Zerstörungsfreie Bewertung der Materialschädigung … · Die Linie line O-O wurde getrennt durch Rotation von Korn A. Traslation-Rotations-Mode ... trace (x-axes) 100 h 1.059 200

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


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


Materialschädigung Restlebensdauer ?

g

2

Rollermüdung - Eisenbahn-Schienen und -Räder sowie Wälzlager

Wiener Linien

Einführung

INA Herzogenaurach


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?


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 !?


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


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


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


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


σ xy

X

Rotation

ω

ω

S V E P i Ph i l


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?


a) b)

a) b)


c) d)

a) N = 2000, b) N = 7000, c) N = 13000

c)

Last-Richtung

Fraktale Analyse der Oberflächentopographie


F

X6 CrNiTi 18 10Panin, Kuznetsov, Schreiber (1998)

σa ~ 240, 250, 260 MPa

Online REM-Aufnahmen


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


MFM-Aufnahme Mesostrukturen


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]


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


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


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


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


-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


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


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


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


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


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


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


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

.]


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


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:


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


Materialzustand berücksichtigt können.Alternative ZfP-Möglichkeiten für nichtmagnetische Materialien werden gegenwärtig untersucht (US-Rückstreuung, Wirbelstromverfahren und Optische Speckle-Photmetrie).

13

Acknowledgement:

GRS für die Förderung über eine lange ZeitperiodeKollegen vom MPA Stuttgart (Dr Dugan Prof Maile)


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)

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Zerstörungsfreie Bewertung der Materialschädigung … · Die Linie line O-O wurde getrennt durch Rotation von Korn A. Traslation-Rotations-Mode ... trace (x-axes) 100 h 1.059 200