Werkstoffprüfung mit Ultraschall

530 Pages·1966·20.099 MB·German

by  Josef Krautkrämer, Herbert Krautkrämer (auth.)

Werkstoffprüfung mit Ultraschall
Werkstoffprüfung
mit Ultraschall
Von
Josef Krautkrämer und Herbert Krautkrämer
Dr. rer. nat., Köln Dr. rer. nat., Köln
unter Mitarbeit von
Werner Grabendörfer und Ludwig Nildas
Dr. phil., Köln Dr. phil., Köln
Zweite neubearbeitete Auflage
Mit 456 Abbildungen
und 10 Tafeln im Text
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1966
ISBN 978-3-662-13427-6 ISBN 978-3-662-13426-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-13426-9
Alle Rechte, insbesondere das der übersetzung in fremde flprachen, vorbehalten
Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet,
dirses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege
(Photolwpie, Mikrokopie) oder auf andere Art zu vervielf'ältigen
© by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1961 and 1966
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag, BerliniHeidelberg 1966
Libral'Y of Congrcss Catalog Canl ~umber: 66-19120
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeicbnungen usw.
jn diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der An~
nahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetz
gebung als frei zu betrachten wären und dahervonjedermann benutztwerdendürften
Titel-Xl'. 0557
Dem Andenken unseres Vaters
Vorwort zur zweiten Auflage
Obwohl erst wenige Jahre seit dem Erscheinen der ersten Auflage
verstrichen sind, schien es ratsam, die zweite Auflage nicht ohne Be
rücksichtigung des fortgeschrittenen Standes der Technik zu überarbei
ten. Um den Umfang nicht wesentlich zu vergrößern, mußte manches
aus der ersten Auflage gekürzt oder gestrichen werden. Die Anwendung
der Ultraschalldiagnostik in der Medizin hat ein solches Ausmaß ange
nommen, daß sich die Herausgeber entschlossen haben, diese der eigent
lichen Werkstoffprüfung ja etwas fremde Aufgabe ganz entfallen zu
lassen. Bei der Darstellung des Ultraschalldurchgangs durch die Grenze
Plexiglas/Metall in Abschnitt 1.6 und bei den Tafeln und Formeln im
Anhang haben die Herren Dr. A. LUTSCH und G. J. KÜHN mitgearbeitet.
Ihre Dienststelle, das South African National Research Institute for
Mathematical Sciences, Pretoria, hat ihre Berechnungen finanziert.
Die Neudarstellung der Reflexion von teildurchlässigen Schichten,
S. 252 und 253, hat Herr Dr. E. MUNDRY, Bundesanstalt für Material
prüfung, Berlin, bearbeitet. Allen genannten und vielen weiteren unge
nannten Mitarbeitern gilt unser herzlicher Dank.
Köln, im Februar 1966
J. u. H. Krautkrämer
Vorwort zur ersten Auflage
Der Versuch, ein Lehrbuch ausschließlich über die Anwendung des
Ultraschalls zur Werkstoffprüfung zu schreiben, rechtfertigt sich daraus,
daß dieses Gebiet in den vorliegenden Lehr- und Handbüchern, welche
entweder das Gesamtgebiet des Ultraschalls oder das der zerstörungs
freien Werkstoffprüfung umfassen, notgedrungen zu kurz kommt.
Die Verfasser waren besonders bemüht, das Niveau des Buches einem
möglichst weiten Kreis anzupassen: Einerseits soll auch ein Werkstoff
prüfer mit nur geringen Kenntnissen der Physik und Mathematik mit
kommen können und andererseits dürfen die Grundlagen nicht fehlen,
VIII Vorwort
die dem Entwicklungsingenieur nötig sind, um das Verlahren bei neuen
Aufgaben anwenden zu können. Daher wurde häufig Gebrauch ge
macht von Abschnitten mit Sternchen und vom Kleindruck. Beides
kann der weniger geschulte und interessierte Leser zur oberflächlichen
Information weglassen, ohne daß der Rest unverständlich bleibt.
