DD249764A1 - ARRANGEMENT FOR DETERMINING DYNAMIC BREAKING ABILITY - Google Patents

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DD249764A1
DD249764A1 DD29106586A DD29106586A DD249764A1 DD 249764 A1 DD249764 A1 DD 249764A1 DD 29106586 A DD29106586 A DD 29106586A DD 29106586 A DD29106586 A DD 29106586A DD 249764 A1 DD249764 A1 DD 249764A1
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Rainer Clos
Ulrich Schreppel
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Univ Magdeburg Tech
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der dynamischen Bruchzaehigkeit metallischer Werkstoffe bei Aenderungsgeschwindigkeiten des Spannungsintensitaetsfaktors K im Bereich von 106 bis 107 MPa m1/2s 1, mit denen bei stossartiger Belastung bzw. in Havariesituationen zu rechnen ist, z. B. im neutronenversproedeten Reaktordruckbehaelter von Kernkraftwerksanlagen, wobei die Stossbelastung ueber einen mit der Probe in Wirkkontakt stehenden Wellenleiter erfolgt. Ziel ist es, den Aufwand an Probenmaterial, Abschirmungsmassnahmen sowie die Herstellungskosten der Proben zu senken. Hierzu soll eine Anordnung entwickelt werden, die die Verwendung sehr kleiner Proben gestattet. Erfindungsgemaess ist die Probe (3) zwischen den Stirnflaechen zweier achsfluchtender Wellenleiter angeordnet. Dabei schneidet die Laengsachse der Wellenleiter die Laengsachse der Probe (3) und verlaeuft symmetrisch zur Rissebene. Der auf der rissbehafteten Seite der Probe (3) befindliche Wellenleiter steht ueber ein brueckenfoermiges Koppelelement mit der Probe (3) in Wirkverbindung, waehrend der zweite Wellenleiter ueber ein die Probe in der Rissebene etwa linienfoermig beruehrendes zweites Koppelelement mit der Probe (3) in Wirkverbindung steht. FigurThe invention relates to an arrangement for determining the dynamic fracture toughness of metallic materials at Aenderungsgeschwindigkeiten the Spannungsintensitaetsfaktors K in the range of 106 to 107 MPa m1 / 2s 1, which can be expected at impact load or in emergency situations, z. B. in neutron-versed reactor pressure vessel of nuclear power plants, wherein the shock load via a standing in operative contact with the waveguide waveguide. The aim is to reduce the amount of sample material, shielding measures as well as the production costs of the samples. For this purpose, an arrangement is to be developed that allows the use of very small samples. According to the invention, the sample (3) is arranged between the end faces of two axially aligned waveguides. The longitudinal axis of the waveguide intersects the longitudinal axis of the sample (3) and runs symmetrically to the crack plane. The waveguide located on the cracked side of the sample (3) is in operative connection with the sample (3) via a bridge-shaped coupling element, while the second waveguide is in operative connection with the sample (3) via a second coupling element touching the sample in the plane of the crack stands. figure

