DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Schallemissionsanalyse beim medialen Zeitstandversuch am Modellwerkstoff CuZn37 - Teil: Einfluss des Mediums

U.-D. Hünicke, M. Schulz, Lehrstuhl für Werkstofftechnik (LWT), Universität Rostock
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulf-Dietger Hünicke

Zusammenfassung

Es wurden mediale Zeitstanduntersuchungen am Modellwerkstoff CuZn37 vorgestellt. Die Versuche wurden im wässrigen Medium NaNO2 bis zu einer Spannung von 223 N/mm2 durchgeführt. Die Spannung wurde elektronisch konstant gehalten. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Mediumkonzentration untersucht. Durch eine in-situ-Analyse der während des Zeitstandversuches auftretenden Schallemission wurde der Zeitpunkt des Rissbeginns und die gesamte Risskinetik bis zum Bruchvorgang überwacht.

Es zeigte sich, dass bei einer Konzentration von 0,2 bis 0,4 mol/l NaNO2 die kürzeste Standzeit auftrat. Bei Mediumkonzentrationen über 2 mol/l NaNO2 bildete sich eine Art Schutzschicht, so dass die Standzeit wieder zunahm und sich ein Plateau andeutete. Eine Analyse der Schallemissionsparameter ergab, dass bei beiden Konzentrationsfeldern eine unterschiedliche Risskinetik zu beobachten war. Die ermittelten Schallemissionsverläufe charakterisieren die konzentrationsabhängige Spannungsrisskorrosions-Empfindlichkeit von CuZn37 im Modellmedium NaNO2.

Keywords: Spannungsrisskorrosion, Messing, Zeitstandversuch, NaNO2-Lösung, Schallemissionsanalyse, Risskinetik

1. Einführung

Die vorliegende Arbeit ist ein Bestandteil von eigenen systematischen Untersuchungen zur SpRK-Empfindlichkeit von CuZn-Knetlegierungen im Medium NaNO2 . H2O, die in den letzten 4 Jahren in Publikationen vorgestellt wurden [1-5]. Dabei stand die Auswertung des Informationsgehaltes einer in-situ-Schallemissionsanalyse im Vordergrund. Der SpRK-Mechanismus von Messinglegierungen in NaNO2-Lösungen wurde inzwischen weltweit untersucht. Die Publikationen beschäftigen sich mit dem physikalischen und elektrochemischen Mechanismus der Spannungsrisskorrosion von Messing, mit dem Vorgang der Entzinkung, mit der Bildung der Oxidschicht Cu2O, mit den elektrochemischen Reaktionen bei verschiedenen Elektrolytkonzentrationen oder mit der Bildung von NO-Gas in den NaNO2-Lösungen [6-13].

Die vorliegende Publikation beschreibt die eigenen Ergebnisse des elektronisch gesteuerten Zeitstandversuches in verschiedenen NaNO2-Konzentrationen mit einer in-situ-Analyse der auftretenden Schallemissionen. Die methodisch orientierten Arbeiten sollen die Kenntnisse über den Zerstörungsmechanismus des Mediums erweitern und die Informations-möglichkeiten der rissinduzierten Schallemissionsanalyse aufzeigen.

2. Experimentelle Untersuchungen

Die verwendeten CuZn37-Proben hatten eine Dicke von d = 1 mm und eine spezielle Form zur Handhabung unter Mediumeinwirkung [1, 2]. Die Spannung wurde auf 223 N/mm2 eingestellt und elektronisch konstant gehalten bis zum Bruch. Die Konzentration des korrosiven Mediums wurde variiert von reinem aqua destillata bis zur 2 mol/l NaNO2-Lösung. Dabei veränderte sich der pH-Wert von pH = 7,0 bis pH = 9,0 bei Temperaturen im Bereich von T = 22 - 25 °C. Für die Schallemissionsanalyse stand das Messsystem vom Typ PCI-DISP4 der Firma PAC zur Verfügung, wobei mit einem Resonanzwandler vom Typ WD gearbeitet wurde. Zur Identifizierung und Filterung von Störsignalen wurde eine speziell entwickelte Software eingesetzt. Ausgewertet wurden folgende Schallemissionskenngrößen im zeitlichen Ablauf: RDC-Werte, Ereignisse (hits), Peak-Amplitude, Energie, Impulsdauer (duration), Anstiegszeit (risetime), Frequenzgehalt und weitere Signalparameter. Im Bild 1 wird die Versuchsanordnung mit dem experimentellen Ablaufsplan dargestellt.

Die SE-Aktivität beginnt nach einer Inkubationszeit der Medieneinwirkung tink (= t'SE) und reicht bis zum Bruch mit der Standzeit tB. Der eigentliche Bruchvorgang beginnt zum Zeitpunkt tB und ist durch makroskopische Risserscheinungen gekennzeichnet. Die elektronische Konstanthaltung der Kraft wird bis zum Bruch ausgeregelt und bestimmt besonders die Endphase des Messvorganges.


Bild 1: Versuchsanordnung mit Ablaufplan

3. Ausgewählte experimentelle Ergebnisse

Im Bild 2 wird der Einfluss der Mediumkonzentrationen auf die Standzeit tB und den Beginn der Risskinetik (tink = tSE) dargestellt. Bei reinem aqua destillata reicht die Standzeit von t = 430 h nicht aus, um einen Rissbeginn zu erreichen, deshalb wurde der Langzeitversuch abgebrochen. Schon extrem geringe Konzentrationswerte der NaNO2-Lösung verkürzen die Standzeit wirkungsvoll, die schließlich im Bereich von 0,2 bis 0,4 mol/l NaNO2-Lösung ein absolutes Minimum von tB = 4 - 5 h erreichte. Die SE-Aktivitäten begannen bei dieser Konzentration schon nach t = 1,6 - 2 h.


