WO2001088502A9 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung zumindest eines bruchmechanischen materialparameters - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung zumindest eines bruchmechanischen materialparameters

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Olaf Kahle
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Fraunhofer Ges Forschung
Monika Bauer
Olaf Kahle
Christoph Uhlig
Dietmar Vogel
Bernhard Wieneke
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Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for determining at least one fracture mechanical material parameter, such as e.g. the critical stress intensity factor or the critical strain energy release rate, using any known fracture mechanical tests.
  • at least one fracture mechanical material parameter such as e.g. the critical stress intensity factor or the critical strain energy release rate
  • Fracture mechanical tests are all mechanical tests where a defined crack (i.e. a crack with a defined length and shape) in a solid (test specimen) by loading this test specimen by applying a force or deformation (and possibly also other loads such as e.g. a corrosive liquid) to tear (hereinafter referred to as crack initiation). Fracture mechanical tests are used to determine fracture mechanical material parameters by determining the crack length and the force and deformation required to initiate (or also propagate) the crack. This is based on fracture mechanics theories and models. There are two types of fracture mechanical tests:
  • Fracture mechanics tests which require crack tracking, include (for example tests in which the rapid crack propagation is the subject of the investigation (eg when the speed of a rapidly spreading crack is determined), but also tests in which slow subcritical crack growth is investigated, which is triggered, for example, by a cyclical subcritical load.
  • a continuously changing signal is detected which is proportional to the Rd length or has a predetermined relationship to it.
  • Methods can be classified in this group in which a change in resistance, which is caused by a decrease in the residual ligament when cracks grow, is measured.
  • the resistance of the sample is measured in the case of conductive samples, while the resistance of an applied conductive layer is measured in the case of an electrically insulating sample material.
  • Another continuous method is to measure the deformation on the fracture specimen using a deformation transducer. This can be achieved, for example, by means of a strain gauge attached to the back of the sample.
  • Discontinuous electrical processes are characterized in that the crack propagation is recorded as a discrete sequence of events.
  • Signals from several strain gauges can be used here, the strain gauges being applied in succession above or below a propagating crack.
  • a plurality of thin conductor tracks can be used, which are severed as a result of a crack progress, with a corresponding electrical evaluation, for example measuring a change in resistance, the respective severing can be detected.
  • Fracture mechanical tests where crack detection methods are not absolutely necessary and are generally not used today, include “critical tests * *. These account for the majority of 'carried out today ( "fracture mechanics material testing. In is critical tests continuous increase in force or deformation which causes crack initiation based on an existing crack. The crack initiation is regarded as an event which is assigned to a defined point in time or a defined force and deformation value and a defined crack length. Slow (subcritical) crack propagation is neglected. In such critical tests, the crack length, ie the length of the crack introduced before the test, is determined by visual analysis of the fracture surfaces after the test.
  • This fracture-mechanical method which is common today, for determining the critical stress intensity factor K ⁇ c and / or the critical expansion energy release rate G ⁇ c is associated with a high level of manual effort for the visual analysis of the fracture surfaces.
  • the use of an automatic crack tracking even with such critical tests would make the test implementation more effective, since the length of the crack is determined automatically and no longer has to be determined manually after the test.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device which enable an automatic, less complex determination of fracture mechanical material parameters using optical methods.
  • the present invention provides a method for determining at least one fracture mechanical material parameter of a test specimen, with the following steps:
  • the present invention also provides a device for determining at least one fracture mechanical material parameter of a test specimen, with the following features:
  • a device for determining the at least one fracture mechanical parameter on the basis of the crack length determined as a function of time and a further physical quantity recorded on the same time base a device for determining the at least one fracture mechanical parameter on the basis of the crack length determined as a function of time and a further physical quantity recorded on the same time base.
  • the crack length is usually determined using a suitable scaling method so that the pixel coordinates can be converted into coordinates with length units and with reference to the sample geometry.
  • the other physical quantity recorded on the same time base is usually the force that is exerted on the test specimen during the mechanical fracture test.
  • the deformation of the test specimen and / or the temperature thereof can also be recorded. When working with constant and 'known force or deformation,' is below the physical one recorded on the same time base Size to understand the constant and known force or deformation.
  • the present invention is based on the knowledge that by utilizing the possibility of storing digital images and the powerful computing technology available today, there is the potential to implement automated crack tracking.
  • an efficient, automated, sequential digital image analysis is carried out to replace the manual analysis.
  • adapted or newly developed digital image processing methods are used to determine the position of the crack tip in digitally stored images in a reliable and reproducible manner, so that an automatic sequential image analysis is possible without the need for manual intervention.
  • image processing methods can include the use of suitable image recognition algorithms, for example digital edge filters in combination with segmentation methods or alternatively gray value correlation methods and hybrid methods which combine elements of filter and correlation methods in order to determine the crack length as a function of time.
  • a crack length / time curve is thus automatically determined using an optical method, on the basis of which fracture mechanical parameters, for example the critical stress intensity factor or the critical strain energy release rate, can be determined using conventional calculation methods.
  • fracture mechanical parameters for example the critical stress intensity factor or the critical strain energy release rate
  • crack length / force / time triple value or crack length / deformation / time triple value are generally determined according to the invention, on the basis of which the fracture mechanical parameter is determined.
  • additional physical variables can be added, for example , the temperature or the humidity the test specimen and / or the environment are recorded and used for evaluation.
  • the method according to the invention eliminates the manual effort for recording the length of the crack or the crack progress. Fracture mechanical material characterization is therefore much quicker and more convenient to carry out. Due to the automatic fracture mechanical evaluation, no special knowledge is required to carry out and evaluate the tests, so that the tests can be carried out by unskilled personnel.
  • both the crack initiation phase and the crack propagation phase are advantageously detected, which results in further advantages.
  • Much more information on material behavior is obtained without additional or with reduced testing and evaluation effort compared to previous practice, since not only a single static value is obtained for the crack initiation, but also through the analysis of both the crack initiation phase and the phase of the Crack propagation also provides information about the dynamics of the fracture behavior of a material.
  • the critical stress intensity factor, Kic, and / or the critical strain energy release rate, G lc are preferably calculated as a function of the crack progress by means of a calculation of the tensile force-time curve with the crack length-time curve by known calculation methods.
  • certain materials for example hardened reactive resins, it is thus advantageously possible to determine reliable and reproducible fracture mechanical material parameters.
  • the K ⁇ c value which is measured for the initiation of the crack, is often too high, since the crack cannot be formed sufficiently flat and perpendicular to the direction of force, so that the conventional method delivers values that are too high
  • analysis of the crack propagation phase that is to say the detection of the entire R curve according to the invention, detects the intrinsic material property.
