WO2021160208A1

WO2021160208A1 - Vorrichtung und verfahren zur untersuchung metallischer proben

Info

Publication number: WO2021160208A1
Application number: PCT/DE2021/100045
Authority: WO
Inventors: Mathias PROBST
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2021-08-19
Also published as: DE102020103767A1

Abstract

Ein Verfahren zur Untersuchung einer metallischen Probe (3) auf Einschlüsse (11), welches von der Bereitstellung eines Schliffbildes (Sb) der metallischen Probe (3) ausgeht, weist folgende Merkmale auf: - Erzeugen mehrerer virtueller Schnitte (Sv) virtueller Proben (Pv), indem per Monte-Carlo-Simulation Einschlüsse (Ev) in einem Volumen verteilt werden und anschließend mindestens eine Schnittebene durch das Volumen gelegt wird, wobei sich die verschiedenen virtuellen Proben (Pv) zumindest hinsichtlich der Größenverteilung ihrer Einschlüsse (Ev) voneinander unterscheiden, - Automatisches Vergleichen des Schliffbildes (Sb) mit mehreren der erzeugten, unterschiedlichen virtuellen Proben (Pv) zuzuordnenden virtuellen Schnitte (Sv), - Identifikation desjenigen virtuellen Schnittes (Sv), welcher die größte Übereinstimmung mit dem Schliffbild (Sb) aufweist und Zuordnung von Merkmalen der entsprechenden virtuellen Probe (Pv) zur metallischen Probe (3).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung metallischer Proben

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung einer metallischen Probe auf Einschlüsse. Ebenso betrifft die Erfindung ein Untersuchungssystem zur Prüfung und Beurteilung einer metallischen Probe.

Die Norm ASTM E 45 stellt eine Standardmethode zur Bestimmung der nichtmetalli schen Einschlüsse bei Stahl dar. Bei Einschlüssen kann es sich zum Beispiel um Oxi de handeln. Die ASTM E 45 geht davon aus, dass die Proben als Längsschliff vorlie gen, wobei die auszuwertende Schlifffläche parallel zur Verformungsrichtung des Stahls zu entnehmen ist. Es wird zwischen verschiedenen Einschlusstypen unter schieden. Unter anderem können Oxide entweder in Strichform oder als globulare Oxide vorliegen.

Hinsichtlich der mikroskopischen Prüfung von Edelstählen auf nichtmetallische Ein schlüsse wird ergänzend auf die Norm DIN 50602 hingewiesen. Gegenstand dieser Norm sind neben oxidischen Einschlüssen auch sulfidische Einschlüsse. Wertzahlan gaben, die Informationen zu Einschlusstypen und -großen liefern, können entweder getrennt nach Oxiden und Sulfiden oder als Gesamtsummenkennwert angegeben werden.

Ein Verfahren zur Fremdphasenuntersuchung eines einkristallinen Substrats ist in der DE 102008063 130 B4 beschrieben. Das Substrat wird hierbei mittels eines Abfrage lichtstrahls mit einer Wellenlänge von höchstens 750 nm bestrahlt. Dem Abfragelicht strahl ist eine optische Detektionseinrichtung zugeordnet, welche mit ihrer Beobach tungsebene auf einen Beobachtungsbereich innerhalb des Substrats fokussiert ist.

Die EP 0264813 B1 befasst sich mit der Voraussagung der übrigbleibenden Lebens dauer eines Metallmaterials. Hierbei werden Formen von Körnern des Metallmaterials quantitativ gemessen. Eine Vorhersage der restlichen Lebensdauer des Metallmateri- als soll auf der Basis von Änderungen in den Formen der Körner erfolgen, wobei unter anderem ist die Auswertung von Längen/Breiten-Verhältnissen oder des Rundheits grades von Körnern vorgesehen ist.

Die DE 34 09 011 C2 offenbart ein metallographisches Untersuchungs-Verfahren zur Abbildung von Probeflächen an Bauteilen, welche auf Fehlstellen und Gefüge zu un tersuchen sind. Die Probeflächen werden im Rahmen des Untersuchungs-Verfahrens unter anderem durch Schleifen und Polieren präpariert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Fortschritte gegenüber dem Stand der Technik bei der Untersuchung metallischer Proben auf Einschlüsse hinsichtlich des Verhältnisses zwischen Prüfungsaufwand und Aussagekraft der Prüfung zu erzielen, wobei in einem Bauteil insbesondere Einschlüsse gegeben sein können, welche sich signifikant auf die mechanische Belastbarkeit des Bauteils auswirken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Untersuchung einer metallischen Probe auf Einschlüsse, insbesondere globulare Einschlüsse, ge mäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein System zur Prüfung und Beurteilung einer metallischen Probe, das heißt Untersuchungssystem, gemäß An spruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Untersuchungssystem, das heißt der anspruchsgemäßen Vorrichtung, erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Er findung gelten sinngemäß auch für das Untersuchungsverfahren und umgekehrt.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass industriell hergestellte Stähle, bei spielsweise Wälzlagerstähle, nichtmetallische Einschlüsse enthalten. Derartige Ein schlüsse können, abhängig von ihrer Größe und Häufigkeit, die Beanspruchbarkeit ei nes Werkstücks signifikant herabsetzen. Dies gilt besonders in Fällen, in denen das mechanisch besonders stark belastete Volumen im Vergleich zur Größe der Ein schlüsse nicht extrem groß ist. Um quantitative Aussagen über Belastungen in me chanisch beanspruchten Bauteilen treffen zu können, sind beispielsweise Finite Ele mente Analysen durchführbar. Mit H ilfe solcher Analysen sind besonders beanspruch- te Volumenbereiche innerhalb des Werkstücks identifizierbar, wobei beim Betrieb des Bauteils in den entsprechenden Bereichen auftretende mechanische Spannungen ab schätzbar sind.

