Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
START| DGZfP-JAHRESTAGUNG 2001 Zerstörungsfreie Materialprüfung | ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD | START |
|
Zur zerstörungsfreien Werkstoffcharakterisierung wurde eine neue Methode entwickelt, die auf der Analyse von mechanisch induzierten thermischen Effekten im geprüften Werkstoff basiert. Während der zyklischen mechanischen Beanspruchung wird ein Temperaturanstieg infolge dissipierter Wärme hervorgerufen. Die Ursache dafür ist die innere mechanische Dämpfung (Hystereseverluste) im Werkstoff, die charakteristisch für die (Sub-)Mikrostruktur sein kann. Anhand der induzierten Temperatureffekte wurde die dissipierte Wärmeenergie pro Beanspruchungszyklus quantitativ ermittelt. Damit konnte die üblicherweise nur schwer zugängliche Fläche der mechanischen Hysterese unabhängig von den thermischen Randbedingungen charakterisiert werden. Die experimentellen Untersuchungen wurden vorrangig an der Titanlegierung Ti-6Al-4V in unterschiedlichen Ermüdungszuständen durchgeführt. Dabei wurden charakteristische Abhängigkeiten des zerstörungsfreien thermischen Parameters vom Grad der Ermüdungsschädigung bereits in den Frühstadien festgestellt.
Frühe Erkennung ermüdungsbedingter Werkstoffdegradation sowie die Ermittlung der Restlebensdauer an technischen Komponenten ist von großer Bedeutung hinsichtlich der Erhöhung der Sicherheit und Reduktion von Wartungskosten. Insbesondere Hochleistungswerkstoffe, zum Beispiel Titanlegierungen, sind durch eine geringe Toleranz gegenüber Ermüdungsrissen unter bestimmten Beanspruchungsbedingungen gekennzeichnet, obwohl die Risszähigkeit Kc hohe Werte besitzt (70 - 150 MPa·m1/2) vergleichbar zu denjenigen der Stähle. Die "Kerbempfindlichkeit" beziehungsweise eine geringe kritische Risslänge in diesen Werkstoffen ist dabei in erster Linie auf den Einsatz bei hohen mechanischen Beanspruchungen zurückzuführen. Insbesondere im Flugzeugbau ist die maximale Ausnutzung der Festigkeitseigenschaften von hoher wirtschaftlicher Bedeutung. Die Risszähigkeit Kc ist wie folgt definiert [1]:
| (1) |
Dabei ist Y ein Geometriefaktor, smax ist die maximal aufgebrachte Spannung und ac die kritische Risslänge. Aus dieser Beziehung folgt, dass bei hohen Spannungen smax eine deutlich geringere Risslänge ac toleriert werden kann für einen gegebenen Kc-Wert. Die hier untersuchte Titanlegierung Ti-6Al-4V ist durch eine Streckgrenze von ca. 900 MPa charakterisiert und ermöglicht somit den Einsatz bei hohen mechanischen Beanspruchungen [1,2]. Da viele Stahlwerkstoffe zu den Titanlegierungen vergleichbar hohe Kc-Werte aufweisen jedoch mechanisch geringer belastbar sind, ist in diesen Stählen eine deutlich höhere kritische Risslänge zulässig.
Ein Ermüdungsrissnachweis ist je nach Ermüdungsbedingungen an dem oben genannten Titanwerkstoff häufig erst nach 90% der Lebensdauer möglich. Eine zerstörungsfreie Ermittlung der Restlebensdauer sollte dagegen frühzeitig ermöglicht werden, bevor Ermüdungsrisse nachgewiesen werden können. Während der Frühstadien der Ermüdung sind lediglich Submikrostrukturveränderungen, wie zum Beispiel Versetzungsdichtezunahme oder Versetzungsstrukturveränderung, ein charakteristisches Maß für den ermüdungsbedingten Verlust der Lebensdauer [3,4]. Eine zerstörungsfreie Charakterisierung kann daher lediglich anhand solcher submikroskopischer Werkstoffveränderungen oder der daraus resultierenden Veränderungen der mechanischen Werkstoffeigenschaften erfolgen.