  • the fracture toughness ie K Ic or G ⁇ C
  • the fracture toughness is a local property of a material, so that they have no scatter in the sense. Therefore, the present invention has an enormous further advantage even with inhomogeneous materials. If one drives the spatial resolution into the order of magnitude of the inhomogeneities, which is easily possible in many cases, then one can even determine this by recording the R curve, i.e. the location-based recording of the fracture toughness of the material, namely when these inhomogeneities also exist express in locally different fracture toughness.
  • the method according to the present invention is an optical method, crack initiation and crack propagation can be detected without contact and without the need for prior calibration or sample preparation.
  • Another advantage of the method according to the invention compared to electrical methods for crack tracking is that, in contrast to electrical methods, not only the projection of the crack propagation onto the direction perpendicular to the direction of force (or direction of detection, for example the change in resistance) is recorded, but the exact xy- Path of crack propagation can be followed. This makes it possible to carry out a two-dimensional fracture mechanical analysis of the crack propagation behavior, as a result of which the accuracy and meaningfulness are significantly increased compared to conventional methods.
  • La) and 1b) are schematic representations for illustrating a digital image evaluation method carried out according to the present invention.
  • the method can also be applied to other standard geometries, for example the so-called “single edge notch three point bending * *”.
  • the present invention can generally be applied to all fracture mechanical methods and investigations in which the detection of the crack length and / or the change over time thereof is required.
  • the present invention is in no way limited in particular in the following three aspects.
  • the first aspect relates to different sample geometries, which are reflected in the respective geometry factors in the formula for calculating K ⁇ c or in corresponding formulas for calculating G ⁇ 0 .
  • the second aspect is the type of stress. Constant force, continuously (monotonically) increasing force or deformation, cyclical force (with increasing amplitude), temperature-induced stresses and crack propagation due to corrosive effects, i.e.
  • the invention can in principle be applied to all these different loads, as long as the crack progress can be observed with a camera.
  • the third aspect is the type of fracture mechanical theory on which the experiment is carried out and evaluated. In the example explained, the theory of linear-elastic fracture mechanics is the basis. Likewise, the application of the invention is also conceivable for fracture mechanics methods and test evaluations which are based on theories of flow fracture mechanics or elastic-plastic fracture mechanics.
  • a force is exerted on a test body via corresponding clamps by the clamps at a constant speed, for example 1 mm / min, apart.
  • the force thus exerted on the test specimen is detected by means of any force detection device, for example the load cell of a tensile / pressure test machine, in which case the analog signal is tapped from this load cell (a DC voltage, for example between -5 and + 5V, which is proportional to the force is) and is stored digitally as a function of time in the PC via an analog / digital converter card.
  • a frame grabber is used to read the images from the video camera from the same PC and to store them digitally in RAM.
  • the times of the force measurement and the image recording are precisely synchronized with one another, with a low frame rate (such as, for example, 10 Hz), the force can also be appropriately averaged over the period of the image recording, with which the noise can be reduced.
  • a low frame rate such as, for example, 10 Hz
  • this averaging may not be necessary.
  • the triggering of the start of the image recording can take place, for example, by setting a force threshold value which is below the critical force which is required for the crack initiation in a material-specific manner.
  • the image and force recording can also be started manually, e.g. then when the testing machine, i.e. the load on the compact tensile body is started with a constant pull-off speed of the testing machine (i.e. with a constant rate of deformation).
  • the synchronization of the test machine start and the start of the force and image recording by the PC is not necessary here, since force (and possibly, if this is also read into the PC (which was not given in the example shown) also deformation) and image recording are already synchronized internally by the acquisition on the same time basis in a PC.
  • This crack propagation which begins depending on the material when a certain deformation or force is reached, is thus recorded by recording and storing digital images of the sample surface (in a suitable image section), with the time of the image recording being stored with each image.
  • the stored images are sequentially subjected to digital image analysis. drive subjected to determine the position of the crack tip from each image.
  • the crack length is thus obtained as a function of time (since a defined time of recording (or more correctly a time span) can be assigned to each image).
  • Various digital image analysis methods can be used to determine the exact crack tip position.
  • the scribe reflects light at an angle to the sample surface, so that a brightness gradient arises from above to below the crack.
  • An edge filter is then applied to the raw image thus generated (FIG. 1 a), which emphasizes the brightness gradient of transitions in one direction.
  • Edge filters of this type are known in the field of digital image processing.
  • a vertical edge filter was used, which emphasizes the brightness gradient from the transition from above 2 to below 4 of the crack 6.
  • binarization with a suitable threshold value suppresses other structures, which are also amplified by the edge filter, but whose intensity in this example is significantly lower than that of the crack.
  • these pixel coordinates are then in coordinates Converted units of length, whereby this coordinate system is related to the sample geometry by the scaling and is therefore not only scaled i-xo, but also x 0 in relation to a suitable position of the sample (such as the right edge).
  • the gray value correlation method can be used to determine the position of the crack tip.
  • the displacement of surface structures that provide a contrast (i.e. different gray values) between successive images is analyzed and a two-dimensional field of displacement vectors is calculated as a function of time.
  • the crack tip position is determined by evaluating the displacement field.
  • the two-dimensional deformation field in the crack tip environment can also be analyzed by fracture mechanics from the two-dimensional field of displacement vectors.
  • the deformation can be recorded additionally or, as in this example, the deformation can be calculated from the time at a constant and known deformation speed.
  • this force-deformation curve 10 as shown schematically in FIG. 2a), the area of a triangular segment is shown according to the area method of Gurney and Hunt. tes .DELTA.U, and divided by the crack progress .DELTA.a associated with this triangular surface, the crack progress being shown as curve 12 in FIG. 2b).
  • the zero point for the determination of the triangular area is determined by extrapolating a straight line, which is determined by adapting to the linear part of the force-deformation curve (the part of the curve which precedes the crack initiation).
  • the resulting critical expansion energy release rate G ⁇ c is shown in Fig. 2d).
  • the fracture mechanics evaluation described above is based on theories of linear elastic fracture mechanics. However, other evaluations are also possible for determining fracture mechanical parameters when carrying out the present invention, for example using methods of non-linear, elastic-plastic fracture mechanics.
  • the method can also be used in the same way for other standard test specimen geometries. By using the area method for determining G ⁇ c , the method can also be applied to test specimens of undefined geometry and / or composition.
  • the method according to the invention enables fracture mechanical tests to be carried out more quickly, more conveniently and more error-free than before, the quality of the information being significantly expanded.
  • the method is also suitable for fracture mechanical methods in which other crack tracking methods are already used today, for example detection slow crack growth under a subcritical dynamic or static load.
  • the present invention considerably simplifies the design of the test, since no additional sample preparation and calibration are required.
  • the advantage of freedom from calibration can also rule out sources of error if conventional methods are replaced by the method according to the invention.
  • Paris curves can be obtained using the method according to the invention.
