DE3513005C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Meßtechnik und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung von Rißparametern und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Erfindung kann weitgehend angewendet werden, wo es bei Prüfungen oder im Betrieb darum geht, den Parametern von sich ausbreitenden Rissen entsprechende elektrische Signale zu gewinnen und die Parameter dieser Risse zu bestimmen, wie dies beispielsweise bei einer Untersuchung für Rißbeständigkeit neuer Konstruktionswerkstoffe für wichtige Konstruktionen im Maschinenbau und unmittelbar der Konstruktionen selbst, wie Flügel und Rümpfe von Flugzeugen, Raketenkörper, Gasleitungsrohre, Seeschiffskörper, Druckgefäße für die Lagerung verschiedener gasförmiger und flüssiger Stoffe u. ä., der Fall ist.

Die Untersuchung der Rißbildung bei Prüfungen und im Betrieb stellt ein wichtiges Problem dar, weil sie es gestattet, optimale Bauarten zu entwickeln, die ein Minimum an Materialaufwand mit einer vorgegebenen Betriebszeit und einem vorgegebenen Sicherheitsgrad in sich vereinigen.

Die vorliegende Erfindung ist besonders wirksam in den Fällen anzuwenden, wo eine exakte automatische Bestimmung der Länge oder des Verlaufes der sich ausbreitenden Risse und die Gewinnung von diesen Parametern proportionalen elektrischen Signalen erforderlich sind.

Die Rißparameter ermittelt man im Zusammenhang mit den Betriebsverhältnissen bei einer Einwirkung auf die Konstruktion, um die bei der Rißbildung am stärksten ins Gewicht fallenden Bedingungen festzustellen, wie sie beispielsweise Belastungszahlen, Korrosionsmittel, Temperatur u. ä. sind. Indem die Muster und die Konstruktionselemente im Labor geprüft werden, werden sowohl eine Einzel-, als auch die Gesamtwirkung eines Komplexes der Betriebsverhältnisse auf das Rißwachstum in der Konstruktion zur Einschätzung der Rißbeständigkeit der gesamten Konstruktion bestimmt.

Bei Rißprüfungen von Labormustern, Elementen und Naturkonstruktionen besteht das Hauptproblem in der Messung der Parameter der sich ausbreitenden Risse in Abhängigkeit vom Belastungsverlauf. Eine unmittelbare Beobachtung der Rißausbreitung in einer beanspruchten Konstruktion durch einen Operator ist sehr arbeitsintensiv und des öfteren aus Sicherheitsgründen im Falle einer Zerstörung der Konstruktion an einer unvorhergesehenen Stelle unzulässig. Das Problem einer Automatisierung der Messung der Rißparameter im Vorgang der Rißprüfungen bei erforderlicher Genauigkeit, Arbeitsintensität und vertretbaren Kosten der dafür eingesetzten Ausrüstung ist daher akut.

Es sind verschiedene Verfahren und Einrichtungen zur Bestimmung von Rißparametern bei Konstruktionen und Versuchmustern bekannt, die von Optik, Ultraschallschwingungen, elektrischem Strom sowie von besonderen Wandlern von Parametern eines Risses in ein elektrisches Signal Gebrauch machen, die gleichzeitig mit der zu prüfenden Konstruktion oder Probe zerstört werden. Es ist auch ein Verfahren zur Bestimmung von Rißparametern unter Verwendung der Fernsehtechnik (s. z. B. "Registriergerät für die Rißausbreitung", GB 20 57 124 A) bekannt, bei dem das Versuchsmuster vor den Prüfungen an der Stelle, wo eine Registrierung der Rißausbreitung beabsichtigt wird, gereinigt und mit einem speziellen Lack überzogen wird, worauf das Muster in der Prüfeinrichtung eingespannt und eine Abbildung der Stelle, über die sich ein Riß auszubreiten hat, mittels Optik auf eine Fernsehröhre projiziert wird, in der sie in ein diskretes elektrisches Signal in Form einer bestimmten Impulszahl umgesetzt wird. Bei der Entstehung und der weiteren Ausbreitung eines Risses im Versuchsmuster ändert sich die Impulszahl proportional zur Rißlänge.

Die Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens enthält Optikteile, eine Fernsehkamera, Ablenkteile, Zähler, einen Diskriminator und mechanische Einstellvorrichtungen.

Dieses Verfahren ist aber arbeitsaufwendig bei der Verwirklichung, denn es erfordert eine vorherige Vorbereitung der Muster, eine exakte Anordnung der Rißbasis vor dem Objektiv der Optik und eine Voreinstellung des Bildes, wobei die Einrichtung die Anwendung von besonderen kostenaufwendigen Ausrüstungen verlangt.

Es ist ein Verfahren zur Bestimmung von Rißparametern unter Benutzung eines unmittelbaren Stromdurchflusses über eine einen Riß aufweisende elektrisch leitende Konstruktion mit anschließender Messung der Parameter eines elektrischen Feldes um diesen Riß herum bekannt. Dieses Verfahren wird zur Bestimmung der Rißtiefe in massiven Metallkonstruktionen und zur Messung der Rißparameter bei speziellen Labormustern aus elektrisch leitenden Stoffen während der Rißprüfung (s. beispielsweise A. Matting, V. Dentsch, Materialprüfung 3 (1961), Nr. 6, S. 218 bis 224 sowie Materialprüfung 14 (1972), Nr. 3, S. 73 bis 77 und G. H. Aronson, R. O. Ritchie, Journal of Testing and Evaluation, Vol. 7, No. 4, July 1979, p. p. 208-215) ausgenutzt.

Meist wird der elektrische Strom den Rißkanten in der Weise zugeführt, daß er um den Riß herum fließt. In Abhängigkeit von der jeweiligen Situation kommt sowohl Gleich- als auch Wechselstrom in Frage. Der Strom baut, indem er über das Material der Konstruktion um den Riß herum fließt, ein elektrisches Feld auf, dessen Konfiguration von den Rißparametern der Konstruktion abhängig ist.

Die Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens enthält eine Stromquelle und besondere Elektroden, die Strom- und Meßkontakte für einen Anschluß an die Stelle des Musters oder der Konstruktion besitzen, wo die Rißparameter zu messen sind.

Die Potentialdifferenz an den Meßelektroden wird durch ein Millivoltmeter an den Punkten der Anordnung der Meßkontakte gemessen, und nach dem Wert dieser Differenz wird einer der Rißparameter - Tiefe oder Länge - abhängig von der Art der jeweiligen Konstruktion ermittelt. Zur Sicherung einer ausreichenden Genauigkeit bei der Bestimmung der Rißparameter wird vorher mit einer rechnerischen oder einer experimentellen Methode eine Sollabhängigkeit des Wertes der Potentialdifferenz vom Sollparameter des Rißes aufgetragen.

Das Verfahren und die Einrichtung zur Bestimmung von Rißparametern unter Benutzung eines unmittelbaren Stromdurchflusses über eine elektrisch leitende Konstruktion besitzt mehrere Vorteile gegenüber optischen und akustischen Verfahren und Einrichtungen, denn sie geben die Möglichkeit, ein von den Rißparametern abhängiges elektrisches Signal ohne Umwandlung zu erhalten.

Der unmittelbare Stromdurchfluß über das Material der Konstruktion hat aber einen unvertretbar großen Stromverbrauch zur Folge, denn sämtliche metallischen Stoffe weisen einen niedrigen spezifischen Widerstand auf, und eine für die Messung der Potentialdifferenz benötigte Erhöhung der Empfindlichkeit bedeutet, daß über die Konstruktion Ströme über 10 A fließen müssen.

Anderer Mangel der Verfahren zur Messung von Rißparametern unter Benutzung eines unmittelbaren Stromdurchflusses über eine auf Rißbeständigkeit zu prüfende Konstruktion ist ein großer Arbeitsaufwand für das Erhalten einer Eichkurve des Wertes der Potentialdifferenz vom Sollparameter des Risses. Das Erhalten dieser Eichkurve unter Anwendung von rechnerischen Methoden erfordert arbeitsaufwendige Programmierungsarbeiten und Berechnungen auf EDVA. Die experimentellen Methoden haben des öfteren eine unzureichende Genauigkeit und sind sehr arbeitsaufwendig, denn hier ist es zur Erhaltung eines jeden Punktes dieser Abhängigkeit notwendig, mindestens ein Muster mit einem vorher gezüchteten Riß mit vorgegebenen Parametern zu verbrauchen. Darüber hinaus bewirkt eine beliebige Unregelmäßigkeit des Konstruktionselementes (Löcher, Dickenunterschied u. ä.) eine Verzerrung des elektrischen Feldes und setzt strenge Grenzen der eventuellen Erhaltung von verallgemeinerten Eichkurven für das betreffende Verfahren.

