DE29717736U1 - Gerät zur zerstörungsfreien Ermittlung von Haftungsfehlern in Schichten, Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden mit Hilfe der Schallemission - Google Patents
Gerät zur zerstörungsfreien Ermittlung von Haftungsfehlern in Schichten, Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden mit Hilfe der SchallemissionInfo
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Description
07.10.1997
Institut für Festkörperanalytik GmbH Sommer, Langner & Partner Yorckstraße 36
76185 Karlsruhe
Gesellschaft für Materialprüfung und Geophysik mbH Dieselstraße 6a
61239 Ober-Mörlen
in Schichten. Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden
mit Hilfe der Schallemission
1
Beschreibung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Ermittlung von Haftungsfehlern in Schichten, in
Verbundwerkstoffen und in Werkstoffverbunde mit Hilfe der Schallemission, wobei die zu untersuchende Probe nicht zerstört wird.
Viele Werkstoffe werden zur Verbesserung ihrer Eigenschaften, zum Schutz
gegen Korrosion oder Verschleiß mit speziellen Materialien beschichtet. Zur Beschichtung werden metallische oder keramische Stoffe sowie Kunststoffe
verwendet, die je nach Grundwerkstoff und Verwendungszweck mit unterschiedlichen
Methoden bzw. Verfahren aufgebracht werden. Auch werden unterschiedliche Materialien (z.B. verschiedene Stahlsorten) miteinander verbunden, um
dadurch verbesserte Eigenschaften zu erreichen. Für die Qualität der Schicht bzw. des Werkstoffverbundes spielt die Haftfestigkeit eine wesentliche Rolle.
Zur Prüfung der Haftfestigkeit metallischer Überzüge existieren derzeit diverse
Normen, wobei sie sich auf eine zerstörende Prüfung beziehen und nur eine qualitative Aussage über die Haftfestigkeit ermöglichen (DIN EN ISO 2819; DIN
50978, SEP 1931 01.91). Gemäß diesen Normen kann die zu untersuchende
Schicht nach unterschiedlichen Verfahren geprüft werden: durch Kugelstrahlen, Anreiß- und Gitterschnittversuche u.a.m. Anschließend erfolgt eine visuelle
Begutachtung, indem festgestellt wird, ob Blasenbildungen, Abplatzungen, Rißbildungen o.a. Beschädigungen vorhanden sind. Aufgrund des sichtbaren
Beschädigungsgrades wird die Haftfestigkeit qualitativ bestimmt.
Zur Prüfung der Haftfestigkeit von Hartstoffschichten existieren derzeit keine
Normen. Eine Prüfung erfolgt häufig anhand von Ritzversuchen (Scratch-Tests), indem die Schicht mit einer bestimmten Kraft angeritzt wird. Über die Form der
Ritzspur kann auf die Haftfestigkeit geschlossen werden. Ein weiteres Verfahren besteht darin, mit Hilfe eines Klebestreifens die Schicht abzureißen. Auch hierbei
erfolgt die Beurteilung der Haftfestigkeit über den sichtbaren Beschädigungsgrad.
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Die Erfindung ermöglicht es nun, mit Hilfe der Schallemission die Schichthaftung
zu ermitteln, wobei in der Regel eine quantitative Aussage über die Schichthaftung
erfolgt, ohne die Schicht dabei zu zerstören. Die Prüfung gestattet eine objektive Beurteilung, die eine Differenzierung in mehrere Güteklassen zuläßt.
Dazu wird auf die Schicht erfindungsgemäß mit Hilfe einer Prüfvorrichtung eine
definierte Belastung ausgeübt. Jeder Enthaftungsvorgang emittiert Schallimpulse,
die mit einem geeigneten Meßinstrument (z.B. piezoelektrischer Aufnehmer) detektiert werden können; unabhängig davon, ob es sich um metallische oder
keramische, amorphe oder kristalline Schichten handelt.
Anhand von Vorversuchen können für jedes Schichtsystem die kritischen
Belastungsstufen ermittelt werden, bei denen eine gut haftende Schicht abplatzt.
Die Belastungen für das eigentliche Prüfverfahren werden dann so gewählt, daß sie unterhalb dieser kritischen Werte liegen. Desweiteren können im Vorversuch
für dieses Schichtsystem Kennwerte bestimmt werden, um die Haftung in Güteklassen
zu unterteilen. Dazu werden mit Hilfe einer Analyseeinheit die Schallimpulse anhand ihrer Signalform und ihrer Frequenz ausgewertet.
