Werkstoffuntersuchungen mit Ultraschall (US1) und (US2) 2 Vorteile und Verfahrensgruppen der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

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1 TU Ilmenau Ausgabe: Oktober 2015 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Dr. Tipp; Dr. Ku; Prof. Sp. Institut für Werkstofftechnik 1 Versuchsziel Werkstoffuntersuchungen mit Ultraschall (US1) und (US2) Ziel und Aufgabe der Werkstoffprüfung ist es, einerseits Kenngrößen für die Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften und für die Bauteiledimensionierung zu ermitteln und andererseits die bei der Herstellung und Verarbeitung der Werkstoffe bzw. Werkstücke auftretenden Fehler rechtzeitig zu erkennen. Damit ist die Werkstoffprüfung ein wichtiger Bestandteil für die Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Ausgehend von den Versuchsgrundlagen soll die Problematik an Hand der Ultraschallprüfung diskutiert werden: Kennenlernen des Impuls-Echo-Verfahrens und seiner Grenzen mittels Ultraschall-Prüftechnik Fehler in Testkörpern zu detektieren und Wanddicken zu bestimmen (US1) Kennenlernen von Verfahren zur Schallgeschwindigkeitsmessung mit der direkten Auswertung der Bildschirmanzeige am Impuls-Echo-Gerät. (US2) Kennenlernen eines Verfahrens für die Bestimmung des Ultraschallschwächungskoeffizienten zur Beurteilung von Gefügeparametern. (US2) 2 Vorteile und Verfahrensgruppen der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung Unter den oben genannten Gesichtspunkten zeichnen sich die Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung durch folgende Vorteile aus. Prüfung kann direkt am Objekt während des Produktionsprozesses vorgenommen werden. Prüfung kann unter normalen bzw. definiert vorgegebenen Betriebsbedingungen ausgeführt werden. Es ist eine 100 %ige Prüfung gleichzeitig auf mehrere Eigenschaften hin möglich. Die Verfahren liefern eine fast 100 %ige Sicherheit für das Verhalten eines Bauteils. Die Überwachung einzelner Produktionsstufen und -prozesse ist getrennt möglich; durch automatische Auswertung der Messwerte ist eine kurzzeitige Korrektur der Technologie möglich (Rückkoppelprinzip). Die Methoden verlangen meist eine sehr kurze Prüfzeit. Teile mit sehr hohen Material- und Herstellungskosten gehen durch die Prüfung nicht verloren (Prüfung einmaliger, kostbarer Teile). Die zeitliche Beobachtung von aufgefundenen Fehlern, deren Veränderung oder Sillstand, besonders an großen Objekten ist möglich. Die Prüfverfahren können automatisiert werden. TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 1

2 Nachteilig ist, dass die Anzeige der zerstörungsfreien Prüfverfahren stets mit Hilfe der aus der zerstörenden Prüftechnik bekannten Prüfmethoden kalibriert werden muß. Die zerstörungsfreien Prüfverfahren sind daher Relativverfahren. In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung ist eine Vielzahl moderner Verfahren bekannt [1]. Am häufigsten benutzt werden: die Penetrierverfahren (Flüssigkeitseindringverfahren) das Magnetpulververfahren das Wirbelstromverfahren die Röntgen- und Gammastrahlenprüfungen die Ultraschallprüfung die optische Holographie sowie die Schallemissionsanalyse Computergestützte Messdatenerfassung bzw. -auswertung und integrierte Bildverarbeitung werden immer häufiger in der zerstörungsfreien Prüfung zur Produktionssteuerung und Qualitätskontrolle eingesetzt, Ultraschall-Prüfverfahren sind dabei eine Gruppe. Nachteil solcher computergesteuerten Prüfverfahren ist, dass der Anwender nicht sofort sieht, wie läuft das Verfahren ab, was muss beachtet werden. Deshalb wird in diesem Versuch auf die klassische Technik zurückgegriffen. 3 Versuchsgrundlagen Ultraschall sind mechanische Schallwellen mit Frequenzen oberhalb 20 khz. Im Gegensatz zu den elektromagnetischen Wellen sind mechanische Schwingungen an ein elastisches Medium gebunden. Für die Materialprüfung kommt der Bereich von 0,25 bis 10 MHz mit Wellenlängen der Größenordnung von einigen Millimetern in Frage. Festgestellt werden können Materialfehler wie Risse, Lunker u.ä., außerdem kann man die Materialdicke besonders an unzugänglichen Stellen messen. Mit höheren Frequenzen (bis maximal 120 MHz je nach Einsatzzweck) lassen sich auch spezielle Gefügeuntersuchungen durchführen. Die Materialprüfung bei derartig hohen Frequenzen beruht auf der guten Bündelung des Schallstrahls und dem hohen Reflexionsgrad dünnster Materialtrennungen. Niedrige Frequenzen sind wegen der größeren Wellenlänge für grobes Gefüge (z. B. Gußgefüge) besonders geeignet. 3.1 Ultraschall-Prüftechnik Bedingt durch die Entwicklungsetappen der Ultraschall-Prüftechnik sind drei Ultraschall-Prüfverfahren bekannt: das Durchschallverfahren, das Resonanzverfahren und das Impuls-Echo-Verfahren. Wegen seiner einfachen Durchführbarkeit und hohen Aussagefähigkeit der Prüfergebnisse ist das Impuls-Echo-Verfahren das am häufigsten zur Fehlersuche angewendete Ultraschallprüfverfahren. Schwerpunkte der Werkstoffprüfung mit Ultraschall sind: Schweißnahtprüfung Blechprüfung Prüfung von Schmiedestücken Prüfung von Maschinenteilen Gussteilprüfung Prüfung von polymeren und keramischen Werkstoffen TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 2

