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Dokumentenidentifikation DE4303091A1 12.08.1993
Titel Verfahren zur Ermittlung des Ermüdungsgrades in einem Konstruktionsmaterial
Anmelder Genshi Nenryo Kogyo K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Isobe, Yoshihiro, Ohsaka, JP;
Kamimura, Atsushi, Sakai, Ohsaka, JP;
Aoki, Kazuhiko, Ohsaka, JP
Vertreter Koepsell, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 5000 Köln
DE-Anmeldedatum 04.02.1993
DE-Aktenzeichen 4303091
Offenlegungstag 12.08.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.08.1993
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
IPC-Nebenklasse G01N 23/20   
Zusammenfassung Ein Verfahren zur Ermittlung des Ermüdungsgrades in einem Konstruktionsmaterial vor dem Auftreten eines Mikrorisses aus Daten, die zerstörungsfrei durch die Messung von gebeugten Röntgenstrahlen erhalten werden. Ein Ermüdungstest wird durch Anwendung von sich wiederholenden Beanspruchungen, die für das zu untersuchende Material vorausgesagt sind, auf ein Vergleichsstück mit einer dem zu untersuchenden Material entsprechenden Beschaffenheit durchgeführt. Während des Ermüdungstests wird am Vergleichsstück zu mehreren Zeitpunkten eine Messung gebeugter Röntgenstrahlen durchgeführt, so daß eine Ermüdungskennlinie erhalten wird, welche der Beziehung zwischen den integrierten Beträgen der sich wiederholenden Beanspruchungen und den Intensitäten der gebeugten Röntgenstrahlenbündel entspricht. Die Messung der gebeugten Röntgenstrahlen auf dem zu untersuchenden Material wird zu mindestens zwei Zeitpunkten in einem Nutzungsbereich durchgeführt und die Änderungsrate zwischen den gemessenen Intensitäten des gebeugten Röntgenstrahlenbündels wird mit der Ermüdungskennlinie verglichen. Auf diese Weise wird der Ermüdungsgrad in dem zu untersuchenden Material ebenso wie die verbleibende Lebensdauer bis zum Punkt des Ermüdungsbruches erhalten.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung und Ermittlung des durch Ermüdung verursachten Beschädigungsgrades in einem Konstruktionsmaterial, wie beispielsweise einem Metall, mittels einer zerstörungsfreien Untersuchungstechnik.

Zum Zweck der Ermittlung des Gütezustands zu untersuchender Materialien, beispielsweise unterschiedlicher Materialien und Strukturen im Hinblick auf ihren strukturellen Aufbau, die Qualität, die Widerstandsfähigkeit ebenso wie ihre Gestalt usw., sind bisher eine große Anzahl zerstörungsfreier Untersuchungsverfahren angewendet worden, indem die erfaßten Ergebnisse ihrer physikalischen Eigenschaften ohne Zerstörung der zu untersuchenden Materialien oder Strukturen verwendet wurden.

Die wichtigsten bisher zum Zwecke der Materialuntersuchung verwendeten zerstörungsfreien Untersuchungsverfahren können beispielsweise in der nachfolgenden Weise klassifiziert werden.

1. Röntgenologische Prüfung

Wenn in einem Objekt irgendein Defekt, wie beispielsweise ein Mikroriß, existiert, wächst die Intensität einer Strahlung (beispielsweise Röntgenstrahlung oder γ- Strahlung), die durch das fehlerhafte Teilstück hindurchtritt, im Vergleich zu der Strahlung, welche durch das im guten Zustand befindliche Teilstück hindurchtritt, an. Es wird daher ein für die Strahlung empfindlicher Film an der Rückseite des zu untersuchenden Objekts so angeordnet, daß die Form des Defektes auf dem fotografischen Film fotografiert wird und die Güte des der Prüfung unterzogenen Objektes anhand des hergestellten fotografischen Bildes überprüft werden kann.

2. Ultraschallprüfung
  • a) Impuls-Echo-Verfahren; es wird ein sehr kurzer Ultraschallimpuls in ein zu untersuchendes Objekt eingeleitet und ein von einem Defekt, beispielsweise einem Mikroriß innerhalb des Objektes reflektiertes Echo empfangen, durch welches die Position, Größe usw. des Defektes erfaßt werden kann.
  • b) Durchstrahlungsverfahren; eine Abstrahlungssonde sendet eine Ultraschallwelle in Form einer kontinuierlichen Welle oder einer Impulswelle aus und die durch ein zu untersuchendes Material hindurchtretende Ultraschallwelle wird mittels einer Empfängersonde empfangen, wodurch die Position, Größe usw. eines Defektes aus der Intensität der empfangenen Welle ermittelt werden kann.
  • c) Resonanzverfahren; es wird eine Spannung hoher Frequenz mit sich kontinuierlich ändernder Frequenz an eine Abstrahlungssonde derart angelegt, daß die sich aufgrund der Dicke eines zu untersuchenden Materials ergebende resonante Stehwelle gemessen werden kann, um die Dicke des zu untersuchenden Materials zu erfassen.
3. Wirbelstromprüfung

