DE2329751A1

DE2329751A1 - Verfahren zum testen metallischer gegenstaende

Info

Publication number: DE2329751A1
Application number: DE2329751A
Authority: DE
Inventors: Gerald Leon Goldberg; Iii Henry Walton Wessells
Original assignee: Budd Co
Current assignee: ThyssenKrupp Budd Co
Priority date: 1971-10-20
Filing date: 1973-06-12
Publication date: 1975-01-16
Also published as: US3757562A; FR2235363B1; FR2235363A1; DE2329751B2; GB1424887A; DE2329751C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen metallischer Gegenstände.

Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Testen von metallischen Gegenständen, beispie3.sweise von Automobilen bekannt, beispielsweise aus der US-PS 3 113 452, &ie sich jedoch nicht mit Zerstörungstests wie Aufprall- oder Kollisionstests befaßt.

In der jüngeren Vergangenheit haben die Sicherheitsbestim-r mungen in der Automobilindustrie eine immer größere Bedeutung gewonnen, so daß eine geeignete Untersuchung von Konstruktionen unter Aufprall- oder Kollisionsbedingungen besonders wichtig ist. Bei abschließenden Aufpralltests werden meist Automobile natürlicher Größe getestet. Es ist jedoch im allgemeinen unzweckmäßig, fertige Automobile oder voll ausgebildete Stahlteile bei Aufpralluntersuchungen zu verwenden. Die Teile werden hierbei nämlich im allgemeinen zer-

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stört, bei deren Herstellung hohe Bearbeitungs- und Werkzeugkosten entstehen. Ferner sind im Laufe der Untersuchungen im allgemeinen Änderungen der Abmessungen und Form der Teile notwendig, bis ihre endgültige Konstruktion und ihr end.gültiges Design gefunden sind.

Eines der hauptsächlich für Automobilkarosserien verwendeten Materialien ist Karosseriestahl, ein billiges Material, das jedoch hohe Werkzeug- und Zusammenbaukosten verursacht. Dies liegt an der erforderlichen Formungstechnik und an der großen Anzahl von Teilen, die für die einzelnen Untergruppen erforderlich sind, die nachfolgend zur fertigen Karosserie miteinander verbunden werden müssen. Aufgrund der hohen Werkzeugkosten und der Formungstechniken ist es äußerst unwirtschaftlich, die Teile für Aufpralltests zu verwenden, während sie noch entwickelt werden.

Zur Ze^-Jt werden zur Herstellung von Konstruktionsmodellen, insbesondere wenn es sich um Metallteile handelt, einfach formbare Kunststoffe verwendet. Der Grund hierfür besteht darin, daß bei Verwendung von Kunststoffen die Teile verhältnismäßig billig unter Vakuum geformt oder gegossen werden können. Da hierbei jedoch die Teile aus Kunststoff bestehen, ist die Untersuchung derselben auf statische oder Schwingungs-Strukturanalysen begrenzt. Kunststoffe haben nicht das gleiche Beanspruchungs-Verformungsverhalten wie üblicherweise verwendete Metalle. Darüber hinaus sind Kunststoffe spröde. Sie haben daher unter Fließ-, Stoß- oder Gesamtdeformationsbelastungen nicht die gleichen Eigenschaften wie diese Metalle. Gegenwärtig werden au3h verschiedene Arten von superplastischen Materialien verwendet. Superplastische Materialien haben im allgemeinen eine unübliche Formbarkeit insofern, als bei nur verhältnismäßig geringen Deformationskräften eine beträchtliche gleichmäßige Deformation über das gesamte Volumen des Materials erfolgt,

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ohne daß hohe Beanspruchungen auftreten, bei denen normalerweise die Festigkeitsgrenze des Materials erreicht würde. Superplastische Materialien können aus verschiedenen Arten kristalliner Materialien bestehen, die Erfindung richtet sich jedoch hauptsächlich auf Metalle enthaltende superplastische Materialien. Superplastische Materialien können aus einer Vielzahl unterschiedlicher Bestandteile bestehen. Ein bekanntes und weit verbreitetes superplastisches Material enthält eine Legierung aus Zink und Aluminium, wobei der Zinkanteil etwa 78 # der Gesamtlegierung beträgt. Natürlich können in dem superplastischen Material geringe Mengen anderer Materialien verwendet werden.

