Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Die klassische Vibrometrie wird bereits seit vielen Jahren in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt, wobei die lineare mechanische Übertragungsfunktion einer Probe bestimmt wird. Diese beinhaltet jedoch sowohl die Materialeigenschaften also auch die Geometrie des Prüfobjekts. Ein Defekt verändert diese Eigenschaften, die sich dann auch in der Übertragungsfunktion widerspiegeln. Um jedoch solche änderungen erkennen zu können, ist der Vergleich mit einem Referenzspektrum (als "Fingerprint") notwendig, das bereits vor der Schädigung aufgenommen wurde [1].
Die meisten Defektarten verhalten sich jedoch unter mechanischer Last nicht mehr linear. Im Gegensatz zur intrinsischen Materialnichtlinearität durch die molekularen Bindungspotentiale ist diese Defekt-Nichtlinearität auch nicht vernachlässigbar [2].
Der Grund hierfür liegt in der Eigenschaft der meisten Defekte, die Anzahl der inneren Grenzflächen zu erhöhen. Unter tangentialer Last kommt es zu Rißuferreibung, dabei wird Energie durch nichtlineare Hysterese dissipiert.
Bei Lasteinwirkung senkrecht zu den Grenzflächen ist das Spannungs-Dehnungs-Diagramm nicht mehr symmetrisch: Unter Zug öffnet sich die Verbindung (geringe Steifigkeit), und unter Druck bleibt sie geschlossen, verhält sich also wie massives Material (hohe Steifigkeit) [3]. Deswegen wirkt der Riß bei schwingender Belastung wie ein mechanischer Gleichrichter.
Bei monofrequenter Anregung der Probe wird die sinusförmige Welle lokal verzerrt. Es entstehen höhere Harmonische, die den Bereich eines potentiellen Defektes markieren. Um eine im Mittel über die gesamte Probe konstante Anregungsamplitude zu erreichen, muß eine nichtresonante Frequenz gewählt werden, . Zur Detektion der Grundschwingung (Anregung) und der höheren Harmonischen wurde für die vorliegenden Ergebnisse ein Polytec PSV 200 Scanning Laser Vibrometer eingesetzt. Während das Amplitudenbild bei der Anregungsfrequenz lediglich eine Momentaufnahme des instationären Wellenfelds zeigt, liefert bei höheren Harmonischen nur der Defekt selber ein Meßsignal - die intakte Umgebung bleibt passiv (Abbildung 1).
Interessanterweise zeigen die experimentellen Ergebnisse eine starke Lokalisierung der Obertöne, die Ursdache hierfür kann nicht allein die frequenzabhängigeDämpfung sein. Ein mögliche Erklärung ist, daß sich beispielsweise im Fall großflächiger Delaminationen die abgelöste Schicht wie eine Membran verhält, so daß die Wellen an den Grenzen zum massiven Material reflektiert werden. Des weiteren ist auch der Einfluß von Konvolutionseffekten denkbar. Im Fall des diffusen Schallfelds treffen die Anregungswellen mit gleicher Amplitude und unbestimmter Phase aus allen Richtungen am Ort des Defekts ein, wo sie nichtlinear interagieren
Eine andere anwendungsrelevante Möglichkeit, die dieses Verfahren bietet, ist die Charakterisierung eines Schaden aufgrund des Obertonspektrums. Eine "klappernde" Nichtlinearität, wie sie bei Enthaftungen unter senkrechter Last auftritt, läßt sich nämlich durch eine Modulation mit einer Rechteckfunktion beschreiben. Das resultierende Obertonspektrum hat daher einen sin(x)/x-artigen Abfall zu hohen Frequenzen. Der Abstand der Nullstellen steht hierbei im direkten Bezug zum Abstand der Grenzflächen, also der Modulationstiefe [4], formal ähnlich dem Zusammenhang zwischen Spaltbreite und Beugungsbild in der Optik.
Im Fall hysteretischer Nichtlinearität wie unter tangentialer Last dominieren aufgrund der Symmetrie von Zug und Druck die ungeradzahligen Harmonischen, und es entsteht ein monotones Obertonspektrum. Reibung verursacht zum einen durch den unstetigen Übergang zwischen Haft- und Gleitreibung eine Verzerrung der Anregungsschwingung, als auch durch nichtlineare Energiedissipation (Hysterese) [5]. In realen Proben ist jedoch meist eine Kombination beider nichtlinearer Mechanismen zu beobachten, jedoch mit variierender Gewichtung [6].
Abb 1: Prinzipbild der Obertonrastervibrometrie.