Ein Defekt, wie beispielsweise ein Riß, in einem zu untersuchenden Werkstück, wird auf der Basis der Beziehung zwischen der Intensität eines durch eine Spule erzeugten magnetischen Wechselfeldes und der Bedingung für die Erzeugung der Verteilung eines magnetischen Feldes aufgrund von durch das magnetische Wechselfeld im Werkstück erzeugten Wirbelströmen erfaßt. Während die Erfassungsempfindlichkeit im Vergleich mit dem Ultraschallverfahren im allgemeinen niedrig liegt, ist die Empfindlichkeit gut für besondere Typen von Rissen und sie wird daher häufig als zusätzliches Hilfsmittel zur Ultraschalluntersuchung verwendet.

Allgemein gilt, daß, wenn ein metallisches Material der Einwirkung einer sich wiederholenden Beanspruchung oder dergleichen unterworfen wird, ein Gleiten der Kristallkörner innerhalb des Materials bewirkt wird, dem das Auftreten eines Mikrorisses folgt. Wenn der Riß weiter anwächst führt er schließlich zu einem Ermüdungsbruch. In diesem Fall wird ein großer Teil des Zeitraumes bis zu dem Punkt, an dem im Material der Ermüdungsbruch auftritt, für eine mikroskopische Änderung der Kristallgitterebene verbraucht, bevor der Mikroriß auftritt.

Die bisher zum Zweck der Ermittlung des Ermüdungsgrades verwendeten zerstörungsfreien Untersuchungstechniken wurden hauptsächlich zur Erfassung der Größe, der Form und der Lage eines solchen Mikrorisses eingesetzt, welcher bereits verursacht ist, und deshalb war es mit diesen Techniken nur möglich, den Ermüdungsgrad in einem Material im letzten Stadium, welches zum Ermüdungsbruch des Materials führt, zu ermitteln.

Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem der Ermüdungsgrad in einem zu untersuchenden Material, beispielsweise einem Metall, mittels einer zerstörungsfreien Untersuchungstechnik gemessen und ermittelt werden kann, bevor ein Punkt erreicht ist, an dem das Material bricht, d. h. vor dem Auftreten eines Mikrorisses.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß mit einem Verfahren, das die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung basiert auf der Tatsache, daß, wenn ein Kristallstrukturen aufweisendes Material, beispielsweise metallisches Material, der Bestrahlung mit Röntgenstrahlen ausgesetzt wird, die Daten für das auftretende Röntgenstrahlenbeugungsmaximum (Amplituden- oder Energieniveau) charakteristische Änderungen zeigt, die vom Fortschreiten der Ermüdung im Material abhängen und insbesondere ein Anzeichen für das Erreichen des Punktes darstellen, an dem der Ermüdungsbruch auftritt.

