DE4127116A1

DE4127116A1 - Einrichtung zur messung mechanischer werkstoffkennwerte und zur beobachtung und auswertung von risssystemen eines bauteils

Info

Publication number: DE4127116A1
Application number: DE19914127116
Authority: DE
Inventors: Stefan Risse; Juergen Dieter Dr Schnapp; Andreas Gebhardt; Stefan Eisenschmidt
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-08-16
Filing date: 1991-08-16
Publication date: 1993-02-18

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Messung mechanischer Werkstoffkennwerte und zur Beobachtung und Auswertung von Rißsystemen eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Mit der Erfindung gelingt eine berührungslose Deformationsmessung eines Bauteils (vorzugsweise eines Biegebalkens) und/oder die Beobachtung der Bruchzone bei zerstörender Belastung.

Es sind Geräte und Einrichtungen zur Durchbiegungs- und Verformungsmessung an festen Körpern bekannt, die nach dem mechanischen Prinzip antastend wirken. Insbesondere bei der Durchbiegungsmessung sprödelastischer Proben kleiner Abmessungen erfordern diese Methoden einen hohen Meßaufwand. Weiterhin ist die Durchbiegungsmessung durch die relative Lageänderung zwischen Probenauflager und einem festen Punkt der Kraftaufbringung möglich. Dieses Verfahren findet auf grund seiner Ungenauigkeit nur im beschränktem Maße Verwendung. Eine Einrichtung zur Durchbiegungsmessung nach DE 38 25 415 A1 auf optoelektronischem Wege erfordert das Anbringen von Signaleinheiten am Prüfling. Alle diese Meßeinrichtungen sind nicht dazu im Stande neben der Verformungsmessung die Beobachtung von Bruchvorgängen aufzuzeichnen.

Der Eintritt von Rissen kann elektrisch, akustisch und visuell nachgewiesen werden. Die elektrische Methode ist nur einsatzfähig, wenn der Probekörper mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen wird. Eine akustische Methode liefert nur allgemeine Aussagen über das Schädigungsverhalten und kann nur unterstützend eingesetzt werden. Die visuelle Methode ist durch hohe subjektive Fehler gekennzeichnet und läßt keine Echtzeiterfassung der Bruchvorgänge und des Rißwachstums zu. Mit diesen Verfahren sind keine, oder nur subjektive Aussagen über das innerhalb des Prüflings verlaufende Tiefenrißwachstum erzielbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flexible, objektive und preiswerte Meßeinrichtung zu schaffen, die eine berührungslose Verformungsmessung ermöglicht und ebenfalls der Beobachtung und Auswertung von Bruchvorgängen dient.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung besitzt den hervorstechenden Vorteil, daß die Messung berührungslos erfolgt und mittels einer Anordnung verschiedene Meßaufgaben gelöst werden können. Die Erfindung ermöglicht eine Kopplung von Ermittlung makroskopischer Werkstoffkennwerte und mikroskopischer Beobachtung im µm-Bereich.

Die Meßverfahren können automatisiert werden. Eine Nachrüstung auf Belastungseinrichtungen und Werkstoffprüfmaschinen ist möglich.

In vorteilhafter Weise sind mit der Erfindung hohe Meßgenauigkeiten zu erzielen, die mit bekannten Bildverarbeitungssystemen (grauwert-verarbeitende Verfahren) im subpixel-Bereich (1 µm) liegen.

Durch die Anordnung einer Optik kann die Auflösung den Erfordernissen angepaßt werden. Die visuelle Aufzeichnung von Bruchvorgängen ist möglich.

Die Erfindung ermöglicht die optoelektronische Ermittlung von Deformationen, Rißeintreten, Rißerkennung und Rißwachstum und deren Zuordnung zur momentan wirkenden Kraft in Echtzeit.

Die Erfindung wird an Hand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Prinzip der Meßanordnung;

Fig. 2 Durchbiegungsmessung am langgestreckten Bauteil;

Fig. 3 Rißöffnungsmessung an gekerbten Proben;

Fig. 4 Detaildarstellung der Rißöffnung;

Fig. 5 Kugeleindruckverfahren;

Fig. 6 Geometrische Größen beim Kugeleindruck.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der mit Fig. 1 bezeichneten Prinzipskizze beschrieben.

