DE3047792C2

DE3047792C2 - Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Lastwechseln ausgesetzten Bauteils

Info

Publication number: DE3047792C2
Application number: DE3047792A
Authority: DE
Inventors: Makoto Hayashi; Tasuku Hitachi Shimizu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-12-19
Filing date: 1980-12-18
Publication date: 1985-03-21
Also published as: US4404682A; DE3047792A1; JPS5687849A

Description

In F i g. 3 ist auf der Abszisse die Lastwechselzahl N, auf der Ordinate das Halbwertsbreitenänderungsverhältnis \B— Z>)/ßdargestellt. X, Kund Zentsprechen den Lastgrößen o\, O₂ bzw. O₃. wobei o\ > O₂ > oj gilt. Die Bruchstellen sind mit χ markiert, die Restlebcnsdauer mit Nr bezeichnet Aus dem Kurvenverlauf sieht man, daß die Änderung des Verhältnisses \B— ö|/ßgroß wird, wenn die Last erhöht wird.

Die in F i g. 4 gezeigte Beziehung ist aus den Kurven von F i g. 3 abgeleitet. Auf der Abszisse ist die Restlebensdauer Nr, auf der Ordinate das Halbwertsbreitenänderungsverhältnis \B—b\IB aufgetragen. Die Kurven X'. Y' und Z' stellen jeweils die Beziehungen für die Lasten au O₂ und Oi dar. Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß sich die Werte des Halbwerisbreitenänderungsverhältnisses \B—b\IB'm dem Bereich mit kurzer Restlebensdauer auf der linken Seile von der vertikal gestrichelten Linie, d. h. nach einer gewissen Lastwechselzahl, angenähert auf eine gemeinsame Kurve konzentrieren. Das bedeutet, daß die Restlebensdauer durch Messung des Halbwertsbreitenänderungsverhältnisses \B—b\IB bestimmt werden kann.

Fig.5 zeigt ein zu untersuchendes Bauteil :, eine Röntgenstrahleneinrichtung 2 mit einer Röntgenstrahlenquelle 3 und einem Detektor 4, eine Hochspannungsquelle 5, einen Mittelwertmesser 6, einen Analog-Digital-Wandler 7 und einen Rechner 8.

Zum Bestimmen der Restlebensdauer mit dieser Einrichtung wird das Bauteil 1 mit Röntgenstrahlen bestrahlt Die vom Bauteil 1 gebeugten Röntgenstrahlen werden vom Detektor 4 erfaßt und über den Mittelwcrtsmesser 6 in ein Analogsignal umgewandelt, wodurch sich ein Intensitätsprofil als Funktion des Winkels 2Θ ergibt. Das Profil wird von dem Analog-Digital-Wandler 7 in den Rechner 8 eingegeben, in welchem eine erste Referenzfunk'.ion in Form einer Leitkurve erstellt und gespeichert wird.

Fig.6 und 7 zeigen solche Leitkurven für ein spannungsfrei geglühtes Material SFA 55 und ein lediglich gedrehtes Materia!, ebenfalls SFA 55. Die schwarzen Kreise und die weißen Kreise stellen die Werte dar, die mit Materialien von 10 mm Durchmesser bzw. 20 mm Durchmesser erhalten worden sind. Aus F i g. 7 ist zu ersehen, daß die Restlebensdauer etwa 10⁵ bzw. 3 χ ΙΟ⁶ Lastwechsel beträgt, wenn das gemessene Halbwertsbreitenverhäitnis 0,1 bzw. 0,04 ist.

