DE3044841A1 - "verfahren zum bestimmen der schlagbruchzaehigkeit k(pfeil abwaerts)i(pfeil abwaerts)(pfeil abwaerts)d(pfeil abwaerts) von werkstoffen durch schlagversuche" - Google Patents

"verfahren zum bestimmen der schlagbruchzaehigkeit k(pfeil abwaerts)i(pfeil abwaerts)(pfeil abwaerts)d(pfeil abwaerts) von werkstoffen durch schlagversuche"

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Description

ο λ. a
FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.
Leonrodstraße 54 «^
8000 München 19 · O· 80/13725-IWM
Verfahren zum Bestimmen der Schlagbruchzähigkeit K - von Werkstoffen durch Schlagversuche
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Schlagbruchzähigkeit K_, von Werkstoffen, z.B. von Baustählen, bei dem die bisher übliche Lastmessung an der Hammerfinne überflüssig ist. Die elastische Reaktion auf den Schlagvorgang, d.h. der Verlauf des dynamischen Spannungsintensitätsfaktors mit der Zeit, K^vn(t), wird in Vorversuchen bestimmt. Diese Kurve wird an Proben aus einem geeigneten hochfesten Stahl mit Hilfe der schattenoptischen Kaustikenmethode bestimmt. Die Schlagbruchzähigkeit des interessierenden Werkstoffes wird sodann in dem eigentlichen Schlagversuch bestimmt, wobei nur die Brucheinsatzzeit tf gemessen wird. Dieser Wert für die gewählten Versuchsbedingungen in Verbindung mit der zuvor gewonnenen Schlagreaktxonskurve Abbildung 1 liefert die gesuchte Schlagbruchzähigkeit K1,. Versuchsergebnisse mit diesem Verfahren bei der Bestimmung der Schlagbruchzähigkeit K-., zweier unterschiedlicher Baustähle bei verschiedenen Versuchstemperaturen werden mitgeteilt.
Beschreibung
Instrumentierte Schlagversuche werden z.Z.t benutzt, um die Schlagbruchzähigkeit K , von Werkstoffen zu bestimmen,
Dazu wird während des Schlagvorganges die Last an der Hammerfinne als Funktion der Zeit oder der Probendurchbiegung gemessen. Aus der kritischen Last zum Zeitpunkt dor Bruchinstabilität wird mit Hilfe konventioneller statischer Spannungsintensitätsfaktor-Formeln die Schlagbruchzähigkeit KId ermittelt (ASTM STP 466, 1970; ASTM STP 563, 1974; HW Commission, 1976; PVRC/MPC Joint Task Group, 1974).
Dieses Meß- und Auswerteverfahren ist jedoch nicht unproblematisch: Zum einen verursachen Oszillationen in den gemessenen Last-Zeit-Kurven Unsicherheiten bei der Bestimmung der wirklichen Bruchlast, und zum anderen wird der dynamische Festigkeits-Kennwert Κχ, mit Hilfe einer statischen Auswerte-Analyse bestimmt.
Diese konventionelle Meßtechnik kann daher nur dann sinnvolle Daten liefern, wenn der Bruch der Probe erst nach hinreichend langen Zeiten einsetzt, so daß sich ein quasistatischer Spannungszustand in der Probe eingestellt hat. Für kürzere Lasteinleitungszeiten bis zum Bruch können dynamische Effekte den Spannungszustand in der Probe stark beeinflussen (Glover and co-workers, 1976; Kalthoff and co-workers, 1977a, 1979; Ireland, 1976; Loss and co-workers, 1975; Radon, 1969; Turner, 1970, 1975; Venzi and co-workers, 1975; Winkler and co-workers, 1979). Wenn diese dynamischen Einflüsse auf das Lastsignal unberücksichtigt bleiben, ist mit fehlerbehafteten Meßergebnissen zu rechnen, die zu einer Überschätzung der wirklichen WerkstoffZähigkeit führen können (HW Commission, 1976.; Glover and co-workers, 1976; Matthews, 1970; Turner, 1970). Deshalb ist postuliert worden (Ireland, 1970; PVRC/MPC Joint Tastk·Group, 1974; Turner, 1975), daß dieses quasistatische Verfahren nur dann anwendbar ist, wenn die Brucheinsatzzeit t^ größer ist als das dreifacher der Periode Z der charakteristischen Schwin gung der Probe:
-IC
(ι e e
- y- • S-
tf > 3 r (D
Die Periode X ist näherungsweise durch die empirische Formel (IIW Commission, 1976; Glover and co-workers, 1976; Matthews, 1970; Turner, 1970)
T= 1.68 (SJ-B-CE)1^Zc1 (2)
gegeben, worin S der Auflagerabstand, W und B Breite und Dicke der Probe, C ihre Nachgiebigkeit, E der Elastizitätsmodul und c. die longitudinale Wellengeschwindigkeit ist. Kleine Schwingungsperioden ergeben sich daher für kleine Probendimensionen. Große Bruchzeiten tf andererseits werden dann erreicht, wenn zähe Werkstoffe bei geringen Schlaggeschwindigkeiten untersucht werden. Die Bedingung (1) schränkt daher die Anwendbarkeit des Tests in unbefriedigender Weise ein:
- Proben mit großen Abmessungen, wie sie oft für gültige Zähigkeitsmessungen benötigt werden, können nicht untersucht werden.