Bauteile oder Prüfkörper, insbesondere aus sprödelastischen Material werden durch Kräfte beansprucht. Diese führen zu Formänderungen der Bauteile (z. B.: Durchbiegung) und oder zur Bildung von Rißsystemen. Fig. 1 zeigt die prinzipielle Meßanordnung. Ein Bauteil 1, das je nach Gestalt gelagert ist, wird durch eine Kraftaufbringung 3 definiert belastet. Dieses Bauteil befindet sich im Strahlengang der Anordnung: Lichtquelle 4 - Bauteil 1 - CCD-Empfänger 5. Der CCD-Empfänger ist in einem Abstand zum Bauteil innerhalb des Schärfebereiches angeordnet. Das von der Lichtquelle ausgesandte Lichtbündel wird durch das Bauteil, durch dessen Kanten (bei lichtdurchlässigen Proben) bzw. dem Rißsystem teilweise ausgeblendet. Das somit entstehende Schattenbild wird im Bereich des Empfängers aufgenommen und dient der eindeutigen Lageidentifizierung der Bauteilkonturen und Rißsysteme. Der Sensor besitzt eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen, die auch als Matrix angeordnet sein können. Durch die Verwendung eines Flächensensors ist die Verformungsänderung in x- und y-Richtung möglich. Kraft- und Verformungssignal werden einer Auswerteeinheit 6 zugeführt. Durch den Vergleich der Meßsignale zu mindestens zwei unterschiedlichen Belastungszuständen bzw. zu unterschiedlichen Zeitpunkten t0, tn, ist eine Auswertung möglich. Durch ein zwischen Bauteil und Empfänger angeordnete Optik können spezifische Bauteilabschnitte vergrößert auf dem Empfänger 5 abgebildet werden.

Die Bildauswertung kann durch eine Binärbildverarbeitung, wobei die Grenze zwischen Hell und Dunkel durch einen Schwellwert entschieden wird, oder durch ein Grauwertverfahren erfolgen, wobei die Graustufen der Pixel eines Hell-Dunkel-Überganges einer Auswertung unterzogen werden.

Ausführungsbeispiel 1: Ermittlung der Durchbiegung an der Stelle Ihres Maximums an langgestreckten Bauteilen

Die Erfindung wird in Anwendung auf den statischen Drei- oder Vierpunktbiegeversuch zur Elastizitätsmodulbestimmung auf Universalprüfmaschinen oder Einzelgeräten angewendet, mit dem Ziel, die Durchbiegung an der Stelle ihres Maximums berührungslos zu messen.

Der als langgestrecktes Bauteil 1 skizzierte Balken 1 in Fig. 2 ist auf seitlichen Auflagern 2 gelagert. Wie skizziert ist seine gestrichelte Unterkante A durch die mit der Auswerteinheit 5 gesteuerte Kraftauf bringung in die durchgezeichnete Unterkante A′ verkrümmt. Der CCD-Flächensensor ist auf die Stelle des Krafteintrages grob positioniert und in x- und y-Richtung justiert. Das in z-Richtung ausgestrahlte Lichtbündel wird durch die Probe und dessen Kanten teilweise ausgeblendet. Dabei werden in jeder Spalte der CCD-Matrix eine bestimmte Anzahl von Zeilenelementen abgeschattet. Während der Belastung verschieben sich diese Hell-Dunkel-Übergänge durch die Verformung des Bauteils 1. Durch den Vergleich der Anzahl der abgeschatteten, dunklen Pixel jeder Spalte in der Auswerteeinheit 5, wird die Matrix-Spalte mit der maximalen Anzahl ausgeblendeter Zeilenelemente ermittelt und damit die Durchbiegung an der Stelle ihres Maximums gemessen. Zu jedem Belastungszustand wird jeder Spalte eine Anzahl von abgeschatteten Zeilenpixeln zugeordnet. Die Differenz der Anzahl abgeschatteter Pixel in der Maximalzeile zu mindestens zwei unterschiedlichen Belastungszuständen ist Maß für die Durchbiegungsdifferenz Df an dieser Stelle. Synchron zu den Durchbiegungswerten werden die momentan wirkenden Kraftwerte F_{t = n}, F_{t = n+1} durch die Auswerteinheit 5 erfaßt und die Kraftdifferenz DF ermittelt. Nach der Formel:

mit
s = Abstand zwischen den Auflagern,
I = äquatoriales Flächenträgheitsmoment

wird daraus der Elastizitätsmodul des geprüften Materials durch die Auswerteinheit 5 bestimmt.