Einschlüsse, welche die Belastbarkeit des Bauteils herabsetzen, können in dem Bau teil statistisch verteilt sein. Selbst in Fällen, in denen die Verteilung von Einschlüssen nicht ausschließlich statistischen Regeln folgt, sondern zum Beispiel von Fertigungs gegebenheiten abhängt, können mit statistischen Methoden sinnvolle Aussagen über die Fierabsetzung der Belastbarkeit durch Einschlüsse getroffen werden.

Ausgehend von diesen Überlegungen umfasst das Untersuchungsverfahren, welches auf der Bereitstellung eines Schliffbildes einer realen metallischen Probe basiert, fol gende Merkmale:

- Mehrere virtuelle Schnitte virtueller Proben werden erzeugt, indem mittels einer Monte-Carlo-Simulation Einschlüsse in einem Volumen, welches dem zu betrachtenden, mechanisch besonders belasteten Bauteilvolumen ent spricht, verteilt werden und anschließend mindestens eine Schnittebene durch das Volumen gelegt wird, wobei sich die einzelnen virtuellen Proben zumindest hinsichtlich der Größenverteilung ihrer Einschlüsse voneinander unterscheiden,

- Das reale Schliffbild wird automatisch mit mehreren der erzeugten, unter schiedlichen virtuellen Proben zuzuordnenden virtuellen Schnitte verglichen,

- derjenige virtuelle Schnitt, welcher die größte Übereinstimmung mit dem Schliffbild aufweist, wird automatisch identifiziert, womit eine Zuordnung von Merkmalen der entsprechenden virtuellen Probe zur metallischen Probe vorgenommen wird.

Was das prinzipiell bekannte Simulationsverfahren „Monte-Carlo-Simulation“ betrifft, wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10050280 A1 und WO 2014/009384 A2 hin- gewiesen. Im letztgenannten Dokument, welches ein Verfahren zur Identifizierung und Diskriminierung von heterogenen Materialien beschreibt, wird die Optimierung von Soll-Signaturen von Materialien mittels Monte-Carlo-Algorithmus vorgeschlagen.

Theoretische Grundlagen der Monte Carlo Simulation wurden bereits im Jahr 1953 von Nicholas Metropolis et al. in „Equation of State Calculations by Fast Computing Machines“ (J. Chem. Phys. 21, 1087) dargelegt.

Allgemein wird bei einer Monte Carlo Simulation eine Vielzahl von Vorgängen theore tisch durchgespielt, wobei Eingangsgrößen der zu betrachtenden, virtuellen Vorgänge zufällig oder quasi zufällig ausgewählt werden. In der Teilchenphysik kann es sich bei den Eingangsgrößen beispielsweise um Bewegungszustände von Teilchen, welche mit in einem bestimmten Volumen angeordneter Materie wechselwirken, handeln. Je größer die Anzahl betrachteter Einzelvorgänge ist, desto präzisere Aussagen sind ty pischerweise mit Hilfe einer Monte Carlo Simulation herleitbar, wobei die entspre chenden Aussagen aufgrund der Komplexität des betrachteten Systems mit geschlos senen mathematischen Ansätzen nicht gewinnbar wären.

Im vorliegenden Fall wird im Rahmen der Monte Carlo Simulation jede virtuelle Probe aufgebaut, indem in das vorgegebene Volumen, beispielsweise einen Würfel mit vor gegebener Kantenlänge, mehrere Einschlüsse „eingesetzt“ werden, wobei als Vertei lungsparamater, welche der Monte Carlo Simulation zugrunde gelegt werden, bei spielsweise arithmetische Mittelwerte und Standardabweichungen, jeweils bezogen auf Abmessungen der Einschlüsse, zu nennen sind.

Was die Geometrie der Einschlüsse betrifft, existieren keine prinzipiellen Einschrän kungen, wobei statt Einschlüssen grundsätzlich auch Flohlräume betrachtet werden können. Insbesondere können Einschlüsse beziehungsweise Poren der virtuellen Probe definitionsgemäß eine globulare, das heißt kugelförmige, Gestalt haben. Je nach Form der Einschlüsse, welche in der realen Probe vorhanden sind, kann abwei chend hiervon zum Beispiel auch die Betrachtung nadelförmiger oder plättchenförmi- ger Einschlüsse zweckmäßig sein. Die Betrachtung vollständig homogen verteilter Bestandteile, etwa Legierungsbestandteile, ist dagegen nicht Gegenstand der Monte Carlo Simulation.