Es ist auch ein Verfahren zur Bestimmung einer Abhängigkeit der Rißlänge im Labor-Versuchsmuster von der Prüfzeit während einer Bruchprobe für dieses Muster bekannt, bei welchem der Wandler in Form einer stromleitenden Flachprobe am Versuchsmuster über eine Isolierschicht in der Weise befestigt wird, daß er bei der Bruchprobe an der eventuellen Rißstelle zerstört und der elektrische Widerstand daran in Abhängigkeit von der Rißlänge, DE-PS 27 45 244, sowie E. Russenberger, Materialprüfung 21 (1979), Nr. 9, S. 319 bis 321) gemessen wird.

Das Wesen dieses Verfahrens besteht darin, daß der Wandler einen Meßabschnitt aufweist, der das Gebiet der Rißausbreitung überdeckt, während die Konfiguration des Meßabschnitts derart ist, daß dessen Widerstand mit wachsender Rißlänge nach einer beinahe linearen Abhängigkeit zunimmt. Der Meßabschnitt wird symmetrisch um den Riß angeordnet, dem Meßwandler wird ein elektrischer Strom zugeführt, der um den Riß im Wandler herum fließt, und zur Messung der Rißparameter wird die Spannung zwischen den beiden Meßelektroden am Wandler gemessen. Um die Linearität der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Rißlänge zu verbessern, wird der Wert des elektrischen Speise-Gleichstroms abhängig von der Spannung an den Zusatzelektroden eingestellt.

Es ist auch eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt, die einen Flachwandler mit einem Meßabschnitt enthält, der die Fläche des Versuchsmusters an der Stelle überdeckt, wo sich der Riß ausbreitet. Der Widerstand des Meßabschnitts ändert sich beim Rißwachstum in Abhängigkeit von der Rißlänge.

Ein derartiges Verfahren besitzt eine größere Empfindlichkeit gegenüber dem Verfahren, das auf dem unmittelbaren Stromdurchlauf über eine elektrisch leitende Konstruktion aufbaut, wobei auch die Einrichtung kompakter ist und weniger Strom verbraucht.

Diesem Verfahren und der Einrichtung für dessen Durchführung haften aber eigene Nachteile an. Der eine von ihnen ist eine Bedingung, die dem Rißverlauf auferlegt wird; eine Abweichung der Ausbreitungsrichtung des Risses von der Symmetrieachse des Meßabschnitts des Wandlers verursacht z. B. Fehler bei der Bestimmung der Rißlänge, weil in diesem Fall keine lineare Abhängigkeit zwischen der Rißlänge und der Spannung an den Meßelektroden des Wandlers weiter besteht. Außerdem beträgt der lineare Meßbereich selbst bei einer geradlinigen Rißausbreitung längs der Symmetrieachse des Wandlers lediglich ca. 70% der Fläche des Meßabschnitts des Wandlers. Ein anderer Nachteil ist eine komplizierte Form des Wandlers, die genau einzuhalten ist und die, falls der Meßbereich vergrößert wird, eine proportionale Vergrößerung sämtlicher Maße des Wandlers verlangt.

Am nächsten kommt dem angemeldeten Verfahren ein Meßverfahren für die Rißausbreitung unter Benutzung eines Wandlers in Form eines Fühlers aus einer Leitschicht, wo in Analogie zum vorhergehenden Verfahren auf das Versuchsmuster für die Rißprüfung an der eventuellen Rißstelle über eine Isolierungsunterlage ein Fühler des Wandlers in Form einer Leitschicht (M. J. Gueury, R. V. Diendonne, NDT International, Vol. 12, No. 3, June 1979, p. 121-124) aufgeklebt oder aufgedampft wird.

Als Meßparameter wird eine Änderung des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Rißlänge im Wandler ausgenutzt. Der Wandler wird aus Indium oder Graphit hergestellt, während die Elektroden, an denen der elektrische Widerstand gemessen wird, zu beiden Seiten der Ausbreitungsrichtung des Risses in ganzer Länge des Wandlers angeordnet werden.

Die Anwendung vom aufgedampften Graphit als Fühler des Wandlers gestattet es, die Empfindlichkeit sprunghaft zu erhöhen, während die Anordnung der Elektroden entlang des Risses Wandler für einen beliebigen Meßbereich für die Rißlänge fertigen läßt.

Diesem Messverfahren für die Rißausbreitung unter Benutzung eines Wandlers aus einer Leitschicht von Indium oder Graphit in der Einrichtung haften aber eigene wesentliche Mängel an. Durch Anwendung einer Graphitschicht werden der Konstanz der Schichtdicke auf dem ganzen Fühler des Wandlers sehr harte Bedingungen auferlegt. Außerdem bildet sich bei einer Fortpflanzung des Risses an dessen Spitze eine Zone plastischer Verformungen aus, und da der Graphit ein brüchiger Werkstoff ist, wird er auch weiterhin rissig werden und einen Fehler bei der Bestimmung der Rißlänge verursachen. Obwohl ferner die Anordnung der Elektroden längs der Ausbreitungsrichtung des Risses die Möglichkeit gibt, den Meßbereich für die Rißlänge zu erweitern, wird jedoch durch diese Elektrodenanordnung eine erhebliche Nichtlinearität in die Abhängigkeit des Widerstandes des Wandlers von der Rißlänge hineingebracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung von Rißparametern bei einem Versuchsmuster und eine Einrichtung für dessen Durchführung zu schaffen, die es erlauben, durch Erzeugung eines elektrischen Feldes im Wandler an nur der einen der Rißkanten hochgenaue Messungen der Rißparameter in weitem Wertebereich vorzunehmen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zur Bestimmung von Parametern eines Risses bei einem Versuchsmuster, nach dem ein in Form einer stromleitenden Flachprobe ausgeführter Wandler über eine Zwischenschicht an der Stelle der Ausbreitung des Risses befestigt wird, worauf ein elektrischer Strom zugeführt und bei einer gleichzeitigen Zerstörung des Versuchsmusters und des Wandlers elektrische Parameter des letzteren gemessen werden, die den Parametern des Risses im Versuchsmuster entsprechen, gemäß der Erfindung, ein elektrisches Feld seitens einer der Kanten des Risses durch Zuführung des elektrischen Stroms zum Wandler an einer der Seiten der Basis des Risses und an der Seite des Wandlers, zu der die Spitze des Risses gerichtet ist, erzeugt wird, und die elektrischen Parameter des Wandlers im Bereich der Zuführung des elektrischen Stroms gemessen werden.

Dies gewährleistet hochgenaue Messungen der Rißparameter in deren weitem Wertebereich.

Es ist möglich, die Parameter zweier sich in Richtung zueinander ausbreitender Risse zu bestimmen, wobei das elektrische Feld im Wandler durch Zuführung elektrischen Stroms von der Seite jeder der Rißbasen zu erzeugen ist.

Dies gestattet es, mit Hilfe eines Wandlers die Gesamtlänge von zwei sich in einem Muster in Richtung zueinander ausbreitenden Rissen zu ermitteln.

Es können die Parameter zweier sich in entgegengesetzten Richtungen von einer gemeinsamen Basis weg ausbreitender Risse bestimmt werden, wobei ein elektrisches Feld im Wandler durch Zuführung elektrischen Stroms an jeder der Rißspitzen zu erzeugen ist.

Dies erlaubt es, mit Hilfe eines Wandlers die Gesamtlänge der beiden Risse einschließlich der Abmessungen eines Konzentrators zu bestimmen, also einen am häufigsten vorkommenden Fall zu erforschen, wo die Risse von den Bohrungen für Befestigungsteile, Bolzen, Niete u. ä herrühren.

Bei Vorhandensein zweier sich von einer gemeinsamen Basis ausbreitender Risse ist es vorteilhaft, zwei Wandler -je einen- für jeden Riß einzusetzen, sie durch mindestens einen Leiter miteinander elektrisch zu verbinden und die identischen elektrischen Felder in den beiden Wandlern gleichzeitig zu erzeugen.

