DE3043794A1

DE3043794A1 - Non-destructive natural stress detection by ultrasound - using min. transit times of two orthogonal, polarised, transversal waves and measuring associated absorption coefft.

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

Abstract

The natural stresses in materials are non-destructively detected by a method using ultra-sound. The min. transit time of a linearly polarised transversed wave and the maximum transit time of a transversal wave, polarised orthogonally to the first one, are measured in a Cartesian coordinate system. The measurement considers also the propagation direction and the oscillation direction of the waves. The method also measures associated absorption coefficients, while the relative differences of indices are given by a computer. Tensile tests are used to provide the respective associated proportionality constants. The tensile differences are derived from specified equations for homogeneous materials free of texture and anisotropy. For other instances only the second equation is used.

Description

"Verfahren zum zerstörungsfreien Nachweis von Spannungen,"Procedure for the non-destructive detection of stresses,

inbesondere Eigenspannungen in Werkstoffen mittels Ultraschall" Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.in particular residual stresses in materials using ultrasound "Die The invention relates to a method according to the preamble of claim 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.The non-destructive (zf) proof of tension is currently only by means of X-rays, limited to the surface, possible. Tensions within can only be proven to be destructive. On the other hand, it has been known for decades that ultrasound (US) speed and attenuation are voltage dependent. It a combination of processes was developed to measure stresses quantitatively. Since ultrasonic waves also penetrate the interior of materials, the process combination is with tomography-like measurement and evaluation technology for mapping the stress state suitable inside components, parts and systems.

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.In the case of no shear stress there are three main stresses in the solid 2 {i in front of each other in the three main stress directions perpendicular to one another extend. These stresses can be tensile (> O) or compressive stresses (& 0). The general case of a stress analysis therefore has three per volume considered ; Values to be determined.

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.The use of the US propagation (speed, weakening) for voltage measurement (on the surface and inside of components) has so far found none of two inventions practical application: - For the absolute measurement of the speed v is an accuracy of time of flight and wall thickness measurement better 0.1 o / oo necessary; on components of the Practice is particularly the second requirement i. a. not to meet.

- 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).- Texture and structural anisotropy often have an order of magnitude on v stronger influence than residual, intrinsic or impressed tensions (bv / v w% in contrast to 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.The combination of transit time and attenuation measurement of two perpendicular mutually polarized transverse waves (silver the same path) makes the Velocity measurement (more precisely: the change in v when the polarization changes) independent of the path measurement. So the first hurdle can be overcome. the The directional dependence of v measured in this way can either. through voltages, through Texture or a combination of both effects. The additional Attenuation measurement for the two selected polarization directions (the maximum or minimum running time and thus the minimum or maximum speed of sound correspond) solves the second problem: with texture the absorption noC is not direction-dependent, in the case of voltages, on the other hand, it is markedly dependent on direction or polarization. In the The voltage measurement described in this way, the difference between the two voltages is perpendicular to the US direction of propagation quantitatively (with knowledge of the elastic constants 2nd and 3rd order). Further measurements from other directions lead to more detailed detailing of the stresses in the three main stress directions.

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,)).The stress or strain dependence of the transverse speed of sound vT is generally given by (Hughes and Kelly: Physical Review 92 (1953) 1145) # v²T = µ - [3 (# + 2µ) + 3m - n / 2]. 8 described (# density; #, µ Lamé? Elastic constants; l, m, n Murnaghan constants (third-order elastic constants); # Strain). In particular, vT = t in the de-energized case (#, ## - O). 0). Voltages # and Strains S are connected to each other via # r b £ 2 (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).The most general three principal stresses # 1, # 2, # 3 in the three taking into account mutually perpendicular coordinate directions 1, 2 and 3, there are three relative speed differences (Hughes and 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), where the first index with respect to v is the propagation and the second indicates the direction of oscillation of the transverse wave (E = Young's modulus).