Für diesen Bereich von Lastwechseiiahlen ist eine Feinbestimmung der Restlebensdauer vorzunehmen. Dies geschieht über die Rißbüdung. Wenn sich an einem Material durch Ermüdung ein Riß bildet, wird jeder der kleinen Bereiche P\, P₂ und Ps an den Rißspitzen mit einem fokussieren Röntgenstrahlbündel bestrahlt (Fig. 8a, 8b und 8c). F i g. 9 zeigt die Beziehungen zwischen dem Halbwcrtsbreitenänderungsverhältnis |ß— b\IB und der Rißbildungsgcschwindigkeit da/άΝ. α ist hierbei der Abstand zwischen der Materialoberfläche und der Rißspitze, der als Rißlänge bezeichnet wird. .)i, a;. und aj entsprechen also jeweite den Fällen der F i g. 8a, 8b und 8c. Gemäß F i g. 9 ist es durch Messen der Halbwertsbreiten b\, b₂ und b\ möglich, die jeweilige Rißbildungsgeschwindigkcit du\ldNu daj/dA/j und daj/dNj zu erhalten.

In F i g. 10 sind auf der Ordinate Rißlängen α und auf der Abszisse Lastwechsclzahlen N aufgetragen. Von Q_u dem Schnittpunkt /.wischen der Rißlänge ii\ und der LHstwcchsclzahi /Vi isi /.um Ursprungspunkt O eine gerade Linie mit dem Qradientcn dii\ldN\ gezogen. Diese gerade Linie ist bis zu einc;n Punkt Q\ verlängert, wo sie eine gestrichelte Linie schneidet, welche den Wert (o\ + a₂)/2 repräsentiert Dann ist eine gerade Linie des Gradienten Oa₂IdN₂ von einem Punkt Q₂ aus, in dem sich die Linie der Rißbüdung a₂ mit der Linie für die Lastwechselzahl N₂ schneidet, zu dem Punkt Q₁' gezogen. Diese Linie ist bis zu einem Punkt Q₂ verlängert, in welchem sie eine gestrichelte Linie schneidet, die den Wert (a₂ + aj)/2 ergibt. Durch Wiederholung dieser Verfahrensweise ist es möglich, eine Kurve für die Rißbildungsgeschwindigkeit zu erhalten. Da eine exponentielle Beziehung zwischen der Rißlänge a und der Lastwechselzahl N

daldN =* m

besteht, ist es möglich, das Wachsen des Risses, nachdem sich der Riß bis zur Rißlänge ai entwickelt hat. vorherzusagen, so daß die Lastwechselzahl M. bei weleher das Rißwachstum die Maximalrißlänge W erreicht hat, und somit die Restlebensdauer N_r av? der Rißlänge ζ bestimmt werden kann.

F i g. 11 zeigt in einem Ablaufdiagramm, wie die Restlebensdauer eines Bauteils bestimmt wird. Zunächst werden Proben mit glatter Oberfläche und mit Kerben zur Auslösung der Rißbüdung aus dem gleichen Material hergestellt, aus dem das zu überprüfende Bauteil hergestellt ist. Mit den Proben werden Ermüdungsversuche ausgeführt (Schritt 11), was Leitkurven ergibt, wie sie in F i g. 6,7 oder 10 dargestellt sind (Schritt 1?). Dann wird die Halbwertsbreite B für den Bruchbeginn an dem Abschnitt des Bauteils gemessen, wo der Bruch eintritt (Schritt 13). Anschließend wird das Bauteil Lastwechseln ausgesetzt (Schritt 14, 16). Bei jeder der aufeinan-

derfolgenden periodischen Überprüfungen /(Schritt 17) wird die Halbwertsbreite 6, gemessen (Schritt 18). Die Restlebcnsdauer Nr wird aus der Leitkurve bestimmt. Wenn die Lastwechselzahl zum Zeitpunkt einer periodischen Überprüfung nicht bekannt ist, kann die Res'lebensdauer dadurch bestimmt werden, daß man die Halbwertsbreite mißt und die auf diese Weise gemessene Haijwertsbreite in die Leitkurve einsetzt.