In diesem Beitrag wird eine neue zerstörungsfreie thermographische Methode zur quantitativen Charakterisierung der Wärmedissipation und ihrer möglichen Nutzung zur Charakterisierung von Werkstoffeigenschaften und ermüdungsbedingter Submikrostrukturveränderungen vorgestellt.
3.1. Grundlagen der thermischen Methode
Zeitlich abhängige reversible anelastische oder viskoelastische Prozesse und irreversible (mikro-)plastische oder viskoplastische Prozesse bei einer dynamischen Werkstoffbeanspruchung verursachen Wärmedissipation und bedingen folglich eine Temperaturänderung. Diese Mechanismen sind von der Mikro- und Submikrostruktur des beanspruchten Werkstoffes und damit auch von den mechanischen Eigenschaften abhängig. Die folgende thermodynamische Beziehung beschreibt den Zusammenhang zwischen der dissipierten Wärmeenergie Qdiss und der induzierten Temperaturänderung DTdiss im adiabatischen Fall eines bgeschlossenen Systems [5,6]:
| (2) |
Dabei ist r die Dichte des Werkstoffes und Cp die Wärmekapazität unter konstantem Druck.
Bei einer zyklischen Beanspruchung wird eine vollständige mechanische Hysterese durchlaufen, wobei die eingeschlossene Fläche in den meisten Fällen genau der dissipierten Wärmeenergie entspricht. Lediglich im Fall mechanischer Beanspruchungen einer höheren Amplitude, die (mikro-)plastische Verformungen zur Folge haben, wird ein geringer Anteil (ca. 5%) der Energie in Form von mechanischen Spannungsfeldern im Bereich induzierter Submikrodefekte (Versetzungen, Leerstellen) im Werkstoff gespeichert. Außer den Werkstoffeigenschaften bedingt auch die Versuchsdurchführung, d.h. die Wahl der Spannungsamplitude und die Art der mechanischen Beanspruchung (Mittelspannung, Frequenz, Form der zyklischen Beanspruchung), die Hysteresefläche [6,7]. In Abbildung 1 ist eine an dem Titanwerkstoff Ti-6Al-4V gemessene mechanische Hysterese dargestellt. Die Beanspruchungsfrequenz f betrug 0,5 Hz und die mechanische Spannung wurde unterhalb der Streckgrenze gewählt (Spannungsamplitude sa=400 MPa, Mittelspannung sm=467.5 MPa).
Abb 1: Mechanische Hysterese am Titanwerkstoff Ti-6Al-4V.
|
Die hier vorgestellte Methode basiert auf einer kurzzeitigen, definierten mechanischen Anregung der Wärmedissipation im zu prüfenden Werkstoff und einer ortsaufgelösten zeitabhängigen Temperaturmessung auf der Werkstoffoberfläche mittels Infrarot-Thermographie. Anhand der induzierten Temperatureffekte wird ein thermischer Werkstoffparameter ermittelt, der die Charakterisierung des Werkstoffzustandes ermöglicht und einen Bezug zur Hysteresefläche qdiss herstellt.
3.2. Experimente an Ermüdungsproben
Der experimentelle Aufbau ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt. Die mechanische Anregung der Wärmedissipation besteht aus mehreren (101 bis 105) zeitlich periodischen Zyklen. Die notwendige Anzahl der Beanspruchungszyklen zur Messung der wärmedissipationsbedingten Temperaturänderung DTdiss ist von der akkumulierten Wärmeenergie Qdiss im Werkstoff abhängig. Aufgrund der Wärmeverluste ist somit die Messung auch von der erzeugten Wärmeleistung Pdiss abhängig:
| (3) |
Zur Steigerung der Wärmeleistung Pdiss kann entweder die Frequenz f oder die Hysteresefläche qdiss, die vorrangig von der Spannungsamplitude und Mittelspannung abhängt, erhöht werden. Eine verbesserte Temperaturauflösung reduziert die erforderliche Wärmeleistung Pdiss.
