Mit mehr als 25 Jahren Erfahrung in der Materialprüfung, Metallurgie und Systemtechnik bringt MTS-Wissenschaftler Dr. Erik Schwarzkopf einzigartige Expertise in die Kundenprojekte ein. In diesem Q&A spricht er über die Herausforderungen bei der Messung, wie Risse entstehen, wachsen und sich verändern.
Q: Warum ist die Rissmessung wichtig?
A: Risse treten auf. Einige entstehen während des Herstellungsprozesses, und andere entwickeln sich während der Verwendung des Produkts oder der Komponente. Das Verständnis, wie Risse entstehen, wachsen und sich verändern, hilft Ingenieuren und Produktdesignern, potenzielle Komponentenfehler zu erkennen, problematisches Materialverhalten zu mindern und fehlertolerante Produkte und Strukturen zu entwerfen.
Q: Warum möchten Ingenieure möglicherweise die Risslängen unter verschiedenen Lasten und thermischen Bedingungen messen?
A: Komponenten werden in verschiedenen Umgebungen eingesetzt, sodass Ingenieure verstehen müssen, wie sie sich unter diesen realen Bedingungen verhalten. Verschiedene Rissmessmethoden sind besser für eine bestimmte Anwendung geeignet, basierend auf dem Material, der Geometrie des Prüfkörpers und der Art des zu messenden Risses. Häufig gibt es einen Kompromiss zwischen Eignung für die Anwendung und Benutzerfreundlichkeit, da einige Messmethoden in bestimmten Umgebungen besser funktionieren als in anderen. Aus diesem Grund kann es besonders herausfordernd sein, Risse bei nicht-Umgebungsbedingungen zu messen; und bei den höchsten Temperaturen, über dem Schmelzpunkt der meisten Metalle, funktioniert nichts gut.
Q: Welche Methoden werden verwendet, um Risslängen zu messen, und welche Herausforderungen bestehen bei den verschiedenen Rissmessmethoden?
A: Die älteste Methode besteht darin, nach einem Riss zu suchen – entweder durch menschliche Beobachtung oder mit einer Kamera. Diese Methode bringt Herausforderungen mit sich, wenn es ungewöhnliche Geometrien des Prüfkörpers oder Probleme mit der Beleuchtung gibt.
Eine zweite Methode, die als Compliance bezeichnet wird, wird für einen Riss verwendet, der die Steifigkeit des Prüfkörpers verändert. Bei der Compliance-Technik messen Sie die Last und die Verschiebung und korrelieren die Steigung der Last-/Verschiebungsgeraden, oder die Steifigkeit, mit der Risslänge. Compliance ist der Kehrwert der Steifigkeit. Wenn der Riss wächst, nimmt die Steifigkeit ab und die Compliance nimmt zu. Diese Technik wird für lange Risse verwendet, nicht für kurze Risse wie Oberflächenfehler oder Eckenrisse, da die kurzen Risse keine signifikante Veränderung der Compliance des Prüfkörpers aufgrund der wachsenden Risse zeigen. Sie wird selten verwendet, um die Rissinitiierung zu bestimmen, da der Riss zu diesem Zeitpunkt bereits groß ist, wenn Sie eine Veränderung der Compliance aufgrund der Initiierung bemerken.
Eine dritte Methode, die für elektrisch leitfähige Materialien verfügbar ist, ist der elektrische Potentialabfall, bei dem eine Stromquelle einen konstanten Strom durch den Prüfkörper leitet. Ein dicker Prüfkörper mit niedrigem Widerstand benötigt viel Strom (typischerweise mehr als 1 Ampere und manchmal bis zu 10-20 Ampere) sowie eine große Verstärkung des gemessenen elektrischen Potentials. Für nicht leitende Prüfkörper kleben Forscher dünne Metallfolien auf die Oberfläche des Prüfkörpers. Die Folie und die Rückseite müssen schwach genug sein, um zu reißen, wenn der zugrunde liegende Prüfkörper bricht, dürfen jedoch den Prüfkörper selbst nicht verstärken. Bei Folien können Probleme mit der Wiederholbarkeit der Messung auftreten, da sie inkonsistent platziert werden können oder der Kleber unterschiedliche Dicken haben kann.
