DD250579A1 - Verfahren zur ermittlung der risseinleitungszaehigkeit beim instrumentierten kerbschlagbiegeversuch - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Risseinleitungszaehigkeit beim instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch mittels akustischer Signaldetektion. Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Bestimmung der Risseinleitungszaehigkeit beim instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch mittels akustischer Signaldetektion mit geringem Probenaufwand und hoher Genauigkeit moeglich ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem durch Trennung der hochfrequenten Signale der Schallemission von den hochfrequenten Signalen des Aufpralls des Hammers der Zeitpunkt der ersten Rissausbreitung bestimmt und zur Ermittlung der Risseinleitungszaehigkeit genutzt werden kann. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass die von einem breitbandigen Schallemissionsaufnehmer groesser oder gleich 1,5 MHz, der unmittelbar am Finnenruecken in Hoehe des Schlagpunktes angeordnet ist, gewonnenen Signale einem Impedanzwandler mit einem Wandlungswiderstand von 1 KV zugefuehrt werden und anschliessend ueber ein Hochpassfilter mit der Grenzfrequenz von 750-800 KHz bei einer Daempfung von 10 dB pro 50 KHz gefuehrt werden. Aus dem Anschwellen der Schallamplitude wird der Zeitpunkt der ersten Rissausdehnung ermittelt, der in an sich bekannter Weise der Berechnung der Risseinleitungszaehigkeit dient.
Description
Zur Prüfung des Zähigkeits- und Bruchverhaltens bei dynamischer Belastung ist es bekannt, den Kerbschlagbiegeversuch anzuwenden. Dabei wird ein einseitig gekerbter Probestab, der mit seinen Enden an zwei Widerlagern anliegt, durch den Schlag eines Pendel hammers zerbrochen bzw. so weit gebogen, wie es die Versuchsanordnung zuläßt (Bl umenau er, Pusch, Technische Bruchmechanik, Dt. Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1982). Versuchsdurchführung und Probenformen sind in TGL 11225 standardisiert. In den letzten Jahren wurden vorwiegend der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch angewandt, der mit Hilfe von Halbleiter-Dehnmeßstreifen eine elektronische Aufzeichnung des Schlagkraft-Zeit-Verlaufes ermöglicht. Dabei werden Proben verwendet, denen zusätzlich zum mechanisch eingebrachten Kerb ein Ermüdungsriß eingeschwungen ist. Auf Grund der Schwierigkeiten bei der Beherrschung der dynamischen Effekte ist es nicht möglich, den für die bruchmechanischen Berechnungen notwendigen Zeitpunkt der ersten Rißausbreitung aus den Schlagkraft-Zeit-Kurven zu bestimmen. Man hat sich bisher damit geholfen, daß der Schnittpunkt der durch Variation der Schlagenergie gemessenen Rißwiderstands-Kurve mit einer Rißabstumpfungsgeraden als Zeitpunkt derersten Rißausbreitung galt (Holzmann, Man, Vlach,Techn. Mat. RGW 1-13.12, Malacky 1979). Diese Auswertemethodik erfordert eine Mehrprobentechnik (Größenordnung 5 Proben) und ist durch die Vielzahl der Arbeitsgänge mit einer Reihe von systematischen Fehlern behaftet. j
Es ist weiterhin bekannt, daß bei sprunghaften irreversiblen Zustandsänderungen in Mikrobereichen, wie z. B. Rißbildung und j
Rißausbreitung, Schallemission auftritt.
Systematische Untersuchungen im Hinblick auf die technische Verwertbarkeit der Schallemissionssignale wurden erstmalig im Jahre 1950 von Kaiser durchgeführt (Dr.-Ing. Diss., Techn. Hochschule München). Eine gute Übereinstimmung erhöhter Schallintensität mit dem Erreichen der für die Zähigkeit angerissener Körper charakteristischen kritischen Kenngrößen der Bruchmechanik wurde in Versuchen mit statischer Belastung nachgewiesen (Knott, Fundamentals of Fracture Mechanics, Butterworth, London 1973).