Im Fall kugelförmiger Einschlüsse, welche im virtuellen Probenvolumen positioniert werden, wird durch die Durchmesser der Einschlüsse beispielsweise eine Normalver teilung, das heißt Gaußverteilung, beschrieben. Auch andere Verteilungen, beispiels weise eine Gleichverteilung mit einem gegebenen Minimalwert und Maximalwert des Durchmessers, sind wählbar.

Was die Anordnung der Einschlüsse in der virtuellen Probe betrifft, wird in der Regel von einer Gleichverteilung innerhalb des Probenvolumens ausgegangen. Jedoch kann auch bezüglich der Platzierung der Einschlüsse eine abweichende Charakteristik der Verteilung sinnvoll sein. So kann beispielsweise in der realen Probe eine Häufung von Einschlüssen in Oberflächennähe gegeben sein. Umgekehrt ist es auch möglich, dass oberflächennahe Bereiche der metallischen Probe verarmte Bereiche, was die Häufig keit von Einschlüssen betrifft, darstellen. In beiden Fällen kann diesen realen Gege benheiten durch eine entsprechende Häufigkeitsverteilung von Einschlüssen in der virtuellen Probe Rechnung getragen werden.

Unabhängig von eventuellen Unterschieden der Häufigkeit von Einschlüssen zwi schen verschiedenen Teilvolumina des Probenvolumens sowie von der Größenvertei lung der Einschlüsse wird bei der Platzierung einzelner virtueller Einschlüsse in be vorzugter Verfahrensführung eine Kollisionsprüfung durchgeführt. Dies kann zum Bei spiel erfolgen, indem nach der Verteilung einer Anzahl von Einschlüssen im Volumen der virtuellen Probe, das heißt nach der Platzierung mindestens eines Einschlusses, der nächste Einschluss gemäß Vorgaben der Monte-Carlo-Simulation zunächst unab hängig von den bereits festgelegten Einschlüssen in das Volumen eingefügt wird. Im Anschluss hieran wird eine Kollisionsprüfung durchgeführt, wobei im Fall einer festge stellten Kollision des zuletzt hinzugefügten Einschlusses mit bereits vorhandenen Ein schlüssen die im letzten Schritt getätigte Einfügung rückgängig gemacht wird. Werden statt Einschlüssen Ausnehmungen im virtuellen Probenvolumen verteilt, so ist auch eine Generierung der virtuellen Probe ohne Kollisionsprüfung möglich, wobei sich in diesem Fall komplex geformte Ausnehmungen, die in einer realen Probe nicht oder nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit zu erwarten sind, ergeben können. Ins besondere bei einer geringen Häufigkeit von Ausnehmungen ist eine solche, möglich erweise mit Verfälschungen behaftete virtuelle Probe dennoch im Rahmen des bean spruchten Verfahrens nutzbar.

Was die Verfahrensschritte „Erzeugen virtueller Proben“ und „Vergleichen virtueller Proben mit dem Schliffbild“ betrifft, sind verschiedene Verfahrensvarianten möglich:

Zum einen ist es möglich, zunächst sämtliche virtuelle Proben zu generieren, und erst im Anschluss Vergleiche mit dem tatsächlichen Schliffbild vorzunehmen. Aus den vir tuellen Proben wird mittels dieser Vergleiche diejenige virtuelle Probe ausgewählt, de ren Schnitt, welcher als virtuelles Schliffbild zu verstehen ist, am meisten Ähnlichkei ten mit dem realen Schliffbild aufweist.

In alternativer, bevorzugter Verfahrensführung wird die Monte Carlo Simulation dage gen iterativ durchgeführt. Hierbei werden Parameter zur Generierung virtueller Proben in Abhängigkeit von bereits durchgeführten Vergleichen zwischen virtuellen Proben und dem tatsächlichen Schliffbild festgelegt. Durch Modifikation der Parameter wird eine sukzessive Annäherung der virtuellen Probe an das Schliffbild erreicht.

Auch Mischformen dieser beiden Verfahrensvarianten sind möglich. Hierbei wird zu nächst eine Gruppe sich voneinander unterscheidender virtueller Proben generiert, wobei jede dieser virtuellen Proben mit dem realen Schliffbild verglichen wird. Diese Auswertung wird genutzt, um eine weitere Gruppe an virtuellen Proben zu generieren, wobei auch in diesem Fall Unterschiede zwischen den einzelnen virtuellen Proben existieren. Die Unterschiede zwischen den einzelnen virtuellen Proben sind, wie bei jedem Durchgang der Simulation, hauptsächlich auf unterschiedliche Einstellungen der Monte Carlo Simulation zurückzuführen. Darüber hinaus können Unterschiede zwischen einzelnen virtuellen Proben auftreten, welche sich zufallsbedingt oder quasi zufällig selbst bei einheitlicher Einstellung der Parameter der Monte Carlo Simulation ergeben. Ziel der Variation der Parameter der Monte Carlo Simulation bei jedem Durchgang der Simulation ist eine schrittweise Angleichung der Gestalt der virtuellen Probe an die reale Probe.