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Impactschäden in faserverstärkten Kunststoffen
Faserverstärkte Kunststoffe sind von immer größerer Bedeutung in der Konstruktion von Leichtbaustrukturen im Luftfahrt- und Automobilbaubereich. Standardprüfverfahren wie Wirbelstrom oder Ultraschall sind aber nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand anwendbar, da diese Materialien nicht immer elektrisch leitfähig sind und zudem sehr viel mehr innere Grenzflächen aufweisen. Auch das Schädigungsverhalten unterscheidet sich stark von metallischen Werkstoffen. Beispielsweise verformt ein Impact ein metallisches Bauteil, ohne einen strukturellen Schaden zu verursachen [7]. Im Faserverbundwerkstoff jedoch kann es neben lokalen Enthaftungen sogar zu Faserbrüchen und Matrixrissen kommen. Die Gefahr dieser Schäden wird noch dadurch gesteigert, daß sie im Wesentlichen auf der dem Impact abgewandten Seite liegen, die im eingebauten Zustand nicht sichtbar ist.
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Abb 2: CFK Probe mit Impactschaden; links: Impactseite, rechts: Rückseite.
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Abbildung 2 zeigt das Obertonrasterbild einer durch Impact geschädigten Kohlefaserverbundwerkstoffplatte (CFK-Platte), die von beiden Seiten untersucht wurde. Diese 6 mm dicke Platte wurde mit Hilfe einer Ultraschallschweißsonotrode mit einer elektrischen Leistung von 100 W bei einer Frequenz von 20 kHz angeregt. Es ist jedoch zu erwähnen, daß lediglich ein kleiner Prozentsatz der elektrischen Leistung in die Probe eingebracht werden kann. Ursache hierfür ist die Notwendigkeit, ein Koppelmedium zwischen Sonotrode und Probe zu verwenden, um die Nichtlinearität dieser Verbindung zu minimieren. In Abbildung 2 ist graustufenkodiert die Amplitude der 7. Harmonischen dargestellt. Der Impactschaden ist sowohl von der Vorderseite als auch von der Rückseite als dunkler Bereich (hohe Amplitude) zu erkennen, obwohl mit bloßem Auge an der Vorderseite lediglich ein kleiner Eindruck des Impactprojektils zu erkennen ist. Es ist außerdem festzustellen, daß erwartungsgemäß auf der Rückseite ein deutlich größerer Schaden verursacht wurde.
Delaminationen in faserverstärkten Kunststoffen
Eine andere charakteristische Schadensart für Faserverbundstrukturen sind Enthaftungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lagen im Laminat ("Delaminationen").
Die folgenden Messungen wurden an einem unidirektionalen glasfaserverstärktem Laminat (GFK-Laminat) durchgeführt, in das zwei Lagen unter der Oberfläche eine piezokeramische Aktorik eingebettet wurde. Unter Anlegen einer elektrischen Spannung an den Aktor verändern solche Strukturen ihre mechanischen Eigenschaften ("Adaptive Strukturen") [8]. Auf der Oberfläche des Aktors entstand während eines Langzeitversuchs eine Delamination von etwa 2 cm Durchmesser.
Um diese Enthaftung zu detektieren wurde der Aktor mit einer Wechselspannung (50 kHz, 16 Veff) beaufschlagt und mit einem Laservibrometer rasternd die Schwingungsspektren an der Probenoberfläche gemessen. Abbildung 3 zeigt die Amplitudenbilder der ersten vier Harmonischen (weiß - hohe Amplitude; schwarz - niedrige), von denen die Anregungsfrequenz lediglich eine nach oben hin zunehmende Amplitude aufweist, da die Probe nur auf der Unterseite einseitig eingespannt war. Die Bilder der 2. bis 4. Harmonischen weisen nur ein Signal am Ort der Delamination auf, während die Umgebung kein Signal liefert. Es ist außerdem bemerkenswert, wie groß die Pegelunterschiede der höheren Harmonischen auf dem Defekt verglichen mit der Umgebung sind (vgl. Spektren), obwohl die Meßpunkte der beiden Spektren nur wenige Zentimeter von einander entfernt waren.
Abb 3: GFK-Probe: 1. bis 4. Harmonische sowie Spektren auf (rechts) und neben (links)
der Delamination .
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Während hohe Frequenzen zur bildlichen Darstellung der Obertonamplitudenverteilung erforderlich sind, kann man unter Verwendung deutlich niedrigerer Frequenzen integrale Untersuchungen durchführen. Dies erlaubt zudem bei gleicher Bandbreite der Meßeinrichtung Harmonische sehr viel höherer Ordnung zu analysieren und dadurch Rückschlüsse auf die Art der Nichtlinearität zu ziehen.
In diesem Spektrum (Abbildung 4) kann ein (sin x)/x Abfall wiedererkannt werden, der allerdings von einem monotonen Verlauf überdeckt ist. Es ist sowohl "klappernde" als auch hysteretische Nichtlinearität beteiligt, so daß keine Nullstellen im Spektrum auftreten.
Abb 4: Integrales Obertonspektrum einer delaminierten GFK-Probe.