Zur Beurteilung der Schichthaftung können als Kennwerte die Anzahl der
Schallemissionsereignisse, die Amplitude oder Energie dieser Ereignisse sowie
die Zahl der Überschwingungen (Impulssumme) herangezogen werden.
Wichtig ist die Kombination von gezielter Belastung, die auf den Prüfling
ausgeübt wird, und der Schallemissionsaktivität, die dadurch ausgelöst und detektiert werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus
denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigen
Fig. 1 - schematisch die grundsätzliche Anordnung des erfindungsgemäßen
Geräts;
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3
Fig. 2 - eine Prüfvorrichtung mit Druckbeanspruchung der Schicht Fig. 3 - eine Prüfvorrichtung mit Biegebeanspruchung der Schicht Fig. 4 - eine Prüfvorrichtung mit Temperaturbeanspruchung der Schicht Fig. 5 - Analyseeinrichtung
Fig. 2 - eine Prüfvorrichtung mit Druckbeanspruchung der Schicht Fig. 3 - eine Prüfvorrichtung mit Biegebeanspruchung der Schicht Fig. 4 - eine Prüfvorrichtung mit Temperaturbeanspruchung der Schicht Fig. 5 - Analyseeinrichtung
Fig. 6 - typische Frequenzspektren von Schallemissionssignalen beim Prüfen
einer Hartstoffschicht auf Stahl
Zunächst sei anhand von Fig. 1 der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemäßen
Geräts erläutert.
Mit Hilfe einer Prüfvorrichtung (1), die über eine Einheit (5) auch automatisch
gesteuert werden kann, wird eine definierte Belastung auf die Schicht (2) aufgebracht,
ohne eine einwandfreie Schicht dadurch zu zerstören. Bei einer schlechthaftenden
Schicht treten zwischen Schicht und Grundwerkstoff (7) aufgrund der Belastung ab einer bestimmten Größe Enthaftungsvorgänge auf, wobei jedoch
noch keine makroskopisch sichtbaren Schäden auftreten müssen. Die dadurch entstehenden Schallemissionssignale werden über einen piezoelektrischen
Wandler (3) detektiert, der mittels einer Haltevorrichtung unter Verwendung eines
akustischen Koppelmediums wie Vaseline, Vakuumfett oder Bienenwachs fest auf den Prüfling gepreßt oder angeklebt wird, und an eine entsprechende
Analyseeinheit (4) weitergeleitet. Für die Weiterverarbeitung der Meßwerte, zur Datensammlung oder Datenausgabe, ist eine weitere Einheit (6) vorgesehen.
In Fig. 2 ist eine Prüfvorrichtung als Ausführungsbeispiel gezeigt, bei der die
Schicht einer Druckbeanspruchung ausgesetzt wird. Hierbei wird die Schichthaftung
geprüft, indem auf die Schicht mit Hilfe eines Prüfkörpers (8), z.B. eines Stempels, ein definierter Druck - entweder flächenhaft, linienhaft oder punktuell aufgebracht
wird. Der Prüfkörper wird unter Vorlast auf die Schicht aufgesetzt, bevor der eigentliche Prüfdruck, z.B. mit Hilfe einer Spindel (9) eingestellt wird.
Der eingestellte Druck kann über eine Kraftbuchse gemessen und angezeigt werden. Die Messung möglicher Schallimpulse erfolgt erst mit Aufbringen des
eigentlichen Prüfdrucks. Es besteht die Möglichkeit, mit verschiedenen
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Prüfdrücken die Schicht nacheinander zu belasten. Auch kann der Prüfkörper
Prüfdrücken die Schicht nacheinander zu belasten. Auch kann der Prüfkörper
(z.B. eine Rolle) unter Last die Schicht abrollen.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Prüfvorrichtung, indem die
Schicht einer Biegebeanspruchung unterzogen wird. Gezeigt sind die Stützen
(10), auf denen der Prüfling aufliegt, und der Stempel (11), der durch Druck eine Biegung des Prüflings verursacht.
Schicht einer Biegebeanspruchung unterzogen wird. Gezeigt sind die Stützen
(10), auf denen der Prüfling aufliegt, und der Stempel (11), der durch Druck eine Biegung des Prüflings verursacht.
In Fig. 4 wird die Schicht einer Temperaturbeanspruchung ausgesetzt. In diesem
Ausführungsbeispiel wird mittels einer Düse (12) ein heißer oder kalter Luftstrom
auf die Schicht geblasen, so daß sich die Schicht deutlich erwärmt bzw. abkühlt.