3 3.2 Definition und verwendete Frequenzen für Materialprüfungen Als Ultraschall bezeichnet man alle mechanischen Schallwellen mit Frequenzen oberhalb 20 khz. Im Gegensatz zu den elektromagnetischen Wellen sind mechanische Schwingungen an ein elastisches Medium gebunden. Für die Materialprüfung kommt der Bereich von 0,25 bis 10 MHz mit Wellenlängen der Größenordnung von einigen Millimetern in Frage. Festgestellt werden Materialfehler wie Risse, Lunker u.ä., außerdem kann man die Materialdicke besonders an unzugänglichen Stellen messen. Mit höheren Frequenzen (bis maximal 120 MHz je nach Einsatzzweck) lassen sich auch spezielle Gefügeuntersuchungen durchführen. Die Materialprüfung bei derartig hohen Frequenzen beruht auf einer guten Bündelung des Schallstrahles und dem hohen Reflexionsgrad dünnster Materialtrennungen. Niedrige Frequenzen sind wegen der größeren Wellenlänge für grobes Gefüge (z. B. Gußgefüge) oft besonders geeignet. 3.3 Ultraschall-Erzeugung Ultraschall wird mit Hilfe elektroakustischer Wandler unter Ausnutzung des piezoelektrischen oder magnetostriktiven Effektes erzeugt. Diese Wandler (z. B. Quarz, Bariumtitanat oder Piezokeramik) werden durch elektrische, hochfrequente Wechselspannungen zu mechanischen Schwingungen unter Ausnutzung des Resonanzeffektes angeregt. Die Resonanzfrequenz hängt von der Dicke d, z. B. des Quarzscheibchens ab: für Quarz gilt somit: f [MHz] = 2, 8 d 1 [mm] (1) f= 1,0 MHz d= 2,8 mm f= 2,0 MHz d= 1,4 mm f= 4,0 MHz d= 1,7 mm f= 6,0 MHz d= 0,47 mm f= 10,0 MHz d= 0,28 mm f= 25,0 MHz d= 0,112 mm Es lassen sich sowohl Longitudinal- und Transversalwellen anregen. 4 MHz 5 MHz 10 MHz Kristalldurchmesser [mm] Frequenz [MHz] Bandbreite [MHz] 3, , 5 3, , Schalltiefenbereich [mm] Nahfeldlänge [mm] Echobreite [mm] 3 1,5 1 Kontaktfläche Ø [mm] Tabelle 1: technische Daten von Schallköpfen Weiterhin muss beachtet werden, dass der Prüfkopf kein ideales Schallfeld aussendet, d. h. es gibt ein Frequenzbereich, der eine natürliche Verbreiterung der Echos bewirkt und die Ausbreitung nicht parallel, sondern z. T. divergent ist. Deshalb wird für den Schallkopf oft ein Nahfeld und ein Fernfeld angegeben. Für mehrere im Versuch verwendete Prüfköpfe sind die Daten in Tabelle 1 und die Schallfelder in den Bildern 1a-c aufgeführt. TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 3

4 Bild 1: Schallfeld für Prüfkopf a) 4 MHz, b) 5 MHz und c) 10 MHz 3.4 Eigenschaften von Ultraschall Die Ausbreitung des Ultraschallfeldes wird begrenzt durch: Reflexion an der Grenzschicht, deren Größe vom Verhältnis der Schallwiderstände abhängt. (Schallwiderstand = Dichte Schallgeschwindigkeit (ϱ c S ) ). Stoffe mit hohem Schallwiderstand nennt man schallhart, das Gegenteil ist schallweich. Absorption, welche frequenzabhängig ist. Bei zähen Materialien ist die Absorption groß (Kupfer), bei anderen Werkstoffen ist sie klein, Streuung, die besonders stark ist, wenn das Gefüge einen Korndurchmesser der Größe λ/3 bis λ erreicht. Absorption und Streuung werden beide unter dem Begriff der Schwächung (manchmal auch Extinktion) zusammen gefasst. Ultraschall tritt gebündelt auf und kann somit als gerichteter Schallstrahl angesehen werden. Der Reflexionsgrad R wird bestimmt aus: R = (m2 1) 2 (m 2 + 1) 2 mit m = ϱ 1 c S1 ϱ 2 c S2 fuer d 2 λ 2 (2) dem Verhältnis von Dicke d und Wellenlänge λ des zweiten Stoffes, wobei ϱ 1 c S1 der Schallwiderstand des einen Materials, ϱ 2 c S2 der Schallwiderstand des anderen Materials ist. Die für das Material charakteristische Schallgeschwindigkeit c S, die Frequenz f und die Wellenlänge λ sind durch folgende allgemeingültige Beziehung verbunden: f = c S λ Aus der exakten Messung der Schallgeschwindigkeit c S eines Werkstoffes können weitere Stoffkonstanten wie Elastizitätsmodul E, Poissonkonstante µ, Torsions- und Schubmodul und in gewissem Umfang auch die Härte bestimmt werden. Aus der Schallschwächung kann auf die Korngröße, Verunreinigungen, Kristallrichtung und die Materialbearbeitung geschlossen werden. Beide Verfahren können zur Materialidentifizierung verwendet werden. (3) TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 4