Diese Formel geht davon aus, daß die größte elastische Durchbiegung am Kraftangriffspunkt, mittig der Auflager bestimmt wird. Die Erfindung mißt die Durchbiegung aber genau an dieser Stelle, so daß Fehler durch ein ungenaues Positionieren wie bei antastenden Längenmeßverfahren vermieden werden. Neben der Elastizitätsmodulermittlung können mit der Erfindung in vorteilhafter Weise Kraft-Durchbiegungs-Verläufe und oder Durchbiegungs-Zeit-Verläufe aufgenommen werden, da die Biegelinie im Bereich des Sensors eindeutig in Abhängigkeit von der Zeit aufgenommen wird und die Meßwertaufnahme in Echtzeit erfolgt. Ebenso ist die Ermittlung der Grenzdurchbiegung fb=1,5_*Probendicke, vorzugsweise an hochpolymeren Werkstoffen möglich.

Die Anwendung der Erfindung auf die Vierpunktbiegung erfolgt anlog, wobei der Flächensensor mittig zwischen den beiden Kraftangriffspunkten positioniert ist.

Ausführungsbeispiel 2: Beobachtung des Rißöffnungsverhalten an KIc-Biegeprüflingen, Ermittlung von Kraft- Rißaufweitungskurven, Ermittlung der kritischen Rißöffnung

Die Erfindung wird bei bruchmechanischen Untersuchungen durch den statischen Biegeversuch auf Universalprüfmaschinen oder Einzelgeräten angewendet, mit dem Ziel, das Rißöffnungsverhalten zu analysieren und die gesamte Bruchzone zu beobachten.

Der in Fig. 3 skizzierte Prüfkörper 1 (Bauteil) ist mit einem definierten Riß (Kerbe) mit der Rißbreite a versehen. Beim Biegeversuch zur Ermittlung des K_Ic(-Faktors ist der Prüfling 1 auf den Auflagern 2 gelagert und wird über die Kraftaufbringung 3 definiert belastet.

Dabei erfährt die Rißzone charakteristische Veränderungen: Die Rißbreite a vergrößert sich bei Belastung zur Rißbreite a′. Der CCD-Flächensensor 5 ist auf den Bereich des eingebrachten Risses positioniert und in x- und y-Richtung justiert. Somit wird die Bauteil- und damit die Rißkontur als Schattenbild erfaßt. Dabei stellt sich der Riß als helle Fläche in dem ansonsten durch das Bauteil abgeschatteten, dunklen Bereich des CCD-Flächensensors dar, wie in Fig. 4 dargestellt. Durch ein mathematisches Verfahren werden in der Auswerteinheit 5 die Koordinaten der Punkte P1 und P2 innerhalb der CCD-Matrix bestimmt.

Die Differenz der x-Koordinaten zwischen P1 und P2 ist Abstand der Rißflanken an der Bauteilunterkante und damit die interessierende Rißbreite a. Während der Belastung verschieben sich die Punkte P1 und P2 in x- und y- Richtung. Die neue Rißbreite a′ wird aus dem Abstand der verschobenen Punkte P1 und P2 in der x-Richtung ermittelt.

Die zur Werkstoffcharakterisierung dienende Rißaufweitung V ergibt sich nun aus der Differenz zwischen den Rißbreiten zu mindestens zwei unterschiedlichen Belastungszuständen mit:
V = a′-a.

Durch die Ermittlung von V in Abhängigkeit von der Zeit durch die Auswerteeinheit 5 sind Aussagen über das Rißöffnungswachstum dV/dt möglich. Die Erfindung ermöglicht somit eine objektive Auswertung des Rißöffnungswachstums in Abhängigkeit von der Belastungsart. Der Krafteintrag erfolgt dabei schwellend, zyklisch oder konstant, gesteuert durch die Auswerteeinheit 6.

Durch die berührungslose Messung der Rißaufweitung in Abhängigkeit von der Kraft ermöglicht die Erfindung in vorteilhafter Weise

1. die Darstellung von Kraft-Rißaufweitungskurven und deren Auswertung nach dem Konzepten der Linear-Elastischen- Bruchmechanik und der Fließbruchmechanik, und
2. die Ermittlung der kritischen Rißöffnung δc nach der Formel: mit:
Vc = Kerbaufweitung im Moment der Rißausbreitung
n = Rotationsfaktor
a = Rißlänge (mechanischer Kerb + Ermüdungsriß)
W = Probenbreite

Wird die Erfindung bei der Prüfung von Material verwendet, das für infrarotes oder sichtbares Licht durchlässig ist, sind mit der entsprechenden Kamera auftretende Mikrorisse an der Kerbspitze auswertbar. Die Erfindung ermöglicht somit eine Kopplung von Ermittlung makroskopischer Werkstoffkennwerte und mikroskopischer Beobachtung im µm-Bereich.