Anschließend wird festgestellt, ob die auf diese Weise bestimmte Restlebensdauer genügend lang ist (Schritt 19). Wenn die Restlebensdauer Nn genügend lang ist, um einen weiteren Einsatz des Bauteils ohne Erneuerung zu ermöglichen, werden weitere Lastwechsel angelegt.
Wenn die Restlebensdauer Nn nicht genügend lang ist und ein Riß vorliegt, wird die Halbwertsbreite an der Rißspitze in geeigneten Zeitintervallen mehrere Male gemessen, wie es in F i g. 8 angedeutet ist. Dann wird die Restlebensdauer durch Vergleich mit der in Fi g. i0 gezeigten ' eitkurve bestimmt (Schritt 20, 21). Wenn die Restlebcnsdauer nicht genügend lang ist, muß das Bauteil ausgewechselt werden (Schritt 26, 27). Wenn die Restlebensdauer /Vr, genügend lang ist (Schritt 21) werden weitere Lastwechsel ausgeübt. Dabei ist die Messung (Schritt 24) der Halbwertsbreke b; an der Rißspitze

bei jeder der aufeinanderfolgenden periodischen Überprüfungen (Sciiritt 23) durchzuführen und festzulegen, ob die Restlebensdauer Nn noch genügend lang ist (Schritt 25).

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Lastwechseln ausgesetzten Bauteils, bei welchem an einer Probe aus dem gleichen Material wie das Bauteil mit Röntgenstrahlen die Kaibwertsbreite abhängig von der Lastwechselzahl bis zum Bruch zur Ermittlung einer ersten Referenzfunktion gemessen wird, die aus dem Halbweitsbreitenänderungsverhältnis (\B—b\/B) als Funktion der jeweiligen Lastwechselzahl (N) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß an Proben aus dem gleichen Material wie das Bauteil, an denen durch Vorkerbung Rißbildung auftritt, mit Röntgenstrahlen jeweils die Halbwertsbreite an der Rißspitze abhängig von der Rißlänge (a) bis zum Bruch zur Ermittlung einer zweiten Referenzfunktion gemessen wird, die als Funktion der Lastwechselzahl (Nr) für die Resllebensdauer bei Vorhandensein von Rissen die Rißlänge (a) angibt, daß mit der Maßgabe, daß ab einer bestimmten Restlebensdauer das Halbwertsbreitenänderungsverhältnis (\B—b\IB) lastunabhängig ist, am Bauteil im Beanspruchungsbereich mit Röntgenstrahlen die Halbwertsbreite (bj bei einer bestimmten Lastwechselzahl (Ni) zur Ermittlung des HaIbwertsbreitenänderungsverhälinisses (\B—b\IB) unter Einbeziehung der Halbwertsbreite (B) beim Bruch der Probe gemessen und mit der ersten Referenzfunktion zur Festlegung der Lastwechselzahl (Nr) für die kestlebensdauer verglichen wird, und daß nach einer Unterschreitung-'.er Lastwechselzahl für die Restlebensdauer von 10⁴ bis 10⁵ Lastwechseln und Rißbildung zusätzlich d: Rißlänge (a) gemessen und zur Festlegung der Lastwechselzahl (Nr) für die Restlebensdauer mit der zweiten Referenzfunktion verglichen wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Lastwechseln ausgesetzten Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Lastwechseln ausgesetzten Probenstücks ist es bereits bekannt (JP-OS 20 894/76). mit Röntgenstrahlen die HaIbwertsbreite abhängig von der Lastwechselzahl bis zum Bruch zu messen und daraus eine erste Referenzfunktion zu ermitteln. Diese Referenzfunktion gibt für die Probe abhängig von dor jeweiligen Lastwechselzahl das Halbwertsbreitenänderungsverhältnis an, das dadurch gebildet wird, daß die Halbwertsbreite beim Bruch um die Halbwertsbreite der gegebenen Lastwechselzahl vermindert und diese Differenz durch die Halbwertsbreite beim Bruch dividiert wird. Anhand dieser Referenzfunktion ist es möglich, die Restlebensdauer von Proben anderer Größe und Form relativ genau abzuschätzen, ohne daß es erforderlich ist, auf nur in langwierigen Versuchen zu erstellende Wöhler-Kurven zu· rückzugreifen. Mit dem bekannten Verfahren ist es nicht möglich, direkt die Restlebensdauer eines Lastwechseln ausgesetzten Bauteils zu ermitteln. Würde man das bekannte Verfahren auf Lastwechseln ausgesetzte Bauteile anwenden, würde, um einen Bruch mit Sicherheit während des Einsatzes auszuschließen, ein frühzeitiges Auswechseln des Bauteils erforderlich sein, was die Wirtschaftlichkeil des eingesetzten Bauteils be

