Werkstoffprüfung mit Ultraschall

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2 Josef Krautkrämer Rerbert Krautkrämer Werkstoffprüfung mit Ultraschall Fünfte, völlig überarbeitete Auflage unter Mitarbeit von w. Grabendörfer, R Frielinghaus, W. Kaule, L. Niklas, U. üpara, E. Primbsch, U. Schlengermann, H. Seiger, G. Splitt, K Volkmann Mit 564 Abbildungen und 10 Tafeln Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1986

3 Or. rer. nat. Or.-Ing. E. h. Josef Krautkrămer, K61n Or. rer. nat. Herbert Krautkrămer, Merten b. K61n Mitarbeiter: Or. phil. Werner Grabend6rfer Or.-Ing. Rainer Frielinghaus Oipl.-Ing. Walter Kaule Or. phil. Ludwig Niklas Or. rer. nat. Ulrich Opara Phys. Udo Schlengermann Or. rer. nat. Helmut Seiger Or. rer. nat. Gehard Splitt Oipl.-Ing. Klaus Volkmann alle in Firma Krautkrămer GmbH, Hiirth bei K61n und Prof. Or. Erik Primbsch, Universităt Hamburg CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Krautkrămer, Josef: Werkstoffpriifung mit Ultraschall. Josef Krautkrămer; Herbert Krautkrămer. Unter Mitarbeit von W. Grabendorfer... 5., vollst. iiberarb. Auflage Engl. Ausg. u. d. T.: Krautkrămer, Josef: Ultrasonic testing of materials ISBN ISBN (ebook) DOI / NE: Krautkrămer, Herbert Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ăhnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergiitungsanspriiche des 54, Abs. 2 UrhG werden durch die,verwertungsgesellschaft Wort', Miinchen, wahrgenommen. ':[J Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1986 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1986 Softcover reprint of the hardcover 5th edition 1986 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wăren und daher von jedermann benutzt werden diirften. 2160/

4 Den Pionieren der Ultraschall werkstoffprüfung S. Ja. Sokolov (UdSSR) Floyd A. Firestone (USA) geb Donald O. Sproule (England) geb. 1903

5 V orwort zur frinften Auflage Nachdem bei der vierten Auflage nur eine geringfügige Nachbearbeitung der dritten möglich war, ist die vorliegende fünfte Auflage in großen Teilen völlig neu bearbeitet worden. Es war eine Zeitspanne von zehn Jahren zu berücksichtigen, eine Zeit, in welcher einerseits die Grundlagenforschung weit vorangeschritten ist, um neue Verfahren zu entwickeln. Andererseits haben die Anwendungen besonders auf Gebieten mit hoher Verantwortung (Kernreaktoren) weit größeren Umfang angenommen, als vor zehn Jahren. Gleichzeitig ist natürlich der ungeheure Fortschritt der Mikroelektronik nicht ungenutzt geblieben. So ist der Umfang des Stoffs erheblich gewachsen, während gleichzeitig nur sehr wenig als veraltet weggelassen werden konnte. Bei den Grundlagen wurde den Beugungs- und Kriechwellen und ihrer Entstehung mehr Platz gewährt, weil sie zunehmend als neues Handwerkszeug zu den freien Wellen getreten sind. Bei den Geräten war der Datenverarbeitung viel mehr Platz und den Bildverfahren ein besonderes Kapitel einzuräumen. Während letztere früher im wesentlichen der Medizin zugute kamen, von der auch manche Anstöße stammen, sind sie heute auch in der Werkstoffprüfung ernstzunehmende Verfahren geworden. Bei den Prüfaufgaben im Teil D ist den hohen Sicherheitsforderungen im Kernreaktor Rechnung getragen worden, wodurch auch die Schmiedestücke für Kraftwerke weit eingehender behandelt werden mußten. Auch die neueren Werkstoffe für die Luft- und Raumfahrt haben ihre Prüfprobleme, während für die alten Aufgaben neue Lösungen zu behandeln waren. Die internationale Normung hat sich unübersehbar ausgeweitet, so daß nur das Wichtigste ergänzt werden konnte. Ein großes Problem für uns war die Bewältigung der ungeheuer angeschwollenen Literatur. Nur dank der persönlichen, jahrelangen Tätigkeit eines der Mitarbeiter, Herrn U. Schlengermann, beim Aufbau einer umfassenden Sammlung war es möglich, sie überhaupt zu überblicken. Indessen würde eine einigermaßen vollständige Wiedergabe über tausend Druckseiten erfordert haben. Die knappe Auswahl ist daher manchmal willkürlich und betrifft vorwiegend die neuere Literatur. Der Leser wird deshalb darauf verwiesen, sich ggf. der Dokumentation Zerstörungsfreie Prüfung der Bundesanstalt für Materialprüfung und der Deutschen Gesellschaft für ZerstÖrungsfreie Prüfung (DGZfP), Unter den Eichen 87, 1000 Berlin 45, zu bedienen. Sonst möge er sich in den hier zitierten Arbeiten an frühere Veröffentlichungen herantasten. Wir bitten auch die zahlreichen Autoren um Verständnis, wenn sie ihre Arbeiten nicht oder nicht vollzählig referiert finden.