Description

Wesentlich kleinere Proben erfordert eine an der Technischen Hochschule Magdeburg entwickelte getrennte Anordnung eines wiederverwendbaren Wellenleiters und einer Probe, wobei im Wellenleiter ein Druckimpuls durch Projektilaufschuß auf den Wellenleiter erzeugt wird und durch Reflexion am freien Ende der Probe ein Zug impuls entsteht (Stroppe, H., R.CIos, T. Hem pel, U.Schreppel, P.Veit, B. Schmeißer: Wiss. Z. Techn. Hochsch. Magdeburg 24[198O] H. 5, S. 91-95). Diese Anordnung gestattet eine sehr genaue Bestimmung von K|d bei hohen K, jedoch sind für Experimente an im Atomreaktor bestrahlten Proben der Materialeinsatz bei einer Proben länge von 130mm sowie der Aufwand für die für diese Probengröße erforderlichen Abschirmmaßnahmen immer noch zu hoch. Die technische Ursache der relativ großen Probenvolumina ist, daß sich ein über dem Querschnitt homogener, sich relativ stabil ausbreitender Belastungsimpuls erst nach einer dispersionsbedingten Stabilisierung im Wellenleiter über größere Laufwege ausbildet. Auch bei der an der THM entwickelten Anordnung sind wegen der überlagerungsfreien Reflexion noch Probenlängen notwendig, die mindestens einer Wellenlänge des Belastungsimpulses entsprechen.Much smaller samples requires a developed at the University of Applied Sciences Magdeburg separate arrangement of a reusable waveguide and a sample, wherein in the waveguide, a pressure pulse is generated by Projektilaufschuß on the waveguide and by reflection at the free end of the sample a train pulse arises (Stroppe, H. R. Clos, T. Hempel, U. Schreppel, P. Veit, B. Schmeisser: Wiss. Z. Techn. Hochsch. Magdeburg 24 [198O] H. 5, pp. 91-95). This arrangement allows a very accurate determination of K | d at high K, but for experiments on samples irradiated in the nuclear reactor, the use of material at a sample length of 130mm and the cost of the necessary for this sample size shielding measures are still too high. The technical cause of the relatively large sample volumes is that a homogeneous over the cross-section, relatively stable propagating stress impulse only after a dispersion-related stabilization in the waveguide over longer paths is formed. Even with the arrangement developed at the THM, sample lengths which correspond to at least one wavelength of the load pulse are still necessary because of the superimposition-free reflection.

Weiterhin ist eine Anordnung zur Bestimmung von Kw bekannt (J. R. Klepaczko, Journ. Eng. Materials and Technology, 104, [1982], 29), die zwei zylindrische Stäbe als Wellenleiter nutzt, wobei die Probe in kleiner Ausführung als modifizierte Form der CT-Probe sich zwischen den Wellenleitern befindet. Der einlaufende Stab endet in Form eines Keiles, der in den Kerb der Probe getrieben wird und so zur Rißöffnung führt. Die Meßwerte dieser Versuchsanordnung führten zu erheblichen Streuungen der ermittelten dynamischen Bruchzähigkeit K|d.Further, an arrangement for determining K w is known (JR Klepaczko, Journ, Eng., Materials and Technology, 104, [1982], 29) which utilizes two cylindrical rods as waveguides, the sample being smaller than a modified form of CT Sample is located between the waveguides. The incoming rod ends in the form of a wedge, which is driven into the notch of the sample and thus leads to the crack opening. The measured values of this test arrangement led to considerable variations of the determined dynamic fracture toughness K | d .

Die Ursache dieser Interpretationsschwierigkeiten sind z.Z. ungelöste Probleme der dynamischen Reibung bei der Belastung durch den Keil, während die nur statische Betrachtung fehlerhaft ist.The cause of these interpretation difficulties are z.Z. unresolved problems of dynamic friction during loading by the wedge, while only static viewing is faulty.

