Zerstörungsfreie Bewertung der Materialschädigung anhand mesoskopischer Verformungsstrukturen
Jürgen Schreiber
Fraunhofer IZFP-DMaria-Reiche-Strasse 2D-01109 Dresden
+49 (0) 3 51/888 [email protected]
Einführung
Es geht um zuverlässigen und ökonomischen Betrieb
Herausforderung: Charakterisierung der Materialschädigung ohne Kenntnis
des Ausgangszustandes
Es geht um zuverlässigen und ökonomischen Betrieb von sicherheitsrelevanten Komponenten
Maximal mögliche Ausnutzung der Betriebsdauer von Komponenten und Festlegung von Maßnahmen
Bewertung der Ermüdungsschädigung und zuverlässige Abschätzung der Restlebensdauer
Suche nach geeigneten ZfP-Verfahren so ohl für reg läre
DGZFP-Jahrestagung 2009 Münster, 18 – 20. Mai 2009
Zustandsmonitoring (SHM)
Verfahren sowohl für reguläre Inspektionen oder für das
DGZfP-Jahrestagung 2009 - Mi.4.A.2
1
Ermüdungs-Monitoring in Kernkraftwerken
FAMOS - bis zu 150 Thermopaare in 20-50 Messsektionenplus Informationen
AREVAErlangen
Einführung
plus Informationen von den vorhandenenÜberwachungs-Systemen werden genutzt zur Abschätzung der Restlebensdauer
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Materialschädigung Sicherheit ?
Stahltragwerkskomponenten im BraunkohletagebauVattenfall Europe
Cottbus
h l d B l d d
Einführung
Bestimmung der Lastkollektive mit einem System von DMS Abschätzung der Betriebsfestigkeit
wechselnde Beladung der GurtförderbänderRollentischverschiebungen der Hauptbrücke und wechselnde Beladung der Seitenaustragförderer
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Materialschädigung Restlebensdauer ?
g
2
Rollermüdung - Eisenbahn-Schienen und -Räder sowie Wälzlager
Wiener Linien
Einführung
INA Herzogenaurach
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Materialsschädigung Rechtzeitige Reparatur, Materialentwicklung ?
Potenzial verfügbarer zfP-Verfahren •Mikrothermographie: Reagiert vor allem bei Rissbildung, zu schwach bei
Verformungsstrukturen•US-Rückstreuung: Risserkennung gut, wegen Mehrfachstreuung, langen
L f d i K V f k
Stand der ZfP-Technik
Laufwegen und geringem Kontrast Verformungsstrukturen schwer zu detektieren, aber Sampling Phased Array?
•Schallemission: Geringer Effekt bei plastischer Verformung •Potentialsonde: Schwach empfindlich gegen Verformung, gut für Rissanzeige•Magnetflussmessung: Gut für Austenite mit lastabhängiger Martensitbildung, aber
Information über Ausgangszustand nötig•Optische Methoden: Verschmutzte Oberfläche verhindert Anwendung •Wirbelstrom: Riss-empfindlich, Verformungsstrukturen liefern evtl.
Wirbelstromrauschen?
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Wirbelstromrauschen? •Barkhausenrauschen: Standard-Messgrößen, wie Rauschamplitude, werden von
gegenläufigen Einflüssen bestimmt (Eigenspannung, Gefüge),Rauschen enthält jedoch mehr Informationen.
3
Material: 15NiCuMoNb5 (WB 36)
300/m]
Barkhausen-Rauschparameter als Funktion der Ermüdung !?
