DE852771C - Materialpruefverfahren - Google Patents

Description

• Materialprüfverfahren Alle bisherigen mechanischen Materialprüfverfahren geben nur diejenigen Belastungen an, die durch die Prüfmaschine dem Prüfmaterial entsprechend der Belastungsart (statische oder dynamische Belastung) aufgedrückt wird. Sie machen aber alle keine Aussage, ob das Prüfmaterial bereits eine Beanspruchung ausgehalten hat und wie hoch diese war.
• Somit ist es mit den bisher bekannten Prüfverfahren unmöglich, festzustellen, wie hoch die im Material wirkende Eigenspannung ist und wie hoch die bisher höchste Belastung war, die es bereits ausgehalten hat. Dies gilt sowohl für statische (Zug, Druck, Biegung, Torsion) als auch dynamische (Wechselbeanspruchung) Belastung.
• Durch das erfindungsgemäße Prüfverfahren, nach welchem die bei Belastung des Werkstoffes auftretenden Schalleffekte in bezug auf Höhe der Frequenz undgoder der Amplitude und/oder der Anzahl der Schalleffekte je Zeiteinheit ermittelt und ausgewertet werden, ist es möglich, bei jedem Prüfling festzustellen, ob er bereits irgendeiner Belastung unterzogen wurde und, wenn dies der Fall, wie hoch diese Belastung war. Ist der Prüfling noch nicht vorbelastet gewesen, so lassen sich die in ihm wirkenden Eigenspannungen (Malkrospannungen) und deren Höhe feststellen.
• Weiter läßt das neue Verfahren erkennen, ob der Prüfling nach einer bereits ausgehaltenen Belastung einer Glühbehandlung unterzogen wurde. Ferner läßt es die Fixierung der bekannfen Belastungsgrenzen, wie Elastizitäts-, Streckgrenze-, Bruch-und Zerreißgrenze zu.
• Man ist daher in der Lage, für jedes Prüfstück aus der Praxis die tatsächliche praktische Belastung nachzumessen und durch diese Kontrolle eine der Praxis angepaßte Dimensionierung des Werkstückes vorzunehmen. In Schadenfällen kann nachträglich geprüft werden, ob die Ursache einer Verformung oder eines Bruches einerseits auf eine plötzliche (Gewaltbruch) oder dauernde Überanstrengung (Dauerbruch) des Materials in der Praxis oder auf Materialfehler (Lunker, Wärmerisse usw.) zurückzuführen ist. Dies kann gerade bei Schweißverbindungen durch Feststellung von Verbrennungsstellen oft von wichtigster Bedeutung sein.
• Zur Herstellung der Belastung genügt eine der gebräuchlichen Prüfmaschinen, sofern sie in ihrer Anzeige empfindlich genug, vor allem aber frei von störenden ReiS oder Schlaggeräuschen ist.
• Am zweckmäßigsten verwendet man eine besonders für das neue Verfahren hergestellte geräuschfreie Prüfmaschine. In vielen Fällen lassen sich aber die Versuche bereits durch entsprechende Vorsichtsmaßnahmen am praktischen Prüfstück selbst vornehmen, z. B. einer Maschine oder einem Teil einer Eisenkonstruktion. Von wesentlicher Bedeutung ist für die Versuchsergebnisse dieses Verfahrens, daß das zu prüfende Werkstück oder der Versuchsstab akustisch isoliert eingesetzt wird, da meist die störenden Geräusche in bezug auf die Höhe der Frequenz und Amplitude sowie ihrer Folge die Schalleffekte des zu prüfenden Materials überwiegen. Auf diese Weise werden die störenden Nebengeräusche einerseits vom Prüfstab ferngehalten, andererseits die Schalleffekte des Prüfmaterials nicht auf die Masse der Prüfmaschine abgeleitet, sie bleiben in ihrer vollen Intensität erhalten.
• Die Abbildungen erläutern die Erfindung an Beispielen.
• Als Aufzeichnungsgerät dient die Kombination eines Indikators J, eines Spannungsverstätkers Sp und Anzeigegerätes A, z. B. eines Oszillographen.