Daß die Erzeugung definiert bestrahlten Probenmaterials zur Ermittlung mechanischer Werkstoffe kostspielig ist, zeigt auch der internationale Trend, an solchem einmal bestrahlten Probenmaterial möglichst viele Kennwerte zu ermitteln. Zum Beispiel werden von Perrin, J.S., E.O.Fromm, W.L.Server, P.E.McConnell: in ASTM STP 782,1982, S.582-593, Preparation of reconstituted Charpy-V-notch impact specimens for generating pressure vessel steel toughness data, gebrochene Hälften neutronenbestrahlter Charpy-V-Proben in heißen Labors mit anderem Material verschweißt, um zusätzlich zur Charpy-V-Energie bruchmechanische Kennwerte zu ermitteln. Dieses Verfahren ist äußerst kostenaufwendig. Der Nachteil aller oben genannten Verfahren ist, daß auf Grund der erforderlichen Mindestgröße der Proben eine Wiederverwendung von bereits zu anderen Zwecken untersuchtem Probenmaterial nicht bzw. nur unter großem Aufwand möglich ist.That the generation of defined irradiated sample material for the determination of mechanical materials is expensive is also shown by the international trend of determining as many characteristic values as possible on such once irradiated sample material. For example, Perrin, JS, EOFromm, WLServer, PEMCConnell: broken halves are described in ASTM STP 782,1982, p.582-593, Preparation of reconstituted Charpy-V-notch impact specimens for generating pressure steel toughness data neutron-irradiated Charpy-V specimens are welded in hot laboratories with other material to determine fracture mechanics characteristics in addition to the Charpy-V energy. This process is extremely expensive. The disadvantage of all the above-mentioned methods is that, due to the required minimum size of the samples, a reuse of sample material that has already been investigated for other purposes is not possible or only possible with great effort.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Ermittlung der dynamischen Bruchzähigkeit Kid bei Änderungsgeschwindigkeiten desSpannungsintensitätsfaktoren K bis zu 107MPa Hi172S"1 zu schaffen, die eine Sekung des Material- und Kostenaufwandes insbesondere bei der Herstellung neutronenbestrahlten Probenmaterials sowie eine Senkung des Kostenaufwandes für die bei der Untersuchung aktivierten Materials erforderlichen Abschirmmaßnahmen gestattet.The object of the invention is to provide an arrangement for determining the dynamic fracture toughness Kid at rates of change of the stress intensity factors K up to 10 7 MPa Hi 172 S " 1 , which reduces the costs of materials and costs, in particular in the production of neutron irradiated sample material and a reduction of the cost allowed for the activated in the investigation material required shielding.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Da bei einer Vielzahl von Werkstoffprüfmethoden Hälften von Charpy-V-Proben anfallen, liegt der Gedanke nahe, diese Hälften zur Ermittlung der dynamischen Bruchzähigkeit wiederzuverwenden. Dabei sollen jedoch die Vorteile der bekannten Impulsbelastungsanordnung Wellenleiter—Probe erhalten bleiben, d.h. eine Schlagbelastung der Probe vermieden und dadurch eine zuverlässige Ermittlung der dynamischen Bruchzähigkeit ermöglicht werden.Since halves of Charpy-V samples occur in a large number of material testing methods, it seems reasonable to reuse these halves to determine the dynamic fracture toughness. However, the advantages of the known impulse loading arrangement waveguide sample should be retained, i. avoid impact load of the sample, thereby enabling a reliable determination of the dynamic fracture toughness.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Ermittlung der dynamischen Bruchzähigkeit zu entwickeln, die die Verwendung derartig kleiner Proben gestattet.Accordingly, it is an object of the invention to provide an arrangement for determining dynamic fracture toughness which permits the use of such small samples.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die rißbehaftete Probe zwischen den Stirnflächen zweier achsfluchtender Wellen leiter so angeordnet ist, daß die Längsachse der Wellenleiter die Längsachse der Probe schneidet und symmetrisch zur Rißebene verläuft. Der auf der rißbehafteten Seite der Probe befindliche Wellenleiter steht mit der Probe über ein brückenförmiges Koppelelement, das mit seinen Fußflächen beiderseits des Risses die Probe in akustischem Kontakt berührt, in kraftschlüssiger Wirkverbindung. Der zweite, auf der dem Riß abgewandten Seite der Probe befindliche und als Widerlag er wirkende Wellen leiter steht mit der Probe über ei η die Probe in der Rißebene etwa linienförmig berührendes zweites Koppelelement in kraftschlüssiger Verbindung.According to the invention the object is achieved in that the sample with cracks between the end faces of two achsfluchtender waves conductor is arranged so that the longitudinal axis of the waveguide intersects the longitudinal axis of the sample and extends symmetrically to the plane of the crack. The waveguide located on the cracked side of the sample is in frictional engagement with the sample via a bridge-shaped coupling element which touches the sample in acoustic contact with its foot surfaces on both sides of the crack. The second, on the side facing away from the crack of the sample and as an abutment he acting waves ladder is connected to the sample via ei η the sample in the plane of the crack approximately linear contact second coupling element in non-positive connection.

An den beiden Wellenleitern ist eine Meßeinrichtung zur Messung der Impulse angeordnet.At the two waveguides, a measuring device for measuring the pulses is arranged.

