Große Materialproben bzw. Objekte, bei denen annähernd mit einer linearen Energieübertragung gerechnet werden kann, verlocken zur Anwendung eines Energiekonzeptes zur Klassifizierung von Schadenszuständen. Das einfachste Schadenskonzept lautet :

Je größer der Schaden, umso größer die Energie der Primärschallquellen.

Für eine Bewertung des Objektzustandes werden verschiedenste SE- Parameter wie, Signalzahl ( Z_Sig / Zahl), Signalaktivität (SA_OA / s^-1 )   am Ort des Aufnehmers oder Signalenergie ( E _Sig / Ws) herangezogen. Die komplexen Ausbreitungsbedingungen in realen Objekten gestatten nicht durchgehend die Bewertung nach dem Energiekonzept. Bei großen Gasdruckbehältern, bei Reaktorbehältern usw., die nicht kompliziert strukturiert sind, wurden nach diesem Konzept hinreichende Erfolge erzielt. Dies gelingt oft schon ohne hinreichende Signalerfassung, weil das Energiekonzept bei großen Defekten auch die gesammte Schallsumme erhöht.

Gemäß ASTM  (E 569-76) [1] werden drei Schadensgruppen eingeteilt. Deutlich fest umrissene Aufteilungsvorschriften nach den Schallparametern liegen nicht vor, vielmehr wird eine mehr qualitative Klassifizierung für mögliche Schadensbereiche angegeben. Dies ist ein aller erster Versuch einer SE-Graduierung überhaupt.

Schallquellen des Schadensgrades A liegen vor, wenn die Ursachen zugehöriger Schallemissionen den Bestand der Struktur unmittelbar gefährden können. Die Beanspruchung der Struktur ist zu unterbrechen. Das Ergebnis ist durch andere zerstörungsfreie Prüfverfahren zu bestätigen.

Schallquellen des Schadensgrades B liegen vor, wenn die erregenden Prozesse zum Zeitpunkt der Beanspruchung für den Bestand der Struktur unbedeutend sind; für die Zukunft aber eine häufigere Überprüfung des Zustandes des Prüfobjektes erforderlich erscheint.

Schallquellen des Schadensgrades C liegen vor, wenn für die Struktur unbedeutende Schallemissionsquellen anliegen, die keine weiteren Untersuchungen erfordern und nicht makroskopisch relevant sind.

Wird ein exponentieller Anstieg der Schallemission (SE ) bei der Beanspruchung des Objektes registriert, liegt der Schadensgrad A vor. Solche Emissionen werden im Allgemeinen von wachsenden Erregerprozessen, Rissen, Leckagen, Aufbrechen von harten Einschlüssen, usw. hervorgebracht. Sie sind  mit makroskopisch, großen Prozessergebnissen gekoppelt. Diese werden nur im wachsenden Zustand während der Beanspruchung bei SE-Überwachung erfasst. Mit Hilfe von Ultraschall- Röntgen- oder Isotopenprüfverfahren können, allerdings mit erheblichem Zeitaufwand, solche makroskopischen Defekte im Ruhzustand des Prüfobjektes nach der Beanspruchung erfasst werden. Sie liefern dann Abbildungen der Defekte, Tiefe, Höhe, Orientierung der Defekte. Deshalb ist es oft wichtig nach einem Abbruch einer Beanspruchung mit diesen Prüfverfahren nach den entstandenen Defekten zu suchen. Dies ist aber nur dann erforderlich, wenn extreme SE- Aktivität festgestellt wurde. Hier zeigt sich deutlich der Vorteil der SE-Überwachung. Im Prinzip kann auf die Durchführung von konventionellen zerstörungsfreien Prüfverfahren verzichtet werden, wenn bei einer SE-Überwachung keine Signale aufgetreten sind. Nur die SE- Überwachung kann echt, momentan vor einem Schadenseintritt warnen. Die bruchmechanische Bewertung der gefundenen Defekte liefert eine Einschätzung, ob das Objekt einer weiteren Beanspruchung unterzogen werden kann. Die weitere SE-Überwachung zeigt dann auch sofort, ob diese Defekte weiter wachsen oder nicht. Nur im Fall der weiteren Veränderung der Defekte werden SE-Signale ausgesandt. Das  aus praktischer Erfahrung verfolgte einfache Konzept :“Große und viele SE-Signale = großer Schaden“  konnte nicht generell weiter vertreten werden, ist aber immer noch eine wichtige Faustregel. Bereits vorhandene lange Risse können sofort mächtige Rissuferreibung aufweisen ohne sofort kritisch zu wachsen. Andererseits können die Rissufer bereits weit geöffnet vorliegen und wenig Reibungsgeräusche erzeugen. Ein Riss kann sofort kritisches Risswachstum aufweisen und so schnell zum Durchbruch führen, dass SE nur wenige Mikrosekunden zuvor angezeigt wird. Das hat oft zu Endtäuschungen über die Leistungsfähigkeit der SE geführt. Im Grunde wurde jedoch nur ein bereits zu stark vorgeschädigtes Objekt genutzt. Wenn bei Beanspruchung eines bereits fortgeschrittenen Risses das Griffithkriterium [2] unmittelbar erfüllt ist, führt der Riss mit extrem hoher Geschwindigkeit zur instabilen Rissausbreitung und zum Bruch. Wenn nicht rechtzeitig ein SE-Signal gemessen wurde, bedeutet dies nur, wir sind nicht rechtzeitig, noch während des stabilen Risswachstums, mit der SE –Messung am Riss gewesen. Testobjekte dürfen nicht bereits soweit vorgeschädigt sein, dass kein stabiles Risswachstum mehr auftritt, sonder sofort ein instabiler Riss zum Bruch führt. Auch ein Gewaltbruch ist nur wenige Mikrosekunden vor dem Bruch registrierbar./1/