5 3.5 Das Impuls-Echo-Verfahren Der Ultraschall wird bei dieser Verfahrensvariante in kurzen Ultraschallimpulsen (µs lang) in von der Impulsfolgefrequenz ( Hz) bestimmten zeitlichen Abständen in den Prüfling gesandt. In den Impulspausen kann das Gerät Ultraschall-Echos empfangen. Strahlt man Ultraschall in ein Werkstück ein, so wird im allgemeinen das Ultraschall an der gegenüberliegenden Wand wegen der dort angrenzenden Luft (R = 100 %) vollständig reflektiert und vom Prüfkopf als Echo empfangen. Auf dem Leuchtschirm, Bild 6, der zur Anzeige dient, erscheint stets links der Sendeimpuls S als Zacke, dann das Rückwandecho RE in einem Abstand vom Sendeimpuls, der direkt dem vom Schall im Werkstück zurückgelegten Weg proportional ist. Dieses Bodenecho wird erneut reflektiert und nach Durchlaufen des gesamten Prüfstückes wieder auf dem Leuchtschirm zu sehen sein (bei entsprechender Maßstabeinstellung). So erscheinen mehrere Echos mit abnehmender Amplitude, siehe auch Bild 3, bis die eingestrahlte Energie aufgebraucht ist. Die Mehrfachechos können vorteilhaft zur Dickenmessung benutzt werden, Kapitel 3.9. Bringt man einen Maßstab unter dem Leuchtschirm an, kann man den vom Ultraschall zurückgelegten Weg direkt messen. Wegen der stoffspezifischen Schallgeschwindigkeit muss für jeden Werkstoff das Ultraschallgerät auf diese spezifische Schallgeschwindigkeit eingestellt werden. Stellt man das Leuchtschirmbild so ein, dass man nur den Sendeimpuls und das erste Bodenecho sieht, kann man ein Material eindeutig auf Fehler (Risse, Lunker, Löcher usw.) untersuchen, Bild 6. Bildschirm des Gerätes S RE F1 F2 S = Sendeimpuls F 1 Fehler im F Prüfstück 2 RE = Rückwandecho Prüfkopf Risse oder andere Fehler Boden Zeitmarken geeicht in mm Schirmbild Prüfstück Bild 2: Schirmbild der Untersuchung eines Prüfstücks Als wichtiges Kennzeichen für die Verwendbarkeit eines Ultraschall-Echo-Impulsgerätes, insbesondere für dünne Materialien und für den Nachweis oberflächennaher Fehler, ist neben dem Auflösungsvermögen die Tote Zone anzusehen. Hierunter versteht man das an die Aufsatzfläche des Tastkopfes anschließende Gebiet, aus dem kein Echo getrennt von Sendeimpuls empfangen werden kann, weil dieser eine endliche Breite besitzt. Das Fehler- oder Bodenecho fällt mehr oder weniger mit dem Sendeimpuls zusammen. Die Intensität der Echos ist gegenüber der des Sendeimpulses um mehrere Zehnerpotenzen kleiner; sie können daher nicht angezeigt werden. Die Vorteile dieses Verfahrens sind: nur ein Prüfkopf, der sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeitet der Prüfling muss nur von einer Seite zugänglich sein Nachweis kleiner Fehler außerhalb der Tote Zone die Bestimmung der Tiefenlage der reflektierenden Grenzfläche (Fehler) TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 5

6 S n l [mm] Bild 3: Schematisches Schirmbild bei Beschallung von dünnen Blechen Das Impuls-Echo-Verfahren wird bevorzugt zur Fehlerprüfung und zur Bestimmung der Wanddicke (Dickenmessung) benutzt. 3.6 Prüfköpfe Wichtigstes Zubehör zu den Ultraschallgeräten sind die Prüfköpfe. Sie können sowohl als Sender als auch als Empfänger eingesetzt werden. Es lassen sich Longitudinal- und Transversalwellen anregen, die jeweils unterschiedliche Schwingungsmoden zeigen. Als Faustregel kann angenommen werden, dass die Transversalwellengeschwindigkeit v trans etwa halb so groß ist wie die Longitudinalgeschwindigkeit v long. Der Ultraschall wird vom Prüfkopf über ein Koppelmedium in das Prüfstück eingeschallt und auch über dieses Koppelmedium wieder empfangen. Für das Impuls-Echo-Verfahren werden Normalprüfköpfe oder Winkelprüfköpfe entsprechend des Prüfproblems eingesetzt. Bei den Normalprüfköpfen steht das Schallfeld (in der Regel) senkrecht zur Prüffläche. In Normalprüfköpfen wird überwiegend der longitudinale Wellenanteil genutzt, die Transversalwellen können infolge des längeren Schallweges zu Nebenechos führen. Der Nachweis oberflächennaher Fehler mit Normalprüfköpfen ist aufgrund der Toten Zone nahezu unmöglich. Für diese Zwecke wurden sogenannte SE-Prüfköpfe entwickelt, d. h. Sender und Empfänger mit hoher Schallisolierung sind in einem Prüfkopf. Aufgrund der Geometrie dieser Prüfköpfe ist die Empfindlichkeit in einem bestimmten Tiefenbereich (der auch oberflächennah sein kann) besonders hoch. 3.7 Fehlergrößenabschätzung Eine Aussage über die Größe des mittels Impuls-Echo-Verfahren gefundenen Fehlers, seiner Form und Orientierung zur Schallfeldachse gelingt durch Betrachtung der Echoform bzw. der Echohöhe bei verschiedenen Einschallwinkeln. Ein runder Fehler (Pore, Schlackeeinschluß) ruft bei gleicher Entfernung aus verschiedenen Einschallrichtungen etwa die gleiche Echohöhe und Echoform hervor (breites Echo). Als deutlich scharfes Echo markiert sich ein flächiger Fehler (Riss), wenn er senkrecht vom Ultraschall getroffen wird, Bild 7. Wichtig: Fehler immer senkrecht anschallen, da nur so Aussage über die Fehlergröße möglich. TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 6

