DE3119287C2

DE3119287C2 -

Info

Publication number: DE3119287C2
Application number: DE3119287A
Authority: DE
Inventors: Makoto Hayashi; Shinji Sakata; Tasuku Hitachi Ibaraki Jp Shimizu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-05-16
Filing date: 1981-05-14
Publication date: 1987-12-23
Also published as: JPS56162039A; US4402227A; DE3119287A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der mechanischen Eigenschaften von metallenen Gegenständen, bei dem der Prüfling mit Röntgenstrahlen bestrahlt und die Halbwertsbreite des am Prüfling gebeugten Röntgenstrahls bestimmt wird.

Aus der japanischen Offenlegungsschrift 52-28702 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Dauerfestigkeit von Werkstoffen oder Metallen bekannt, bei dem die Röntgenstrahlbeugung eingesetzt wird. Nach diesem Verfahren wird eine Metallfolie auf den zu untersuchenden Prüfling aufgeklebt, und die Metallfolie wird zusammen mit dem Prüfling der Ermüdungsbeanspruchung ausgesetzt. Die Metallfolie wird mit Röntgenstrahlbeugung, und zwar anhand der Halbwertsbreite der resultierenden Röntgenstrahlbeugungslinie, auf den Grad der Ermüdung untersucht, und daraus wird auf die Ermüdung des Prüflings geschlossen. Bei diesem Verfahren ist nachteilig, daß bei stark gekrümmten Oberflächen des Prüflings die Metallfolie nicht ganzflächig aufgeklebt werden kann, so daß die Metallfolie nicht im gleichen Maße wie der gemessene Prüfling einer Ermüdung ausgesetzt wird. Weiterhin ist es schwierig, Untersuchungen bei höheren Temperaturen auszuführen, denn bei erhöhter Temperatur löst sich leicht der Klebstoff, mit dem die Folie befestigt ist. Schließlich ist auch nicht möglich, den Einfluß bestimmter Verarbeitungsschritte wie z. B. einer Kaltverformung des Prüflings auf die Lastspielzahl zu ermitteln.

Aus der DE-AS 27 42 478 ist ein Verfahren zur Prüfung der mechanischen Eigenschaften von Prüflingen aus überhartem Werkstoff bekannt, bei dem ein "Vergleichsgegenstand" aus einem der Prüflinge hergestellt wird, indem dieser unter Beibehaltung seiner Kristallitgröße mechanisch oder chemisch zerstört und pulverisiert wird. An den eigentlichen Prüflingen wie auch an dem pulverisierten "Vergleichsgegenstand" werden dann Röntgenbeugungsaufnahmen durchgeführt und jeweils das Profil der Röntgenlinie bestimmt. Aus dem Profil und insbesondere aus der Verbreiterung der am Prüfling aufgenommenen Röntgenlinie gegenüber der Röntgenlinie, die an dem geglühten "Vergleichsgegenstand" gemessen wird, werden Rückschlüsse auf innere Spannungen (Mikrospannungen) und damit auf die Druck- oder Biegefestigkeit, Schleiffähigkeit und Standzeit beim Spanen gezogen. Bei diesem Verfahren läßt sich jedoch ebenfalls nicht feststellen, wie sich die Lastspielzahl in Abhängigkeit von dem weiteren Verarbeitungsverfahren, einer Wärmebehandlung oder einer vorangegangenen Beanspruchung ändert.

Aufgabe der Erfindung ist dementsprechend, ein Verfahren zur Prüfung der mechanischen Eigenschaften und insbesondere der Dauerfestigkeit von metallischen Werkstücken anzugeben, das ermöglicht, den Einfluß von Bearbeitungsvorgängen, wie z. B. einer Glühbehandlung auf die Dauerfestigkeit oder einer vorangegangenen mechanischen Beanspruchung zu erfassen und die noch zum Bruch verbleibende Lastspielzahl eines Prüflings zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird mit einem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Verfahren gelöst, das erfindungsgemäß nach dem kennzeichnenden Teil dieses Patentanspruches ausgestaltet ist. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Fig. dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben und näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 5 Darstellungen zur Erläuterung es erfindungsgemäßen Prinzips; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Dauerfestigkeit.

