Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Bauteile in der Entwicklungsphase zu verwenden und beispiels- weise das Verformungsverhalten, bei den tatsächlich auftretenden verschiedenen möglichen Belastungen zu ermitteln und für die letztendliche Konstruktion zu berücksichtigen. Bei bekanntem Verformungsverhalten ist es selbstverständlich außerdem möglich, auch die jeweilige einwirkende Belastung zu bestimmen. Insbe- sondere ist der Einsatz bei hochbeanspruchten, kostenintensiven Bauteilen, beispielsweise im Automo- bilbau, der Luftfahrt oder im Schwermaschinenbau mög- lich, sowie bei Bauteilen, deren Beschädigungen ein hohes Gefährdungspotential zur Folge hat.

Als kostengünstiges und zerstörungsfreies Prüfverfah- ren ist es bekannt, die Schallemissionsanalyse bei verschiedenen Bauteilen einzusetzen. Die Überwachung kann dabei imanent und in integraler Form am Bauteil vorgenommen werden. Bei der Schallemissionsanalyse werden submikroskopische lokale Verformungen regi- striert, die die Schädigung des Materials bei einer Belastung begleiten. Die bei Belastung durch die Ver- formung auftretenden Schallemissionen werden dabei mit empfindlichen piezoelektrischen Sensoren gemes- sen, die bevorzugt an der Oberfläche des zu prüfenden Bauteiles angekoppelt werden. Die Ankopplung kann dabei dauerhaft aber auch in lösbarer Form erfolgen.

Insbesondere bei hochbeanspruchten Bauteilen, an die hohe Sicherheitsanforderungen gestellt werden, werden bevorzugt duktile metallische Werkstoffe, z. B. dukti- le Stähle verwendet. Da die duktilen metallischen Werkstoffe nur geringfügig schallemissionsaktiv sind, kann die Schallemissionsanalyse, wenn überhaupt, nur bedingt eingesetzt werden, da die auswertbaren Signa- le und dabei insbesondere die meßbaren Amplituden in einem Bereich liegen, der einer Auswertung nicht zu- gänglich ist und zumindest die erforderliche Meßge- nauigkeit nicht ausreichend groß ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, duktile metalli- sche Werkstoffe so zu modifizieren und ein Verfahren vorzuschlagen, so daß Bauteile aus solchen Werkstof- fen der Schallemissionsanalyse mit ausreichender Ge- nauigkeit zugänglich sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei Bauteilen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und den Merkmalen des Anspruchs 16 für das Verfahren gelöst. Vorteil-

hafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich bei Verwendung der in den un- tergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmale.

Dem duktilen metallischen Werkstoff, der bevorzugt ein schweißbarer Baustahl aber auch eine duktile Leichtmetallegierung (z. B. Aluminiumlegierung) sein kann, wird zur Erhöhung des Schallemissionsverhaltens ein Stoff partikelförmig zugesetzt, der zumindest im Temperaturbereich unterhalb 400 C spröde ist. Dabei sollten die Partikel zumindest im Einsatztemperatur- bereich des jeweiligen Bauteils spröde sein, z. B. bei Raumtemperatur.

Günstig ist es, wenn die Partikel auch im Umformungs- temperaturbereich plastisch verformbar sind, so daß eine bestimmte Struktur (gestreckt oder Nadelform) der Partikel, beispielsweise bei einer Kaltverfesti- gung erreicht werden kann.

Für bestimmte Werkstoffe oder Bauteile kann es vor- teilhaft sein, die gestreckten nadelförmigen ortho- gnal zur Beanspruchungsrichtung anzuordnen bzw. aus- zubilden. In solchen Fällen können auch annähernd kegelförmige Partikel im Bauteil enthalten sein.

Es hat sich nun gezeigt, daß solche Bauteile vorteil- haft mit einem pulvermetallurgischen Verfahren (Sin- tern, Heißisostatisches Pressen u. a.) hergestellt werden können, wobei eine relativ homogene Verteilung der spröden Partikel eingestellt werden kann.

