HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
-
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an
einem Verfahren zur Bewertung einer
Restermüdungs(lebens)dauer mechanischer Teile.
Beschreibung des Stands der Technik:
-
Bisher wurde bei einem Verfahren zur Wartung und
Kontrolle mechanischer Teile eine Fehlersuchinspektion
durchgeführt, doch war es mit dieser Inspektion nur möglich zu
bestimmen, ob die Teile ihre Lebensdauer oder Standzeit
erreicht haben oder nicht. Als Methoden zur Abschätzung,
wann ungefähr Risse auftreten werden, anhand eines
Ergebnisses einer vor der Entstehung von Rissen durchgeführten
Inspektion sind eine Methode zum Detektieren von Änderungen
in der Beschaffenheit des Werkstoffs, die vor der
Entstehung von Rissen auftreten, und eine Methode zur
Beobachtung von Mikrorissen denkbar, doch besitzt jede dieser
Methoden eine mangelhafte Genauigkeit, und es gab
nahezu kein Beispiel für Erfolg als praktisches (anwendbares)
Verfahren.
-
Die US-A-4 287 416 beschreibt ein Verfahren zum
Bewerten einer Restermüdungslebensdauer von mechanischen
Teilen. Bei diesem Verfahren werden die
Halbbreiten-Röntgenstrahlenbeugungsintensitätsdaten
einer Probenoberfläche
gesammelt und mit den Halbbreitendaten eines nicht
ermüdeten Werkstoffs verglichen.
-
Bei diesem bekannten Verfahren wird jedoch die
Oberfläche des zu untersuchenden mechanischen Teils nicht
aboder angeschliffen. Außerdem werden Halbbreitenwerte
durch verschiedene Röntgenröhren detektiert und
miteinander verglichen.
-
Dieses Verfahren eignet sich für oberflächengehärtete
mechanische Teile. Die verschiedenen Röntgenröhren liefern
Röntgenstrahlen, die in unterschiedlichen Ausmaßen in den
zu untersuchenden Werkstoff eindringen können.
-
Als repräsentatives Verfahren zum Detektieren oder
Erfassen von Änderungen in der Beschaffenheit des Werkstoffs
ist ein Verfahren bekannt, das den
Röntgenstrahlbeugungsprozeß nutzt und bei dem Änderungen in einem Profil der
gebeugten Röntgenstrahlen Aufmerksamkeit gewidmet wird.
Im folgenden sind die Grundzüge dieses Verfahrens anhand
von Fig. 7 erläutert.
-
Fig. 7 ist eine schematische graphische Darstellung
einer allgemeinen Röntgenstrahlbeugungsintensitätskurve;
eine in dieser Figur angegebene Halbbreite bezieht sich
auf eine Breite eines Peaks auf 1/2 Höhe des Peaks in
einem Profil der gebeugten Röntgenstrahlen. Bei
Bezeichnung der Halbbreite mit H und derjenigen vor Gebrauch mit
Ho ergibt sich, wie z. B. in Fig. 8 dargestellt, daß ein
Halbbreitenverhältnis H/Ho an der Oberfläche einer
Testprobe bzw. eines Prüflings eine gute Korrelation zu einem
Ermüdungsfehlerverhältnis N/Nf (N: Zahl der Wiederholungen
der Beanspruchung, Nf: Zahl der Wiederholungen der
Beanspruchung beim Bruch) aufweist. Der Grad eines
Ermüdungsfehlers kann somit anhand des Halbbreitenverhältnisses
abgeschätzt werden.