An der der Probe gegenüberliegenden Stirnseite des ersten Wellenleiters wird z.B. durch Projektilaufschlag ein Druckspannungsimpuls erzeugt, der sich im Wellenleiter ausbreitet und in seinem Zeitverlauf durch Meßelemente in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Dieser Druckspannungsimpuls wird durch die mit dem brückenförmigen Koppelelement realisierte kraftschlüssige Verbindung zwischen erstem Wellenleiter und Probe symmetrisch zum Riß in beide Probenenden eingeleitet.At the end of the first waveguide opposite the sample, e.g. produced by projectile impact a compressive stress pulse which propagates in the waveguide and is converted in its time by measuring elements in an electrical signal. This compressive stress pulse is introduced symmetrically to the crack in both sample ends by the frictional connection between the first waveguide and the sample realized with the bridge-shaped coupling element.

Bei hinreichend großer Amplitude des primären Druckspannungsimpulses wird die Rißbelastung so groß, daß Rißausbreitung einsetzt bzw. vollständiger Bruch der Probe erfolgt, wodurch bei der gewählten Anordnung eine definierte Veränderung des im zweiten Wellenleiter auftretenden Druckspannungsimpulses bewirkt wird.At a sufficiently large amplitude of the primary compressive stress pulse, the crack load is so large that crack propagation begins or complete breakage of the sample takes place, whereby a defined change of the compressive stress pulse occurring in the second waveguide is effected in the selected arrangement.

Aus den gemessenen und registrierten zeitlichen Verläufen beider Druckspannungsimpulse wird über ein entsprechendes Auswerteverfahren die Bruchzähigkeit ermittelt.From the measured and registered time profiles of both compressive voltage pulses, the fracture toughness is determined by means of a corresponding evaluation method.

Die Vorteile der Anordnung bestehen darin, daß durch die Verwendung von Wellenleitern und damit der Vermeidung von frei beweglichen Teilen eine sehr präzise Justierung der Probe vorgenommen werden kann und dadurch die Verwendung sehr kleiner Proben möglich ist. Bei einer durchaus möglichen weiteren Verringerung der Probenabmessungen ist die Erfüllung der „plane-strain-Bedingung" zur Ermittlung gültiger Bruchzähigkeiten zu beachten.The advantages of the arrangement are that by the use of waveguides and thus the avoidance of freely moving parts a very precise adjustment of the sample can be made and thereby the use of very small samples is possible. In case of a possible further reduction of the sample dimensions, the fulfillment of the "plane-strain-condition" for the determination of valid fracture toughness has to be considered.

Die gegenüber herkömmlichen Anordnungen dieser Art deutlich reduzierte Größe der Proben bewirkt nicht nur eine Einsparung an Probenmaterial sondern ist auch eine wesentliche Voraussetzung für die Untersuchung von im Atomreaktor bestrahlten Proben. Kleine Proben tragen sowohl dem für solche Zwecke nur in begrenztem Umfang zur Verfügung stehenden Bestrahlungsraum sowie einem sich in Grenzen haltenden Aufwand zur Gewährleistung des Strahlenschutzes Rechnung.The size of the samples, which is significantly reduced in comparison with conventional arrangements of this type, not only results in a saving of sample material but is also an essential prerequisite for the investigation of samples irradiated in the atomic reactor. Small samples take into account both the space available for such purposes only to a limited extent and a limited effort to ensure radiation protection.

Außerdem ist es durch die Erfindung möglich, die bereits bestrahlten, bei obligatorischen Routineuntersuchungen an Reaktorwerkstoffen anfallenden Hälften von Charpy-V-Proben wiederzuverwenden, wodurch außer dem Probenmaterial auch Reaktorraumkapazität und Zeit eingespart werden.In addition, it is possible by the invention to reuse the already irradiated halves of Charpy-V samples resulting from obligatory routine tests on reactor materials, whereby not only the sample material but also reactor space capacity and time are saved.

Darüber hinaus bietet die Verwendung von Wellenleitern bekannterweise den Vorteil einer stoßfreien Belastung der Probe, d.h., es werden keine höherfrequenten Schwingungen angeregt, und somit kann die Bestimmung der dynamischen Bruchzähigkeit mit einem geringeren meßtechnischen Aufwand und mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden.Moreover, the use of waveguides is known to offer the advantage of a bumpless loading of the sample, i.e. no higher frequency vibrations are excited, and thus the determination of the dynamic fracture toughness can be carried out with less effort and with higher accuracy.

Ausführungsbeispielembodiment

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine prinzipmäßige Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung.Below, the invention will be explained in more detail by way of example. The accompanying drawing shows a schematic representation of the arrangement according to the invention.