Stand der ZfP-Technik
50
75
100
125
250
300
Eige
nspa
nnun
gen σ
xx [M
Pa]
[a.u
.], p
last
isch
e D
ehnu
ng [µ
m/
Spannungskontrolliert R=0; f=3 Hz
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0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
25La
st,
BH
x, B
Hy
number of cyclic load N
a) N=0-1000, σa=240MPa b) N=1000-2000, σa=260MPac) N=2000-6000, σa=260MPac) N=6000-6229, σa=300MPa
Spannungskontrolliert, R=0; f=3 Hz
eter
0 3-0.2-0.10.00.10.20.3
Integrierte Summe
Barkhausen-Rauschparameter als Funktion der Ermüdung
100
150Barkhausenrausch-Signal
Stand der ZfP-Technik
2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.3
Peak Breite Asymmetrie
BH
R- P
aram
e
2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
-0.5-0.4-0.3 Integrierte Summe
Quadratische Schwankungen (RMS)
0 500 1000 1500 200050
0
50
Zeit [µs]
Magnetfeld
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2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
Lastspielzahl N
Resume: Gesucht ist somit ein Prüfparameter, der die Ermüdungsschädigung eindeutig anzeigt ohne Information zum Verlauf der Ermüdung!
4
Mesoskopische Verformungsstrukturen
Es ist möglich, viel zu messen (Mughrabi u.a. analysierten Jahrzehnte die Mikrostruktur, aber wo ist die praktische Bewertungsgröße?).Gesucht sind die Schlüsselinformation zur Materialermüdung?
Micro Meso Macro
TEM-Aufnahme CT-Image für Ermüdunsgriss
Panin-Idea:
Mesomechanik
Versetzungen Zellen (Mughrabi) Mesostrukturen RisseVersetzungen, Zellen (Mughrabi) Mesostrukturen RisseVersetzungscluster 2D-structure
(Gleitbänder, Wirbel)3D-structures (???)
Gleiten
Mikrograph einer Pb-Legierung (1,9 at. % Sn) nach uniaxialer Last σL = 4 MPa bei T = 55 °C. Die Linie line O-O wurde getrennt durch Rotation von Korn A.
Traslation-Rotations-Mode der Mesomechanik
Mesoskopische Verformungsstrukturen
σ xy
X
Rotation
ω
ω
S V E P i Ph i l
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See: V.E. Panin, Physical Mesomechanics of plastic deformation and fracture of solids, in “Strength of Materials”, Oikawa et. Al. (eds) (The Japan Institute of Metals, 1994) p. 415
5
AFM-AufnahmenAustenitische Probe Ferritische Probe
Was charakterisiert diese Strukturen?
Mesoskopische Verformungsstrukturen
a) b)
a) b)
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c) d)
a) N = 2000, b) N = 7000, c) N = 13000
c)
Last-Richtung
Fraktale Analyse der Oberflächentopographie
Mesoskopische Verformungsstrukturen
F
X6 CrNiTi 18 10Panin, Kuznetsov, Schreiber (1998)
σa ~ 240, 250, 260 MPa
Online REM-Aufnahmen
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B
ΔDF32 = 0.04ΔDF21 = 0.07
Wo ist eine geeignete ZfP-Methode?
6
Topographie und mikromagnetische Strukturen
N =622N=0AFM-Topographie N = 622, DF = 2.53Ermüdungsexperiment
εa = 0.7 %, dε /dt = 3 %/min
15 NiCuMoNb 5
Mesoskopische Verformungsstrukturen
MFM-Aufnahme Mesostrukturen
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DF = 2.50
Skalen-Verhalten?2D-OberflächenTopographie 1D-Zeitreihe
Fraktale Analyse von Barkhausenrauschen
100
150
Barkhausenrausch-Signal