In Übereinstimmung mit einem charakteristischen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird somit ein Verfahren zur Ermittlung des Ermüdungsgrades in einem Konstruktionsmaterial geschaffen und das Verfahren umfaßt die Verfahrensschritte der Ausführung eines Ermüdungstests durch Anwenden mindestens einer von vorgegebenen Arten sich wiederholender Beanspruchungen, wie Biegen, Ziehen, Stauchen, Verdrehen und Stoßen, die für den benutzten Bereich des zu untersuchenden Materials vorausgesagt sind, auf ein Vergleichsstück, das eine dem Material entsprechende Beschaffenheit aufweist, und einer Messung der Intensität der in einen vorgegebenen Beugungswinkel gebeugten Röntgenstrahlen, welche von dem bestrahlten Teilstück des Vergleichsstücks erzeugt sind durch Bestrahlung mit Röntgenstrahlen zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten innerhalb des Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Anwendung der sich wiederholenden Beanspruchungen auf das Vergleichsstück beginnt, und dem Zeitpunkt, an dem ein Bruch des Vergleichsstücks bewirkt wird, sowie der Gewinnung einer Ermüdungskennlinie aus den Meßergebnissen, die einer Beziehung zwischen den integrierten Beträgen der sich wiederholenden Beanspruchungen (dargestellt durch die Anzahl von Zeitpunkten der Anwendung oder der Zeitabschnitte der Anwendung) und den gebeugten Röntgenstrahlintensitäten, der Bestrahlung eines auszumessenden Teilstücks des zu untersuchenden Materials mit Röntgenstrahlen und der Messung der Intensität der in den vorgegebenen Beugungswinkel gebeugten Röntgenstrahlen, die von dem auszumessenden Teilstück erzeugt wurden und des Vergleichs der Änderungsrate zwischen den gebeugten Röntgenstrahlintensitäten, die an dem Material zu mindestens zwei Zeitpunkten in dem genutzten Bereich gemessen wurden mit der Ermüdungskennlinie, um den Ermüdungsgrad im Material zu bestimmen und wenn notwendig, die bis zum Auftreten eines Ermüdungsbruchs verbleibende Lebensdauer festzustellen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die zu messende gebeugte Röntgenstrahlintensität entweder der Maximalwert des Peaks (Amplitude) oder die Peak-Fläche (Energie) des gebeugten Röntgenstrahls sein. Diese Messung wird während des Meßschrittes am Vergleichsstück und während des Meßschrittes am zu untersuchenden Material jeweils durchgeführt. Während des Meßschrittes am Vergleichsstück wird eine vorgegebene sich wiederholende Beanspruchung mittels der Technik eines Ermüdungstestes auf das Vergleichsstück ausgeübt und obwohl der Vorgang der Anwendung der Beanspruchung jedesmal unterbrochen wird, wird ein vorgegebener integrierter Beanspruchungsbetrag erreicht, wobei während dieser Unterbrechungsperiode die Messung der gebeugten Röntgenstrahlen am Vergleichsstück durchgeführt wird. Andererseits werden während des Meßschrittes am zu untersuchenden Material, wenn das zu untersuchende Material ein Konstruktionsmaterial ist, beispielsweise im Fall einer Mehrzahl von periodischen Untersuchungen, eine Mehrzahl von Messungen der gebeugten Röntgenstrahlen am zu untersuchenden Material unter den Nutzungsbedingungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Nutzungsbedingungen ausgeführt. Diese Messung der gebeugten Röntgenstrahlen am Material unter Nutzungsbedingungen kann im Hinblick auf das Material durchgeführt werden, indem dieses zeitweise von seinem Verwendungsort entfernt wird, oder die Messungen können als Alternative am Material an seinem Verwendungsort als solchem ausgeführt werden, wenn eine Sonde zur Messung gebeugter Röntgenstrahlen hergestellt wird. Somit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung nur notwendig, einen Teil des zu untersuchenden Materials mit Röntgenstrahlen zu bestrahlen und die in einen vorgegebenen Beugungswinkel gebeugte Röntgenstrahlintensität mit einer Sonde für gebeugte Röntgenstrahlen oder dergleichen zu messen und es besteht daher nicht nur keine Notwendigkeit, das Material einer Probenentnahme zu unterwerfen, sondern das Material wird auch durch die Messung nicht zerstört. Die Messung der gebeugten Röntgenstrahlen am zu untersuchenden Material wird beispielsweise im seinem Ausgangszeitpunkt als Konstruktionsmaterial durchgeführt und zu einem späteren Zeitpunkt, wenn die Anwendung eines gewissen integrierten Betrages sich wiederholender Beanspruchungen durch den nachfolgenden Gebrauch des Materials erreicht ist, oder die Messung kann alternativ zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten während der Nutzung ausgeführt werden. In jedem Fall erbringt die Änderungsrate der Intensitäten der gebeugten Röntgenstrahlen an dem zu untersuchenden Material im gemessenen vorgegebenen Beugungswinkel zu den zwei Zeitpunkten Information, welche der Änderung der Kristallstruktur im Material vor dem Auftreten eines Risses entspricht und somit dient diese Änderungsrate als ein Anzeichen für die Entwicklung der durch die Einwirkung der auf das Material während des Zeitintervalls zwischen den beiden Zeitpunkten ausgeübten sich wiederholenden Beanspruchung bedingten Ermüdung. Andererseits wird mindestens eine von vielen Arten sich wiederholender Beanspruchungen, die für die Nutzungsumgebung des Materials vorausgesagt sind, wie beispielsweise Biegen, Ziehen und Stauchen, Verdrehen und Stoßen, auf ein Vergleichsstück ausgeübt, welches die gleiche Beschaffenheit hat wie das zu untersuchende Material und die Beziehung zwischen den integrierten Beträgen der ausgeübten Beanspruchungen und den gebeugten Röntgenstrahlintensitäten für einen gegebenen Beugungswinkel wird als Ermüdungskennlinie erhalten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese für das Vergleichsstück erhaltene Ermüdungskennlinie als Maß für die Ermittlung des Ermüdungsgrades in dem überprüften Material verwendet. Genauer gesagt, wird im voraus eine Ermüdungskennlinie erhalten, welche die Veränderungen einer spezifischen gebeugten Röntgenstrahlintensität in Abhängigkeit von integrierten Beträgen einer bestimmten Art sich wiederholender Beanspruchung zeigt, für ein Vergleichsstück, das eine dem zu untersuchenden Material entsprechende Beschaffenheit aufweist und es wird die Änderungsrate der durch die integrierten ausgeübten Beanspruchungsbeträge bewirkten entsprechend gebeugten Röntgenstrahlintensitäten, die an dem der Prüfung unterworfenen Material gemessen wurden, mit der Ermüdungskennlinie verglichen, wobei beispielsweise in Abhängigkeit von der Bestimmung des Vorzeichens der Änderungsrate der Ermüdungsgrad des der Prüfung unterworfenen Materials zum Zeitpunkt der Messung ermittelt und die verbleibende Lebensdauer des Materials im Hinblick auf die Ermüdung ohne Zerstörung des Materials erhalten wird.