Bild 2: Abhängigkeit der Standzeit tB und der Beginn der SE-Aktivität tink = tSE von der Konzentration der NaNO2-Lösung

Bei Konzentrationen über 0,4 mol/l nahm die Standzeit wieder zu und es deutete sich im Konzentrationsbereich über 2 mol/l NaNO2 ein Plateau der Standzeiten in der Größenordnung von tB ~ 60 h an. Die Schallemissionen waren jetzt erst nach tink = 23 Stunden auswertbar. Die Ursache für die Zunahme der Standzeit tB bis zu einem Grenzwert lag sichtbar in einer Schichtbildung auf der Probenoberfläche, die zugleich eine Schutzwirkung hatte und die Rissbildung verzögerte. Diese Reaktionsschicht war bei Konzentrationen von 2 mol/l so entwickelt, dass sich die Standzeit bei höheren Konzentrationen kaum noch änderte und die Schutzwirkung sich nicht weiter verbesserte.

Das Bild 3 zeigt, dass die Zeitdauer von der Bildung der ersten Risse bis zum Bruch tB - tink bei Konzentrationen über 0,1 mol/l einen starken Anstieg zu verzeichnen hat. Die Dauer der SE-Aktivitäten nahm exponentiell zu.


Bild 3: Abhängigkeit der SE-Aktivität (Rissaktivität) von der Konzentration der NaNO2-Lösung

Analysiert man den prozentualen Anteil der Zeitdauer der Rissaktivität an der gesamten Standzeit, so kann festgestellt werden, dass für Konzentrationen über 0,1 mol/l NaNO2 ein relatives konstantes Niveau bei 60 % erreicht wird. Die Rissbildung beginnt demnach bei höheren Konzentrationen nahezu einheitlich bei 40 % der Standzeit. Das Bild 4 kennzeichnet diesen Verlauf.


Bild 4: Anteil der Risskinetik ( tSE) an der Standzeit tB in Abhängigkeit von der Konzentration der NaNO2-Lösung

In den Bildern 5 und 6 wird der zeitliche Verlauf der Schallemission bei verschiedenen Konzentrationen dargestellt. Die kumulativen RDC-Werte in Bild 5 zeigen, dass im Konzentrationsbereich von 2 mol/l durch die entstandene Oberflächenschicht auf der Probe eine völlig neue Risskinetik beobachtet werden kann. Die Rissaktivität wird verringert und zeitlich stark ausgedehnt bis zum Bruch.


Bild 5: Zeitlicher Verlauf der kumulativen RDC-Werte für 4 ausgewählte Konzentrationen der NaNO2 Lösung

Noch deutlicher wird die Aussage, dass bei einer Konzentration von 2 mol/l NaNO2 eine völlig veränderte Risskinetik auftritt, wenn die kumulativen Ereignisse (hits) betrachtet werden, was im Bild 6 gezeigt wird. Die bei dieser Konzentration ausgebildete Schicht vermindert und verlängert zu gleich die Rissbildungs- und ausbreitungsvorgänge erheblich.


Bild 6: Zeitlicher Verlauf der kumulativen Ereignisse (hits) für 4 ausgewählte Konzentrationen der NaNO2-Lösungen Aus dem Vergleich der Bilder 5 und 6 kann auch geschlossen werden, dass der Frequenzgehalt der Emissionen eine Veränderung erfährt.

Eine Feinanalyse der SE-Kenngrößen bei 0,125 mol/l und 2 mol/l NaNO2-Konzentration ist im Bild 7 dargestellt. Die Anstiegszeiten der SE-Impulse (risetime) sind bei der gebildeten Schutzschicht kürzer und dafür über einen wesentlich längeren Zeitrum präsent. Die Impulsdauer (duration) zeigt einen völlig anderen charakteristischen Verlauf bei den beiden Konzentrationen.


Bild 7: Vergleich der SE-Kenngrößen a) Anstiegszeit (risetime), b) Impulsdauer (duration), c) Ereignisse/2 min für 0,125 mol/l NaNO2 (links) und 2 mol/l NaNO2 (rechts)

Deutlich wird der unterschiedliche Zerstörungsmechanismus auch bei der Analyse der Ereignisrate pro 2 min (Bild 7 c). Ohne Schichtbildung wurde das nahezu Dreißigfache an Ereignissen mit eine Maximum bei ca. 30 % der Risswirkungszeit registriert. Für die Zerstörung der gebildeten chemischen Reaktionsschicht ist ein völlig anderer Rissmechanismus wirksam, was sich in dem charakteristischen Zeitverlauf der Ereignisrate widerspiegelt.

4. Schlussbemerkungen

Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Konzentration der NaNO2-Lösung einen wesentlichen Einfluss auf das Zeitstandverhalten von CuZn37 hat. Mit Hilfe der Schallemissionsanalyse konnte nachgewiesen werden, dass zwei verschiedene Mechanismen der Risskinetik das Spannungsrisskorrosionsverhalten bestimmen. Die Schallemissionsanalyse ist geeignet, um die Kenntnisse über die metallkundlichen Vorgänge bei der Spannungsrisskorrosion von CuZn37 zu vertiefen und mit elektrochemischen Erkenntnissen zu verknüpfen.

Literaturquellen

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  4. U.-D. Hünicke, M. Schulz, Proc. DGZfP-Conf. 2003, 26.-28.05. 2003, Mainz (G), Berichtb. 83
  5. U.-D. Hünicke, M. Schulz, Proc. of 26th European Conf on Acoustic Emission Testing, 15. 17.09.2004, Berlin, P16
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