6 VIII Vorwort zur fünften Auflage Es seien ein paar Worte zur häufigen Verwendung angelsächsischer Ausdrücke erlaubt. Besonders durch die engen Beziehungen der Werkstoffprüfung zur modernen Elektronik ist dieser Trend unaufhaltsam. Hinzu kommt, daß' auf internationalen Tagungen Englisch durchweg Konferenzsprache ist. Die erstaunliche Fähigkeit dieser Sprache, für Neues kurze und treffende Ausdrücke zu prägen, kann nur als wertvoll bezeichnet werden: Statt "phasengesteuerter Gruppenstrahler" heißt es dann "phased array". Wir haben Einseitigkeit zu vermeiden versucht und bei Einführung eines neuen Begriffs ggf. den englischen in Klammern zusätzlich erwähnt. Hin und wieder kann der englische später auch allein vorkommen, jedoch nur, wenn der deutsche Ausdruck zu umständlich ist. Wir sind aber auch nicht zaghaft, neue deutsche Ausdrücke zu prägen, wie wir es in der Vergangenheit mit Erfolg und oft getan haben. Es bleibt uns, wie früher, allen Fachleuten außerhalb unseres Kreises für Beratung und Verständnis für die knappe Darstellung ihres Gebietes herzlich zu danken. Namentlich seien aber erwähnt Herr Dr. K. Egelkraut, Bundesbahn Versuchsamt Minden, Herr Dr. W. Mohr, BBC Baden/Schweiz, Herr G. Künne, Dortmund, Herr Dr. H. Schneider, Mannesmann Forschungsinstitut, Duisburg und Herr Dr. B. Werden, TÜV Essen. Sie haben mitgewirkt bei den Kapiteln 20 und 23, 22, 24 und 25, bzw. 26. Der Abschnitt 33.4 stammt ganz von Herrn Dr. Kleesattel, New York. Dem Verlag aber sei diesmal besonders herzlich gedankt für sein Verständnis für die Verzögerung der Fertigstellung und den gewachsenen Umfang. Köln, im Sommer 1986 J. und H. Krautkrämer

7 Inhaltsverzeichnis Einleitung Teil A Physikalische Grundlagen der Ultraschallwerkstoffprüfung 4 Schallwellen im freien Raum Schwingungen und Wellen Nichtebene Wellen, Interferenz von Wellen Meßgrößen freier Wellen und Stoffkonstanten 12 2 Ebene Schallwellen an Grenzflächen Senkrechter Einfall auf ebene Grenzflächen Senkrechter Einfall auf mehrfache Grenzflächen. Platte und Spalt Das Brechungsgesetz für ebene Wellen, Modenwandel Die Schalldruckwerte bei Reflexion und Brechung Modenwandel an Grenzflächen bei einfallenden Schallbündeln, geführte Wellen Die Schallgeschwindigkeiten der geführten Wellen, Dispersion * Randwellen Reflexion in einer rechtwinkligen Kante und in einer Ecke Geometrische Akustik Gültigkeitsgrenzen Abstandsgesetze für Kugel- und Zylinderwellen * Reflexion und Brechung von Kugelwellen an ebenen Grenzflächen * Gekrümmte Grenzflächen als Spiegel und Linsen * Kugelwellen in Hohl- und Vollzylindern Wellenphysikalische Behandlung des Schallfelds Elementare Beschreibung * Zonenkonstruktion des Schallfelds nach Fresnel * Grafische Darstellung von Schallfeldern Schallfeld des ebenen kreisförmigen Kolbenschwingers 73 * Die mit einem Sternchen bezeichneten Abschnitte sind für Anfänger weniger wichtig und können zur Erlernung elementarer Kenntnisse überschlagen werden.