• In Abb. I ist die Anordnung für Druck-, in Abb. 2 für Zugbeanspruchung schematisch gezeigt. Der indikator gemäß Abb. 3 setzt die im Material bei der Belastung ausgelösten Schalleffekte in elektrische Schwingungsenergie um. Als Indikator kann jeder hochempfindliche elektroakustische Wandler Verwendung finden, der mechanische in elektrische Schwingungsenergie umsetzt. Der Indikator gemäß Abb. 3 besteht aus dem elektroakustischen Wandler I, z. B. Piezokristall, welcher zusammen mit einem als träge Masse wirkenden Zwischenstück 1a etwa durch Klaue 2, eine Halterung 3 und eine Druckschraube 4 an den Prüfling 5 angepreßt wird oder durch mechanische Übertragung mit dem Prüfling verbunden ist.
• Für Verstärkung und Anzeige eignet sich jeder empfindliche Spannungsverstärker und Kathodenstrahloszillograph. Wichtig ist nur beim Oszillograph eine gute Breitbandverstärkung für Kippfrequenzen bis zu IsokHz, empfindliche Einstellung der Bildschärfe und Helligkeit für Film- oder Kameraaufnahmen. Am zweckmäßigsten eignet sich eine Braunsche Röhre mit 100 mm Schirmdurchmesser.
• Die Druckschraube erzeugt den nötigen Anpreßdruck des Kristalles auf das Prüfstück. Die Klauenvorrichtung muß mit dem Prüfling starr verbunden sein, damit keine Entspannung des Anpreßdruckes entsteht. Eine derartige Entspannung muß unter allen Umständen vermieden werden. Der Prüfling erhält am Aufsatzteil eine Ringnut oder zwei starke Auskerbungen für den Ansatz der Klauen. In Fällen, bei denen keine Nut oder Kerbe möglich ist, werden statt der Klauen Gewindebolzen verwendet. Durch Gummischeiben 6 wird eine gute Schallisolierung erreicht und somit eine Federung des Anpreßdruckes bei der Belastung vermieden. Diese Anordnung hat gegenüber der Verwendung von Spiralfedern den Vorteil einer Druckkonstante. Bei magnetischem Anpreßdruck, wie ihn ein Ultraschallindikator vorschreibt, ist die Einwirkung von sog. Barkhausengeräuschen bei ferromagnetischem Material bemerkbar, gibt also Fehleranzeige. Der Prüfling 5 ist schalldicht in das Indikatorgehäuse 7 eingesetzt, dessen Rand zur Abschirmung von fremden Feldern hochgezogen ist. Am Indikatorgehäuse ist ein Anschlußstutzen8 für das Panzerkabel 9, welches an die Elektroden 10 angeschlossen ist, zum Verstärker angebracht, was eine starre Befestigung des Kabels schafft. Klauenanordnung, Indikatorgehäuse und Prüfling müssen gut abgeerdet sein. Im Bedarfsfalle wird das Indikatorgehäuse mittels Deckel verschlossen, der in Abb. 3 nicht eingezeichnet ist.
• Bei Belastung über den unteren Maschinenkopf 1 1 werden, gleichgültig ob der Prüfling kristallin, amorph oder faserig ist, im Material feinste Schalleffekte (thermofrikative Vorgänge) ausgelöst, die je nach der Höhe der Belastung verschieden in der Frequenz und Amplitude sowie in ihrer zeitlichen Folge sind. Diese Schalleffekte werden vom elektroakustischen Wandler, z. B. Piezokristall, aufgenommen, in elektrische Schwingungsenergie umgesetzt und im Verstärker und Oszillograph verstärkt und sichtbar gemacht.
• Die Schalleffekte bei Belastung treten nicht kontinuierlich, sondern intermittierend auf. Zwischen zwei Schalleffekten liegt also eine Zeitspanne, in der keine Schallaussendung erfolgt. Sie können in der Braunschen Röhre des Oszillographen klar verfolgt werden (s. Kurvenzug: Anzahl der Sprünge/sec. in Abb. 4). Hat der Prüfling noch keine irgendwelche Belastung hinter sich, so ergibt die Auswertung der Frequenz der Amplitude und der Anzahl der Schalleffekte je Sekunde auf Grund von photographischen Aufnahmen des Leuchtschirmes der Braunschen Röhre die in Abb. 4 gezeigten Kurvenzüge, I der Amplitude, II der Frequenz, III der Anzahl der Schalleffekte je Sekunde.
