Chemische und physikalische Einflüsse können sich auf die Materialeigenschaften von mechanisch belasteten, metallischen Werkstoffen auswirken. Spannungsveränderungen dürfen jedoch weder Bauteileignung noch Funktionalität beeinträchtigen. Beispielsweise ist die Bruchfestigkeit von Festkörpern ein kritischer Faktor. Um etwaige Spannungsänderungen frühzeitig erkennen zu können, waren bisher meist zeitaufwändige Langzeit-Belastungstests zur indirekten Ermittlung des Kraft-Spannungsverhaltens eines Bauteils erforderlich. Gesucht wurde eine automatisierte Lösung zur thermischen Spannungsanalyse von Metall-Prüflingen.

Zur Detektion von Fehlstellen können zum Beispiel mit IR-Emissivitätslack behandelte Aluminium-Prüflinge in eine Resonanz-Zugmaschine eingespannt und im elastischen Bereich gestreckt werden. Generell lassen sich solche Untersuchungen mit unterschiedlichen Messszenarien umsetzen. In einem ersten Beispielszenario wird die Probe mit einer statischen mechanischen Vorspannung von 2,25 kN belastet. Anschließend wechselt die Spannung periodisch um +/- 2,25 kN, woraus sich eine maximale absolute Belastung zwischen 0 und 4,5 kN ergibt. Die Anregungsfrequenz beträgt 100 Hz und ist von der Kombination aus Probe und Resonanz-Zugmaschine abhängig. Erwartungsgemäß zeigt das Temperaturprofil eine Temperatur-Erhöhung entlang der vertikalen Probenachse an der schmalsten Stelle der Probe. Allerdings treten deutliche Temperaturunterschiede zwischen linker und rechter Seite auf, links wird eine höhere Spannung aufgebaut. In einem zweiten Beispielszenario wird eine Probe ähnlichen Lastbedingungen ausgesetzt. Diesmal wechselt die Spannung von Beginn an periodisch um +/- 2,25 kN. Zudem wird die Probe bis zum Bruch belastet. Kurz vor dem Bruch tritt links eine Belastungsspitze auf. Diese wandert bei fortdauernder Belastung mit dem entstehenden Riss weiter in Richtung Probenmitte. Die sich dabei verändernden Spannungen schlagen sich mit Blick auf die Messungen entsprechend in den Temperaturänderungen nieder. Die innere Spannungsänderung Δσ verhält sich direkt proportional zur gemessen Temperaturänderung ΔT. Ein typischer Prüfaufbau der High-End-Thermografie zur Erkennung von thermischen Spannungsveränderungen in metallischen Werkstücken umfasst eine Wärmebildkamera ImageIR® 8300 hp mit einer 100 mm Optik. Die Wärmebildkamera erfasst fortlaufend die Oberflächentemperatur und sendet die Daten in Echtzeit an einen Laptop. Neben IR-Daten wird ein Analogsignal der Zugprüfmaschine aufgezeichnet, das der aktuellen Anregungsfrequenz entspricht und dessen Amplitude Rückschlüsse auf die tat sächlich anliegende Zugkraft erlaubt. Die entsprechenden Daten werden mit der Software IRBIS® 3.1 professional erfasst und anschließend mit der Software IRBIS ® 3 active und deren enthaltenen Lock-In-Algorithmen analysiert.

Thermografie-Lösungen mit High-End-Wärmebildkameras eignen sich zur qualitativen Analyse mechanischer Belastung sowohl für den elastischen als auch im Übergang zum plastischen Spannungsbereich. InfraTec reduziert mit der thermischen Spannungsanalyse von Metallen den Zeitaufwand für berührungslose Prototypentests und Werkstoff-Endkontrollen. Inhomogenitäten wie Oberflächenkorrosion werden über den Zusammenhang von Temperaturänderung und Spannungsänderung von metallischen Werkstoffen und die damit verbundenen Materialquerschnittsschwächungen ermittelt, insbesondere bei Prüflingen mit niedrigem Wärmeleitkoeffizient.