Abb 2: Experimentelle Anordnung zur Messung mechanisch induzierter Wärmeenergie.
|
Die mechanische Anregung der Wärmedissipation kann im Experiment mittels mechanischer Spannung bei Frequenzen im Hz-Bereich (1-100 Hz) unterhalb oder im Bereich der Streckgrenze des Werkstoffes erfolgen. In den hier vorgestellten Untersuchungen wurde hierzu eine servo-hydraulische Ermüdungsmaschine eingesetzt (Abbildung 3a). Alternativ dazu wurde ebenso eine Hochleistungsultraschall-Anregung genutzt. Dazu ist ein Ultraschall-Aktuator, betrieben bei 20 kHz mit einer elektrischen Leistung von 1 kW, verwendet worden. Der Schalldruck in der Ermüdungsprobe wurde zu einem durch ein Ultraschallhorn und Abschlusshorn, zum anderen durch eine entsprechend geformte Probengeometrie verstärkt. Die gesamte Anordnung ist in Resonanz bei 20 kHz betrieben worden. Der Schalldruck an der Messstelle des untersuchten Werkstoffes betrug 60 bis 80 MPa. Der schematische Aufbau der Hochleistungsultraschall-Vorrichtung ist in Abbildung 3b dargestellt.
Zur Temperaturmessung diente eine Scanner-Infrarot-Kamera, die sich im Abstand von ca. 1 m vom geprüften Werkstoff befand. Diese Kamera ist im langwelligen IR-Bereich 8-12 mm (Hg-Cd-Te Detektor) empfindlich, besitzt eine Temperaturauflösung von 0.2 K und erreicht eine Bildrate von 50 Hz. Zur Erhöhung der Temperaturauflösung wurde eine zeitliche Mittelung über mehrere Perioden der mechanischen Beanspruchung und eine örtliche Mittelung über ca. 100 Pixel durchgeführt. Da die metallische Oberfläche einen hohen Reflexionsgrad beziehungsweise eine geringe Emissivität besitzt, wurde eine Polymerbeschichtung zur Sicherstellung zuverlässiger Temperaturmessungen vorgenommen. Die Thermographiebilder wurden in Echtzeit erfasst, digitalisiert und gespeichert. Dazu diente eine Bilderfassungskarte und die Visotherm(r) Software. Die Thermographiebild-Sequenzen standen damit zur weiteren zeitabhängigen und ortsaufgelösten Auswertung zur Verfügung.
| 
Abb 3: Vorrichtung zur Anregung der Wärmedissipation: (a) Zyklische mechanische Beanspruchung, (b) Hochleistungsultraschall.
| | |
3.3. Thermischer Werkstoffparameter Dtdiss
Die Ermittlung des thermischen Parameters erfolgt anhand des zeitlichen Verlaufes der Temperaturänderung DT(t), die durch die zyklische mechanische Beanspruchung induziert wird. Nach dem Einschaltvorgang der Beanspruchung ist die Wärmeleistung pro Periode Pdiss aufgrund der gleichbleibenden zyklischen mechanischen Beanspruchung konstant. Abbildung 4 zeigt schematisch den zeitabhängigen Verlauf der Temperaturänderung. Die periodische Temperaturänderung, verursacht durch den thermoelastischen Temperatureffekt mit der Amplitude DTel, wurde durch eine zeitliche Mittelung eliminiert. Dadurch konnte der quasi-statische Temperaturanstieg DTdiss (gestrichelte Linie) verursacht durch die Wärmedissipation ausgewertet werden. Der zeitabhängige Verlauf von DTdiss kann in drei charakteristische Stadien unterteilt werden:
Stadium 1: Am Anfang steigt DTdiss annähernd linear an. Innerhalb eines kurzen Zeitintervalls ist der Verlust der dissipierten Wärmeenergie an die Umgebung gering. Daher trägt die gesamte akkumulierte Wärmenergie zur Temperaturänderung DTdiss bei (quasi-adiabatische Bedingungen).