Die Partikel können aber auch ausgehend von der Ober- fläche durch Einwalzen, Einpressen oder Plattieren in das metallische Material eingebracht werden. Dabei

kann eine lokal differenzierte Anordnung der spröden Partikel im Bauteil erreicht werden, was für bestimm- te Anwendungen günstig sein kann. So können kritische Bauteilbereiche schallemmisionsaktiver werden, als unkritische Bereiche. Die letztgenannten Verfahren führen zu einer Anhäufung der Partikel im Ober- flächenbereich der Bauteile und insbesondere Spannun- gen, die sich in diesem Bereich maximal auswirken, können besser detektiert werden. Die Einbringung der Partikel kann dabei mit einem ansonsten ohnehin er- forderlichen Verfahrensschritt für die Herstellung des Bauteils eingebracht werden (Formgebung).

Der Anteil der spröden Partikel im Metall kann rela- tiv gering gehalten werden und die geringe Menge führt nicht bzw. nur geringfügig dazu, daß die eigentlich vom Grundwerkstoff des Bauteils gewünsch- ten Eigenschaften negativ beeinflußt werden. Die er- forderlichen Anteile liegen unterhalb 20 Vol.-%, es können aber bereits auch Anteile unterhalb 2 Vol-% und Anteile unterhalb 1 Vol-% bewirken bereits eine stark verbesserte Schallemissionsaktivität, die jetzt auch duktile Werkstoffe der Schallemissionsanalyse zugänglich macht.

Die Größe der Partikel sollte im Bereich zwischen 1 und 200 pm, bevorzugt zwischen 1 und 100 pm gehalten sein.

Als geeignete Materialien für die erfindungsgemäß zuzusetzenden Partikel haben sich neben MnS, Si02, Quarzglas, technische Gläser oder Glaslot auch Bori- de, Nitride oder nichtoxidische Keramikwerkstoffe erwiesen, wobei sich verschiedene Gläser mit einem gewissen Anteil an Blei als besser geeignet erwiesen

haben als reines Six,,. Auch Glaslote sind geeignet, die neben Blei auch Bor und andere Elemente enthal- ten.

Für die Auswahl sollte der jeweilige Schmelzpunkt berücksichtigt werden. Bei niedrigem Schmelzpunkt sind entsprechend tiefere Umformtemperaturen für den Werkstoff möglich. Dabei ist jedoch auch zu beachten, daß sich der Einsatztemperaturbereich für die Bautei- le entsprechend verkleinert.

Die bereits als vorteilhaft beschriebene gestreckte Form der Partikel, die im Schliffbild nadelförmig erkennbar ist, kann durch plastische Verformung durch mechanische oder thermomechanische Behandlung er- reicht werden. In Verbindung mit einem pulvermetal- lurgischen Herstellungsverfahren können die mechani- schen Eigenschaften (z. B. Festigkeit und Bruchzähig- keit) in weiten Bereichen variiert werden.

Für die verschiedenen Bauteilformen und metallischen Basismaterialien kann die Schallemissionsaktivität durch gezielte Auswahl der Anzahl, der Art, der Größe und ggf. der Anordnung der spröden Partikel optimiert werden. Ein mögliches Kriterium für die Optimierung kann das Schallemissionsverhalten an der Streckgrenze des duktilen metallischen Werkstoffes sein. Die ge- zielte Einstellung der Schallemissionsaktivität kann unter Berücksichtigung der erhöhten Schallemission an der Streckgrenze oder auch nur für für den gesamten Verformungsbereich bis zur Bruchgrenze optimiert wer- den.

Da bei der Schallemissionsanalyse auch die Dekohäsion an den Grenzflächen von Partikeln und duktilem metal-

lischem Matrixwerkstoff ausgenutzt werden kann, ist es günstig, Partikel eines Werkstoffes mit kleinerem Wärmeausdehnungskoeffizienten als dem des Matrixwerk- stoffes zu verwenden. Dadurch wirkt nach dem Abkühlen eine gewisse Vorspannungskraft durch das Matrixmate- rial auf die Partikel, die jedoch nicht zum vorzeiti- gen Bruch der Partikel führen sollte.

