DE10023752B4

DE10023752B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters eines Prüfkörpers

Info

Publication number: DE10023752B4
Application number: DE2000123752
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Phys. Uhlig; Monika Prof. Dr.rer.nat. Bauer; Olaf Dipl.-Phys. Kahle; Dietmar Dr.rer.nat. Vogel; Bernhard Dipl.-Phys. Wieneke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: WO2001088502A9; WO2001088502A3; WO2001088502A2; DE10023752A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Bruchzähigkeit eines Prüfkörpers, mit folgenden Schritten:
a) Durchführen eines bruchmechanischen Tests zur Initiierung von Rißausbreitung ausgehend von einem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper, bei dem der Prüfkörper einer Verformung mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit unterworfen wird;
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 der Bruchzähigkeit auf der Grundlage der während der Rißinitiierung und während der Rißausbreitung als eine Funktion der Zeit ermittelten Rißlänge und der auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichneten Kraft, die während des bruchmechanischen Tests auf den Prüfkörper ausgeübt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung zumindest eines bruchmechanischen Materialparameters, wie z.B. des kritischen Spannungsintensitätsfaktors oder der kritischen Dehnungsenergiefreisetzungrate, unter Verwendung 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 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 Rißlänge 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 Spannungsintensitätsfaktors K_Ic und/oder der kritischen Dehnungsenergiefreisetzungsrate G_Ic 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 die bisherige manuelle Testpraxis ersetzen wird, deren Durchführung sich einfacher als die manu elle 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 DE 4127116 A1 bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Messen mechanischer Werkstoff kennwerte von Prüfkörpern. Zu diesem Zweck offenbart diese Schrift unterschiedliche Versuchsaufbauten, beispielsweise unterschiedliche Biegeversuche oder einen Hertzschen Kegelbruch-Versuch. Bei den dort beschriebenen Verbsuchsaufbauten wird jeweils bei unterschiedlichen Krafteinträgen, beispielsweise schwellenden, zyklischen oder konstanten bzw. pulsierenden, konstant anwachsenden oder konstanten, die Rissbreite als Funktion der Zeit und der Kraft erfasst. Ruf der Grundlage der Rissbreite werden dann bruchmechanische und energetische Werkstoff kennwerte ermittelt.

Bei R. Plank u. G. Kuhn, „Atom. Risslängenmessung bei Ermüdungsrißausbreitung unter Mixed-Mode-Beanspruchung", tm, Techn. Messen 63 (1996) 2, S. 51 bis 55, ist eine automatisierte Risslängenmessung bei Ermüdungsrissausbreitung unter einer Mixed-Mode-Beanspruchung beschrieben.

Aus der US 47 16 459 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Messen einer Rissspitzenposition bekannt. Ein Videosignal einer Videokamera, welche die Oberfläche einer beanspruchten Probe, in der sich ein Riß ausbreitet, erfasst, wird hochpassgefiltert und binär codiert. Durch eine Rauschentfernungsschaltung wird der Ort des Risses und einer Rißspitze des Risses bestimmt.

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 oder 9 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 12 gelöst.

