DE69526827T2

DE69526827T2 - Vorrichtung zur Kontrolle von Rissen in Hochtemperatursystemen

Info

Publication number: DE69526827T2
Application number: DE69526827T
Authority: DE
Inventors: Balkrishna S. Annigeri; Leroy H. Favrow; Robert J. Haas; Jason S. Wegge; Michael Winter
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1994-10-11
Filing date: 1995-10-10
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2015-10-11
Also published as: EP0707206A1; DE69526827D1; ES2177598T3; US5517861A; EP0707206B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen von Rissen in unter einer Last stehenden Materialien, insbesondere zum Überwachen des Risswachstums in glühenden Proben, während diese belastet sind.

Hintergrundinformation

Bei der Material- und Produktentwicklung ist das Verständnis des Verhaltens vor dem Verarbeiten zu einem Fertigprodukt im Hinblick sowohl auf Sicherheits- als auch auf wirtschaftliche Gründe von Bedeutung. Das Vorhersehen, wie ein Material sich in einem Produkt unter Einsatzbedingungen verhält, erfordert die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften des Materials. Beispielsweise können Materialien, die einem längeren Lastwechsel ausgesetzt sind, durch Beginn von Rissbildungen und deren rasches Wachstum katastrophalen Störungen unterliegen. Folglich wurde Wert auf das Verständnis des Verhaltens von Materialien während Lastwechseln gelegt, insbesondere bei Lastwechseln einer erhitzten Probe, wenn die Belastung simuliert, wie das Material tatsächlich im Einsatz ist.
Die meisten herkömmlichen Vorrichtungen allerdings können eine Rissbildung und eine Rissausbreitung bei zyklischen Belastungen (Lastwechseln) eines Materials nicht messen. Das Testen eines Materials während einer typischen Lastwechselsituation schafft daher zahlreiche Probleme. Beispielsweise umfaßt die Überwachung von Oberflächenrissbildungen und - ausbreitung das Aufnehmen eines Bildes und das Messen der Abmessungen eines Risses aus dem Bild. Da die Bewegung der Probe während der Lastwechsel klare fotografische Aufnahmen nicht zuläßt, muß die Lastwechselsituation periodisch für fotografische Aufnahmen eingefroren werden.
Dies ist äußerst zeitraubend und ermöglicht es dem Material, außerhalb des an sich zu betrachtenden Belastungszustands zu relaxieren, was zu anormalen Ergebnissen führen kann.
Ein weiteres Verfahren zum Überwachen des Risswachstums, bei dem es ähnliche Probleme wie bei der Stehbildfotografie gibt, umfaßt die Oberflächenreplikation gekoppelt mit dem Einsatz der Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM). Das Belastungsregime wird hier periodisch angehalten, um ein Azetat-Replikat einer Oberfläche der Probe zu nehmen. Das Replikat wird unter einem TEM betrachtet, um eine Rissbildung und ein Risswachstum zu beobachten. Dieses Verfahren beinhaltet nicht nur eine unerwünschte Relaxationszeit, es ist außerdem äußerst zeitraubend und teuer.