Zur Durchführung der Vergleiche zwischen virtuellen Proben und tatsächlicher Probe, von welcher das Schliffbild stammt, sind besonders Methoden der künstlichen Intelli genz geeignet, wie sie prinzipiell aus dem Bereich der Bildauswertung, insbesondere in der Medizintechnik, bekannt sind. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente DE 102017221 924 B3 und WO 2019/020259 A1 hingewiesen.

Mit Mitteln der künstlichen Intelligenz ist es möglich, eine große Zahl an Einzelfällen automatisiert auszuwerten, was Eingriffe des Benutzers in die Auswertung nicht aus schließt. Dementsprechend können in ein im Rahmen des anmeldungsgemäßen Un tersuchungsverfahrens auszuführendes Computerprogramm, welches künstliche Intel ligenz beinhaltet, auch Einschätzungen des Benutzers, was die Ähnlichkeit verschie dener Bilder, hier Schliffbilder beziehungsweise virtuelle Schnitte, betrifft, einfließen. Dies erfolgt, indem der Benutzer selbst Beurteilungen vornimmt, inwieweit verschie dene virtuelle Schnitte Ähnlichkeiten mit einem realen Schliffbild aufweisen. Im ein fachsten Fall wird durch den Benutzer lediglich eine binäre Unterscheidung vorge nommen. Das heißt, dass der Benutzer lediglich angibt, ob die einem virtuellen Bild entnehmbaren Merkmale mit den Merkmalen des realen Schliffbildes übereinstimmen oder signifikante Unterschiede vorliegen. In verfeinerten Varianten kann der Grad der Übereinstimmung zwischen realen und computergenerierten Bildern in mehreren Stu fen angegeben werden.

Ebenso sind Verfahrensvarianten realisierbar, in welchen die Ähnlichkeit zwischen re alen und virtuellen Schliffen beziehungsweise Schnitten ausschließlich computerba siert ausgewertet wird. Bei jeder Art der Auswertung kann die Anzahl der virtuellen Proben, welche im Laufe des Verfahrens generiert wird, bei jeder Iteration der Simula- tion unterschiedlich sein, insbesondere von Durchgang zu Durchgang der Simulation abnehmen. Die Parameter, mit welchen die Einschlüsse in den virtuellen Proben ge neriert werden, können in den aufeinanderfolgenden Iterationsstufen eingeengt und/oder verschoben werden.

Was die Größenverteilung der virtuellen Einschlüsse betrifft, sind verschiedenste Ver teilungen möglich. Neben einer Gaußverteilung ist beispielhaft eine logarithmische Normalverteilung, eine Gleichverteilung innerhalb festgesetzter Grenzen, eine Weibull-Verteilung, sowie eine Pareto-Verteilung zu nennen. Ebenso sind sonstige Verteilungen, welche insbesondere in Form eines Histogramms darstellbar sind, mög lich. Sofern die Einschlüsse keine Kugelform aufweisen, ist zusätzlich zur Einschluss größe auch die Form der Einschlüsse in vielfältiger Weise variierbar. Auch eine Unter scheidung zwischen verschiedenen Zusammensetzungen von Einschlüssen, sofern eine solche Unterscheidung auf Basis des Schliffbildes getroffen werden kann, ist prinzipiell möglich.

Insgesamt liefert das anmeldungsgemäße Verfahren, indem eine virtuelle Probe zur Verfügung gestellt wird, deren Schnitt mit einem tatsächlichen Schliffbild einer metalli schen Probe weitgehend übereinstimmt, belastbare Informationen über den wahr scheinlichen Aufbau der metallischen Probe auch außerhalb der betrachteten Ebene, das heißt der Ebene, in welcher das Schliffbild liegt, beziehungsweise durch welche der Schnitt gelegt ist.

Die Vorrichtung zur Prüfung und Beurteilung der metallischen Probe, das heißt das Untersuchungssystem, umfasst folgende Komponenten:

- Einen Untersuchungsplatz, das heißt Prüfplatz, zur optischen Erfassung ei nes Schliffbildes der metallischen Probe,

- einen Simulator zur Generierung virtueller Proben einschließlich zugehöri ger Schnitte, - einen Komparator zum Vergleichen der virtuellen Probe mit dem Schliffbild.

Hierbei ist der Simulator dazu ausgebildet, eine Mehrzahl an virtuellen Proben zu ge nerieren, welche sich hinsichtlich in der Probe vorhandener Einschlüsse voneinander unterscheiden. Der Komparator ist dazu ausgebildet, den Grad der Übereinstimmung verschiedener Schnitte von virtuellen Proben mit dem Schliffbild festzustellen und die jenige virtuelle Probe, welche die größte Übereinstimmung mit dem Schliffbild auf weist, zu identifizieren. Die Funktionen des Simulators sowie des Komparators können dabei durch eine gemeinsame Datenverarbeitungseinheit oder durch getrennte Ein heiten realisiert sein. Mit dem Komparator kann eine Auswerteeinheit verknüpft sein, welche zur Fierleitung statistischer Aussagen über ein Bauteilversagen in Abhängig keit von den mit Hilfe der Simulation ermittelten Merkmalen der metallischen Probe ausgebildet ist. Auch die Auswerteeinheit ist, entsprechend dem Simulator sowie Komparator, nicht notwendigerweise als im physikalischen Sinne eigenständige Ein heit ausgeführt.

