Sicher fliegen mit AMAG Aluminium · existieren, die zur Entstehung von Rissen führen können. Im...
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17 AluReport 02.201416 AluReport 02.2014
AUTOMOBIL
Mit modernsten Prüfmethoden stellt die AMAG sicher, dass aus-
schließlich perfekte Produktqualität an die Luftfahrt-
industrie geliefert wird.
werkstoffe fehlerfrei zu produzieren. Um
aber die Fehleranzahl und -größe zu kon-
trollieren und ein stabiles Qualitätsniveau
zu sichern, werden Luftfahrtplatten für die
Fertigung von hochbeanspruchten Bautei-
len verschiedenen Prüfungen unterzogen:
MECHANISCHE PRÜFUNGEN (ZERSTÖRENDE PRÜFUNGEN):
Die Prüfung der Risswachstumsge-schwindigkeit: Liegen diese zulässigen Fehler an hochbe-
anspruchten Stellen innerhalb eines Bau-
teils, kann dort ein Riss entstehen. Dieser
Riss ist normalerweise so klein, daß er an
der fertig montierten Flugzeugstruktur
mit Hilfe der gängigen zerstörungsfrei-
en Prüfverfahren nicht entdeckt werden
kann. Deshalb ist die Kenntnis des Werk-
stoffverhaltens rissbehafteter Strukturen
bzw. Proben notwendig.
Im AMAG Prüflabor wird unter einer be-
stimmten zyklischen Last (schwingenden
Beanspruchung) in einer Probe ein Riss
erzeugt und sein Wachstum in Abhängig-
keit der Belastungszyklen gemessen. Die
dadurch entstehende Risswachstumskurve
besteht aus drei Bereichen:
Bereich I – Schwellwertbereich:Hier ist die Beanspruchung so gering, dass
auch bei bereits bestehendem Riss kein
weiteres Risswachstum mehr auftritt.
Bereich II – stabiles Risswachstum:Der Bereich des stabilen Risswachstums
dient zur Festlegung der Inspektionsinter-
valle.
Bereich III – Übergang zum instabi-len Risswachstum:
Die Risswachstumsgeschwindigkeit steigt
an. Die Belastung des Bauteiles darf diesen
Grenzwert nicht überschreiten. Das muss
in Konstruktion und Werkstoffauswahl
berücksichtigt werden.
Mit Hilfe der Risswachstumskurve und der
Kenntnis der Beanspruchung und des Be-
anspruchungskollektivs (Anzahl und Grö-
ße der Zyklen) im vorliegenden Bauteil läßt
sich das Risswachstum an dieser Stelle vo-
raussagen. Damit können Inspektionsinter-
valle festgelegt werden, in denen die Risse
sicher nachgewiesen werden können.
Die Ausgangslage:Es wird davon ausgegangen, dass in tech-
nischen Bauteilen immer kleine Fehlstellen
existieren, die zur Entstehung von Rissen
führen können. Im Gegensatz zu einer
glatten fehlerfreien Oberfläche, wo die
Rissinitiierung den größten Teil der Le-
bensdauer einnimmt, wird bei einem rea-
len Bauteil die Lebensdauer hauptsächlich
durch die Rissausbreitung bestimmt. Das
Wachstum dieser Risse muss aber durch
entsprechende zerstörungsfreie Prüfme-
thoden überwacht werden und darf nicht
zum instabilen Risswachstum und damit
zum kompletten Bauteilversagen führen.
Die Wissenschaft:Eine quantitative Beschreibung der Werk-
stoffschädigung durch Rissbildung und
-ausbreitung ermöglicht die technische
Bruchmechanik. Sie ist eine fachübergrei-
fende Wissenschaft zwischen technischer
Mechanik und Werkstofftechnik und geht
grundsätzlich von der Existenz von Rissen
in Bauteilen und Strukturen aus.
Die Prüfungen:Es ist nicht oder nur mit sehr großem Auf-
wand möglich, technische Konstruktions-
Sicher fliegen mit AMAG AluminiumPrüfkompetenz für Luftfahrtplatten
Die Bestimmung der Risswachstumsge-
schwindigkeit kann an unterschiedlichen Pro-
benformen durchgeführt werden, z. B. CT –
compact tension (Abb. 3) oder CCT – center
crack tension-Proben (Abb. 1). Die Probe wird
in einer Prüfmaschine zyklisch belastet und
die Verlängerung eines definierten Anrisses
in regelmäßigen Abständen gemessen. Aus
Spannungsamplitude, Risslänge und Zyklen-
zahl wird die zyklische Spannungsintensität
(ΔK) und die Risswachstumsgeschwindigkeit
(da/dN) berechnet.
