Schallemissionsuntersuchungen bei LCF-Versuchen an Baustahl St 52

128 Pages·2001·8.215 MB·English

by  Timmers R.

Schallemissionsuntersuchungen
bei LCF-Versuchen an Baustahl St 52
VOM FACHBEREICH BAUINGENIEURWESEN
DER TECHNISCHEN UNIVERSITÄT CAROLO-WILHEMINA
ZU BRAUNSCHWEIG
Zur Erlangung des Grades eines
Doktor-Ingenieurs
(Dr.-Ing.)
genehmigte
DISSERTATION
von
Dipl.-Ing. Regine Timmers
aus Dortmund
Eingereicht am: 06.10.2000
Mündliche Prüfung : 17.04.2001
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. U. Peil
Prof. Dr. G. Lange
2001

Inhalt I 1
Inhalt Seite
Bezeichnungen B1
1 Einleitung 1
2 Schädigungsentwicklung bei Baustahl 3
2.1 Allgemeines 3
2.2 Schädigungsbeschreibung, Lebensdauerberechnung - Schädigungsparameter 3
2.2.1 Berechnungskonzepte 4
2.2.2 Schadensakkumulationshypothesen 6
2.2.3 Schädigungsentwicklungsfunktionen 8
2.2.4 Messung von Schädigung im Versuch 8
2.3 Mikroskopische Untersuchungen 10
2.3.1 Allgemeines 10
2.3.2 Erfassung der Oberflächenveränderungen 10
2.3.3 Versuchsaufbau der Single Step Versuche 12
2.3.4 Durchführung der Versuche 15
2.3.5 Auswertung der Versuche 17
2.3.6 Folgerungen aus den mikroskopischen Untersuchungen 36
2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 37
3 Schallemissionsanalyse 39
3.1 Verfahrensgrundlagen - Allgemeines 39
3.2 Grundlagen der Akustik 40
3.2.1 Schallausbreitung und Wellenmodi 40
3.2.2 Charakteristische Größen von Schallwellen 44
3.3 Die verwendete Messtechnik 46
3.4 Klassische Auswertungsparameter 50
3.5 Klassische SEA-Auswertung von LCF-Versuchen an Baustahl 54
3.5.1 Bisherige Ergebnisse von SE-Messungen während LCF-Versuchen 54
3.5.2 Versuche mit SE-Messung und begleitender mikroskopischer Untersuchung 56
I 2 Inhalt
4 Klassifikation 65
4.1 Allgemeines 65
4.2 Statistische Klassifikatoren, Optimaler Klassifikator 66
4.3 Abstandsmessende Klassifikatoren 68
4.4 Neuronale Netze 71
4.5 Merkmalsextraktion und Auswahl 71
4.6 Lernphase 73
4.7 Ergebnisgrößen 74
5 Festlegung der Signalklassen 77
5.1 Allgemeines 77
5.2 Vorgehensweise 79
5.3 Datenvorverarbeitung 80
5.4 Visuelle Mustererkennung und Trennung 82
5.4.1 Zeitsignal 83
5.4.2 Zeit - Frequenz Transformation 84
5.5 Klasseneigenschaften 90
5.6 Vorklassifikation 91
5.7 Neuklassifikation 92
5.8 Auswertung und Darstellung 95
5.9 Ergebnisse 99
6 Zusammenfassung und Ausblick 109
Literatur L1
Anlagen Anlagenteil
Bezeichnungen B 1
Bezeichnungen
Allgemeine Schreibweisen
a, A Skalare Größen
a Vektorielle Größen (unterstrichen)
L Allgemeiner Funktionsraum
E{} Erwartungswert
` Transponiert
f(...) Funktion von (...)
(cid:1)
a Zeitliche Änderung einer (skalaren) Größe
|...| Betrag
Versuche: Materialverhalten, Lebensdauer
F Maschinenkraft (entspricht Probenlängskraft )
A Nennquerschnitt im Messbereich der Materialprobe