Topographie Z(Ri) oder Zeitreihe S(t) Z(λRi) ~ λH Z(Ri) S(λti) ~ λH S(ti)
Fraktale Dimension: DF(r) = 3- H(R) or D(t)
F = 2 – H(t) ,
0 500 1000 1500 200050
0
50
Zeit [µs]
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F 3 F ,Fläche, Länge: F(s),L(s) ~ s H-1, s – Mess-Skala
Correlation function: C(τ) = <|S(t+ τ)-S(t)|2>t ~ τ 2H
7
20
30
40
50Simulation von realen Fraktalen: Endliche Zeitreihe und Störrauschen
Schneeflocke + Rauschen
SIntegrierte Zeitreihe
Fraktale Analyse von Barkhausenrauschen
10
15
0 100 200 300 40010
0
10
1
1.5
Schneeflocke - exakt
Time [µs]
Cq(r)
Fit ~ r a
q = 3
Erweiterte Autokorrelationsfunktion
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0.1 1 10 100 1 .10 3
5
i0 10 20 30 40 50
0
0.5Schneeflocke - exaktDF = ln4/ln3 = 1.262
q
Zeitdifferenz r [µs]DF = 2-a/q
Online Ermüdungsexperiment(variable Dehnamplitude und -rate)
15 NiCuMoNb 5
Fraktale Analyse von Barkhausenrauschen
1.05
1.10
1.15
1.20
15 NiCuMoNb 5 (WB36), dεa/dt = 12 %/min, R = -1) εa = 0.4 % bis N = 2000 (NB ~ 45000) εa = 1 % bis N = 2315 (NB ~ 2500)
X6 CrNiTi 18 10 (online, REM) f=2Hz, σa ~ 250MPa, R
σ=0)
Frak
tale
Dim
ensi
on D
F
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-5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.51.00
log(N/NB)
8
1.15
1.20
sion
Effekt von Anrissen auf DF
Riss
Fraktale Analyse von Barkhausenrauschen
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
0.95
1.00
1.05
1.10
Scan über Riss Scan 90° versetzt
Frak
tale
Dim
ens
Position [mm]
120
100
80
60
40
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0
Computer-Tomographie
22 NiMoCr 37Y
RMS ~ Eigenspannungen Fraktale Dimension
CT-Probe
Anwendungen0
50
100
150
crack
0
1
2
6
8
10
12
2
4
RMS
m]
X-Achse [
0
1
2
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2
4
Fractal dimension DF
m]
X-Achse
X
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3
4
5-4
-2
0
Y-Achse [cm
]e [cm] 3
4
5-4
-2
0
Y-Achse [cm
]se [cm]
2
3
4-4
-3-2
-10
12
34
5
Y-Ach
seX-Achse
Peakasymmetrie
9
Zugbandkopf einer F60-Abraumförderbrücke im Braunkohlentagebau Welzow
Anwendungen
DGZFP-Jahrestagung 2009 Münster, 18 – 20. Mai 2009
5
4
3
2
11.139
1.166
1.194
1.221
1.248
1.275
1.303
1.330
1.357
Riss R120 Riss R80DF
Rissrichtung Senkrechte Richtung
DF
Anwendungen
5
4
3
2
1
y-P
ositi
on
1.139
1.166
1.194
1.221
1.248
1.275
1.303
1.330
1.357
Riss R120 Riss R80DF
4 6 8 10 12 14 16 18 20
4 6 8 10 12 14 16 18 205
4
3
2
1
y-P
ositi
on
P iti
2.080
3.105
4.130
5.155
6.180
7.205
8.230
9.255
10.28
Riss R120 Riss R80RMS [r.E.]
4 6 8 10 12 14 16 18 205
4
3
2
1
RMS [r.E.]
y
2.080
3.105
4.130
5.195
6.108
7.205
8.230
9.255
10.28
Riss R120 Riss R80
1910
Riss R120 Riss R80RMS [r.E.] Asym[r.E.]
1910
Riss R120 Riss R80
RMS
Anriss ?
4 6 8 10 12 14 16 18 20
DGZFP-Jahrestagung 2009 Münster, 18 – 20. Mai 2009
4 6 8 10 12 14 16 18 205
4
3
2
1
y-P
ositi
on
x-Position
191.0
234.5
278.0
321.5
365.0
408.5
452.0
495.5
539.0
4 6 8 10 12 14 16 18 205
4
3
2
1
x-Position
191.0
234.5
278.0
321.5
365.0
408.5
452.0
495.5
539.0
AsymErmüdungsrissversus Gewaltbruch?