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).Sound velocity minima and maxima for a given direction of propagation i thus lead to the determination of the two main stress directions perpendicular to the direction of propagation, the relative speed difference over the constant to the voltage difference #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).The elastic constants /, E, n can be used in the stress-free case (k, E) or in the uniaxial tensile test (n) and are for many materials already tabulated (Landolt-Börnstein, Springer-Verlag, Berlin 1969; new series, volume III / 1 and 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.Since the speed v is made up of the running time t and the travel distance d results (v = d / t), the relative speed difference is reduced with a fixed path to a relative transit time difference. Runtimes are now electronic with the highest Accuracy measured (E.P. Papadakis: Journal Acoust. Soc. Amer. 42 (1967) 1045 ff). The voltage difference in the direction of propagation i #j - #k can be determined via two further measurements for the directions of propagation j and k, the three-axis stress state # 1, # 2, # 3 can be determined.

Der Spannungsmessung durch Laufzeitmessungen allein steht die Textur-/Gefüge-Abhängigkeit von v entgegen, die sogar um. eine Größenordnung stärkere Geschwindigkeitsänderungen bewirken kann. The stress measurement through time of flight measurements alone is dependent on the texture / structure by v opposed to that even around. an order of magnitude greater speed changes can cause.

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. Therefore, additional ultrasonic absorption measurements are included the same meaning of the indices to a Glei-Aij chung triple (αA12 - αA13) / αA13 = (# 2 -o <A23 - αA21) / αA21 = (3 ~ (αA32 - αA31) / αA31 = (# 2 - # 1) .g with a material-dependent to be determined in the tensile test Constants g, for which, in contrast to the speed of sound v (g (v) = (4r + n) / (4Et)) there is still no conclusive physical basis. But it has been proven by experiments that is not dependent on the texture and is therefore not falsified by structural anisotropy.

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.Are the voltage values determined by the transit time and attenuation measurements correct (¢ j ~ C'k) match, there is no structural anisotropy; if there are deviations the attenuation measurement returns the voltage value while the transit time measurement is performed provides results that are superimposed on the structure influence.

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.Attenuation measurements, e.g. by means of back wall echo sequences (Fig. 1) - deliver the sum of the absorption and scattering coefficients: α = αA + Thus is a Separation of RA and «5 necessary and also possible after several procedures (K. Goebbels: Material check.

12 (1975) 231, 18 (1976) 86, gg (1980) 356).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).Fig. 2 shows the possibilities of measuring the speed of the shell in the tensile test to determine the elastic constants of the third order (1, m, n), which are compiled in a table in Fig. 3. Fig. 4 gives an example for steel based on the speed of sound and attenuation coefficients of ultrasonic waves, whose direction of propagation (2) is perpendicular to the direction of pull (1) (v22, v v21, v23; v22 longitudinal wave).

LeerseiteBlank page

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E Procedure for non-destructive detection of stresses, in particular internal stresses in materials by means of ultrasound, 1 characterized in that a) the minimum transit time tij of a linearly polarized Transverse wave and the maximum transit time tik of the perpendicular polarized Transverse wave (i, j, k = 1,2,3; 1st index; direction of propagation,

2. Index: direction of vibration the transverse wave in a Cartesian coordinate system) and b) the two associated absorption coefficients α Ai and Aik are measured, e) the relative differences (tij-tik) / Tik - (# j- # k) and (αAij-αAik) / αAik - (# j- # k) are formed in a computer, d) the associated ones from tensile tests Proportionality constants c (t) or c («) are determined and e) according to the formulas = i / c (t) (tiJtik) / tik and (1) j- # k- = @ / e (α). (αAij-αAik) / αAik (2) the voltage differences # j- # k are determined quantitatively, 2. characterized in that, that a) the formulas for a homogeneous, texture-free and anisotropy-free material structure (1) and (2) lead to the same values for # j- # k, b) when there is texture / structure anisotropy The voltage difference # j- # k is determined with formula (2) and the superimposed one with formula (1) Effect of texture / anisotropy and stresses is determined, 3. thereby g e k e n n z e i c h n e t that by applying the method in the direction of propagation i perpendicular directions of propagation j and k all three principal stresses # 1, # 2 and # 3 to be determined quantitatively.