  • a higher spatial resolution is achieved according to the present invention, so that when examining a slow subcritical crack growth, a higher accuracy is achieved with a simultaneous considerable simplification of the test design, since no sample preparation is required.
  • samples with irregular geometry and / or inhomogeneous nature for example material composites or bonds, can also be used in a simple manner using the present invention which have no analytical relationships between external force, crack length and fracture mechanical parameters, are characterized by fracture mechanics.

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters eines Prüfkörpers umfaßt den Schritt des Durchführens eines bruchmechanischen Tests zur Initiierung von Rißausbreitung ausgehend von einem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper. Eine zeitliche Sequenz von Bildern des Prüfkörpers wird während des bruchmechanischen Tests aufgenommen, so daß die Bilder jeweils den Riß enthalten, wobei digitale Darstellungen der Bilder gespeichert werden. Ein digitales Bildauswerteverfahren wird zum Bestimmen der Position der Rißspitze des Risses in den jeweiligen Bildern durchgeführt, um basierend darauf die Rißlänge als eine Funktion der Zeit zu ermitteln. Schließlich wird der zumindest eine bruchmechanische Parameter auf der Grundlage der als eine Funktion der Zeit ermittelten Rißlänge und einer weiteren auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichneten physikalischen Größe ermittelt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters eines Testobjekts
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters, wie z.B. des kritischen Spannungsin- tensitätsfaktors oder der kritischen Dehnungsenergiefreiset- zungsrate, unter Verwendung beliebiger bekannter bruchmechanischer Versuche.
Als bruchmechanische Versuche werden hierbei alle mechanischen Versuche bezeichnet, wo ein definierter Anriß (d.h. ein Anriß mit definierter Länge und Form) in einem Festkörper (Prüfkörper) durch Belastung dieses Prüfkörpers durch Aufbringen einer Kraft bzw. Verformung (sowie eventuell auch weitere Belastungen wie beispielsweise eine korrosive Flüssigkeit) zum Weiterreißen (im folgenden als Rißinitiierung bezeichnet) gebracht wird. Aus bruchmechanischen Versuchen werden durch Bestimmung der Rißlänge sowie der zur Rißinitiierung (bzw. auch Rißausbreitung) benötigten Kraft und Verformung bruchmechanische Materialparameter berechnet. Dies erfolgt auf Basis bruchmechanischer Theorien und Modelle. Es können dabei zwei Arten von bruchmechanischen Versuchen unterschieden werden:
Versuche, bei denen der Einsatz von Verfahren zur Rißverfolgung, also der zeitlichen Verfolgung der Rißspitzenposition während des Tests, nicht zwingend erforderlich ist, sowie Versuche, die eine solche Rißverfolgung erfordern.
Zu den bruchmechanischen Versuchen, welche eine Rißverfolgung zwingend erfordern, gehören (beispielsweise Versuche, bei denen die schnelle Rißausbreitung Gegenstand der Untersuchung ist (z.B. wenn die Geschwindigkeit eines sich schnell ausbreitenden Risses ermittelt wird) , aber auch Versuche, in denen langsames unterkritisches Rißwachstum untersucht wird, welches beispielsweise durch eine zyklische unterkritische Belastung ausgelöst wird.
Es sind bisher nur elektrische Verfahren zur automatischen Rißverfolgung bekannt. Diese lassen sich in kontinuierliche Verfahren und diskontinuierliche Verfahren unterscheiden.
Bei kontinuierlichen elektrischen Verfahren wird ein sich kontinuierlich änderndes Signal erfaßt, welches zu der Rd-ßdänge proportional ist, beziehungsweise eine vorbestimmte Beziehung zu demselben aufweist. In diese Gruppe lassen sich Verfahren einordnen, bei denen eine Widerstandsänderung, die durch eine Abnahme des Restligaments bei einem Rißwachstum bewirkt wird, gemessen wird. Bei solchen Verfahren wird bei leitenden Proben der Widerstand der Probe gemessen, während bei einem elektrisch isolierenden Probenmaterial der Widerstand einer aufgebrachten leitenden Schicht gemessen wird. Ein weiteres kontinuierliches Verfahren besteht darin, mittels eines Verformungsaufnehmers die Verformung an der Bruchprobe zu messen. Dies kann beispielsweise durch einen auf die Rückseite der Probe aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen realisiert werden.
Diskontinuierliche elektrische Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß der Rißfortschritt als eine diskrete Folge von Ereignissen erfaßt wird. Hierbei können Signale von mehreren Dehnungsmeßstreifen verwendet werden, wobei die Dehnungsmeßstreifen hintereinander oberhalb oder unterhalb eines sich ausbreitenden Risses aufgebracht sind. Ferner kann eine Mehrzahl von dünnen Leiterbahnen verwendet sein, die infolge eines Rißfortschritts durchgetrennt werden, wobei durch eine entsprechende elektrische Auswertung, beispielsweise das Messen einer Widerstandsänderung, das jeweilige Durchtrennen erfaßt werden kann.
Elektrische Verfahren sind vorteilhaft dahingehend, daß eine automatische Erfassung der Rißlängen/Zeit-Kurve möglich ist, da ein zur Rißlänge proportionales Signal direkt als Funktion der Zeit erfaßt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine schnelle Datenerfassung möglich ist.
Elektrische Verfahren besitzen jedoch zwei Hauptnachteile. Einem effektiven Einsatz, der es ermöglichen würde, den Rißfortschritt nicht nur in aufwendigen Grundlagenforschungsprojekten zu erfassen, sondern auch in anwendungsnahen Projekten, bei denen zur Materialentwicklung viele bruchmechanische Prüfungen durchzuführen sind, steht prinzipiell der große Aufwand der Probenpräparation entgegen. Ferner müssen alle kontinuierlichen elektrischen Verfahren kalibriert werden, da das elektrische Signal nur proportional zur Rißlänge ist oder in einer nicht-linearen Beziehung zu derselben steht, wobei der Proportionalitätsfaktor beziehungsweise die nicht-lineare Beziehung nur durch eine Kalibrierung bestimmt werden können. Schwankungen von Parametern, die schwer auszuschließen sind, bewirken eine Abweichung von der- Kalibrierung und somit Fehlerquellen. Lediglich diskontinuierliche elektrische Verfahren sind kalibrierungsfrei, da hier die Positionen der aufgebrachten Leiterbahnen definiert sind. Jedoch ist ein fehlerfreies und toleranzfreies positionsgenaues Aufbringen dünner Leiterbahnen sehr aufwendig. Darüberhinaus ist bei diskontinuierlichen Verfahren die Ortsauflösung begrenzt.