Nachstehend ist näher erläutert, wie die Halbwertsbreite des gebeugten Röntgenstrahls, der durch Bestrahlen eines metallischen Materials mit Röntgenstrahlen erhalten wird, sich bei der Ermüdung des metallischen Materials ändert, und zwar im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3.

In Fig. 1 wird ein metallisches Material M mit einem Röntgenstrahl X bestrahlt, und ein gebeugter Röntgenstrahl X′, der in einer Richtung unter einem Winkel 2R relativ zur Bestrahlungsrichtung gebeugt wird, wird mit einem Detektor D abgetastet. Der Detektor D bewegt sich, wie es schematisch dargestellt ist, um den gebeugten Röntgenstrahl X′ unter dem Beugungswinkel 2R abzutasten, und erzeugt ein Signal einer Röntgenstrahlen- Beugungsintensität I. Diese Röntgenstrahlen-Beugungsintensität I ändert sich, wie es in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, wenn die Spannungswechselzahl N (Lastspielzahl) für das metallische Material M sich gemäß 0 → N₁ → N₂ ändert, wobei (0<N₁<N₂). In diesem Falle repräsentiert die Halbwertsbreite b die Breite eines Beugungswinkels bei einer Röntgenstrahlen-Beugungsstärke, die größer ist als die Röntgenstrahlen-Beugungsintensität bei I₂=(I₃-I₁)/2, wobei I₃ einen Spitzenwert der Intensität und I₁ einen unteren Wert der Intensität bezeichnen. Wenn das metallische Material M geglüht ist, nimmt die Halbwertsbreite Werte an, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Beugungsintensität I nimmt nämlich allmählich mit der Zunahme der Ermüdung zu. Bei dem metallischen Material M, das der plastischen Verformung ausgesetzt wird, nimmt andererseits die Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Beugungsintensität I allmählich bei einer Zunahme der Ermüdung ab.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 4 repräsentiert die Abszisse ein Spannungswechselverhältnis N/N _f, wobei N die Spannungswechselzahl und N _f die Ausfallzahl bezeichnen, während die Ordinate die Halbwertsbreite b während des Vorgangs der Ermüdung repräsentiert. In Fig. 4 bezeichnen die Symbole b₀, b₁ und b₂ Halbwertsbreiten, wenn die Spannungswechselzahl die Werte 0, N₁ und N₂ hat. Eine Kurve A repräsentiert ein geglühtes Material, eine Kurve B repräsentiert ein Material, das der plastischen Verformung ausgesetzt ist, der Punkt C bezeichnet Bruchpunkte, und N _r (=N _f-N) repräsentiert eine verbleibende Anzahl von Lastspielen (Zyklen) vom Zeitpunkt der Lastspielzahl N bis zum Bruchpunkt, d. h. die "Ermüdungsdauer" (verbleibende Lebensdauer). Wie in Fig. 4 dargestellt, ist die Relation zwischen dem Lastspielzahlverhältnis und der Halbwertsbreite durch eine einzige Linie dargestellt, die nicht von der Belastungsamplitude abhängt, auch wenn es sich um geglühtes Material oder plastisch verformtes Material handelt. Wenn daher eine Hauptkurve gespeichert ist, welche eine Relation zwischen dem Lastspielzahlverhältnis und der Halbwertsbreite angibt, kann das Lastspielzahlverhältnis N/Nf aus der Hauptkurve gefunden werden, indem man sich auf die Messung der Halbwertsbreite b des metallischen Materials verläßt. Somit ist es möglich, ohne weiteres die von der momentanen Anzahl von Lastspielen N bis zum Bruchpunkt verbleibende Anzahl von Lastspielen (Zyklen) zu finden, d. h. ohne weiteres die verbleibende Dauerfestigkeit N _r zu finden. Wenn die Anzahl von Lastspielen (Zyklen) N₁ nicht bekannt ist, wird das Material der Ermüdung für eine Anzahl von Zyklen N₂ ausgesetzt, wobei N₂-N₁=N gilt, und es wird eine Halbwertsbreite b₂ gemessen, um die Dauerfestigkeit gemäß den nachstehenden Gleichungen zu finden. Berücksichtigt man nämlich, daß die Anzahl N von Spannungswechseln und das Spannungswechselverhältnis eine proportionale Relation in Fig. 4 bilden, so kann die Dauerfestigkeit aus der nachstehenden Gleichung ermittelt werden:

Somit gilt für die verbleibende Dauerfestigkeit (Ermüdungsdauer) N _r

wobei N₁/N _f gefunden werden, indem man die gemessenen Halbwertsbreiten b₁ und b₂ auf die Hauptkurve gibt. Außerdem ist es möglich, die übrige verwendbare Zeit zu finden, indem man die Zeit ermittelt, in der das Material verwendet wurde, anstatt die Anzahl N von Zyklen zu ermitteln.