Die Erfahrungen mit der Schallemission aus den statischen Versuchen sind nur zum Teil auf die dynamische Prüfung übertragbar. Zum einen ist durch den kurzzeitigen transienten Schlagkraftverlauf die Registrierung der Schallemissions-Zeitsignale notwendig, um den Zeitpunkt der ersten Rißausbreitung bestimmen zu können (Schallsumme oder Schallrate sind I
unzureichend). Zum anderen werden die Schallemissionssignale von hochfrequenten Störgeräuschen des Hammeraufpralls ]
überdeckt. Bekannt geworden sind Untersuchungen, bei denön mittels spezieller Meßwertverarbeitung durch schnelle ι
Fouriertransformation (FFT) von auf Probenoberflächen gemessenen Schallemissionssignalen eine Unterscheidung von Aufprall und Schallemission vorgenommen wurde (Steffens, H.-D. u. a. Acoustic Emission, Deutsche Gesellschaft für [
Metallkunde E.V., 1980). Der Zeitpunkt der Rißeinleitung ist mit diesem Verfahren nicht bestimmbar. j
Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Bestimmung der Rißeinleitungszähigkeit beim instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch mittels akustischer Signaidetektion mit geringem Pr'obenaufwand und hoher Genauigkeit möglich ist.
" Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem durch Trennung der hochfrequenten Signaleder Schallemission von den hochfrequenten Signalen des Aufpralls des Hammers der Zeitpunkt der ersten Rißausbreitung bestimmt und zur Ermittlung der Rißeinleitungszähigkeit genutzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die von einem breit bandigen Schallemissionsaufnehmer größer oder gleich 1,5MHz, der unmittelbar am Finnenrücken in Höhe des Schlagpunktes angeordnet ist, gewonnenen Signale einem Impedanzwandler mit einem Wandlungswiderstand von 1 ΚΩ zugeführt werden und anschließend über ein Hochpaßfilter mit der Grenzfrequenz von 750-800KHz bei einer Dämpfung von 1OdB pro 50KHz geführt werden. Aus dem Anschwellen der Schallamplitude wird der Zeitpunkt der ersten Rißausdehnung ermittelt, der in an sich bekannter Weise der Berechnung der Rißeinleitungszähigkeit dient.
Aufgrund des Zusammenwirkens verschiedenartiger schwingungsfähiger Massensysteme der Prüfanordnung können aus der Kenntnis des Standes der Technik keine Rückschlüsse auf geeignete Parameter zur Signalverarbeitung gezogen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die genaue Bestimmung des Zeitpunktes der ersten Rißausbreitung und somit eine genaue Berechnung der Rißeinleitungszähigkeit. Es entfallen methodische Annahmen und große Probenaufwendungen. Die direkte Messung der Rißinitiierung sichert eine sehr gute Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Ermittlung dynamischer Bruchzähigkeitswerte (Streuungsbreite der Werte auf die Hälfte reduziert).
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispie! erläutert.
Für die Modellwerkstoffe für Sprödbruch (Stahl C 15K) und Zähbruch (AICuMg) und einem warmfesten Stahl (21 CrMo V 5.11), der im Kraftwerks- und Chemieanlagenbau zum Einsatz kommt, soll.die Rißeinleitungszähigkeit bestimmt werden. Alle Proben (10 χ 10 χ 55 mm3) werden nach Vorschrift zur Bestimmung der dynamischen Bruchzähigkeit ausgehendvon einem Kerbgrund (2mm) mit einem 3mm langen Ermüdungsriß präpariert und in einer instrumentierten Kerbschlagbiegevorrichtung durch den Schlag des Pendelhammers zerbrochen. Die bekannte Instrumentierung erlaubt mit Hilfe von Halbleiter-Dehnmeßstreifen eine elektronische Aufzeichnung des Schlagkraft-Zeit-Verlaufes.