Zu den bruchmechanischen Versuchen, wo Verfahren zur Rißverfolgung nicht zwingend erforderlich sind und auch im allgemeinen heute nicht eingesetzt werden, zählen „kritische Tests** . Diese machen die Mehrzahl der heute 'durchgeführten( "bruchmechanischen Materialprüfungen aus. Bei kritischen Tests wird durch kontinuierliche Erhöhung von Kraft bzw. Verformung die Rißinitiierung ausgehend von einem bestehenden Anriß bewirkt. Hierbei wird die Rißinitiierung als ein Ereignis angesehen, welches einem definierten Zeitpunkt bzw. einem definierten Kraft- und Verformungswert sowie einer definierten Anrißlänge zugeordnet wird. Langsame (unterkritische) Rißausbreitung wird dabei vernachlässigt. Bei derartigen kritischen Tests wird die Rißlänge, d.h. die Länge des vor dem Test eingebrachten Anrisses, durch visuelle Analyse der Bruchflächen nach dem Test bestimmt. Mit diesem heute gebräuchlichen bruchmechanischen Verfahren zur Bestimmung des kritischen Spannungsintensitätsfak- tors Kιc und/oder der kritischen Dehnungsenergiefreisetzungsra- te Gϊc ist ein hoher manueller Aufwand zur visuellen Analyse der Bruchflächen verbunden. Der Einsatz einer automatischen Rißverfolgung auch bei solchen kritischen Tests würde die Testdurchführung effektiver gestalten, da die Länge des Anrisses automatisch bestimmt wird und nicht mehr manuell im Anschluß an den Test ermittelt werden muß. Darüber hinaus würde es Zweideutigkeiten der heutigen Testpraxis beseitigen, die dann enstehen, wenn Rißinitiierung nicht ein eindeutig auf einen bestimmten Zeitpunkt (und damit Kraft- bzw. Verformungswert) festlegbares Ereignis darstellt, sondern der kritischen (schnellen) Rißausbreitung eine Phase unterkritischen langsamen Rißwachstums vorausgeht. Da dies der allgemeine Fall ist, welcher lediglich durch die oben beschriebene Testpraxis vernachlässigt wird, würde die Anwendung einer automatischen Rißverfolgung auch auf derartige „kritische"* Tests deren Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Aussagefähigkeit erhöhen. Solche Tests werden jedoch routinemäßig zur Materialcharakterisierung durchgeführt und unterliegen somit einer Aufwand-Nutzen- Betrachtung.
Es kann deshalb davon ausgegangen werden, daß nur eine solche automatische Rißverfolgung d-ie bisherige manuelle Testpraxis ersetzen wird, deren Durchführung sich einfacher als die manu- eile Analyse der Bruchflächen gestaltet. Aus den bereits oben dargestellten Gründen ist die Durchführung aller bisher bekannten Verfahren zur Rißverfolgung im Vergleich zur manuellen Analyse der Rißflächen jedoch immer noch weit aufwendiger.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine automatische, wenig aufwendige Bestimmung bruchmechanischer Materialparameter unter Verwendung optischer Verfahren ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters eines Prüfkörpers, mit folgenden Schritten:
Durchführen eines bruchmechanischen Tests zur Initiierung von Rißausbreitung ausgehend von einem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper;
Aufnehmen einer zeitlichen Sequenz von Bildern des Prüfkörpers während des bruchmechanischen Tests, so daß die Bilder jeweils den Riß enthalten, und Speichern digitaler Darstellungen der Bilder;
Durchführen eines digitalen Bildauswerteverfahrens zum Bestimmen der Position der Rißspitze des Risses in den jeweiligen Bildern zum Ermitteln der Rißlänge als eine Funktion der Zeit; und
Bestimmen des zumindest einen bruchmechanischen Parameters auf der Grundlage der als eine Funktion der Zeit ermittelten Riß- Klange und J einer weiteren auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichneten physikalischen Größe. Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters eines Prüfkörpers, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung zum Durchführen eines bruchmechanischen Tests zur Initiierung von Rißausbreitung ausgehend von einem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper;
einer Einrichtung zum Aufnehmen einer zeitlichen Sequenz von Bildern des Prüfkörpers während des bruchmechanischen Tests, so daß die Bilder jeweils den Riß enthalten-, 'und zum Speichern digitaler Darstellungen der Bilder;
einer Einrichtung zum Durchführen eines digitalen Bildauswerteverfahrens zum Bestimmen der Position der Rißspitze des Risses in den jeweiligen Bildern, zum Ermitteln der Rißlänge als eine Funktion der Zeit; und
einer Einrichtung zum Bestimmen des zumindest einen bruchmechanischen Parameters auf der Grundlage der als eine Funktion der Zeit ermittelten Rißlänge und einer weiteren auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichneten physikalischen Größe.
Die Rißlänge wird in der Regel mit Hilfe eines geeigneten Skalierungsverfahrens ermittelt, so daß die Pixelkoordinaten in Koordinaten mit Längeneinheiten und Bezug auf die Probengeometrie umgerechnet werden können. Die weitere auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichnete physikalische Größe ist in der Regel die Kraft, die während des bruchmechanischen Tests auf den Prüfkörper ausgeübt wird. Ferner kann zusätzlich oder alternativ zur Kraft die Verformung des Prüfkörpers und/oder die Temperatur desselben aufgezeichnet werden. Wenn mit konstanter und' bekannter Kraft bzw. Verformung gearbeitet wird, 'ist unter der auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichneten physikalischen Größe die konstante und bekannte Kraft bzw. Verformung zu verstehen.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß durch die Ausnutzung der Möglichkeit der Speicherung digitaler Bilder und der heute verfügbaren leistungsfähigen Rechentechnik das Potential besteht, eine automatisierte Rißverfolgung zu realisieren. Erfindungsgemäß wird eine effizient durchführbare, automatisierte, sequentielle digitale Bildanalyse durchgeführt, um die manuelle Analyse zu ersetzen. Zu diesem Zweck werden adaptierte bzw. neuentwickelte digitale Bildverarbeitungsverfahren verwendet, um die Position der Rißspitze in digital gespeicherten Bildern auf zuverlässige und reproduzierbare Weise zu bestimmen, so daß eine automatische sequentielle Bildanalyse ohne die Notwendigkeit eines manuellen Eingreifens möglich wird. Solche Bildverarbeitungsverfahren können den Einsatz von geeigneten Bilderkennungsalgorithmen umfassen, beispielsweise digitaler Kantenfilter in Kombination mit Segmentierungsverfahren oder auch alternativ Grauwertkorrelati- onsverfahren sowie Hybrid-Verfahren, welche Elemente von Filter- und Korrelationsverfahren kombinieren, um die Rißlänge als Funktion der Zeit zu ermitteln.