Zusätzlich zu den langen Stillstandszeiten, den hohen Kosten und Änderungen des zu betrachtenden Belastungsregimes, erfolgt die Analyse des Risswachstums typischerweise durch Handberechnungen, die physikalische Messungen der Fotoaufnahmen erfordern. Die Messungen werden dadurch vorgenommen, daß man eine Referenzmarkierung vorbestimmter Länge an einer Probe vor dem Testen anbringt, so daß Risslängen im Bezug auf die Referenzmarkierung gemessen werden können. Die Änderungen der Rissgröße lassen sich direkt aus den Messungen des Risses errechnen, oder man kann die Gesamtrissgröße ermittelten, indem man die Länge des Risses mit der der Referenzmarkierung vergleicht. Da diese Methode an mehreren Stellen den menschlichen Eingriff erfordert, gibt es die Möglichkeit für Fehler. Diese Beschränkung der Überwachungsvorrichtung kann zu einem erhöhten Fehler bei der Kennzeichnung eines Materials führen, außerdem zu hohen Kosten und langen Testzeitspannen.
Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Vorrichtung ist der Mangel einer automatischen Abschaltung basierend auf der Rissgrösse. Weil eine Probe während eines einzelnen Tests möglicherweise Tausenden von Lastwechseln unterzogen wird, wird häufig der aktuelle Zeitpunkt der Riss- Entstehung nicht aufgezeichnet, und die Probe wird den Lastwechseln bis zum Ausfall ausgesetzt. Folglich werden einige der charakteristischen Merkmale eines Oberflächenrisses im frühen Stadium zerstört, was die Prüfdaten im Wert vermindert, da die Form und das Muster vom Beginn und Wachstum eines Risses benötigt werden für die später erfolgende Modellbildung des Risswachstums.
Wenn außerdem die Überwachung eines Materials bezüglich thermischmechanischer Übermüdung erfolgt, so geschieht dies nach herkömmlicher Methode anhand des elektrischen Potenzialabfalls, um die Entstehung und das Wachstum eines Risses zu erkennen und zu überwachen. Diese Methode beinhaltet das Durchleiten eines elektrischen Stroms durch eine erhitzte Probe und das Überwachen der Änderung des elektrischen Widerstands durch die Probe, um den Beginn und das Wachstum eines Risses festzustellen. Anschließend werden die Daten kalibriert, um Form und Größe des Risses zu ermitteln. Aus den obigen Erläuterungen ist ersichtlich, daß diese Methode zeitraubend ist und ihr ein großes Potential für ungenaue Daten anhaftet.
Was benötigt wird in der Industrie, ist also eine Vorrichtung, die in der Lage ist, das Risswachstum einer heißen Probe im Echtzeitbetrieb exakt zu messen.
Die JP-A-59 042430 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen von Rissen in einem Prüfling. Der Prüfling wird von einer Heizvorrichtung auf einer hohen Temperatur erhitzt. Die Probe wird mit hoher Geschwindigkeit durch einen Drehantrieb gedreht. Wenn in dem Prüfling ein Riss entsteht, wird ein Stroboskop eingeschaltet, und der Prüfling wird mit dem Flackerlicht beleuchtet. Das Flackerlicht des Stroboskops ist synchronisiert mit der Drehung der Probe. Reflektiertes Beleuchtungslicht wird von einer Bildaufnahmeröhre aufgenommen und auf eine Kathodenstrahlröhre projiziert.
Die FR-A-2-213 510 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren einer optischen Markierung, die von einem auf eine hohe Temperatur erhitzten Material absteht, so daß sie Wärmestrahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums emittiert. Die Lichtquelle zum Projizieren der optischen Markierung emittiert sichtbares Licht im Wellenlängenbereich von etwa 300 nm bis etwa 600 nm, wobei einer dieser Bereiche eine vorherrschende Lichtintensität zwischen 430 nm und 440 nm, also im nahen ultravioletten Bereich aufweist. Reflektiertes Licht wird von einer Kameraröhre im Empfindlichkeitsbereich aufgenommen, welcher den Wellenlängenbereich von 430 nm bis 440 nm beinhaltet, nachdem das Licht durch ein Bandpassfilter mit einem Bandpass im Wellenlängenbereich von 430 nm bis 440 nm gelaufen ist, um den Rauschabstand zu verbessern.