Dadurch ist es in einer Reihe von wichtigen Fällen möglich, das gesamte Wachstum zweier Risse genau zu messen, deren Gesamtlänge die Abmessungen der beiden Wandler um vieles übertrifft.

Vorzugsweise ist der Wert der elektrischen Parameter des Wandlers an der Rißspitze zu messen und als elektrischer Parameter ein elektrisches Potential zu nehmen.

Dies gibt die Möglichkeit, die Meßempfindlichkeit für die Rißparameter zu steigern.

Es ist zweckmäßig, das elektrische Potential an der Rißspitze bezüglich der einen der Elektroden zu messen, denen der elektrische Strom zur Erzeugung des elektrischen Feldes zugeführt wird.

Dies gestattet es, eine gegenseitige Beeinflussung der Rißparameter zu eliminieren.

Es ist vorteilhaft, vor der Durchführung der Prüfungen eine Potentialdifferenz der Elektroden zusätzlich zu messen, mit deren Hilfe am Wandler ein elektrisches Feld erzeugt wird, während die Rißparameter aus einer Differenz zwischen diesen Messungen ermittelt werden.

Dadurch erübrigt sich beim Aufkleben des Wandlers die Notwendigkeit, die Kante des Wandlers mit dem Konzentrator oder mit der Spitze eines bereits vorhandenen Risses zur Deckung zu bringen, und es genügt, den Wandler aufzukleben, indem ein Teil des Konzentrators oder des bereits vorhandenen Risses überdeckt wird.

Es wird bevorzugt, als Parameter des elektrischen Feldes ein elektrisches Potential an jeder der beiden Rißspitzen zu messen und die Gesamtlänge aus einer Differenz der gemessenen Potentiale zu bewerten.

Dies ermöglicht es, die Gesamtlänge der beiden Risse mit einer größeren Empfindlichkeit zu ermitteln.

Zweckmäßig ist, das elektrische Potential an der Rißspitze in bezug auf die beiden Elektroden gleichzeitig zu messen, mit deren Hilfe ein elektrisches Feld erzeugt wird, wobei das elektrische Potential bezüglich der Rißbasis unter Berücksichtigung der Breite eines durch den Riß abgeschnittenen Teiles des Wandlers zu messen ist, und die Rißparamter nach einem Verhältnis zwischen dem in bezug auf die Rißbasis gemessenen elektrischen Potential an der Rißspitze und einer Summe der elektrischen Potentiale an der Rißspitze bezüglich der beiden Elektroden zu bestimmen.

Dies gestattet es, die Rißtemperatur selbst dann zu ermitteln, wenn sich der Strom über den Wandler in beliebiger Weise ändern kann und außerdem die Änderung des elektrischen Widerstandes des Wandlers in Längsrichtung unbekannt ist.

Es ist möglich, den Riß in Abschnitte bestimmter Länge zu unterteilen, Ordinatenwerte von einer Rißkante bis zu einer der Kanten des Wandlers zu messen, einen Spannungsabfall an jedem der Abschnitte zu bestimmen und die Rißlänge aus einer Summe der Produkte aus den an jedem der Abschnitte auftretenden Spannungsabfällen und den ihnen entsprechenden Ordinatwerten zu ermitteln.

Dies ist in dem Falle wichtig, wenn der Rißverlauf im Versuchsmuster im Prüfverfahren starken Änderungen unterliegt.

Man kann die zeitliche Abhängigkeit der Rißparameter aus einer Abhängigkeit der Änderung des elektrischen Potentials an der Rißspitze von den Rißparametern mit Rücksicht auf eine Abhängigkeit des elektrischen Potentials an der Rißspitze als Zeitfunktion ermitteln.

Damit können im Prüfverfahren Messungen von elektrischen Parametern eines Wandlers vorgenommen werden, wenn deren Zahl beschränkt ist sowie wenn irgendeine Messung ungewöhnlich ist. - Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, die Koordinaten der Spitze eines sich ausbreitenden Risses zu bestimmen, indem ein elektrisches Feld im Wandler abwechselnd mal von der einen Seite, mal von der anderen Rißkante erzeugt und im Maße der Rißausbreitung das elektrische Potential an der Rißspitze zu messen, eine Differenz aus einer nachfolgenden und einer vorhergehenden Messung zu errechnen und die Koordinaten X und Y nach den Beziehungen zu bestimmen.

Dies gibt die Möglichkeit, zwei Parameter eines Risses - die Koordinaten X und Y der Rißspitze - zugleich zu bestimmen, also den Rißverlauf zu verfolgen.

Vorzugsweise sind die Koordinaten der Spitze eines sich ausbreitenden Risses in der Weise zu bestimmen, daß das elektrische Potential an dessen Spitze periodisch im Maße seiner Fortpflanzung bezüglich der beiden Elektroden gleichzeitig gemessen wird, mit deren Hilfe ein elektrisches Feld am Wandler erzeugt wird, der Koordinatenwert in Richtung der X-Achse nach einer Differenz zwischen Messungen des elektrischen Potentials an der Rißspitze in bezug auf die an der Rißspitze vor Beginn der Rißausbreitung angeordnete Elektrode und ähnliche Messungen während der Rißausbreitung und der Koordinatenwert in Richtung der Y-Achse aus dem Verhältnis der Differenzen zwischen einer nachfolgenden und einer vorhergehenden Messung des Potentials an der Rißspitze bezüglich jeder der Elektroden, mit deren Hilfe das elektrische Feld erzeugt wird, bestimmt werden.

Die gestattet es, zwei Koordinaten der Rißspitze zu bestimmen.

Es ist vorteilhaft, das elektrische Feld im Wandler durch Durchfluß eines betragsmäßig konstanten elektrischen Stroms oder durch Anlegen einer betragsmäßig konstanten elektrischen Spannung aufzubauen.

Dies macht es möglich, den Vorgang der Bestimmung der Rißparameter zu vereinfachen.

Einrichtung, die mindestens einen in Form einer über eine Zwischenschicht an der Stelle der Rißausbreitung im Versuchsmuster befestigten stromleitenden Flachprobe ausgeführten Wandler enthält, der Speiseelektroden für die Zuführung des elektrischen Stroms und Meßelektroden für die Messung der elektrischen Parameter des Wandlers aufweist, liegen in vorteilhafter Weiterbildung die Speiseelektroden am Wandler auf der Seite der Rißbasis und -spitze und die Meßelektroden in unmittelbarer Nähe von den Speiseelektroden.

Diese Einrichtung erlaubt es, die Messungen der Rißparameter maximal zu vereinfachen und hohe Genauigkeit zu gewährleisten.

Man kann die Elektroden am Wandler auf einer Seite oder auf verschiedenen Seiten des Risses anordnen.

Dies ermöglicht es, die Parametermessung bei einer Mindestzahl von an die Elektroden des Wandlers anzuschließenden Leitern vorzunehmen.

Vorzugsweise sind die Speiseelektroden - je eine Elektrode - auf einer Seite jeder der Rißbasen angeordnet und mit den Meßelektroden vereinigt.

Dies gibt die Möglichkeit, eine Mindestzahl von an die Elektroden des Wandlers bei der Messung der Gesamtlänge von zwei sich im Versuchsmuster gleichzeitig fortpflanzenden Rissen anzuschließende Leiter zu verwenden.

Vorzugsweise sind die Meß- und Speiseelektroden auf verschiedenen Seiten des Risses angeordnet.

Dadurch wird die Meßgenauigkeit für die Rißparameter erhöht.

Vorteilhaft ist es, einen Ausschnitt im Wandler von der Rißbasis bis zu einer seiner Karten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Risse auszuführen.

Dies gibt die Möglichkeit, die Gesamtlänge von zwei sich in entgegengesetzten Richtungen von einem typischen Spannungskonzentrator - einer Bohrung für Befestigungsteile (Bolzen und Niete) - bei den Prüfungen von Mustern und Konstruktionselementen ausbreitenden Rissen zu messen.

Dabei sind vorzugsweise die Wandler an jeder der Rißspitzen miteinander zu verbinden.

Dies ermöglicht es, das gesamte Wachstum von zwei sich von einem Konzentrator ausbreitenden Rissen beliebiger Form und Abmessungen zu messen, wo die beiden Risse die gleiche Bruchfläche erzeugen.

Es ist zweckmäßig, je eine Speiseelektrode an der Seite jeder der Rißspitzen anzuordnen.