l Abstand der Extensometerschneiden im Ausgangszustand (Messbasis)
o
(cid:1)l Abstandsänderung der Extensometerschneiden (Längenänderung im Messbereich
der Materialprobe)
(cid:1) Längsdehnung im Messbereich: (cid:1) = (cid:1)l / l
o
(cid:1) , (cid:1) Dehnungsamplitude, Mitteldehnung
a m
(cid:1)(cid:1) Dehnungsschwingbreite ((cid:1)(cid:1) = 2 (cid:1) )
a
(cid:2) technische Normalspannung im Messbereich: (cid:2) = F / A
(cid:2) , (cid:2) Spannungswerte bei Beanspruchungsumkehr (Hystereseumkehrpunkte)
o u
(cid:1)(cid:2) Spannungsschwingbreite ((cid:1)(cid:2) = (cid:2) - (cid:2) )
o u
E Elastizitätsmodul
N Beanspruchungszyklen, komplette Hysterese : N = 1
N , N Beanspruchungszyklen bis zum Versagen
cr cr, 50%
P Überlebenswahrscheinlichkeit
ü
W Dissipierte Energie
B 2 Bezeichnungen
Schädigungsmechanik
D Skalare Schädigungsvariable
D Kritischer Wert der Schädigung (Versagen)
c
(cid:1) (Längs)dehnung (einachsiger Spannungszustand)
(cid:1) , (cid:1) Elastischer / plastischer Dehnungsanteil
(cid:2)e p
(cid:2) Effektivspannung (einachsiger Spannungszustand)
(cid:2)
E Elastizitätsmodul eines geschädigten Materials
C , (cid:1) Coffin-Manson Koeffizienten
1 1
T Absolute Temperatur
(cid:2) Dichte
Schallemissionsanalyse SEA
1 Event Schallemissionen eines Quellereignisses
1 Hit Durch ein Ereignis hervorgerufene Treffer an einzelnen Sensoren
A Maximalamplitude (lineares Maß [mV], logarithmisches Maß [dB])
R Anstiegszeit (Dauer bis zum Erreichen der Maximalamplitude)
A / R Signalanstieg
D Duration (Signaldauer)
C Counts CNTS (Impulse)
E Signalenergie
f Nennresonanzfrequenz der Sensoren [kHz]
R
Gain Signalverstärkung in [dB]
Threshold Triggerschwelle [V; dB]
RT, DDT Rearm Time, Duration Discrimination Time;
Hardwareparameter zur Signalanfang- und -endeerkennung
FHCDT First Hit Channel Discrimination Time, Softwareparameter zur Ereignisabgrenzung
Bezeichnungen B 3
Klassifikation
x: Merkmalsvektor des Signals x(t)
M Anzahl der Muster einer Klasse
K Anzahl der Klassen
m Mittelwertsvektor der einzelnen Klassen
N Anzahl der Merkmale
p(k) Auftretenswahrscheinlichkeit für eine Klasse k
j j
p(x(cid:3)k) Klassenbedingte Wahrscheinlichkeit: Wahrscheinlichkeit, dass der Merkmals-
j
vektor x auftritt, wenn zuvor die Klasse k aufgetreten ist
j
p(k(cid:3)x) Bedingte Wahrscheinlichkeit, dass x in die Klasse k gehört.
j j
p(x) Mischverteilungsdichte
m - Klassenmittelwertsvektor
k
C Kovarianzmatrix
k
d, (cid:3)2 Distanzmaße
i i
Abkürzungen
IS Institut für Stahlbau, Technische Universität Braunschweig
LCF Low Cycle Fatigue
REM Rasterelektronenmikroskop
ZSD - Kurve Zyklische Spannungs - Dehnungs - Kurve
DMS Dehnungsmessstreifen
CDM Continuum Damage Mechanics
SEA Schallemissionsanalyse
SE Schallemission
TR Transientenrekorder
Weitere Bezeichnungen werden im Text erläutert.