Die Auswerteeinheit ist beispielsweise nutzbar, um auf Basis einer bereits vorhande nen Bauteilfestigkeitsberechnung und der durchgeführten Monte Carlo Simulation sta tistische Aussagen über eine mögliche Reduktion der Bauteilfestigkeit aufgrund von Einschlüssen treffen. Geht man zum Beispiel davon aus, dass ein mechanisch hoch beanspruchtes Volumen von 3 mm³ vorliegt, könnte sich durch eine mit bekannten Methoden durchführbare Bauteilfestigkeitsberechnung ergeben, dass Einschlüsse ab einer Größe von 120 pm die Belastbarkeit signifikant reduzieren.

Ferner wird angenommen, dass durch die Monte Carlo Simulation in diesem Fall er mittelt wurde, dass eine Einschlussdichte von zwei Einschlüssen pro mm² zu erwarten ist und der Anteil an Einschlüssen mit einem Durchmesser von mindestens 120 pm 0,5% beträgt. Eine vereinfachte statistische Abschätzung ergibt unter diesen Prämis sen, dass im hoch beanspruchten Volumen im Mittel sechs Einschlüsse zu erwarten sind, von denen 0,5% die kritische Größe überschreiten, so dass das Risiko einer sig nifikant reduzierten Bauteilfestigkeit ca. 3% beträgt. Eine verfeinerte Auswertung der Monte Carlo Simulation sieht vor, dass nicht nur die jenige virtuelle Probe betrachtet wird, welche die beste Übereinstimmung mit dem rea len Schliffbild aufweist, sondern zusätzlich weitere virtuelle Proben in die Auswertung einbezogen werden, welche eine geringfügig niedrigere Übereinstimmung mit der tat sächlichen, metallischen Probe aufweisen. Innerhalb der somit gebildeten Gruppe vir tueller Proben wird jeder virtuellen Probe ein Wahrscheinlichkeitswert zugeordnet, der die Wahrscheinlichkeit der Übereinstimmung mit der tatsächlichen Probe angibt, wo bei die Summe sämtlicher Wahrscheinlichkeitswerte 1 ergibt. Die Wahrscheinlich keitswerte werden in Abhängigkeit davon vergeben, wie groß die durch Bildauswer tung festgestellten Unterschiede zwischen dem virtuellen Schnitt einer jeden virtuellen Probe und dem Schliffbild sind. Dabei erhält diejenige virtuelle Probe den höchsten Wahrscheinlichkeitswert, bei der die geringsten Unterschiede zur realen Probe fest stellbar sind.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung nä her erläutert. Hierin zeigen, teils grob vereinfacht oder aus Gründen der Übersichtlich keit idealisiert:

Fig. 1 ein Untersuchungssystem in symbolisierter Darstellung,

Fig. 2 eine virtuelle Probe, von welcher im Untersuchungssystem Gebrauch gemacht wird,

Fig. 3 in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen Einschlussgröße und mechanischer Beanspruchbarkeit eines Werkstücks,

Fig. 4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines mit dem Untersuchungssystem durchführbaren Verfahrens,

Fig. 5 reale und simulierte Verteilungsfunktionen, Einschlussgrößen in der tat sächlichen beziehungsweise virtuellen Probe betreffend,

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Untersuchungssystem ist speziell auf Untersuchungen hinsichtlich kugelförmiger Einschlüsse 11 abgestimmt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass in einer tatsächlichen, metallischen Probe 3, welche im Ausführungsbeispiel auf einem Tisch 4 angeordnet ist, hauptsächlich globu lare, das heißt kugelförmige Einschlüsse 11 von praktischer Relevanz sind. Der Tisch 4 ist einem Prüfplatz 2 zur Untersuchung der Probe 3 zuzurechnen.

Die Probe 4 wird in an sich bekannter Weise präpariert, um ein Schliffbild Sb zu erhal ten. Ein optisches Analysesystem 5, welches zur Erfassung des Schliffbildes Sb ver wendet wird, ist über Datenverbindungen 6 mit weiteren Komponenten 8, 9 10 eines Datenverarbeitungssystems 7 des Untersuchungssystems 1 verknüpft. Bei den Kom ponenten 8, 9, 10, welche nicht notwendigerweise physikalisch voneinander oder von dem optischen Analysesystem 5 getrennt sind, handelt es sich um einen Simulator 8, einen Komparator 9 und eine Auswerteeinheit 10.

Das Untersuchungssystem 1 ist dazu ausgebildet, Merkmale der tatsächlichen Probe 3 mit Merkmalen zahlreicher virtueller Proben Pv, welche mittels des Simulators 8 ge neriert werden, zusammenzuführen, wobei letztlich eine optimierte virtuelle Probe Pv Aufschluss über Merkmale der Probe 3 gibt, welche sich nicht direkt aus dem Schliff bild Sb ergeben.