Stadium 2: Mit zunehmender Zeit t erfolgt eine Abnahme der Steigung von DTdiss, obwohl weiterhin eine konstante Wärmeleistung erzeugt wird. Dies ist auf zunehmende Wärmeverluste in Abhängigkeit von den thermischen Randbedingungen zurückzuführen. Die Mechanismen der Wärmeverluste sind Konvektion, Wärmestrahlung und vorrangig Wärmeleitung.
Stadium 3: Schließlich stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der erzeugten Wärmeleistung durch die mechanische Beanspruchung und der an die Umgebung abgegebenen Wärme ein, so dass man einen konstanten Temperaturwert DTdiss beobachtet.
Abb 4: Temperaturänderung DT(t) nach dem Einschalten einer zyklischen mechanischen Beanspruchung und Auswertung des Parameters Dtdiss.
|
Anhand des quasi-linearen Anstieges im Stadium 1 wurde der zerstörungsfreie Prüfparameter Dtdiss definiert. Dieser Parameter gibt die Temperaturänderung DTdiss während einer Zeitperiode Dt an normiert auf die Beanspruchungsfrequenz f:
| (4) |
Demzufolge entspricht Dtdiss der quantitativen Temperaturänderung DTdiss pro Beanspruchungszyklus. Der entscheidende Vorteil der Bestimmung von Dtdiss im Stadium 1 ist nicht nur die schnelle Durchführbarkeit und die geringe Belastung des Werkstoffes, sondern die weitgehende Unabhängigkeit von den thermischen Randbedingungen (Bauteilgeometrie, Umgebungstemperatur). Damit steht Dtdiss im direkten Zusammenhang zur erzeugten Wärmeenergie qdiss der Hysterese (siehe Abbildung 1) und kann mit Hilfe der Gleichung 2 berechnet werden.
Der quantitative Charakter des Parameters Dtdiss konnte experimentell anhand der Frequenzabhängigkeit bewiesen werden. Dem Experiment liegt der Gedanke zugrunde, dass im quasi-adiabatischen Fall der Parameter Dtdiss nicht oder nur geringfügig von der Frequenz der mechanischen Beanspruchung abhängig ist. In diesem Fall steigt die Wärmeleistung und damit auch DTdiss linear mit der Frequenz f (siehe Gleichung 3). Abbildung 5 zeigt Dtdiss in Abhängigkeit von der Beanspruchungsfrequenz für eine vorermüdete Titanprobe des Werkstoffes Ti-4Al-6V. Zu geringen Frequenzen hin nimmt der Messfehler zu, da die akkumulierte Wärmeenergie geringe Temperatureffekte unterhalb der Auflösungsgrenze induziert. Ab der Frequenz 10 Hz wurde eine hohe Genauigkeit der Messung erreicht.
Die Annahme der quasi-adiabatischen Randbedingungen im Stadium 1 konnte ebenso anhand einer mathematischen Modellierung des Wärmeleitungsprozesses an einer zylindrischen Werkstoffprobe bestätigt werden. Während der Anfangsphase, wenn die Temperaturänderung und das Messzeitintervall gering sind, erfolgt zunächst ein linearer Anstieg von DTdiss. Die Einhaltung quasi-adiabatischer Bedingungen spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Messung der thermoelastischen Temperaturamplitude DTel zur (Eigen-) Spannungscharakterisierung. Die Erfahrungen an metallischen Werkstoffen zeigen, dass bei Beanspruchungsfrequenzen größer als 1 Hz DTel unabhängig von der Frequenz gemessen werden kann. Innerhalb einer Zeitperiode, die kürzer als 1 Sekunde ist, finden keine signifikanten Temperaturausgleichprozesse statt [5,8].