-
Beim erstgenannten, auf der Fehlersuche beruhenden
Verfahren ist jedoch die Genauigkeit mangelhaft, und das
Verfahren ist nicht praktisch einsetzbar. Da zum zweiten
im Fall der Abschätzung eines Grads des Ermüdungsfehlers
anhand eines Profils gebeugter Röntgenstrahlen ein Gradient
der Änderung eines Halbbreitenverhältnisses H/Ho in bezug
auf ein Ermüdungsfehlerverhältnis N/Nf in der zweiten
Periode II, die den größten Teil einer
Ermüdungslebensdauer einnimmt, gemäß Fig. 8 klein ist, ist eine
Genauigkeit bei der Vorhersage oder Vorausbestimmung einer
Lebensdauer mangelhaft. Genauer gesagt: Obgleich
gemäß Fig. 8 eine Änderung der Werkstoffbeschaffenheit
in der ersten Periode I deutlich auftritt, ist in der
zweiten Periode II die Änderung der
Werkstoffbeschaffenheit an der Oberfläche vergleichsweise stabilisiert;
sodann wird die durch wiederholte Beanspruchung oder
Belastung aufgespeicherte Energie eher durch irreversible
und mikroskopische Verformung an der Oberflächenschicht
aufgebraucht, was zu Keimen von Rissen und zu einer
Vermehrung (breeds) der Keime führt. Die dritte Periode 111
umfaßt den Prozeß der Entstehung und Ausbreitung von
Rissen, wobei diese Periode außerhalb des Ziels einer
Lebensdauer liegt. Unter Berücksichtigung dieser, zur Entstehung
von Ermüdungsrissen führenden Mechanismen bei der
Oberflächen-Halbbreitenmeßmethode unter Anwendung des
Röntgenstrahlbeugungsprozesses lassen sich Verbesserungen in
einer Genauigkeit der Vorherbestimmung einer Lebensdauer
nicht erzielen.
ABRISS DER ERFINDUNG
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein verbessertes Verfahren zur Bewertung einer
Restermüdungslebensdauer mechanischer Teile unter Anwendung des
Röntgenstrahlbeugungsprozesses zu schaffen, das von den
Mängel eines ähnlichen Verfahrens nach dem Stand der
Technik frei ist.
-
Eine spezifischere Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist die Schaffung eines Verfahrens zur Bewertung einer
Restermüdungslebensdauer mechanischer Teile, das auch in
der zweiten Periode einer Ermüdungslebensdauer eine hohe
Genauigkeit aufweist.
-
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren zur Bewertung einer
Restermüdungslebensdauer mechanischer Teile geschaffen, das die im
unabhängigen Anspruch gekennzeichneten Schritte umfaßt.
-
Während in der zweiten Periode II Änderungen der
Materialbeschaffenheit an der Oberfläche
vergleichsweise stabilisiert sind, schreiten während dieser zweiten
Periode II die Änderungen der Materialbeschaffenheit zum
Inneren des Werkstoffs fort; da gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Tiefe einer Oberflächenschicht, in
welcher Änderungen der Materialbeschaffenheit aufgetreten
sind, gemessen und als Parameter für die Bewertung der
Restermüdungslebensdauer benutzt wird, kann daher eine
Genauigkeit der Bewertung der Restermüdungslebensdauer
verbessert sein.
-
Beim oben umrissenen Verfahren zur Bewertung einer
Restermüdungslebensdauer mechanischer Teile gemäß der
vorliegenden Erfindung ist der Anfangswert Ho der
Halbbreite H in allgemeinen Untersuchungen oder Inspektionen
nicht bekannt; daher wird der Halbbreitenwert, an einer
Stelle gemessen, an welcher eine auferlegte Beanspruchung
klein ist und der Werkstoff nahezu keinem Ermüdungsfehler
unterliegt, statt dessen benutzt. Da jedoch in einem
mechanischen Gebilde die Werkstoffbeschaffenheit zum Zeitpunkt
der Fertigung bereits nicht gleichmäßig ist, wird in der
Praxis eine Stelle, an welcher der Werkstoff keinem
Ermüdungsfehler unterliegt und die möglichst dicht an der
Stelle liegt, an welcher die Ermüdung detektiert werden
soll, gesucht, wobei der wahrscheinlichste Anfangswert
Hwo, der durch Messung eines Halbbreitenwerts H an
dieser Stelle ermittelt wird, anstelle des Anfangswerts Ho
benutzt wird.