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 Grauwertkorrelationsverfahren 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 Dehnungsenergiefreisetzungsrate 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 des 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 Spezialkenntnisse 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 Spannungsintensitätsfaktor, K_Ic, und/oder die kritische Dehnungsenergiefreisetzungsrate, G_Ic, 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 K_Ic-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 K_Ic oder G_Ic, 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 Bruchzähigkeit 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:
1a) und 1b) schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführten digitalen Bildauswerteverfahrens;
2a) bis 2d) schematische Graphen zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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 K_Ic oder auch in entsprechenden Formeln zur Berechnung von G_Ic 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 physikochemische 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 Analog/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 (1a)) 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 1b) dargestellt. Im gezeigten Beispiel ist dies bereits ausreichend, um andere Strukturen verschwinden zu lassen und nur den Riß aus 1a) herauszufiltern. Durch geeignete Segmentierungsroutinen wird dann das längste Bogensegment gesucht und als Riß ausgewertet. Die x-Koordinate des (im 1b)) 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 x₁-x₀, skaliert werden, sondern auch x_o 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. Darüberhinaus 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 K_Ic gemäß K_Ic = P_c/(b·sqrt(w))·f(a/w) berechnet, wobei P_c die Kraft ist, a die Rißlänge ist, b die Dicke des Prüfkörpers ist und w bzw. f(a/w) eine probengeometrieabhängige Größe bzw. Funktion sind, wobei diese für einige Standardgeometrien definiert bzw. bekannt sind, und als Funktion der Rißlänge aufgetragen werden, Kurve 14 in 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 2a) schematisch dargestellt, gemäß der Area-Methode von Gurney und Hunt, die Fläche eines Dreieckssegmen tes ΔU bestimmt, und durch den dieser Dreiecksfläche zuordenbaren Rißfortschritt Δa geteilt, wobei der Rißfortschritt als Kurve 12 in 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 G_Ic ist in 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 G_Ic 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 K_Ic 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 Spezialkenntnisse 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 nicht-idealen 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 K_Ic ist in 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 K_Ic höher ist als in der Phase der Rißausbreitung 22, wo sich der Wert von K_Ic dem intrinsischen Materialwert nähert, der bei dem dargestellten Beispiel bei einem Wert von etwa 0,7 MN m^–3/2 liegt. Am rechten Rand des Graphen von 3 zeigt sich eine Streuung des ermittelten K_Ic-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 K_Ic bestimmt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ohne großen Aufwand ohne weiteres möglich, zuverlässig "nicht-ideale" Anrisse von idealen zu unterscheiden, da solche Fälle durch einen höheren Wert von K_Ic und G_Ic 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 Dehnungsenergiefreisetzungsrate G_I _c 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

Verfahren zur Bestimmung der Bruchzähigkeit eines Prüfkörpers, mit folgenden Schritten: a) Durchführen eines bruchmechanischen Tests zur Initiierung von Rißausbreitung ausgehend von einem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper, bei dem der Prüfkörper einer Verformung mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit unterworfen wird; 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 der Bruchzähigkeit auf der Grundlage der während der Rißinitiierung und während der Rißausbreitung als eine Funktion der Zeit ermittelten Rißlänge und der auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichneten Kraft, die während des bruchmechanischen Tests auf den Prüfkörper ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kraft synchron zur Aufnahme der Mehrzahl von Bildern erfaßt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ferner eine Verformung des Prüfkörpers und/oder die Temperatur des Prüfkörpers und/oder der Umgebung aufgezeichnet wird.
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.
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 binarisierten, gefilterten Helligkeitsgradientenbildern.
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.
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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zum Bestimmen der Bruchzähigkeit der kritische Spannungsintensitätsfaktor (K_Ic) und/oder die kritische Dehnungsenergiefreisetzungsrate (G_Ic) bestimmt wird.
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, mit folgenden Teilschritten: 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 binarisierten, gefilterten Helligkeitsgradientenbildern; 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.
Vorrichtung zur Bestimmung der Bruchzähigkeit eines Prüfkörpers, mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung zum Durchführen eines bruchmechanischen Tests zur Initiierung von Rißausbreitung ausgehend von einem vorhandenen Anriß in einem Prüfkörper, bei dem der Prüfkörper einer Verformung mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit unterworfen wird; 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 der Bruchzähigkeit auf der Grundlage der während der Rißinitiierung und während der Rißausbreitung als eine Funktion der Zeit ermittelten Rißlänge und der auf der gleichen Zeitbasis aufgezeichneten Kraft, die während des bruchmechanischen Tests auf den Prüfkörper ausgeübt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner dafür vorgesehen ist, die Verformung des Prüfkörpers und/oder die Temperatur des Prüfkörpers und/oder der Umgebung aufzuzeichnen.
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, mit: einem digitalen Kantenfilter zum Hervorheben des Rißes in Helligkeitsgradientenbildern; einer Binarisierungseinrichtung zum Binarisieren der gefilterten Helligkeitsgradientenbilder unter Verwendung eines Schwellwerts zur Beseitigung von Störstrukturen; und einer Einrichtung zum Bestimmen der Position der Rißspitze aus den binarisierten, gefilterten Helligkeitsbildern; 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.