Dies gestattet es, die Messungen der Gesamlänge von zwei sich in entgegengesetzten Richtungen von einer Bohrung im Muster ausbreitenden Risse maximal zu vereinfachen und eine hohe Genauigkeit dieser Messungen zu gewährleisten.

Bevorzugt ist eine der Meßelektroden an der Seite der Rißbasis auf der anderen Seite vom Riß angeordnet.

Damit wird die Meßgenauigkeit für die Rißparameter erhöht.

Die Meß- und die Speiseelektrode, die am Wandler an der Spitze angeordnet sind, können vereinigt werden.

Dies gestattet es, die Anzahl der an die Elektroden anzuschließenden Leiter auf ein Minestmaß zu reduzieren und den Meßbereich des Wandlers zu erweitern.

Es ist vorteilhaft, die Meßelektroden an der Seite der Basen jedes der Risse auf einer Seite von den Speiseelektroden anzuordnen.

Dies gestattet es, die Länge der zwei Risse mit einer größeren Genauigkeit zu messen.

Es ist zweckmäßig, zur Messung der Rißkoordinaten einen Zweipunktschalter zu verwenden, dessen gemeinsamer Anschluß an eine der Klemmen einer Stromquelle und dessen anderen beiden Anschlüsse an die Elektroden des Wandlers gelegt sind.

Dies sichert eine Erhöhung der Meßgenauigkeit für die Rißkoordinaten.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine der Ausführungsformen des Verfahrens zur Bestimmung von Rißparametern gemäß vorliegender Erfindung an einem Versuchsmuster mit einem daran angeordneten Wandler;

Fig. 2 eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von Rißparametern mit einer bestimmten Anordnung von Elektroden am Wandler;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von Parametern zweier sich von verschiedenen Basen ausbreitender Risse;

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von Parametern zweier sich von der gleichen Basis ausbreitender Risse;

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von Parametern von zwei sich von der gleichen Basis ausbreitenden Rissen unter Benutzung zweier am Versuchsmuster angeordneter Wandler;

Fig. 6 schematisch eine Potentialverteilung am erfindungsgemäßen Wandler beim Stromdurchfluß auf einer Seite vom Riß;

Fig. 7 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von Rißparametern mit einer Unterteilung des Risses in einzelne Abschnitte;

Fig. 8 schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von Koordinaten einer Rißspitze.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Rißparametern vollzieht sich wie folgt.

An einem Versuchsmuster 1 (Fig. 1) wird mittels einer Zwischenschicht (in Fig. 1 nicht gezeigt) ein Wandler 2 angeordnet. Ein Riß 3 breitet sich von einem Konzentrator bei Anlegen einer statischen oder zyklischen Belastung P (durch Pfeile angedeutet) an das Versuchsmuster 1 aus. Der Riß 3 breitet sich gleichzeitig im Muster 1 und Wandler 2 aus. Der Wandler 2 wird am Versuchsmuster 1 in der Weise befestigt, daß sich der Riß 3 im Wandler 2 vom Konzentrator in einer durch einen Pfeil angedeuteten Richtung 4 zwischen den Kanten 2 a und 2 b des Wandlers 2 ausbreitet und die Basis 3 a des Risses 3 die Kante des Wandlers 2 in zwei Teile 2 c und 2 d trennt. Die Spitze 3 b des Risses 3 pflanzt sich mit einer Vergrößerung der Länge l des letzteren in Pfeilrichtung 4 zur Kante 2 e des Wandlers 2 fort und trennt ihn in zwei Teile.

Der Wandler 2 ist in Form einer stromleitenden Probe ausgeführt und kann beispielsweise als 3 bis 10 µm starke Dünnschicht einer Legierung vom Typ Ni-Cr oder Ni-Mo mit einem hohen spezifischen Widerstand hergestellt werden. Der Wandler 2 wird in Form eines Folienstreifens konstanter Stärke aus der genannten Legierung in einem der bekannten Verfahren, beispielsweise mittels einer Zwischen-Klebstoffschicht, am Versuchsmuster 1 gemäß bekannter Technologie befestigt, wie sie für die Anwendung eines Klebstoffes angegeben ist. Beim Aufkleben des Wandlers 2 auf das Versuchsmuster 1 aus Metall oder einem anderen elektrisch leitenden Stoff wird eine zusätzliche Isolierschicht zwischen dem Wandler 2 und dem Versuchsmuster 1 verwendet, als welche in der Regel eine zusätzliche Klebstoffschicht benutzt wird, die auf das Muster 1 unter anschließender Trocknung aufgetragen wird. Es kann aber auch die Isolierungsunterlage unmittelbar auf dem Wandler 2 erzeugt werden, bevor er auf das Versuchsmuster 1 aufgeklebt worden ist.

Bei der Durchführung der nachfolgenden Messungen zur Bestimmung der Parameter des Risses 3 am Wandler 2 wird ein elektrisches Feld durch Zuführung eines elektrischen Stroms I zu einer Elektrode 5 erzeugt, die an einem der Teile der Kante 2 c des Wandlers 2 an der Seite der Basis 3 a des Risses 3 angeordnet wird. Die Stromableitung erfolgt über eine Elektrode 6, die an der gegenüberliegenden Kante 2 e bei der Spitze 3 b des Risses 3 liegt. Die Anordnung der Elektroden 5 und 6 an den entsprechenden Kanten 2 c und 2 e kann auch anders, nicht so wie in Fig. 1, und die Richtung des Stroms I beliebig sein.

Die Messungen der elektrischen Parameter des Wandlers 2 zur Bestimmung der Parameter des Risses 3 werden mittels Elektroden 7 und 8 vorgenommen, die im Bereich der Zu- und Ableitung des elektrischen Stroms I in unmittelbarer Nähe von den Speiseelektroden 5, 6 des Wandlers 2 an dessen Kanten 2 c und 2 e oder 2 d und 2 e liegen.

Beim Durchlauf des elektrischen Stroms I von einer der Seiten der Basis 3 a des Risses 3 und von der Seite der Spitze 3 b wird im erfindungsgemäßen Wandler ein elektrisches Feld von der Seite der einen der Kanten des Risses 3 durch Anordnung der Elektroden 5, 6 am Wandler 2 auf der gleichen Seite des Risses 3 erzeugt. Da die Dicke der Leitschicht, aus der der Wandler 2 hergestellt ist, konstant ist, hängen die Parameter des elektrischen Feldes (beispielsweise die Potentialverteilung über den Wandler 2) von den ursprünglichen Abmessungen des Wandlers 2, dem Wert des Stroms I und den Parametern des Risses 3 ab. Diese Parameter des Risses 3 sind eine Projektion des Risses 3 auf die Kante 2 a oder 2 b des Wandlers 2, die in der Regel die Länge L des Risses 3 genannt wird, und eine Projektion des Risses 3 auf die Kante 2 e, die als eine Abweichung von der geradlinigen Fortpflanzungsrichtung des Risses 3 bezeichnet wird.

Die Potentialverteilung über die ebenen Flächen (hier über den Wandler 2) wird durch Integration der Laplacsche Gleichung für einen zweidimensionalen Fall, also der Gleichung

mit vorgegebenen Grenzbedingungen ermittelt, wo die Koordinaten X und Y längs der Kanten 2 b, 2 c und 2 d des Wandlers 2 gerichtet sind. Die Kompliziertheit einer analytischen Lösung der Gleichung 1 besteht für jeden Fall der Ausbreitung des Risses 3 darin, daß die gesuchten Parameter des Risses 3 zur selben Zeit variable Grenzbedingungen für das elektrische Feld des Wandlers 2 darstellen, und eine genaue analytische Lösung zu erhalten, ist im gegebenen Fall unmöglich.

Eine Näherungslösung kann unter Benutzung des Ohmschen Gesetzes für einen leitenden Streifen erhalten werden, als welcher im vorliegenden Fall der Wandler 2 auftritt. In diesem Fall ist die Stärke des im Wandler 2 über die Elektroden 5 und 6 fließenden Stroms I gleich

Hierin sind

E _n - die elektrische Feldstärke, δ - die Dicke der Leitschicht des Wandlers 2, L _n - die Länge des leitenden Streifens, ρ - ein spezifischer elektrischer Widerstand des Werkstoffes der Leitschicht des Wandlers 2.