Zwischen zwei als Wellenleiterfungierenden achsfluchtenden zylindrischen Stäben 1 und 2, deren Durchmesser20mm gewählt wurde, ist zwischen zwei Koppelelementen eine Probe 3 mit den Abmessungen 10 χ 10 x 25 mm kraftschlüssig eingespannt.Between two axis-aligning cylindrical rods 1 and 2 which serve as waveguides and whose diameter is chosen to be 20 mm, a sample 3 with the dimensions 10 × 10 × 25 mm is frictionally clamped between two coupling elements.

Die Probe 3 weist einen senkrecht zu ihrer Längsachse eingebrachten Ermüdungsriß 4 auf. Zur kraftschlüssigen Kopplung ist als Koppelelement zwischen dem zur Lasteinleitung vorgesehenen Stab 1 und der Probe 3 eine Brücke 5 angeordnet, die mit ihren Fußflächen beiderseits des Ermüdungsrisses 4 auf der Probe 3 aufsitzt. Die Länge der Brücke 5 entspricht dabei zweckmäßigerweise der Länge der Probe 3, während ihre Kopplungsfläche gleich der Querschnittsfläche des Stabes 1 gewählt wurde. Die Kopplung der Berührungsflächen zwischen Probe 3 und Brücke 5 muß die Qualität eines akustischen Kontaktes aufweisen. Auf der dem Ermüdungsriß 4 gegenüberliegenden Fläche der Probe 3 ist das Koppelelement als ein Halbzylinder 6 ausgebildet, dessen Länge dem Durchmesser des Stabes 2 entspricht, und der mit seiner Rundung in der Rißebene an der Probe 3 anliegt, während seine flache Seite in akustischem Kontakt mit dem Stab 2 steht.The sample 3 has a fatigue crack 4 introduced perpendicular to its longitudinal axis. For frictional coupling, a bridge 5 is arranged as a coupling element between the intended for load introduction rod 1 and the sample 3, which rests with their foot surfaces on both sides of the fatigue crack 4 on the sample 3. The length of the bridge 5 expediently corresponds to the length of the sample 3, while their coupling surface was chosen equal to the cross-sectional area of the rod 1. The coupling of the contact surfaces between sample 3 and bridge 5 must have the quality of an acoustic contact. On the fatigue crack 4 opposite surface of the sample 3, the coupling element is formed as a half-cylinder 6, whose length corresponds to the diameter of the rod 2, and which abuts with its rounding in the plane of the crack on the sample 3, while its flat side in acoustic contact with the rod 2 stands.

Probe 3, Brücke 5 und Halbzylinder 6 sind so justiert, daß die Achse der Stäbe 1 und 2 mittig in der Rißebene liegt.Sample 3, bridge 5 and half cylinder 6 are adjusted so that the axis of the rods 1 and 2 is located centrally in the plane of the crack.

Zur Erfassung der sich in den Stäben 1 und 2 ausbreitenden Spannungsimpuise sind an beiden Stäben 1 und 2 kapazitive Wandler 7 bzw. 8 angeordnet.To detect the voltage pulses propagating in the bars 1 and 2, capacitive transducers 7 and 8 are arranged on both bars 1 and 2.

Im folgenden soll die Funktionsweise der Anordnung beschrieben werden:In the following the operation of the arrangement will be described:

In dem Stab 1 wird durch Projektilaufschlag an seiner freien Stirnseite ein Druckspannungsimpuls erzeugt, der durch den kapazitiven Wandler 7 in ein elektrisches Signal gewandelt und in einem Transientenrecorder gespeichert wird. Der Druckspannungsimpuls wird mittels der Brücke 5 auf die Enden der Probe 3 geleitet und verursacht eine Probenbelastung vom Dreipunkt-Biegetyp. Bei der gewählten Flächengleichheit der Kontaktflächen Stab 1 /Brücke 5 erfolgt eine partielle Reflexion des Druckspannungsimpulses infolge des dynamischen Probenverhaltens. Dieser reflektierte Impuls wird ebenfalls im Wandler 7 erfaßt und entsprechend registriert. Im Verlaufe der beschriebenen Probenbelastung wird die Probe 3 über den Halbzylinder 6 gegen den Stab 2 gedrückt, wodurch in diesem ebenfalls ein Druckspannungsimpuls auftritt, der mittels des kapazitiven Wandlers 8 erfaßt und im Transientenrecorder gespeichert wird.In the bar 1, a compressive stress pulse is generated by projectile impact on its free end side, which is converted by the capacitive transducer 7 into an electrical signal and stored in a transient recorder. The compressive stress pulse is directed to the ends of the sample 3 by means of the bridge 5 and causes a sample load of the three-point bending type. In the selected area equality of the contact surfaces bar 1 / bridge 5 takes a partial reflection of the compressive stress pulse due to the dynamic sample behavior. This reflected pulse is also detected in the transducer 7 and registered accordingly. In the course of the described sample loading the sample 3 is pressed over the half-cylinder 6 against the rod 2, whereby in this also a compressive stress pulse occurs, which is detected by means of the capacitive transducer 8 and stored in the transient recorder.

Durch die gewählte Anordnung ist gewährleistet, daß der in dem Stab 2 registrierte Druckspannungsimpuls in seinem Zeitverlauf in charakteristischerWeise von dem Verhalten des in der Probe 3 befindlichen Ermüdungsrisses 4 beeinflußt wird.The arrangement chosen ensures that the compressive stress pulse registered in the bar 2 is influenced in its characteristic course over time by the behavior of the fatigue crack 4 present in the sample 3.

Für den Fall der überkritischen Belastung, d.h. bei Rißausbreitung, werden die gemesssenen Zeitverläufe der Spannungsimpulse in den Stäben 1 und 2 sowie die geometrischen Abmessungen der gesamten Anordnung als Eingabedaten für ein elastodynamisches finite-Differenzenprogrammsystem verwendet, mit dessen Hilfe die dynamische Bruchzähigkeit K|d berechnet wird. Für einen speziell behandelten Stahl H52-3 ergeben sich die dynamischen Bruchzähigkeiten für verschiedene Temperaturen, wie sie in folgender Tabelle zusammengefaßt sind:In the case of supercritical loading, ie crack propagation, the measured time profiles of the voltage pulses in bars 1 and 2 and the geometric dimensions of the entire array are used as input data for an elastodynamic finite difference program system, with the aid of which the dynamic fracture toughness K | d is calculated. For a specially treated H52-3 steel, the dynamic fracture toughnesses result for different temperatures, as summarized in the following table:

T0CT 0 C — 196- 196 — 120- 120 — 90- 90 — 50- 50 — 30- 30 — 10- 10 KldMPam1/2 K ld MPam 1/2 2020 2626 3131 3939 4747 6161

Die Änderungsgeschwindigkeit des Spannungsintensitätsfaktors K betrug im Mittel 2 106MPam1/2s~The rate of change of the stress intensity factor K was on the average 2 10 6 MPam 1/2 s ~

Claims (1)