Bei der Zink-Aluminium-Legierung, die typischerweise 78 # Zink und 22 fi Aluminium enthält, tritt in einem Bereich zwischen 260 und 270° C der Zustand der Superplastizität ein. Dabei hat das Material bei normalen Temperaturen brauchbare mechanische Eigenschaften. Bei annehmbarer Dehnung nach der Formung sind Verformungswiderstände von bis zu etwa 2 810 kg/cm (40 000 psi) erreichbar. Der Modul beträgt mit 9 x 10 etwa ein Drittel des Moduls von Stahl, ist jedoch ähnlich hoch wie der von Aluminiurnlegierungen und zehnmal höher als der mancher Kunststoffe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum strukturellen Testen metallischer Bauteile anzugeben, insbesondere ein Verfahren zur Aufpralluntersuchung metallischer Konstruktionen, wie sie im Fahrzeugbau verwendet werden, das verhältnismäßig wirtschaftlich ist und bei dem die zu testenden Konstruktionen nicht aufgebaut und hernach zerstört zu werden brauchen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine Darstellung des zu testenden metallischen Aufbaus geschaffen. Ein Formwerkzeug wird so dimensioniert, daß sich ein maßstäbliches Modell der zu untersuchenden metallischen Konstruktion ergibt.

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Das superplastische Material wird dann bis zum superplastischen Zustand aufgeheizt. Durch auf das Formwerkzeug wirkende Kräfte wird das superplastische Material entsprechend der Gesamtform des Formwerkzeugs verformt. Das superplastische Material wird darauf abgekühlt. Die Beanspruchungs- Verformungseigenschaf ten und andere Eigenschaften des superplastischen Materials stehen in Beziehung zu der zu testenden metallischen Konstruktion. Bei diesen Eigenschaften handelt es sich unter anderem um den Elastizitätsmodul, die Elastizitätsgrenze, die Dichte, die Energieabsorption und um bauliche Fehlereigenschaften. Nachdem das maßstäbliche Modell aus Buperplastischem Material geformt ist, wird es der Kollisionsoder Aufpraluntersuchung unterzogen. Der tatsächlich getestete Teil wird dann untersucht. Aus den zur metallischen Konstruktion in Beziehung stehenden Daten kann bestimmt werden, welche Auswirkungen der AufpräJL oder die Kollision auf den metallischen Aufbau hätte, wenn dieser in zur Untersuchung des superplastischen Modells in Beziehung stehender Weise getestet worden wäre.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Original einer metallischen Konstruktion in Form eines

Automobils;
Fig. 2 das maßstäbliche Modell eines Teils des Automobils der Fig.

1 aus superplastischem Material, das einem Aufpralltest unterzogen wird;

Fig. 3 metallische Bauteile unterschiedlicher Formen, die dem '^ Aufpralltest unterzogen werden können;

Fig. JJA die Bauteile der Fig. 3, 4 bzw. 5 nach dem Aufprall-4A, 5A

Fig. 6 die Kennlinie der Dehnung in Abhängigkeit von der Belastung des superplatisehen Materials.

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Fig. 1 zeigt das Original eines Automobils 10, das herkömmlicher Art sein kann. Beispielsweise kann die Karosserie aus Stahl bestehen. Beim Bau eines Automobils sind verschiedene Formungstechniken für die unterschiedlichen Bauteile erforderlich. Eine große Anzahl von Teilen wird zu Untergruppen verbunden. Darauf werden die Untergruppen verschweißt oder auf andere geeignete Weise zur fertigen Karosserie verbunden.

Bei Sicherheits- und ähnlichen Untersuchungen sind beim Automobil folgende Zonen besonders wichtig: Das vordere Ende im Verhältnis zur Kabine, der oder die Türrahmen im Verhältnis zu einem Längsträger und die Bodenplatte und die hintere Längsträgeraufhängung über der Hinterachse gegenüber dem hinteren Längsträger vor und hinter der Aufhängesteile.

Erfindungsgemäß können die verschiedenen Bauteile getrennt getestet werden. Wie erwähnt, ist es jedoch nicht zweckmäßig, die Originalteiie nerzustellen und sie dann einem Zerstörungstest zu unterziehen. Der Grund hierfür besteht darin, daß im Teststadium sehr oft die Abmessungen und Form der Teile für das fertige Automobil mehrfach geändert werden.

Fig. 2 zeigt ein maßstäbliches Modell 12 des Vorderteils des Automobils, das an einem Block 14 befestigt ist. Der Block ist auf einem Schlitten 16 befestigt, der auf Rädern 18 und 20 gelagert ist. Die Räder 18 und 20 führen den Block 14 auf zwei Schienen 22 und 24.

Der Block 14 und das daran angebrachte maßstäbliche Modell 12 des Vorderteils können gegen eine Betonwand 26 angetrieben werden. Eine Antriebseinrichtung für den Schlitten 16, die der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist, weil sie nicht direkt Gegenstand der Erfindung ist, treibt den Schlitten 16 mit regelbarer Geschwindigkeit an.