Schallquellen des Schadensgrades B zeigen nur linear ansteigende SE-Aktivitäten. Hier sind lediglich Anfänge von Schadensprozessen zu vermuten. Kurzeitige Überbeanspruchung örtlich begrenzter Bereiche, die sich der Streckgrenze annähern, Alters- bzw. Ermüdungsdefekte, Korrosionsvorgänge oder Oberflächeneffekte können ein allmähliches Ansteigen des Signalpegels bewirken. Dann sollten an kritischen Punkten der Struktur andere Kontrollen durchgeführt werden, die die SE-Überwachung ergänzen. Hier sind nur Mikrodefekte zu erwarten, die im Allgemeinen durch Ultraschallprüfverfahren noch nicht erfasst werden. Für SE-Bilder des Schadensgrades B ist immer eine weitere Defektsuche angebracht, auch wenn sie oft keine Ergebnisse mit den konventionellen Methoden erbringen wird, weil zunächst nur Defekte in Mikrobereichen gebildet werden, die sich einer Ultraschallerfassung noch entziehen. Da die SE zwar ein Nachweis, aber hier noch keine Bewertung des Defektes liefert, sollte nachgeprüft werden, sobald Anzeigen vorliegen.

Der Beginn von SE-Signalen setzt bei Stahl vor dem Beginn der Streckgrenze ein und dient zur Warnung vor zu hoher Beanspruchung. Bei der Nutzung eines Objektes entstehende überhöhte Beanspruchung verursacht Dehnungskonzentrationen, die bei Überschreiten des Dehnungsschwellwertes zu SE-Signalen führen, weil solche Spannungsspitzen durch Abgabe elastischer Energie wieder abgebaut werden. Hierbei entstehen Signale der Schadensgruppe C, die zu relativ konstanten Schallereignissen führen.

Formal wird in der Abbildung versucht dieses Konzept mit der Schallsumme über der Zeit zu verdeutlichen. Ohne Berücksichtigung der Gesamtstruktur kann dieses Konzept der Fehleranalyse mit SE nicht aufgehen. Ein Fehler im Bereich höherer Spannungen bewirkt mehr und größere SE-Signale als ein Defekt in Bereichen geringerer Spannungen. Durch die Konstruktion bedingte Spannungszustände und Schallausbreitungseffekte bewirken unterschiedliche, nicht mehr homogene Verhältnisse im Objekt. Im Kapitel Behälterprüfung  werden die vielen Versuche zur Verbesserung der Fehleranalyse durch Einbeziehung und Berücksichtigung von Material und Struktur, sowie statistischen Verfahren näher ausgeführt. Da dieses Konzept für eine Defektanalyse zu grob ist, wird es oft bei Überwachungssystemen genutzt./2/

Formale Darstellung des Schadenskonzeptes mit der Schallsumme

Fußnoten :
[1] ASTM --> American Standard for Technical Measurements
[2] Griffithkriterium --> Instabile Rissausbreitung erfolgt immer, wenn die elastische Verzerrungsenergie W_E > W_oder aufzubringenden Oberflächenenergie für die Bildung der neuen Oberfläche wird.

Literatur:
/1/Schatt, Werner; Dr.Ing.habil.; Einführung in die Werkstoffwissenschaft; VEB Deutscher Verlag für Grundstoff , Leipzig 1984

Zu den Grundlagen

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