Abb 5: Einfluss der Beanspruchungsfrequenz auf den Parameter Dtdiss.
|
Tabelle 1 zeigt anhand von Beispielen die Größenordnung von Dtdiss und der thermisch berechneten Hysteresefläche qdiss in Abhängigkeit vom Werkstoff und der mechanischen Beanspruchung. Mit steigender Beanspruchungsamplitude nimmt Dtdiss zu, da die Fläche der mechanischen Hysterese zunimmt. Eine Abhängigkeit von der Beanspruchungsfrequenz des Parameters Dtdiss ist nur dann zu erwarten, wenn unterschiedliche Dämpfungserscheinungen angeregt werden. Ein Beispiel ist die Erhöhung der dynamischen Festigkeit infolge erhöhter Beanspruchungsfrequenzen und damit die Abnahme der Hysteresenfläche qdiss. Ein anderes Beispiel ist die Anregung anelastischer Dämpfungsmechanismen bei charakteristischen Frequenzen.
| Werkstoff | Mechanische Beanspruchung | Dtdiss [mK] | qdiss [kJ/m3] |
| Titanwerkstoff Ti6Al4V | Hochleistungsultraschall | 0,001 bis 0,04 | 2,34 bis 93,6 |
| Titanwerkstoff Ti6Al4V | Dauerschwingbeanspruchung | 0,1 bis 1 | 234 bis 2.340 |
| Titanwerkstoff Ti6Al4V | Zeitschwingbeanspruchung | 0,2 bis 10 | 468 bis 23.400 |
| Stahl X 6 CrNiNb 18 | Zeitschwingbeanspruchung | 40 bis 100 | 93.600 bis 234.000 |
| Table 1: Parameter Dtdiss und die Hysteresefläche qdiss (r=4500 kg/m3, Cp=520 J/kg·m3) in Abhängigkeit mechanischer Beanspruchung und Werkstoff. | |||
Eine Vergleichbarkeit der thermisch ermittelten qdiss-Werte zur experimentell gemessenen Fläche der mechanischen Hysterese ist jedoch problematisch, so dass am untersuchten Titanwerkstoff lediglich eine qualitative übereinstimmung gefunden werden konnte. Der Grund liegt zunächst in der thermischen Eindringtiefe während der Messzeit, die eine gewichtete Abhängigkeit des Parameters Dtdiss von den Werkstoffeigenschaften im Randzonenbereich bedingt. Eine Messzeit von 1 s entspricht an dem untersuchten Werkstoff einer thermischen Eindringtiefe von ca. 1,4 mm [8]. Im Unterschied dazu ermöglicht die mechanische Hysterese lediglich eine integrale Abfrage im gesamten beanspruchten Werkstoffvolumen. Ein weiterer Grund liegt auch in der schwierigen experimentellen Zugänglichkeit der mechanischen Hysterese bei Beanspruchungen im Dauerfestigkeitsbereich oder mittels Ultraschall. Häufig finden nur lokale Werkstoffdehnungen im Bereich der Korngrenzen oder an Rissen statt, so dass integral keine nichtelastische Dehnung und damit eine mechanische Hysterese gemessen werden kann.
Die experimentellen Untersuchungen zur Ermüdungscharakterisierung wurden vorrangig an zylindrischen Hundeknochen-Proben (Durchmesser 6,35 mm) des Titanwerkstoffes Ti-6Al-4V durchgeführt. Der Werkstoff ist charakterisiert durch eine sogenannte Duplex-Mikrostruktur mit einer Korngröße von 25-50 mm. Aufgrund des hohen Anteils der kubisch-raumzentrierten b-Phase (20%) neben der hexagonalen a-Phase des Titans besitzt der Werkstoff eine hohe Festigkeit und Zähigkeit.