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Nachdem das vordere Ende 12. des Automobilmodells gegen die Wand 26 geprallt ist, kann es visuell geprüft werden, um das Ausmaß der Zerstörung festzustellen. Alternativ können verschiedene Meßinstrumente vor der Kollision am vorderen Ende 12 befestigt oder mit diesem verbunden werden. Unter anderem können Dehnungsmesser oder andere Arten von Wandlern verwendet werden, die elektrische Signale erzeugen. Diese Signale können gespeichert und beispielsweise mittels eines Rechners analysiert werden. Die vom maßstäblichen Modell gewonnenen Daten können mit den Daten hinsichtlich des interessierenden, tatsächlichen metallischen Aufbaus in Beziehung gesetzt werden, um zu bestimmen, welche Auswirkung eine ähnliche Kollision auf die metallische Konstruktion hätte.

Die verschiedenen Teile des vorderen Endes 12 bestehen aus superplastischem Material. Bekanntermaßen können die derzeit in der Polymer- und Glasindustrie angewandten Warmverforinungstechniken ebenso oder noch einfacher bei der Formung und Verformung von Metallen angewandt werden. Bei Kunststoff und Glas wird im grundlegenden Verformungsprozeß eine Form benutzt, deren Form im wesentlichen komplementär der herzustellenden Form ist. Das zu deformierende Material kann auf etwa 232 C (450 F) geheizt und dann angrenzend an die Form angeordnet werden. Durch die aufgebrachten Deformationskräfte wird das Material gestreckt und in und/oder rings um die Form deformiert. Das fertig geformte Produkt weist axe gegebenenfalls erforderlichen einzelnen Konturen und komplizierten Krümmungen auf.

Da die verwendeten Formen unterschiedlicher Art sein können und nicht notwendigerweise von der Art zu sein brauchen, wie sie bei der Formung von Stahl verwendet werden, können die Teile aus superplastischem Material auch nach der Vakuumtechnik und nach Techniken hergestellt werden, bei denen geringe Drücke notwendig sind. Es werden zwar verhältnismäßig hohe Temperaturen angewendet, dies ist jedoch zu Testzwecken annehmbar, obwohl es in einem langen Produktionsablauf unzulässig sein kann.

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Da die verschiedenen superplastischen Teile verhältnismäßig billig hergestellt werden können, ist die Verwendung dieser Teile bei zerstörenden Vorgängen wirtschaftlich. Hierdurch ist das Material ideal für Aufprall- und Kollisionstests geeignet, die in der Automobilindustrie immer wichtiger werden, insbesondere wenn sichere Automobile gebaut werden sollen.

Soll eine Stahlkonstruktion getestet werden, so braucht das superplastische Material nicht die gleiche Form und Stärke zu haben. Es ist jedoch bekannt, daß eine Beziehung zwischen Stahl und superplastischem Material besteht. Um beispielsweise die gleiche Steifigkeit zu erzielen, muß eine Tafel aus superplastischem Material etwa um 40 $ stärker als ein entsprechendes Stahlblech sein. Die Stärke der superplastischen Legierung beträgt jedoch etwa 70 fo der von Stahl, so daß das Stärke/Steifigkeits-Verhältnis etwa das gleiche ist wie bei Stahl.

Bei Modellen der tatsächlichen Teile brauchen die verschiedenen Verhältnisse zwischen Form und Stärke des Materials nicht direkt proportional zu sein. Wenn ein maßstäbliches Modell einem Kollisions- oder Aufpralltest unterworfen wird, kann auch die Aufprallgeschwindigkeit wesentlich geringer als die Geschwindigkeit sein, mit der die tatsächliche metallische Konstruktion bei einem Aufprall- oder Kollisionstest bewegt werden müßte. All diese Faktoren stehen jedoch miteinander in Beziehung, so daß die beim Testen des Modells gewonnenen Daten zu einem Originalteil in Beziehung gesetzt werden können, um die Auswirkungen eines Aufpralltests auf das Originalteil zu bestimmen.

Bei Berücksichtigung der verschiedenen Faktoren hinsichtlich Material, Form, Stärke und Geschwindigkeit stehen die gewonnenen Daten zwischen metallischer Konstruktion und superplastischem Material in einer Beziehung zu einander. Hierdurch können Daten hinsichtlich einer tatsächlichen Kollision der metallischen Konstruktion gewonnen werden, obwohl nicht die Konstruktion selbst untersucht wurde.

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Fig. 6 zeigt eine typische Kennlinie der Dehnung oder Beanspruchungsauswirkung des superplastischen Materials bei steigenden Lasten. Die Kurve beinhaltet einen Betrieb bei Raumtemperatur, wenn sich das superplastische Material im superplastischen Zustand, beispielsweise bei 232° C (450° F) befindet. Die Kurve ist ähnlich der von Stahl oder anderen ähnlichen Metallen.