Ausführungsbeispiel 3: Erkennung und Auswertung des Eintretens des HERZTschen Kegelbruchs, Beobachtung und Auswertung des Rißwachstums des Kegelbruchs beim Kugeleindruckversuch

Die Versuchsanordnung wird in Fig. 5 dargestellt. Das Bauteil 1 ist an vier Seiten, jeweils zwei sich gegenüberliegenden, randscharf, mit optischer Qualität ausgeführt. Das Bauteil 1, vorzugsweise aus Glas, wird über einen Indenter 10, vorzugsweise eine Kugel belastet. Kugel und Bauteiloberkante blenden das in z-Richtung ausgestrahlte Lichtbündel aus. Für die CCD-Matrixkamera (5) stellen sich hierbei Kugel und Kante dunkel und der Glaskörper als hell dar. Tritt nun auf Grund der Belastung des Bauteils ein Riß (auch bezeichnet als HERTZscher Kegelbruch) ein, wird dieser ebenfalls als dunkler Bereich identifiziert. Die CCD-Kamera wird vor Eintreten des Kegelbruchs in x- und y-Richtung justiert, so das der Riß ohne weiteres Justieren im Bildbereich der Kamera eintritt. Damit ist die Aufnahme und Auswertung der Bruchgeometrie in den Phasen der Rißentstehung und des Rißwachstums möglich.

Vor Belastungsbeginn wird die Probenoberkante als Linie geringerer Intensität auf dem CCD-Sensor 5 abgebildet. Dadurch ist die y-Koordinate der Probenoberkante bekannt und dient im weiteren als Bezugslinie bzw. als Bezugszeile der Matrix.

Tritt während der Belastung der Kegelbruch ein, werden unterhalb der Bezugszeile in Abhängigkeit von der Zeit in den jeweiligen Zeilen der Matrix Einzelempfängerpunkte abgeschattet. Beim Brucheintritt steigt die Anzahl der unterhalb der Bezugszeile abgeschatteten Pixel bzw. die Anzahl der Zeilen mit abgeschatteten Pixeln (in y-Richtung) schlagartig.

Für die Analyse des Kegelbruchs und dessen Wachstums ist es daher nötig, die Abschattung innerhalb jeder unter der Bezugszeile = Bauteiloberkante liegenden Matrixzeile zu bestimmen. Dazu werden folgende Werte ermittelt:

1. y-Koordinate der jeweiligen Zeile.
2. Zeitpunkt, bei dem eine Abschattung von Einzelempfängerpunkten innerhalb der Zeile stattfand.
3. Anzahl der abgeschatteten Pixel in der Zeile.
4. Position, d. h. Beginn und Ende der Abschattung (x-Koordinaten) innerhalb der Zeile.
5. momentaner Kraftwert zum Zeitpunkt der Abschattung.

Durch diese Werte ist der Kegelbruch innerhalb des Koordinatensystems der CCD-Matrix geometrisch bestimmt und es sind damit alle Parameter des Kegelbruchs wie in Fig. 6 gezeigt ermittelbar. So ergibt sich beispielsweise aus der maximal abgeschatteten Pixelanzahl pro Zeile der Wert für d′HKB. Da durch dieses Verfahren die Wachstumsgeschwindigkeit entgegen der y-Richtung bestimmt wird, kann auch der Zeitpunkt, und die anliegende Kraft beim Brucheintritt eindeutig bestimmt werden, weil in diesem Fall die Rißwachstumsgeschwindigkeit maximal ist.

Durch die Messung der Kraft bei Eintreten des Kegelbruchs können Aussagen zur Festigkeit getroffen werden. Das Rißwachstum wird bei pulsierender, konstant anwachsender oder konstanter Belastung in Abhängigkeit von der Zeit aufgenommen und dient der Ermittlung von bruchmechanischen und energetischen Werkstoffkennwerten. Dabei erfolgt der Krafteintrag gesteuert.

Im Ergebnis wird eine wesentliche Erhöhung der Objektivität des Kugeleindruckverfahrens erreicht.