Einleitung Seite 1

1 Einleitung
Neben dem Versagen von Konstruktionen bzw. von Werkstoffen durch Beanspruchungen
oberhalb der aufnehmbaren Festigkeit, tritt Versagen bei wiederholter Beanspruchung infolge
so genannter Werkstoffermüdung auf. Hierbei wachsen Ermüdungsrisse unter wiederholter
Beanspruchung bis die Spannungen auf der verbleibenden Fläche die Festigkeitsgrenze erreicht
haben. Es kommt zum Gewaltbruch (duktilen Restbruch).
Bei der Ermüdung wird unterschieden zwischen elastischer Ermüdung oder HCF = High Cycle
Fatigue und Plastoermüdung oder LCF = Low Cycle Fatigue, wobei im Bereich der LCF
planmäßig plastische Verformungen auftreten, während für den Bereich der HCF die Nenn-
spannungen im elastischen Bereich bleiben. Der Nachweis gegen HCF wird im Bauwesen
üblicherweise mit dem Nennspannungskonzept geführt, wobei mit kerbfallabhängigen Wöhler-
linien gearbeitet wird / N 12, N 14, N 18 /. Dieser Nachweis muss nicht geführt werden, wenn
die Beanspruchungen als vorwiegend ruhend eingestuft werden. Dies gilt nach DIN 18800 T1
(11.90) für die veränderlichen Beanspruchungen aus Schnee, Wind und Verkehrslasten nach
DIN 1055 T3 / N 8, N 10, N 11 /.
Bei planmäßiger wiederholter Beanspruchung bis in den plastischen Bereich kann bereits nach
wenigen Lastwechseln Versagen auftreten. So zeigen Untersuchungen an ausgeklinkten Trägern
und an Kontaktstößen mit Kehlnähten zur Lagesicherung, dass ein Versagen bereits nach
weniger als 104 Lastwechseln auftreten kann / 115, 126, 127, 137 /. Bei zunehmender Aus-
nutzung von plastischen Reserven gewinnt die Kenntnis über die Prozesse der Plastoermüdung
an Bedeutung.
Bisherige Verfahren zur Lebensdauerberechnung im LCF liefern Ergebnisse, die noch weit von
der Lebensdauer abweichen / 132 /. Das Hauptproblem bei der Lebensdauerberechnung ist die
Ermittlung der zur Berechnung erforderlichen Werkstoffparameter im Versuch. Der Werkstoff
unterliegt einer irreversiblen Zerrüttung auf der Mikroebene, deren Auswirkungen sich auf
makroskopisch messbaren Größen erst spät zeigen. So lassen sich für Baustahl Veränderungen
des E-Moduls und der aufnehmbaren Kraft erst im letzten Zehntel der Lebensdauer nachweisen
/ 17, 64, 75 /. Indirekte Methoden über die Veränderung von Volumeneffekten wie Magne-
tismus o. ä. schlugen fehl / 3 /. Die Entstehung, Ausbreitung und das Wachstum von Mikro-
rissen auf der Probenoberfläche sind die Ursache für die Entstehung von Makrorissen. Es
handelt sich hierbei um einen Oberflächeneffekt.
Eine Methode zur zerstörungsfreien Prüfung von aktiven Werkstoffprozessen ist das Verfahren
der SchallEmissionsAnalyse (SEA). Hierbei werden die bei Werkstoffprozessen freigesetzten
Schallwellen gemessen. Diese Methode wird hier angewendet, um die Schädigungsphasen vor
dem Makrorisswachstum festzustellen.
Seite 2 Einleitung
Am Institut für Stahlbau wurden bereits LCF-Versuche an Baustahlrundproben durchgeführt,
die von Schallemissionsmessungen begleitet wurden / 64, 111 /.
Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass Makrorisswachstum von einem starken Anstieg der
Schallaktivität begleitet wird. Die Auswertung wurde mit Hilfe klassischer Parameter der
Schallemissionsanalyse durchgeführt. Dabei wurden insbesondere die Eventsummenkurve, die
Energierate und die aufgetretenen Amplituden untersucht.
Während des gesamten Versuchsverlaufs sind Signale schwächerer Amplitude und
unterschiedlicher Aktivität zu beobachten. Eine Interpretation dieser Signale allein mit
klassischen Methoden der SEA ist nicht möglich. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Signale
vor dem Auftreten des Makrorisses mit Hilfe von Musterunterscheidung analysiert.
In jedem gemessenen Schallsignal sind Informationen über die Quelle des Signals enthalten.
Die Übertragung der Schallwelle erfolgt dabei von der Quelle über die Probengeometrie zu den
Aufnehmern, so dass die gemessene Signalform vom Material, von der Schallquelle, dem
Quellort, der Probengeometrie und der Messkonfiguration geprägt wird. Bei festgehaltenen
Parametern Material, Geometrie und Messkonfiguration beschränken sich die Einflussfaktoren
auf die Schallquelle und den Quellort / 66, 67, 88 /.
Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen inwieweit für einen feststehenden Versuchsaufbau bei
LCF-Versuchen an Rundproben aus St52 (S355JRG2) mit SE-Prüfung bestimmte Signalformen
auftreten und ob diese Signalmuster im Zusammenhang mit den Schädigungsprozessen stehen.
Die Untersuchung des Zusammenhangs von Signalformen und Quellmechanismen wurde mit
empirischen Methoden durchgeführt. Die automatisierte Trennung und Klassifikation der
Signalmuster erfolgte mit Hilfe eines Verfahrens aus der Spracherkennung, einem Statistischen
Klassifikator. Zur Identifikation von potentiellen Schallquellen sind mikroskopische Unter-
suchungen während verschiedener Schädigungsphasen durchgeführt worden.

Die Arbeit besteht aus zwei Teilen, einem Textband und einem Anlagenband. Zum Verständnis
der Ausführungen im Textteils ist die Arbeit mit dem Anlagenteil erforderlich. Dies gilt ins-
besondere für die mikroskopischen Untersuchungen, die im Textteil durch Fotoausschnitte
belegt werden. Oftmals wird der Unterschied einer Veränderung zum Restgefüge nur durch die
Betrachtung des kompletten Bildes deutlich.