchende Stahlbauteil (und damit die Eichprobe) Anisotropie zeigt, können die einaxialen Verformungskurven in unterschiedlichen Richtungen variieren. Wenn beispielsweise die mechanischen Eigenschaften (einschließlich der Elastizitätsgrenzen) in der Walzrichtung (R.D.) und der Querrichtung (T.D.) unterschiedlich sind, kann das Auftreten magnetoelastischer Anisotropie in den jeweiligen Verformungskurven nach Fig.5a und 5b erwartet werden. In solchen Fällen sollten die vorstehenden Schritte 1 bis 6 unabhängig für die L- und die T-Richtung durchgeführt werden; die Abweichung zwischen den so entwickelten Kurven kann als ein Maß der Anisotropie benutzt werden. Es sollte bemerkt werden, daß bei bestimmten Arten von Anisotropie, MP&sub0; für die L- und T-Richtung unterschiedliche Werte haben kann, wie in Fig. 5b.

D. Bevorzugte Ausführung

Erzeugung von biaxialen Eichdaten

Die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält die Erzeugung einer Eichbezugsgröße aus der Eichprobe, nachdem der Testort in den Zustand Spannung Null gebracht wurde. So werden die vorstehend beschriebenen Schritte 1 bis 6 ausgeführt, um diesen Zustand zu erreichen. Durch Biegen der Eichprobe werden Werte der Größe MP in der Längsrichtung, MP(L) und der Querrichtung, MP(T) mit vorbestimmten Zuwachsgrößen von &epsi;T und &epsi;L bestimmt und diese Werte werden in Tabellenform aufgenommen, wie im einzelnen nachfolgend beschrieben. Es ist vorteilhaft, die Tabelle so anzulegen, daß sie entweder 7 Schritte von &epsi;T und &epsi;L enthält (eine 7 x 7 Tabelle genannt) oder 9 Schritte von &epsi;T und &epsi;L (eine 9 x 9 Tabelle genannt). Ein Beispiel einer 7 x 7 Tabelle ist nachfolgend als Tabelle I gezeigt; in Tabelle I &epsi;e = 1000u&epsi;: TABELLE I
Gleichmäßige Zuwachsschritte der Verformung in Tabelle I sind ausgewählt (z.B. 300, 600, 900 usw.) in einer Weise, daß ein Überschreiten von &epsi;e vermieden wird. Der in Tabelle I benutzte Maximalwert von &epsi;T und &epsi;L stellt 90% der Elastizitätsgrenzen dar.