Die Dauerfestigkeit wird in der nachstehend beschriebenen Weise bestimmt. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, zeigen jedoch einige Materialien eine Relation zwischen dem Lastspiel zahlverhältnis N/N _f und der Halbwertsbreite b, die sich sehr wenig ändert. Im Falle von Materialien, bei denen sich zeigt, daß die Halbwertsbreite b sich sehr wenig ändert, ist es nicht möglich, die Dauerfestigkeit aus der Hauptkurve zu bestimmen. Zum Beispiel zeigt Stahlguß, wie z. B. Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl und Chrom-Molybdän- Stahl eine Halbwertsbreite, die sich ein wenig ändert, was es schwierig macht, die Dauerfestigkeit zu bestimmen.

Außerdem machen es Metalle, die unter Hochtemperaturbedingungen oder unter Korrosionsbedingungen verwendet werden, schwierig, die Dauerfestigkeit zu ermitteln, da ihre Oberfläche mit Oxidteilchen oder Korrosionsprodukten bedeckt sind.

Gemäß der Erfindung wird somit ein Metall, bei dem sich die Halbwertsbreite in Abhängigkeit von der Verformung durch Ermüdung ändert, an einem Teil eines zu messenden Gefüges angebracht, und es wird die Halbwertsbreite des Metalles gemessen, um die Ermüdung der zu messenden Struktur zu bestimmen. Dieses Verfahren ermöglicht es, das Ziel zu erreichen, wie es durch die Erfindung abgestrebt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 6 näher erläutert.

Zunächst einmal wird ein ausgespartes Teil mit einer Tiefe von 1 mm und einer Fläche von 1×1 mm² (maximale Fläche 4×4 mm²) durch Bearbeitung in einem Teil eines Elementes M₁ ausgebildet, dessen Dauerfestigkeit gemessen werden soll, indem man eine Fräsmaschine oder eine Schleifmaschine verwendet. Dann wird das ausgesparte Teil mit einem säurefesten und korrosionsbeständigen Metall gefüllt, z. B. mit 25-Chromstahl oder SUS 304, und zwar mit einem Schweißverfahren oder mit einem Plasma-Schweißverfahren. Teile, die über die Oberfläche des Elementes M₁ vorstehen, werden entfernt. Somit wird ein Metall M₂ durch eine Schmelzverbindung gebildet. Die Oberfläche des Schmelz verbindungsmetalles M₂, das in den Aussparungsteil des Elementes M₁ eingefüllt ist, wird mit einem Schmirgelpapier oder einem Schleifmaterial geschliffen, um die Halbwertsbreite zu erhöhen, oder aber durch Beheizen mit einem Gasbrenner oder dgl. geglüht, um die Halbwertsbreite zu verringern. Die Lastspielzahl N des Elementes oder die Zeit, in der es verwendet wurde, sollte aufgezeichnet werden, bevor die Messung mit dem Detektor D beginnt. Nachdem der gebeugte Röntgenstrahl X′ vom Detektor D gemessen worden ist, wird die Halbwertsbreite b des Schmelzverbindungsmetalles M₂ gemessen. Unter Bezugnahme auf die Kennlinie (Eichkurve), die vorher aufgezeichnet worden ist, wird das Lastspielzahlverhältnis N/N _f aus der so gemessenen Halbwertsbreite b ermittelt, während sich die Ermüdungsdauer N _r aus der oben erwähnten Gleichung (2) finden läßt.