Erfindungsgemäß wird somit unter Verwendung eines optischen Verfahrens automatisch eine Rißlänge/Zeit-Kurve ermittelt, auf deren Grundlage bruchmechanische Parameter, beispielsweise der kritische Spannungsintensitätsfaktor oder die kritische Deh- nungsenergiefreisetzungsrate unter Verwendung herkömmlicher Berechnungsverfahren bestimmt werden können. Insbesondere werden erfindungsgemäß in der Regel Rißlänge/Kraft/Zeit- Wertetripel bzw. Rißlänge/Verformung/Zeit-Wertetripel ermittelt, auf deren Grundlage der bruchmechanische Parameter bestimmt wird. Optional können zusätzlich weitere physikalische Größen, beispielsweise ' die Temperatur oder die Feuchtigkeit ides Prüfkörpers und/oder der Umgebung erfaßt und zur Auswertung herangezogen werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren entfällt der manuelle Aufwand zur Erfassung der Länge des Anrisses bzw. des Rißfortschritts. Eine bruchmechanische Materialcharakterisierung ist somit wesentlich schneller und bequemer durchzuführen. Durch die automatische bruchmechanische Auswertung sind zur Durchführung und Auswertung der Versuche auch keine Spezialkennt- nisse mehr erforderlich, so daß die Versuche durch wenig geschultes Personal durchgeführt werden können.
Erfindungsgemäß wird vorteilhafterweise sowohl die Phase der Rißinitiierung als auch die Phase der Rißausbreitung erfaßt, wodurch sich weitere Vorteile ergeben. Es werden ohne zusätzlichen bzw. mit verringertem Prüf- und Auswertungsaufwand gegenüber der bisherigen Praxis wesentlich mehr Informationen zum Materialverhalten gewonnen, da nicht nur ein einziger statischer Wert für die Rißinitiierung gewonnen wird, sondern über die Analyse sowohl der Phase der Rißinitiierung als auch der Phase der Rißausbreitung auch Informationen über die Dynamik des Bruchverhaltens eines Materials erhalten werden.
Erfindungsgemäß werden vorzugsweise durch eine Verrechnung der Zugkraft-Zeit-Kurve mit der Rißlängen-Zeit-Kurve durch bekannte Verrechnungsverfahren der kritische Spannungsintensitäts- faktor, Kic, und/oder die kritische Dehnungsenergiefreiset- zungsrate, Glc, als Funktion des Rißfortschritts berechnet. Bei bestimmten Materialien, z.B. gehärteten Reaktivharzen können damit vorteilhafterweise zuverlässiger und reproduzierbarer bruchmechanische Materialparameter bestimmt werden. Bei diesen Materialien ist der Kιc-Wert, welcher für die Rißinitiierung gemessen wird, oft zu hoch, da der Anriß nicht hinreichend eben und senkrecht zur Kraftrichtung geformt werden kann, so daß das herkömmliche Verfahren zu hohe Werte liefert, durch Analyse der Phase der Rißausbreitung, also durch die erfindungsgemäße Erfassung der gesamten R-Kurve, wird dagegen die intrinsische Materialeigenschaft erfaßt.
Die Bruchzähigkeit, also KIc oder GιC ist eine lokale Eigenschaft eines Materials, so daß dieselben also im dem Sinne keine Streuung haben. Daher hat die vorliegenden Erfindung sogar bei inhomogenen Materialien einen enormen weiteren Vorteil. Wenn man die Ortsauflösung in die Größenordnung der Inhomogenitäten treibt, was in vielen Fällen leicht möglich ist, dann kann man diese durch die Erfassung der R-Kurve, also der ortsbezogenen Erfassung der BruchzähigJceit des Materials sogar erfassen, nämlich dann, wenn diese Inhomogenitäten sich auch in lokal unterschiedlichen Bruchzähigkeiten äußern.
Da es sich bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung um ein optischen Verfahren handelt, können Rißinitiierung und Rißausbreitung berührungsfrei und ohne die Notwendigkeit einer vorherigen Kalibrierung oder Probenpräparation erfaßt werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber elektrischen Verfahren zur Rißverfolgung liegt darin, daß im Gegensatz zu elektrischen Verfahren nicht nur die Projektion der Rißausbreitung auf die Richtung senkrecht zur Kraftrichtung (bzw. Richtung der Erfassung z.B. der Widerstandsänderung) erfaßt wird, sondern der genaue x-y-Weg der Rißausbreitung verfolgt werden kann. Dadurch wird es möglich, eine zweidimensionale bruchmechanische Analyse des Rißausbreitungsverhaltens durchzuführen, wodurch sich Genauigkeit und Aussagegehalt gegenüber herkömmlichen Verfahren wesentlich erhöhen.
Ebenso ist es möglich, lokale Schwankungen der Bruchzähigkeit des Materials im Rahmen der Ortsauflösung der Methode, welche durch die Verwendung von Fernfeldmikroskopen und hochauflösenden CCD-Kameras bis in den Mikrometerbereich hinein gesteigert werden kann, zu erfassen. Dies ist besonders bei Materialinhomogenitäten von Bedeutung, wo mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die bruchmechanischen Materialeigenschaften mikroskopischer Phasen unter Verwendung eines makroskopischen Verfahrens und einer Probe mit makroskopischen Dimensionen ermittelt werden können.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden hierin nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. la) und 1b) schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführten digitalen Bildauswerteverfahrens;
Fig. 2a) bis 2d) schematische Graphen zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 3 einen weiteren Graphen, anhand dessen ein erfindungsgemäßer Vorteil erläutert wird.
Nachfolgend wird bezugnehmend auf die Figuren die vorliegende Erfindung anhand eines bruchmechanischen Tests unter Verwendung eines sogenannten Kompaktzugkörpers beschrieben, wobei die Probengeometrie und Belastungsvorrichtung für derartige Versuche bekannt sind.
Ebenso kann das Verfahren auch auf andere Standardgeometrien, beispielsweise bei dem sogenannten „Single Edge Notch Three Point Bending**, angewendet werden. Die vorliegende Erfindung kann generell auf alle bruchmechanischen Verfahren und Untersuchungen angewandt werden, bei denen die Erfassung der Rißlänge und/oder der zeitlichen Änderung dieser erforderlich ist. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere hinsichtlich der drei folgenden Aspekte in keiner Weise eingeschränkt. Der erste Aspekt betrifft verschiedene Probengeometrien, die sich in den jeweiligen Geometriefaktoren in der Formel zur Berechnung von Kιc oder auch in entsprechenden Formeln zur Berechnung von Gι0 niederschlagen. Der zweite Aspekt ist die Art der Belastung. Hier können konstante Kraft, kontinuierlich (monoton) gesteigerte Kraft bzw. Deformation, zyklische Kraft (mit steigender Amplitude) , Temperatur induzierte Spannungen sowie Rißfortschritt durch korrosive Einwirkungen, also physiko- chemische Prozesse, und alle erdenklichen Methoden zur Erzeugung einer geeigneten Belastung angewendet werden. Die Erfindung kann bei allen diesen verschiedenen Belastungen prinzipiell angewandt werden, so lange der Rißfortschritt mit einer Kamera beobachtet werden kann. Der dritte Aspekt ist die Art der bruchmechanischen Theorie, die der Versuchsdurchführung und Auswertung zugrunde liegt. In dem erläuterten Beispiel ist die Theorie der linear-elastischen Bruchmechanik die Grundlage. Ebenso ist die Anwendung der Erfindung aber auch auf bruchmechanische Verfahren und Versuchsauswertungen denkbar, welche auf Theorien der Fließbruchmechanik oder der elastischplastischen Bruchmechanik beruhen.
