DE19904448A1

DE19904448A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung mechanischer Eigenschaften von Objektbereichen

Info

Publication number: DE19904448A1
Application number: DE1999104448
Authority: DE
Inventors: Murat Bajozitovic Bakirov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2000-08-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Objektbereichen von Bauelementen, bei welchem mit wenigstens einem Indentor auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches dynamisch während eines Indentiervorganges eingewirkt wird; DOLLAR A bei welchem über wenigstens einen Teil der Bewegungsstrecke des Indentors für den Indentiervorgang ein magnetisches Feld angelegt wird, DOLLAR A bei welchem wenigstens eine, die Bewegung des Indentors wenigstens mittelbar charakterisierende Größe aus wenigstens einer, die Änderung des an die Bewegungsstrecke des Indentors angelegten magnetischen Feldes charakterisierenden Größe ermittelt wird; DOLLAR A bei welchem die mechanischen Eigenschaften aus den, die Bewegung des Indentors während des Indentiervorganges beschreibenden Größen und/oder die Eigenschaften des Indentors beschreibenden Größen, ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung von mechanischen Werkstoffeigenschaften an Objektbereichen von Bauelementen, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung von mechanischen Werkstoffeigenschaften an Bauelementen aus Polymerstoffen, insbesondere der Feststellung einer die dynamische Festigkeit wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe zur Abschätzung des technischen Zustandes von Polymerstoffen, insbesondere von polymerumhüllten Kontrollkabeln oder ein Härtefeststellungsverfahren für Artikel aus viskoseelastischen Stoffen; des weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren.

Es sind eine Vielzahl von Anwendungen von Polymerstoffen bekannt, welche sich über alle Industriezweige erstrecken. Dies ist in erster Linie durch die Vielseitigkeit der mechanischen Eigenschaften dieser Stoffe bedingt. Aufgrund des molekularen Aufbaus weisen diese gegenüber Stoffen mit atomaren Aufbau, wie Metallen, eine relativ niedrige Festigkeit, einen niedrigen Elastizitätsmodul bzw. geringe Steifigkeit sowie Zeitabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften, insbesondere wird diesbezüglich auf die Vorgänge Entspannen und Kriechen verwiesen, eine starke Temperaturabhängigkeit dieser Eigenschaften, eine hohe Wärmeausdehnung und geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Da Polymerstoffe relativ hohe Fließgrenzen und einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweisen, gewährleisten sie einen zuverlässigen Einsatz der aus diesen Materialien hergestellten Erzeugnisse in Anwendungsgebieten mit ziemlich großen Deformationen. Da die mechanischen Eigenschaften der Polymerstoffe erheblich von Außenfaktoren beeinflußbar sind, kann die Benutzung über eine längere Zeitdauer oder deren Aufbewahrung zu Problemen führen, insbesondere wenn diese Außenfaktoren bzw. Randbedingungen die mechanischen Eigenschaften ungünstig beeinflußen. Daraus resultiert die Notwendigkeit der Durchführung von Stoffkontrollen. Zu den im wesentlichen zu berücksichtigenden Außenfaktoren zählen die Temperatur, die Feuchtigkeit, die auftretenden Belastungen, auftretende Strahlungen, Alterung oder Weichmacherwanderung etc. Die mechanischen Werkstoffkennwerte, die durch die Grenzspannungen oder Grenzverformungen gekennzeichnet sind, werden im wesentlichen durch die Größen Festigkeit bzw. Härte und Elastizität charakterisiert.

Da die Eigenschaften von Werkstücken aus Polymerstoffen des weiteren sehr stark abhängig von den Herstellungsbedingungen sind, sind beispielsweise die an getrennt hergestellten Probekörpern im Sinne von Herstellung bei unterschiedlichen Herstellungsbedingungen ermittelten Kennwerte nicht ohne weiteres auf das Verhalten von Ganzformteilen aus Polymeren zu übertragen. Es wird daher zwischen der Prüfung von getrennt hergestellten Probekörpern, der Prüfung von Probekörpern, die aus Formteilen entnommen werden, und der Prüfung der gesamten Formteile unterschieden.

Verfahren zur Kennwertermittlung an Probekörpern sind beispielsweise in Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau; Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokio, Hong Kong, Barcelona, Budapest, 18. Auflage, Seiten E 64 bis E 66, beschrieben. Bei diesen Verfahren handelt es sich überwiegend um statische Kurz- oder Langzeitversuche oder um dynamische Schlag- oder Dauerversuche, welche mit der Zerstörung des Probekörpers einhergehen.

Bei der Prüfung von Fertigteilen wird zwischen den zerstörungsfreien Prüfverfahren und den zerstörenden Prüfverfahren unterschieden.

Zu den Prüfverfahren mit Zerstörung des Probekörpers können die nachfolgend genannten Prüfverfahren gezählt werden:

- Warmlagerungsversuch
- Beurteilung des Spannungsrißverhaltens
- lichtmikroskopische Gefügeuntersuchungen
- Ermittlung von Füllstofforientierungen durch Auflichtbetrachtung von Schliffen
- Beständigkeitsprüfungen
- Stoß- und Fallversuche.

Bei dieser Art der Werkstoffprüfung sind an Fertigteilen höchstens Stichprobenprüfungen möglich, die dann nach den Regeln der Statistik ausgewertet werden. Durch Gebrauchsprüfungen der gesamten Formteile kann das Verhalten unter Betriebsbedingungen ermittelt werden. Zur Zeitraffung werden dabei einzelne Prüfparameter gezielt erhöht, wobei allerdings beachtet werden muß, daß die Belastungsart bei der beschleunigten Prüfung der dem praktischen Einsatzfall entsprechen muß. Als Prüfverfahren ohne Zerstörung des Prüfkörpers sind nachfolgend genannte Verfahren bekannt:

- Sichtkontrolle
- Prüfung des Formteilgewichtes
- Maßprüfungen
- spannungsoptische Untersuchungen an durchsichtigen Formteilen

Die bekannten zerstörungsfreien Prüfverfahren ermöglichen lediglich eine sehr beschränkte Beurteilung des Zustandes des zu prüfenden Bauteiles, insbesondere können keine detaillierten und korrekten Aussagen über die Größe der einzelnen, die mechanischen Eigenschaften beschreibenden Kennwerte gegeben werden.

Eines der zur Zeit häufig verwendeten Bewertungsverfahren der mechanischen Eigenschaften von Polymerstoffen ist das sogenannte Indentierverfahren. Bei diesem Verfahren wird in das zu untersuchende Probestück ein Indentor mit einer sphärischen oder anderen Form entsprechend einem im voraus festgelegten Programm eingeführt. In letzter Zeit wurden dazu auch eine Reihe von Bewertungsverfahren der mechanischen Eigenschaften von Polymerstoffen unter Schlagversuchsverhältnissen vorgeschlagen. Solche Versuche werden an speziell dafür vorgesehenen Probestücken durchgeführt. Die mechanischen Charakteristiken, die entsprechend der verschiedenen Methoden erhalten werden, unterscheiden sich in der Regel immer durch einen absoluten Wert voneinander. Ein wesentliches Problem stellt dabei auch die Durchführung der mechanischen Prüfung von Polymerstoffen bzw. Bauteilen aus Polymerstoffen nach den unterschiedlichen Standards dar, die zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Insbesondere weichen die Standards für die Festlegung und Definition der Versuchsrandbedingungen in den einzelnen Ländern stark voneinander ab, was den Vergleich der ermittelten Festigkeitswerte verkompliziert und Prognosen über die zu erwartende Lebensdauer bzw. Nutzdauer stark erschwert und manchmal sogar unmöglich erscheinen läßt.

Ein spezielles Verfahren zur Feststellung der Härte viskoseelastischer Stoffe ist beispielsweise aus der Druckschrift A. Malkin, A. Askadski, V. Korwiga: "Messungsmethoden für mechanische Eigenschaften von Polymeren" bekannt.