Die Temperatur wird über ein Thermoelement (13) zur Regulierung erfaßt. Es ist
auch möglich, die Schicht zunächst durch einen heißen Luftstrom zu erwärmen und gleich anschließend durch einen kalten Luftstrom abzuschrecken. Durch das
Erwärmen oder Abkühlen, bzw. in Kombination durch den Temperaturschock,
können Belastungen erzeugt werden, die bei einer schlecht haftenden Schicht zu Enthaftungsvorgängen führen.
können Belastungen erzeugt werden, die bei einer schlecht haftenden Schicht zu Enthaftungsvorgängen führen.
Fig, 5 zeigt für die Analyseeinheit ein Ausführungsbeispiel, bestehend aus einem
Sensor (3), einem Vorverstärker (14), einem Hochpaßfilter (15) und einem
Transientenrekorder (16).
Transientenrekorder (16).
Ein typisches Freuquenzspektrum, das von Enthaftungsvorgängen herrührt, ist in
Fig. 6 dargestellt.
Die Erfindung kann unabhängig von der Schichtdicke zur Qualitätskontrolle oder
Schadensfallanalytik sowie Forschung und Entwicklung spezieller Schichtsysteme
bzw. Verbundwerkstoffe angewendet werden.
bzw. Verbundwerkstoffe angewendet werden.
In folgender Tabelle sind Daten beispielhaft zusammengetragen, wie sie für eine
Prüfung von Hartstoffschichten auf Stahl auftreten können. Eine Unterteilung in
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Güteklassen (von 1 = sehr gut bis 5 = sehr schlecht, d.h. makroskopische
Schäden sind sichtbar) ist für dieses Beispiel mit angegeben.
Tabelle 1: Beispiel
| Druckbelastung (N/mm2) |
200 | 200 | 200 | 200 |
| Anzahl der Uber- schwingungen |
30 | 180 | 1250 | 3290 |
| Anzahl der Schallemissions ereignisse |
4 | 11 | 26 | 28 |
| Güteklasse | 1 | 2 | 4 | 5 |
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Claims (17)
1. Gerät zur Ermittlung von Haftungsfehlern in metallischen und keramischen
Schichten, in Kunststoff- und Lackschichten, in anderen organischen und anorganischen
Schichten sowie in Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden, indem auf die Schicht eine Beanspruchung ausgeübt und entstehende Schallemissionssignale
detektiert und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Belastungseinheit an, vor oder über dem Prüfling angeordnet ist und
daß sich Schallemissionsaufnehmer auf oder vor dem Prüfling befinden und daß eine Analyseneinheit nachgeschaltet ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungseinheit aus einem oder mehreren Prüfstempeln besteht.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfstempel mit Hilfe eines Hubantriebs gesteuert wird.
4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Triggersignal nach Aufbringung einer Vorlast vorliegt und von der
Analyseneinheit zum Auslösen der Messung abgerufen werden kann.
5. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftsignal vorliegt und von der Analyseneinheit abgerufen werden kann.
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6. Gerät nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vorschub der Prüfstempel frei wählbar ist.
7. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling auf zwei Stützen aufliegt.
8. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungseinheit einen Behälter mit Flüssigkeit aufweist, in das der
Prüfling getaucht wird.
9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizvorrichtung die Flüssigkeit erwärmen kann.
10. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlvorrichtung die Flüssigkeit abkühlen kann.
11. Gerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungseinheit einen Laser aufweist, dessen Laserstrahlen den
Prüfling lokal erwärmt.
12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Abrastereinheit den Laserstrahl über die Oberfläche des Prüflings lenkt.
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13. Gerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungseinheit eine Düse aufweist, die kurz vor dem Prüfling
angeordnet ist und heiße oder kalte Gase auf den Prüfling lenkt.
14. Gerät nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Prüfling ein Thermoelement zur Messung der Oberflächentemperatur
angebracht ist.
15. Gerät nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Gase über das Thermoelement mit Hilfe eines Reglers
gesteuert wird.
16. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallemissionsaufnehmer auf der Schicht oder dem Grundwerkstoff
aufgebracht ist.
17. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Probe und dem Schallemissionsaufnehmer eine
Flüssigkeit oder ein Festkörper (als Schallwellenleiter) befindet.
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Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29717736U DE29717736U1 (de) | 1997-12-29 | 1997-12-29 | Gerät zur zerstörungsfreien Ermittlung von Haftungsfehlern in Schichten, Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden mit Hilfe der Schallemission |
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|---|---|---|---|
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Publications (1)
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| DE29717736U1 true DE29717736U1 (de) | 1998-05-20 |
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