(a) ISOTROPES MATERIAL

Die Daten für die Tabellen-Eichbezugsgröße werden erzeugt durch Biegen der L- und T-Schenkel der Eichprobe, bis MP = MP&sub0;; dann werden die Verformungs-Meßstreifen auf Null zurückgestellt. MP wird in der L-Richtung bei jeder (i, j)-Kombination von &epsi;L, &epsi;T gemessen, und die Ablesungen werden in die L-Spalte der Tabelle I eingesetzt. Die Messungen werden fortgesetzt durch systematisches Fortbewegen von Spalte zu Spalte, wobei zuerst &epsi;L und dann &epsi;T geändert wird usw. Nach jedem Veränderungsschritt für &epsi;L wird &epsi;T überprüft und neu eingestellt, um eine Querkontraktion/Expansion infolge des Poisson-Effekts auszugleichen.
Es sollte bemerkt werden, daß Verformungskombinationen an den äußeren Ecken der Eichbezugsgröße (in Tabelle I als "xx" gezeigt) bei der Herstellung der Messungen vermieden werden. Diese Kombinationen solten stattdessen extrapoliert werden, da sie wahrscheinlich eine palstische Verformung und damit eine unerwünschte Verschiebung des Nullverformungspunktes ergeben.
Ein Beispiel einer 7 x 7 Tabelle, bei der die L-Spalten ausgefüllt sind, ist in der nachstehenden Tabelle II gezeigt. Die vertikalen Spalten der Tabelle II beschreiben die Änderungen von MP(L) als eine Funktion der Längsverformung und die horizontalen Zeilen beschreiben die Änderung von MP(L) als eine Funktion der Querverformung. TABELLE II
Als nächstes können die T-Spalten der Tabelle II mit MP(T)- Ablesewerten ausgefüllt werden durch Ausführen einer einfachen Wandlung der Ablesungen in der L-Spalte. Die Grundlage für die Wandlung ist, daß die einaxialen Spannungskurven für isotrope Materialien in der L- und der T-Richtung gleich sind. Die Wandlung kann wie folgt ausgedrückt werden:
(10) MP(L) (i,j) = MP(T) (j,i),
wobei i,j = +900, +600... -600, -900 (in Tabelle II).
Die Auswirkung der Wandlung besteht darin, daß in einer Hauptrichtung (L) gemessene Ablesungen zur Prüfung von zwei Hauptrichtungen (L, T) verwendet werden; d.h. daß eine Kombination aus MP(L), MP(T) für jede Kombination von &epsi;L, &epsi;T erhalten wird.
Die Wandlung (10) hat die gleiche Auswirkung wie die separate Messung der beiden Ablesungen MP(L) und MP(T) bei jeder Kombination von &epsi;L, &epsi;T (was der andere Weg der Vervollständigung der Tabelle II ist). Ein Beispiel der Wandlung von -600, +300 u&epsi; wird nachstehend gegeben:
Die Prüfung -600, +300 u&epsi; nur in der L-Richtung (Tabelle II):
MP(L) = 198, wenn &epsi;L = 300, &epsi;T = -600
MP(L) = 91, wenn &epsi;L = -600, &epsi;T = 300
= Äquivalent zur Erprobung des gleichen, getrennt in L- und T-Richtung:
MP(L) = 198
wenn &epsi;L = 300, &epsi;T = -600
MP(T) = 91
= Wandlung:
L T
198 91
Die nachstehende Tabelle III zeigt eine 7 x 7 Tabelle, die nach diesem Prinzip vervollständigt wurde. TABELLE III
Es sollte bemerkt werden, daß die symmetrischen MP-Kombinationen an der Diagonallinie &epsi;T = &epsi;L eine biaxiale Eichung für den hydrostatischen Spannung/Verformungs-Zustand darstellen und die bei &epsi;T = 4&epsi;L Spannungen an der Oberfläche eines idealen Zylinders annähern (&epsi;T = 4,25&epsi;L).

(b) ANISOTROPES MATERIAL

Die Auswirkung milder Anisotropie mit Elastizitätsgrenzen &epsi;e und Nullverformungs-MP-Ablesungen MP&sub0; sind annähernd gleich in den beiden L(R.D.)- und T(R.D.)-Richtungen (wie in Fig. 5a) und können minimalisiert werden durch separates Bewerten der Eichbezugswerte, Tabelle II, für die L- und T-Richtung und Benutzen des Durchschnitts für jede Spalte, um die endgültige Tabelle III zu vervollständigen.
Die Auswirkung starker Anisotropie mit unterschiedlichen Nullverformungs-MP-Ablesungen in L- und T-Richtung (wie in Fig. 5b) und möglicherweise unterschiedlichen Elastizitätsgrenzen kann in Rechnung gestellt werden durch Einschließen der Anisotropie in die Eichbezugswerte. Das wird erreicht durch Auswählen der schrittweise erhöhten Werte von &epsi;L und &epsi;T, um unterschiedliche Elastizitätsgrenzen in L(R.D.)- und T(T.D.)-Richtungen wiederzugeben und MP(L) sowie MP(T) bei jeder Kombination von &epsi;L und &epsi;T separat zu prüfen. Je nach dem Herstellverfahren des Stahls können andere Anisotropie- Richtungen als R.D. und T.D. definiert werden. Die Wandlung (10), die nur auf isotropisches (symmetrisches) Metallverhalten Anwendung findet, kann in diesem Fall nicht benutzt werden.
Die nachstehende Tabelle IV repräsentiert eine 7 x 7 Tabelle, die für starkes anisotropes Material auf diese Weise fertiggestellt wurde. Begrenzungen bei der Verwendung von anisotropen Eichdaten werden nachstehend diskutiert. TABELLE IV