Die prinzipielle Gestalt einer virtuellen Probe Pv ist in Fig. 2 veranschaulicht. Erkenn bar sind mehrere virtuelle Einschlüsse Ev unterschiedlicher Größe. Ferner ist eine vir tueller Schnitt Sv eingezeichnet, der einzelne der virtuellen Einschlüsse Ev schneidet und eine Simulation des Schliffbildes Sb darstellt. Die virtuelle Probe hat im vorliegen den Fall eine Würfelform, welche sich aus vorangegangenen Festigkeitsberechnun gen ergibt. Mit dem Würfel wird dasjenige Volumenelement des Bauteils, aus dem die Probe 3 entnommen wurde, dargestellt, welches unter realen Betriebsbedingungen besonders hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Bei dem Bauteil handelt es sich im betrachteten Beispiel um ein Wälzlagerbauteil, welches insbesondere Über rollbelastungen ausgesetzt ist. Zusätzlich zur Identifikation des besonders beanspruchten Bauteilvolumens wurden in einem vorgelagerten Schritt auch Zusammenhänge zwischen eventuellen Einschlüs sen im Bauteilvolumen und der Bauteilfestigkeit ermittelt. Diese Zusammenhänge sind in Fig. 3 visualisiert: Je größer eine reale Einschlussgröße EGr ist, welche im Bauteil volumen zu finden ist, um so geringer ist die allgemein mit Bm bezeichnete mechani sche Beanspruchung, der das Bauteil maximal ausgesetzt werden darf. Treten bei spielsweise Einschlüsse 11 mit einer Größe bis zu einer kritischen Einschlussgröße Ekr auf, so bedeutet dies, dass nur noch eine reduzierte Beanspruchung Br zulässig ist. Extrem kleine Einschlüsse 11 beeinflussen die mechanische Belastbarkeit, wie aus Fig. 3 weiter hervorgeht, praktisch nicht. Umgekehrt schließen zu große Ein schlüsse 11 jegliche Verwendung des Bauteils aus. Der in Fig. 3 dargestellte Zusam menhang ist von der Bauteilgeometrie sowie von den Belastungsarten abhängig.

Mit dem Untersuchungssystem 1 ist das in Fig. 4 skizzierte Verfahren durchführbar. Der Start dieses Verfahrens zur Untersuchung der metallischen Probe 3 ist als Verfah rensstart S1 bezeichnet. Im Verfahrensschritt S2, welcher durch das Datenverarbei tungssystem 7 durchgeführt wird, werden Parameter festgesetzt, die sich auf die Ver teilung von Einschlüssen im Probenvolumen beziehen. Dies beinhaltet die Größenver teilung der virtuellen Einschlüsse Ev sowie die Dichte der Einschlüsse Ev, das heißt die mittlere Anzahl an Einschlüssen Ev pro Volumeneinheit.

Im folgenden Verfahrensschritt S3 werden zahlreiche Einschlüsse Ev per Monte Carlo Simulation in der virtuellen Probe Pv verteilt. Im Ausführungsbeispiel werden in der virtuellen Probe Pv ausschließlich kugelförmige Einschlüsse Ev positioniert. Die Durchmesser der zahlreichen virtuellen Einschlüsse Ev beschreiben zum Beispiel eine Normalverteilung, das heißt Gauß-Verteilung. Prinzipiell kann auch von anderen Ver teilungen, beispielsweise einer Gleichverteilung der Durchmesser innerhalb bestimm ter Grenzen, ausgegangen werden. In jedem Fall wird, ausgehend von der angenom menen Verteilung, der Durchmesser eines jeden Einschlusses Ev per Monte Carlo Simulation, das heißt quasi zufällig, ermittelt. Ebenso wird per Monte Carlo Simulation die Anordnung eines jeden virtuellen Einschlusses Ev innerhalb der virtuellen Probe Pv vorgenommen. lm Rahmen des Schrittes S3 werden auch Kollisionsprüfungen durchgeführt, womit sichergestellt wird, dass es keine Überlappungen virtueller Einschlüsse gibt. Sollte ei ne Kollision festgestellt werden, wird der zuletzt hinzugefügte virtuelle Einschluss Ev wieder aus der virtuellen Probe Pv entfernt und erneut ein virtueller Einschluss Ev ge neriert, welcher abermals einer Prüfung auf Kollision mit bereits vorhandenen Ein schlüssen Ev unterzogen wird. Von daher handelt es sich bei dem Schritt S3 tatsäch lich um einen im Vergleich zur vereinfachten Darstellung nach Fig. 3 komplexeren, mindestens eine Schleife umfassenden Programmbestandteil.

Im anschließenden Verfahrensschritt S4 wird eine Ebene durch die virtuelle Probe Pv gelegt, womit der virtuelle Schnitt Sv erzeugt wird. Für alle Einschlüsse Ev, deren Ab stand von der Schnittebene geringer als der Radius des betreffenden Einschlusses Ev ist, wird die im virtuellen Schnitt sichtbare Fläche des Einschlusses Ev berechnet. In Fig. 2 sind diese Flächen durch Schraffur markiert. Liegt der Mittelpunkt eines Ein schlusses Ev exakt in der Schnittebene, so ist im virtuellen Schnitt Sv der tatsächliche Durchmesser des Einschlusses Ev sichtbar. Ansonsten ist der im virtuellen Schnitt Sv sichtbare Durchmesser eines Einschlusses Ev geringer als dessen tatsächlicher Durchmesser. Im Extremfall, wenn der Abstand eines Einschlusses Ev von der Schnittebene dem Radius des Einschlusses Ev entspricht, taucht in dem virtuellen Schnitt Sv der entsprechende Einschluss Ev lediglich in Form eines Punktes auf.