BESCHREIBUNG DES GRUNDPRINZIPS DER ERFINDUNG
-
Anhand einer Änderung von Profilen gebeugter
Röntgenstrahlen an den aufeinanderfolgenden Punkten auf einer
Prüffläche, die in einem sehr geringen Maße geschliffen
wurde, werden Daten, wie in Fig. 3 gezeigt, gewonnen.
Wenn eine Tiefe von einer Oberfläche an den
aufeinanderfolgenden Meßstellen x mit d bezeichnet wird, kann sie
(die Tiefe d) geometrisch nach folgender Gleichung
berechnet werden:
-
Wenn mithin ein Halbbreitenverhältnis H/Ho als Funktion
der Tiefe d aufgetragen oder ausgewertet wird, wird eine
graphische Darstellung gemäß Fig. 4 erhalten.
-
Anhand eines Kreuzungs- oder Schnittpunkts zwischen
zwei Geraden gemäß Fig. 4 kann eine Tiefe do eines
Fehlerbereiches bestimmt werden. Auf der Grundlage von Daten,
welche die Tiefe do mit einer Größe eines
Ermüdungsfehlers D korrelieren bzw. in Beziehung setzen, die bezüglich
eines Prüflings getrennt gewonnen oder ermittelt wurden,
kann demzufolge die Größe des Ermüdungsfehlers anhand der
Tiefe do bestimmt werden (vgl. Fig. 5).
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN.
-
In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
-
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
Röntgenstrahlbeugungssystems zur Verwendung bei der
praktischen Ausführung des Verfahrens zur
Bewertung einer Restermüdungslebensdauer
mechanischer Teile gemäß der vorliegenden Erfindung,
-
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines beim System gemäß
Fig. 1 eingesetzten Rechners,
-
Fig. 3 eine graphische Darstellung von aufgesammelten
Daten,
-
Fig. 4 eine graphische Darstellung, angefertigt durch
Umordnen der Daten nach Fig. 3 in die Form
eines Halbbreitenverhältnisses (H/Ho) in
Abhängigkeit von einer Tiefe (d) von einer
Oberfläche,
-
Fig. 5 eine graphische Darstellung einer Tiefe (do)
eines Defektbereichs in Abhängigkeit von einer
Größe eines Ermüdungsdefekts oder -fehlers (D),
-
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
zur Bildung einer Prüffläche,
-
Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung
einer Halbbreite einer
Röntgenstrahlbeugungskurve und
-
Fig. 8 Bestimmungskurven nach dem Stand der Technik,
verwendet zur Abschätzung eines Fehlergrads
anhand von Änderungen einer Halbbreite an der zu
detektierenden bzw. zu messenden Stelle.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM:
-
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung anhand der Fig. 1 bis 7 erläutert.
-
Eine Prüffläche wird durch An- oder Abschleifen einer
Oberflächenschicht eines zu untersuchenden mechanischen
Teils um einen winzigen bzw. sehr kleinen Betrag geformt.
Für diese Formung einer Prüffläche kann beispielsweise
die in der parallelen JP-Patentanmeldung Nr. 60-53796
(vgl. Fig. 6) offenbarte Einrichtung eingesetzt werden.
-
Anhand eines Diagramms bzw. einer graphischen
Darstellung einer Röntgenstrahlbeugungsintensitätskurve
auf der erwähnten Prüffläche (vgl. Fig. 7) werden Daten
(eine Halbbreite H in Abhängigkeit von einer Meßstelle x),
wie in Fig. 3 gezeigt, aufgesammelt. Gemäß Fig. 3 wird
in dem Fall, in welchem ein flacher oder abgeflachter
Abschnitt an der Position entsprechend dem Zentrum einer
durch Anschleifen eines Elements gebildeten Sehne
erscheint, die Halbbreite H des flachen Abschnitts als
Halbbreite Ho unbenutzten Werkstoffs verwendet, wobei
Halbbreitenlinien an den gegenüberliegenden
Endabschnitten der Sehne extrapoliert werden, um eine Halbbreite H
an einem Ermüdungsfehlerabschnitt zu ermitteln. Die am
flachen Abschnitt ermittelte Halbbreite Ho ist die
wahrscheinlichste ursprüngliche Halbbreite Hwo. Für das
Aufsammeln dieser Daten kann beispielsweise die in der
parallelen JP-Patentanmeldung Nr. 60-53797 offenbarte
Einrichtung verwendet werden.