Die obenerwähnte Ermüdungskennlinie kann als Kurve in einem rechtwinkligen Koordinatensystem erhalten werden, indem auf der Abszisse die integrierten Beanspruchungsbeträge, beispielsweise die Anzahl der Anwendungszeitpunkte einer sich wiederholenden Beanspruchung, aufgetragen werden, während auf der Ordinate die gebeugten Röntgenstrahlintensitäten aufgetragen werden. Während die Kurve in Abhängigkeit von unterschiedlichen Faktoren, wie Qualität, Bearbeitungsgrad und Ermüdungszustand des Materials, variiert, gibt es in diesem Fall Beispiele, in denen es durch eine Vorausbestimmung einer Ermüdungskennlinie, entsprechend den Maßstäben der Koordinatenachsen, die durch die geforderten Ermüdungszustände usw. normalisiert sind, möglich ist, die notwendigen Ermüdungskennlinien durch eine einzige Kurve darzustellen sogar in Fällen von zu untersuchenden Materialien, die sich in Qualität, Grad der Bearbeitung, Ermüdungszustand usw. unterscheiden. So können beispielsweise in dem rechtwinkligen Koordinatensystem für die Ermüdungskennlinie die Beträge der integrierten Beanspruchungen auf der Abszisse in Einheiten der Verhältnisse zu dem integrierten Beanspruchungsbetrag dargestellt werden, der an dem Punkt eines Ermüdungsbruches eines Vergleichsstücks erreicht ist und ebenso können die gebeugten Röntgenstrahlintensitäten auf der Ordinate in Einheiten der Verhältnisse zur Anfangsröntgenstrahlintensität dargestellt werden, die am Vergleichsstück gemessen wurde, auf welches jedoch die sich wiederholende Beanspruchung noch nicht angewendet wurde. Aufgrund einer solchen Normalisierung kann sogar im Falle von zu untersuchenden Materialien die sich in Qualität, Bearbeitungsgrad, Ermüdungszustand usw., unterscheiden, die Ermittlung des Ermüdungsgrades und die Abschätzung der verbleibenden Lebensdauer des zu untersuchenden Materials aus einer einzigen allgemeinen Ermüdungskennlinie erzielt werden.

Aus den obigen Darlegungen kann erkannt werden, daß es, weil die Meßergebnisse der gebeugten Röntgenstrahlintensitäten verschiedene innere Informationen, wie beispielsweise die Kristallstruktur eines zu untersuchenden Materials, enthalten, durch Messen von Unterschieden der gebeugten Röntgenstrahlintensität, die auf Ermüdung beruhen, möglich ist, den Ermüdungsgrad zu ermitteln. Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Grad der Ermüdungsschädigung eines zu untersuchenden Materials, beispielsweise eines Metalls, vor dem Auftreten eines Mikrorisses aus den Meßergebnissen durch eine zerstörungsfreie Meßtechnik ermittelt werden.

Die vorliegende Erfindung ist gut geeignet zur Ermittlung des Ermüdungsgrades in üblichen Maschinenteilen, ebenso wie in verschiedenen Konstruktionsmaterialien, beispielsweise für Anlagen, Gebäude, Luftfahrzeuge, Schiffe, Kraftfahrzeuge, Kernreaktoren und deren begleitende Ausrüstung und die Erfindung ist auf alle zu untersuchenden Materialien anwendbar, welche nicht nur solche Metalle, wie rostfreie Stähle und rostfreie Stahllegierungen, umfassen, sondern auch jene Materialien, die eine übliche Kristallstruktur besitzen.

Die oben beschriebenen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels nicht begrenzender Natur in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, welche die Art zeigt, in der die Messung der gebeugten Röntgenstrahlintensität an einem zu untersuchenden Material und einem Vergleichsstück in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird;

Fig. 2 zeigt eine an dem Vergleichsstück erhaltene typische Ermüdungskennlinie;

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die äußere Gestalt und Größe (in Einheiten von mm) des Vergleichsstücks;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, welche die Hauptteile einer Apparatur zur wiederholten Ausübung einer Rotationsbiegungsbeanspruchung als sich wiederholende Beanspruchung auf das Vergleichsstück zeigt;

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, in welcher die gebeugten Röntgenstrahlmaximalwerte in der Ebene (110) des Vergleichsstückes gegen die Anzahl der Zeitpunkte der Ausübung der Rotationsbiegungsbeanspruchung aufgetragen sind;

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung analog der graphischen Darstellung von Fig. 5, in welcher der Maßstab der Abszisse durch die Anzahl der Zeitpunkte der Beanspruchungsanwendung, welche zu einem Bruch führt, normalisiert ist und in ähnlicher Weise der Maßstab der Ordinate durch die Ausgangswerte für die gebeugten Röntgenstrahlmaximalwerte normalisiert ist.