Anordnung zur Ermittlung der dynamischen Bruchzähigkeit metallischer Werkstoffe bei Änderungsgeschwindigkeiten des Spannungsintensitätsfaktors K im Bereich von 106 bis lO'MPam1^"1, denen bei stoßartiger Belastung bzw. in Havariesituationen zu rechnen ist, z. B. neutronenversprödeten Reaktordruckbehälter von Kernkraftanlagen, wobei zur Simulierung einer derartigen Stoßbelastung eine rißbehaftete Probe mit einem Wellenleiter, auf den ein mechanischer Spannungsimpuls aufgebracht wird, in Kontakt steht, und Meßeinrichtungen zur Messung der Impulse vorgesehen sind, gekennzeichnet dadurch, daß die rißbehaftete Probe (3) zwischen den Stirnflächen zweier achsfluchtender Wellenleiter so angeordnet ist, daß die Längsachse der Wellenleiterdie Längsachse der Probe (3) schneidet und symmetrisch zur Rißebene verläuft, wobei der auf der rißbehafteten Seite der Probe (3) befindliche Wellenleiter mit der Probe (3) über ein brückenförmiges Koppelelement, das mit seinen Fußflächen beiderseits des Risses die Probe (3) in akustischem Kontakt berührt, in kraftschlüssiger Wirkverbindung steht, während der zweite, auf der dem Riß abgewandten Seite der Probe (3) befindliche Wellenleiter mit der Probe (3) über ein die Probe (3) in der Rißebene etwa linienförmig berührendes zweites Koppelelement in kraftschlüssiger Wirkverbindung stehtund daß an beiden Wellenleitern eine Meßeinrichtung zur Messung der Impulse angeordnet ist. ·Arrangement for determining the dynamic fracture toughness of metallic materials at rates of change of the stress intensity factor K in the range of 10 6 to lO'MPam 1 ^ "1, which can be expected in case of impact load or in emergency situations, z. B. neutronenversprödeten reactor pressure vessel of nuclear power stations, wherein, for Simulating such a shock load, a cracked sample is in contact with a waveguide to which a mechanical stress pulse is applied, and measuring means are provided for measuring the pulses, characterized in that the cracked sample (3) is positioned between the end faces of two aligned waveguides in that the longitudinal axis of the waveguides intersects the longitudinal axis of the sample (3) and is symmetrical with respect to the plane of the crack, the waveguide on the cracked side of the sample (3) communicating with the sample (3) via a bridge-shaped coupler connected to its base On both sides of the crack the sample (3) touches in acoustic contact, is in non-positive operative connection, while the second, on the side facing away from the crack of the sample (3) waveguide with the sample (3) via a sample (3) in the Rißebene approximately linearly contacting second coupling element is in frictional operative connection and that a measuring device for measuring the pulses is arranged on both waveguides. · Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der dynamischen Bruchzähigkeit metallischer Werkstoffe bei Änderungsgeschwindigkeiten des Spannungsintensitätsfaktors Kim Bereich von 106bis 107MPam1/2s~\ mit denen bei . stoßartiger Belastung bzw. in Havariesituationen zu rechnen ist, z. B. im neutronenversprödeten Reaktordrückbehälter von Kernkraftanlagen.The invention relates to an arrangement for determining the dynamic fracture toughness of metallic materials at rates of change of the stress intensity factor Kim range of 10 6 to 10 7 MPam 1/2 s ~ \ with those at. jerky load or in emergency situations is to be expected, z. B. in neutron embrittled reactor return container of nuclear power plants. Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions Für die Ermittlung der dynamischen Bruchzähigkeit Κω ist zur Zeit der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch (Blumenauer, H., G.Pusch: Technische Bruchmechanik, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1982) die am weitesten verbreitete und allgemein bekannte Untersuchungsmethodik. Um die registrierten Daten interpretieren zu können, wurde im diesbezüglichen RGW-sowie im ASTM-Standardentwurf/ASTM E 24.03.03 Draft 2c, American Society for Testing Materials, Philadelphia, 1980/ die mögliche Schlaggeschwindigkeit erheblich reduziert, woraus sich eine Begrenzung von Kauf Werte von etwa 2 · 105M Pa(Ti1V ergibt. Damit sind jedoch noch keine unteren Grenzwerte für K|d, d.h. keine Sicherheit gegenüber möglichen stoßartigen Belastungen der untersuchten Konstruktion, zu erreichen. Weiterhin zeigen die Ergebnisse insbesondere im Bereich der Ubergangstemperatur erhebliche Streuungen, wodurch die dynamische Bruchzähigkeit nur mit einer erheblichen Unsicherheit bestimmt werden kann.For the determination of the dynamic fracture toughness Κ ω is currently the instrumented impact test (Blumenauer, H., G.Pusch: technical fracture mechanics, VEB German publishing house for basic industry, Leipzig 1982) the most widely used and well-known investigation methodology. In order to interpret the