• Die Kurven haben unabhängig von der Materialart immer denselben Typ. Aus ihnen kann z. B. für reine Zugl)elastung die Elastizitätsstreck- und -I,ruchjirrnze ermittelt werden. Die Elektrizitätsgrenze fällt mit dem ersten Minimum, die Streckgrenze mit dem zweiten Minimum, die Bruchgrenze mit dem dritten Nlaximum der Amplitudenkurve zusammen. Die Höhe des Kurvenbeginns auf der ()rdinatenachse gicht ein Maß für die Größe der im Material liegenden Eigenspannung an. Aus der Steilheit des Anstieges des Amplitudenzuges (Winkel 2) kaml auf den mehr oder weniger großen elastischen oder plastiscllen Verformungsanteil des Materials geschlossen werden. So ergeben die vier AhllängiFkeitell: steigende Frequenz und steigende Amplitude, steigende Frequenz und fallende Amplitude, fallende Frequenz und steigende Amplitude, fallende Frequenz und fallende Amplitude, jeweils stets eine Aussage huber den entsprechenden Verformungsgrad des belasteten Materials bei bestimmter Belastungsart (statisch oder dynamisch).
• Es läßt sich daher bei Belastung aus der Höhe der auftretenden Frequenz, Amplitude und Anzahl der Sprünge (Schalleffekte je Sekunde) einerseits eine Angabe machen über die Belastungshöhe und Eigenspannung, die im Material liegt, andererseits eine über die Belastungsart (Zug, Druck, Biegung, Torsion und deren Kombination).
• Ist der Prüfling bereits vorbelastet worden, so (iußern sich die Effekte im Anzeigegerät durch die bereits erfolgte kristalline oder faserige Entfestigung oder Zerrüttung des Materials bis zu dieser Grenze erst dann, wenn diese Grenze der vor belasteten Beanspruchungshöhe erreicht ist (Abb. 5 mit 500 ang'egel>en), d.h. Schalleffekte und damit Kurvenzüge treten erst bei der Belastung auf, der der Prüfling früher schon einmal ausgesetzt worden war.
• Bei Lahorversuchen mit einer Prüfmaschine ist die der Praxis entsprechende Belastungsart für nachträgliche Ülerprüfung des Materials herzustellen. Wird dies nicht eingehalten, ergeben die Schalleffekte im Anzeigegerät ein verändertes Bild in bezug auf Frequenz und Amplitude, vor allem aber in der Folge ihres Auftretens. Daher kann von Beginn der Nachprüfung an eine Aussage Über die Art der Belastung, z. B. ol> sie der praktischen Nachbildung entspricht, gemacht werden. Aus dem Beginn der Effekte allein kann bereits bei Verzicht der Ermittlung der Belastungshöhe aus Frequenz und Amplitude, also nur der Angabe des Maschinendiagrammes, ein Kriterium über die Höhe der bereits ausgehaltenen Vorbelastung abgegeben werden.
• Das Verfahren kann Anwendung finden für alle Metalle, Hölzer, Gläser sowie Steine und deren Mischungen. Es eignet sich insbesondere zur Oberprüfung und Begutachtung des Materials für Baukonstruktionen und Maschinenteile sowie zur Kontrolle für eine der Praxis entsprechenden Dimensionierung der zulässigen Beanspruchungen von Maschinenelementen. Wichtige Teile von Beförderungs- und Verkehrsmitteln (Eisenbahn-, Auto-, Flugzeug- und Seilbahnteile) können kontrolliert und auf ihre wirkliche Beanspruchungshöhe nachgeprüft werden. Ob eine Zerstörung des Prüfstückes vorgenommen werden muß, ergibt sich von Fall zu Fall. Auf die Anwendung zur Ursachenermittlung bei Schadenfällen ist bereits 'hingewiesen worden.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Materialprüfverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Belastung des Prüflings auftretenden Schalleffekte in bezug auf Höhe der Frequenz und/oder der Amplitude und/oder der Anzahl der Schalleffekte je Zeiteinheit ermittelt und ausgewertet werden.
2. 2. Prüfgerät für das Prüfverfahren nach Anspruch I, gekennzeichnet durch die Vereinigung eines an den Prüfling gepreßten oder durch mechanische Übertragung, die bei Belastung ausgelösten Schalleffekte in elektrische Schwingungen umsetzenden Indikators, vorzugsweise Piezokristall, eines Spannungsverstärkers und eines Anzeigegerätes.
3. 3. Prüfgerät nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling akustisch isoliert eingesetzt ist.

   Angezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 43I 233.