7 feinkörniges Gefüge grobkörniges Gefüge Bild 4: Grobes Gefüge verursacht starke Schallschwächung Durch Wahl verschiedener Einschallrichtungen züchtet man das Echo so lange, bis es eine maximale Höhe aufweist (Echodynamik). Senkrecht zur Einschallrichtung liegt dann die größte Fehlerausdehnung. Zu quantitativen Prüfaussagen gelangt man auch, wenn die georteten Fehlerechos mit Echos von Musterfehlern (Fehler/Fehlerecho-Katalog) verglichen werden (siehe Anleitung am Praktikumsplatz). Dazu gehört viel praktische Erfahrung. 3.8 Fehlersuche in zylindrischen Proben mit Normal-Prüfköpfen Die im Bild 5 skizzierten Materialfehler auf dem Bildschirm des Ultraschall-Gerätes zeigen einige verschieden ausgeprägte Fehler in Werkstoffen. Risse oder andere Fehler können auch komplizierter liegen, z. B. schräg zur Einstrahlungsrichtung oder mehrere Risse in verschiedener Höhe dicht nebeneinander. Weiter können Hohlstellen, Lunker u. ä. auftreten, bei denen man, wenn man von der gegenüberliegende Seite einschallt, Echos in verschiedener Entfernung erhält. Die Entfernungsdifferenz ist etwa der Durchmesser der Hohlstelle. Bei dicht nebeneinanderliegenden Fehlern erscheinen entsprechend dicht nebeneinanderliegende Echos, wobei das Bodenecho schwächer, die entsprechende Zacke also kleiner wird. Bei Hohlstellen fehlt das Echo vom Boden des Prüfkörpers. Ein grobes Gefüge verursacht eine starke Schallschwächung und eine ausgeprägte Schallstreuung. Beides kann örtlich oder auch überall im Prüfkörper zum Ausfall der Rückwandechos führen, Bild 7. Die Streuung ist besonders stark, wenn der Korndurchmesser des Gefüges in der Größe der Wellenlänge λ bis λ/3 liegt. Deshalb sind niedrigere Frequenzen wegen der größeren Wellenlänge für grobes Gefüge (z. B. Gussgefüge) geeigneter. In gegossenem Material kann durch Gussfehler die Streuung stärker werden, so dass das erste Bodenecho scheinbar ohne Grund niedrig erscheint. Es ist auch möglich, dass sich durch Seigerungen u. ä. die Schallgeschwindigkeit ändert und das Bodenecho in einer anderen Entfernung erscheint. Um in unübersichtlichen Fällen aus dem Schirmbild auf die wirkliche Größe und Lage der Fehler schließen zu können, fertige man sich Übersichtsskizzen an, worin der Schallverlauf geradlinig einzuzeichnen ist und Reflexionen, Absorption usw. wie in der geometrischen Optik erfolgen. TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 7

8 Bild 5: Arten von Schirmbildern bei verschiedenen Fehlerlagen Für Fehler, die direkt im Schallfeld liegen, werden zur Fehlerprüfung Normalprüfköpfe verwendet. Die Größe der im Werkstoff noch nachweisbaren Fehler ergibt sich aus der Ultraschallwellenlänge, die bei den zur Ultraschallprüfung verwendeten Frequenzen von 1 bis 10 MHz in der Größenordnung von einigen Millimetern liegt. Die Materialprüfung bei diesen hohen Frequenzen beruht auf einer guten Bündelung des Schallstrahles und dem hohen Reflexionsgrad dünnster Materialtrennungen. Bei der Wahl der Prüffrequenz ist stets ein Kompromiss zwischen der Schallstreuung und der kleinsten noch nachweisbaren Fehlergröße erforderlich. Zwischen Prüffrequenz f, Schallgeschwindigkeit v und kleinstem noch nachweisbaren Reflektordurchmesser d min (Fehler) gilt folgende empirische Regel: f > v/4 dim. (4) TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 8