Das in dieser Druckschrift beschriebene Härtefeststellungsverfahren für viskoseelastische Stoffe basiert auf der Einführung einer starren Federspitze in den zu prüfenden Stoff. Der Stoffhärtegrad wird dann nach der Eindringtiefe bewertet. Diese Methode, die nach dem Prinzip und mit den Geräten nach Shor realisiert wird, weist jedoch einen begrenzten Anwendungsbereich auf, welcher auf sehr dicke und flache Artikel beschränkt ist. Diese Methode ist jedoch in keiner Weise zur Kontrolle von sehr dünnen Hüllen mit einem Durchmesser bis beispielsweise 1 mm geeignet. Des weiteren ist es aufgrund der Ungenauigkeit der Stützflächenbereitstellung ziemlich kompliziert und zum Teil unmöglich, mittels dieser Methode Artikel zu prüfen, die eine komplizierte Konfiguration aufweisen. Diese Artikel könnten sich beispielsweise durchbiegen. Die Problematik besteht dann darin, den Bezugspunkt in Relation zur Eindrücktiefe zu bestimmen.

Eine andere Lösung zur Feststellung der Härte, allerdings nur für Artikel aus metallischen Werkstoffen, ist aus der GB 1485218 bekannt. Diese Druckschrift offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Härtefeststellung von Metallartikeln, welches auf den nachfolgend genannten Verfahrensschritten basiert:

- Schlageindringen eines Schlagbolzens-Indentors in den zu prüfenden Werkstoff;
- Messung der Vorschlagsgeschwindigkeit des Indentors;
- Messung der maximalen Rücksprunggeschwindigkeit;
- Feststellung der Verhältnisse aus den ermittelten Größen, nach welchen die Stoffhärte bewertet wird.

Das Prinzip dieses Verfahrens ist jedoch zur Härtemessung von viskoseelastischen Stoffen nicht geeignet, da es die Einflüsse der viskosen Stoffeigenschaften nicht berücksichtigt. Aufgrund des molekularen Aufbaus weisen diese gegenüber Stoffen mit atomaren Aufbau, wie Metallen, eine relativ niedrige Festigkeit, einen niedrigen Elastizitätsmodul bzw. geringe Steifigkeit sowie Zeitabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften; insbesondere wird diesbezüglich auf die Vorgänge Entspannen und Kriechen verwiesen, eine starke Temperaturabhängigkeit dieser Eigenschaften, eine hohe Wärmeausdehnung und eine geringe Wärmeleitfähigkeit, auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, allgemein ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung mechanischer Eigenschaften von Objektbereichen, insbesondere an Bauelementen, unabhängig vom verwendeten Material zu entwickeln, welches es erlaubt, anhand der ermittelten Größen auf die Verfügbarkeit und Lebensdauer der Bauelemente zu schließen. Das erfindungsgemäße Verfahren soll dabei jederzeit während eines beabsichtigten Betriebszykluses eingesetzt werden können, um unabhängig vom gewählten Prüfzeitpunkt detaillierte Aussagen insbesondere über die verbleibende Restlebensdauer und die ertragbaren Belastungen zu treffen.

Der Erfindung liegt im besonderen die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der dynamischen Festigkeit für die Abschätzung des technischen Zustandes an einem Objekt bzw. zu prüfenden Bauelement aus viskoseelastischem Werkstoff bzw. Polymerstoffen, derart weiterzuentwickeln, daß die Nachteile der für diese genannten Prüfverfahren vermieden werden. Als wesentliche Anforderung an das Verfahren steht dabei die Möglichkeit der Prüfung sowohl an Probekörpern als auch an fertiggestellten und eingebauten, in Einsatz befindlichen Bauelementen, weshalb es sich bei dem Verfahren um ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung bzw. Feststellung der dynamischen Festigkeit oder Härte handeln soll. Des weiteren sollte das Verfahren eine möglichst zuverlässige Ermittlung von Festigkeitswerten bei unterschiedlichsten Einsatzbedingungen mit hoher Genauigkeit ermöglichen, die miteinander vergleichbar sind und eine zuverlässige Prognose über die zu erwartende Lebensdauer erlauben. Die Prüfmethode soll unabhängig von der Dauer des Einsatzes des Werkstoffes des zu prüfenden Bauteiles anwendbar sein und aussagekräftige Ergebnisse liefern.

Die erfindungsgemäße Lösung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird beim Verfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Objektbereichen an Bauteilen oder zu prüfenden Bauelementen mit wenigstens einer Indentoreinrichtung auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches dynamisch während eines Indentiervorganges eingewirkt. An die Bewegungsstrecke des Indentors während des Indentiervorganges wird ein magnetisches Feld angelegt, welches der Indentor während des Indentiervorganges passiert bzw. durchläuft. Wenigstens eine, die Bewegung des Indentors wenigstens mittelbar charakterisierende Größe wird aus der Änderung des an die Bewegungsstrecke des Indentors angelegten magnetischen Feldes während des Indentiervorganges ermittelt. Die mechanischen Eigenschaften werden dann aus der, die Bewegung des Indentors während des Indentiervorganges wenigstens mittelbar beschreibenden Größe bzw. den die Bewegung des Indentors während des Indentienrorganges wenigstens mittelbar beschreibenden Größen und/oder den Eigenschaftskennwerten des Indentors ermittelt. Zu diesen Größe zählen die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und der zurückgelegte Weg. Die dynamische Einwirkung des Indentors erfolgt in der Regel über einen Schlagwechselprozeß, d. h. der Indentor übt einen sogenannten Einwirkpuls auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches auf. Unter Einwirkpuls wird dabei der Vorgang verstanden, welcher die Wechselwirkung des Indentors mit der Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches bzw. zu prüfenden Bauelementes umfaßt. Der Indentiervorgang umfaßt neben dem eigentlichen Einwirkpuls eine Bewegung des Indentors auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches zu und im Anschluß an den Einwirkpuls eine Bewegung des Indentors von der Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches weg.

Vorzugsweise erfolgt der Indentiervorgang mittels eines Schlagwechselprozesses, d. h. die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches wird einem in Schwerkraftrichtung wenigstens unter dem Einfluß der Gewichtskraft auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches auftreffenden Indentors ausgesetzt. Der Indentiervorgang umfaßt dabei die Zeitspanne vom Loslassen des Indentors in Schwerkraftrichtung und der Erfassung des Umkehrpunktes nach erfolgter Rücksprungbewegung des Indentors im Anschluß an den Einwirkpuls. Bei der Ermittlung der mechanischen Eigenschaften ist dabei die Zeitdauer des Indentiervorganges mit zu berücksichtigen, insbesondere wenigstens die Bedingung für den als Ausgangszeitpunkt festgelegten Zeitpunkt der Bewegung des Indentors in Richtung der zu prüfenden Oberfläche. Als Ausgangspunkt kann dabei der Ruhezeitpunkt des Indentors gewählt werden oder aber ein beliebiger Zeitpunkt, bei welchem der Indentor während seiner Bewegung in Richtung auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches bereits eine bestimmte Geschwindigkeit und eventuell eine bestimmte Beschleunigung aufweist.

Die Erzeugung einer Änderung des an die Bewegungsstrecke des Indentors gelegten magnetischen Feldes kann allein durch die wenigstens teilweise Ausführung des Indentors aus magnetischem Material oder eine Zuordnung magnetfeldbeeinflussender Mittel zum Indentor erfolgen. Im einfachsten Fall ist am Indentor wenigstens ein Dauermagnet angeordnet, welcher mit diesem eine bauliche Einheit bildet.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, durch einmalige kurzzeitliche Beanspruchung des zu prüfenden Objektbereiches, welche so bemessen ist, daß diese nicht zur Zerstörung des Objektbereiches führt, zu einem beliebig gewähltem Zeitpunkt während der Betriebsdauer des Bauelementes zu prüfen, um Aussagen über die zu diesem Zeitpunkt konkret vorliegenden mechanischen Eigenschaften des Materials des zu prüfenden Objektbereiches zu treffen und anhand von diesen eine Aussage über die Verfügbarkeit bzw. die noch verbleibende Lebensdauer unter bestimmten Betriebseinflüssen treffen zu können. Dies ist insbesondere für Anlagen, welche hohen Sicherheitsanforderungen genügen müssen, beispielsweise in Kernkraftwerken oder ähnlichen, von besonderem Vorteil, da hier in bestimmten Betriebsabständen eine derartig zerstörungsfreie Prüfung vorgenommen werden kann, ohne daß der Betrieb der Anlage wesentlich für Ausbauarbeiten unterbrochen werden muß. Die Prüfung selbst kann direkt im eingebauten Zustand des Bauelementes erfolgen, welches den zu prüfenden Objektbereich trägt. Die Prüfmethode erlaubt es des weiteren, eine gezielte Überwachung besonders hochbeanspruchter Bereiche durchzuführen und Aussagen über das Verhalten des Materials in diesen Bereichen zu treffen. Da die Prüfung im eingebauten Zustand erfolgen kann, stellt diese Prüfmethode eine besonders kostengünstige und zuverlässige Prüfmethode dar.