Das in Fig. 1 dargestellte Meßobjekt 11 ist ein zu untersuchendes Material oder ein Vergleichsstück, das von einem von einer Röntgenstrahlenquelle 12 ausgehenden Röntgenstrahlbündel 13 mit einem Einfallswinkel R auf einem auszumessenden Teilstück an der Oberfläche des Objektes 11 bestrahlt wird. Ein gebeugtes Röntgenstrahlbündel 14 mit einem Beugungswinkel R geht von dem bestrahlten Teilstück aus und wird auf einen Röntgenstrahlendetektor 15 gerichtet. Der Detektor 15 führt ein Erfassungssignal einer nicht dargestellten das gemessene Signal verarbeitenden Einheit zu, durch welche ein Maximalwert des unter dem Beugungswinkel R von dem bestrahlten Teilstück ausgehenden gebeugten Röntgenstrahlbündels und ebenso die Daten der Meßstelle ermittelt werden.

Die spezifischen Operationen, die für die Hauptmessungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt werden, umfassen die folgenden Verfahren:

Verfahren 1: Nach dem Herstellen eines Vergleichsstücks mit einer Beschaffenheit, die einem Objekt, das einem Grad einer Ermüdungsentwicklung unterworfen ist, oder einem zu untersuchenden Material entspricht, wird mindestens eine von verschiedenen Arten sich wiederholender Beanspruchungen, die für die genutzte Umgebung des zu untersuchenden Materials vorausgesagt sind, wie beispielsweise Biegen, Ziehen und Stauchen, Verdrehen und Stoßen auf das Vergleichsstück angewendet und es wird ein Spitzenwert der gebeugten Röntgenstrahlintensität mittels einer Röntgenstrahlbeugungsmessung bei einem spezifischen Beugungswinkel gemessen, wenn ein bestimmter integrierter Betrag der angewendeten sich wiederholenden Beanspruchung erreicht ist. Dieser integrierte Betrag wird durch eine Anzahl von Beanspruchungsanwendungen, beispielsweise die Anzahl der Biegungsvorgänge repräsentiert.

Verfahren 2: Der sich ergebende Spitzenwert der Intensität des gebeugten Röntgenstrahlbündels (Peak-Maximalwert oder Peak-Fläche) und die dann laufende Nummer der Beanspruchungsanwendungen werden in ein rechtwinkliges Koordinatensystem eingetragen. Es wird darauf hingewiesen, daß diese Operation beispielsweise mittels einer Datenverarbeitung innerhalb des der Meßapparatur hinzugefügten Computers durchgeführt werden kann.

Verfahren 3: Durch die jeweilige Wiederholung der Verfahren 1 und 2 mit Intervallen verschiedener Anzahl von Beanspruchungsanwendungen wird eine Kennlinie (Ermüdungskennlinie) erhalten, welche die Beziehung zwischen der Anzahl der Beanspruchungsanwendungen und dem gebeugten Röntgenstrahlintensitäten zeigt. Fig. 2 zeigt ein Beispiel der sich ergebenden Ermüdungskennlinie und Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Gestalt und Größe des Vergleichsstückes.

Verfahren 4: Die gleiche Messung gebeugter Röntgenstrahlen wie in Verfahren 1 wird an dem zu untersuchenden Material durchgeführt, um einen Wert für die erste Intensität gebeugter Röntgenstrahlen zu erhalten.

Verfahren 5: An dem zu untersuchenden Material wird dieselbe Messung gebeugter Röntgenstrahlen in der gleichen Weise wie in Verfahren 4 durchgeführt, nachdem die sich wiederholende Beanspruchung in der Nutzungsumgebung innerhalb eines gewissen Zeitraums angewendet wurde, um den zweiten Wert für die Intensität der gebeugten Röntgenstrahlen zu erhalten.

Verfahren 6: In Übereinstimmung mit dem Verhältnis des ersten durch Verfahren 4 erhaltenen Wertes zum zweiten durch Verfahren 5 erhaltenen Wertes wird die Änderungsrate der gebeugten Röntgenstrahlintensität für das der Oberprüfung unterworfenen Material erhalten.

In Übereinstimmung mit der durch das Verfahren 6 erhaltenen Änderungsrate und der durch das Verfahren 3 erhaltenen Ermüdungskennlinie ist es nun möglich, den Ermüdungsgrad in dem zu untersuchenden Material zu bestimmen.

Der Ermüdungsgrad kann beispielsweise in der folgenden Weise erhalten werden:

In der Darstellung nach Fig. 2 repräsentiert die Abszisse N die Anzahl der Beanspruchungsanwendungen auf das Vergleichsstück und die Ordinate I repräsentiert die gebeugte Röntgenstrahlintensität. Unter der Annahme, daß IA und IB jeweils gebeugte Röntgenstrahlintensitäten repräsentieren, die gemessen werden, wenn die Anzahl der Beanspruchungsanwendungen jeweils NA und NB ist, wird die Änderungsrate (ΔI/ΔN) der gebeugten Röntgenstrahlintensität in Bezug zur Anzahl der Beanspruchungsanwendungen während des Intervalls durch die folgende Gleichung gegeben:

ΔI/ΔN=(IB-IA)/(NB-NA).