9 Werkstofftechnische Fehler können Risse, Lunker, Löcher, Hohlräume, Schlackeeinflüsse o. ä. sein. Ultraschall eignet sich auch zum Auffinden von vergrabenen Bohrungen, Materialspalten bei Lötprozessen, nicht verschlossenen Sägeschnitten und zur Einschätzung der Haftfestigkeit von Schichtverbunden sowie zur Dickenmessung. Das Impuls-Echo-Verfahren liefert ein Oszillogramm, in dem die einzelnen Echos über einer Zeitachse dargestellt sind. Diese Information wird von einer festgelegten Prüfkopfposition aus erhalten (A-Bild). Durch abscannen des Prüfobjektes mit dem Prüfkopf läßt sich ein Fehlerbild aufbauen, das einen Schnitt durch das Prüfobjekt darstellt (B-Bild). Im C-Bild wird der Fehler auf die abgescannte Fläche projeziert (entspricht etwa einer Draufsicht). Durch abscannen des Prüfobjektes von der gegenüberliegenden Seite kann aus der Differenz der Fehlertiefen die Fehlerausdehnung ermittelt werden. 3.9 Dickenmessung nach der Methode der Mehrfachechos Der Abstand zwischen den (mehrfachen) Rückwandechos in Bild 3 bleibt konstant. Auf dem Leuchtschirm wird eine Folge von Echos abnehmender Höhe sichtbar. Der Echoabstand ist ein Maß für die Laufzeit des Schalls im Meßobjekt und somit auch ein Maß für dessen Dicke. In der Zeit zwischen zwei Echos hat der Ultraschallimpuls das Meßobjekt zweimal durchlaufen! Die zurückgelegte Wegstrecke ist demnach gleich der doppelten Materialdicke. Die Genauigkeit der Dickenmessung kann erhöht werden, wenn man die Abstände einer größeren Zahl Echos zusammenfasst und mit Hilfe der Abstandsskala die Entfernung vom ersten bis zum letzten Echo ausmisst. Die gesuchte Dicke d errechnet sich dann aus: d = Abstand l (Sendeimpuls n tesecho) Zahl n der Echos (5) 3.10 Schallgeschwindigkeitsmessmethoden Der Schall breitet sich in Festkörpern mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Die Bindungsverhältnisse und der Aufbau der Festkörper bewirken dieses Verhalten. Anhand der Schallgeschwindigkeit kann so indirekt eine Materialcharakteristik aufgestellt werden. Somit lassen sich Verwechslungsprüfungen aber auch Werkstoffzustände charakterisieren. Die Messung der Schallgeschwindigkeit kann auf verschiedenen Wegen erfolgen, die im Praktikum miteinander verglichen werden sollen. Methode der scheinbaren Dicke, bei dieser Methode wird die Anzeige des Impuls-Echo-Gerätes auf ein Material bekannter Schallgeschwindigkeit kalibriert. (Die wahre Dicke d des Prüfkörpers ist hierbei bekannt.) Die scheinbare Dicke d e des zu prüfenden Materials wird durch Ausmessen der Entfernung der Echos auf dem Bildschirm ermittelt, Bild 6. Es gilt dann mit: c x unbekannte Schallgeschwindigkeit c e Schallgeschwindigkeit des Vergleichskörpers d wahre Dicke des Prüflings gemessene scheinbare Dicke des Prüflings d e c x = c e d d e (6) TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 9

10 SI... Sendeimpuls 1.RE.. 1. Rückwandecho 2.RE.. 2. Rückwandecho SI 1.RE 2.RE d d e Bild 6: Methode der scheinbaren Dicke Interferometerverfahren, mit einem Zusatzgerät (Wasserreflektionsstrecke veränderbarer Ausdehnung Interferometer genannt) lässt sich die Schallgeschwindigkeit durch Ausmessen der Geometrie der Wasserstrecke und der in ihr auftretenden Echoabständen ermitteln. Dazu wird nach Bild 7 eine Überlagerung der ersten Rückwandechos RE des Prüflings nacheinander mit dem ersten Interferometerecho IE herbeigeführt. Die dabei auftretenden Verschiebung s w des Reflektors am Interferometer liest man an der Mikrometerschraubenskala ab. Fall I SI 1.RE 2.RE d Fall II d SI SI... Sendeimpuls 1.IE Interferenzecho 1.RE.. 1. Rückwandecho Wasser 1.IE 1. RE 2. RE Wasser SI 1. RE + 1. IE 2.RE Fall III Wasser SI 1.RE 2.RE+1.IE s w Bild 7: Interferometermethode TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 10

11 Es gilt dabei: c x = c w d s w (7) mit c w = Schallgeschwindigkeit des destillierten Wassers (1 483,1 ms 1 bei T = 293 K). Die Schallgeschwindigkeit variiert pro Grad Wassertemperaturänderung um 2,5 ms 1. Es ist nicht erforderlich die Wasserstrecke genau zu kalibrieren, da lediglich eine Differenz zwischen zwei überlagerten Echos erfolgen muss. direkte Ablesung, an modernen Geräten ist ein Steller (Präzisionswendelpotentiometer) zur Veränderung der Schallgeschwindigkeit vorhanden. Damit werden die Echos mit Hilfe dieses Stellers auf die wahre Dicke eingestellt und die Schallgeschwindigkeit am Potentiometer direkt abgelesen. Wird der Stellbereich überschritten, muss die Methode der scheinbaren Dicke weiterhin angewendet werden. In einen elastischen festen Stab sollen sich Ultraschallwellen als Longitudinalwellen ausbreiten. Zur Anregung der Welle wird mit einem Hammer an das Stabende angeschlagen. Der Stab habe die Länge l und den Querschnitt A. Die durch den Hammerschlag verursachte Verformung l ist proportional der Kraft F des Hammerschlages, der Stablänge l und umgekehrt proportional zu dem Querschnitt A. Als Proportionalitätskonstante tritt der Elastizitätsmodul E auf. l = F l (8) E A Die durch den Hammerschlag herbeigeführte Verdichtung, Abbildung 8, wandert nun als Stoßwelle durch den Stab und benötigt bis zu ihrer Ankunft am anderen Ende des Stabes die Zeit t. Bild 8: Grafik zur Verdeutlichung der Ableitung der Schallgeschwindigkeit c l Die Geschwindigkeit c l des Durchlaufes ist nach Gleichung 9: c l = l (9) δt Wenn die Stoßwelle am anderen Ende wieder angekommen ist, streckt sich die Stauchung wieder aus, der Stab hat sich als Ganzes in der Zeit t um das Stück l verschoben. TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 11