Die erfindungsgemäße Prüfmethode ist für Bauelemente bzw. Objektbereiche unterschiedlichster Werkstoffe geeignet. Die einzelnen Verfahren unterscheiden sich lediglich in der Auswertung der die Bewegung des Indentors charakterisierenden Größen während des Indentiervorganges und die daraus erfolgende Ableitung der mechanischen Eigenschaften. Bei der Ableitung der mechanischen Eigenschaften aus den die Bewegung des Indentors charakterisierenden Größen während des Indentiervorganges und/oder den Eigenschaftskennwerten des Indentors sind zusätzlich die strukturellen Gegebenheiten der zu prüfenden Materialien zu berücksichtigen. Die mechanischen Eigenschaften selbst werden in der Regel durch Deformationen ermittelt, die unter dem Einfluß der äußeren Kräfte am zu prüfenden Objektbereich entstehen. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, die entsprechenden bestimmenden Gleichungen zu finden, die die Belastung und die Deformation für einen konkreten Werkstofftyp, unabhängig von der Form eines Probestückes, miteinander in Zusammenhang bringen. Als allgemeine Gleichung, die die im Probestück entstehende Spannung und die Deformation in ihrer Beziehung zueinander beschreibt, wird dabei die nachfolgend genannte Gleichung (1) angesehen:

P.σ = Q.∈ (1).

Die Variablen P und Q stellen dabei die linearen Differentialzeitoperatoren dar. Diese können wie folgt beschrieben werden:

P = a₀ + a₁ d/dt + a₂d²/dt² + a³d³/dt³ + . . .

Q = b₀ + b₁ d/dt + b₂d²/dt² + b³d³/dt³ +. . .

Auf der Grundlage dieser Darstellung der Differentialoperatoren, kann für die Differentialgleichung (1) folgende Schreibweise entwickelt werden:

a₀σ + a₁ dσ/dt + a₂d²σ/dt² + . . . = b₀σ + b₁ dσ/dt + b₂d²a/dt² + . . . (2)

Zur Beschreibung der Versuchsangaben, die in ziemlich engem Zeitumfang erhalten werden, wird eine Begrenzung auf ein Glied im rechten Teil der Gleichung (2) vorgenommen. Daraus ergibt sich die bestimmende Gleichung:

σ = E.∈ + η.d∈/dt (3)

In Gleichung (3) beschreiben die einzelnen nachfolgend genannten Variablen die folgenden Größen:

E = Elastizitäts- oder Joungscher Modul, welcher die Elastizitätseigenschaften des Stoffes charakterisiert,
∈ = Streckung, Stauchung
η = Viskositätskoeffizient, welcher die Viskositätseigenschaften des Stoffes charakterisiert.

Im einzelnen sind jedoch für jeden verwendeten Werkstofftyp, d. h. Metall oder aber Polymerwerkstoffe, entsprechende Modellbetrachtungen erforderlich um eine im Verhältnis zur Bruchdehnung des Werkstoffes stehende Steifigkeitszahl zu ermitteln, welche in direkter Beziehung bzw. Analogie zur Bruchdehnung bei einem zerstörenden Prüfverfahren steht. Die Steifigkeitszahl gilt somit als eine neu eingeführte und abgeleitete Größe, welche eine Beurteilung der Werkstoffeigenschaften erlaubt, und die in bestimmter Beziehung zu den bei dem bekannten zerstörenden Verfahren ermittelten Größen, insbesondere der Bruchdehnung, steht. Nachfolgend wird für die Verwendung viskoseelastischer Stoffe und von Polymerstoffen als Materialien für die zu prüfenden Objektbereiche an Bauelementen eine derartige Ableitung erläutert. Die Ermittlung und Beschreibung der Steifigkeitszahl, insbesondere die Ableitung des Zusammenhanges bezüglich der einzelnen, die Indentorbewegung beschreibenden Größen und der Steifigkeitszahl erfolgt dabei mittels einer Modellbetrachtung anhand des Foigtschen Modells. Andere Modellbetrachtungen sind ebenfalls denkbar.

Es wird eine dynamische Indentierung des zu prüfenden Werkstoffes bzw. des zu prüfenden Bauteiles aus dem Polymerwerkstoff oder viskoselastischem Stoff vorgenommen und durch die Analyse der Eindringkurve des Indentors im zu prüfenden Bauteil bzw. zu prüfenden Werkstoffes der laufende Zustand dieses kontrolliert, ohne die Ganzheit des Bauteiles bzw. des Werkstoffes zu den unterschiedlichsten Prüfzeitpunkten, welche verschiedenen Betriebszeitpunkten entsprechen, zu stören. Als wesentliches Kriterium zur Beurteilung fungiert dabei eine aus den Bewegungsparametern des Indentors während des Schlagwechselwirkungsprozesses ermittelte Steifigkeitszahl, die in einem bestimmten Verhältnis zur Bruchdehnung eines Polymerwerkstoffes bzw. eines Werkstückes aus Polymerwerkstoffen steht. Die Steifigkeitszahl k, welche die Festigkeit des Polymerwerkstoffes charakterisiert, wird dabei für diese Werkstoffe nach folgender Gleichung ermittelt:

k = mω² (1 + Λ²/4π²) (6)

Die einzelnen Parameter charakterisieren die folgenden Größen:

m = Schlagbolzenmasse bzw. Indentormasse
A = logarithmisches Degret der Dämpfung

Die Bestimmung der Steifigkeitszahl, welche die Festigkeit bzw. Härte des Polymerwerktstoffes charakterisiert, beruht auf den folgenden theoretischen Überlegungen:

Die mechanischen Eigenschaften werden, wie bereits erwähnt, in der Regel durch Deformationen ermittelt, die unter dem Einfluß der äußeren Kräfte entstehen. Bei der Untersuchung dieser mechanischen Eigenschaften von Polymerstoffen ist es dabei erforderlich, in erster Linie die bestimmenden Gleichungen zu finden, die die Belastung und die Deformation für einen konkreten Stofftyp, unabhängig von der Form eines Probestückes, insbesondere Musters, miteinander in Zusammenhang bringen. Eine . allgemeine Gleichung, die die im Probestück entstehende Spannung und die Deformation in ihrer Beziehung zueinander beschreibt, ist die nachfolgend genannte Gleichung (1):

P.σ = Q.∈ (1).

P = a₀ + a₁ d/dt + a₂d²/dt² + a³d³/dt³ + . . .

Q = b₀ + b₁ d/dt + b₂d²/dt² + b³d³/dt³ +. . .

σ = E.∈ + η.d∈/dt (3)

Diese Gleichung dient der Beschreibung des Viskositäts-/Elastizitätsverhaltens mittels des weitestgehenst benutzten mechanischen Foigtschen Modells, das aus einer parallel verbundenen elastischen Feder, deren Eigenschaften dem Hookschen Gesetz unterstellt sind, und einem Viskosendämpfer, der sich entsprechend im Newtonschen Gesetz deformiert, besteht. Bei einer Wechselwirkung eines Schlagbolzens bzw. Indentors mit einem Probestück transformiert sich die kinetische Energie des Schlagbolzens bzw. Indentors allmählich in die, im Probestück akkumulierte elastische Energie bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Schlag- bzw. Einwirkgeschwindigkeit gleich Null wird. Dann findet der Rückprozeß der Umwandlung der elastischen Energie des Probestückes bzw. des zu prüfenden Werkstoffes oder Bauteiles in die kinetische Energie des Schlagbolzens bzw. Indentors statt. Der Wert der Rücksprunggeschwindigkeit des Schlagbolzens bzw. Indentors ist nicht gleich der Vorschlaggeschwindigkeit aufgrund der Energiedissipation, welche durch die innere Reibung bei der Verformung des Probestückes bzw. zu prüfenden Werkstückes hervorgerufen ist. Durch die Benutzung des Foigtschen Modells wird die Differentialgleichung der Indentorbewegung im Deformationsprozeß des Polymerwerkstoffes bzw. des Bauteiles aus Polymerwerkstoff in folgender Weise entwickelt:

m.d²α/dt + η.dα/dt + kα = 0 (4)

mit
α = Eindringtiefe des Indentors in den Stoff
m = Schlagbolzenmasse bzw. Indentormasse
η = Viskositätskoeffizient
k = Steifigkeitszahl

Da die Bewegung jedoch im großen und ganzen den Charakter eine Schwingung aufweist, wird zur Beschreibung der Intensität der Dämpfung der Begriff des logarithmischen Dekrement der Dämpfung mit berücksichtigt

A = In (α_iα_i + 1)

wobei α_i und α_i + 1 aufeinanderfolgende Schwingungsamplituden beschreibt. Unter Berücksichtigung der Intensität der Dämpfung ergibt sich für die Gleichung (4) folgende neue Schreibweise:

α(t) = v₀/ω exp(-ωΛt/2π)sin(ωt) (5)

In dieser Gleichung werden folgenden Größen durch die einzelnen Variablen beschrieben:

v₀ = Vorschlaggeschwindigkeit
Λ = logarithmisches Dekrement der Dämpfung
ω = √4mk-π²/2m.