Die erfindungsgemäßen Bauteile sind besonders für die Auslegung für bestimmte Anwendungsgebiete geeignet, um bereits bei der Konstruktion bestimmte Belastun- gen, die auf das jeweilige Bauteil wirken, berück- sichtigen zu können. Dabei können Schwachpunkte er- faßt und konstruktiv ausgeglichen werden.

Eine weitere Möglichkeit, die sich bei Anwendung der erfindungsgemäßen Bauteile bietet, ist die Bestimmung der tatsächlich einwirkenden verschiedenen Belastun- gen. Es können Biege-, Zug-, Torsions-und Druckspan- nungen mittels Schallemissionsanalyse detektiert wer- den.

Auch eine Überwachung der am Bauteil während des Be- triebes einwirkenden Belastungen und die dadurch her- vorgerufenen Verformungen kann durchgeführt werden, um bei Erreichen oder Überschreiten vorgegebener Grenzwerte ein Signal zu generieren und einen Aus- tausch eines kritisch vorgeschädigten Bauteils zu initiieren.

Die Messung erfolgt dabei durch Ankopplung empfindli- cher Piezosensoren am Bauteil, deren Meßsignale nach ausreichender Verstärkung ausgewertet werden können.

Dabei können am Bauteil ein Sensor, vorteilhaft aber auch mehrere Sensoren lokal getrennt angekoppelt

sein. Eine zeitlich verschobene oder parallel Auswer- tung der Schallemissionssignale kann für jeden Sensor selektiert durchgeführt werden. Die Verwendung von mehreren Sensoren kann bei Auswertung des jeweiligen Zeitverzuges der gemessenen Signale die Möglichkeit erschließen eine lokale Zuordnung der Meßsignale am Bauteil zu ermöglichen.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Bauteile ist es nunmehr überraschend möglich, mit einer einfachen Meßtechnik auch bei duktilen Metallen die Schallemis- sionsanalyse mit ausreichender Genauigkeit anzuwen- den. Dabei kann eine vereinfachte sensornahe Meß-und Bewertungselektronik verwendet werden und die Schall- emissionsaktivität optimiert werden.

Solche erfindungsgemäßen Bauteile können vorteilhaft so gestaltet werden, daß ihre Kontur lokal begrenzt Schwachstellen (z. B. Kerben, Querschnittsverringerun- gen) vorgibt, die je nach Verwendung ein Signal lie- fern, bei dem die Bruchsicherheit bzw. Streckgrenze des Bauteils noch nicht erreicht ist oder in der Kon- struktionsphase entsprechende Einflüsse bei der Form- gestaltung und Werkstoffauswahl geprüft werden sol- len.

Bei der Bestimmung von Verformungen und/oder Bela- stungen, die an einem Bauteil aus einem duktilen me- tallischen Werkstoff wirken, der gemäß dem Anspruch 1 spröde Partikel enthält, wird eine Schallemissions- analyse durchgeführt und dabei die Anzahl von gemes- senen Burstsignalen ermittelt und diese Anzahl dann zeit-, spannungs-und/oder dehnungsabhängig bestimmt und bewertet, so daß z. B. das Überschreiten von vor- gebbaren Kräften bzw. Momenten, die auf ein solches

Bauteil auch während des Einsatzes überwacht werden kann. Wird eine solche Überschreitung festgestellt, kann dann gegebenenfalls ein entsprechendes Alarmsi- gnal generiert werden, so daß der erforderliche Aus- tausch des entsprechenden Bauteils erkannt werden kann. In der Regel wird daher, aus Gründen der Ein- fachheit die zeitabhängige Bestimmung der Anzahl der gemessenen Burstsignale (Ereignisrate, ringcountsra- te) vorgezogen werden, da dies elektronisch relativ einfach möglich ist.