-
Die jeweiligen Meßstellen sind in Form einer
horizontalen Koordinate x (vgl. Fig. 3) dargestellt und
repräsentieren einen Radius eines zu untersuchenden
kreisrunden Elements mit R und eine Länge der als Prüffläche
geformten Sehne mit l, wobei die horizontale
Koordinate x nach der folgenden Formel in eine Tiefe d von
einer Oberfläche transformiert werden kann:
-
Sodann kann das Halbbreitenverhältnis H/Ho als Funktion
der Tiefe d aufgetragen werden. Dies ist in Fig. 4
dargestellt.
-
Diese aufgetragenen Daten sind auf zwei einander
schneidenden Geraden aufeinander ausgerichtet. Genauer
gesagt: In den Positionen einer großen Tiefe d sind die
Daten auf einer flachen waagerechten Linie aufeinander
ausgerichtet, während in einem Fehlerbereich, in
welchem die Tiefe d kleiner ist, die Daten linear von der
Ebene der flachen Geraden abweichen. Der Kreuzungs- oder
Schnittpunkt zwischen diesen beiden gedachten Geraden
kann somit durch statistische Auswertung der Daten
gesucht werden, wobei anhand der horizontalen Koordinate
des Schnittpunkts eine Tiefe do des Defekt- oder
Fehlerbereichs bestimmt wird.
-
Die Beziehung zwischen der Tiefe do und der Größe
des Ermüdungsfehlers D wird getrennt mittels eines
Prüflings gemessen, und die Größe des Ermüdungsfehlers D
wird auf einem Diagramm der Tiefe do in Abhängigkeit
von der Größe des Ermüdungsfehlers D bestimmt.
-
Bei einer großen Größe des Ermüdungsfehlers D ist
die Möglichkeit groß, daß mikroskopische Risse
auftreten können. Die Prüfung der Größe des Ermüdungsfehlers
D, der nach der Methode auf der Grundlage der
Röntgenstrahlenbeugung abgeschätzt wurde, kann daher durch
Durchführung einer Beobachtung der Prüffläche an der
eigentlichen Oberfläche in der Nähe bzw. im Bereich der
gegenüberliegenden Enden der vorbereiteten Prüffläche
durchgeführt werden. Bei einer großen Größe des
Ermüdungsfehlers D sind außerdem Änderungen des
Halbbreitenverhältnisses (H/Ho) [H = durch Extrapolation ermittelte
Halbbreite an der Oberfläche] groß. Die Bestimmung kann
daher auch nach den bisherigen, in Fig. 8 dargestellten
Verfahren erfolgen.
-
Es ist zu beachten, daß mikroskopische Risse in einer
sehr flachen Oberflächenschicht vorhanden sind. Obgleich
daher die Beobachtung (Prüfung) eines im praktischen
Betrieb befindlichen mechanischen Teils, an dem als
Folge der Benutzung Zunder anhaftete, unmöglich war,
wird beim Verfahren zur Ausbildung einer Prüffläche
gemäß der obengenannten parallelen JP-Patentanmeldung Nr.
60-53796 die Oberfläche schräg weggeschnitten und damit
freigelegt, so daß die Beobachtung (Prüfung) einfach wird.