Für den Wandler 2 werden folgende Bedingungen angenommen:

• - der Wert des elektrischen Potentials an der Stelle der Anordnung der Elektrode 5 an der Kante 2 c des Wandlers 2 ist gleich groß über die gesamte Kante 2 c (von der Basis 3 a des Risses 3 bis zu der Kante 2 b);
• - der Wert des elektrischen Potentials an der Stelle der Anordnung der Elektrode 6 an der Kante 2 e ist gleich groß über die gesamte Kante 2 e des Wandlers 2.

Diese Bedingungen sind erfüllbar und können durch Anordnung massiver Elektroden 5, 6 in Form von Streifen aus einem Werkstoff mit einem spezifischen Widerstand nahe Null an den genannten Kanten 2 c und 2 e des Wandlers 2 realisiert werden. In Fig. 2 ist ein Beispiel eines derartigen Wandlers 2 mit einer Länge von L und einer Breite von B angeführt, wobei h - einen durch den Riß 3 abgeschnittenen Teil der Breite B des Wandlers bedeutet, über den ein Strom I fließt, und l - die Rißlänge ist.

Dann ist

Hierin sind ϕ₂₅, ϕ₂₆ elektrische Potentiale der Elektroden 5 und 6, die an den Kanten 2 c bzw. 2 e des Wandlers 2 angeordnet sind;

ein spezifischer Oberflächenwiderstand des Wandlers 2.

Die Gleichung (3) deutet einen Zusammenhang zwischen den geometrischen Parametern B, L und h des Wandlers 2, seinen elektrischen Parametern ϕ₅, ϕ₆, I und der Länge l des Risses 3 (in Wirklichkeit einer Rißprojektion auf die Kante 2 a des Wandlers 2) an.

Die Potentialdifferenz d₅-ϕ₆ wird auch als Spannungsabfall U _25,26 am Wandler 2 definiert, der an den Elektroden 5 und 6 gemessen ist.

Dann ist

woraus die Länge l des Risses 23, ausgehend von der Beziehung

abgeleitet wird.

Es sei bemerkt, daß ein Riß 3 ein Riß mit einer Basis 3 a genannt wird. Die anderen Risse, die beispielsweise zwei Spitzen aufweisen, werden als zwei Risse betrachtet.

Falls die Parameter von zwei sich in Richtung aufeinander zu ausbreitenden Rissen 3′ und 3′′ (Fig. 3) gemessen werden, wird das elektrische Feld im Wandler 2 durch Zuführung von elektrischem Strom seitens der Basen 3 a′ und 3 a′′ der Risse 3′ und 3′′ aufgebaut. Zu diesem Zweck sind die Speiseelektroden 5 und 6 je an den Kanten 2 c′ und 2 c′′ von der Seite jeder der Basen 3 a′ und 3 a′′ der Risse 3′ bzw. 3′′ angeordnet und mit den Meßelektroden 7 und 8 vereinigt. Als Parameter der Risse 3′ und 3′′ wird deren Gesamtlänge l₁+l₂ bestimmt. Selbstverständlich ist
l₁ + l₂ L
wobei L die Länge des Wandlers 2, und l₁, l₂ die Länge eines jeden der Risse 3′ bzw. 3′′ bedeutet.

Es sei zusätzlich bemerkt, daß, wenn die Elektroden 5 und 6 in Form massiver Streifen erzeugt sind und h₁, h₂ als durch die Risse 3′ bzw 3′′ abgeschnittenen Teile der Breite B des Wandlers einander gleich sind, d. h. wenn
h₁ = h₂ = h
die Gesamtlänge der beiden Risse aus der Beziehung

d. h. in Analogie zur Beziehung (5), ermittelt wird. Falls die Parameter der beiden sich in entgegengesetzten Richtungen von einer gemeinsamen Basis 3 a (Fig. 4) ausbreitenden Risse 3′ und 3′′ bestimmt werden, werden die Elektroden 5 und 6 erfindungsgemäß an den entgegengesetzten Kanten 2 e′ und 2 e′′ des Wandlers 2 von der Seite der Spitzen 3 b′ und 3 b′′ der Risse 3′ bzw. 3′′angeordnet, während der Wandler 2 selbst einen sich von der Basis der Risse 3′ und 3′′ bis zu einer seiner Kanten erstreckenden Ausschnitt 2 k aufweist. Als Parameter der Risse 3′ und 3′′ wird die Gesamtlänge l₁+l₂ der beiden Risse wie im vorhergehenden Fall definiert, wobei die Beziehung (6) herangezogen wird.

Falls die Parameter der beiden sich von einer gemeinsamen Basis 3 a ausbreitenden Risse bestimmt werden, wo die Abmessungen des Wandlers 2 kleiner als die vermutliche Gesamtlänge l₁+l₂+l _o der beiden Risse 3′ und 3′′ (l _o ist ein Abstand zwischen den Kanten 2 d′ und 2 d′′ der Wandler 2′ bzw. 2′′) sind, werden die beiden Wandler 2′ und 2′′ eingesetzt und je im Bereich jeder Spitze 3 b′ und 3 b′′ der Risse 3′ bzw. 3′′ angeordnet. Dies trifft für die Fälle zu, wo es notwendig ist, einen weiteren Verlauf der Risse 3′ und 3′′ festzustellen, die recht große ursprüngliche Masse besitzen. Zu diesem Zweck werden in den beiden Wandlern 2′ und 2′′ durch Verbindung der an den Kanten 2 e′ und 2 e′′ von der Seite der Spitzen 3 b′ bzw. 3 b′′ angeordneten Elektroden 6′ und 6′′ identische elektrische Felder erzeugt, und der elektrische Strom wird den auf den Abschnitten der Kanten 2 c′ und 2 c′′ von der Seite der Basis 3 a der Risse 3′ bzw. 3′′ angeordneten Elektroden 5′ und 5′′ zugeführt. Es ist auch eine andere Schaltung der Wandler 2′ und 2′′ möglich, wo die Elektroden 5′ und 5′′ an den Kanten 2 c′ und 2 c′′ der Wandler 2′ bzw. 2′′ beispielsweise zusammengeschaltet werden, und der elektrische Strom I wird den an den Kanten 2 c′ und 2 c′′ angeordneten Elektroden 6′ bzw. 6′′ zugeführt. Die Gesamtlänge l₁+l₂ der Risse 3′ und 3′′ wird unter Vernachlässigung von l _o gemäß der Beziehung zu

errechnet.

In allen aufgeführten Fällen der Bestimmung der Parameter der Risse 3 wird als Parameter die Länge l oder die Gesamtlänge l₁+l₂ d. h. l _Σ ermittelt, indem praktisch dazu die gleichen aus der Beziehung (4) erhaltenen Beziehungen (5, 6) herangezogen werden. Die Beziehung (4) hat zwei Summanden

von denen der erste den Widerstandswert des Teiles des Wandlers 2 von der Basis 3 a bis zur Spitze 3 b des Risses 3 und der andere den Widerstandswert des Teiles des Wandlers 2 von der Spitze 3 b bis zur Kante 2 d des Wandlers 2 definiert.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel von Stromlinien und einer Potentialverteilung im Wandler 2. Es sollte hervorgehoben werden, daß auf dem Abschnitt des Wandlers 2 von der Spitze 3 b bis zur Basis 3 a von der Seite der Kante des Risses 3, über den kein elektrischer Strom I fließt, der Wert des elektrischen Potentials über dessen ganze Länge gleich und auf dem Niveau des elektrischen Potentials an der Spitze 3 b des Risses 3 gehalten wird.

Indem der Wert des Potentials an der Spitze 3 b des Risses 3 gemessen wird, wird der Spannungsabfall U an den einzelnen Teilen des Wandlers 2 bestimmt. Zu diesem Zweck wird an der Kante des Wandlers 2 c eine Elektrode 9 angeordnet. Bei einer Messung des elektrischen Potentials an der Elektrode 9 an der Spitze 3 b des Risses 3, beispielsweise in bezug auf die Speiseelektrode 5, wird der Spannungsabfall U _5,9 auf dem Abschnitt des Wandlers 2 von der Basis 3 a des Risses 3 bis zur Spitze 3 b beispielsweise anhand der Beziehung

und bei einer Messung des elektrischen Potentials an der Spitze 3 b bezüglich der Elektrode 6 der Spannungsabfall U _6,9 auf dem Abschnitt des Wandlers 2 von der Spitze 3 b bis zur Kante 2 e, beispielsweise anhand der Beziehung

ermittelt.