Die Meßgenauigkeit einer solchen Schallemissionsana- lyse kann weiter verbessert werden, wenn lediglich die Anzahl von Burstsignalen, die oberhalb eines vor- gebbaren Grenzwertes liegen, bestimmt und berücksich- tigt werden. Ein solcher Grenzwert (Schwellwert) kann bei Messungen mit empfindlichen piezoelektrischen Sensoren, insbesondere unter tatsächlichen Einsatz- bedingungen mit der Erfindung erhöht werden, so daß die Schallemissionsanalyse nicht nur unter Laborbe- dingungen durchgeführt, sondern mit dem höheren Grenzwert der Störgrößeneinfluß verringert wird.

Das Erfordernis des Austausches eines erfindungsgemä- Ben Bauteils kann auch dadurch festgestellt und ange- zeigt werden, daß die bestimmte Anzahl von Amplituden mit mindestens einem werkstoff-und/oder bauteilspe- zifischen vorgebbarem Maximalwert verglichen wird, so daß bei Überschreiten dieses Maximalwertes ein ent- sprechendes Signal generiert wird.

Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispie- len näher beschrieben werden.

Dabei zeigt : Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Meßanordnung zur Schallemissionsanalyse ; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Bau- teils im Zugversuch ; Fig. 3 ein Diagramm der gemessenen Spannung mit Schallemissionsanalyse für ein herkömmli- ches Bauteil ; Fig. 4 ein Diagramm der gemessenen Spannung mit Schallemissionsanalyse für ein erfindungs- gemäßes Bauteil ; Fig. 5 ein vergrößertes Schliffbild eines Werk- stoffes für ein erfindungsgemäßes Bauteil mit im Basismaterial aufgenommenen spröden Partikeln.

Fig. 6 ein Diagramm eines Bauteils gemäß Figur 3 mit weiteren Bezugsgrößen ; Fig. 7 ein Diagramm eines Bauteils gemäß Figur 4 mit weiteren Bezugsgrößen ; Fig. 8 ein Diagramm der ganzen Spannung mit Schallemissionsanalyse an ein herkömmliches Bauteil aus AlLi 5 ; Fig. 9 ein Diagramm der gemessenen Spannung an einem erfindungsgemäß modifiziertem Bauteil aus AlLi 5 mit SiC und Fig. 10 ein Diagramm der gemessenen Spannung an einem erfindungsgemäßen Bauteil aus einem 0,25 % C-Stahl mit MnS-Partikeln.

In der Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines Meßauf- baus zur Durchführung einer Schallemissionsanalyse dargestellt. Dabei wird auf das Bauteil 1 ein Schall- emissionsufnehmer 2 aufgesetzt und akustisch angekop- pelt. Dabei kann der Schallemissionsaufnehmer 2 dau- erhaft aber auch lösbar mit dem Bauteil 1 verbunden

sein.

Über einen Vorverstärker 3, einen Koppler 4 und ein Bandpaßfilter 5 gelangen die verstärkten und selek- tierten Schallemissionssignale in eine Auswerteein- heit 6 (z. B. Personalcomputer). Die Auswertung er- folgt über Kalibrierwerte bzw.-verlaufe, die in ei- nem Speicher der Auswerteeinheit 6 abgelegt sind und mit den Meßwerten verglichen werden, um z. B. die Ver- formung oder die Streckgrenze bzw. deren Überschrei- tung zu erfassen.

In der Figur 2 ist der Aufbau eines Zugversuches an einem Zugstab als Bauteil 1 schematisch dargestellt.

Dabei wird eine definierte Zugkraft oder ein entspre- chend vorgebbarer Kraftverlauf aufgebracht und die Dehnung (Verformung) des Bauteils parallel mit einem herkömmlichen Dehnungsaufnehmer 7 (z. B. mittels DMS) und einem Schallemissionsaufnehmer 2 gemessen.