Unter Berücksichtigung der Ausgangsvoraussetzungen (t = 0, a(0) d α/dt = v₀) und bei Substitutierung der Lösung von Gleichung 5 in Gleichung 4, erhält man die Formel für die Steifigkeitszahl k:

k = mω² (1 + Λ²/4π²) (6)

Die so ermittelte Steifigkeitszahl k ist einer der informativsten Parameter, welcher den Werkstoffzustand charakterisiert, da dieser es ermöglicht, den Zustand des viskoseelastischen Stoffes oder Polymers vom Standpunkt seiner mechanischen Festigkeit physikalisch argumentiv quantitativ zu beschreiben. Über diese Steifigkeitszahl kann beispielsweise durch Ableitung aus dem Härte-Bruchdehnungsdiagramm auf die Lebensdauer geschlossen werden.

Zur Ermittlung dieser einzelnen Größen ist vorrichtungsmäßig eine entsprechende Indentorbaueinheit vorgesehen. Zur Erfassung der Bewegungsparameter des Indentors, welcher auf die Oberfläche eines Polymerwerkstoffes oder eines Bauteiles aus Polymerwerkstoff bzw. viskoseelastischem Material während des Indentiervorganges bzw. Schlagwirkungsprozesses einwirkt, wurde eine entsprechende Vorrichtung in Form einer Magnetinduktionsanlage entwickelt, welche es ermöglicht, die Bewegungsgeschwindigkeit und die Beschleunigung des Indentors zum Einwirkprozeß im Nichtkontaktverfahren zu bestimmen. Die Grundbestandteile dieser Baueinheit sind dabei ein Indentor, mit einem, an ihm befestigten Dauermagnet, eine Induktionsspule sowie eine entsprechende elektrische Schaltungsanordnung, welche beispielsweise eine Verstärkereinheit, einen Differentiator, Synchronisierblöcke, Analog-Digital-Umsetzer sowie eine CPU aufweist und somit eine Umsetzung des anliegenden Analogsignales ins erforderliche Computer-Datenformat erlaubt. Bezüglich des Aufbaus der elektrischen Schaltungsanordnung wird lediglich gefordert, daß diese Umsetzung ins entsprechende Format erfolgt. Eine bestimmte Schaltungsanordnung ist dazu nicht erforderlich. Diese kann entsprechend den zur Verfügung stehenden Bauelementen aufgebaut werden.

Bei der Bewegung des Indentors mit dem Dauermagneten in Schwerkraftrichtung auf den zu prüfenden Werkstoff wird in der Induktionsspule elektromotorische Kraft EMK erzeugt und eine Spannung U(t) induziert, die der Bewegungsgeschwindigkeit des Indentors proportional und dem Abstand zwischen dem Indentor und der Spule umgekehrt proportional ist. Wenn es zum Zusammenstoß zwischen dem Indentor und dem geprüften Stoff kommt, wird im Synchronisierblock ein Signal U₁ (t) gebildet, das zum Synchronisiereingang des Analog-Digital-Umsetzers einläuft. Durch die Vorderfront des selben Signales wird auch der Anlauf der Signale U₂ (t) und U₃ (t) zu den Eingängen des Analog-Digital-Umsetzers durchgeführt. Das Signal U₂ (t) ist ein Signal von der Induktionsspule, das durch den Verstärker durchgegangen ist, der den koordinierenden Spannungsübertrag enthält. Das Signal U₃ (t) ist ein Signal von der Induktionsspule, das nach dem Verstärker durch den Differentiator durchgegangen ist.

Das erfindungsgemäße Grundverfahren kann des weiteren zur Ermittlung der Härte von wenigstens einem Teilbereich eines Bauteiles aus viskoseelastischem Werkstoff oder Polymerwerkstoff eingesetzt werden. Dazu wird ebenfalls ein Indentor verwendet, welcher mechanisch auf die Oberfläche des zu prüfenden Objekt- bzw. Bauteilbereiches einwirkt. Die mechanischen Werkstoffeigenschaften werden aus den nachfolgend genannten Größen:

- Vorschlaggeschwindigkeit,
- maximaler Rücksprunggeschwindigkeit und
- maximaler Kontaktkraft

berechnet, welche über eine Meßeinrichtung auf der Grundlage einer die Veränderung der magnetischen Flußdichte und/oder eine andere Kenngröße zur Beschreibung magnetischer Felder wenigstens mittelbar charakterisierende Größe ermittelt werden.

Vorzugsweise wird dabei die Änderung der magnetischen Flußdichte und/oder einer anderen Kenngröße zur Beschreibung magnetischer Felder in Abhängigkeit von der Zeit als Beurteilungskriterium herangezogen.

Im einzelnen wird auch hier entweder im Bereich der Einwirkzone des Einwirkkörpers auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches zumindest jedoch innerhalb der Bewegungsstrecke des Indentors während des Indentiervorganges ein magnetischen Feld erzeugt. Der Indentor selbst wird mit einer Einrichtung zur Beeinflussung der Eigenschaften magnetischer Felder ausgerüstet und in Schwerkraftrichtung wenigstens unter Einfluß der Schwerkraft auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches einwirken gelassen. Die die Indentorbewegung charakterisierenden Größen

- die Vorschlaggeschwindigkeit V₀;
- die maximale Kontaktkraft F zwischen Indentor und der Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches;
- die maximale Rücksprunggeschwindigkeit V_max;;

werden indirekt über wenigstens eine, die Änderungen des im Bereich der Einwirkzone des Einwirkkörpers auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches oder des die Bewegungsstrecke des Indentors wenigstens teilweise durchsetzenden erzeugten magnetischen Feldes wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe ermittelt. Vorzugsweise handelt es sich bei dieser Größe um die erfaßbare induzierte Spannung, welche während des Prüfvorganges ermittelt wird.

Dieses Verfahren gehört zur Prüftechnik und kann für Härtebestimmung von Gummis, Kunststoffen, Polymerstoffen, sowie auch für Qualitätskontrolle der Artikel bei der Herstellung oder im Verlauf der Betriebsdauer verwendet werden. Die Erfindung zielt auf Genauigkeitserhöhung der Messung der maximalen Kontaktkraft, der Vorschlag- und der maximalen Rücksprungsgeschwindigkeit, wobei der Einfluß von Vorschlagsgeschwindigkeitsvariationen unterbunden wird.

Das zu prüfende Objekt wird vom Indentor geschlagen. Die Vorschlagsgeschwindigkeit und die maximale Kontaktkraft werden mittels der Anlagemeßschaltung, die die Abhängigkeit der Indentorgeschwindigkeit von der Zeit im Laufe des Eindringens registriert, festgestellt bzw. ermittelt und die Härte wird nach der Formel:

berechnet, wobei die Variablen folgende Bedeutung aufweisen:

v₀- Vorschlagsgeschwindigkeit des Indentors
F - maximale Kontaktkraft
v_max - maximale Rücksprungsgeschwindigkeit
m - Indentormasse.