Werkstoffe mit Sprödbruchverhalten können nicht untersucht werden.
Der Schlaggeschwindigkeitsbereich ist stark eingeschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßverfahren für dynamische Bruchzähigkeiten anzugeben, das solchen Einschränkungen nicht unterworfen ist, und das unter allen experimentellen Versuchsbedingungen, insbesondere im Sprödbruchbereich und bei hohen Schlaggeschwindigkeiten angewandt werden kann, solange die üblichen Bedingungen kleiner plastischer Zonen an der Rißspitze eingehalten werden.
-A-
Diese Aufgabe wird·erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Das Merkmal a) dieses Anspruchs basiert auf dem Konzept der Schlagreaktion, dessen Grundprinzip nachfolgend erläutert wird.
In Voruntersuchungen (Kalthoff and co-workers, 1977a, 1979; Winkler and co-workers, 1979) wurde der Schlagvorgang in Experimenten mit gekerbten Biegeproben aus einem Modellwerkstoff und aus Stahl analysiert. Zusätzlich zu dem am Schlaghammer gemessenen Lastsignal wurde der dynamische Spannungsintensitätsfaktor direkt an der Rißspitze der Probe gemessen. In diesen Experimenten blieben die allgemeinen Versuchsbedingungen wie Schlagvorrichtung und Schlaggeschwindigkeit, Probenmaterial und -geometrie ungeändert. Variiert wurden jedoch die spezifischen Bedingungen, die den Rißeinsatz kontrollieren, wie der Krümmungsradius der Kerbe oder die Zähigkeit des Werkstoffs. In allen diesen Versuchen wurde dieselbe Kurve für den Spannungsintensitätsfaktor in Abhängigkeit der Zeit K^yn(t) gefunden. Die kritischen Spannungsintensitätsfaktoren für Rißinstabilität ergaben sich als diskrete Werte auf dieser Kurve, entsprechend der verschiedenen Zeiten, bei denen Brucheinsatz auftrat. Das Auftreten eines solchen Verhaltens wurde auch von Loss (1975) diskutiert.
Auf diesen experimentellen Befunden beruht das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Schlagbruchzähigkeit KId, bei dem die mechanische Reaktion der Probe während des Schlagvorgangs in Vorexperimenten bestimmt wird. Dazu wird die schattenoptische Kaustikenmethode in Reflexion mit einem geeigneten Vergleichswerkstoff benutzt, um den Spannungsintensitätsfaktor als Funktion der Zeit, K yn(t), zu ermitteln. Diese schematisch in der Abbildung 1 dargestellte Kurve wird Schlagreaktionskurve genannt.
Die Schlagbruchzähigkeit für den zu untersuchenden Werkstoff wird sodann in einem Schlagexperiment bestimmt, indem die Brucheinsatzzeit tf gemessen wird. Aus diesem Meßwert ergibt sich mit der Schlagreaktionskurve entsprechend Abbildung 1 der KT,-Wert nach der Beziehung:
Kid = Kiyn(t = tf)· (3)
Die Spannungsintenäitätsfaktoren lassen sich mit Hilfe der
en
schattenoptischen Kaustikmethode direkt aus dem linearelastischen Spannungsfeld um die Rißspitze ableiten. Diese Methode wurde ursprünglich von Manogg (1964) entwickelt und später von Theocaris (1970) erweitert. Dieses im Prinzip einfache Verfahren ist insbesondere zur Messung dynamischer Spannungsintensitätsfaktoren in Verbindung mit Hochgeschwindigkeits-Photographie sehr geeignet. Die Methode wurde bereits von Kalthoff und Mitarbeitern (1977a, 1977b, 1979, 1980) erfolgreich zur Messung dynamischer Ereignisse bei der Rißarretierung und der Rißinstabilität bei Schlagprozessen angewandt und wird hier zur Aufstellung der Schlagreaktionskurven benutzt.