Verwendung der Eich-Bezugsgröße

Eine durch die Tabellen III und IV angegebene Information repräsentierte Eichbezugsgröße wird entsprechend der vorliegenden Erfindung benutzt, um in aktuellen Bauteilen gemessene MP-Ablesewerte in Spannungs/Verformungsgrößen zu wandeln. Diese Wandlung wird bewerkstelligt, indem zuerst die Testfläche des Bauteils mit feinem Sandpapier bis auf das bloße Metall gereinigt wird. Die Einstellungen des Fühlersystems sollten die gleichen sein, wie die bei der Erzeugung der Eichbezugsgröße benutzte. Die MP-Werte werden in unterschiedlichen Winkeln an der Fläche des Bauteils an der Teststelle getestet, bis die höchste MP-Ablesung gefunden ist; diese Ablesung bezeichnet den Barkhausen-Rauschpegel in der ersten Hauptrichtung MP&sub1;. Als nächstes wird die niedrigste Ablesung mit 90º zur ersten Hauptrichtung gemessen und diese Ablesung bezeichnet den Barkhausen-Rauschpegel in der zweiten Hauptrichtung MP&sub2;. Die Eichbezugsgröße-Tabelle wird dann zu Rate gezogen, um das Paar gemessener MP-Ablesungen MP&sub1;, MP&sub2; mit der (naheliegendsten) Kombination von Ablesungen und den entsprechenden Spannungswerten in der Tabelle in Bezug zu bringen.
Zum Beispiel wird durch Bezug auf Tabelle III festgestellt:
MP&sub1; = 238 &epsi;&sub1; = +600 &sub1; = 112 MPa
MP&sub2; = 105 &epsi;&sub2; = -300 &sub2; = 26 MPa
MP&sub1; = 185 &epsi;&sub1; = +150 &sub1;= 6 MPa
MP&sub2; = 105 &epsi;&sub2;= -410 &sub2;= -80 MPa.
Verformungen wurden in Spannungen unter Benutzung der obigen Formeln (4) (5) gewandelt. Bei dem letzten Beispiel wurden die Verformungen durch Extrapolieren zwischen den nächsten in Tabelle III aufgefundenen Kombinationen bestimmt. Eine feiner unterteilte Tabelle, wie eine 9 x 9 Tabelle, unterstützt die Herstellung derartiger Extrapolationen.
Nötigenfalls kann die dritte Haupt-Verformungskomponente &epsi;3 senkrecht zur Oberfläche durch den oben angegebenen Ausdruck (3) gefunden werden.
Im Falle eines stark anisotropen Materials wie in Tabelle IV werden die Ablesungen MP&sub1; und MP&sub2; in tatsächlichen Komponenten aus dem gleichen Material in der gleichen Richtung relativ zur Anisotropie gemessen wie die, aus denen die Eichbezugsgröße aufgebaut wurden. Typischerweise sind bei Blechmaterial derartige Richtungen R.D. und T.D., bei (gezogenen) Rohren die Axial- und die Umfangsrichtung, bei Turbinenblättern die Längs- und die Querrichtung usw. Wenn beispielsweise die Eichbezugsgröße für ein anisotropes Röhrenmaterial mit L als Axial- und T als Umfangsrichtung bestimmt wurde, kann MP&sub1; und MP&sub2; bei der tatsächlichen Komponente des gleichen Röhrenmaterials ebenso gut in Axial- und Umfangsrichtung gemessen werden.
Dementsprechend kann ein Fehler vorhanden sein bei biaxialer Eichung von stark anisotropen Materialien, falls (i) derartige Anisotropie-Richtungen bei aktuellen Komponenten nicht bekannt sind oder (ii) Hauptspannungs-Richtungen bei tatsächlichen Komponenten sich bezeichnend von L- und T-Richtungen der Eichprobe (Bezugsgröße) unterscheiden.
Es ergibt sich für den Fachmann, daß ein Computer zur Erzeugung einer viel feiner unterteilten Tabelle zur Verwendung als Eichbezugswert benutzt werden kann, und um mehrere und genauerer Wandlungen in Spannungen und Verformungen durchzuführen.

E. Alternative Ausführung

Die vorliegende Erfindung kann auch durch Verwendung eines ANnäherungsverfahrens statt durch Verwendung von direkter Wandlung von der Eichbezugsgrößen-Tabelle durchgeführt werden, wie sie vorstehend beschrieben wurde. Bei dieser alternativen Ausführung wird genauso Sorge getragen, sicherzustellen, daß die Messungen innerhalb der elastischen Grenzen der Eichprobe durchgeführt werden, und daß der Nullverformungspunkt wie bei der bevorzugten Ausführung bestimmt wird.