Im Fall der Fig. 2 wird beispielsweise die Änderungsrate negativ, bevor die Anzahl der Anwendungen den Wert NCerreicht, der ein Minimum der gebeugten Röntgenstrahlintensität anzeigt und sie erreicht bei der Anzahl NC der Anwendungen den Wert 0. Die Änderungsrate wird nach Überschreiten der Zahl NC der Anwendungen positiv.

Deshalb ist es durch Bestimmung mindestens des Vorzeichens der Änderungsrate (ΔI/ΔN), welches durch das Verfahren 6 erhalten wird, möglich zu erkennen, ob der Ermüdungsgrad im Material im Bereich vor oder nach der Anzahl NC von Anwendungen liegt, welche das Minimum der gebeugten Röntgenstrahlintensität auf der Ermüdungskennlinie anzeigt, welche am Vergleichsstück erhalten wurde und die verbleibende Lebensdauer (der Ermüdungsgrad) bin hin zur Anzahl Nf von Beanspruchungsanwendungen oder der Punkt des Ermüdungsbruches können aus der Ermüdungskennlinie mit einem bemerkenswert hohen Grad von Genauigkeit vorausgesagt werden. Natürlich zeigt sich in Abhängigkeit von der Qualität oder dergleichen des individuellen Konstruktionsmaterials als zu untersuchendes Material ein zum Ermüdungsbruchpunkt auf der Ermüdungskennlinie führendes Vorzeichen selbst in der Größe der Änderungsrate oder dergleichen und somit ist es auch möglich, die verbleibende Lebensdauer des Materials aus der Größe der Änderungsrate zu ermitteln.

Was das Intervall (ΔN) betrifft, in dem die Ermittelung des Ermüdungsgrades tatsächlich an dem zu untersuchenden Material durchgeführt wird, so ist darauf hinzuweisen, daß es vorzuziehen ist, das erforderliche Intervall aus der im voraus für das entsprechende Vergleichsstück erhaltenen Ermüdungskennlinie zu bestimmen.

Während diese Ermüdungskennlinie sich in Abhängigkeit von der Qualität, dem Bearbeitungsgrad, dem Ermüdungszustand usw., ändert, ist es, wenn die Ermüdungskennlinie im voraus durch die notwendigen Ermüdungszustände normalisiert wird, möglich, den Ermüdungsgrad und die verbleibende Lebensdauer in Übereinstimmung mit der normalisierten Ermüdungskennlinie im Hinblick auf zu untersuchende Materialien, die sich in Qualität, Bearbeitungsgrad, Ermüdungszustand usw., unterscheiden zu bestimmen. Mit anderen Worten, kann beispielsweise durch eine Verwendung der Verhältnisse, die durch Dividieren der Anzahl der Beanspruchungsanwendungen auf der Abszisse von Fig. 2 durch die Anzahl der Beanspruchungsanwendungen am Ermüdungsbruchpunkt erhalten werden und durch Verwendung der Verhältnisse, welche durch Dividieren der gebeugten Röntgenstrahlintensitäten auf der Ordinate durch die gebeugte Röntgenstrahlintensität (Anfangswert), die erhalten wird, wenn noch keine Beanspruchungsanwendung stattfand, erhalten werden, die geforderte Ermüdungskennlinie für Materialien mit unterschiedlichen Belastungsbeanspruchungen durch die einzige normalisierte Ermüdungskennlinie ersetzt werden.

Beispiele

Die Ermittlung des Ermüdungsgrades durch Messung gebeugter Röntgenstrahlung wurde an einem Bauelement eines Kernreaktors durchgeführt, das aus einem hitzebeständigen Legierungsmaterial mit hohem Nickelanteil (Handelsname: Inconel 718, FCC-Kristall) bestand.

Es wurden zwei Vergleichsstücke 1 gleicher Gestalt und Größe, wie in Fig. 3 dargestellt, aus dem gleichen Legierungsmaterial hergestellt. Eine sich wiederholende Rotationsbiegungsbeanspruchung wurde auf diese Vergleichsstücke 1 durch die in Fig. 4 dargestellte Ermüdungstestmaschine angewendet. Genauer gesagt, besitzt diese Ermüdungstestmaschine, wie in Fig. 4 gezeigt, Lager 4a und 4b, die jeweils kippbar an Auflagerpunkten 6a und 6b unterstützt und einander gegenüberliegend angeordnet waren, sowie Rotationsspannfutter 2a und 2b&min; die jeweils drehbar von diesen Lagern getragen wurden, einen Motor 5, um das Rotationsspannfutter 2a in Rotation zu versetzen und ein Gewicht 3 zum Anlegen einer Last, um eine Biegungsbeanspruchung zu bewirken, welche auf das zwischen den Lagern gehalterte Vergleichsstück 1 einwirkt.