Im Schritt S5 wird das reale Schliffbild Sb automatisiert ausgewertet. Hierbei wird un ter anderem die Häufigkeit von Einschlüssen 11 pro Flächeneinheit sowie die Grö ßenverteilung dieser sichtbaren Einschlüsse 11 ermittelt. Bei der Größenverteilung handelt es sich um die Verteilung sichtbarer Größen, nicht um die tatsächliche Durchmesserverteilung der Einschlüsse 11. Die Schritte S4, S5 können in beliebiger Reihenfolge, auch gleichzeitig, durchgeführt werden.

Ein Vergleich des Schliffbildes Sb mit dem virtuellen Schnitt Sv findet im Verfahrens schritt S6 statt. Ergibt dieser Vergleich eine ausreichend gute Übereinstimmung zwi schen dem Schliffbildes Sb und dem virtuellen Schnitt Sv, so werden im Schritt S7 die Merkmale der virtuellen Probe Pv der tatsächlichen Probe 3 zugeordnet. Ansonsten werden die Schritte S2 bis S5 iteriert, bis eine ausreichende Annäherung der virtuellen Probe Pv an die tatsächliche Probe 3 gegeben ist. Der Schritt S7 beinhaltet auch eine Auswertung hinsichtlich der Fierabsetzung der mechanischen Belastbarkeit aufgrund der in der Probe 3 vorhandenen Einschlüsse 11. Häufigkeit und Größenverteilung die ser Einschlüsse 11 wird dabei nicht direkt aus dem Schliffbild Sb, sondern aus der vir tuellen Probe Pv abgeleitet. Der Abschluss des Verfahrens ist mit S8 bezeichnet.

Die iterative Annäherung der Eigenschaften der virtuellen Probe Pv an die tatsächli che Probe 3, von welcher das Schliffbild Sb zur Verfügung steht, ist in Fig. 5 veran schaulicht. Gezeigt sind verschiedene Verteilungsfunktionen, bezogen auf die mit EGs bezeichnete sichtbare Einschlussgröße. Im Fall der virtuellen Proben Pv wird die sichtbare Einschlussgröße EGs berechnet, im Fall der tatsächlichen Probe 3 gemes sen. Die Wahrscheinlichkeit, dass die sichtbare Größe EGs eines Einschlusses Ev beziehungsweise eines Einschlusses 11 unter einem bestimmten Wert liegt, ist mit P bezeichnet und nähert sich zwangsläufig asymptotisch Eins an.

Eine erste Simulation, das heißt Monte Carlo Simulation, ist in Fig. 5 mit Si1 bezeich net. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die entsprechende Verteilungsfunktion noch deut lich von der direkt aus dem Laborversuch, das heißt mittels des optischen Analysesys tems, ermittelten Kurve, welche als Laborkurve LK bezeichnet wird, entfernt. Durch Veränderung der Parameter der Monte Carlo Simulation (Schritt S3) wird eine modifi zierte virtuelle Probe Pv generiert, wobei die entsprechende Simulation mit Si2 be zeichnet ist. Eine abermalige Optimierung der Parameter führt schließlich zur Simula tion Si3, wobei die zugehörige Verteilungsfunktion, wie aus Fig. 3 hervorgeht, weitge hend mit der Laborkurve LK zusammenfällt.

Die mit der optimierten Simulation Si3 erhaltene virtuelle Probe Pv stimmt nicht nur in der Schnittebene mit der tatsächlichen Probe 3 mit guter Näherung überein. Vielmehr kann aufgrund der Simulation Si3 auch auf die Zusammensetzung der Probe 3 außer halb der betrachteten Schnittebene geschlossen werden. Insbesondere liefert die vir- tuelle Probe Pv die in Fig. 6 dargestellte Verteilungsfunktion, welche sich im Unter schied zu Fig. 5 nicht auf sichtbare Einschlussgrößen EGs, sondern auf reale Ein schlussgrößen EGr bezieht. Der Zusammenhang zwischen einer kritischen Ein schlussgröße Ekr, die maximal im Bauteil gegeben sein darf, um eine bestimmte Be- lastbarkeit nicht zu unterschreiten, und der mit Pe bezeichneten ermittelten Wahr scheinlichkeit, dass ausschließlich Einschlüsse 11 vorhanden sind, die nicht größer als Ekr sind, ist unmittelbar aus dem Diagramm nach Fig. 6 ablesbar.