Aus den Beziehungen (7) und (8) wird ein Parameter, z. B. Länge l, mit einer viel größeren Empfindlichkeit als bei Messungen der elektrischen Parameter des Wandlers 2 an den Stellen der Zuführung des Stroms I ermittelt, nämlich

oder

In manchen Fällen wird es bevorzugt, die Länge l des Risses 3 anhand der Beziehung (10) zu ermitteln, weil in dieser der geometrische Parameter h des Wandlers 2 nicht enthalten ist, der sich in dem Maße der Ausbreitung des Risses 3 ändern kann, d. h. von der Länge l des Risses 3 abhängig ist.

Während der Rißprüfung von Mustern oder Konstruktionselementen beim Aufkleben des Wandlers 2 fällt es schwer, die Kante des Wandlers 2 bekannter Länge mit einem Konzentrator oder mit der Spitze 3 b eines bereits vorhandenen Risses 3 zur Deckung zu bringen. Deshalb wird der Wandler 2, falls er auf den Konzentrator oder auf einen Teil des vorhandenen Risses 3 unmittelbar aufgelegt wird, bis zur Kante des Konzentrators oder der Spitze 3 b des Risses 3 angeschnitten, und ein durch Verringerung der Länge des Wandlers 2 verursachter Anfangsfehler wird vor Beginn der Prüfungen durch zusätzliche Messungen der Potentialdifferenz (bzw. des Spannungsabfalls U _o ) zwischen den Elektroden 5 und 6 ausgeglichen, mit deren Hilfe am Wandler 2 ein elektrisches Feld erzeugt wird, und die Parameter des Risses 3 werden im Prüfverfahren nach einer Differenz zwischen den Messungen der Spannungen U _o und U _6,9 an der Spitze des Risses 3 bezüglich der Elektroden 6 und 9, beispielsweise anhand der Beziehung

errechnet, worin U _o ein vor Beginn der Prüfungen an den Elektroden 5, 6 gemessener Spannungsabfall ist.

Zur Ermittlung der Gesamtlänge l _Σ von zwei sich in Richtung aufeinander zu von verschiedenen Basen 3 a′ und 3 a′′ (Fig. 3) ausbreitenden Rissen l₁ und l₂ wird eine Potentialdifferenz (Spannungsabfall U _{9′, 9′′}) unmittelbar an den Elektroden 9′ und 9′′ gemessen.

Die Gesamtlänge l _Σ der beiden Risse wird beispielsweise anhand der Beziehung

ermittelt, worin U _{9′, 9′′} ein Spannungsabfall an den Elektroden 9′, 9′′ ist.

Falls der Wert des elektrischen Stroms I über den Wandler 2 (Fig. 2) unkontrollierbar ist, während sich der spezifische Oberflächenwiderstand r _o in Längsrichtung des Wandlers 2 beliebig ändert, wird das elektrische Potential an der Spitze 3 b des Risses 3 gleichzeitig in bezug auf die beiden Elektroden 5 und 6 gemessen, mit deren Hilfe das elektrische Feld aufgebaut wird, wobei das Potential oder der Spannungsabfall U _5,9 an den seitens der Basis 3 a angeordneten Elektroden 5, 9 unter Berücksichtigung der Breite h des durch den Riß 3 abgeschnittenen Teils des Wandlers 2 gemessen wird. Die Parameter des Risses 3 werden aus einem Verhältnis zwischen dem bezüglich der Elektrode 5 mit Rücksicht auf den Teil der Breite h gemessenen elektrischen Potential an der Spitze 3 a, beispielsweise dem Spannungsabfall U _5,9 an den Elektroden 5, 9, und einer Summe von bezüglich der beiden Elektroden 5 und 6 gemessenen elektrischen Potentialen, wie sie Spannungsabfälle U _5,9 und U _6,9 sind, bestimmt. Der Wert l der Länge des Risses 3 kann für den vorliegenden Fall beispielsweise aus der Beziehung

ermittelt werden.

Wenn der Verlauf des Risses 3 im Prüfverfahren starken Änderungen unterliegt, wie dies beispielsweise in Fig. 7 gezeigt ist, und es notwendig ist, den Prozess der Messung des Verlaufes des Risses 3 wiederherzustellen, so wird der Riß 3 im Wandler 2 nach den Prüfungen in Abschnitte Δ l bestimmter Länge auf der Kante 2 a des Wandlers 2 geteilt, worauf die Ordinatenwerte h _i gemessen, wo der Index "i" der Nummer des Abschnitts Δ l des Wandlers 2 entspricht, der Spannungsabfall Δ U _(5,9)i auf jedem Abschnitt unter Berücksichtigung des Koordinatenwertes h _i , beispielsweise aus der Beziehung

bestimmt und nach der im Meßverfahren erhaltenen Abhängigkeit U _5,9=f(l) die Parameterwerte l _i der Länge des Risses 3 für jeden Wert h _i ermittelt werden.

Falls es notwendig ist, die Abhängigkeit der Meßparameter des Risses 3, wie sie beispielsweise die Länge l (Fig. 1) ist, als Funktion der Zeit zu bestimmen, wird vorher erfindungsgemäß eine Abhängigkeit bei der Messung des elektrischen Potentials an der Spitze 3 b von der Länge l des Risses 3 im Wandler 2 erhalten.

Bei einer weiteren Rißprüfung von Mustern oder Konstruktionselementen wird eine zweite Abhängigkeit der elektrischen Parameter des Wandlers 2 von der Zeit erhalten, und nach diesen beiden Abhängigkeiten werden die Parameter des Risses 3 bestimmt.

Zur gleichzeitigen Bestimmung zweier Parameter eines Risses 3, wie sie Projektionen der Länge l (Koordinate X im System des Wandlers 2) und Werte einer Abweichung von der geradlinigen Ausbreitung (Koordinate Y) sind, wird das elektrische Feld im Wandler 2 abwechselnd mal von der einen Seite, mal von der anderen Kante des Risses 3 mit Hilfe eines Schalters 10 (Fig. 8) erzeugt, und in dem Maße der Ausbreitung des Risses 3 wird das elektrische Potential an dessen Spitze 3 b, beispielsweise der Spannungsabfall an den Elektroden 5 und 9, gemessen, wobei beim Stromdurchlauf über die Elektrode 5 der Spannungsabfall U _5,9 einen Wert von U _1i =U _5,9 und beim Stromdurchlauf über die Elektrode 9 einen Wert von U _2i =U _5,9 annimmt; zur Berechnung der Koordinaten der Spitze 3 b des Risses 3 wird eine periodische Umschaltung (mit einer Sollfrequenz) von der Elektrode 5 auf die Elektrode 9 vorgenommen und umgekehrt. Bei einer Wiederholung des Schaltzyklus werden Differenzen von Δ U _1i und Δ U _2i zwischen nachfolgenden und vorhergehenden Spannungsabfällen U _{1(i + 1)}, U _{2(i + 1)} bzw. U _1i , U _2i , beispielsweise

Δ U _1i = U _1i - U _{1(i + 1)} und Δ U _2i = U _2i - U _{2(i + 1)} (14)

berechnet, während die zeitlich wechselnden Koordinaten X und Y aus den Beziehungen

ermittelt werden, worin K, D - konstante Faktoren sind.

Eine andere Variante der Bestimmung der Koordinaten X und Y des Risses 3 im System des Wandlers 2 (s. Fig. 1) ist die Ermittlung der Länge l des Risses 3, d. h. der Koordinate X der Spitze 3 b des Risses 3, aus einer Differenz aus Messungen des elektrischen Potentials an der Spitze 3 b des Risses 3 bezüglich der seitens der Spitze 3 b angeordneten Elektrode 6 vor Beginn der Ausbreitung des Risses 3 und ähnlichen Messungen im Vorgang der Ausbreitung. Indem also die Anfangslage des Risses 3 als eine entsprechende Anfangsspannung U _o an den Elektroden 6 und 9 festgestellt wird, werden dann im Vorgang der Ausbreitung des Risses 3 ähnliche Messungen einer momentanen Spannung U _6,9 an den gleichen Elektroden 6 und 9 vorgenommen, worauf die Koordinate X der Spitze 3 b des Risses 3 beispielsweise in Analogie zur Beziehung (11)

und die Koordinate Y der Spitze 3 b des Risses 3 beispielsweise als ein Verhältnis zwischen den Differenzen aus einer nachfolgenden und einer vorhergehenden Messung des Spannungsabfalls

berechnet werden.