Die GB-A-2 223 319 offenbart ein Rissüberwachungssystem zum Überwachen einer erhitzten Probe. Von der erhitzten Probe reflektiertes Licht wird von einer normalen Videokamera aufgenommen, was bedeutet, daß zum Detektieren von Rissen sichtbares Licht genutzt wird.
Die US-A-4 063 282 offenbart ein Risserkennungssystem, bei dem Bilder einer nicht erhitzten Probe von mehreren Videokameras aufgenommen werden.
Die JP-A-5 223 717 zeigt ein Rissüberwachungssystem, bei dem mehrere Bilder von einer Probe aufgenommen werden. Mit Hilfe dieser mehreren Bilder werden Differenzbilder erzeugt, damit man in der Lage ist, die Abmessungen jedes in der Probe auftretenden Risses zu berechnen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Überwachen von Rissen in einer glühenden Probe, umfassend eine Einrichtung zum Aufbringen einer Last auf die glühende Probe, wobei die Lastaufbringeinrichtung eine Testfrequenz aufweist; eine Einrichtung zum Beleuchten der Probe während des Aufbringens einer Last mit Beleuchtungslicht, welches eine optische Frequenz hat, die höher ist als die optische Frequenz, die von der Probe im glühenden Zustand abgestrahlt wird, und ein Impulsfrequenz besitzt, die größer oder gleich ist der Testfrequenz der Lastaufbringungseinrichtung; eine Einrichtung zum Aufnehmen von seitens der Probe reflektiertem Beleuchtungslicht, wobei die Lichtaufnahmeeinrichtung phasensynchronisiert mit der Beleuchtungseinrichtung ist, derart, daß Rissbildungsbilder während des Aufbringens einer Last gewonnen werden können; und eine Einrichtung zum Verarbeiten der von der Bildaufnahmeeinrichtung erhaltenen Bilder.
Außerdem schafft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen von Rissen in einer glühenden Probe, umfassend folgende Schritte: Aufbringen einer Last auf die glühende Probe unter Verwendung einer Lastaufbringeinrichtung, die eine Testfrequenz besitzt; Beleuchten der Probe mit einem Beleuchtungslicht während des Aufbringens einer Last, um die Rissbildung unter Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung hervorzuheben, wobei das Beleuchtungslicht eine optische Frequenz hat, die größer ist als die optische Frequenz, welche von der Probe im glühenden Zustand emittiert wird, und eine Impulsfrequenz aufweist, die größer oder gleich ist der Testfrequenz der Lastaufbringeinrichtung; Erzeugen von Risswachstumsdaten durch Aufnehmen von reflektiertem Beleuchtungslicht von der Probe unter Verwendung einer Einrichtung zum Aufnehmen relektierten Beleuchtungslichts, welches in der Phase mit der Beleuchtungseinrichtung synchronisiert ist; und Verarbeiten der Risswachstumsdaten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Gesamtübersicht der Erfindung.
Fig. 2 ist Blockdiagramm der Verarbeitungseinrichtung, eingesetzt zum Überwachen der Änderungen einer Rissabmessung.
Fig. 3A bis 3C zeigen von Bilder von Rissen zu verschiedenen Zeitpunkten im Belastungsbereich.
Fig. 4A bis 4B zeigen Änderungen der Rissabmessungen nach außen Subtrahieren eines vorangehenden Bildes.
Fig. 5A bis 5B zeigen die Integration der Änderungen eines Risses in einer einzelnen Vektorachse.
Fig. 6A bis 6B zeigen die Stelle des Schwerpunkts der Rissspitzen.