Auf Vollständigkeit des Schrifttumsnachweises konnte zumal für
die Zeit vor 1957 verzichtet werden, weil im Buch von L. BERGMANN t
und seinem Nachtrag eine außerordentlich umfangreiche Sammlung
gegeben ist. Daher wurden nur Arbeiten erwähnt, die in direktem Zu
sammenhang mit dem Text stehen.
Die Tatsache, daß die Verfasser zugleich auch Hersteller von Ge
räten sind, hat eine vorteilhafte und eine mißliche Seite: Durch ihre
eigene praktische Tätigkeit auf dem Gebiet und den ständigen Kon
takt mit zahlreichen Benutzern der Geräte hat sich in nahezu 10 Jahren
ein reicher, z. T. bisher noch nicht anderweitig veröffentlichter Erlah
rungsschatz angesammelt, der hier verwertet werden konnte. Wenn
auch möglichst versucht worden ist, bei der Beschreibung von Geräten
und Verlahren auch den Entwicklungen anderer Stellen gerecht zu
werden, konnte andererseits doch nicht vermieden werden, häufig die
eigenen zu erwähnen. Es sei daher ausdrücklich bemerkt, daß mit der
Erwähnung eines eigenen Geräts keineswegs gesagt sein soll, daß die
Ergebnisse mit anderen Geräten nicht gleichwertig oder u. U. noch
besser sein können.
Es ist den Verlassern eine angenehme Pflicht, an dieser Stelle ihren
langjährigen Mitarbeitern, besonders aber den vielen genannten und
ungenannten Fachleuten herzlich zu danken, die bereitwilligst ihre Er
fahrungen, Versuchsmaterial oder Aufnahmen zur Verlügung gestellt
haben. Dem Verlag sei schließlich für die Anregung zu diesem Buch,
seine verständnisvolle Betreuung und die gewohnt sorgfältige Ausstat
tung herzliehst gedankt.
Köln, im Januar 1961
J. u. H. Krautkrämer
Inhaltsverzeichnis*
Seite
Einleitung 1
1 Grundlagen der Ultraschall-Werkstoffprüfung ......................... 4
1.1 Schwingungen und Wellen..... . . . .. .. . .. ... .. .... .... .. .. . . .... 4
1.2 Wellenarten und Wellenformen ................................. 7
1.3 Zusammengesetzte und stehende Wellen, Interferenz .............. 11
1.4 Einige Formeln und Zahlenwerte ........ , .. . .... .. ....... . ... .... 15
1.5 Schallwellen an Grenzflächen bei senkrechtem Einfall .............. 20
1.51 Einfache, ebene Grenzflächen ............................... 20
1.52 Mehrfache Grenzflächen, Platte und Spalt .................... 23
1.6 Schallwellen an Grenzflächen bei schrägem Einfall ................ 27
1.61 Das Brechungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.62 Die Schalldruckwerte ..................................... 29
1.63 Reflexion in einer rechtwinkIingen Kante und in einer Ecke. . . . 37
1.64 Abspaltung von Oberflächen- und Grenzschichtwellen ......... 39
1.65 Schallausbreitung in Platten, Plattenwellen .................. 39
1.7 Geometrische Ultraschalloptik .................................. 41
1.71 Gültigkeitsgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41
1.72 Abstandsgesetz des Schalldrucks für die Kugel. und die Zylinder-
weIle ........................... , .. .. .. . ... .. .. ... . ...... 42
1.73* Reflexion und Brechung von Kugclwellen an ebenen Flächen... 43
1.74* Gekrümmte Grenzflächen als Hohlspiegel und Linsen 45
1.75* Kugelwellen im Hohl· und Vollzylinder .................... 50
1.8 Wellenphysikalische Behandlung des Schallfelds, SchaIIbeugung .... 54
1.81 Elementare Beschreibung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.82* Zonenkonstruktion des SchaIIfelds ......................... 64
1.83 Schallfeld bei ungleichförmiger Erregung des Strahlers, bei Im-
pulsanregung und bei fokussierenden Strahlern.. . . . . . . . . . . . . . 69
1.84 Echo und Schatten eines Hindernisses im SchaIIfeld .......... 75
*
Die mit einem Sternchen bezeichneten Abschnitte sind für Anfänger weniger
wichtig und können zur Erlernung elementarer Kenntnisse überschlagen werden.
