Gütekontrolle

Für die Beurteilung der Güte eines Werkstoffes oder eines Bauteiles wird mit großem Erfolg das Resonanzverfahren angewendet. Hierbei wird ein Körper mittels freier oder erzwungener Schwingungen angeregt und die für diesen Teil charakteristischen Resonanzfrequenzen gemessen und ausgewertet. Zu freien Schwingungen gelangt ein Körper durch einen kurzzeitigen mechanischen Impuls (ähnlich dem eines Glockenschlages), welche je nach Größe seiner Dämpfung mehr oder weniger schnell abklingen. Zur Anregung von erzwungenen Schwingungen verwendet man Frequenzgeneratoren. Sie erhalten durch kontinuierliche Energiezufuhr die Schwingung des Prüflings aufrecht. Hierbei kann dieser durch Frequenzänderung der zugeführten Schwingungsenergie in Eigenresonanzen versetzt werden. Dabei führt der Prüfling starke Schwingungen bei geringer Energiezufuhr aus.

Durch die Anwendung kleiner mechanischer Wechselspannungen, welche keine irreversiblen Verformungen hervorrufen, spricht man bei diesen Meßverfahren von dynamischer, zerstörungsfreier Werkstoffprüfung. Für die Prüfung werden schwingungsfähige Systeme verwendet, in denen im Bezug auf die Längsachse drei Arten von Hauptresonanzen vorkommen. Neben diesen drei Grundresonanzen, der Dehnungs-, Drillungs- und Biegeschwingung, treten noch weitere Nebenresonanzen, harmonische und nichtharmonische Schwingungen auf, welche auch für die Beurteilung der Probe herangezogen werden können. Aus den Grundresonanzen, den Abmessungen und der Dichte des Prüflings lassen sich die elastischen Konstanten bzw. Elastizitätsmoduln berechnen. Zur Berechnung des dynamischen Elastizitätsmoduls (E-Modul) wird die Frequenz der Dehn- oder Biegewelle und für den Schub- oder Torsionsmodul (G-Modul) die Frequenz der Torsionswelle verwendet.

Elastische Konstanten können für Bauteile mit komplexer Geometrie nicht berechnet werden. Solche Teile werden durch Vergleich eines vorher empirisch festgelegten Frequenzmusters verglichen. Dazu wird für bekannte gute und schlechte Teile ein Frequenzband festgelegt, in welchem charakteristische Eigenresonanzen zur Beurteilung vorkommen. Bei der nachfolgenden Prüfung erfolgt dann ein Abtasten dieses Frequenzbereiches und ein Vergleich der Resonanzkurven, wobei Teile mit Fehlern zu einer Frequenzverschiebung oder Aufspaltung (Doppelfrequenz) der bei guten Teilen vorhandenen Eigenresonanzen führen.

Neben dem Resonanzverfahren sind auch mehrere Ultraschallmethoden zur zerstörungsfreien Materialprüfung bekannt. Beim Impuls-Echo-Verfahren werden kurzzeitig wiederkehrende Spannungsimpulse in einem Sendermeßkopf in Ultraschallimpulse umgesetzt, welche den zu prüfenden Gegenstand durchlaufen. Der an Grenzflächen reflektierte Schallimpuls gelangt an den Empfängermeßkopf, der wiederum ein elektrisches Signal liefert. Die Auswertung des Echos erfolgt nach mehreren Kriterien am Bildschirm eines Ultraschallmeßgerätes. Beim Impuls-Laufzeitverfahren wird die Laufzeit einer Schallwelle durch einen Körper gemessen. Je nach Ankoppelbedingungen können die Laufzeiten von Longitudinal- oder Transversalwellen gemessen werden, woraus man wieder E- und G-Modul berechnen oder je nach Laufzeit auf Materialänderungen und Fehler schließen kann.

Mit dem neuen vollkommen computergesteuerten Elastometer können sowohl das Resonanzverfahren als auch das Impuls- Laufzeitverfahren mit hoher Genauigkeit anangewandt werden. Der große Vorteil liegt darin, daß man für die Eigenresonanzmessung eines unbekannten Prüflings die zu erwartenden Grundresonanzfrequenzen über die Schallaufzeitmessung vorausberechnen kann. Nachdem die für die Berechnung der elastischen Konstanten erforderlichen Probekörperdaten – Abmessungen, Dichte und Poisson´sche Konstante sowie die gemessene Schallaufzeit der Dehnwelle eingegeben wurden, erfolgt automatisch die Auswahl des entsprechenden Frequenzbereiches, welcher anschließend durchgescannt wird. Die Darstellung des Signales erfolgt in einem Koordinatensystem mit einer Frequenzskala als Abszisse sowie Amplitude und Phase als Ordinate. Gemessen werden können alle drei Grundresonanzen zusammen oder jede für sich, wobei die zu erwartenden Grundresonanzen mittels Ordinatenlinie angezeigt werden. Neben der automatischen Festlegung des Frequenzbereiches kann aber auch ein Frequenzband durch Eingabe einer Start- bzw. Endfrequenz ausgewählt werden. Die gleichzeitige Darstellung des Resonanzspektrums mit der Phasenlage erlaubt die einwandfreie Identifizierung vorkommender Resonanzfrequenzen des Prüflings. Mittels Cursor wählt man die zur Berechnung gefundene Resonanzfrequenz. Nach Bestätigung wird neben dem E- bzw. G-Modul auch die Dämpfung berechnet. Das Resonanzspektrum läßt sich mehrfach am Bildschirm darstellen, abspeichern, ausdrucken.

Das EG-Meter hat sich zur Bestimmung elastischer Konstanten schon jahrelang bewährt. Es ermöglicht Resonanz- und Schallaufzeitmessungen und ist manuell zu bedienen. Eine Darstellung der Resonanzkurven ist jedoch nur mit X-Y-Schreiber möglich. Durch Abstimmung des Frequenzgenerators auf das Amplitudenmaximum wird die Resonanzfrequenz gefunden, wobei die Phasenlage am eingebauten Oszilloskop beobachtet werden kann.

Weitere Informationen A QE 501