Das in der Figur 3 gezeigte Diagramm gibt ent- sprechend Figur 2 gemessene Meßwertverläufe an einem herkömmlichen Bauteil aus einem duktilen Stahl mit 8,8 Masse-% Cr, 8,4 Masse-% Ni, 4,2 Masse-% Mo, 1,8 Masse-% Mn, 1,7 Masse-% Si, 0,5 Masse-% C und 0,02 Masse-% S wieder. Dabei ist der Verlauf der Zugspan- nung zeitabhängig (Abzisse unten) und in Abhängigkeit der Dehnung (Abszisse oben) angegeben. Zusätzlich enthält das Diagramm den Verlauf der gemessenen Schallemissionsenergie.

Die einzelnen Schallemissionsenergieamplituden zei- gen, daß diese Signale eine Auswertung der Verformung (Dehnung) oder das Erkennen des Überschreitens der Streckgrenze dieses Werkstoffes nicht zulassen, da

ein Zusammenhang zwischen diesen Meßwerten und der Bauteilbeanspruchung nicht erkennbar und nachweisbar ist.

Im Gegensatz dazu ist dem Diagram nach Figur 4 deut- lich zu entnehmen, daß die mit dem Schallemissions- aufnehmer gemessenen Werte sowohl in ihrer Vertei- lung, als auch die Amplituden aussagekräftiger sind.

Dies ist für die Größe und Verteilung der einzelnen Amplituden der Fall. Die Meßwerte erreichen eine Grö- ße, die oberhalb des Rauschfehlers liegen und demzu- folge eine eindeutige Zuordnung möglich wird. Auch das eindeutige Erfassen der Streckgrenze ist dem Dia- gramm ohne weiteres zu entnehmen.

Bei diesem Beispiel wurde für ein erfindungsgemäßes Bauteil ein Stahl mit 8,8 Masse-% Cr, 8,4 Masse-% Ni, 4,2 Masse-% Mo, 1,8 Masse-% Mn, 1,7 Masse-% Si, 0,5 Masse-% C, 0,02 Masse-% S und 0,5-Masse-% MnS-Parti- kel 9 pulvermetallurgisch homogen eingebaut. Durch eine Warmverformung wurden die MnS-Partikel 9 pla- stisch verformt, wie dies in Figur 5 erkennbar ist.

Die Größe der verformten Partikel 9 liegt bei diesem Beispiel nur im Bereich um 10 pm.

Die MnS-Partikel 9 sind dabei bei Raumtemperatur spröde und dies führt während einer Verformung über- raschend dazu, daß das Überschreiten der Streckgrenze und die darüberhinausgehende plastische Verformung auch bei Werkstoffen, die eigentlich der Schallemis- sionsanalyse nicht zugänglich sind, detektierbar sind.

In den Figuren 6 und 7 sind weitere Diagramme darge- stellt, bei denen eine Schallemissionsanalyse an Bau-

teilen mit weiteren Bezugsgrößen durchgeführt worden ist, wobei die entsprechenden Bauteile aus einem Werkstoff, mit einer Zusammensetzung, die dem nach Figur 3 für das Diagramm in Figur 6 und dem nach Fi- gur 4 für das Diagramm in Figur 7 entspricht, verwen- det werden.

Die Figuren 7 und 8 zeigen Diagramme von Bauteilen aus AlLi 5, wobei das Diagramm die entsprechenden Meßwerte einer Schallemissionsanalyse an einem her- kömmlichen und die Figur 8 mit einem erfindungsgemäß modifizierten AlLi 5, dem spröde Partikel aus SiC (17,5 Vol.-%) zugegeben worden sind, zeigt.

In Figur 9 ist dann weiter ein Diagramm von mittels einer Schallemissionsanalyse gemessenen Spannungen an einem erfindungsgemäßen Bauteil aus einem 0,25 % C- Stahl mit MnS-Partikeln (1 Vol.-%) wiedergegeben wor- den.