Entwicklung eines Kurzzeitprüfverfahrens zur Charakterisierung des Dauerschwingverhaltens von Bauteilen unter Einsatz der Infrarot-Thermographie
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde ein neuartiges Verfahren zur zerstörungsfreien Identifizierung fehlerhafter Teile entwickelt und an Biege- und Zugproben aus dem Stahl 1.0425 und aus dem Gusseisen EN-JS 1030 getestet. Die Proben waren teilweise mit Bohrungen unterschiedlichen Durchmessers versehen, die es ermöglichten den Einfluss der Existenz und der Größe der Fehler auf die Prüfbefunde zu untersuchen. Die Prüfung basiert auf der Aufnahme und der Analyse von Infrarot- (IR-) Bildserien, die mittels einer IR-Kamera von der Probenoberfläche im Verlauf einer zyklischen Testbeanspruchung aufgenommen werden. Für die Auswertung der IR-Bilder wurde ein zweistufiges Verfahren entwickelt, das die örtliche Verteilung der Amplitude der ersten Harmonischen der IR-Strahlungsleistung sowie deren Phasenverschiebung gegenüber dem globalen sinusförmigen Lastsignal liefert. Das Lastsignal wird in den IR-Bilddateien und damit synchron mit den Bildern gespeichert. Bei den Zugproben war ist es zunächst erforderlich, die einzelnen Bilder einer Serie deckungsgleich auszurichten, da sie aufgrund der zyklischen Beanspruchung permanent wechselnde, gegeneinander verschobene und verzerrte Probenausschnitte enthalten. Die Ausrichtung gelang durch digitale Bildkorrelation. Diese liefert Parameter, die die Starrkörperverschiebung und die Verzerrung eines beliebigen Bildes der Serie (Vergleichsbild) gegenüber dem ersten Bild (Referenzbild) beschreiben. Die Parameter wurden dazu verwendet, die Vergleichsbilder in einen mit dem Referenzbild deckungsgleichen Zustand zu transformieren. Die (im Fall der Zugbeanspruchung zuvor ausgerichteten) Bildserien werden dann im Bereich einzelner Pixelgruppen einer Fourieranalyse unterworfen, welche Verteilungsbilder der Amplitude und der Phasenverschiebung liefert. Für die Zugproben aus Grauguss konnte nachgewiesen werden, dass sich die Ortsverteilungen der Phasenverschiebung fehlerfreier und fehlerbehafteter Proben in zwei Merkmalen, dem Mittelwert und der Standardabweichung, voneinander unterscheiden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, Volumenfehler, die das Dauerschwingverhalten eines Bauteils signifikant verschlechtern würden, zerstörungsfrei nachzuweisen: Bei fehlerfreien Proben ist die Phasenverschiebung nahezu ortsunabhängig und liegt bei ca. 180°. Die Phasenverschiebung fehlerbehafteter Proben unterscheidet sich davon entweder durch eine signifikant stärkere Ortsabhängigkeit (Streuung) oder durch einen signifikant geringeren Mittelwert oder die Kombination dieser beiden Merkmalsausprägungen. Das Merkmal höherer Streuung wurde auch bei dem Vergleich fehlerfreier mit fehlerbehafteten Biegeproben nachgewiesen. Zur Unterstützung der Interpretation der Messergebnisse und um Möglichkeiten der Optimierung von Verfahrensparameter zu identifizieren, wurde die zyklische Belastung der Biege- und Zugproben mit und ohne Bohrung unter Berücksichtigung der plastischen Verformung und der Wärmeleitung in Abaqus 3-dimensional simuliert. Die dabei berechnete 3-dimensionale, zeitabhängige Temperaturverteilung wurde anschließend in analoger Weise weiter ausgewertet, wie die IR-Bildserien, die bei der zyklischen Belastung im Experiment von Oberfläche aufgezeichnet worden sind. Diese Auswertung lieferte nicht nur die Verteilung von Amplitude und Phase an der Oberfläche sondern auch im Volumen der Proben. Die Simulationsergebnisse stimmen mit den Messergebnissen in folgenden Punkten überein: • Volumenfehler sind zuverlässiger anhand der Phasenverschiebung als anhand der Amplitude nachweisbar • Das Vorhandensein der Volumenfehler äußert sich in einer größeren Streuung der Phasenverschiebung oder durch Abweichungen des Phasenverschiebungsmittelwert von dem der nicht fehlerbeeinflussten Umgebung • Die nominelle Oberspannung der zyklischen Belastung kann unter die Dauerschwingfestigkeit des Werkstoff gelegt werden • Es ist nicht erforderlich, die Oberspannung während der Kurzzeitbelastung zu variieren, da dies die Phasenverschiebungsverteilung nicht verändert. Aus der Variation der Schwingfrequenz bei der FE-Simulation leitet sich ab: • Die festgestellte Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebungsverteilung könnte bei der zukünftigen Anwendung des Verfahrens dafür genutzt werden, innenliegende Fehler zuverlässiger nachzuweisen, indem nicht nur eine Frequenz verwendet, sondern eine Frequenzvariation von Belastungsblock zu Belastungsblock vorgenommen wird. Vor einer Übertragung dieser Methode des Fehlernachweises auf Bauteile der Praxis muss untersucht werden, inwieweit die Bohrungsgröße und der Abstand der Bohrungen zur Oberfläche verringert werden können und wie sich reale Fehler auf die Phasenverschiebungsverteilungen auswirken.
Publications
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Charakterisierung des Dauerschwingverhaltens unter Einsatz der Infrarot-Thermographie. Thermographie-Kolloquium in Stuttgart, 29.-30.September 2011
Fischer, G., Feng, X., Tillmann, W.