Bei dem in diesem Beispiel gezeigten Test in Anlehnung an bekannte Normen (z.B. A.S.T.M. E399 oder D5054) , einem bruchmechanischen Test unter Verwendung eines Kompaktzugkörpers, wird über entsprechende Klemmen eine Kraft auf einen Prüfkörper ausgeübt, indem die Klemmen mit einer konstanten Geschwindigkeit, beispielsweise 1 mm/min, auseinandergezogen werden. Die dadurch auf den Prüfkörper ausgeübte Kraft wird mittels einer beliebigen Krafterfassungseinrichtung, beispielsweise der Kraftmeßdose einer Zug/Druck-Prüfmaschine erfaßt, wobei in diesem Beispiel das Analogsignal von dieser Kraftmeßdose abgegriffen wird (eine Gleichspannung z.B. zwischen -5 und +5V, welche proportional der Kraft ist) und über eine Ana¬ log/Digitalwandler-Karte digital als Funktion der Zeit im PC gespeichert wird. Über einen Framegrabber werden in diesem Beispiel vom gleichen PC die Bilder von der Video-Kamera eingelesen und digital im RAM gespeichert. Somit sind die Zeitpunkte der Kraftmessung und der Bildaufzeichnung genau miteinander synchronisiert, wobei bei einer geringen Framerate (wie z.B. 10 Hz) auch noch eine geeignete Mittelung der Kraft über den Zeitraum der Bildaufnahme vorgenommen werden kann, womit das Rauschen verringert werden kann. Bei hohen Frame-Raten wie z.B. bei Verwendung von High-Speed-Kameras kann diese Mittelung unter Umständen wegfallen.
Die Triggerung des Beginns der Bildaufzeichnung kann beispielsweise durch die Festsetzung eines Kraft-Schwellwertes erfolgen, welcher unterhalb der kritischen Kraft liegt, die materialspezifisch für die Rißinitierung benötigt wird. Alternativ kann der Start der Bild- und Kraftaufzeichnung auch manuell erfolgen, z.B. dann, wenn die Prüfmaschine, d.h. die Belastung des Kompakt-Zugkörpers mit konstanter Abzugsgeschwindigkeit der Prüfmaschine (also mit konstanter Verformungsgeschwindigkeit) , gestartet wird. Die Synchronisierung des Prüfmaschinenstarts und des Starts der Kraft- und Bildaufzeichnung durch den PC ist hierbei nicht erforderlich, da ja Kraft (sowie eventuell, wenn diese ebenfalls in den PC eingelesen wird (was in dem gezeigten Beispiel nicht gegeben war) auch Verformung) und Bildaufzeichnung durch die Erfassung auf der gleichen Zeitbasis in einem PC intern bereits synchronisiert sind.
Diese Rißausbreitung, welche materialabhängig bei Erreichen einer bestimmten Verformung bzw. Kraft einsetzt, wird somit durch Aufzeichnung und Abspeicherung digitaler Bilder der Probenoberfläche (in einem geeigneten Bildausschnitt) erfaßt, wobei mit jedem Bild auch der Zeitpunkt der Bildaufzeichnung abgespeichert wird. Im Anschluß an den Versuch werden die abgespeicherten Bilder sequentiell einem digitalen Bildanalysever- fahren unterzogen, um aus jedem Bild die Position der Rißspitze zu bestimmen. Somit wird (da jedem Bild ein definierter Zeitpunkt der Aufzeichnung (bzw. korrekter gesagt eine Zeitspanne) zugeordnet werden kann) die Rißlänge als Funktion der Zeit erhalten.
Zur Bestimmung der genauen Rißspitzenposition können verschiedene digitale Bildanalyseverfahren verwendet werden. In diesem Beispiel ist erreicht worden, daß der Anriß durch eine Beleuchtung schräg zur Probenoberfläche Licht reflektiert, so daß ein Helligkeitsgradient von oberhalb zu unterhalb des Risses entsteht. Auf das somit erzeugte Rohbild (Fig. la) ) wird dann ein Kantenfilter angewendet, das den Helligkeitsgradienten von Übergängen in einer Richtung hervorhebt. Derartige Kantenfilter sind auf dem Gebiet der digitalen Bildverarbeitung bekannt. Bei dem gezeigten Beispiel wurde ein vertikales Kantenfilter verwendet, das den Helligkeitsgradienten vom Übergang von oberhalb 2 nach unterhalb 4 des Risses 6 hervorhebt. Anschließend werden durch eine Binarisierung mit einem geeigneten Schwellwert andere Strukturen, die von dem Kantenfilter ebenfalls verstärkt werden, deren Intensität aber in diesem Beispiel wesentlich geringer ist als die des Risses, unterdrückt. Somit ergibt sich ein Bild des Risses, wie in Fig. 1b) dargestellt. Im gezeigten Beispiel ist dies bereits ausreichend, um andere Strukturen verschwinden zu lassen und nur den Riß aus Fig. la) herauszufiltern. Durch geeignete Segmentierungsroutinen wird dann das längste Bogensegment gesucht und als Riß ausgewertet. Die x-Koordinate des (im Fig. lb) ) rechten Endes" dieses Bogensegmentes wird als Rißspitze erkannt, und die x-Position pixelgenau bestimmt. Durch eine vorher oder anschließend durchzuführende Skalierung, welche entweder (bei starrer Probeneinspannung) ein Standard-Maß verwendet, oder aber Markierungen auf der Probe, welche beispielsweise durch eine Präzisions-CNC-Fräsmaschine- eingebracht sein können, werden diese Pixelkoordinaten dann in Koordinaten mit Längeneinheiten umgerechnet, wobei dieses Koordinatensystem durch die Skalierung in einem festen und bekannten Bezug zur Probengeometrie steht, also nicht nur i-xo skaliert werden, sondern auch x0 in Bezug auf eine geeignete Stelle der Probe (wie z.B. die rechte Kante) festgesetzt wird.