Das physikalische Prinzip der schattenoptischen Kaustikenmethode in Reflexion ist in Abbildung 2a als Versuchsanordnung skizziert. Die polierte Oberfläche einer durch einen Anriß gekerbeten Stahlprobe unter Last wird von einem Lichtbündel beleuchtet. Mit einer Kamera, die auf eine virtuelle Bildebene hinter der Probe scharfgestellt ist, wird die Probe photographiert. Ein Schnittbild der Probe in der Nähe der Rißspitze ist in Abbildung 2b gezeigt. Infolge der Spannungskonzentration der Rißspitze wird die Probendicke in der Rißspitzenumgebung verringert. Deshalb werden Lichtstrahlen in der Rißspitzenumgebung zur optischen Achse hin abgelenkt. Die rückwärtige Verlängerung der reflektierten Lichtstrahlen formt in der virtuellen Bild-
■s-
ebene im Abstand ζ hinter der Probe einen Schattenfleck um die Rißspitze. Dieser ist von einem Lichtsaum, der Kaustik, umgeben.
Der Schattenfleck für Modus I-Eelastung wurde von Manogg aus dem linear-elastischen .Spannungs-Dehnungsfeld um die Anrißspitze berechnet. In Abbildung 2c ist der berechnete mit einem an einer Probe aus hochfestem Stahl gemessenen Schattenfleck zusammen dargestellt.
Quantitativ ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen dem Spannungsintensitätsfaktor KT und dem Durchmesser D des Schattenflecks:
(4)
mit M = 9.34.10~2— (5)
!>· B- ζ
Dabei ist
D = Durchmesser der Kaustik bei parallelem Lichteinfall
E = Elastizitätsmodul
V = Poissonzahl . .
B = Probendicke
ζ = Abstand zwischen Probe urfd imaginärer Bildebene
Um die schattenoptische Methode für Stähle anwenden und Spannungsintensitätsfaktoren aus dem elastischen Spannungs-Dehnungsfeld um die Rißspitze bestimmen zu können, muß ein Stahl mit hinreichend kleiner plastischer Zone an der Rißspitze verwendet werden.
3044341
■ I
Zu diesem Zweck wurden Biegeproben mit den Abmessungen 280 mm χ 60 mm (10 mm dick) mit Anfangsrißlängen aQ = 20 mm aus dem martensit-aushärtenden, hochfesten Stahl X 2 NiCoMo 18 9 5+) hergestellt. Durch Wärmebehandlung wurde eine Fließspannung 6" =2100 MNm und eine Bruch-
/ y
«,o/ο y
Zähigkeit K-,« 80 MNm ' eingestellt. Elastizitätsmodul E und Querkontraktionszahl i? dieses Stahls sind etwa dieselben wie bei gewöhnlichen Baustählen. Eine Seite der Probe wurde geschliffen, geläppt und poliert, um eine ebene, spiegelnde Oberfläche zu erhalten. Die Rißspitze wurde abgerundet, um die Lastaufnahmekapazität der Probe zu erhöhen. Auf diese Weise konnte die Schlagreaktionskurve bis zu Wertengemessen werden, die größer waren als die Bruchzähigkeit des Werkstoffes. Die Versuche wurden mit einem Auflagerabstand von 240 mm in einer Pallmaschine des Typs Dynatup 8100 durchgeführt. Die Masse des Schlaghammers betrug 90 kg, die Schlaggeschwindigkeit 5 m/s.
Während des Schlagprozesses wurden Schattenflecke an der Rißspitze mit einer 24-Funken Hochgeschwindigkeitskamera nach Cranz-Schardin photographiert. Der Abstand ζ zwischen Probe und virtueller Bildebene betrug 1,5 m. Die Kamera wurde durch die Anstiegsflanke des mit der Hammerinstrumentierung gewonnenen Lastsignals getriggert.
In Abbildung 3 ist eine Serie (12 von 24) schattenoptischer Bilder wiedergegeben, die den Probenmittelteil während des Schlagvorgangs zeigen. Der Aufnahmezeitpunkt, vom ersten Hammerkontakt an gemessen, ist bei jedem Einzelbild angegeben.
