DE3043794A1

DE3043794A1 - Verfahren zum zerstoerungsfreien nachweis von spannungen, insbesondere eigenspannungen in werkstoffen mittels ultraschall

Info

Publication number: DE3043794A1
Application number: DE19803043794
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.rer.nat. 6600 Saarbrücken Goebbels; Eckhardt Dipl.-Ing. 6601 Riegelsberg Schneider
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1980-11-20
Filing date: 1980-11-20
Publication date: 1982-06-03

Description

"Verfahren zum zerstörungsfreien Nachweis von Spannungen,
inbesondere Eigenspannungen in Werkstoffen mittels Ultraschall" Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der zerstörungsfreie (zf) Nachweis von Spannungen ist derzeit nur mittels Röntgenstrahlen, beschränkt auf die Oberfläche, möglich. Spannungen im Innern lassen sich nur zerstörend nachweisen. Es ist andererseits schon Jahrzehnte bekannt, daß Ultraschall (US-)-Geschwindigkeit und -Schwächung spannungsabhängig sind. Es wurde eine Verfahrenskombination entwickelt, Spannungen mittels quantitativ zu messen. Da Ultraschallwellen auch in das Innere von Werkstoffen eindringen, ist die Verfahrenskombination bei tomographieähnlicher Meß- und Auswertetechnik zum Abbilden des Spannungszustandes im Innern von Komponenten, Bauteilen und Anlagen geeignet.
Im schubspannungsfreien Fall liegen im Festkörper drei Hauptspannungen 2{i vor, die sich in die drei senkrecht zueinander stehenden Hauptspannungsrichtungen erstrecken. Diese Spannungen können Zug-(>O) oder Druckspannungen (& 0) sein. Der allgemeine Fall einer Spannungsanalyse hat daher je betrachtetem Volumen drei ; -Werte zu ermitteln.
Die Nutzung der US-Ausbreitung (Geschwindigkeit, Schwächung) zur Spannungsmessung (an der Oberfläche und im Innern von Bauteilen) fand bisher aus zwei Erfinden keine praktische Anwendung: - Zur Absolutmessung der Geschwindigkeit v ist eine Genauigkeit von Laufzeit- und Wandstarkenmessung besser 0.1 o/oo notwendig; an Komponenten der Praxis ist insbesondere die zweite Forderung i. a. nicht zu erfüllen.
- Textur und Gefügeanisotropie haben auf v oft einen um Größenordnungen stärkeren Einfluß als Rest-, Eigen- oder aufgeprägte Spannungen (bv/v w % im Gegensatz zu w o/oo).
Die Kombination von Laufzeit- und Schwächungsmessung zweier senkrecht zueinander polarisierter Transversalwellen (silber den gleichen Laufweg) macht die Geschwindigkeitsmessung (genauer: die Änderung von v bei Änderung der Polarisation) von der Laufwegmessung unabhängig. So kann die erste Hürde genommen werden. Die damit gemessene Richtungsabhängigkeit von v kann entweder.durch Spannungen, durch Textur oder durch-eine Kombination beider Effekte bedingt sein. Die zusätzliche Schwächungsmessung für die beiden ausgewählten Polarisationsrichtungen (die den maximalen bzw. minimalen Laufzeit und damit den minimalen bzw. maximalen Schallgeschwindigkeiten entsprechen) löst das zweite Problem: bei Textur ist die Absorptio-noCnicht richtungsabhängig, bei Spannungen dagegen ausgeprägt richtungs- bzw. polarisationsabhängig. Bei der so beschriebenen Spannungsmessung wird die Differenz der beiden Spannungen senkrecht zur US-Ausbreitungsrichtung quantitativ (bei Kenntnis der elastischen Konstanten 2. und 3. Ordnung) ermittelt. Weitere Messungen aus anderen Richtungen führen zur näheren Detaillierung der Spannungen in den drei Hauptspannungsrichtungen.
Die Spannungs- bzw. Dehnungsabhängigkeit der transversalen Schallgeschwindigkeit vT wird allgemein durch (Hughes und Kelly: Physical Review 92 (1953) 1145) #v²T= µ - [3(#+2µ) + 3m - n/2]. 8 beschrieben (# Dichte; #,µ Lamésche ?Elastizitätskonstanten; l,m,n Murnaghan-Konstanten (Elastizitätskonstanten dritter Ordnung); # Dehnung). Insbesondere ist vT =t im spannungsfreien Fall (#,## - O). 0). -Spannungen # und Dehnung S sind über # r b £2 miteinander verbunden (a = a(#,µ); b = b(#,µ,1,m,)).
Die im allgemeinsten Fall drei Hauptspannungen #1, #2, #3 in den drei aufeinander senkrecht stehenden Koordinatenrichtungen 1, 2 und 3 berücksichtigend, ergeben sich drei relative Geschwindigkeitsdifferenzen (Hughes und Kelly) (v12 - v13)/v13 = (#2 - #3)-(4µ+n)/(4Eµ), (v23 - v21)/v21 = (#3 - #1) (4µ+n)/(4Eµ), (v32 - v31)/v31 = (#2 - #1) (4µ+n)/(4Eµ), wobei der erste Index bzgl. v die Ausbreitungs- und der zweite die Schwingungsrichtung der Transversalwelle angibt (E = Elastizitätsmodul).
Schallgeschwindigkeitsminima und -maxima bei vorgegebener Ausbreitungsrichtung i führen somit zur Ermittlung der beiden zur Ausbreitungsrichtung senkrechten Hauptspannungsrichtungen, die relative Geschwindigkeitsdifferenz über die Konstante zur Spannungslifferenz #j - #k (i,j,k, = 1,2,3).
Die elastischen Konstanten /, E, n können im spannungsfreien Fall (k,E) bzw. im einachsigen Zugversuch (n) gemessen werden und sind für viele Werkstoffe schon tabelliert (Landolt-Börnstein, Springer-Verlag, Berlin 1969; Neue Serie, Band III/1 und III/2).
Da die Geschwindigkeit v sich aus der Laufzeit t und dem Laufweg d ergibt (v = d/t), reduziert sich bei festem Laufweg die relative Geschwindigkeitsdifferenz auf eine relative Laufzeitdifferenz. Laufzeiten werden heute elektronisch mit höchster Genauigkeit gemessen (E.P. Papadakis: Journal Acoust. Soc. Amer. 42 (1967) 1045 ff). Über zwei Laufzeitmessungen kann somit bei Ausbreitungsrichtung i die Spannungsdifferenz #j - #k bestimmt werden, über je zwei weitere Messungen bei den Ausbreitungsrichtungen j und k ist insgesamt der dreiachsige Spannungszustand #1, #2, #3 bestimmbar.
Der Spannungsmessung durch Laufzeitmessungen allein steht die Textur-/Gefüge-Abhängigkeit von v entgegen, die sogar um. eine Größenordnung stärkere Geschwindigkeitsänderungen bewirken kann.
Daher führen ergänzende Ultraschall-Absorptionsmessungen mit mit der gleichen Bedeutung der Indizes zu einem Glei-Aij chungstripel (αA12 - αA13)/αA13 = (#2 -o<A23 - αA21)/αA21 = ( 3 ~ (αA32 - αA31)/αA31 = (#2 - #1).g mit einer im Zugversuch zu bestimmenden werkstoffabhängigen Konstanten g, für die es im Gegensatz zur Schallgeschwindigkeit v (g(v) = (4r+n)/(4Et)) noch keine schlüssige physikalische Basis gibt. Es ist durch Versuche aber erwiesen, daß nicht texturabhängig ist, somit durch Gefügeanisotropie nicht verfälscht wird.
Stimmen die durch Laufzeit- und Schwächungsmessungen ermittelten Spannungswerte (¢j ~ C'k) überein, so liegt keine Gefügeanisotropie vor; bei Abweichungen gibt die Schwächungsmessung den Spannungswert wieder, während die Laufzeitmessung durch den Gefügeeinfluß überlagerte Ergebnisse liefert.
Schwächungsmessungen, z.B. mittels Rückwandechofolgen (Abb. 1)-liefern die Summe aus Absorptions- und Streukoeffizient: α=αA + Somit ist eine Separation von RA und «5 notwendig und nach mehreren Verfahren auch-möglich (K. Goebbels: Materlalprüf.
12 (1975) 231, 18 (1976) 86, gg (1980) 356).
Abb. 2 verdeutlicht die Möglichkeiten der Schållgeschwindigkeitsmessung im Zugversuch zur Bestimmung der elastischen Konstanten dritter Ordnung (1, m, n), die in Abb. 3 tabellarisch zusammengestellt sind. Abb. 4 gibt für Stahl ein Beispiel anhand der Schallgeschwindigkeiten und Schwächungskoeffizienten von Ultraschall-Wellen, deren Ausbreitungsrichtung (2) senkrecht zur Zugrichtung (1) liegt (v22, v v21, v23; v22 Longitudinalwelle).
Leerseite