Die Proben wurden unter Zeitschwingbeanspruchungsbedingungen (f=30 Hz, sa=382.5 MPa, sm=467.5 MPa) schrittweise bis zum Bruch ermüdet. Nach jedem Ermüdungsintervall (5.000 bis 7.000 Zyklen) ist der thermische Werkstoffparameter Dtdiss gemessen worden. Zur Anregung der Wärmedissipation wurde dabei eine mechanische Beanspruchung in gleicher Höhe wie bei der Ermüdung gewählt.
Abbildung 6 zeigt einen annähernd linearen Anstieg von Dtdiss mit der Anzahl der Ermüdungszyklen, der eine eindeutige Zuordnung zwischen Dtdiss und Lebensdauer erlaubt. Deshalb kann man durch Messung von Dtdiss die verbliebene Lebensdauer vorhersagen, wenn man diese Kurve als Kalibrierung zugrunde legt.
Abb 6: Dtdiss (angeregt durch zyklische mechanische Beanspruchung) in Abhängigkeit der akkumulierten Ermüdungsschädigung.
|
Der wichtigste Grund für eine Zunahme von Dtdiss ist die ermüdungsbedingte Entfestigung des Werkstoffes und damit auch eine Zunahme der Hysteresefläche [9]. Durch die mechanische Anregung werden im zu prüfenden Werkstoff charakteristische Wärmequellen, die auf die Ermüdungsschädigung zurückzuführen sind, induziert. Die mechanische Hysterese, die bei der Anregung durchlaufen wird, ist vorrangig durch mikroplastische Schädigungsvorgänge dominiert. Der thermische Parameter charakterisiert dabei die veränderte Absorption mechanischer Energie bei zyklischer Beanspruchung des Werkstoffes infolge der Ermüdung.
Die hier vorgestellte thermische Methode ermöglicht die Nutzung wärmedissipativer Effekte zur zerstörungsfreien Werkstoffcharakterisierung. An dem Titanwerkstoff Ti-6Al-4V konnten Ermüdungsschädigungen bzw. der Verlust der Lebensdauer bereits in den Frühstadien unter Laborbedingungen charakterisiert werden.
Mit Hilfe des thermischen Werkstoffparameters Dtdiss ist eine empfindliche (Genauigkeit bis in den mK-Bereich), ortsaufgelöste Charakterisierung der Wärmedissipation unabhängig von den thermischen Randbedingung und eine Quantifizierung der Hysteresefläche (Wärmeenergie pro Zyklus) möglich. Bisher war die Berechnung der Hysteresefläche anhand der Temperatureffekte nur mittels mathematischer Modellierungen unter Berücksichtigung der thermischen Randbedingungen möglich [10]. Der Vorteil der neuen Methode liegt in der möglichen Anwendbarkeit an technischen Komponenten, wobei die Einfachheit der Methode, geringe Messdauer (einige Sekunden) und ortsaufgelöste Ermittlung des Prüfparameters eine entscheidende Rolle spielen. Eine Hochleistungsultraschall-Anregung ist von Vorteil bei der Applikation an einer technischen Komponente, birgt jedoch technische Probleme bei der Ankopplung an das Prüfteil und bei der Realisierung eines definierten lokalen Schalldruckes.
Die Durchführung der Arbeiten wurde im Rahmen der "Multi University Research Initiative" (MURI) der US Airforce (Förderkennzeichen: AFOSR Grant No F49620-96-1-0442) gefördert. Die dargestellten Ergebnisse entstanden in Zusammenarbeit mit der University of Dayton, Center for Materials Diagnostics. Wir danken besonders R. Andrews, D. Eylon, M. Kröning, für das Ermöglichen der Forschungsarbeiten und J. Gloekler und D. Becker für die Hilfe bei den experimentellen Messungen.
| Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net | START |
Beiträge