In der Praxis wurden Modelle im Maßstab . 3:8 hergestellt und getestet. Fig. 3, 4 und 5 zeigen einige Proben vor dem Test. Fig. 3A, 4A und 5A zeigen das Aussehen der Proben nach dem Test.

Diese Bauteile wurden getestet, indem sie zwischen zwei Werkzeuge eingesetzt und diese unter vorherbestimmten Drücken zusammengedrückt wurden. Die Teile wurden im Test in der gleichen Weise verformt wie große Stahlteile ähnlicher Form.

Fig. 3 und 3A zeigen ein kegelstumpfförmiges Bauteil 30 aus zwei gleicnen Hälften 32 und 34, deren Flansche 36 durch Punktschweißen miteinander verbunden sind.

Fig. 4 und 4A zeigen ein kegelstumpfförmiges Bauteil 38, dessen Kanten durch eine Schweißnaht 40 miteinander verbunden sind.

Fig. 5 und 5A zeigen ein sich verjüngendes Bauteil 42 mit rechteckigem Querschnitt, das aus zwei Hälften 44 und 46 besteht:,. deren Flanschteile 48 beispielsweise durch Punktschweißen miteinander verbunden sind.

Die in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigten Bauteile bestehen aus superplastischem Material. Sie werden unter verhältnismäßig niedrigem Druck und bei hohen Temperaturen geformt. Nach ihrer Formung haben sie die allgemeinen Eigenschaften von Metall, die mit denen des bei Automobilen verwendeten Stahls in Beziehung gesetzt werden können.

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Fig. 3A, 4A und 5A zeigen verschiedene Bauteile nach dem Aufprall- oder Kollisionstest. Diese Bauteile können maßstäbliche Modelle von Teilen derai testenden Automobile darstellen.

In Walter A. Backofen: "Superplasticity Enhances Metallurgy" in "Steel", Dezember 1969, S. 25 bis 28 sind verschiedene Arten der superplastischen Verformung beschrieben. In Anthony P. Coppa: "The Buckling of Circular -Cylindrical Shells Subject to Axial Impact", General Electric Company, NASA Technical Note werden die theoretischen Grundlagen der Aufpralluntersuchung von Rohren und deren experimenteller Nachweis beschrieben.

Verschiedene Untersuchungen unter Zuhilfenahme von Rechenprogrammen an verschiedenen Rohren aus Stahl und superplastischem Material zeigen, daß bei Aufpralltests die wichtigen Hauptmaterialkonstanten der Elastizitätsmodul und die Dichte sind. Der Grund hierfür ist, daß die Geschwindigkeit der Kompressionswellen und die elastische Verformungsenergie des dem Stoß ausgesetzten Materials die bestimmenden Größen bei den beim Stoß auftretenden Erscheinungen sind. Das beim Aufpralltest für das maßstäbliche Modell verwendete Material muß sich rißfrei verformen, insbesondere verbeulen oder falten lassen. In Untersuchungen wurde festgestellt, daß die Höhe der Fließgrenze verhältnismäßig unwichtig ist, sofern überhaupt eine Fließgrenze vorhanden ist.

Patentansprüche

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Claims

PATENTANSPRÜCHE DA-K1089

Verfahren zur Gewinnung von Testdaten bezüglich einer metallischen Konstruktion, dadurch gekennzeichnet , daß ein einem maßstäblichen Modell der metallischen Konstruktion entsprechend geformtes Formteil hergestellt wird, daß eine Masse aus superplastischem metallischem Material vorgesehen wird, daß das superplastische Material in einen superplastischen Zustand aufgeheizt wird, daß eine Deformationskraft aufgebracht wird, um das superplastische Material im superplastischen Zustand zur Bildung des maßstäblichen Modells der metallischen Konstruktion gegen das Deformationsteil zu drücken, daß das superplastische Material abgekühlt wird, so daß seine Last-Verformungskennlinie zu der der metallischen Konstruktion in Beziehung steht, und daß das maßstäbliche Modell zur Gewinnung von zu der metallischen Konstruktion in Beziehung stehenden Daten einem Aufpialtest unterworfen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufbringung einer Deformationskraft das superplastische -Material einem Druck ausgesetzt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeicht
(450° F) aufgeheizt wird.

net, daß das superplastische Material auf etwa 232° C
4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß, um das maßstäbliche Modell einem Aufpralltest zu
unterwerfen, dieses mit einer vorherbestimmten Geschwindigkeit
in Kontakt mit einem Hindernis bewegt wird.

5_#. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das maßstäbliche Modell nach dem Aufpralltest analysiert wird, um festzustellen, welche Auswirkung ein entsprechender Aufpralltest auf die metallische Konstruktion hätte.

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