Die Risswachstumskurve ist die doppeltloga-
rithmische Darstellung beider Größen gegen-
einander. Ein typisches Ergebnis für Platten
der Legierung 7075-T7351 zeigt Abbildung 2.
An Hand dieser Kurven lässt sich abschätzen,
wie schnell ein Riss unter einer spezifischen
Beanspruchung im Bauteil wächst und welche
Inspektionsintervalle festgelegt werden müs-
sen, um den Riss sicher zu erkennen und ein
Bauteilversagen
auf Grund von
instabiler Riss-
ausbreitung zu
verhindern.
Diese Messungen
sind Bestandteil
jeder Material-
qualifikation bei
jedem Flugzeug-
hersteller.
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
0,0010,010,1
K [ MPa m ]
da/d
N [
mm
/cycle
]
2A-1 L-T - F const. - 78 Hz
2A-6 L-T - F const. - 78 Hz
1A-2 L-T - Kmax const. - 78 Hz
1A-3 L-T - Kmax const. - 78 Hz
2A-5 L-T - F const. - 10 Hz
�� � � � �� �Wie funktioniert …
… EINE RISSWACHS TUMS-GESCHWINDIGKEITS PRÜFUNG?
Abb.1: CCT-Probe
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19 AluReport 02.201418 AluReport 02.2014 19191919191919AluAluAluAluAluAluAluAluAluRepRepRepRepRepRepRepRepRepRepRepRepRepRepRepRepRepRepReportortortortortortortortortortortortortortortortortort 02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.201201201201201201201201201201201201444444
Mit Hilfe der Risswachstumskurve und
der Kenntnis der Beanspruchung und des
Beanspruchungskollektivs (Anzahl und
Größe der Zyklen) im vorliegenden Bauteil
lässt sich das Risswachstum an dieser Stelle
voraussagen. Damit können Inspektions-
intervalle festgelegt werden, in denen die
Risse sicher nachgewiesen werden können.
Die Prüfung der Bruchzähigkeit:Die Bruchzähigkeit beschreibt den Wi-
derstand des Werkstoffes gegen instabile
Rissausbreitung bei einer bestimmten Be-
anspruchung an einem vorhandenen Riss.
Die im Bauteil an der Rissspitze auftre-
tende Belastung muss kleiner sein als der
Werkstoffkennwert, die Bruchzähigkeit
KIc. D. h. bei bekannter Beanspruchung
und Bruchzähigkeit kann die Risslänge
berechnet werden, bis zu der das Bauteil
sicher seine Funktion erfüllt.
ZERSTÖRUNGSFREIE WERKSTOFFPRÜFUNG:
Die Ultraschallprüfung:Bei fehlerfreiem Material tritt der Ult-
raschall an der Oberseite der Platte ein,
wird an der Unterseite reflektiert und
tritt an der Oberseite wieder aus. Feh-
ler im Material „stören“ diesen idealen
Schallweg im Material und führen zu zu-
sätzlichen Anzeigen (Echos). Bei AMAG
wird die Ultraschallprüfung mittels der
phased-array-technoloy durchgeführt.
Dabei wurde ein großer Einzelschwinger
in viele kleine einzelne Elemente unter-
teilt, die sich nun entsprechend den An-
forderungen beliebig kombinieren und
ansteuern lassen. Dadurch können auch
sehr kleine innere Fehler (ca. 0,8 mm
Vergleichsfehlergröße) sichtbar gemacht
werden. Nur Platten mit kleinen Fehler-
anzeigen (Klasse A) gemäß AMS 2154 /
ASTM B 594 werden akzeptiert und zur
weiteren Bearbeitung freigegeben.
Die Leitfähigkeitsprüfung:Die Leitfähigkeitsprüfung ist ein geeigne-
tes Werkzeug, um Rückschlüsse auf den
Festigkeits- und Zähigkeitszustand infol-
ge der Wärmebehandlung zu ziehen. Bei
AMAG wird eine kontinuierlich messen-
de Leitfähigkeitsprüfung an der gesam-
ten Platte durchgeführt. Dadurch wird
sichergestellt, dass die Wärmebehandlung
zu gleichmäßigen Werkstoffeigenschaften
im Material führt und den hohen Sicher-
heitsanforderungen der Luftfahrtindustrie
entspricht.