12 Die Geschwindigkeit v dieser Verschiebung ist nach Gleichung 10: v = l t Da der Stab vorher in Ruhe verweilte und durch den Schlag beschleunigt wurde, kann diese Beschleunigung entsprechend Gleichung 11 bestimmt werden: a = (10) l ( t) 2 (11) Die zur Beschleunigung erforderliche Kraft F = m a kann mittels der Beziehung der Masse m = ϱ l A bestimmt werden. Setzt man die Kraft aus Gleichung 8 mit der Beschleunigungskraft gleich, erhält man Gleichung 12 ϱ l A l ( t) 2 = l E A l Wird in Gleichung 12 der entsprechende Ausdruck durch Gleichung 9 ersetzt, kann Gleichung 12 zu Gleichung 13 umgeformt werden: (12) c l = E ϱ (13) Dies ist die Gleichung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in dünnen Stäben. Der allgemeingültigere Zusammenhang ergibt sich zwischen dem Elastizitätsmodul E, der Poissonkonstante µ, dem Gleitmodul G, der Dichte ϱ und der Longitudinal- c l und der Transversalschallgeschwindigkeit c t entsprechend den Gleichungen 14 und 15: E (1 µ) c l = ϱ (1 + µ) (1 2µ) c t = E 2 ϱ (1 + µ) = Nach Umformen der Gleichungen 14 und 15 kann der E-Modul und der Gleitmodul zerstörungsfrei aus den gemessenen Werten von c l und c t ermittelt werden. Zwischenechos, bei Untersuchungen mit hohen Verstärkungen an relativ dünnen Proben im Vergleich zum Schallkopf sind auch bei fehlerfreien Proben oftmals zwischen den Mehrfachrückwandechos kleinere Störechos zu beobachten. Sie entstehen auf Grund der Aussendung von geringen Transversalwellenanteilen mit schräger Abstrahlung am Prüfkopf, siehe auch Bilder 1a-c. Eine schräg auf eine Rückwand auftreffende Welle wird zu einem Teil in die andere Art umgewandelt. Die Störechos entstehen durch diese unterschiedlichen Wellenarten mit ihren unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten. Wenn m die Zahl der Echowege als Longitudinalwelle (L) und n die Zahl der Echowege als Transversalwelle (T) ist, dann errechnet sich der scheinbare Echoweg d st nach Gleichung 16, c l... Longitudinalwellengeschwindigkeit, c t...transversalwellengeschwindigkeit. G ϱ (14) (15) d st = 0, 5 d (m + n cl c t ) (16) TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 12

13 Für Stahl und Aluminium ergeben sich die Störechos bei: LT und TL TT bei Stahl: 1, 41 d 1, 82 d bei Aluminium: 1, 51 d 2.04 d LT bedeutet Änderung von Logitudinal- auf Transversalwelle und TL von Transversalwelle auf Longitudinalwelle. Bei TT ist der Ultraschall im Prüfkörper nur als Transversalwelle unterwegs Schallschwächungsmessung Die Streuung des Ultraschalles beruht darauf, dass der Werkstoff nicht streng homogen auftritt. Der Werkstoff enthält Grenzflächen, an denen der Schallwiderstand sich plötzlich ändert. Durch die Messung der Schallschwächung lassen sich Aussagen zur Mikro- und Makrostruktur, sowie auf die Verformungsfähigkeit finden. Selbst bei Vorhandensein nur einer Kristallart kann der Werkstoff inhomogen für die Ultraschallwellen sein, wenn eine Anisotropie der Kristallite vorliegt. Es können also unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten für unterschiedliche Kristallrichtungen festgestellt werden. In einem Werkstoff mit großer Korngröße gegenüber der Wellenlänge kann die Streuung geometrisch gedeutet werden. An einer schrägen Grenzfläche wird die Welle in einen durchgehenden und reflektierten Teil aufgespalten. Dieser Vorgang wiederholt sich an jeder weiteren Korngrenze. Aus den ursprünglichen Schallstrahl werden ständig Teilwellen abgespalten, die durch Absorption in Wärme umgewandelt werden. Im Frequenzbereich der Werkstoffprüfungen sind die Korngrößen in der Regel kleiner als die Wellenlänge. Anstelle der geometrischen Aufsplittung tritt dann Streuung auf. Der Schalldruckverlauf einer ebenen Welle, der nur infolge der Schwächung abnimmt, kann durch eine Exponentialfunktion ausgedrückt werden, Gleichung 17, p = p o e α d (17) mit p o und p Schalldruck am Anfang und Ende der Strecke d mit dem Schallschwächungskoeffizienten α. Oftmals wird statt Schalldruck die Intensität der Echos betrachtet, Gleichung 18. I = I o e α I d Die Intensität ist dem Quadrat des Schalldruckes proportional, damit verhalten sich α I und α wie folgt: bzw. (18) e α I d = e 2 α d (19) α I = 2 α (20) Die Schwächung oder Gesamtschwächung entlang der Strecke d wird durch die Bildung des Logarithmus von Gleichung 17 gebildet. Die erhaltene dimensionslose Zahl wird als Neper [N p] angegeben, Gleichung 21. Der Schwächungskoeffizient α wird damit in Np cm 1 angegeben. α d = ln p o p [Np] (21) Wird statt dem natürlichen Logarithmus der dekadische Logarithmus verwendet und mit 20 multipliziert, erhält man für die Schwächung das Dezibelmass. Gleichung 17 verändert sich zu: TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 13