Allgemein können beim erfindungsgemäßen Vefahren die Änderung des die Bewegungsstrecke des Indentors durchsetzenden Magnetfeldes durch Veränderungen einer die Kenngrößen zur Beschreibung magnetischer Felder wenigstens mittelbar charakterisierenden Größen ermittelt werden. In der Regel erfolgt dies durch Erfassung der Änderung der magnetischen Flußdichte und/oder einer anderen Kenngröße zur Beschreibung magnetischer Felder in Abhängigkeit von der Zeit als Beurteilungskriterium. Andere Möglichkeiten sind denkbar.

Eine Änderung des die Bewegungsstrecke des Indentors durchsetzenden Magnetfeldes wird durch Überlagerung mit anderen Magnetfeldern hervorgerufen. Dabei kann der Indentor selbst als magnetfeldtragendes Element ausgeführt sein. Dieser kann beispielsweise entweder teilweise aus magnetischem Material bestehen oder aber mit einem Magneten gekoppelt sein bzw. selbst einen Magneten tragen. Vorzugsweise handelt es sich bei den Magneten, welche dem Indentor zugeordnet sind, um Permanentmagnete. Das die Bewegungsstrecke des Indentors durchsetzende Magnetfeld kann beispielsweise mittels eines stromdurchflossenen Leiters aufgebaut werden.

Andere Möglichkeiten sind ebenfalls denkbar. Wesentlich ist lediglich, daß die Einrichtung die Änderung des die Bewegungsstrecke des Indentors wenigstens teilweise durchsetzenden Magnetfeldes in irgendeiner Weise erfaßt.

Es ist ausreichend, wenigstens einen Teil der Bewegungsstrecke vom Magnetfeld durchsetzen zu lassen. Dabei kann der Ort sich im Bereich der Einwirkzone oder aber in einem Abstand zu dieser befinden. Bei der Bestimmung der die Bewegung des Indentors charakterisierenden Größen aus der Änderung des die Bewegungsstrecke des Indentors wenigstens zum Teil durchsetzenden Magnetfeldes ist der Anlageort des Magnetfeldes immer mit zu berücksichtigen. Die Aufstellung der dazu erforderlichen Gleichungen liegt dabei im Tätigkeitsbereich des zuständigen Fachmannes und bedarf keiner weiteren Erläuterung.

Als Indentor im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei eine Einrichtung verstanden, welche auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektes einwirkt. Der Indentor kann dabei als Gesamtbaueinheit betrachtet werden, umfaßt jedoch wenigstens einen Einwirkkörper. Die Bewegungsstrecke des Indentors kann ebenfalls verschiedenartig festgelegt werden. Vorzugsweise ist die Bewegungsrichtung auf die zu prüfende Objektfläche senkrecht d. h. in Richtung der Schwerkraft ausgerichtet. Eine schräge Führung des Indentors auf die zu prüfende Objektfläche ist ebenfalls denkbar, muß jedoch ebenfalls bei der Beurteilung der ermittelten Größen mit berücksichtigt werden, weshalb einer Bewegung in Schwerkraftrichtung der Vorzug zu geben ist. In diesem Fall kann die Beschleunigung des Indentors entweder allein durch die Erdbeschleunigung g oder aber eine zusätzliche Beschleunigung, welche durch Vorspannung erzeugt werden kann, beschrieben werden.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1a verdeutlicht eine Ausführung zur Ermittlung der Bewegungsparameter eines Indentors während des Schlagwechselwirkungsprozesses;

Fig. 1b zeigt eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsparameter des Indentors während des Indentierverfahrens auf der Grundlage der in Fig. 1a beschriebenen Vorrichtung speziell geeignet zur Härtebestimmung;

Fig. 2a bis 2e verdeutlichen beispielhaft Diagramme für die Abhängigkeiten der einzelner erfaßter Größen während des Indentiervorganges bzw. Schlagwechselwirkungsprozesses untereinander zur Beurteilung der Lebensdauer des Materials des zu prüfenden Objektbereiches für Polymere.

Die Fig. 1a verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung ein Schaltbild für eine Ausführung einer Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung ist mit 10 bezeichnet. Diese umfaßt einen Indentor 1, welcher eine sphärische oder anders gestaltete Wirkfläche 11 aufweist, die mit dem zu prüfenden Werkstoff bzw. dem zu prüfenden Bauteil 9, insbesondere der Oberfläche 12 des Bauteiles 9 während des Einwirkprozesses in Wirkverbindung tritt. Dem Indentor 1 ist eine Magnetanordnung, vorzugsweise in Form eines permanent erregten Dauermagneten 2, zugeordnet. Der Dauermagnet 2 ist vorzugsweise am Indentor befestigt bzw. bildet mit diesem eine bauliche Einheit. Denkbar ist auch die Ausführung des Indentors 1 in einem Teilbereich aus magnetischem Material. Des weiteren ist eine Induktionsspule 3 vorgesehen, welche in einem definierten Abstand zur Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffes 12 angeordnet ist. Die Induktionsspule ist mit einer Schaltungsanordnung 13 gekoppelt, welche unterschiedlich aufgebaut sein kann. Vorzugsweise umfaßt die Schaltungsanordnung 13 eine Verstärkereinrichtung 4, welche über einen Differentiator 5 und einen Synchronisierblock 6 mit einem Analog-Digital- Umsetzer 7 gekoppelt ist, wobei der Analog-Digital-Umsetzer 7 mit einer Computereinheit 8 gekoppelt ist. Der Analog-Digital-Umsetzer 7 kann als mehrfunktionale Anlage ausgeführt sein, welche als Bestandteil eines Computersystems zum Einsatz gelangen kann. Dieser gewährleistet die Umsetzung der anliegenden Analogsignale in das für den Computer erforderliche Datenformat.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren genutzte erfindungsgemäß gestaltete Vorrichtung funktioniert wie folgt:

Bei Bewegung des Indentors 1 mit dem Dauermagneten 2 in Schwerkraftwirkungsrichtung, hier mit a bezeichnet, wird in der Spule 3 eine elektromotorische Kraft erzeugt und eine Spannung U(t) induziert, welche der Bewegungsgeschwindigkeit des Indentors proportional und dem Abstand zwischen dem Indentor und der Spule umgekehrt proportional ist. Kommt es zum Zusammenstoß zwischen dem Indentor 1 und dem zu prüfenden Werkstoff 9, d. h. zur Einwirkung des Indentors 1 auf die zu prüfende Oberfläche des Objektbereiches, insbesondere der Oberfläche 12, wird im Synchronisierblock 6 das Signal U₁(t) gebildet, das zum Synchronisiereingang 7.1 des Analog-Digital-Umsetzers 7 einläuft. Durch die Vorderfront desselben Signales wird auch der Anlauf der Signale U₂(t) und U₃(t) zu den Eingängen des Analog-Digital-Umsetzers 7 geführt. Dabei geht das Signal U₂(t) von der Induktionsspule 3 durch den Verstärker 4, welcher den koordinierenden Spannungsübertrag enthält. Das Signal U₃(t) ist des weiteren ein Signal von der Induktionsspule 3, welches nach dem Verstärker 4 durch den Differentiator 5 hindurch gegangen ist und über die Kopplung 7.3 zwischen dem Verstärker 4 und dem Analog-Digital-Umsetzer 7 letzterem zugeführt wird.

Wesentlich für die Realisierung eines standardisierten Verfahrens zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer die dynamische Festigkeit eines Polymerwerkstoffes wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe, ist es, daß die Versuchsanordnung immer die gleichen Bedingungen enthält, im einzelnen wäre dazu auf den Abstand zwischen der Induktionsspule 3 und die Oberfläche des Werkstoffes 12 in horizontaler und vertikaler Richtung zu verweisen sowie der Abstand in horizontaler Richtung bei Versuchsdurchführung betrachtet zwischen der Induktionsspule 3 und dem Indentor 1 bzw. dem Dauermagneten 2.

Die Fig. 2a bis 2e verdeutlichen anhand von Diagrammen den Zusammenhang zwischen den einzelnen ermittelten Größen bei der Versuchsdurchführung mit der in Fig. 1a dargestellten Vorrichtung bei Polymerwerkstoffen, welche unterschiedlichen Randbedingungen ausgesetzt wurden. Die darin dargestellten Kennlinien verdeutlichen ein Beispiel für einen bestimmten Polymerwerkstoff, insbesondere eine PVC-Kabelhülle. Die Zahlenwerte sind daher nicht verbindlich, sondern dienen lediglich der Veranschaulichung.

