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Verfahren zur Ermittlung der Kerbschlagzähigkeit eines
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metallischen Probekörpers bei Tieftemperatur Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der Kerbschlagzähigkeit eines Probekörpers
aus einem metallischen, insbesonderen aus einem austenitischen Werkstoff, der für
Tieftemperaturanwendungen vorgesehen ist, bei welchem Verfahren a) der Probekörper
in einem den Probekörper allseitig umschließenden Behälter angeordnet wird, der
aus Materialien mit einer gegenüber dem Material des Probekörpers vergleichsweise
geringen Kerbschlagzähigkeit besteht, dessen Stirnseiten zugleich als Halterung
für den Probekörper dienen und der einen Teile des Probekörpers umgebenden Hohlraum
aufweist, in welchen ein entsprechendes Kühlmittel von außen über eine hohlnadelartige
Zuführung eingeleitet wird, und b) der abgekühlte Probekörper mittels des Pendels
eines Pendelschlagwerkes schlagartig beansprucht wird, wobei der Behälter mit zerschlagen
wird.
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Auf dem Gebiet der Tieftemperatur -, insbesondere Supraleitungstechnik
wird von den Werkstoffen bestimmter Einrichtungen eine ausreichend hohe Werkstoffzähigkeit
gefordert. Dies trifft z.B. für das tiefstzukühlende Gehäuse aus austenitischem
Material zu, das für den supraleitenden Großmagneten im Rahmen des sogenannten Large-Coil-Task
(LCT)-Projektes zur Entwicklung eines Fusionsreaktors mit toroidalem Magnetfeld
erforderlich ist (vergleiche z.B.
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"Kerntechnik", 20. Jahrgang, 1978, Nr. 6, Seiten 274 bis 281 oder
"Proc. 8th Symp.Engng. Probl. Fusion Research", IEEE Pub.No. 79CH1441-5 NPS, 1979,
Seiten 1169 bis 1173).
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Es sind deshalb Verfahren und Vorrichtungen erforderlich, um die Kerbschlagzähigkeit
von metallischen, insbesondere austenitischen Werkstoffproben auch im Bereich cryogener
Temperaturen ermitteln zu können.
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Verfahren und Vorrichtungen für entsprechende stoßartige Beanspruchungen
sind allgemein bekannt (vergleiche z.B.
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"Handbuch der Werkstoffprüfung", 2. Auflage, Springer-Verlag, 1958,
Seiten 81 bis 95). Hierbei wird ein einseitig gekerbter Probekörper durch den Schlag
eines Pendelhammers oder einer anderen Schlagvorrichtung zerbrochen bzw. so weit
gebogen, wie es die Versuchseinrichtung zuläßt. Dabei liegt der Probekörper mit
der Kerbseite an zwei Widerlagern an. Als Pendelhammer dient eine an einem rohrförmigen
Pendelarm befestigte Hammerscheibe, die an der Schlagseite die sogenannte Hammerschneide
oder Finne enthält. Sie beschreibt nach ihrem Ausklinken aus erhöhter Position einen
Kreisbogen und überträgt im tiefsten Punkt der Hammerbahn einen Teil ihrer kinetischen
Energie auf den zu untersuchenden Probekörper. Als Kennwert für das Zähigkeitsverhalten
wird die zum Zerschlagen des Probekörpers erforderliche Arbeit aus der Differenz
der Energie des Pendelhammers vor und nach dem Schlag bestimmt. Dieser Kennwert
wird auf 1,0 J . cm -2 gerundet und als Kerbschlagzähigkeit bezeichnet.
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Eine entsprechende für einen Temperaturbereich zwischen 7 Kelvin und
6 Kelvin vorgesehene Testvorrichtung ist ebenfalls bekannt (Prospekt der Fa. Hoxan,
Sapporo/Japan: Cryogenic Controller). Bei dieser Vorrichtung wird der zu prüfende
Probekörper mittels flüssigen Heliums, das einem Kühlmittelvorratsbehälter entnommen
wird, besprüht und so
auf eine Temperatur des genannten Temperaturbereiches
abgekühlt. Das Pendelschlagwerk befindet sich dabei auf Raumtemperatur. Abgesehen
davon, daß die bekannte Vorrichtung verhältnismäßig aufwendig ist, läßt sich mit
ihr auch eine Abkühlung des Probekörpers unter 6 Kelvin nicht ausführen, da das
auf den Probekörper aufgesprühte flüssige Helium den Probekörper auf Temperaturen,
wie sie in der Supraleitungstechnik allgemein gefordert werden, d.h insbesondere
unter 4,2 Kelvin, nicht abzukühlen in der Lage ist.