Erzeugung biaxialer Eichwerte

Die alternative Ausführung der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Erzeugung einer Eichbezugsgröße in der gleichen Weise, wie bei der bevorzugten Ausführung beschrieben, jedoch werden hier zum Aufbau der Eichbezugsgröße nur MP(L)- Messungen benutzt.
Bei dieser alternativen Ausführung werden Datenpunkte für MP(L) erzeugt durch Verändern von &epsi;L bei bestimmten festgelegten Abständen von &epsi;T, gleich wie in der bevorzugten Ausführung.
Diese Datenpunkte werden dann in Längsverformungs-Eichkurven extrapoliert, die in Form einer Reihe von Kurven (Fig. 6) oder einer dreidimensionalen Fläche (Fig. 7-8) aufgetragen werden. Jede dieser Aufzeichnungen wird als eine Eich-Bezugsgröße in der Bedeutung gemäß der vorliegenden Erfindung angesehen. Die so erzeugte Eichbezugsgröße kann dann benutzt werden, um biaxiale Spannungen bei einem Stahlbauteil mit gleichartigen metallurgischen Eigenschaften wie denen des Probenstücks 10 zu bestimmen, von dem die Eichbezugsgröße erzeugt wurde.
Es kann vorteilhaft sein, aus den Längs-Eichkurven der Fig. 6 eine biaxiale Eichfläche zu erzeugen, wie sie in Fig. 7 und 8 dargestellt ist. Die biaxiale Eichfläche bildet graphisch die vorher erwähnte gegenseitige Abhängigkeit der Barkhausen-Rauschpegel (in MP-Einheiten ausgedrückt) von den Querverformungen oder -Spannungen und den Längsverformungen oder -Spannungen ab. Wie sich aus den nachstehend gegebenen Beispielen ergibt, ist eine biaxiale Eichfläche ein bequemes Werkzeug zur Herstellung von Biaxial-Spannungsbestimmungen nach der vorliegenden Erfindung; die biaxiale Eichfläche ist in gleicher Weise eine Eichbezugsgröße innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung.
Obwohl die biaxiale Eichfläche nach Fig. 7 und 8 aus den Längs-Eichkurven der Fig. 6 geschaffen wurde, wird auch vorgesehen, daß eine biaxiale Eichfläche direkt aus den vom Teststück 10 erzeugten experimentellen Daten durch die Verwendung gut bekannter Computer-Auftragsverfahren erzeugt werden kann. Die computergestützte Herstellung einer biaxialen Eichfläche ist im Falle der statischen Belastung des Teststücks 10 wie auch in einer Lage möglich, bei der das Teststück 10 dynamisch sowohl in Quer- wie in Längsrichtung belastet wird, und MP und die Ausgangssignale der Verformungs-Meßstreifen kontinuierlich erfaßt werden. Diese beiden Verfahren zum Belasten des Teststücks 10 und Erzeugen brauchbarer Messungen daraus werden als im Bereich des normalen Fachmanns auf diesem Gebiet liegend eingeschätzt.
Eine biaxiale Eichfläche kann durch den Ausdruck definiert werden:
(11) S(L,T) = f{MP(L) ,&epsi;L,&epsi;T},
wobei S(L,T) = die Eichfläche,
MP(L) = der dem Pegel des Barkhausen-Rauschens proportionale magnetoelastische Parameter, gemessen in Längsrichtung in einem spezifischen Frequenzbereich,
&epsi;L = Längsverformung
&epsi;T = Querverformung ist.
Im Ausdruck (11) entspricht &epsi;L der Hauptverformung &epsi;&sub1; aus (1) und &epsi;T der Hauptverformung &epsi;&sub2; aus (2). S(L,T) kann bestimmt werden durch unabhängiges Verändern der Verformungen in der L- und T-Richtung innerhalb der elastischen Grenzen und Aufzeichnen entsprechender Werte von MP(L) . Flächen S(L,T) können auch in Abhängigkeit von Spannungen L, T ausgedrückt werden, einfach durch Benutzen der Gleichungen (4) und (5) zum Wandeln von Verformung- in Spannungswerte.

Verwendung der Eichbezugsgröße

Was nun als Beispiele folgt, ist eine Beschreibung der Anwendung der biaxialen Verformungs-Eichfläche, um mit Barkhausen-Rauschpegeln eine besondere Kombination von biaxialen Hauptverformungen bei einem aktuellen Stahlbauteil zu bestimmen. Beispiel I ist für die Anwesenheit von relativ kleinen Querverformungen in einer der Hauptrichtungen illustrativ, die zu relativ kleinen Korrekturen der Hauptverformungen &epsi;&sub1;, &epsi;&sub2; führt. Beispiel II illustriert dagegen, daß Fehler in größerem Ausmaß der Hauptverformungen &epsi;&sub1;, &epsi;&sub2; sich aus einaxialen Verformungs-Messungen ergeben können, bei denen angenommen wird, daß die in den Hauptrichtungen wirkende Querverformung vernachlässigbar ist.