Bester Weg zum Ausführen der Erfindung

Eine Echtzeitüberwachung von Rissbildung und - wachstum in einer heißen Probe ist deshalb schwierig, weil die Probe bei hohen Temperaturen glüht und damit jegliche Risse maskiert und sie scheinbar unsichtbar macht. Dieser Maskierungseffekt tritt bei verschiedenen Materialien bei unterschiedlichen Temperaturen auf, wie sie von einem Fachmann leicht ermittelt werden können, d. h., Metalle werden typischerweise bei Temperaturen von mehr als etwa 1.500ºF glühen, während Cheramikwerkstoffe typischerweise bei Temperaturen von mehr als etwa 1.100ºF anfangen zu glühen. Allerdings wurde erkannt, daß, wenn eine glühende Probe mit Licht beleuchtet wird, dessen Frequenz größer als die Frequenz des Glüh- Lichts ist, ein Bild aus dem reflektierten Licht höherer Frequenz erzeugt werden kann. Beispielsweise kann man einen Ultraviolett-(UV-)Laser zum Beleuchten einer glühenden Probe verwenden, und man kann das reflektierte UV-Licht aufnehmen, um ein einen Riss zeigendes Bild der Probe zu bilden.
Nach Fig. 1 beinhaltet folglich eine Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung: eine Einrichtung zum Erhitzen der Probe 4, beispielsweise in Form eines Ofens, eines Herds, von Heizspulen oder einer anderen herkömmlichen Heizeinrichtung, eine Einrichtung zum Aufbringen einer Last 1 auf ein Probe 2, um den aktuellen Einsatz zu simulieren, einer Beleuchtungseinrichtung 5 zum Beleuchten der Probe mit UV-Licht, um die Ausbildung von Rissen in der Oberfläche der Probe hervorzuheben, eine Aufnahmeeinrichtung 3 zum Aufnehmen von reflektiertem UV-Licht, um Bilder der Probe 2 an vorbestimmten Punkten des Lastbereichs zu erzeugen, und eine Bildverarbeitungseinrichtung 6 zum Überwachen von Änderungen der Abmessungen von Rissen während des Lastbereichs. Optional kann eine Steuereinrichtung 7 für die Steuerung der Lastaufbringeinrichtung 1, der Beleuchtungseinrichtung 5 und der UV-Licht-Aufnahmeeinrichtung 3 an die Verarbeitungseinrichtung angeschlossen sein, um die von der Verarbeitungseinrichtung 6 erhaltenen Ergebnisse beim Steuern des Betriebs der übrigen Einrichtungen zu implementieren. Beispielsweise kann die Last oder die Zyklusgeschwindigkeit erhöht oder vermindert werden, die Belastung kann beendet werden, wenn der Riß eine vorbestimmte Länge erreicht, und die Beleuchtungseinrichtung 5 und die UV-Aufnahmeeinrichtung 3 können bewegt werden, um einen besseren Lichtkontrast zu erhalten.
Die Einrichtung zum Aufbringen einer Last 1 auf eine Probe 2 kann jede herkömmliche Einrichtung sein, die in der Lage ist, auf eine Probe ein Belastungsschema aufzubringen, ausgestattet mit einer Einrichtung, die möglichst genau das Belastungsschema eines tatsächlichen Bauteils simulieren kann, welches aus dem Material der Probe hergestellt wird, wobei dies allgemein bevorzugt ist. Derartige Maschinen enthalten - ohne Beschränkung - Servohydraulische Testmaschinen, so z. B. die eine Kapazität von 100 kN aufweisende Universaltestmaschine der Serie 3310, hergestellt von der Interlaken Technology Corporation (Minnesota, USA). Ähnliche Maschinen werden hergestellt von der Instrom Corporation, Canton, Massachusetts und der MTS System Corporation, Indianapolis, Minnesota, um nur einige zu nennen.
Während die Lastaufbringeinrichtung 1 auf die Probe 2 eine Last aufbringt, beleuchtet die Beleuchtungseinrichtung 5 die Probe 2, um Entstehung und Wachstum von Rissen überwachen zu können. Da die Überwachung typischerweise auf mikroskopischer Ebene erfolgt, kann die Oberflächenvorbereitung der Probe von großer Bedeutung sein, um die gewünschte Beleuchtung und den Kontrast sämtlicher möglicherweise entstehender Risse zu erhalten. Typischwerweise können herkömmliche Oberflächenvorbereitungsmethoden allein oder in Kombination eingesetzt werden, beispielsweise gemäß der ASTM-Vorbereitungsnorm. Die Probe sollte so vorbereitet werden, daß ein bevorzugtes Ätzen in der Weise stattfindet, daß die Korngrenzen und andere Mikrostrukturmerkmale nicht derart stark beleuchtet werden, daß diese Grenzen und Merkmale sich nicht von Rissen unterscheiden lassen.