Eine weitere Methode, die bei spröden Prüfkörpern wie Gestein angewendet werden kann, ist die akustische Emission. In diesem Fall wird ein Mikrofon auf den Prüfkörper platziert, um den Schall zu messen. Die Nachteile dieser Methode können darin bestehen, dass es schwierig sein kann, den Riss zu lokalisieren oder zu bestimmen, wie lang er ist.
Q: Welche Lösungen bietet MTS zur Risslängenmessung an?
A: MTS bietet Extensometer an, die in Compliance-Messungen für eine Vielzahl von Prüfkörpergrößen verwendet werden können. Die typische komprimierte Messlänge beträgt 5 mm bis 12 mm, und die typische Verfahrenslänge beträgt 3 mm bis 5 mm. MTS hat Extensometer für Raumtemperatur und erhöhte Temperaturen, einschließlich solcher, die in einer Umweltskammer verwendet werden können.
Wir haben auch ein Gleichstrom-Potentialabfall (DCPD) System, das einen konstanten Strom zwischen 1 Ampere und 20 Ampere liefert und am häufigsten für metallische Prüfkörper verwendet wird, die eine Verstärkung von 5000x oder mehr erfordern. Unsere DCPD-Systeme beginnen bei einer Verstärkung von 5000x oder mehr und können bis zu 100000x erreichen. Im Gegensatz dazu beginnen Dehnungsmessgerät-Conditioner bei 500x und können bis zu 5000x gehen, aber nicht bis zu 50000x.
Einer der Vorteile, sich für ein MTS DCPD-System zu entscheiden, ist, dass wir die Software, Elektronik und den Prüfstand für eine vollständige Lösung anbieten können. Unsere Prüfstände sind elektrisch isoliert, was wichtig ist, da der Strom durch den Prüfkörper und nicht durch den äußeren Rahmen fließen soll. Wir können auch unsere Griffe elektrisch isoliert gestalten. MTS hat DCPD-Lösungen sowohl in statischen als auch in dynamischen Tests verwendet.
Schließlich bietet MTS Lösungen zur akustischen Emission für Gesteinsmechanik an.
Q: Wie kann die Rissmessung das Design oder die Lebensdauer eines neuen oder bestehenden Teils beeinflussen?
A: Wenn Sie verstehen können, wo sich ein Riss befindet und während welches Prozesses er entstanden ist, können Sie Risiken mindern. Wenn Sie verstehen, wie der Riss wächst und wann, können Sie Geometrien neu gestalten und Entscheidungen über Inspektionszyklen und Stilllegungszyklen treffen. Die Rissmessung hilft zu bestimmen, welche Bereiche erneut untersucht oder neu gestaltet werden müssen.
Q: Was hält die Zukunft für die Risslängenmessung bereit?
A: Das Interesse an der Entwicklung leichterer Materialien und alternativer Brennstoffe zur Steigerung der Energieeffizienz sowie an der Entwicklung von Materialien, die höheren Temperaturen und korrosiveren Umgebungen standhalten können, sind weltweite Anliegen, die neue Herausforderungen bei der Materialprüfung schaffen. Experimentelle Techniken für diese neuen Materialien bei diesen neuen Temperaturen fehlen derzeit. Wenn Sie beispielsweise Motorkomponenten bei höheren Temperaturen testen müssen und Sie den Prüfkörper nicht mit einem Metallgriff halten können, weil er schmelzen würde, entsteht ein Problem. Natürlich wird nicht alles heiß sein, und Forscher können Risse in kühleren Bereichen mit Sensoren fernüberwachen, aber dann muss der Forscher herausfinden, wie viel des gemessenen Wertes auf einen Riss und wie viel auf experimentelle Artefakte zurückzuführen ist. Der Forscher muss die Wechselwirkung verschiedener experimenteller Komponenten verstehen.
Es gibt auch Interesse daran, die Temperatur während des Lastzyklus zu ändern und gleichzeitig die thermomechanische Ermüdung und das Wachstum von Ermüdungsrissen zu betrachten. Wenn elektrische Potentialtechniken verwendet werden, müssen Sie herausfinden, wie viel elektrischer Widerstand auf die Temperatur und wie viel auf die Risslänge zurückzuführen ist. Neue Standards und Techniken müssen entwickelt werden, um zu messen, was bei neuen Materialien bei höheren Temperaturen vor sich geht.