Um die Anzahl der elektrischen Meßparameter des Wandlers 2 zu reduzieren, kann das elektrische Feld zur Bestimmung der Parameter des Risses 3 von einer Seite des Risses 3 durch Zuführung eines betragsmäßig konstanten elektrischen Stroms zu den Elektroden 5 und 6 erzeugt werden. Dann kann der Stromwert in vielen Beziehungen (4 bis 13) durch irgendeine Konstante gegeben werden.

In manchen Fällen, beispielsweise bei Änderungen der Umgebungstemperatur während der Rißprüfungen der Muster, kann sich das elektrische Feld im Wandler temperaturabhängig ändern und Fehler bei der Bestimmung der Rißparameter verursachen. In diesem Fall wird das elektrische Feld im Wandler durch Anlegen einer betragsmäßig konstanten elektrischen Spannung an die Elektroden 5 und 6 aufgebaut.

Die nachstehend beschriebenen konkreten Ausführungsbeispiele der Erfindung treffen für Muster aus einer Aluminiumlegierung zu, die in Form von 4 mm dicken, 300 mm breiten und 1000 mm langen Platten hergestellt sind.

Der Wandler 2 zur Bestimmung der Parameter der Risse 3 an diesen Mustern wurde aus einer 0,005 mm starken und 30 mm breiten Folie erzeugt. Der Wandler 2 ist aus einer hitzebeständigen Legierung mit einer Arbeitstemperatur bis zu 800°C hergestellt und besitzt einen hohen spezifischen Widerstand (der spezifische Oberflächenwiderstand r _o bei solch einem Wandler 2 mit einer Dicke von 0,005 mm beträgt 0,3 Ohm·m/mm²).

Die Länge des Wandlers 2 wurde ausgehend von den konkreten Bedingungen der Durchführung der Prüfungen und der Bestimmung der erforderlichen Parameter der Risse 3 gewählt. Die Muster wurden auf Rißbeständigkeit bei einer konventionellen zyklischen und statischen Belastung geprüft.

Vor dem Aufkleben des Wandlers 2 auf die Versuchsmuster 1 wurden an den Wandlern 2 eine Isolierungsunterlage aus einem Glasgewebe mit einer Dicke von ca. 0,025 mm erzeugt, die mit Hilfe eines warmhärtenden Klebstoffes angeklebt wurde, wonach die Speise- und Meßelektroden 5, 6 bzw. 9, 10 angeordnet wurden. Den Speiseelektroden 5, 6 des Wandlers 2 wurde in manchen Fällen ein betragsmäßig stabilisierter konstanter elektrischer Strom in einem Bereich von ca. 10 bis zu ca. 100 µA in Abhängigkeit von der konkreten Variante der Bestimmung der erforderlichen Parameter der jeweiligen Risse 3, 3′, 3′′ zugeführt.

In der Tabelle 1 sind Ergebnisse der Bestimmung der Parameter der jeweiligen Risse 3, 3′, 3′′ aufgeführt, die erfindungsgemäß und nach den Resultaten visueller Messungen bei verschiedenartigen Rißprüfungen erhalten sind.

Diese Messungen wurden wie folgt durchgeführt. Sobald die Risse eine bestimmte Länge erreicht haben, werden die Prüfungen unterbrochen und die Parameter der jeweiligen Risse 3, 3′, 3′′ erst visuell mit Hilfe eines Mikroskops mit einer Genauigkeit von ca. 0,2 mm und dann im erfindungsgemäßen Verfahren gemessen, worauf die Ergebnisse verglichen werden.

In der Tabelle 2 sind Resultate aufgeführt, die bei der Koordinatenberechnung für einen sich ausbreitenden Riß 3 nach visuellen Messungen und erfindungsgemäß nach folgenden Beziehungen erhalten sind:

Tabelle 2

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Rißparametern gestattet es, den Meßbereich für die Risse zu erweitern und gleichzeitig die Meßgenauigkeit bei Rißprüfungen von Mustern und Elementen von Naturkonstruktionen zu erhöhen. Darüber hinaus gestattet es das erfindungsgemäße Verfahren, die Anzahl zu bestimmender Rißparameter zu vergrößern, beispielsweise ermöglicht es eine eventuelle Bestimmung von laufenden Koordinaten der Rißspitze, die Durchführung von Prüfungen in den Fällen vorzunehmen, wo sich die Ausbreitungsrichtung eines Risses vor den Prüfungen nicht genau festlegen läßt, was die Quote nichtstandartisierter Prüfungen sehr aufwendiger natürlicher Konstruktionselemente, beispielsweise von Flügeln bei Flugzeugen, reduziert.

Einer der Hauptvorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Möglichkeit, die Parameter beispielsweise zweier Risse gleichzeitig zu bestimmen, was den Arbeitsaufwand und die Meßzeit wesentlich reduziert.

Außerdem erhöht die Möglichkeit, die elektrischen Parameter des Wandlers an der Rißspitze zu messen, die für die Bestimmung der Rißparameter erforderliche Meßempfindlichkeit beträchtlich.

Die Einrichtung für die Durchführung des obengenannten Verfahrens ist außerordentlich einfach und sicher im Betrieb und infolgedessen billig in der Herstellung.

Da die erfindungsgemäße Einrichtung eine außerordentlich einfache Form der Umsetzung der Rißparameter in ein elektrisches Signal realisiert, ist sie selbst höchst einfach und sicher im Betrieb. Darüber hinaus sind keine arbeitsaufwendigen Operationen erforderlich.

Claims (28)

1. Verfahren zur Bestimmung von Parametern eines Risses (3; 3′; 3′′) bei einem Versuchsmuster (1), nach dem ein in Form einer stromleitenden Flachprobe ausgeführter Wandler (2; 2′; 2′′) über eine Zwischenschicht an der Stelle der Ausbreitung des Risses (3; 3′; 3′′) befestigt wird, worauf ein elektrischer Strom (1) zugeführt und bei einer gleichzeitigen Zerstörung des Versuchsmusters (1) und des Wandlers (2; 2′; 2′′) elektrische Parameter des letzteren gemessen werden, die den Parametern des Risses (3; 3′; 3′′) im Versuchsmuster (1) entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Feld seitens einer der Kanten des Risses (3; 3′, 3′′) durch Zuführung des elektrischen Stroms (I) zum Wandler (2; 2′; 2′′) an einer der Seiten der Basis (3 a; 3 a′; 2′′) des Risses (3; 3′; 3′′) und an der Seite des Wandlers, zu der die Spitze (3 b; 3 b′; 3 b′′) des Risses gerichtet ist, erzeugt wird, und die elektrischen Parameter des Wandlers (2; 2′; 2′′) im Bereich der Zuführung des elektrischen Stroms (I) gemessen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Parameter zweier sich in Richtung zueinander ausbreitender Risse (3′ und 3′′) ein elektrisches Feld im Wandler (2) durch Zuführung elektrischen Stroms (I) von der Seite jeder der Basen (3 a′ und 3 a′′) der Risse (3′ bzw. 3′′) erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung der Parameter zweier sich in entgegengesetzten Richtungen von einer gemeinsamen Basis weg (3 a) ausbreitender Risse (3′ und 3′′) ein elektrisches Feld durch Zuführung elektrischen Stroms (I) von seiten jeder der Spitzen (3 b′ und 3 b′′) der Risse (3′ bzw. 3′′) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein zweier sich von einer gemeinsamen Basis (3 a) ausbreitender Risse (3′ und 3′′) zwei miteinander durch Leiter verbundene Wandler (2′ und 2′′), d. h. je ein Wandler für jeden Riß (3′ und 3′′) benutzt und identische elektrische Felder in den beiden Wandlern (2′ und 2′′) gleichzeitig erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der elektrischen Parameter des Wandlers (2; 2′; 2′′) an der Spitze (3 b; 3 b′; 3 b′′) der jeweiligen Risse (3; 3′; 3′′) gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als elektrische Parameter des im Wandler (2; 2′; 2′′) erzeugten elektrischen Feldes ein elektrisches Potential an der Spitze (3 b; 3 b′; 3 b′′) der jeweiligen Risse (3; 3′; 3 b′′) mißt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das elektrische Potential an der Spitze des Risses (3; 3′, 3′′) bezüglich einer der Elektroden (5, 6; 5′, 6′; 5′′, 6′′) gemessen wird, denen der elektrische Strom (I) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Durchführung der Prüfungen die eine Potentialdifferenz der Elektroden (5, 6; 5′, 6′; 5′′, 6′′) zusätzlich gemessen wird, mit deren Hilfe am jeweiligen Wandler (2; 2′; 2′′) ein elektrisches Feld erzeugt und die Parameter der jeweiligen Risse (3; 3′, 3′′) aus einer Differenz zwischen diesen Messungen ermittelt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als Parameter des elektrischen Feldes ein Potential an jeder Spitze (3 b′; 3 b′′) der Risse (3′ bzw. 3′′) mißt und die Gesamtlänge aus einer Differenz der gemessenen Potentiale bewertet.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Potential an der Spitze (3 b) des Risses (3) in bezug auf die beiden Elektroden (5; 6) gleichzeitig gemessen wird, mit deren Hilfe ein elektrisches Feld erzeugt wird, wobei das elektrische Potential bezüglich der Basis (3 a) des Risses (3) unter Berücksichtigung der Breite eines durch den Riß (3) abgeschnittenen Teiles (h) des Wandlers (2) gemessen und die Parameter des Risses (3) nach einem Verhältnis zwischen dem in bezug auf die Basis (3 a) des Risses (3) gemessenen elektrischen Potential an der Spitze (3 b) des Risses (3) und einer Summe der elektrischen Potentiale an der Spitze (3 b) des Risses (3) bezüglich der beiden Elektroden (5, 6) bestimmt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Riß in Abschnitte bestimmter Länge ( Δ l) unterteilt, Ordinatenwerte (h _i ) von einer Kante des Risses (3) bis zu einer der Kanten (2 b) des Wandlers (2) mißt, der einen Spannungsabfall an jedem der Abschnitte ( Δ l _i ) bestimmt und die Länge des Risses (3) aus einer Summe der Produkte aus den an jedem der Abschnitte (Δ l _i ) auftretenden Spannungsabfällen und den ihnen entsprechenden Ordinatenwerten (h _i ) ermittelt.