8 X Inhaltsverzeichnis 4.5 Schallfelder nichtkreisförmiger Kolbenschwinger Schallfelder an Grenzflächen und bei Modenwandel * Fokussierte Schallfelder * Schallfelder bei Impulsanregung und ungleichförmiger Erregung des Schwingers Echo und Schatten eines Reflektors im Schallfeld Reflexion einer ebenen Welle an einem ebenen Reflektor Echo eines Reflektors, AVG-Diagramm Schatten eines Reflektors Schrägliegende Kreisscheiben- und natürliche Reflektoren Die Schwächung von Ultraschallwellen in festen Stoffen Absorption und Streuung * Die Schwächung in Metallen, Anisotropie und Guß struktur <:> 7 Piezoelektrische Verfahren zur Erzeugung und zum Empfang von Ultraschallwellen Piezoelektrische Stoffe und ihre Eigenschaften Die piezoelektrische Platte als Sender und Empfänger von Ultraschallwellen * Der piezoelektrische Wandler bei Impulsanregung * Andere Verfahren zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen l Mechanische Effekte Thermische Effekte Elektrostatische Verfahren. 8.4 Elektrodynamische Verfahren 8.5 Magnetostriktive Verfahren 8.6 Optische Verfahren Teil B Verfahren und Geräte der Ultraschallwerkstoffprüfung Übersicht und historische Entwicklung Tabellarische Übersicht Die historische Entwicklung Das Impulsechoverfahren, Aufbau und Wirkungsweise eines Impulsechogeräts Grundlagen Grundfunktionen eines Impulsechogeräts Blockschaltbild der Grundfunktionen 179

9 Inhaltsverzeichnis XI Die Bildröhre Der Taktgenerator und die Zeitbasis Der Sender Der Empfänger Spezielle Funktionen für automatisierte Auswertung Die Torschaltungen Die Rückwandechoabsenkung Registrierverstärker, Spitzenwertspeicher Tiefenausgleich, tiefenabhängige Blende Wanddickenmeßzusätze Zusatzgeräte und Verfahren zur Dokumentation Die Prüfköpfe Einschwinger-Senkrechtprüfköpfe Einschwinger-Winkelprüfköpfe Sender-Empfänger-(SE)-Prüfköpfe Prüfköpfe für spezielle Anwendungen Eigenschaften von Impulsechogeräten und Prüfköpfen Allgemeine Eigenschaften Anwendungsspezifische Eigenschaften Überprüfung der Eigenschaften Eigenschaften des Bildteils Eigenschaften des Verstärkers Prüfkopfdaten und Schallfeldeigenschaften Geräte für das Impulsechoverfahren und ihre Hersteller * Frequenzmodulationsverfahren * Verfahren zur Anzeigenverbesserung eines Impulsechogeräts Laufzeitverfahren Zeitmeßverfahren Interferometermethode Integrationsverfahren Auszählverfahren Geräte für das Laufzeitverfahren Wanddickenmessung bei guten Oberflächen Restwanddickenmessung Frequenzmeßverfahren Schmalbandige (Resonanz-)Verfahren Breitbandige Verfahren Weitere Laufzeitverfahren Schattenverfahren (Intensitäts- oder Durchschallungsverfahren) 13 Bild- und Rekonstruktionsverfahren * Das Reliefverfahren * Ultrasonovision (RCA-Kamera)

10 XII Inhaltsverzeichnis 13.3* Der piezoelektrische, optisch-akustische Wandler (parametrischer Bildwandler) * Abbildung durch Bragg-Beugung * Das Schlierenverfahren * Bilderzeugung mit Hilfe des fotoelastischen Effekts * DUVD-Verfahren * Akusto-optische Flüssigkristallwandler * Das Schallsichtgerät nach Pohlman * Die Sokolov-Kamera * Die pyroelektrische Kamera Abtastverfahren mit Ultraschallimpulsen B- und C-Bild-Darstellung, ALOK-Verfahren Das SAFT-, P-Scan- und SUTAR-Verfahren Gruppenstrahlerverfahren, digitales B-Bild Gerät nach Kino; Tomografie Ultraschallmikroskopie, SLAM- und SAM-Verfahren Die akustische Holografie Grundlagen * Das holografische Reliefverfahren Piezoelektrisches Abtasten nach Amplitude und Phase Numerische Rekonstruktion Die Linienholografie, das HOLOSAFT-Verfahren Die Schallemissionsanalyse (SEA) Teil C I Allgemeine Prüf technik Die Ankopplung Oberflächenzustand und -vorbereitung Gekrümmte Oberflächen Kopplungsmittel Ankopplungskontrolle Ankopplung über Zwischenschichten, Wasserspaltankopplung und Tauchtechnik Störeinfluß von Grenzflächen, komplizierte Schallwege und Schirmbilder Schallfeldveränderungen durch Grenzflächen parallel zur Strahlachse Nebenechos durch abgespaltene Transversalwellen Dreieckreflexionen Reflexion Schirmbilder bei Prüfung einer Platte Störanzeigen durch Oberflächenwellen. 321