14 α d = 20 lg p o p Folgender Zusammenhang lässt sich ausrechnen: [db] (22) 1 Np/cm = 0, 87 db/mm (23) Bei konstanter Geräteeinstellung (Verstärkung, Impulsstärke und Ankopplung konstant) ist die Höhe zweier benachbarter Reflexionsechos direkt auf dem Bildschirm auszumessen. Der Verstärker muss hierbei linear ausgelegt sein. Aus den Höhendifferenzen kann der Schwächungskoeffizient α I in Dezibel je Millimeter ermittelt werden. Die Echohöhen h 1 und h 2, die beim Impuls-Laufzeitverfahren angezeigt werden, ergeben den Schwächungskoeffizienten α I näherungsweise. α I = 20 d (lg h 1 h 2 ) [ ] db mm Bei Geräten mit einer Verstärkungsstufung in Dezibel-Schritten und zur genaueren Bestimmung des Schwächungskoeffizienten ist ein anderer Verfahrensweg gangbar. Dazu müssen auf dem Schirm zwei Rückwandechos sichtbar sein. Das 1. Rückwandecho wird mit dem Verstärkungssteller auf etwa 1/2 der Bildschirmhöhe eingestellt und die Verstärkung V 1 in db abgelesen. Danach wird der Verstärkungssteller so weit aufgeregelt, bis auch das 2. Rückwandecho wieder 1/2 Bildschirmhöhe aufweist und der Verstärkungsfaktor V 2 abgelesen. Der Schwächungskoeffizient α I errechnet sich dann nach Gleichung 25 mit V = V 2 V 1. α I = V d [ ] db mm Bei kleinen Dimensionen (Prüfkörperausdehnungen < 50 mm) kann im allgemeinen die Korrektur der Verstärkungsdifferenz infolge von Laufzeitverlusten vernachlässigt werden, so dass nicht mit dem AVG-Diagramm (Abstand A; Verstärkung V; relative Fehlergröße G) gearbeitet werden muss. (24) (25) 4 Vorbereitungsaufgaben 4.1 Versuch 1 - US1: Impuls-Echo-Verfahren und Fehlerprüfung 1. Warum muss der Tastkopf mit Hilfe einer Flüssigkeit an den Prüfling angekoppelt werden? 2. Leiten Sie die Gleichung zur Materialdickenbestimmung aus der Schirmbildanzeige her! 3. Welche weiteren Ultraschall-Prüfverfahren sind Ihnen bekannt? Zeichnen Sie das Prinzip dieser Verfahren auf und geben Sie ihre Vor- und Nachteile an! 4. Welche weiteren Werkstoffparameter lassen sich mit Hilfe von Ultraschallverfahren bestimmen? 4.2 Versuch 2 - US2: Schallgeschwindigkeiten und Schwächungskoeffizienten 1. Welchen Einfluss hat die Ankoppelflüssigkeit auf die Geschwindigkeits- und die Schwächungsbestimmung? 2. Was versteht man unter der toten Zone? 3. Was versteht man unter Transversal- und Longitudinalwellen, wie stehen die Ausbreitungsgeschwindigkeiten dieser Wellen zueinander? TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 14

15 4. Wie kann die Transversalwellenschallgeschwindigkeit aus der Longitudinalschallgeschwindigkeit, Poisonkonstante und Dichte ermittelt werden? 5. Treten in Gasen und Flüssigkeiten Transversalwellen auf? 6. Nennen Sie weitere Methoden zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls? 7. Leiten Sie die Gleichung/Beziehung 23 her! 8. In Kristallen mit kubischer oder Diamantstruktur treten Anisotropien in der Schallgeschwindigkeit auf. Bei welchen Netzebenen (dicht oder weniger dicht gepackt) treten die größten Geschwindigkeiten auf? Begründen Sie Ihre Aussage. 5 Praktikumsaufgaben 5.1 Versuch 1 - US1: Impuls-Echo-Verfahren und Fehlerprüfung 1. Ermitteln Sie die Breite der Toten Zone für die ausgelegten Prüfköpfe bei verschiedenen Frequenzen! 2. Führen Sie Untersuchungen am Kontrollkörper 1 (DIN EN ISO 2400 bzw [2], [3]), Bild 9, bezüglich der Anzeigeempfindlichkeit und des Tiefenauflösungsvermögens durch! Bild 9: Massskizze des Kontrollkörpers 1 nach DIN EN ISO 2400 bzw Untersuchen Sie die vorgelegten Prüfkörper auf mögliche enthaltene Fehler. Bestimmen Sie die Lage und Form der Fehler! 4. Es sind die Wanddicken an vorgelegten Prüfkörpern zu bestimmen. 5. Erstellen Sie einen Prüfbericht entsprechend der DIN-Norm [4]. 5.2 Versuch 2 - US2: Schallgeschwindigkeiten und Schwächungskoeffizienten An verschiedenen Werkstoffen sind folgende Aufgaben durchzuführen: 1. Messung der Longitudinalschallgeschwindigkeit mit Hilfe der Methode der scheinbaren Dicke eines auf Stahl kalibrierten Gerätes. TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 15

16 2. Messung der Longitudinalschallgeschwindigkeit mit Hilfe des Schallgeschwindigkeitsstellers. 3. Bestimmung der Lage von Nebenechos in Aluminium und Bestimmung der Transversalgeschwindigkeit 4. Berechnung von Werkstoffkenngrößen (E, c t, G) aus den gemessenen Werten. 5. Bestimmung von Schwächungskoeffizienten und deren Frequenzabhängigkeit an verschiedenen Werkstoffen. 6. Zuordnung von Gefügebildern aus den Messwerten. 7. Erstellen Sie einen Prüfbericht entsprechend der DIN-Norm [4]. Literaturliste Eine detaillierte Aufgabenstellung liegt am jeweiligen Versuchsplatz im Meitnerbau, G.-Kirchhoff-Str. 5, Raum ! [1] Blumenauer, H.: Werkstoffprüfung. 6. korr. Auflage. Weinheim : VCH-Verlagsgesellschaft, S. ISBN [2] Ultraschallprüfung - Beschreibung des Kalibrierkörpers Nr. 1. In: Deutsche Norm DIN EN ISO 2400 (2013) [3] Ultraschallprüfung - Beschreibung des Kalibrierkörpers Nr. 1. In: Deutsche Norm DIN EN (2000), S. 8 [4] Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf und Kalibrierlaboratorien; Deutsche und Englische Fassung. In: Deutsche Norm DIN EN ISO/IEC Berichtigung 2: (2007), S [5] Steeb, S.: Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung. 4. Auflage. Expert Verlag, ISBN [6] Krautkrämer, J.: Werkstoffprüfung mit Ultraschall. 5. überarbeitete Auflage. Berlin : Springer Verlag, S. ISBN [7] Weißbach, W.: Werkstoffkunde. 18. Auflage. Springer-Vieweg-Verlag, 2012 [8] Macherauch, E. ; Zoch, H.-W.: Praktikum in Werkstoffkunde. 11. Auflage. Wiesbaden : Vieweg+Teubner Verlag, S. ISBN [9] Becker, E.: Praktikum Werkstoffprüfung,. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1980 [10] Millner, R.: Ultraschalltechnik - Grundlagen und Anwendung. Physik Verlag, 1987 [11] Nitzsche, K.: Schichtmeßtechnik. 1. Auflage. Würzburg : Vogel Buch -Verlag, S. ISBN TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 16