Weitere Prüfungen:Das Aluminium für Luftfahrtplatten wird
noch einigen weiteren Prüfungen standard-
mäßig bzw. auf Anforderung unterzogen:
Funkenemmissionsspektroskopie ICO-OES (siehe Bericht Seite 8) Zugversuch (L-längs bzw. LT-quer zur
Walzrichtung und ST-Dicke) Gefügekontrolle Spannungsrisskorrosion Lochleibung Druckprüfung Smooth bar fatique
Die Prüfungen von Luftfahrtwerkstoffen
bei der AMAG garantieren eine gleichblei-
bende Qualität innerhalb der geforderten
Grenzen. In den Prüflabors der AMAG
werden die notwendigen Materialkenn-
werte ermittelt, mit denen das schaden-
tolerante Konstruktionsprinzip im Flug-
zeugbauteil umgesetzt werden kann. Die
Erkenntnisse aus diesen Prüfungen fließen
wiederum in die Optimierung der Produk-
te und der Prozesskette ein.
Darum: Schauen Sie ruhig aus dem Flug-
zeugfenster. AMAG Aluminium bringt Sie
sicher ans Ziel.
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Bei der Prüfung der elektrischen Leitfähigkeit wird das
Wirbelstromverfahren angewendet. Es handelt sich hierbei
um ein vergleichendes Verfahren, das mithilfe justierter
Vergleichskörper mit bekannter elektrischer Leitfähigkeit
anzupassen ist.
Fließt in der Spule einer Prüfsonde elektrischer Wechsel-
strom, so wird ein Wechselmagnetfeld aufgebaut. Wenn
die Sonde auf ein Bauteil aufgesetzt wird, dringt dieses
Magnetfeld in das Bauteil ein. Da das Magnetfeld sich
in seiner Größe und Richtung ständig verändert, wird im
elektrisch-leitfähigen Bauteil ein elektrischer Strom indu-
ziert (Wirbelstrom). Der Wirbelstrom baut wiederum ein
Magnetfeld auf. Das Magnetfeld, welches aufgrund des
Wirbelstroms im Bauteil erzeugt wird, ist dem anregenden
Magnetfeld aus der Sonde entgegengerichtet.
Beide Felder wirken gleichzeitig auf die Spule ein und er-
zeugen eine Induktionsspannung. Die in der Spule indu-
zierte Spannung ist der anregenden Spannung entgegen
gerichtet. Die Differenz zwischen den Spannungen ist ein
Indikator für die Leitfähigkeit, welche wiederum den so-
genannten ‚„Ausscheidungszustand“ widerspiegelt. Somit
können Rückschlüsse auf den Festigkeits- und Zähigkeits-
zustand infolge der Wärmebehandlung gezogen werden.
Die Ultraschallprüfung beruht darauf, dass Schallwellen an
Grenzflächen unterschiedlicher Materialien reflektiert wer-
den, z. B. Luft-Metall.
Ein Prüfkopf, der sowohl als Sender wie auch als Emp-
fänger fungiert, fährt in überlappenden Bahnen die Ober-
fläche des Prüfstückes ab. Dabei wird der Schallstrahl an
den Grenzflächen von Ungänzen, Fehlern (z. B. Lunker,
Einschlüsse, Risse) reflektiert. Die vergangene Zeit zwi-
schen Senden und Empfangen der Schallimpulse lässt
die Berechnung des Schallweges und damit der Tiefe des
Fehlers zu.
Der reflektierte Anteil des Schallstrahls gibt Auskunft über
die Fehlergröße. Die Reflektionen werden über die Laufzeit
des Ultraschalls oder den Schallweg im Metall dargestellt
(Abb. 5).
Anhand dieses Bildes kann die Lage und die Größe des
Fehlers (in der Fachsprache Ungänze genannt) bestimmt
werden.
Wie funktioniert …
… EINE LEITFÄHIGKEITSPRÜFUNG?Wie funktioniert …
… EINE ULTRASCHALLPRÜFUNG?
Prüfkopf der Leitfähigkeitsprüfanlage Ultraschallprüfanlage
Abb. 3: unterschiedliche Größen der CT-Proben
Koppelmedium/Wasser
Prüfkopf
Aluminiumplatte
Oberfläche
Fehlstelle
Amplitudenhöhe [%]
Rückwand
Laufzeit [ms]Aluminiumplatte
Messsonde Hochfrequentes
magnetisches
Wechselfeld
Wirbelströme
Abb. 5Abb. 4
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