Die Beleuchtungseinrichtung 5 kann jede herkömmliche Beleuchtungseinrichtung sein, die die Probe mit Licht beleuchtet, welches in ausreichendem Maß von der Probe reflektiert wird, demzufolge das reflektierte Licht aufgenommen werden kann, um ein Bild der Probe zu erzeugen, wobei das Licht eine optische Frequenz besitzt, die höher ist als die optische Frequenz des von der glühenden Probe emittierten Licht, außerdem eine Pulsfrequenz aufweist, die größer oder gleich der Testfrequenz der Lastaufbringeinrichtung 1 ist. Darüber hinaus hat die Beleuchtungseinrichtung 5 vorzugsweise beträchtliche Flexibilität beim Ausleuchten desjenigen Bereichs der Probe, wo Risse auftreten. Im allgemeinen kann jeder herkömmliche UV-Laser verwendet werden, beispielsweise ein gepulster Stickstoff-UV-Laser mit einer Wellenlänge von 337 nm, hergestellt von Photo Chemical Research Associates, London, Ontario, Kanada, von Laser Science, Inc., Newton, Massachusetts. Aufgrund der konzentrierten Beschaffenheit des von dem Laser kommenden Lichts, d. h., weil das Licht nur eine kleine Fläche der Probe beleuchtet, wird das Licht vorzugsweise so diffundiert, daß sowohl ein größerer Flächenbereich der Probe ausgeleuchtet wird als auch ermöglicht wird, daß die Aufnahmeeinrichtung für das reflektierte Licht ein deutliches Bild erzeugt. Wenn das Licht zu konzentriert ist, können zahlreiche herkömmliche Bildaufnahmeeinrichtungen das Licht nicht bearbeiten und versagten. Man kann jede herkömmliche Diffusionseinrichtung verwenden, wobei geschliffenes Glas bevorzugt wird.
Die Orientierung der Beleuchtungseinrichtung 5 ist wichtig aufgrund des Wunsches, einen maximalen Bildkontrast zu erreichen, um den Riß zu beobachten und so die Genauigkeit bei der Rissüberwachung zu steigern. Typischerweise wird die Lage der Beleuchtungseinrichtung 5 in Bezug auf die Oberfläche der Probe 2 vorgegeben durch entweder das Vorhandensein einer Oberflächenkerbe, die eine Rissbildungsstelle vorgibt, oder die Geometrie der Probe. Man beachte, daß der Oberflächenmerkmalskontrast von besonderer Bedeutung ist, wenn seichte Risse überwacht werden, die üblicherweise keinen ausreichenden Kontrast bei der Beleuchtung und Schattenbildung liefern, um eine genaue Rissüberwachung zu gestatten.
Um außerdem einen richtigen Vergleich von Bildern und damit eine geeignete Überwachung des Risswachstums zu ermöglichen, ist es bevorzugt, wenn die Beleuchtungseinrichtung 5 die Probe 2 für möglichst kurze Zeit beleuchtet. Kurze Beleuchtungszeiten ermöglichen die Aufnahme von Bildern an lediglich einem vorbestimmten Punkt oder einer vorbestimmten Phase im Belastungsschema, wodurch Bildverwischungen durch Objektbewegungen verringert oder ausgeschaltet werden und die Bildgenauigkeit gesteigert wird. Zeiten in der Größenordnung von einigen Nanosekunden bis hin zu etwa 10 Mikrosekunden (us) sind möglich, wobei weniger als etwa 5 us bevorzugt sind und besonders bevorzugt Zeiten von weniger als etwa 1,5 us sind. Bestimmt werden kann die Zeit durch die Geschwindigkeit der Probe, die eine Funktion der Amplitude und der Schwankung der Last und der Zusammensetzung der Probe 2 ist, wobei die von der Bilderzeugungseinrichtung 3 verwendete Vergrößerung berücksichtigt wird.