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Delaminationen in faserverstärkten Mehrschicht-Keramiken
Faserverstärkte Keramiken sind ein neues vielversprechendes Material für Hochtemperaturanwendungen wie Bremsscheiben oder Hitzeschilde in Wiedereintrittsraumfahrzeugen. Kohlefaserverstärktes Siliziumkarbid (C/C-SiC) wird aus pyrolysiertem CFK hergestellt, das durch Infiltration von Silizium bei hohen Temperaturen partiell zu Siliziumcarbid reagiert. In diesem letzten Verarbeitungsschritt lassen sich auch verschiedene Schichten miteinander verbinden. Die Infiltration geschieht jedoch oft nicht homogen genug, so daß Delaminationen auftreten.
Abbildung 5 zeigt das Rasterbild der 2. Harmonischen (40 kHz) einer 32 mm dicken CC/SiC-Platte mit einer etwa 6 mm unter der Oberfläche liegenden Enthaftung (linke obere Ecke). Zur Anregung wurde die Ultraschallsonotrode an die linke untere Ecke geklemmt und mit einer elektrischen Leistung von 500 W bei 20 kHz beaufschlagt.
Abb 5: Delaminierte C/C-SiC Probe, Amplitudenbild der 2. Harmonischen. |
Reibung scheint in diesem Fall der dominierende nichtlineare Prozeß in diesem sehr harten porösen Material zu sein. Der dunkle Bereich in Abbildung 5 zeigt nur den geschlossenen Bereich der Enthaftung, da der Spalt im geöffneten Teil der Delamination größer ist als die Schwingungsamplitude der Anregung und daher auch kein nichtlineares Verhalten aufweisen kann. Deshalb ist die Spaltbreite durch die gemessene Schwingungsamplitude abschätzbar.
Korrosion in Aluminium
In heutigen primären Luftfahrtstrukturen ist Aluminium immer noch das vorherrschende Material, das nach langjährigem Betrieb insbesondere an schwer zugänglichen Bereichen (Bauteilrückseite) nur schwierig detektierbare Korrosionsschäden aufweisen kann. Es ist daher wünschenswert, Korrosion auch von der intakten Seite aus erkennen zu können.
In Abbildung 6 sind die Amplituden der 2. Harmonischen eines Höhenruderlagers bei einer Anregung von 300 W (20 kHz) von beiden Seiten aus gesehen dargestellt. Die Korrosion befand sich mit Ausnahme des in der oberen Ecke befindlichen Flecks nur auf der Rückseite des Bauteils. Vergleicht man die von beiden Seiten aufgenommenen Obertonrasterbilder, so ist zu erkennen, daß die von der Vorderseite aus detektierten Orte erhöhter Nichtlinearität gut mit denen der Rückseite korrelieren. Es ist also, zumindest für ein Bauteil geringer Dicke (hier ca. 5 mm), möglich die auf der Rückseite liegende Korrosion von der Vorderseite aus zu erkennen.
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Abb 6: Amplitudenbilder der 2. Harmonischen eines Aluminiumlagers mit Korrosion auf der Rückseite.
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Risse in Stahl
Risse weisen unter zyklischer mechanischer Last ein Verhalten auf, das dem von Delaminationen bekannten sehr ähnlich ist. Auch hier können nur Druckspannungen übertragen werden und keine Zugspannungen, außerdem tritt Reibung auf. In hartem Material wie Keramik bleiben Risse meist geschlossen, und die Grenzflächen können über die gesamte Länge interagieren. In duktilem Metall hingegen haben nur die Rißspitzen aktive Kontaktflächen und treten thermisch oder durch Nichtlinearität in Erscheinung.
Abb 7: Amplitudenbilder der 5. Harmonischen einer Stahlprobe mit Riß.
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Abbildung 7 zeigt die Messung an einer Stahlprobe, in die durch Zugbelastung ausgehend von einer Initialbohrung ein Riß eingebracht wurde. Angeregt wurde die Probe ebenfalls bei 20 kHz und einer Leistung von 400 W. Erwartungsgemäß zeigen nur die Rißspitzen ein nichtlineares Verhalten. Außerdem ist das Bohrloch erkennbar, das vermutlich noch Grat enthält und leichte Korrosionsspuren zeigt.
Die nichtlineare Vibrometrie ist ein neues und leistungsfähiges Verfahren, um Defekte schnell und zuverlässig zu lokalisieren und zu charakterisieren. Sie ist unabhängig von geometrischen Veränderungen und Referenzmessungen. Bereiche nichtlinearen Verhaltens werden berührungslos detektiert und liefern visualisiert ein defektselektives Bild der Probe. Dieses Ergebnis ist leicht zu interpretieren, da nur geschädigte Bereiche ein Signal liefern. Es können Delaminationen, plastische Verformungen, Porosität und Risse in allen Orientierungen nachgewiesen und durch Analyse des Obertonspektrums charakterisiert werden.
Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Land Baden-Württemberg für die Förderung dieser Arbeiten im Rahmen eines Schwerpunktsprojektes. Die Proben in Abbildung 3 und Abbildung 4 wurden uns freundlicherweise von Dipl.-Ing. M. Flock (Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart) zur Verfügung gestellt , die in Abbildung 5 von Dipl.-Ing. R. Aoki (DLR, Stuttgart) .
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