Zur Feststellung der Steifigkeitszahlen für einen Polymerwerkstoff, welcher unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt wurde, werden nachfolgend die folgenden Kürzel verwendet.

N1 - Ausgangsprobestück;
N2 - Probestück bei Raumtemperatur T = RT und einer bestimmten Dosis der Strahlungsleistung P1 (rad/sek, wobei die Gesamtstrahlungsdosis D eine bestimmte Größe D1 aufweist);
N3 - T = RT, P1 (rad/sek), D2, D2 < D1;
N4 - T = RT, P1 (rad/sek), D3, D3 < D2;
N5 - T = RT, P1 (rad/sek), D4, D4 < D3;
N6 - T = 75°C, P1 (rad/sek), D5, D5 = D2;
N7 - T = RT, P2 (rad/sek), P2 < P1 (rad/sek), D6, D6 = D1;
N8 - T = 90°C, t = 83 Tage;
N9 - T = 90°C, t = 179 Tage;
N10 - T = 90°C, t = 293 Tage;
N11 - T = 90°C, t = 321 Tage.

Dabei sind:
T = Temperatur
D = Strahlungsdosis
P = Strahlungsleistung
t = Zeitdauer

Mit der in der Fig. 1a beschriebenen Vorrichtung werden zur Ermittlung der einzelnen mechanischen Eigenschaften die Abhängigkeiten der Indentorgeschwindigkeiten während des Indentiervorganges wenigstens jedoch beim Zusammenstoß des Indentors 1 mit den zu prüfenden PVC- Kabelhüllen ermittelt. Die dabei erhaltenen Daten werden entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren der Integration unterzogen, woraus die Abhängigkeiten der Eindringtiefe α des Indentors 1 in die zu prüfenden Werkstoffe beim Zusammenstoß erhalten und der Differentitation für die Feststellung der Abhängigkeit der Kontaktkräfte beim Zusammenstoß unterzogen werden.

Die vorhandenen Probestücke bzw. zu prüfenden PVC-Kabelhüllen, welche unterschiedlichen Randbedingungen ausgesetzt waren, können dann in folgenden Gruppen eingeteilt werden: N1, N2, N3 und N4.

In der Gruppe N1 werden dabei die Probestücke zusammengefaßt, die einer Bestrahlung bei einer Temperatur in Höhe der Raumtemperatur und einer Dosis der Strahlungsleistung P1 (rad/sek), jedoch bei verschiedenen Gesamtstrahlungsdosen D unterzogen wurden. In die Gruppe N1 gehören demnach die Probestücke N1, N2, N3, N4 und N5.

Die Probestücke N1, N3 und N7, welche in der Gruppe N2 zusammengefaßt werden, entsprechen den Probestücken, die der Bestrahlung bei Raumtemperatur und verschiedener Dosis der Strahlungsbelastung P, aber der gleichen Gesamtstrahlungsdosis D, unterzogen wurden.

Die Probestücke N1, N8, N9, N10 und N11 können in der Gruppe N3 zusammengefaßt werden. Diese enthält die Probestücke, die bei einer Temperatur von 90°C über eine bestimmte Zeitdauer einer bestimmten Strahlungsleistung unterzogen wurden.

Die Gruppe N4 enthält die Probestücke N1, N3 und N6. Diese werden einer Bestrahlung bei verschiedenen Temperaturen, jedoch bei derselben Dosis der Strahlungsleistung P1 (rad/sek) und derselben Gesamtstrahlungsdosis D unterzogen.

Im Unterschied zu metallischen Werkstoffen, bei welchen der Energieverlust durch die plastischen Eigenschaften der Stoffe bedingt ist, wird die Energiedissipation in den Polymeren bzw. gummiartigen Werkstoffen durch die innere Reibung und die Viskositätseigenschaften dieser Werkstoffe hervorgerufen. Demzufolge ist zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften die Berücksichtigung der Phasenverschiebungen zwischen der Deformation und der Kraft, welche durch die Zeit Δt charakterisiert wird, erforderlich. Die Fig. 2a verdeutlicht dazu beispielhaft den ermittelbaren Kennlinienverlauf der Geschwindigkeit v_l des Indentors und der Beschleunigung a_l des Indentors während des Indentiervorganges, d. h. des Schlagwechselwirkungsprozesses, mit Probestücken der PVC-Kabelhüllen. Dabei beschreibt die Kennlinie I den Verlauf der Geschwindigkeit über der Zeit und die Kennlinie II die Beschleunigung in Abhängigkeit von der Zeit t. Die Zeitdauer t_A stellt dabei die Zeit des aktiven Schlagabschnittes dar. Die Phasenverschiebung ist mit Δt gekennzeichnet.

Entsprechend der vorher beschriebenen Verfahrensweise, insbesondere der Ableitung der Steifigkeitszahl für Polymerwerkstoffe, wird des weiteren das logarithmische Dämpfungsdekrement als Logarithmus des Verhältnisses der Geschwindigkeiten des Falles und des Rücksprunges bestimmt und die Frequenz ω = ρ /2 t_A, wobei die Zeit t_A die Zeit des aktiven Schlagabschnittes darstellt, ermittelt.

Die weiteren Fig. 2b bis 2e verdeutlichen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelbare typische Diagramme der Abhängigkeit der Indentorgeschwindigkeit und der Kontaktkraft von der Eindringteife a des Indentors beim Zusammenstoß.

Aus der Fig. 2b ist für das vorliegende Probestück eines bestimmten Polymerwerkstoffes die Indentorgeschwindigkeit v in Meter/Sekunde bei der Schlagwechselwirkung mit den PVC-Kabelhüllen über der Zeit abgetragen.

In der Fig. 2c ist in einem Diagramm beispielhaft die Abhängigkeit der Kontaktkraft F in Newton von der Eindringtiefe α des Indentors im Schlagverlauf in ein Probestück dargestellt. Die Eindringtiefe ist dabei in Mikrometern angegeben.

Die nachfolgend aufgeführte Tabelle enthält beispielhaft die Werte der Zeiten des aktiven Schlagabschnittes, d. h. des Indentiervorganges umfassend neben der eigentlichen Einwirkzeit die Zeitdauer der Bewegung auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches hin und die Rücksprungdauer, das logarithmische Dekrement und die ermittelte Steifigkeit für die einzelnen Probestücke, welche unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt waren und die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere aus den die Änderung des Magnetfeldes beschreibenden Größen und den Indentor betreffenden Parametern ermittelt.

Für die einzelnen Probestücke wurden die Steifigkeitszahlen in einem weiteren Diagramm über der Bruchdehnung abgetragen, wie in der Fig. 2e dargestellt. Die Bruchdehnung für die einzelnen Probestücke wurde vorher beispielsweise auf einer Bruchprüfungsmaschine vom Typ "Instron" ermittelt.

Aus der Fig. 2e ist ersichtlich, daß zwischen der Härtezahl k und der Bruchdehnung eine umgekehrt proportionale Abhängigkeit besteht. Dabei ist hervorzuheben, daß der Wert der Bruchdehnung selbst einer der Übergebungsparameter ist, der den mechanischen Zustand der äußeren Kabelhüllen der Kontrollkabel charakterisiert. Die entsprechenden Bruchdehnungswerte für die Probestücke wurden bei Beanspruchung der Probestücke auf Bruch ermittelt und können als Referenzwerte für die Beurteilung dieses konkreten Polymerwerkstoffes unter unterschiedlichen Bedingungen herangezogen werden. Es muß hierbei betont werden, daß der Wert der Bruchdehnung heute einer der Übergebungsparameter ist, der den mechanischen Zustand der äußeren Kabelhüllen der Kontrollkabel der Kernkraftwerke charakterisiert. Auf so eine Weise ermöglicht es das vorgeschlagene Verfahren des dynamischen Indentierens durch die Analyse der Eindruckkurve den laufenden Zustand der Kabelhüllen zu kontrollieren, ohne die Ganzheit der Kabelleitungen zu brechen und gibt auch eine Möglichkeit, ein Modellmonitoring der Restnutzungsdauer der Kontrollkabel hinzuführen.