Um eine Bildverwischung zusätzlich zu verringern oder auszuschalten und um eine Bildaufnahme an einem gewünschten Punkt im Belastungsschema zu garantieren, können die Lastaufbringeinrichtung 1 und die Beleuchtungseinrichtung 5 derart in der Phase synchronisiert sein, daß eine Beleuchtung nur an gewünschten Punkten der Lastaufbringung erfolgt. Beispielsweise können die Lastaufbringeinrichtung 1 und die Beleuchtungseinrichtung 5 in der Phase synchronisiert oder in der Phase derart abgestimmt werden, daß die Beleuchtung und die Bildaufnahme beide dann stattfindet, wenn sich die Belastung an einem Punkt maximaler Rissöffnung befindet.
Nachdem die Beleuchtungseinrichtung 5 die Probe 2 mit UV-Licht beleuchtet hat, wird das UV-Licht von der Probe 2 reflektiert und mit Hilfe der Aufnahmeeinrichtung wird das UV-Licht 3 aufgenommen, vorzugsweise in der Phase synchronisiert sowohl mit dem Aufbringen einer Last auf die Probe als auch der Beleuchtung. Diese UV-Licht-Aufnahmeeinrichtung 3 ist typischerweise irgendeine herkömmliche Bildaufnahmeeinrichtung, die in der Lage ist, in ausreichendem Maße das reflektierte UV-Licht aufzunehmen und ein Bild der Probe 2 zu erzeugen, so daß man Daten über die Rissbildung und das Risswachstum gewinnen, überwachen und vorzugsweise verstärken kann. Typischwerweise wird eine UV-Videokamera eingesetzt, beispielsweise eine verstärkte Videokamera, das ist eine 4- Quick-05-Kamera von Stanford Computer Optics, Inc., Palo Alto, California. Die gewünschten Auflösungsvermögen der Kamera, die sich von dem Fachmann leicht ermitteln lassen, betragen typischerweise bis hin zu etwa 20 micrometer (u) (etwa 9,78 mil). Bei einer Anwendung beispielsweise wurde eine verstärkte UV-Videokamera mit einer Auflösung von etwa 2 Mikrometer verwendet, um eine Probe zu überwachen, bei der eine Rissentstehung basierend auf der Geometrie der Probe abgeschätzt wurde.
Um die Auflösung des aufgenommenen Bildes zu steigern, kann UV- Licht-Aufnahmeeinrichtung 3 eine Vergrößerungseinrichtung enthalten. Diese Vergrößerungseinrichtung kann jede herkömmliche Einrichtung sein, die imstande ist, entweder das Bild vor dem Erfassen des UV-Lichts durch die Lichtaufnahmeeinrichtung 3 zu vergrößern, oder das aufgenommene Bild zu vergrößern. Mögliche Geräte enthalten ohne Beschränkung Mikroskope, Makrofote-Objektive sowie elektronische Bildvergrößerungseinrichtungen. Durch die Erhitzung der Probe und den Einsatz von UV-Licht, werden Mikroskope oder andere Vergrößerungseinrichtungen mit Quarzoptik bevorzugt, so z. B. das Questar-Mikroskop, hergestellt von der Questar Corporation, New Hope, Pennsylvania, welches einen Arbeitsabstand von etwa 6 bis etwa 14 Zoll, eine Quarzoptik und eine Auflösung von 2u besitzt. Die Kameras und Mikroskope können an einer Vorrichtung gelagert sein, beispielsweise einem Dreifuß oder einer anderen Halterungseinrichtung, d. h. einer X-, Y-, Z-Bühne, die eine Fokussierung auf jedem erwünschten Punkt der Probe gestattet.
Außerdem wird für ein Echtzeitüberwachung der Rissbildung und des Risswachstums eine Verarbeitungseinrichtung 6 verwendet, die an die UV-Lichtaufnahmeeinrichtung 3 angeschlossen ist und das von dieser kommende Bild auswertet. Diese Verarbeitungseinrichtung 6 kann jede herkömmliche Einrichtung sein, die in der Lage ist, eine Echtzeitverarbeitung der Daten von der UV-Lichtaufnahmeeinrichtung 3 durchzuführen, beispielsweise ein Gerät für digitale Verarbeitung von Daten von der UV- Lichtaufnahmeeinrichtung 3 zum automatischen Extrahieren von Risswachstumsdaten. Eine derartige Einrichtung ist ein Zweidimensional-Abbildungs-Computersystem, welches in der Lage ist, aufgezeichnete Risswachstumsdaten unter Verwendung von die Daten einer Echtzeit-Bildverarbeitung unterziehenden Software quantitativ zu analysieren. Diese Software, bei der es sich um jede Software handeln kann, die imstande ist, die Risswachstumsdaten zu verarbeiten, liefert vorzugsweise ein Echtzeit- Varioobjektiv- und Vergrößerungsmöglichkeiten, und sie bewirkt eine zweidimensionale Bildgebung. Beispielsweise kann eine OMA-Software, entwickelt von M. Long der Yale University, (New Haven, CT, USA), für die quantitative Analyse und die Bildverarbeitung verwendet werden, während die IMAGE-Software, entwickelt von den National Institutes of Health (Bethesda, MD, USA) für die Echtzeitüberwachung der Signale von der Bildaufnahmeeinrichtung und zur Bereitstellung der Echtzeit-Varioobjektiv- und Vergrößerungsmöglichkeiten zur Risserkennung verwendet werden kann.