Bei in die Spannfutter 2a und 2b eingespannten Enden des Vergleichsstücks 1 wurde eine Last an das Vergleichsstück 1 angelegt, während dieses durch den Motor 5 gedreht wurde und eine Rotationsbiegebeanspruchung, die sich bei jeder Drehung wiederholte, wurde auf das Vergleichsstück 1 angewendet, wodurch ein Ermüdungstest durch die sogenannte Rotationsbiegung ausgeführt wurde. Die auf eines der Vergleichsstücke durch das Gewicht ausgeübte Belastung betrug 75 kg/mm2 und die auf das andere Vergleichsstück ausgeübte Belastung betrug 80 kg/mm2 (die beiden Belastungen entsprachen den ermittelten maximalen Beanspruchungswerten). Die Rotationsfrequenz betrug 30 Hz in beiden Fällen.

Die Messung der gebeugten Röntgenstrahlen wurde in der folgenden Weise durchgeführt. Mit anderen Worten, eine als Röntgenstrahlquelle benutzte Röntgenröhre eines Röntgenstrahlen-Diffraktometers war eine Cu-Röhren-Lampe (mit einem Monochrometer) und die Wellenlängen der durch das Auftreffen des erregenden Elektronenstrahlbündels auf das Cu (Kupfer)-Target wurden durch die Siebung mittels des Monochrometers, das einen Graphit-Monokristall aufwies, gleichförmig gemacht Genauer betrugen die Röhrenspannung und der Röhrenstrom jeweils 40 kV und 40 mA und die Röntgenstrahlen wurden nach dem Verfahren des konzentrierten Bündels unter Verwendung eines Schlitzes auf das Teststück aufgestrahlt. An der Empfangsseite des Röntgenstrahl-Diffraktometers wurden die gebeugten Röntgenstrahlen durch Abtasten mit einem Röntgenstrahlenzähler über einen Bereich von mehreren Grad mit dem Peak der von dem bestrahlten Teilstück erzeugten gebeugten Röntgenstrahlen im Mittelpunkt gezählt. In diesem Zeitraum war die Abtastrate 1,0 Grad/min. und der Abtastschritt betrug 0,002 Grad. Es wird bemerkt, daß die Messung der gebeugten Röntgenstrahlen unter Entfernung des Teststückes aus der Ermüdungstestmaschine während des Ermüdungstestes durchgeführt wurde, wie es der Anlaß erforderte.

Fig. 5 zeigt ein Ermüdungskennliniendiagramm, in welchem die Spitzenwerte der von der FCC-Kristall-Ebene (111) des Vergleichsstückes gebeugten Röntgenstrahlen gegen die Anzahl der Anwendungen der Rotationsbiegung aufgetragen sind. In der Zeichnung bedeuten die Punkte ▵ wie das Meßergebnis bei einer angelegten Last von 75 kg/mm2 aussieht und die Punkte □ zeigen wie das Meßergebnis aussieht bei einer angelegten Last von 80 kg/mm2. Weiterhin bezeichnet das Symbol Io die Ausgangswerte und das Zeichen F den Punkt des Ermüdungsbruchs. In beiden Fällen der angelegten Lasten zeigt der Spitzenwert die charakteristische Änderung eines schnellen Abfalls und Wiederanstiegs vor dem Punkt des Ermüdungsbruchs.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die der Darstellung nach Fig. 5 entspricht, in welcher die Ordinate und die Abszisse kalibriert sind, indem sie durch normalisierte Maßstäbe repräsentiert werden (beispielsweise ist die Abszissenskala dividiert durch die Anzahl der Rotationsbiegungsanwendungen NF am Bruchpunkt und die Ordinatenskala ist dividiert durch die Ausgangsspitzenwerte Io).

Während in Fig. 5 der Ausgangsspitzenwert und die Anzahl der Biegungen am Bruchpunkt für die jeweils angelegten Lasten getrennt angezeigt sind, ist es möglich, sie, wie oben bemerkt, zu normalisieren und sie dadurch durch eine einzige Ermüdungskennlinie, wie in Fig. 6 gezeigt, darzustellen. Mit anderen Worten, aus Fig. 6 kann erkannt werden, daß beispielsweise, wenn die Änderungsrate des Spitzenwertverhältnisses (I/Io) im Hinblick auf die Zahl des Biegungsverhältnisses (N/Nf) 0 ist, das Ermüdungs-Lebensdauer-Verhältnis 0,75 ist, was bedeutet, daß 75% der Lebensdauer bis zum Ermüdungsbruch erreicht sind. Es wird darauf hingewiesen, daß, während bei dieser Ausführungsform die Peak-Niveaus der gebeugten Röntgenstrahlen gemessen wurden, Kurven mit ähnlicher Tendenz erhalten werden können, indem die Peak-Flächen gemessen werden. In der Tat wurde unter Verwendung der Sonde für gebeugte Röntgenstrahlen die Messung der gebeugten Röntgenstrahlen zweimal innerhalb eines gegebenen Zeitintervalls an dem Konstruktionselement aus der obenerwähnten Legierung, das in einer Kernreaktoranlage verwendet wurde, unter äquivalenten Meßbedingungen durchgeführt und die Bestimmung der Änderungsrate des Spitzenwertes der gebeugten Röntgenstrahlen während des Intervalls ergab einen negativen Wert. Aufgrund dieser Tatsache wurde herausgefunden, daß das Ermüdungs-Lebens- Verhältnis dieses Konstruktionselementes noch kleiner als 75% war.