17 Anhang Auszug aus der DIN-Norm (keine amtliche Kopie) zum Abschnitt Ergebnisberichte (die DIN-Normen sind im Intranet oder in der Bibliothek der TU Ilmenau einsehbar) 1 Ergebnisberichte 1.1 Allgemeines Die Ergebnisse vom Laboratorium durchgeführten Prüfungen oder Prüfreihen müssen genau, klar, eindeutig und objektiv sowie in Übereinstimmung mit den in den Prüfverfahren enthaltenen speziellen Anweisungen berichtet werden. Die Ergebnisse müssen üblicherweise in einem Prüfbericht dargestellt werden und müssen alle Informationen enthalten, die der Kunde (Praktikumsbetreuer) verlangt hat und die für die Interpretation der Prüfergebnisse erforderlich sind, sowie alle Informationen, die nach dem verwendeten Verfahren erforderlich sind. Dabei handelt es sich üblicherweise um die in 1.2 und 1.3 oder 1.4 geforderten Informationen. 1.2 Prüfberichte Jeder Prüfbericht muss mindestens die folgenden Angaben enthalten: a) einen Titel (z. B. Prüfbericht ); b) den Namen und die Anschrift des Laboratoriums und den Ort, an dem die Prüfungen durchgeführt wurden; c) eindeutige Kennzeichnung des Prüfberichtes und auf jeder Seite eine Identifikation, um sicherzustellen, dass die Seite als Teil des Prüfberichtes erkannt wird, sowie eine eindeutige Identifikation des Endes des Prüfberichtes; d) den Namen (und die Anschrift) des Kunden (TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG WET) e) Angabe des angewendeten Verfahrens; f) das Datum der Durchführung der Prüfung; g) die Prüfergebnisse mit Angabe der Einheit; h) Name(n), Stellung und Unterschrift(en) oder gleichwertige Bezeichnung der Person(en), die den Prüfbericht genehmigt (genehmigen); ANMERKUNG 1 Prüfberichte in Papierform sollten auch die Seitennummerierung und die Anzahl der Seiten enthalten. 2.3 Prüfberichte Außer den in 2.2 geforderten Angaben muss, wo es für die Interpretation des Prüfergebnisses erforderlich ist, ein Prüfbericht noch die folgenden Angaben enthalten: a) Abweichungen von, Zusätze zu oder Ausnahmen von dem Prüfverfahren und Angaben über spezielle Prüfbedingungen, wie Umgebungsbedingungen; b) wo erforderlich, eine Aussage auf Übereinstimmung/Nichtübereinstimmung mit Anforderungen und/oder Spezifikationen; c) falls anwendbar, eine Angabe der geschätzten Messunsicherheit; Angaben zur Unsicherheit sind in Prüfberichten dann erforderlich, wenn sie für die Gültigkeit oder Anwendung der Prüfergebnisse von Bedeutung sind, wenn sie vom Kunden verlangt wurden oder TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 17

18 wenn die Unsicherheit die Einhaltung von vorgegebenen Grenzen in Frage stellt; d) wo angemessen und erforderlich, Meinungen und Interpretationen (siehe 2.5); Meinungen und Interpretationen Wenn in einem Prüfbericht Meinungen und Interpretationen enthalten sind, muss das Laboratorium die Grundlagen, auf denen die Meinungen und Interpretationen beruhen, schriftlich niedergelegt haben. Meinungen und Interpretationen müssen in Prüfberichten eindeutig als solche gekennzeichnet werden. ANMERKUNG 1 Meinungen und Interpretationen sollten nicht mit Inspektionen und Produktzertifizierungen, wie in ISO/IEC und ISO/IEC Guide 65 beschrieben, verwechselt werden. ANMERKUNG 2 Meinungen und Interpretationen in einem Prüfbericht dürfen Folgendes umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: eine Meinung zur Aussage über die Übereinstimmung/Nichtübereinstimmung von Ergebnissen mit Anforderungen; Erfüllung vertraglicher Anforderungen (Praktikumsaufgabe erfüllt oder nicht); Empfehlungen über den Gebrauch der Ergebnisse; Hinweise für Verbesserungen Gestaltung von Prüfberichten Der Aufbau muss so gestaltet sein, dass er allen durchzuführenden Arten von Prüfungen angepasst ist und die Gefahr von Missverständnissen oder Missbrauch auf ein Minimum reduziert. ANMERKUNG 1 Der Gestaltung des Prüfberichtes ist Aufmerksamkeit zu widmen, besonders in Hinblick auf die Darstellung der Prüfdaten und auf die Verständlichkeit für den Leser. TU Ilmenau, Institut für Werkstofftechnik, FG Werkstoffe der Elektrotechnik 18