registered data, the potential impact rate has been significantly reduced in the RGW and ASTM Draft 2/03/03 Draft 2c, American Society for Testing Materials, Philadelphia, 1980 /, which results in a limit of purchase values (about 2 × 10 5 M Pa Ti 1 V yields However, to have no lower limit for K |.. d, ie no security against possible impact loads the examined design to achieve Furthermore, the results particularly in the transition temperature significant Scattering, whereby the dynamic fracture toughness can only be determined with a considerable uncertainty. Als technische Ursache für die gezeigten Mängel ist prinzipiell anzusehen, daß die Probenbelastung durch einen Stoß zwischen Hammerfinne und Probe erfolgt. Hierbei entstehen sehr hochfrequente Spannungskomponenten, die die Probe auch zu Eigenschwingungen anregen. Dieser häufig als „Trägheitslast" bezeichnete Effekt führt zu Fehlinterpretationen des Meßsignals. Auch die linear schlagende Masse zur Vermeidung von Schwingungen des Pendels, wie sie in der DE-AS 31 28711 A1 dargestellt wird, umgeht nicht das Stoßproblem. Darüber hinaus erfolgt eine dynamische Messung des Kraftverlaufs in der Hammerfinne ohne ausreichende Wellenbetrachtung bei der Meßwerterfassung.As a technical reason for the defects shown is to be considered in principle that the sample loading is done by a collision between Hammerfinne and sample. This results in very high-frequency voltage components, which also stimulate the sample to natural oscillations. This effect, which is often referred to as "inertial load", leads to misinterpretations of the measuring signal, and the linearly striking mass for avoiding oscillations of the pendulum, as described in DE-AS 31 28711 A1, does not avoid the impact problem of the force curve in the hammer fin without adequate wave observation in the measured value acquisition. ' Eine Umgehung der gezeigten Mängel bei Verwendung der Kerbschlagbiegetechnik erreichte Kalthoff durch sein Konzept der Referenzkurven (DE-AS 3044841 A1). Bei diesem Verfahren wird die Kaustik an der belasteten Rißspitze in Verbindung mit kurzzeitoptischen Methoden zur quasi direkten Bestimmung des Spannungsintensitätsfaktors genutzt. Neben dem sehr hohen Aufwand durch die Nutzung einer HF-Kamera ist zu bemängeln, daß diese Methode grundsätzlich große Proben voraussetzt. Da die Einstellung dynamischer Spannungszustände über die Ausbreitung von Wellen in der Belastungsanordnung und in der Probe erfolgt, liegt es nahe, Wellenleiter in Verbindung mit Bruchproben zur Bestimmung von Κω zu nutzen. Als Wellenleiter fungiert häufig der zylindrische Stab.A circumvention of the deficiencies shown when using the notched-impact bending technique reached Kalthoff by his concept of reference curves (DE-AS 3044841 A1). In this method, the caustic is used at the loaded crack tip in conjunction with short-time optical methods for quasi-direct determination of the stress intensity factor. In addition to the very high effort through the use of a high-frequency camera is to complain that this method always requires large samples. Since the setting of dynamic stress states occurs via the propagation of waves in the stress arrangement and in the sample, it makes sense to use waveguides in conjunction with fracture samples to determine Κ ω . The waveguide is often the cylindrical rod. Eine derartige Anordnung wurde an der Brown-University (Costin, L.S., J.Duffy, L.B.Freund; In: ASTM STP 627 [1977] S. 301-318) entwickelt. Als Wellenleiter dient hierbei eine ca. 1 m lange rißbehaftete Probe, deren Riß durch einen mittels einer Explosivladung erzeugten Zugimpuls belastet wird. Der Nachteil dieser und der vorher genannten Anordnung besteht in dem äußerst hohen Materialverbrauch infolge der extrem langen Proben. Außerdem ist auf Grund der Größe der Proben eine Untersuchung neutronenbestrahlter Werkstoffe praktisch nicht realisierbar, wodurch die Anwendung dieser Methoden erheblich eingeschränkt ist. Bei der letztgenannten Anordnung stellt außerdem die Erzeugung des Zugimpulses mittels der Explosivladung eine Gefahr dar.Such an arrangement was developed at Brown University (Costin, L.S., J. Duffy, L.B. Friend; In: ASTM STP 627 [1977] pp. 301-318). The waveguide used here is an approx. 1 m long cracked sample, the crack of which is loaded by a tensile pulse generated by means of an explosive charge. The disadvantage of this and the aforementioned arrangement is the extremely high material consumption due to the extremely long samples. In addition, due to the size of the samples, a study of neutron irradiated materials is practically unrealizable, whereby the application of these methods is considerably limited. In the latter arrangement, moreover, the generation of the tensile pulse by means of the explosive charge is a danger.
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