Beispiel I

Die ausgewählte Testfläche an dem zu prüfenden Stahlbauteil wird mit feinem Sandpapier bis auf das blanke Metall gereinigt, und die Barkhausenrauschen-Meßparameter werden in der gleichen Weise eingestellt wie die beim Erzeugen der Eichbezugsgröße benutzten. Die Verformung an der Elastizitätsgrenze für den Stahl wurde mit 1800 bestimmt. Die den Hauptverformungen &epsi;&sub1;, &epsi;&sub2; an dem Testort entsprechenden MP-Werte werden gefunden durch Testen von MP in unterschiedlichen Winkeln an der Oberfläche des Bauteils. Der höchste Ablesewert von MP, der &epsi;&sub1; entspricht, wird als MP&sub1; bezeichnet und hat einen Wert von 200. Der niedrigste Ablesewert, der &epsi;&sub2; entspricht und in einer Richtung von 90º zur Richtung von &epsi;&sub1; gefunden wird, wird mit MP&sub2; bezeichnet und hat einen Wert von 90.
Mit Bezugnahme auf Fig. 7, wo eine vorbestimmte Eichfläche für dieselbe Stahlsorte gezeigt ist, werden Annäherungen &epsi;&sub1;&sub1;, &epsi;&sub2;&sub1; für Verformungen &epsi;&sub1;, &epsi;&sub2; gefunden unter der Annahme eines einaxialen Spannungszustandes mit einer Querverformung Null. Das wird dadurch erreicht, daß die Werte von MP&sub1; und MP&sub2; längs der Linie &epsi;T = 0 auf die Eichfläche projiziert werden. Durch Projizieren der beiden an der Eichfläche bei &epsi;T = 0 gefundenen Punkte in Querrichtung auf die Skala für Längsverformung, wird &epsi;&sub1;&sub1; mit einem Wert von etwa +1000 und &epsi;&sub2;&sub1; mit einem Wert von etwa -100 gefunden. Damit haben die Annäherungen &epsi;&sub1;&sub1;, &epsi;&sub2;&sub1; Werte von +1000 bzw. -100.
Um die Annäherungen &epsi;&sub1;&sub1;, &epsi;&sub2;&sub1; im Hinblick auf Querverformung zu korrigieren, ist es notwendig, die Anwesenheit von Querverformung in den Hauptrichtungen in Rechnung zu stellen. In anderen Worten, die Annäherung &epsi;&sub1;&sub1; wird durch die Querverformung &epsi;&sub2;&sub1; korrigiert, indem zuerst der Längsschnitt in Fig. 6 gefunden wird, der dem Wert -100 entspricht (&epsi;T = &epsi;&sub2;&sub1;). Durch Folgen dieses Schnittes an der Eichfläche bis zu dem projizierten Wert von MP&sub1; (d.h. 200 zu dem mit A bezeichneten Punkt) und weiteres Folgen des Querschnittes, der durch den Punkt A parallel zur Längsverformungs-Skala hindurchgeht, wird &epsi;&sub1;&sub2; zu etwa +1100 gefunden.
Die Annäherung &epsi;&sub2;&sub1; wird in ähnlicher Weise dadurch korrigiert, daß der Längsschnitt aus Fig. 6 gefunden wird, der dem Wert von +1000 entspricht (&epsi;T = &epsi;&sub1;&sub1;). Durch Folgen dieses Schnittes an der Eichfläche zu dem projizierten Wert von MP&sub2; (d.h. 90, zu dem mit B bezeichneten Punkt, der an einer Extrapolation der in Fig. 7 gezeigten Eichfläche liegt) und weiteres Verfolgen des Querschnittes, der durch den Punkt B hindurchgeht, zu der Längsverformungs-Skala, wird &epsi;&sub2;&sub2; mit etwa +200 festgestellt.
Dementsprechend sind die korrigierten Werte von &epsi;&sub1;, &epsi;&sub2; +1100, +200 statt der Werte +1000, -100, die unter der Annahme gefunden wurde, daß die Querspannung in den Hauptrichtungen Null ist; in Prozenten ausgedrückt, betragen die Fehler etwa 6 bzw. 17% der Verformung an der Elastizitätsgrenze für den zu untersuchenden Stahl. Diese Verformungswerte können in Spannungswerte gewandelt werden unter Benutzung der Wandlerformeln (4), (5).
Falls nötig, kann die Normalverformung &epsi;&sub3; durch den Ausdruck gefunden werden
Falls das Material des zu prüfenden Stahlbauteils eine ausgeprägte Textur besitzt, ist es ratsam, zu bestimmen, ob die Eichflächen in der Walz- und der Querrichtung unterschiedlich sind. Diese Bestimmung wird durchgeführt durch Umschalten der L- und T-Richtung. Unter Benutzung der aus den zwei Eichflächen erhaltenen Durchschnitts-MP-Werte kann der texturinduzierte Fehler dadurch auf die Hälfte reduziert werden.