+' Zusammensetzung: 18% Ni, 9% Co, 4.8% Mo und ^ 0.03% C. Wärmebehandlung: 4800C, 4 h, Luft.
In Abbildung 4 sind die aus diesen Aufnahmen gewonnenen Spannungsintensitätsfaktoren bis zu 280 με nach dem Hammeraufschlag wiedergegeben. Hierzu wurden die Daten mehrerer Experimente unter gleichen Versuchsbedingungen zusammengefaßt. Der nichtlineare Anstieg des dynamischen Spannungsintensitätsfaktors mit der Zeit wird durch dynamische Effekte in der Probe verursacht. Die Kx yn(t)-Kurve gibt quantitativ die Probenreaktion auf den Schlagvorgang weiter. Sie hängt nur von dem elastischen Verhalten des Systems Probe - Hammer ab und stellt eine eindeutige Beziehung für dieses System dar. Sie ist gültig für alle Stahlproben dieserGröße, die unter den gleichen Bedingungen getestet werden. Es sei besonders angemerkt, daß damit diese Beziehung für Stähle unterschiedlicher Zähigkeit gilt, sofern die elastischen Eigenschaften der Stähle, d.h. die Konstanten E und \? dieselben sind und die Bedingungen kleiner plastischer Zonen um die Rißspitze erfüllt sind. Mit der einmal gemessenen Schlagreaktionskurve wird die dynamische Bruchzähigkeit eines gegebenen Stahles nur durch die Messung der Brucheinsatzzeit in einem Schlagversuch bestimmt.
Die Brucheinsatzzeit der Probe wird aus den Signalen zweier unkalibrierter Dehnungsmeßstreifen erhalten, von denen einer sich an der Hammerfinne, der andere auf der Probe seitlich zur Rißspitze befindet. Die Anstiegsflanke des Hammersignals kennzeichnet den Beginn des Schlagvorgangs. Der Rißstart hingegen wird durch den plötzlichen Abfall der Last, die mit dem Rißspitzen-Dehnungsmeßstreifen gemessen wird, angezeigt. Beide Signale werden elektronisch differenziert, um klare Markierungen zu erhalten. Der Abstand dieser beiden Markierungen ist die Brucheinsatzzeit tf. Ein typisches Oszillogramm mit diesen Signalen aus einem Experiment zeigt Abbildung 5. Um die Anwendbarkeit des Konzepts der Schlagreaktionskurven zu prüfen, wurden Brucheinsatzzeit-Messungen in Schlagversuchen an Stahlproben durchgeführt.
Hierzu wurden Proben aus den beiden Baustählen 30 CrNiMo 8 und 15 MnNi 63 verwendet. Die Probenabmessungen e Rißlängen und Schlagbedingungen waren dieselben wie bei der Bestimmung der Schlagreaktionskurve. Es wurden jedoch für diese Bruchzähigkeitsmessungen als Kerben scharfe Rißspitzen verwendet, die nach ASTM E 399 durch Ermüdungsbelastung erzeugt worden waren. Jede Probe enthielt einen Dehnungsmeßstreifen 6 mm seitlich von der Rißspitze. Die Zeit zwischen den beiden Signa!marken,d.h. die Brucheinsatzzeit, wurde automatisch mit einem elektronischen Zähler gemessen. Die Proben wurden bei verschiedenen Temperaturen geprüft.
In Tabelle I sind die gemessenen Brucheinsatzzeiten von vier Experimenten für den Stahl 30 CrNiMo 8, geprüft bei -800C und -6O0C, und von fünf Experimenten für den Stahl 15 MnNi 63, geprüft bei -1100C und -800C, wiedergegeben. Die letzte Spalte enthält die mit Hilfe der Brucheinsatzzeiten und der Schlagreaktionskurve gewonnenen Schlagbruchzähigkeits-Werte K_,. Alle Experimente wurden im Sprödbruchbereich durchgeführt. Die Brucheinsatzzeiten t^ sind kürzer als eine Periode T der Probenschwingung (mit Gl. (2) berechnet zu 187 [is) ; die Bedingung (1) ist daher nicht erfüllt, und die konventionellen Meßmethoden würden versagt haben. Die BeIa-
» stungsgeschwindigkeit der Rißspitze, K, ist von der Größen-
6 —3/2 —1
Ordnung 10 MNm s . Wegen der Mindestgrößenbedingung wurden Versuche bei höheren Temperaturen mit diesen Proben nicht durchgeführt.