Zusätzlich wird zur Detektion der akustischen Signale direkt hinter der Schlagfinne in Höhe des Schlagpunktes ein breitbandiger Schallemissionsaufnehmer mit einer Resonanzfrequenz größer oder gleich 1,5MHz angeordnet.
Die bei Aufprall des Hammers gewonnenen Signale durchlaufen ein Impedanzwandler mit einem Wandlungswiderstand von 1 Küund anschließend ein Hochpaßfilter vom Typ C 0525, θ = 47° (Saal, Der Entwurf von Filtern mit Hilfe des Katalogs normierter Tiefpässe, Telef u η ken, Backnang, 1961). Es besitzt die Grenzfrequenz von 750KHz bei einer Dämpfung von — 1OdB pro 50KHz.
Die Aufzeichnung der Signale erfolgt mit einem programmierbaren oder steuerbaren Transientenrecorder, der als Mindestanforderung eine A/D-Umsetzzeit von 0,4/iS (6 bit) besitzt. Während bisher eine Auswertung der Schallemissionssignale auf Grund des Einflusses der Aufprallgeräusche nicht möglich war, gelingt es mit dem vorgeschlagenen Verfahren die akustische Emission aus den Störgeräuschen herauszuheben. Aus dem Anschwellen der Schallamplitude läßt sich nun der Zeitpunkt der ersten Rißausdehnung bestimmen und mit der zeitgleichen Schlagkraft die Rißeinleitungszähigkeit berechnen.
Bei allen 3 Werkstoffen konnte in einem Temperaturbereich von -70°Cbis +9O0C mit der Schlaggeschwindigkeit von 2,80 m/s der Zeitpunkt des Rißstarts aus den Schaliemissionssignalen bestimmt werden.
Bei Raumtemperatur ergeben sich folgende Zeiten der ersten Rißausbreitung:
ti (C 15 K) = 134^s
ti (AICuMg) = 198^s
ti(21CrMoV5.11) = 190°s
Bei der zähen Aluminiumlegierung ergaben sich im erwähnten Temperaturbereich getrennte Signale von Aufprall und Schallemission bis zu einer Schlaggeschwindigkeit von 4,10m/s. Mit der Schlaggeschwindigkeit von 2,80m/s konnten an dem warmfesten Stahl 21 CrMo V5.11 bei Raumtemperaturen Beanspruchungsgeschwindigkeiten von 7· 105 MPa m^s'1 gemessen werden. Dieser Wert liegt höher als bei den hydraulischen Hochgeschwindigkeitsmaschinen und repräsentiert die in der Praxis auftretenden schlagartigen Beanspruchungen.
Claims (1)
- Verfahren zur Ermittlung der Rißeinleitungszähigkeit beim instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch mittels Detektion akustischer Signale direkt hinter der Schlagfinne der Kerbschlagbiegevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem breitbandigen Schallemissionsaufnehmer größer oder gleich 1,5MHz gewonnenen Signale einem Impedanzwandler mit einem Wandlungswiderstand von 1 ΚΩ zugeführt werden und anschließend über ein Hochpaßfilter mit der Grenzfrequenz von 750-800KHz bei einer Dämpfung von 1OdB pro 50KHz geführt werden und aus dem Anschwellen der Schallamplitudeder Zeitpunkt derersten Rißausbreitung ermittelt wird, derin an sich bekannterWeise der Berechnung der Rißeinleitungszähigkeit dient.Anwendungsgebiet der ErfindungDie Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Rißeinleitungszähigkeit beim instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch mittels akustischer Signaidetektion.Die Zähigkeit angerissener Biegeproben ist eine wichtige Kenngröße der Bruchmechanik zur Charakterisierung des dynamischen Werkstoffverhaltens.
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