x
Inhaltsverzeichnis
Seite
1.9 Die Schwächung von Ultraschallwellen in festen Stoffen 8S
1.91 Absorption und Streuung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8S
1.92* Die Schwächung in Metallen, Anisotropie und Guß struktur . . . . 94
1.10 Erzeugung und Empfang von Ultraschallwellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9lf
1.101 Der piezoelektrische Effekt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9lf
1.102 Die piezoelektrische Platte als Sender und Empfänger für
Ultraschallwellen ........................................ 103
1.103* Die Piezoplatte bei Impulsanregung ...................... 111
1.104 Piezoelektrische Stoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12(}
1.105 Andere Erzeugungsverfahren von Ultraschall ............... 126
2 Verfahren und Geräte der Ultraschall-Werkstoffprüfung . . . . . . . . . . . . . . .. 129
2.0 Einteilung und übersicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 129
2.1 Resonanzverfahren ............................................. 13(}
2.11 Grundlagen und Anwendungsübersicht ....................... 13(}
2.12 Geräte ................................................... 133
2.2 Intensitätsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 139
2.21 Prinzip, Einteilung und Abgrenzung gegenüber den Laufzeit-
verfahren ................................................. 139
2.22 Geräte für Intensitätsmessung .............................. 144
2.23 Geräte für SchalJsichtverfahren ............................. 147
2.3 Impuls.Laufzeit.Verfahren ...................................... 15(}
2.31 Geschichtliches und Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15(}
2.32 Aufbau und Wirkungsweise eines Impuls.Echo·Geräts . . . . . . . . .. 154
2.321 Kippspannungsteil und Bildröhre ...................... 154
2.322 Senderteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 158
2.323 Der Verstärker ....................................... 162
2.324 Abstandskala und Zeitmarken ......................... 171
2.325 Störschutz........................................... 174
2.33 Die Prüfköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175
2.331 Normalprüfköpfe .................................... 175
2.332 Winkelprüfköpfe .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 183
2.333* Eich- und Kontrollverfahren für Prüfköpfe . . . . . . . . . . . .. 19(}
2.34 Geräte für das Impuls-Laufzeit.Verfahren ..................... 195
2.35 Zusatzgeräte für das Impuls.Laufzeit-Verfahren ............... 197
2.351 Laufzeitmessung höherer Genauigkeit .................. 197
2.352 Elektronische Datenverarbeitung ...................... 201
2.353 Dokumentationsverfahren und -geräte .... , ............. 206
2.36* Das Stoßwellenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 217
2.37* Frequenzmodulationsverfahren ............................. 219
2.371 Grundlagen ......................................... 21lf
2.372 Geräte für das FM-Verfahren .....•...................• 221
Inhaltsverzeichnis XI
Seite
2.4 Laufzeitverfahren 222
2.41 Impulsverfahren für reine Laufzeitmessung .................... 222
2.42* Phasenmeßverfahren .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 225
3 Angewandte Ultraschall. Werkstoft'prufung ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 226
3.1 Allgemeine Prüft echnik .......................................... 226
3.11 Die Ankopplung ........................................... 226
3.111 Oberflächenzustand und -vorbereitung .................. 226
3.112 Gekrümmte Oberflächen .............................. 227
3.113 Kopplungsmittel ..................................... 230
3.114* Ankopplungskontrolle ............................... 232
3.115 Ankopplung über Zwischenzeiten ...................... 232
3.12 Ultraschallfrequenz und Prüfkopfart ......................... 238
3.13 Störeinfluß von Grenzflächen, komplizierte Schallwege und
Schirmbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 240
3.131 Schallfeldveränderungen durch Grenzflächen parallel zur
Strahlachse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 240
3.132 Nebenechos durch abgespaltene Transversalwellen ........ 244
3.133 Dreieckreflexionen .................................... 246
3.134 61°-Reflexion ............................ " .......... 248
3.135 Schirmbilder bei Prüfung einer Platte ................... 250