-
Im folgenden ist eine in Fig. 1 dargestellte
Röntgenstrahlbeugungsvorrichtung beschrieben. Die
Beugungsvorrichtung besteht aus einer Röntgenröhre 1, einem Schlitz
2 und einem Detektor 3; diese Bauelemente sind auf einer
bewegbaren Basisplatte 4 angeordnet, die einer Prüfflächen-
Formvorrichtung (Fig. 6) gemeinsam zugeordnet ist. Ein
vom Detektor 3 abgegebenes Detektionssignal wird über
einen Datenansammel- und Steuerteil 5 einem Rechner 6
zugeführt, wobei vom Rechner 6 abgegebene Steuersignale
über den Datenansammel- und Steuerteil 5 zu einem
Treiberteil für die bewegbare Basisplatte 4 und den Detektor
3 übertragen werden. Die Vorrichtung arbeitet wie folgt:
-
1) Unter der Steuerung des Rechners 6 wird beim
jedesmaligen Ansammeln oder Abnehmen einer
Röntgenstrahlenbeugungskurve für eine gegebene Position in einem Abstand
x durch die Röntgenstrahlbeugungsvorrichtung die bewegbare
Basisplatte 4 automatisch stufenweise weiterbewegt.
Dabei werden jedesmal der Abstand x und die entsprechende
Halbbreite H der Röntgenstrahlbeugungskurve berechnet
und registriert
-
2) Durch den Rechner 6 wird ein Diagramm des
Halbbreitenverhältnisses H/Ho in Abhängigkeit von der Tiefe d
erzeugt, wobei dann bestimmt wird, ob eine
höchstwahrscheinliche ursprüngliche Halbbreite Ho ermittelt worden
ist oder nicht. Wenn die Wahrscheinlichkeit nicht
ausreichend ist, wird die Prüffläche erneut angeschliffen,
um eine größere Querschnitt-Sehnenlänge l zu erzielen.
-
3) Sodann wird die Tiefe do des Fehlerbereichs aus dem
Diagramm von H/Ho gegen d ausgelesen.
-
4) Auf der Grundlage dieses Werts der Tiefe do wird die
Größe des Ermüdungsfehlers D bestimmt. Wenn die Größe
des Ermüdungsfehlers D groß ist, wird ein Befehl für
Beobachtung oder Prüfung von mikroskopischen Rissen
ausgegeben.
-
5) Wenn als Ergebnis der Beobachtung oder Prüfung von
mikroskopischen Rissen derartige mikroskopische Risse
festgestellt werden, wird durch den Rechner 6 ein Befehl
bzw. eine Anweisung ausgegeben, daß ein etwaiges
Verwerfen (des Teils) frühzeitig erfolgen sollte.
-
6) Wenn keine mikroskopischen Risse vorhanden sind,
wird vom Rechner 6 ein Befehl oder eine Anweisung
ausgegeben, daß eine erneute Untersuchung frühzeitig bzw.
baldmöglichst vorgenommen werden sollte.
-
7) Falls die Größe des Ermüdungsfehlers D klein ist,
wird auf der Grundlage des durch Subtraktion von 1-D
erhaltenen Werts der Zeitpunkt bestimmt, zu dem die
nächste Untersuchung vorgenommen werden soll.
-
Die Operationsschritte 1) bis 7) sind im Rechner 6
als Software programmiert. Dies bedeutet, daß sich die
Operation des Rechners 6 in einem Ablaufdiagramm gemäß
Fig. 2 wiedergeben läßt.
-
Da sich die vorliegende Erfindung durch die oben
beschriebenen Merkmale kennzeichnet, lassen sich die
folgenden Vorteile erzielen:
-
1) Aufgrund der Tatsache, daß bei der Bestimmung
einer Größe des Ermüdungsfehlers eine Tiefe einer
Oberflächenschicht, in welcher Änderungen der
Werkstoffbeschaffenheit aufgetreten sind, gemessen und als Parameter
für die Bewertung einer Restlebensdauer benutzt wird,
kann eine Genauigkeit der Bewertung der Restlebensdauer
verbessert sein.
-
2) Weiterhin kann eine Genauigkeit der Bewertung
der Restlebensdauer dadurch verbessert sein, daß ein
Halbbreitenwert benutzt wird, der an einer Stelle, an
welcher das zu untersuchende mechanische Teil keinem
Ermüdungsfehler unterliegt und die möglichst dicht an
der Stelle liegt, an welcher die Ermüdung festgestellt
werden soll, als anfänglicher Halbbreitenwert Ho
gemessen wird.