Alternativ kann das Grauwertkorrelationsverfahren eingesetzt werden, um die Position der Rißspitze zu ermitteln. Bei der Grauwertkorrelation wird die Verschiebung von Oberflächenstrukturen, die einen Kontrast (d.h. verschiedene Grauwerte) liefern, zwischen aufeinanderfolgenden Bildern analysiert, und daraus ein zweidimensionales Feld von Verschiebungsvektoren als Funktion der Zeit berechnet. Durch Auswertung des Verschiebungsfeldes wird die Rißspitzenposition bestimmt. Dar- überhinaus kann aus dem zweidimensionalen Feld von Verschiebungsvektoren auch das zweidimensionale Deformationsfeld in der Rißspitzenumgebung bruchmechanisch ausgewertet werden.
Im Anschluß an diese sequentielle Bildanalyse wird aus der daraus berechneten Rißlänge-Zeit-Kurve und der (wie oben beschrieben) ebenfalls aufgezeichneten Kraft-Zeit-Kurve gemäß der linear elastischen Bruchmechanik der kritische Spannungs- Intensitäts-Faktor Kιc gemäß Kϊc = Pc/ (b*sqrt (w) ) *f (a/w) berechnet, wobei Pc die Kraft ist, a die Rißlänge ist, b die Dicke des Prüfkörpers ist und w bzw. f(a/w) eine probengeometrieab- hängige Größe bzw. Funktion sind, wobei diese für einige Standardgeometrien definiert bzw. bekannt sind, und als Funktion der Rißlänge aufgetragen werden, Kurve 14 in Fig. 2c) .
Weiterhin kann entweder zusätzlich die Verformung aufgezeichnet werden, oder aber, wie in diesem Beispiel, bei konstanter und bekannter Verformungsgeschwindigkeit aus der Zeit die Verformung berechnet werden. In dieser Kraft-Verformungs-Kurve 10 wird, wie in Fig. 2a) schematisch dargestellt, gemäß der Area- Methode von Gurney und Hunt, die Fläche eines Dreieckssegmen- tes ΔU bestimmt, und durch den dieser Dreiecksfläche zuorden- baren Rißfortschritt Δa geteilt, wobei der Rißfortschritt als Kurve 12 in Fig. 2b) gezeigt ist. Der Nullpunkt für die Bestimmung der Dreiecksfläche wird dabei durch Extrapolation einer Gerade ermittelt, welche durch Anpassung an den linearen Teil der Kraft-Verformungs-Kurve (der Teil der Kurve, welcher der Rißinitiierung vorausgeht) festgelegt wird. Die sich ergebende kritische Dehnungsenergiefreisetzungsrate Gιc ist in Fig. 2d) gezeigt.
Die oben beschriebene bruchmechanische Auswertung basiert auf Theorien der linear elastischen Bruchmechanik. Ebenso sind jedoch zur Bestimmung von bruchmechanischen Parametern beim Durchführen der vorliegenden Erfindung auch andere Auswertungen möglich, beispielsweise nach Methoden der nicht-linearen, elastisch-plastischen Bruchmechanik. Genauso läßt sich das Verfahren auch andere Standard-Prüfkörper-Geometrien anwenden. Durch Anwendung der Area-Methode zur Bestimmung von Gϊc läßt sich das Verfahren weiterhin auch auf Prüfkörper Undefinierter Geometrie und/oder Zusammensetzung anwenden.
Aus der obigen Beschreibung werden exemplarisch einige wesentliche Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung deutlich. Der manuelle Aufwand, der bei derartigen bruchmechanischen Materialprüfungen zur Bestimmung von Kϊβ bisher erforderlich war, entfällt völlig. Das Verfahren zur Bestimmung des Werts für die Rißinitiierung wird gleichzeitig genauer, denn Zweideutigkeiten bei der manuellen Bestimmung der Länge des Anrisses und 'der Zuordnung des Kraftwerts zum Ereignis der Rißinitiierung entfallen durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Da auch die bruchmechanische Auswertung automatisch erfolgt, sind Fehlermöglichkeiten weitgehend ausgeschlossen, wobei keinerlei bruchmechanische Kenntnisse und Erfahrungen zur Versuchsdurchführung erforderlich sind, so daß auch Personal ohne Spezial- kenntnisse auf diesem Gebiet eingesetzt werden kann. Darüber- hinaus werden bei vereinfachter Versuchsdurchführung wesentlich mehr Aussagen zum Materialverhalten gewonnen, da sowohl die Phase der Rißinitiierung als auch die Phase der Rißausbreitung erfaßt werden und somit auch Informationen zur Dynamik des Bruchverhaltens des Materials erhalten werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß durch das Verfahren gemäß der Erfindung bruchmechanische Versuche schneller, bequemer und fehlerfreier als bisher durchführbar sind, wobei die Aussagekraft qualitativ wesentlich erweitert wird.
Bei der bruchmechanischen Prüfung von Kunststoffen ist es gebräuchliche Praxis, einen natürlichen Anriß, durch Einschlagen einer scharfen Klinge zu schaffen, wobei nicht in jedem Fall gewährleistet ist, daß sich ein Anriß eben und senkrecht zur Kraftrichtung bildet. Jede Abweichung von dieser Ebene erhöht jedoch den Wert für die Bruchzähigkeit bei der Rißinitiierung, da dadurch ein sogenannter "Mixed-Mode"-Spannungszustand zwischen Modi I und II entsteht, wobei die Bruchzähigkeit im Mode II wesentlich höher ist als im Mode I. Somit werden bei nichtidealen Anrissen viel zu hohe Werte gemessen, die nicht dem intrinsischen Materialparameter entsprechen. Es gab jedoch bisher keine zuverlässigen Kriterien, nach welchen sich ideale Anrisse und damit korrekt bestimmte Werte für die Bruchzähigkeit von nicht-idealen Anrissen unterscheiden lassen.
Der Effekt einer solchen Überhöhung in Kιc ist in Fig. 3 zu sehen, wo die R-Kurve für eine spröde Reaktivharz-Bruchprobe gezeigt ist. Der bei dieser Probe nicht ideal ebene Abriß führt dazu, daß bei der Rißinitiierung 20 der Wert für Kιc höher ist als in der Phase der Rißausbreitung 22, wo sich der Wert von Kic dem intrinsischen Materialwert nähert, der bei dem dargestellten Beispiel bei einem Wert von etwa 0,7 MN m~32 liegt. Am rechten Rand des Graphen von Fig. 3 zeigt sich eine Streuung des ermittelten Klc-Wertes aufgrund divergierender , Fehlereinflüsse. Wird eine Probe mit einem solchen nicht-idealen Abriß mit einer herkömmlichen, heute weitgehend verwendeten Methodik analysiert, bei der nur die Rißinitiierung und diese noch dazu ungenau erfaßt wird, so wird ein wesentlich zu hoher Wert für Klc bestimmt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ohne großen Aufwand ohne weiteres möglich, zuverlässig "nichtideale" Anrisse von idealen zu unterscheiden, da solche Fälle durch einen höheren Wert von Kιc und Gι0 für die Rißinitiierung verglichen mit dem Wert für die Phase der Rißausbreitung einfach erkannt werden können. Darüberhinaus ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner möglich, durch die Analyse der Phase der Rißausbreitung auch für solche Fälle noch einen gültigen Materialkennwert zu bestimmen, so daß die Zahl zu untersuchender Proben erheblich reduziert sein kann, und dennoch die gleiche bzw. eine höhere Genauigkeit erhalten werden kann.