3.136 Störechos durch Oberflächenwellen ..................... 255
3.14 Prüft echnik mit Transversal-, Oberflächen- und Plattenwellen ... 256
3.15 Form- und Größenbestimmung von Fehlstellen ................ 266
3.16 Störungen durch fremde Hochfrequenz. und Ultraschallquellen .. 270
3.17 Organisation der Prüfung, Personal- und Ausbildungsfragen .... 273
3.18 Prüfanlagen und Auswertung der Prüfergebnisse .............. 275
3.2 Fehlerprüfung metallischer Werkstücke ........................... 278
3.21 Schwere Schmiedestücke ................................... 278
3.22 Bearbeitete Maschinenteile ................................. 290
3.23 Eisenbahnmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 298
3.231 Achswellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 298
3.232 Schienen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 303
3.233 Sonstiges Eisenbahnmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 311
3.24 Bleche ................................................... 312
3.241 Mittel- und Grobbleche ............................... 313
3.242 Bänder und Feinbleche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 325
3.25 Halbzeug: Stangen, Knüppel und Drähte ...................... 337
3.251 Stangen............................................. 337
3.252 Knüppel ............................................ 344
3.253 Drähte _. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 346
3.26 Rohre und Flaschen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 348
3.27 Gußstücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 365
XII Inhaltsverzeichnis
Reite
3.28 Schweißverbindungen ...................................... 372
3.281 Stumpfschweißnähte ................................. 372
3.281.1 Allgemeines zur Prüfmethode .................. 372
3.281.2 Blechdicke, Schallwinkel und Prüffrequenz ...... 375
3.281.3 Fehlerortungsverfahren ....................... 378
3.281.4 Fehlerart, ·form und .größe ................... 384
3.281.5 Registrierung und Automatisierung. . . . . . . . . . . .. 386
3.281.6 Hauptanwendungen und wirtschaftliche Gesichts·
punkte ...................................... 396
3.282 Kehlnähte........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 397
3.283 Punktschweißungen .................................. 400
3.29 Niet., Klebe· und Schrumpfverbindungen .................... 402
3.291 Nietlochprüfung ..................................... 402
3.292 Schichtverbindungen durch Löten, Kleben, Plattieren u. ä. 403
3.293 Schrumpfsitze ....................................... 412
3.3 Metallische Werkstoffe und ihre besonderen Prüfaufgaben ........... 414
3.31 Stähle ................................................... 414
3.32 Stahlguß .................................................. 416
3.33 Gußeisen ................................................. 416
3.34 Leichtmetalle... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 423
3.35 Buntmetalle .............................................. 426
3.36 Andere Nichteisenmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 428
3.37 Hart· und andere Sintermetalle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 429
3.4 Prüfaufgaben bei nichtmetallischen Prüflingen ..................... 430
3.41 Porzellan, Steatit und Glas .................................. 430
3.42 Kunststoffe ............................................... 435
3.43 Gummi .................................................. 438
3.44 Natürliches und künstliches Gestein, Schleifscheiben und Kohle .. 439
3.45 Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 442
3.46 Holz und Leder ........................................... 447
3.47 Speck und Fleisch ......................................... 448
3.5 Lage., Form· und Füllstandsbestimmung ......................... 451
3.ß Meßverfahren mit Ultraschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 454
3.61 Wand· und Schichtdickenmessung ........................... 454
3.62 Schallgeschwindigkeitsmessung .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 461
3.63 Schallschwächungsmessung ................................. 467
3.7 Normung ...................................................... 473
Anhang (Tabellen, Formeln, Tafeln) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 477
Sehrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 491
Saehverzeiehnis ..................................................... 512