Bezugszeichenliste

1 Bauteil
2 Auflager
3 Kraftaufbringer
4 Quelle
5 Empfänger
6 Auswerteeinrichtung
7 Kraftmeßeinrichtung
8 Bezugachse
9 Optik
10 Indenter
11 Steuerleitung
12 Meßsignalleitung
A Bauteilkante unbelastet
A′ Bauteilkante verkrümmt
a Rißbreite unbelastet
a′ Rißbreite belastet
dHKB Sprungkreisdurchmesser
d′HKB Basisdurchmesser des HERTZschen Kegelbruchs
ϕ Winkel zwischen Kegel und Glasoberfläche
C Rißlänge

Claims

1. Einrichtung zur Messung mechanischer Werkstoffkennwerte, und zur Beobachtung und Auswertung von Rißsystemen eines Bauteils, vorzugsweise der Durchbiegung eines langgestreckten Bauteils (1), das in x-Richtung aufgelegt ist und durch mindestens einen Kraftaufbringer (3) entgegen der y-Richtung belastet wird, gekennzeichnet dadurch, daß

- ein Bauteil (1) durch eine Quelle (4) bestrahlt ist,
- mindestens ein Empfänger (5) auf einer Achse (8) (z-Richtung) in Höhe des Bauteils (1) in einem Abstand zum Bauteil (1) angeordnet ist,
- mindestens eine Kraftmeßeinrichtung (7) im Kraftfluß angeordnet ist und
- eine Auswerteeinrichtung (6), die mit der Kraftmeßeinrichtung (7) und dem Empfänger (5) verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (4) mindestens eine, vorzugsweise diffus strahlende, Beleuchtungseinheit elektromagnetischer Strahlung ist, wobei deren Strahlen im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Bauteils gerichtet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (5) vorzugsweise aus einer Vielzahl von lichtempfindlichen Einzelempfängerpunkten, mit bekanntem Pixelabstand und bekannter Pixelgröße aufgebaut ist, die mindestens in einer Reihe angeordnet sind, wobei sich die Reihe in Richtung der Verformung erstreckt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine CCD-Matrix verwendet wird.

5. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Bauteil (1) und Empfänger (3) eine Optik (9) angeordnet ist, die eine Vergrößerung interessierender Bauteilabschnitte ermöglicht.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang der Auswerteeinrichtung (6) durch eine Steuerleitung (11) mit einer Antriebseinheit des Kraftaufbringers (3) verbunden ist.

7. Verfahren zur Messung mechanischer Werkstoffkennwerte, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens 2 zeitlich auseinanderliegenden Belastungszuständen mindestens je ein eindeutiges Bild in der Umgebung der Bauteilkontur empfangen, registriert werden und gleichzeitig zu den jeweiligen Zeitpunkten die Momentanwirkung der Kraft gemessen, registriert und mit den Bildern in der Auswerteeinrichtung (6) verrechnet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer CCD-Matrix als Empfänger (5) Riß- und/oder Konturveränderungen in x- und y-Richtung ermittelt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Anwendung auf den statischen Biegeversuch ein Flächensensor auf den Bereich der maximalen Durchbiegung grobpositioniert wird, wobei eine Abbildung der Biegelinie auf der Sensorfläche so erfolgt, daß das Maximum der Durchbiegung dadurch eindeutig ermittelt wird, in dem die Anzahl der in y-Richtung verdunkelten Sensorelemente am größten ist und an dieser Stelle die Ermittlung der Durchbiegung erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Anwendung auf die Ermittlung des K_Ic-Faktors durch den statischen Biegeversuch ein Flächensensor auf den eingebrachte Riß (a) positioniert wird und die Aufweitung des Risses (a′) während des Belastungszustandes eindeutig abgebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Anwendung auf das Kugeleindruckverfahren an spröd- elastischen Werkstoffen vorzugsweise Glas ein Flächensensor auf Indenter (10) und Bauteil (1) positioniert wird, der durch die Belastung des Bauteils (1) eintretende Riß (HERTZscher Kegelbruch) durch den Empfänger (5) in den Phasen der Rißentstehung (Festigkeitsermittlung) und des Rißwachstums (Ermittlung bruchmechanischer Parameter) in Echtzeit eindeutig identifiziert und ausgewertet wird.

12. Verfahren nach Ansprüchen 6-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung des CCD-Signals mittels grauwertverarbeitender Algorithmen vergrößert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 7-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafteintrag des Kraftaufbringers (3) durch die Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit der bereits gemessenen Verformungs- und Rißparametern gesteuert wird.