Bezuqszeichenliste

1 Untersuchungssystem

2 Prüfplatz

3 Metallische Probe

4 Tisch

5 Optisches Analysesystem

6 Datenverbindung

7 Datenverarbeitungssystem

8 Simulator

9 Komparator

10 Auswerteeinheit

11 Einschluss in der metallischen Probe

Bm mechanische Beanspruchung

Br reduzierte Beanspruchung

EGr reale Einschlussgröße

EGs sichtbare Einschlussgröße

Ekr kritische Einschlussgröße

Ev Einschluss in der virtuellen Probe

LK Laborkurve

P Wahrscheinlichkeit

Pe ermittelte Wahrscheinlichkeit

Pv virtuelle Probe

S1...S8 Verfahrensschritt Sb Schliffbild

511 erste Simulation

512 zweite Simulation

513 dritte Simulation

Sv virtueller Schnitt

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Untersuchung einer metallischen Probe (3) auf Einschlüsse (11), mit folgenden Merkmalen:

- Bereitstellung eines Schliffbildes (Sb) der metallischen Probe (3),

- Erzeugen mehrerer virtueller Schnitte (Sv) virtueller Proben (Pv), indem per Monte-Carlo-Simulation Einschlüsse (Ev) in einem Volumen verteilt werden und anschließend mindestens eine Schnittebene durch das Volumen gelegt wird, wobei sich die verschiedenen virtuellen Proben (Pv) zumindest hin sichtlich der Größenverteilung ihrer Einschlüsse (Ev) voneinander unter scheiden,

- Automatisches Vergleichen des Schliffbildes (Sb) mit mehreren der erzeug ten, unterschiedlichen virtuellen Proben (Pv) zuzuordnenden virtuellen Schnitte (Sv),

- Identifikation desjenigen virtuellen Schnittes (Sv), welcher die größte Über einstimmung mit dem Schliffbild (Sb) aufweist und Zuordnung von Merkma len der entsprechenden virtuellen Probe (Pv) zur metallischen Probe (3).

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in den virtuellen Proben (Pv) ausschließlich kugelförmige Einschlüsse (Ev) platziert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den virtuellen Proben (Pv) jeweils eine Vielzahl kugelförmiger Einschlüsse (Ev), deren Durchmesser eine Normalverteilung beschreiben, positioniert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den virtuellen Proben (Pv) Einschlüsse (Ev) derart platziert werden, dass sich verschiedene virtuelle Proben (Pv) sowohl hinsichtlich der Häufigkeit der Einschlüsse (Ev), bezogen auf das Probenvolumen, als auch hinsichtlich der Größenverteilung der Einschlüsse (Ev) voneinander unterscheiden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Verteilung einer Anzahl von Einschlüssen (Ev) im Volumen der virtuel len Probe (Pv) der nächste Einschluss (Ev) gemäß Vorgaben der Monte Carlo Simulation zunächst unabhängig von bereits festgelegten Einschlüssen (Ev) in das Volumen eingefügt wird und im Anschluss hieran eine Kollisionsprüfung durchgeführt wird, wobei im Fall einer Kollision des neu hinzugefügten Ein schlusses (Ev) mit bereits vorhandenen Einschlüssen (Ev) die zuletzt getätigte Einfügung rückgängig gemacht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich des tatsächlichen Schliffbildes (Sb) mit virtuellen Schnitten (Sv) mit Mitteln der künstlichen Intelligenz erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung virtueller Proben (Pv) iterativ erfolgt, wobei Parameter zur Gene rierung virtueller Proben (Pv) in Abhängigkeit von bereits durchgeführten Ver gleichen zwischen virtuellen Proben (Pv) und dem Schliffbild (Sb) festgelegt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Hilfe der Iteration ermittelte Größenverteilung von virtuellen sowie tatsächlichen Ein schlüssen (Ev, 11) zusammen mit einer Bauteilfestigkeitsberechnung für eine statistische Beurteilung eines Bauteilversagens herangezogen werden.

9. Untersuchungssystem (1) zur Prüfung und Beurteilung einer metallischen Pro be (3), mit folgenden Komponenten:

- Prüfplatz (2) zur optischen Erfassung eines Schliffbildes (Sb) der metalli schen Probe (3),

- Simulator (8) zur Generierung virtueller Proben (Pv) einschließlich zugehö riger Schnitte (Sv),

- Komparator (9) zum Vergleichen einer virtuellen Probe (Pv) mit dem Schliff bild (Sb), wobei

- der Simulator (8) dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl an virtuellen Proben (Pv) zu generieren, welche sich hinsichtlich in der Probe (Pv) vorhandener Einschlüsse (Ev) voneinander unterscheiden,

- der Komparator (9) dazu ausgebildet ist, den Grad der Übereinstimmung verschiedener Schnitte (Sv) von virtuellen Proben (Pv) mit dem Schliff- bild (Sb) festzustellen und diejenige virtuelle Probe (Pv), welche die größte Übereinstimmung mit dem Schliffbild (Sb) aufweist, zu identifizieren.

10. Untersuchungssystem (1) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine mit dem Komparator (9) verknüpfte Auswerteeinheit (10), welche zur Herleitung statistischer Aussagen über ein Bauteilversagen in Abhängigkeit von den mit

Hilfe der Simulation ermittelten Merkmalen der metallischen Probe (3) ausge bildet ist.