einträchtigen kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht

deshalb darin, das Verfahren der eingangs genannten

Art im Bereich der Restlebensdauer als verfeinertes

Meßverfahren auszugestalten, um so einen längeren

bruchfreien Einsatz des Bauteils zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglieh, aufgrund der Rißlängenmessung nach Unterschrei ten einer Restlebensdauer, die einen relativ kurzen Zeitraum betrifft, diese Restlebensdauer des Bauteils noch weitgehend zu nutzen, so daß das Auswechseln des im Einsatz befindlichen Bauteils noch weiter hinausgezögert werden kann, ohne daß ein Bruch zu befürchten wäre. Dabei bestehen die Bauteile aus einem kristallinen Material, wie rostfreiem Stahl, Kupfer, Aluminium und dergleichen.

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 schemattsch Röntgenstrahlen-Intensitätsproti-Ie mit unterschiedlichen Halbwertsbreiten,

Fig.2 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Halbwertsbreile von der Lastwechselzahl für unterschiedlich behandelte Materialien,

Fig.3 in einem Diagramm die Abhängigkeit des Halbwertsbreitenänderungsverhältnisses von der Lastwechsclzahl für verschiedene Lasten,

Fig.4 in einem Diagramm das Halbwertsbreitenändcrungsvcrhältnis abhängig von der Restlebensdauer bei unterschiedlichen Lasten,

F i g. 5 ein Blockschema einer Röntgenstrahlungsbeugungseinrichtung,

Fig.6 in einem Diagramm die Abhängigkeit des HalbwertsbreitenänderungsverhäUnisses von der Restlebensdauer eines ersten Materials,

F i g. 7 in einem Diagramm wie F i g. 6 die erwähnte Abhängigkeit für ein zweites Material,

F i g. 8 schematisch die Rißbildung abgehend von eincr Kerbe an einer Probe,

Fig.9 in einem Diagramm die Abhängigkeit des Halbwcrtsbreitcnänderungsvcrhältnisses von der Rißbildungsgeschwindigkeit,

F i g. 10 in einem Diagramm die Ermittlung einer Referen/funktion für die Rißlänge und

Fig. 11 in einem Ablaufdiagramm die Bestimmung der Restlebensdauer eines Bauteils.

In Fig. la, Ib und 'c sind Intensitätsprofile aufgrund von Röntgenstrahlbeugung gezeigt, die von einem getemperten bzw. spannungsfrei geglühten Material im Ermüdungsversuch aufgenommen worden sind. Auf der Abszisse ist jeweils der Bcugungswinkel 2 Θ, auf der Ordinate die Intensität aufgetragen. Fig. la zeigt das Intensitätsprofil mit Halbwertsbreite für die Lastwechseizahl N von 0, F i g. 1 b für Λ/ι und F i g. 1 c für N^ wobei N\ < N2 gilt. H ist die Maximalintensität. B, b\ und b? sind die Halbwertsbreiten. Man sieht, daß die Halbwertsbreite zunimmt, wenn die Lastwechselzahl erhöht wird. Andererseits ist beim bearbeiteten Material die Malbwcrtsbrcitc größer als diejenige des spannungsfrei geglühten Materials, und zwar aufgrund der plastischen Verformung. Im Gegensatz dazu nimmt bei dem spannungsfrei geglühten Material die Halbwertsbreite allmählich üb, wenn die Ermüdung mit Zunahme der Lastb5 wechselzahl zunimmt. Diese Beziehungen sind in F i g. 2 gezeigt, wobei das bearbeitete Material durch £und das spannungsfrei geglühte Material durch F gekennzeichnet ist.