' Zusammensetzung: 2.1% Cr, 1.9% Ni, 0.3% Mo und
0.27% C, in Wasser abgeschreckt und angelassen. Fließgrenze C? = 995 MN/m2, NDT-Temperatur = (+250C)
Zusammensetzung: 1.6% Mn, 0.7% Ni und 0.17% C, Wärmebehandlung bei 53O0C - 5800C für 1h in Luft. Fließgrenze C?y = 360 MN/rn'1,
NDT-Temperatur <-28°C (-550C)
-10-
- vö -
Das erfindungsgemäße Verfahren zur K-,-Bestimmung zeichnet sich gegenüber konventionellen Meßmethoden durch verschiedene Vorteile aus. Die Schlagreaktionskurven erlauben eine voll-dynamische Auswertung der Versuchsdaten. Kine tische Effekte werden zu allen Zeiten des Ereignisses exakt berücksichtigt. Die Methode kann deshalb auf alle experimen tellen Versuchsbedingungen angewendet werden, insbesondere auch im Bereich kleiner Brucheinsatzzeiten (t^ ^ 3 "C), d.h. wenn große Proben/ hohe Schlaggeschwindigkeiten oder spröde Werkstoffe verwendet werden müssen. Sogar Versuche mit Schlaggeschwindigkeiten, die diejenigen von Pendelschlagwerken oder Fallwerken übersteigen, können auf diese Weise ausgewertet werden. Solch hohe Belastungsgeschwindigkeiten sind von Bedeutung zur Bestimmung der wahren unteren Grenzkurve der Bruchzähigkeiten, K R(T), die zur konservativen Auslegung von Bauteilen und Anlagen mit hohen Sicherheitsanforderungen benötigt wird.
Bei der vorgestellten Meßmethode ist eine kalibrierte Instrumentierung des Hammers - wie sie gewöhnlich zur Bestimmung der kritischen Hammerlast in jedem einzelnen Schlagexperiment nötig ist - überflüssig. Das Meßproblem wird hier in zwei Teilaufgaben zerlegt, in die Bestimmung der Schlagreaktionskurve und in die Messung der Brucheinsatzzeit. Die aufwendige Messung der Schlagreaktionskurve muß für eine bestimmte Anordnung nur einmal durchgeführt werden. Für unterschiedliche Schlaganordnungen kann ein Satz zugehöriger Schlagreaktionskurven bereitgestellt werden. Zur KT,-Bestimmung bedarf es dann nur noch einer einfachen Messung der Brucheinsatzzeit mittels, einer unkalibrierten Instrumentierung von Hammer und Probe.
Nach dem angegebenen Verfahren ist es dem Ingenieur eines Prüflabors auf einfache Weise möglich, die Schlagbruch-
- 11 -
• η-
Zähigkeit KId für einen bestimmten Stahl zu ermitteln, indem nur die Brucheinsatzzeit gemessen und die Schlagreaktionskurve, die den experimentellen Bedingungen zugrunde liegt, verwendet wird.
Leerseite

Claims (3)

  1. Patentansprüche
    ' 1.) Verfahren zum Bestimmen der Schlagbruchzähigkeit KId von Werkstoffen, z.B. Stahl oder Kunststoff, durch Schlagversuche mit Biegeproben, die einen künstlichen Anriß aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß
    a) mittels der schattenoptischen Kaustikenmethode die Schlagreaktionskurve für die jeweilige Belastungsanordnung und Probengeometrie bestimmt wird,
    b) in einem Schlagversuch die Brucheinsatzzeit einer entsprechenden Probe aus dem zu untersuchenden Werkstoff gemessen wird,
    c) aus der gemessenen Brucheinsatzzeit mit Hilfe der Schlagreaktionskurve die Schlagbruchzähigkeit KId des Werkstoffes der Biegeprobe ermittelt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Bestimmen der Schlagbruchzähigkeit von Baustählen
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Schlagreaktionskurve an Proben aus einem hochfesten Stahl bestimmt wird.
    - 2
    INSPECTED
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Brucheinsatzzeit aus den Signalen zweier unkalibrierter Dehnungsmeßstreifen gemessen wird, von denen sich der eine an der Schlaghammerfinne und der andere auf der Probe seitlich zur Spitze des Anrisses befindet.
DE3044841A 1980-11-28 1980-11-28 Verfahren zum Bestimmen der Schlagbruchzähigkeit K&darr;I&darr;&darr;d&darr; von Werkstoffen durch Schlagversuche Expired DE3044841C2 (de)

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