12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Abhängigkeit der Parameter des Risses (3; 3′; 3′′) aus einer Abhängigkeit der Änderung des elektrischen Potentials an der Spitze (3 b; 3 b′; 3 b′′) des jeweiligen Risses (3; 3′; 3′′) von den Parametern des Risses (3; 3′; 3′′) mit Rücksicht auf eine Abhängigkeit des elektrischen Potentials an der Spitze (3 b; 3 b′; 3 b′′) des jeweiligen Risses (3, 3′; 3′′) als Zeitfunktion ermittelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Koordinaten der Spitze (3 b) eines sich ausbreitenden Risses (3) ein elektrisches Feld im Wandler (2) abwechselnd mal von der einen Seite und mal von der anderen Kante des Risses (3) erzeugt und im Maße einer Fortpflanzung des Risses (3) das elektrische Potential an der Spitze (3 b) des Risses (3) gemessen, eine Differenz aus einer nachfolgenden und einer vorhergehenden Messung errechnet und die Koordinaten aus den Beziehungen bestimmt werden: worin X, Y Koordinaten der Spitze (3 b) eines Risses (3) zu jedem Zeitpunkt in Ausbreitungsrichtung (L) des Risses (3), Δ U _1i , Δ U _2i eine Differenz zwischen nachfolgenden und vorhergehenden Messungen des elektrischen Potentials an der Spitze (3 b) des Risses (3) von der Seite der einen bzw. der anderen Kante des Risses (3), und D, K Proportionalitätsfaktoren sind.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Koordinaten der Spitze (3 b) eines sich ausbreitenden Risses (3) das elektrische Potential an dessen Spitze (3 b) periodisch im Maße seiner Fortpflanzung bezüglich der beiden Elektroden (5, 6) gleichzeitig gemessen, mit deren Hilfe ein elektrisches Feld am Wandler (2) erzeugt wird, der Koordinatenwert in Richtung der X-Achse aus einer Differenz zwischen Messungen des elektrischen Potentials an der Spitze (3 b) des Risses (3) in bezug auf die seitens der Spitze (3 b) des Risses (3) vor Beginn der Ausbreitung des Risses (3) angeordnete Elektrode (6) und ähnliche Messungen während der Ausbreitung des Risses (3) und der Koordinatenwert in Richtung der Y-Achse aus einem Verhältnis von Differenzen zwischen einer nachfolgenden und einer vohergehenden Messung der Potentiale an der Spitze (3 b) des Risses (3) bezüglich jeder der Elektroden (5, 6), mit deren Hilfe ein elektrisches Feld erzeugt wird, bestimmt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 8, 10, 12, 13, 14, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld im Wandler (2; 2′; 2′′) durch Durchfluß eines betragsmäßig konstanten Stroms (I) aufgebaut wird.

16. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld im Wandler (2) durch Anlegen einer beitragsmäßig konstanten elektrischen Spannung aufgebaut wird.

17. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 16, mit mindestens einem Wandler (2; 2′, 2′′) in Form einer über eine Zwischenschicht an der Stelle der Ausbreitung des Risses (3; 3′; 3′′) im Versuchsmuster (1) befestigten stromleitenden Flachprobe, der Speiseelektroden (5, 6; 5′, 6′; 5′′, 6′′) zur Zuführung des elektrischen Stroms und Meßelektroden (7; 8; 9; 9′; 9′′) zur Messung der elektrischen Parameter ausweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speiseelektrode (5; 5′; 5′′) am Wandler (2; 2′; 2′′) auf einer Seite der Basis (3 a; 3 a′; 3 a′′) des Risses und die andere Speiseelektrode (6; 6′; 6′′) an der Seite des Wandlers, zu der die Spitze (3 b; 3 b′; 3 b′′) des Risses (3; 3′, 3′′) gerichtet ist, angeordnet ist, und die Meßelektroden (7; 8; 9; 9′; 9′′) in unmittelbarer Nähe von den Speiseelektroden (5, 6; 5′, 6′; 5′′, 6′′) liegen.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5, 6; 5′, 6′; 5′′, 6′′; 7, 8) am Wandler (2; 2′; 2′′) auf einer Seite des jeweiligen Risses (3; 3′; 3′′) angeordnet sind.

19. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5, 6) am Wandler (2) auf verschiedenen Seiten des Risses (3) liegen.

20. Einrichtung nach Anspruch 17 für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Speiseelektrode (5, 6) auf der Seite jeder der Basen (3 a′; 3 a′′) der jeweiligen Risse (3′; 3′′) angeordnet und mit den Meßelektroden (7; 8) vereinigt sind.

21. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und die Speiseelektroden (9; 9′; 9′′ bzw. 5; 5′; 5′′) auf verschiedene Seiten des jeweiligen Risses (3; 3′; 3′′) angeordnet sind.

22. Einrichtung nach Anspruch 17 für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler einen sich von der Basis (3 a) der Risse (3′; 3′′) bis zu einer seiner Kanten (2 b) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Risse (3′; 3′′) erstreckenden Ausschnitt (2 k) aufweist.

23. Einrichtung nach Anspruch 17 für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Wandler (2′; 2′′) enthält, die seitens jeder der Spitzen (3 b′; 3 b′′) der Risse (3′ bzw. 3′′) miteinander verbunden sind.

24. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Speiseelektrode (5; 6) an der Seite jeder der Spitzen (3 b′; 3 b′′) der Risse (3′ bzw. 3′′) angeordnet ist.

25. Einrichtung nach Anspruch 17 für die Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Meßelektroden (9; 9′; 9′′) an der Seite der Basis (3 a; 3 a′; 3 a′′) der jeweiligen Risse (3; 3′; 3′′) und auf der anderen Seite von der Kante des Risses (3; 3′; 3′′) liegt.

26. Einrichtung nach Anspruch 17, 19, 22, 23, 24, 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Speise- und die Meßelektrode (6 bzw. 8), die am Wandler (2) seitens der Spitze (3 b) des Risses (3) angeordnet sind, vereinigt sind.

27. Einrichtung nach Anspruch 17 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden (9′; 9′′) von der Seite der Basen (3 a′ bzw. 3 a′′) jedes der Risse (3′; 3′′) auf einer Seite von den Speiseelektroden (5, 6) angeordnet sind.

28. Einrichtung nach Anspruch 17 für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Zweipunktschalter (10) enthält, dessen gemeinsamer Anschluß an eine der Klemmen einer Stromquelle (I) und dessen andere beiden Anschlüsse an die Elektroden (5; 9) des Wandlers (2) gelegt sind.