Die vorliegende Erfindung ist in der Hauptsache zur Ermittlung der Ermüdung in Konstruktionsmaterialien verwendbar, die in der Anwendung von sich wiederholender Beanspruchung ausgesetzt sind. Wenn es jedoch möglich ist, durch Messung gebeugter Röntgenstrahlen Vergleichs- Hysterecharakteristiken im Hinblick auf beispielsweise die Kriechdehnung, die Warmrißanfälligkeit, die Versprödung durch radioaktive Strahlung usw. von Konstruktionsmaterialien zu erhalten, ist es denkbar, daß in einem analogen Vorgehen Verfahren zur Ermittlung ihrer Lebensdauer entwickelt werden können.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Ermittlung des Ermüdungsgrades in einem Konstruktionsmaterial, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    1. - Ausführen eines Ermüdungstests an einem Vergleichsstück, das eine dem zu untersuchenden Material entsprechende Beschaffenheit aufweist;
    2. - Bestrahlen des besagten Vergleichsstücks mit einem Röntgenstrahlbündel zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten während des besagten Ermüdungstests, um die Intensität eines in einem vorgegebenen Beugungswinkel gebeugten, von einem bestrahlten Teilstück erzeugten Röntgenstrahlbündels zu messen;
    3. - Aufnehmen einer Ermüdungskennlinie, die einer Beziehung zwischen integrierten Beträgen sich wiederholender Beanspruchungen und besagten gebeugten Röntgenstrahlintensitäten entspricht, die durch den besagten Ermüdungstest aus den besagten Messungen erhalten werden;
    4. - Bestrahlen eines auszumessenden Teilstücks des zu untersuchenden Materials mit besagtem Röntgenstrahlbündel, um die Intensität eines in den besagten Beugungswinkel gebeugten, von dem besagten auszumessenden Teilstück erzeugten Röntgenstrahlbündels zu messen; und
    5. - Bestimmen des Ermüdungsgrades in dem besagten zu untersuchenden Material durch Vergleichen einer Änderungsrate zwischen den besagten gebeugten Röntgenstrahlbündeln, die an dem besagten Material zu mindestens zwei Zeitpunkten gemessen wurden, zwischen denen die Anwendung einer vorgegebenen Art sich wiederholender Beanspruchung auf einen genutzten Bereich des besagten Materials ausgeübt wurde, mit der besagten Ermüdungskennlinie.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine einer Mehrzahl von vorgegebenen Arten sich wiederholender Beanspruchungen, die für den genutzten Bereich des besagten zu untersuchenden Materials vorausgesagt sind, wie Biegen, Ziehen, Stauchen, Verdrehen und Stoßen, auf das besagte Vergleichsstück mit einer dem besagten Material entsprechenden Beschaffenheit während des Ermüdungstests angewendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Beanspruchungsanwendungen als der besagte integrierte Betrag sich wiederholender Beanspruchungen verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Verfahrensschritt des Messens der Intensität eines gebeugten Röntgenstrahlenbündels einen Verfahrensschritt enthält, gemäß dem das besagte Vergleichsstück mit einem Röntgenstrahlenbündel zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten bestrahlt wird, die in einem Zeitintervall zwischen einem Zeitpunkt, an dem die Anwendung der besagten sich wiederholenden Beanspruchungen auf das besagte Vergleichsstück beginnt, und einem Zeitpunkt, an dem am besagten Vergleichsstück ein Bruch auftritt, liegen und die Intensitäten von in einen vorgegebenen Beugungswinkel gebeugten, von dem besagten bestrahlten Teilstück erzeugten Röntgenstrahlenbündeln gemessen werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Röntgenstrahlbeugung an einem oder dem anderen der besagten Vergleichsstücke und an dem besagten zu untersuchenden Material durch Messung der gebeugten Röntgenstrahlspitzenniveaus oder -amplituden bewirkt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Röntgenstrahlbeugung an einem oder dem anderen der besagten Vergleichsstücke und an dem besagten zu untersuchenden Material durch Messung der gebeugten Röntgenstrahlspitzenflächen oder -energien bewirkt wird.






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