11 Inhaltsverzeichnis XIII 17 Prüftechnik mit winklig zur Oberfläche ein ge schallten Wellen Winklig eingeschallte Longitudinalwellen Longitudinal-Kriechwellen Transversalwellen Oberflächenwellen Plattenwellen Störungen durch fremde Hochfrequenz- und Ultraschallwellen Fehlernachweis und -beurteilung Fehlersuchen und Echozüchten, Prüfkopfwahl Bestimmung des Ersatzreflektors, Testfehler und AVG-Diagramm Ausmessen großer Reflektoren, Abtasten und Echodynamik Mehrfrequenzverfahren, Echophase und Spektroskopie Organisation der Prüfung, Personal- und Ausbildungsfragen Prüfeinrichtungen und -anlagen Teil D I Spezielle Prüfaufgaben Werkstücke für den allgemeinen Maschinenbau Freiform-Schmiedestücke Wiederkehrende Prüfungen Mechanisierte Prüfeinrichtungen 22.4 Sonstige Maschinenteile. 23 Eisenbahnmaterial Radsatzwellen 23.2 Schienen 23.3 Sonstiges Eisenbahnmaterial 24 Bleche und Bänder Mittel- und Grobbleche 24.2 Bänder und Feinbleche 25 Halbzeug Stangen Knüppel Drähte 26 Rohre

12 XIV Inhaltsverzeichnis 27 Gußstücke Schweißnahtprüfung Stumpfschweißnähte Allgemeines zur Prüfmethode Blechdicke, Schallwinkel, Prüffrequenz Fehlerortungsverfahren Fehlergröße, -form und -art Mechanisierung und Registrierung Austenitische Schweißnähte Kunststoffschweißnähte Kehlnähte Punktschweißungen Andere Schweißnahtformen Prüfung von Verbindungen und Verbundwerkstoffen Nietlochprüfung Schichtverbindungen durch Löten, Kleben, Plattieren Schicht- und Verbundwerkstoffe Lagerschalenprüfung..' Schrumpfsitzprüfung Reaktorprüfung (Kernkraftwerke) Reaktordruckbehälter Druckwasserreaktor Siedewasserreaktor Zylindrischer Teil von Reaktordruckbehältern, kombiniertes Vielkopfsystem Stutzenprüfung Bolzenlöcher und Muttern Bolzenprüfung Lochfeldprüfung Ultraschallelektronik für die Reaktorprüfung Rechnerauswertung Reflektoranalyse Andere Primärkreiskomponenten Reaktorprüfung in den USA Zuverlässigkeit der Prüfung Reaktorprüfung in Japan Reaktorprüfung in Großbritannien Reaktorprüfung in Frankreich Reaktorprüfung im RGW-Bereich Reaktorprüfungmit Schallemissionsanalyse (SEA) Ultraschallprüfung von Schnellbrutreaktoren Metallische Werkstoffe und ihre besonderen Eigenschaften für die Ultraschallprüfung Stähle Stahl guß

13 Inhaltsverzeichnis XV 31.3 Gußeisen Leichtmetalle 31.5 Buntmetalle Andere Nichteisenmetalle Sintermetalle Prüfaufgaben bei nichtmetallischen Werkstoffen Keramik und Glas Kunststoffe Gummi Gestein, Schleifscheiben, Kohle und Graphit Beton Holz und Leder Speck und Fleisch Ultraschallprüfung durch Messung von Werkstückeigenschaften Wand- und Schichtdickenmessung Schallgeschwindigkeitsmessung Schallschwächungs- und Schallstreuungsmessung * Härteprüfung (Kleinlast) Normung 597 Anhang Literaturverzeichnis 621 Sachverzeichnis.. 700