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E Verfahren zum zerstörungsfreien Nachweis von Spannungen, insbesondere Eigenspannungen in Werkstoffen mittels Ultraschall, 1 dadurch aekennzeichnet, daß a) die minimale Laufzeit tij einer linear polarisierten Transversalwelle und die maximale Laufzeit tik der dazu senkrecht polarisierten Transversalwelle (i,j,k = 1,2,3; 1. . Index; Ausbreitungsrichtung,
2. Index: Schwingungsrichtung der Transversalwelle in einem kartesischen Koordinatensystem) und b) die beiden zugehörigen Absorptionskoeffizienten α Ai und Aik gemessen werden, e) die relativen Differenzen (tij-tik)/Tik - (#j-#k) und (αAij-αAik)/αAik - (#j-#k) in einem Rechner gebildet werden, d) aus Zugversuchen die zugehörigen Proportionalitätskonstanten c(t) bzw. c(«) ermittelt werden und e) nach den Formeln = i/c(t) (tiJtik)/tik und (1) j-#k- = @/e(α). (αAij-αAik)/αAik (2) die Spannungsdifferenzen #j-#k quantitativ ermittelt werden, 2. dadurch gekennzeichnet, daß a) bei homogenem, textur- und anisotropiefreiem Werkstoffgefüge die Formeln (1) und (2) zu den gleichen Werten für #j-#k führen, b) beim.Vorliegen von Textur/Gefügeanisotropie mit- Formel (2) die Spannungsdifferenz #j-#k ermittelt und mit Formel (1) die überlagerte Wirkung von Textur/Anisotropie und Spannungen ermittelt wird, 3. dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß durch die Anwendung des Verfahrens in den zur Ausbreitungsrichtung i senkrechten Ausbreitungsrichtungen j und k alle drei Hauptspannungen #1, #2 und #3 quantitativ ermittelt werden.