Wesentlich für die Beurteilung anhand der für ein Probestück ermittelten Steifigkeitszahl ist, daß Vergleichsmöglichkeiten vorhanden sind. Dies bedeutet, daß für einen bestimmten zu prüfenden Werkstoff die Kennlinie der Steifigkeitszahl über der Bruchdehnung als Referenzkennlinie zuerst ermittelt wird und zum Vergleich zur Verfügung steht. Die Ermittlung der Referenzkennlinie kann beispielsweise wie beschrieben anhand einer Vielzahl von Probestücken erfolgen, welche unterschiedlichen Randbedingungen ausgesetzt waren und für die parallel auch die Bruchdehnung erfaßt wurde. Diese Referenzkennlinien oder Referenztabellen, welche für jedes mögliche Material zur Verfügung stehen sollten, können dann im konkreten Fall zum Vergleich bei Ermittlung einer Steifigkeitszahl für ein Bauelement aus einem bestimmten Werkstoff herangezogen werden, um auf die Bruchdehnung zu schließen. Insbesondere können aus sogenannten Referenzgrundtabellen /Kennlinien auf einfache Art und Weise die Abwandlungskennlininen für die eine unterschiedliche Zusammensetzung aufgrund der Verwendung eines unterschiedlichen Prozentsatzes an Weichmachern enthaltenden Grundwerkstoffe entwickelt werden.

In der Fig. 1b ist beispielhaft der Aufbau einer Vorrichtung 31 zur Ermittlung der Härte, insbesondere zur Härtekontrolle von viskoseelastischen Stoffen, in vereinfachter Darstellung schematisch wiedergegeben. Die Vorrichtung 31 umfaßt ein, vorzugsweise im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 1, in dem eine Indentorbaueinheit 20 angeordnet ist, welche auf ein Probestück bzw. den zu prüfenden Artikel 15 einwirken kann. Die Indentorbaueinheit 20 ist derart angeordnet, daß deren Einwirkrichtung auf den zu prüfenden Artikel 15 vorzugsweise vollständig in Schwerkraftwirkungsrichtung verläuft. Geringfügige Abweichungen sind jedoch zulässig.

Die Indentorbaueinheit 2 umfaßt einen mit wenigstens einer teilweise kegelförmigen Oberfläche versehenen Eindrück- bzw. Einwirkkörper 3, dem eigentlichen Indentor, wobei dessen kegelförmig gestaltete Oberfläche 21 die Eindringfläche bzw. Einwirkfläche beschreibt, und zur Lagefixierung im nichtprüfenden Zustand in vertikaler Richtung in Funktionslage eine Indentorhalte- bzw. Feststellvorrichtung 5, hier in Form eines Federstoppers 23 sowie zur Indentorbeschleunigung im Funktionszustand "Prüfen" eine Beschleunigungseinrichtung 4, vorzugsweise in Form eines Federbeschleunigungsmechanismus 24. Der Federbeschleunigungsmechanismus umfaßt wenigstens eine Federspeichereinheit 26, welche mit dem zylindrischen Gehäuse 1 und der Indentorbaueinheit 2 gekoppelt ist. Die Federspeichereinheit 26 ist im Inneren des zylindrischen Gehäuses 1 angeordnet.

Die Indentorbaueinheit 2 weist des weiteren ein, eine Angriffsfläche 25 für die Festhaltevorrichtung 5 bildendes Teilelement 2 auf. Dieses ist mit dem Einwirkkörper 3 mechanisch gekoppelt. Die Angriffsfläche 25 ist im dargestellten Fall zum Eindringkörper 3 hin ausgerichtet. Die Indentorhalte- bzw. Festhaltevorrichtung 5 kann verschiedenartig ausgestaltet sein. Im dargestellten Fall umfaßt diese einen Hebel 27, welcher um einen Gelenkpunkt 28 drehbar gelagert ist und im nicht prüfenden Funktionszustand mittels einer vorgespannten Federeinrichtung 26 in der dargestellten Festhalteposition gehalten wird. In dieser Position greift der Hebel 27 mit seinem unteren Ende 29 an der Angriffsfläche 25 an.

Der Indentorbaueinheit 2, insbesondere dem Eindringkörper 3, ist eine Magnetanordnung, vorzugsweise in Form eines Dauermagneten 22 zugeordnet. Dieser kann, wie dargestellt, am Eindringkörper 3 befestigt sein. Der Eindringkörper 3 kann jedoch auch zum Teil aus einem magnetischen Werkstoff bestehen. Der Dauermagnet 22 bzw. der magnetische Teilbereich des Eindringkörpers 3 wird zur Magnetisierung im Bereich der Einwirkzone 39 genutzt, bzw. zur Änderung einer, das magnetische Feld, welches von einer Induktionsspule 6 erzeugt wird, wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe. Diese Größe ist in der Regel die magnetische Flußdichte. Dem zu prüfenden Bauteil 15 ist dazu des weiteren im Bereich bzw. im Umfeld der Eindringstelle 29 eine Induktionsspule 6 zugeordnet. Die Zuordnung der Induktionsspule zum Einwirkbereich erfolgt dabei derart, daß eine Änderung der Eigenschaften des sich dadurch aufbauenden magnetischen Feldes immer noch meßbar ist. Die Induktionsspule ist vorzugsweise dem zylindrischen Körper 1 im Bereich der Auflagefläche an das zu prüfende Bauelement 15 zugeordnet. Diese ist Bestandteil einer Anlagemeßschaltung 30. Die Anlagemeßschaltung 30 umfaßt desweiteren Einrichtungen zur Umwandlung der an der Induktionsspule 6 erfaßbaren Signale in Größen, welche den Bewegungszustand des Indentors charakterisieren. Als diese Signale werden dazu in der Regel die ermittelbaren Spannungen U zu verschieden Zeitpunkten relativ zur Indentorbewegung angesehen. Dabei werden je nach Lageänderung des Indentors in Bezug auf das Auftreffen an der Einwirkzone bzw. Oberfläche 21 des zu prüfenden Materials 15 Spannungswerte U erfaßt bzw. weiterverarbeitet.

Die Einrichtung zur Umwandlung der an der Induktionsspule 6 erfaßbaren Signale in Größen, welche den Bewegungszustand des Indentors charakterisieren, umfaßt beispielsweise einen Differentiator 8, dessen Eingang mit einem Verstärker 7 verbunden ist, drei Spitzendetektoren 9, 10, 11, wobei der Eingang des Detektors 9 mit dem Differentiator 8 und die Eingänge der Detektoren 10, 11 mit dem Verstärker 7 verbunden sind und einen in Reihe zu den vorgenannten Mitteln angeordneten Analog-Digital-Umsetzer (ADU) 12, dessen Eingänge mit den Detektoren 9, 10, 11 mit dem Indikator 14 verbunden sind. Die beschriebene Anlageschaltung 30 ist eine bevorzugt eingesetzte Anlageschaltung. Andere Ausführungen sind ebenfalls denkbar.

Das Verfahren zur Ermittlung der Härte von viskoseelastischen Stoffen oder Polymerstoffen wird folgenderweise realisiert:
Bei Drücken und damit Lösen der Festhaltevorrichtung 5 wird die Indentorbaueinheit 20 freigelassen. Unter der Einwirkung des Federmechanismus der Beschleunigungseinrichtung 4 schlägt diese auf den zu prüfenden Objektbereich des Artikels 15 auf. Im Laufe der Indentorbewegung 2 wird über den Dauermagneten 3, der mit dem Indentor 2 verbunden ist, das Signal U = f(t) in der Induktionsspule 6, das der Indentorgeschwindigkeit proportional ist, und das durch den Verstärker 7 zum Eingang des Differentiators 8 und zu den Eingängen der Spitzendetektoren 10, 11 hingeführt wird, erzeugt. Am Ausgang des Differentiators 8 wird das Signal dU/dt = f(t) gebildet, das der Beschleunigung der Indentorbewegung 2 proportional ist und das zum Spitzendetektor 9 hingeführt wird.

Am ersten Ausgang 32 des Spitzendetektors 9 wird das Signal U₀, das der Vorschlagsgeschwindigkeit Vo des Indentors 2 proportional ist, fixiert. Am zweiten Ausgang 33 des Spitzendetektors 10 wird das Signal U_max, das der maximalen Rücksprungsgeschwindigkeit v_max proportional ist, und am dritten Ausgang 34 des Spitzendetektors 11 - das Signal (dU/dt)m_max, das der maximalen Kontaktkraft F_max proportional ist, ausgegeben.