Fig. 2 zeigt den Strom von Daten durch die Verarbeitungseinrichtung 6. Dieser Aufbau ermöglicht das Digitalisieren von Bildern, wodurch der Computer die Möglichkeit hat, Hintergrundbilder zu subtrahieren und sich auf Änderungen der Rissabmessungen zu konzentrieren. Erzeugt wird ein Bild aus dem aufgenommenen reflektierten UV-Licht 10, das Bild wird vom Computer bei 11 digitalisiert und anschließend bei 12 gespeichert. Der Computer subtrahiert ein zuvor digitalisiertes Bild (den Hintergrund) 13 von dem neuen Bild, zeichnet die Differenz der beiden Bilder auf und integrier entlang dem Riß 14, um die Änderung der Rissgröße und der Rissstelle entlang einer einzelnen Vektorachse darzustellen. Diese Daten können dann entsprechend analysiert werden. Beispielsweise läßt sich ein mittleres Risswachstum 12 dadurch ermitteln, daß man den Mittelpunkt der Stelle und die Größe des Risses entlang einer einzelnen Vektorachse, den "Schwerpunkt" des nach weg Subtrahieren des Hintergrunds übriggebliebenen Risses und die "Rissspitzen" vergleicht.
Fig. 3A-6B veranschaulichen die Operationen der Verarbeitungseinrichtung 6. Fig. 3A-3C zeigen ein Rissbild zu drei verschiedenen Zeiten während eines Lastschemas. Fig. 4A-4B veranschaulichen die Subtraktion eines Bildes vom Hintergrund. In den Fig. 5A bis 5B werden die subtrahierten Bilder integriert, um auf einer Achse dargestellt zu werden. In den Fig. 6A-6B befindet sich der Schwerpunkt des Risses (dargestellt an diesem Punkt als Vektor in nur einer Richtung) an einer solchen Stelle, daß der Computer das Risswachstum abschätzen kann. Die Daten über das mittlere Risswachstum können anschließend ausgedruckt und/oder gespeichert werden bei 16A (Fig. 2), wobei die gesamte Rissbildung oder, falls erwünscht, die Änderungen in der Topographie der Oberfläche der Probe aufgezeichnet werden.
Da eine automatisierte Phasensynchronisation der Lastaufbringeinrichtung 1, der Beleuchtungseinrichtung 4 und der UV-Lichtaufnahmeneinrichtung 3 die Aufnahme von Bildern an einem vorbestimmten Punkt der Belastung verbessert, kann eine Steuereinrichtung 7 optimal an der Verarbeitungseinrichtung 6 angeschlossen werden, um die übrigen Einrichtungen zu steuern (s. 16B in Fig. 2). Die Steuereinrichtung 7 kann Daten verwenden, die von der Verarbeitungseinrichtung 6 erhalten werden, um die Belastung während der Deformation an der Stelle eines Risses zu ändern, oder um die Belastung anzuhalten, wenn ein Riß eine vorbestimmte Größe erreicht, und um eine Stelle einer Rissbildung an einer Probenoberfläche zu orten und die UV-Lichtaufnahmeeinrichtung 3 sowie die Beleuchtungseinrichtung 5 zur Fokussierung an dieser Stelle zu bewegen. Schließlich kann die Steuereinrichtung 7 dazu verwendet werden, automatisch die gesamte Vorrichtung oder Teile davon unter Verwendung von Daten von einer Bedienungsperson und/oder Ausgangsdaten von der Verarbeitungseinrichtung 6 zu betreiben. Obschon die Erfindung in Bezug auf deren beispielhafte Ausführungsformen beschrieben und dargestellt wurde, sollte der Fachmann sehen, daß die oben angegebenen sowie weitere andere Änderungen, Weglassungen und Hinzufügungen möglich sind, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Vorrichtung zum Überwachen von Rissen in einer glühenden Probe (2), umfassend:

a. eine Einrichtung (1) zum Aufbringen einer Last auf die glühende Probe (2), wobei die Lastaufbringeinrichtung (1) eine Testfrequenz aufweist;

b. eine Einrichtung (5) zum Beleuchten der Probe (2) während des Aufbringens einer Last mit Beleuchtungslicht, das eine optische Frequenz hat, die höher ist als die optische Frequenz, die von der Probe (2) im glühenden Zustand abgestrahlt wird, und eine Impulsfrequenz besitzt, die größer oder gleich ist der Testfrequenz der Lastaufbringeinrichtung (1);

c. eine Einrichtung (3) zum Aufnehmen von seitens der Probe (2) reflektiertem Beleuchtungslicht, wobei die Lichtaufnahmeeinrichtung (3) phasensynchronisiert ist mit der Beleuchtungseinrichtung (5), derart, daß Rißbildungsbilder während des Aufbringens einer Last erhalten werden können; und

d. eine Einrichtung (6) zum Verarbeiten der von der Bildaufnahmeeinrichtung (3) erhaltenen Bilder.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung (1) zum Aufbringen einer Last in der Lage ist, auf die Probe (2) eine Belastungsform aufzubringen, welche die Belastungsform einer aktuellen Komponente simuliert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Einrichtung (5) zum Beleuchten der Probe (2) und die Probe (2) selbst so angeordnet sind, daß ein möglichst starker Bildkontrast erhalten wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Beleuchtungseinrichtung (5) und die Lastaufbringeinrichtung (1) jeweils eine Frequenz besitzen, wobei diese Frequenzen in der Phase synchonisiert sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verarbeitungseinrichtung eine Einrichtung (6) zum Digitalisieren eines ersten aufgenommenen Bildes, zum Speichern dieses Bildes, zum anschließenden Subtrahieren des zuerst aufgenommenen Bildes von einem zweiten aufgenommenen, digitalisierten Bild, zum Integrieren der subtrahierten Bilder und zum Abschätzen des Rißwachstums enthält.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Einrichtung zum Speichern und Ausdrucken von Rißwachstumsdaten.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Einrichtung (7) zum Steuern, wobei die Einrichtung (7) zum Steuern die Lastaufbringeinrichtung (1), die Beleuchtungseinrichtung (5) und die Lichtaufnahmeeinrichtung (3) unter Verwendung von Daten aus der Verarbeitungseinrichtung (6) oder von Daten, die durch eine Bedienungsperson eingegeben wurden, steuert.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Einrichtung (4) zum Erhitzen der Probe (2).

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtaufnahmeeinrichtung (3) außerdem eine Vergrößerungseinrichtung aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Diffusionseinrichtung zum Diffundieren des Beleuchtungslichts.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Diffusionseinrichtung geschliffenes Glas ist.

12. Verfahren zum Überwachen von Rissen in einer glühenden Probe (2) umfassend folgende Schritte:

a. Aufbringen einer Last auf die glühende Probe (2) mit Hilfe einer Lastaufbringeinrichtung (1), wobei die Lastaufbringeinrichtung (1) eine Testfrequenz aufweist;

b. Beleuchten der Probe (2) mit einem Beleuchtungslicht während des Aufbringens einer Last, um die Rißbildung unter Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung (5) hervorzuheben, wobei das Beleuchtungslicht eine optische Frequenz hat, die größer ist als die optische Frequenz, die von der Probe (2) im glühenden Zustand emittiert wird, und eine Impulsfrequenz besitzt, die größer oder gleich ist der Testfrequenz der Lastaufbringeinrichtung (1);

c. Erzeugen von Rißwachstumsdaten durch Aufnehmen von seitens der Probe (2) reflektiertem Beleuchtungslicht unter Verwendung einer Einrichtung (3) zum Aufnehmen reflektieren Beleuchtungslichts, das in der Phase mit der Beleuchtungseinrichtung (5) synchronisiert ist; und

d. Verarbeiten der Rißwachstumsdaten.

13. Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend das Erhitzen der Probe (2) vor dem Beleuchten der Probe.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Last auf die Probe (2) aufgebracht wird, um eine Belastungsform zu simulieren, wie sie zur Verwendung der Probe vorgesehen ist.

15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, bei dem die Probe so orientiert ist, daß ein möglichst hoher Lichtkontrast während der Beleuchtung erreicht wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die Beleuchtung und das Aufbringen einer Last bei phasensynchronisierten Frequenzen erfolgen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem die Beleuchtung und die UV-Licht-Aufnahme an einem ähnlichen Punkt innerhalb der Belastungsform erfolgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem die Beleuchtung und die Bildaufnahme an einem Punkt innerhalb der Belastungsform erfolgen, bei dem ein Riß mit maximalen Abmessungen sich zu der maximalen Abmessung öffnet.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem die Verarbeitung das Digitalisieren eines ersten aufgenommenen Bildes, das Speichern dieses Bildes, das Subtrahieren des ersten aufgenommenen Bildes von einem zweiten aufgenommenen, digitalisierten Bild, das Integrieren der subtrahierten Bilder und das Abschätzen des Rißwachstums beinhaltet.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, weiterhin umfassend das Speichern und Ausdrucken des Rißwachstumsdaten.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, weiterhin umfassend das Steuern der Belastung, der Beleuchtung und der UV-Licht-Aufnahme unter Verwendung von Rißwachstumsdaten oder Daten, die von einer Bedienungsperson eingegeben werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, weiterhin umfassend das Vergrößern des reflektierten Lichts zur Verbesserung des Bildes.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, weiterhin umfassend das Diffundieren des Beleuchtungslichts.