10
Miniproben-Auswertung
Anwendungen
1.15
1.20
4,1 4,2 4,3 4,4 7,1 7,2 7,3 7,4 14,2 14,3100
150
200
250
300
men
sion
Här
te [k
p/m
m2 ]
Mikrohärte HM
Vickershärte HV
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4,1 4,2 4,3 4,4 7,1 7,2 7,3 7,4 14,2 14,31.00
1.05
1.10
DF(TP) - 1
DF(BH) - 0.1
Frak
tale
Dim
Position x,y
Fraktale Dimension DF als Funktion der Laufzeit
y Beanspruchung Innenring 3 000 MPa, T = 60 °C2 3
Anwendungen
Laufzeit
Feldkomponentealong roling
trace (x-axes)
100 h 1.059
200 h 1.129
x1
Ergebniss für Messpunkt 2
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300 h 1.37
400 h 1.126Anrisse
11
Testproben unter elektromagnetischer Pulslast
Kunzmann, Smart Materials, Dresden
Anwendungen
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6 neu 2.6 h beansprucht 7.8 h Laufzeit
tale
Dim
ensi
on D
F
6
8
10
12
14
16
18
20
22
n e uspan
nung
~R
MS
[a.u
.]
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1 2 3 40.9
1.0Frak
tMesspunkte
1 2 3 40
2
4
6 2 .6 h b e a n sp ru ch t 7 .8 h L a u fze it
M esspunk te
Eige
n
Weitere Anwendungsbeispiele
Anwendungen
Wiener Linien – U-Bahn-Schienens
X
Voestalpine, Graz – Materialschädigung nach Umformen
Gitterturm für Sendemast in 170 m Höhe
Feuerwache Cottbus, Hallen-Stahlträger
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Reaktor im erdölverarbeitenden Werk in Mozyr, Belarus
12
τ = -log(N/NB) Restlebensdauer-Abschätzung
DF(N/NB)-Funktion unabhängig von
Ausblick
1.15
1.20
1.25
men
sion
DF(N
/NB)
DmF
mM(m) N
DMS Lastkollektive + Wöhler-curve NB, α(Δti) = ΔN(Δti)/Δti
NB, f und R universelle Kurve!
-3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.51.05
1.10
Lebensdauerparameter −τ
τmFrak
tale
Dim
Restlebensdauer: Vision:
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M(m)B
m mi 1 i
NT 1/M(m) (1 exp( ))( t )=
= − −τα Δ∑
Realität: Langzeitexperiment läuft bei Vattenfall
Im Ergebnis der Methodische Arbeiten und zahlreicher Datenanalysen konnten die wesentlichen Rausch-Einflüsse beseitigt werden. Damit kann die fraktale Dimension von topographischen Aufnahmen und Zeitreihen zuverlässig bestimmt werden. Die fraktale Dimension der Verform ngsstr kt ren ächst bei nehmender
Zusammenfassung
Die fraktale Dimension der Verformungsstrukturen wächst bei zunehmender Beanspruchung solange keine Risse auftreten. Es wurden ausgeprägte Plateaus in DF als Funktion der Lastspielzahl gefunden. Dieses Verhalten scheint für die Topographie als auch für die Barkhausenrausch-Signale typisch zu sein. Muss für bisher nicht untersuchte Stähle noch validiert werden. Materialschädigung kann damit ohne Kenntnis des Ausgangszustandes für Komponenten bestimmt werden. Dafür wird das Gerät „FrakDim“ am IZFP entwickelt. Eine Abschätzung der Restlebensdauer sollte nunmehr den aktueller Materialzustand berücksichtigt können
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Materialzustand berücksichtigt können.Alternative ZfP-Möglichkeiten für nichtmagnetische Materialien werden gegenwärtig untersucht (US-Rückstreuung, Wirbelstromverfahren und Optische Speckle-Photmetrie).
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Acknowledgement:
GRS für die Förderung über eine lange ZeitperiodeKollegen vom MPA Stuttgart (Dr Dugan Prof Maile)
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Kollegen vom MPA Stuttgart (Dr. Dugan, Prof. Maile)Kollegen vom IZFP (Prof. Kröning, Mrs. Cikalova, Dr. Bendjus, Mr. Nauman, Mrs Gerich, Mr. Burcin, Mrs. Veryagina)Kollegen vom IPTM Tomsk (Prof. Panin, Dr. Kuznetsov)
14