Beispiel II

Bei diesem Beispiel sind die an dem Testort eines Stahlbauteils gemessenen MP-Werte MP&sub1; = 200 und MP&sub2; = 50. Anhand der Fig. 8 wird die Annäherung &epsi;&sub1;&sub1;, &epsi;&sub1;&sub2; unter Annahme einer Null-Querspannung mit den Werten +1000, -700 bestimmt. Durch Anwenden des in Beispiel I beschriebenen Korrekturvorganges werden die korrigierten Werte von &epsi;&sub1;, &epsi;&sub2; zu &epsi;&sub1;&sub2; = +1500 und &epsi;&sub2;&sub2; = -1800 gefunden. Es sollte bemerkt werden, daß wie bei dem Beispiel I der Punkt B als eine Extrapolierung der in Fig. 8 gezeigten Eichfläche gefunden wird. Diese korrigierten Werte für &epsi;&sub1;, &epsi;&sub2; ergeben Fehler von etwa 25 bzw. 61% der Spannung an der Elastizitätsgrenze für den zu untersuchenden Stahl im Vergleich mit Verformungswerten, auf die man sich verlassen hätte, wenn die Querspannung in den Hauptrichtungen vernachlässigt worden wäre, wie es üblicherweise der Fall ist.
Der bedeutende Vorteil der vorliegenden Erfindung für Stahlhersteller und -Benutzer ist deshalb offensichtlich.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen biaxialer Spannungen in einer Stahlkomponente, mit den Schritten

daß ein Eichbezugswert erzeugt wird (i) von einem experimentellen Teststück mit denen der Stahlkomponente gleichartigen metallurgischen Eigenschaften und (ii) innerhalb der Elastizitätsgrenzen des Teststücks, wobei der Eichbezugswert sich ändernde Barkhausen-Rauschpegel wiedergibt, wenn sowohl Längs- wie Querverformungen in dem Teststück von ihren Nullwerten aus verändert werden;

daß die Barkhausen-Rauschpegel in der ersten und der zweiten Hauptrichtung an einem ausgewählten Ort an der Stahlkomponente gemessen werden; und

daß unter Benutzung des Eichbezugswertes die gemessenen Barkhausen-Rauschpegel in Werte von Längs- und Querverformungen in der ersten und der zweiten Hauptrichtung an dem ausgewählten Ort der Stahlkomponente gewandelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem:

der Eichbezugswert eine Tabelle von Paaren von Barkhausen-Rauschpegel-Ablesungswerten bei sich ändernden Bedingungen der Längs- und Querverformung an dem Teststück ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die gemessenen Barkhausen-Rauschpegel in Werte von Längs- und Querverformung in der ersten bzw. zweiten Hauptrichtung gewandelt werden durch die Schritte:

Anlegen von für die gemessenen Barkhausen-Rauschpegel repräsentativen Werte werden bei Querverformung Null an den Eichbezugswert, um eine Annäherung an die Verformungswerte in der ersten und der zweiten Hauptrichtung zu erhalten;

Korrigieren der Näherung der Verformung in der ersten Hauptrichtung unter Verwendung des Eichbezugswertes durch Anlegen des Quereffektes der Annäherung der Verformung in der zweiten Hauptrichtung; und

Korrigieren der Näherung der Verformung in der zweiten Hauptrichtung unter Verwendung des Eichbezugswertes durch Anlegen des Quereffektes der Annäherung der Verformung in der ersten Hauptrichtung.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem:

der Eichbezugswert eine Eichfläche ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem:

die Eichdaten eine Reihe von Längsverformungskurven sind, wobei jede Kurve einen festgesetzten Querverformungswert besitzt.