Neben den beschriebenen Vorteilen, die bei der Anwendung des Verfahrens der Erfindung auf bruchmechanische Versuche, bei denen bisher keine Rißverfolgung eingesetzt wird, bietet, ist das Verfahren auch für bruchmechanische Verfahren geeignet, bei denen bereits heute andere Verfahren der Rißverfolgung eingesetzt werden, beispielsweise die Erfassung eines langsamen Rißwachstums bei einer unterkritischen dynamischen oder statischen Belastung. In solchen Fällen wird durch die vorliegende Erfindung eine erhebliche Vereinfachung der Versuchsgestaltung erreicht, da keine zusätzliche Probenpräparation und Kalibrierung mehr erforderlich sind. Besonders durch den Vorteil der Kalibrierfreiheit können auch Fehlerquellen ausgeschlossen werden, wenn herkömmliche Verfahren durch das erfindungsgemäße Verfahren ersetzt werden. Im Falle einer zyklischen Belastung bei gleichzeitiger Erfassung der Kraftamplitude können unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sogenannte Paris-Kurven erhalten werden. Im Vergleich zu diskontinuierlichen elektrischen Verfahren wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine höhere Ortsauflösung erreicht, so daß bei der Untersuchung eines langsamen unterkritischen Rißwachstums eine höhere Genauigkeit bei einer gleichzeitigen erheblichen Vereinfachung der Versuchsgestaltung, da keine Probenpräparation benötigt wird, erreicht wird.
Neben den genannten bruchmechanischen Parametern können unter Verwendung der vorliegenden Erfindung auch andere Größen ermittelt werden, die Aussagen über das Bruchverhalten eines Materials zulassen, beispielsweise bei Verwendung alternativer bruchmechanischer Konzepte das verallgemeinerte J-Integral.
Durch die Verwendung der Area-Methode von Gurney und Hunt zur Bestimmung der Bruchzähigkeit, d.h. der kritischen Dehnungse- nergiefreisetzungsrate Gιc können unter Verwendung der vorliegenden Erfindung auf einfache Weise auch Proben mit unregelmäßiger Geometrie und/oder inhomogener Beschaffenheit, beispielsweise Materialverbunde oder Verklebungen, für die keine analytischen Beziehungen zwischen äußerer Kraft, Rißlänge und bruchmechanischen Parametern existieren, bruchmechanisch charakterisiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters eines Prüfkörpers, mit folgenden Schritten:
a) Durchführen eines bruchmechanischen Tests zur Initiierung von Rißausbreitung ausgehend von einem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper;
b) Aufnehmen einer zeitlichen Sequenz von Bildern des Prüfkörpers während des bruchmechanischen Tests, so daß die Bilder jeweils den Riß enthalten, und Speichern digitaler Darstellungen der Bilder;
c) Durchführen eines digitalen Bildauswerteverfahrens zum Bestimmen der Position der Rißspitze des Risses in den jeweiligen Bildern zum Ermitteln der Rißlänge als eine Funktion der Zeit; und
d) Bestimmen des zumindest einen bruchmechanischen Parameters auf der Grundlage der als eine Funktion der Zeit ermittelten Rißlänge und einer weiteren auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichneten physikalischen Größe.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die weitere physikalische Größe synchron zur Aufnahme der Mehrzahl von Bildern erfaßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die weitere physikalische Größe die auf den Prüfkörper ausgeübte Kraft und/oder eine Verformung des Prüfkörpers und/oder die Tem¬ peratur des Prüfkörpers und/oder der Umgebung ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem im Schritt b) die Bilder mittels einer schrägen Beleuchtung des Prüfkörpers aufgenommen werden, um jeweils Helligkeitsgradientenbilder zu erzeugen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt c) folgende Teilschritte aufweist:
Anwenden eines digitalen Kantenfilters auf die Helligkeitsgradientenbilder, um den Riß in denselben hervorzuheben;
Binarisieren der gefilterten Helligkeitsgradientenbilder unter Verwendung eines Schwellenwerts zur Beseitigung von Störstrukturen; und
Bestimmen der Position der Rißspitze aus den binarisier- ten, gefilterten Helligkeitsgradientenbildern.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem im Schritt c) eine Segmentierungsroutine durchgeführt wird, um ein längstes Bogensegment in den jeweiligen Bildern als Riß zu beurteilen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem im Schritt c) eine Grauwertkorrelation zwischen aufeinanderfolgenden Bildern durchgeführt wird, um Verschiebungsvektoren als eine Funktion der Zeit zu ermitteln, die eine Verschiebung von Oberflächenstrukturen zwischen aufeinanderfolgenden Bildern anzeigen, wobei die Position der Rißspitze in den jeweiligen Bildern auf der Grundlage der Verschiebungsvektoren ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der zumindest eine bruchmechanische Parameter, der bestimmt wird, der kritische Spannungsintensitätsf aktor (Klc) und/oder die kritische Dehnungsenergiefreisetzungsrate
(Glc) ist .
9. Vorrichtung zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters eines Prüfkörpers , mit folgenden Merkmalen :
einer Einrichtung zum Durchführen eines bruchmechanischen Tests zur Initiierung von Rißausbreitung ausgehend von einem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper;
! einer Einrichtung zum Aufnehmen einer zeitlichen Sequenz von Bildern des Prüfkörpers während des bruchmechanischen Tests, so daß die Bilder jeweils den Riß enthalten, und zum Speichern digitaler Darstellungen der Bilder;
einer Einrichtung zum Durchführen eines digitalen Bildauswerteverfahrens zum Bestimmen der Position der Rißspitze des Risses in den jeweiligen Bildern, zum Ermitteln der Rißlänge als eine Funktion der Zeit; und
einer Einrichtung zum Bestimmen des zumindest einen bruchmechanischen Parameters auf der Grundlage der als eine Funktion der Zeit ermittelten Rißlänge und einer weiteren auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichneten physikalischen Größe.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei dem die weitere physikalische Größe die auf den Prüfkörper ausgeübte Kraft und/oder eine Verformung des Prüfkörpers und/oder die Tem¬ peratur des Prüfkörpers und/oder der Umgebung ist.
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