Von den Ausgängen der Spitzendetektoren 9, 10, 11 kommen die Signale zum Eingang der Analog-Digital-Umwandlungseinrichtung (ADU) 12, wo sie aufeinanderfolgend in die entsprechenden Digitalsignale umgesetzt werden. Vom ADU-Ausgang werden die Signale Uo, Umax, (dU/dt)_max zu einer Berechnungseinrichtung 13 hingeführt, wo die Werte der Vorschlagsgeschwindigkeit Vo, der maximalen Rücksprungsgeschwindigkeit v_max und der maximalen Kontaktkraft F_max bestimmt werden und dann nach der Formel

die Härte des Artikels aus viskoseelastischem Stoff festgestellt bzw. berechnet wird.

Claims

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Objektbereichen von Bauelementen

1. 1.1 bei welchem mit wenigstens einem Indentor auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches dynamisch während eines Indentiervorganges eingewirkt wird;
2. 1.2 bei welchem über wenigstens einen Teil der Bewegungsstrecke des Indentors für den Indentiervorgang ein magnetisches Feld angelegt wird;
3. 1.3 bei welchem wenigstens eine, die Bewegung des Indentors wenigstens mittelbar charakterisierende Größe aus wenigstens einer, die Änderung des an die Bewegungsstrecke des Indentors angelegten magnetischen Feldes charakterisierenden Größe ermittelt wird;
4. 1.4 bei welchem die mechanischen Eigenschaften aus den, die Bewegung des Indentors während des Indentiervorganges beschreibenden Größen und/oder die Eigenschaften des Indentors beschreibenden Größen, ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches dynamisch mittels eines durch den Indentor erzeugten Einwirkimpulses eingewirkt wird, wobei der Einwirkpuls zusammen mit der Bewegung des Indentors in Richtung auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches und nach der Einwirkung von der Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches weg den Indentiervorgang beschreibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einwirkpuls wiederholt aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Indentor mit einer Einrichtung zur Beeinflussung der Eigenschaften magnetischer Felder ausgerüstet und in Schwerkraftrichtung wenigstens unter Einfluß der Schwerkraft auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches einwirken gelassen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Änderung der Eigenschaften des magnetischen Feldes charakterisierende Größe eine induzierte Spannung ist, welche während des Indentiervorganges erfaßt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Festigkeit des Werkstoffes des zu prüfenden Objektbereiches charakterisierende Steifigkeitszahl aus der Indentormasse und dem Dämpfungsverhalten des Werkstoffes des zu prüfenden Objektbereiches bestimmt wird, wobei das Dämpfungsverhalten wenigstens aus den Beschleunigungen des Indentors und den Geschwindigkeiten des Indentors während des Indentiervorganges ableitbar ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

1. 7.1 bei welchem für ein bestimmtes zu prüfendes Material Referenztabellen oder Kennlinien zum Vergleich erstellt werden, wobei
- - eine Vielzahl von Probestücken unterschiedlichen Randbedingungen jeweils über eine bestimmte Zeitdauer augesetzt werden;
- - für diese Probestücke die Steifigkeitszahl ermittelt wird und
- - parallel die Buchdehnung dieser Probestücke bestimmt wird;
2. 7.2 bei welchem die am zu prüfenden Objektbereich ermittelte Steifigkeitszahl mit der Referenztabelle/Kennlinie verglichen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 8.1 bei welchem wenigstens die folgenden Größen als die die Indentorbewegung charakterisierenden Größen ermittelt werden:
- - die Vorschlaggeschwindigkeit v₀;
- - die maximale Kontaktkraft F zwischen Indentor und der Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches;
- - die maximale Rücksprunggeschwindigkeit v_max,
2. 8.2 bei welchem aus den, die Indentorbewegung charakterisierenden Größen die Härte H nach der folgenden Formel ermittelt wird:

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 9.1 im Bereich der Einwirkzone des Einwirkkörpers auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches wird ein magnetischen Feld erzeugt;
2. 9.2 die die Indentorbewegung charakterisierenden Größen
- - die Vorschlaggeschwindigkeit v₀;
- - die maximale Kontaktkraft F zwischen Indentor und der Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches;
- - die maximale Rücksprunggeschwindigkeit v_max,werden indirekt über wenigstens eine, die Änderungen des im Bereich der Einwirkzone des Einwirkkörpers auf die Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches erzeugten magnetischen Feldes wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe ermittelt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens folgende Spannungswerte ein unterer Spannungswert U₀, ein oberer Spannungswert U_max und (dU/dt)_max ermittelt werden, wobei U₀ der Vorschlagsgeschwindigkeit vo des Indentors proportional ist, U_max der maximalen Rücksprungsgeschwindigkeit v_max proportional ist und (dU/dt)_max, der Indentorgeschwindigkeit proportional ist.

11. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ermittlung mechanischer Eigenschaften der Werkstoffe zu prüfender Objektbereiche;

1. 11.1 mit einer Indentorbaueinheit mit einem Einwirkkörper zur Einwirkung auf den zu prüfenden Objektbereich;
2. 11.2 mit einer, mit dem Einwirkkörper wenigstens mittelbar gekoppelten Einrichtung zur Erzeugung einer Änderung der Eigenschaften eines im Bereich der Einwirkzone mittels einer Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes erzeugten Magnetfeldes;
3. 11.3 mit einer, mit der Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes wenigstens mittelbar gekoppelten Anlagemeßschaltung zur Umwandlung der an der Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes bei Änderung von dessen Eigenschaften anliegenden Signales

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung wenigstens eine, dem Einwirkkörper zugeordnete Magnetanordnung umfaßt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung wenigstens einen Permanentmagneten umfaßt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung am Einwirkkörper befestigt ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung im Einwirkkörper integriert ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 16.1 dem Einwirkkörper ist eine Indentorhaltevorrichtung zur Fixierung der Lage des Einwirkkörpers in Schwerkraftrichtung gegenüber der Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches zugeordnet;
2. 16.2 dem Einwirkkörper ist eine Einrichtung zur Beschleunigung seiner Bewegung in Schwerkraftrichtung zugeordnet.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Indentorhaltevorrichtung zur Fixierung der Lage des Einwirkkörpers einen Federstopper umfaßt, welcher am Indentor oder an einem mit dem Indentor mechanisch gekoppelten Teilelement zusammenwirkt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Beschleunigung der Bewegung des Einwirkkörpers in Schwerkraftrichtung wenigstens eine Federspeichereinheit umfaßt.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Indentorhaltevorrichtung zur Fixierung der Lage des Einwirkkörpers in Schwerkraftrichtung gegenüber der Oberfläche des zu prüfenden Objektbereiches, die dem Einwirkkörper zugeordnete Einrichtung zur Beschleunigung seiner Bewegung in Schwerkraftrichtung und der Einwirkkörper in einem Gehäuse angeordnet sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes wenigstens eine Induktionsspule umfaßt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 21.1 die Anlagemeßschaltung umfaßt die folgenden Bauelemente:
- - einen Verstärker, der mit der Induktionsspule verbunden ist,
- - wenigstens zwei Spitzendetektoren, deren Eingänge mit dem Verstärker verbunden sind und deren Ausgänge mit den Eingängen eines Analog-Digital-Umsetzers verbunden sind;
2. 21.2 mit einem Differentiator, dessen Eingang mit dem Verstärkerausgang und Ausgang mit dem Eingang des dritten Spitzendetektors verbunden sind;
3. 21.3 der Ausgang des dritten Spitzendetektors ist mit einem Eingang des Analog-Digital-Umsetzers gekoppelt;
4. 21.4 mit einer Berechnungseinrichtung, die mit einem Ausgang des Analog- Digital-Umsetzers verbunden ist.

22. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur zerstörungsfreien Ermittlung der dynamischen Festigkeit zur Abschätzung des technischen Zustandes von Polymerstoffen, insbesondere polymerumhüllten Kontrollkabeln.

23. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Feststellung der Härte für Artikel aus viskoseelastischen Stoffen.

24. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 21 zur zerstörungsfreien Ermittlung der dynamischen Festigkeit zum Zwecke der Abschätzung des technischen Zustandes von Polymerstoffen, insbesondere polymerumhüllten Kontrollkabeln.

25. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 21 zur Feststellung der Härte für Artikel aus viskoseelastischen Stoffen.