Nachstehend ist die Relation zwischen den Dauerfestigkeiten des Schmelzverbindungsmetalls M₂ und des Elementes M₁ näher erläutert. Materialien, die unter Hochtemperaturbedingungen verwendet werden, werden hauptsächlich durch die thermische Belastung gebrochen, die aus der Differenz der Temperaturverteilung stammt. Die thermische Beanspruchung kann einfach gegeben werden durch e=β×Δ T, wobei ε die Belastung, β einen linearen Ausdehnungs koeffizienten und Δ T eine Temperaturdifferenz bezeichnen. Somit befinden sich das Element M₁ und das Schmelzver bindungsmetall M₂ in einer Dehnungsmessung. Wenn ein metallisches Material dem Ermüdungstest ausgesetzt ist, um eine S-N-Kurve zu messen, so erkennt man, daß die Kurve in Abhängigkeit von den Materialien, der Art der Wärme behandlung und der Art der Bearbeitung im Falle der Belastungsmessung stark schwankt. Gemäß der Erfindung, die auf der Dehnungsmessung beruht, schwankt die S-N- Kurve sehr wenig auch dann, wenn die Materialien oder die Verfahren zur Wärmebehandlung oder -bearbeitung geändert werden. Somit kann die Dauerfestigkeit des Schmelzverbindungsmetalles M₂ nahezu gleich mit der Ermüdungsdauer des Elementes M₁ angesehen werden. Infolgedessen kann die vom Schmelzverbindungsmetall M₂ gemessene Lebensdauer direkt als Lebensdauer des Elementes M₁ angesehen werden.

Der 25-Chrom-Stahl oder SUS 304-Stahl, die oben bereits erwähnt wurden, mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten β, der größer ist als der des Elementes M₁, werden für das Schmelzverbindungsmetall M₂ verwendet. Somit zeigt das Schmelzverbindungsmetall M₂ einen zunehmenden Grad der Ermüdung, was bedeutet, daß die übrige Lebensdauer vernünftig geschätzt wird, und das Schätzen der Lebensdauer liegt auf der sicheren Seite.

Unter Hochtemperatur-Atmospärenbedingungen unterliegen die Materialien einer Kriechverformung. Hier nimmt die Halbwertsbreite des gebeugten Röntgenstrahls mit der der Kriechverformung zu. Somit ist es auch möglich, den Schaden durch Kriechen abzutasten und die Dauerfestigkeit einzuschätzen.

Wie bereits erwähnt, macht es das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Dauerfestigkeit von Metallen möglich, die Dauerfestigkeit zu bestimmen und dabei die Präzision beizubehalten, und zwar unabhängig von der Art der zu messenden Metalle und unabhängig von den Bedingungen, in denen sich die zu messenden Metalle befinden. Dementsprechend lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren große industrielle Vorteile erzielen.

Claims

1. Verfahren zur Prüfung der mechanischen Eigenschaften von metallenen Gegenständen, bei dem der Prüfling (M₁) mit Röntgenstrahlen (X) bestrahlt und die Halbwertbreite des am Prüfling gebeugten Röntgenstrahls (X′) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bestimmung der Dauerfestigkeit des Prüflings eine Aussparung in dem Prüfling ausgebildet wird,
daß in die Aussparung ein Metall (M₂) eingebracht wird, das eine Schmelzverbindung mit dem Prüfling eingeht und dessen Halbwertbreite für die Röntgenbeugung sich mit dem Ermüdungsgrad ändert, daß sodann der Prüfling der Ermüdungsbeanspruchung ausgesetzt wird,
daß der Prüfling im Bereich der mit dem Metall (M₂) ausgefüllten Aussparung mit Röntgenstrahlen bestrahlt wird und
daß die Halbwertbreite der in diesem Bereich gebeugten Röntgenstrahlen (X′) gemessen und der Meßwert mit Werten einer vorbestimmten Kennlinie der Abhängigkeit der Halbwertbreite von der Lastspielzahl verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Aussparung eingebrachte Metall (M₂) vor Durchführung der Ermüdungsbeanspruchung geglüht oder plastisch deformiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das in die Aussparung eingebrachte Metall (M₂) ein säurefestes Metall oder ein korrosionsbeständiges Metall verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Dauerfestigkeit von einer Relation zwischen der Halbwertbreite und dem Lastspielzahlverhältnis des in die Aussparung eingebrachten Metalls (M₂) ausgegangen wird, die vorher gespeichert worden ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das in die Aussparung eingebrachte Metall (M₂) ein Metall verwendet wird, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient größer ist als der des Materials des Prüflings.