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Bei einem weiteren Verfahren zur Prüfung bei Tiefsttemperaturen wird
der zu untersuchende Kerbschlagprobekörper stirnseitig in entsprechende Öffnungen
von quaderförmigen Elementen aus einem Schaumstoff aus einem besonderen Styrolpolymerisat
bzw. -copolymerisat (z.B. aus "Styropor", Warenzeichen der Firma BASF AG, Ludwigshafen,
Bundesrepublik Deutschland) eingepaßt. Diese Quader werden dann mehrfach mit sogenannter
Superisolationsfolie derart umwickelt, daß sich ein allseitig geschlossener Behälter
mit einem zwischen den Quadern liegenden Hohlraum ergibt.
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In diesen Hohlraum wird dann über eine eingestochene Hohlnadel flüssiges
Helium eingeleitet, indem der gesamte Behälter in ein Helium-Bad eingetaucht wird.
Nach Herausnahme aus dem Kühlmittelbad dient das in dem eingewickelten Hohlraum
befindliche Helium als temporäre Kühlkapazität. Bei der sich daran anschließenden
schlagartigen Beanspruchung des so gekapselten, abgekühlten Probekörpers wird auch
der Behälter im Bereich der Superisolationsfolien mit zerschlagen. Dabei ist der
Einfluß dieser Folien zur Ermittlung der Kerbschlagzähigkeit des Probekörpers verhältnismäßig
gering, da dieses Material gegenüber dem Probekörpermaterial eine vergleichsweise
geringere
Kerbschlagzähigkeit hat. Bei dem bekannten Verfahren wird jedoch eine Korrektur
des Meßwertes zur Berücksichtigung des Einflusses der Superisolationsfolien vorgenommen.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Abdichtung ldes Kühlmittelraumes äußerst schwierig
ist, da besondere Kleber zur Verbindung der Superisolationsfolien untereinander
bzw. der Superisolationsfolien mit den Styroporquadern erforderlich sind. Außerdem
hat der Aufbau auch nur eine geringe Verwindungssteifigkeit. Da die Superisolationsfolien
sehr empfindlich sind, besteht auch die Gefahr der vorzeitigen Zerstörung des Kühlmittelreservoirs.
Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß die zur Versuchsdurchführung zur Verfügung
stehende Zeit nach Entnahme aus dem Heliumbad verhältnismäßig kurz ist und beispielsweise
bei einem 28 cm3 großen Heliumreservoir nur etwa 6 Sekunden beträgt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das eingangs genannte
Verfahren dahingehend zu verbessern, daß die erwähnten Schwierigkeiten vermindert
sind. Dabei soll insbesondere zur Durchführung des Verfahrens eine ausreichend lange
Zeit zur Verfügung stehen, in der der zu untersuchende Probekörper auf der Temperatur
des flüssigen Heliums zu halten ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Probekörper
in einen Behälter eingebracht wird, der aus zwei Formteilen zusammengesetzt wird,
welche aus einem harten geschäumten Kunststoffmaterial mit geschlossenen Poren bestehen
und welche mittels einer Bandagierung an ihrer gemeinsamen Trennfuge mechanisch
verbunden werden, wobei der Hohlraum für das Kühlmittel mit abgedichtet wird.
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Die Abgrenzung der harten Schaumkunststoffe mit verhältnismäßig großem
Verformungswiderstand gegenüber weich-elastischen Schaumstoffen mit geringerem Verformungswiderstand
soll gemäß DIN 7726 vorgenommen werden. Dabei soll der dem Behälter ohne eingebrachtem
Probekörper zuzuordnende Wert der Kerbschlagzähigkeit bei der Versuchstemperatur
höchstens 10 % des entsprechenden Wertes des Probekörpers ausmachen.
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Mit der Verwendung eines derartigen Behälters ergibt sich für das
Verfahren nach der Erfindung insbesondere der Vorteil, daß das in dem Behälter eingeschlossene
flüssige Kühlmittel verhältnismäßig langsam verdampft und somit eine ausreichende
Zeit zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung steht. Außerdem läßt sich der
aus zwei Formteilen zusammensetzbare Behälter so ausführen, daß eine hinreichende
Verwindungssteifigkeit des Behälters bei der Versuchsdurchführung gewährleistet
ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen
aus den Unteransprüchen hervor.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Zeichnung
noch weiter erläutert, aus deren Figuren 1 und 2 eine Kapselung eines Probekörpers
zur Kerbschlagprüfung bei Tiefsttemperatur in einem Längs- bzw. in einem Querschnitt
veranschaulicht ist. Dabei ist für Figur 2 zur Verdeutlichung ein Maßstab gewählt,
der doppelt so groß ist wie der Maßstab der Figur 1. Die Figuren 3 und 4 zeigen
eine weitere Möglichkeit einer Kapselung in entspre-i chender Darstellung. In den
Figuren sind übereinstimmende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein aus einem metallischen, insbesondere austenitischen Material bestehender
Probekörper, der einer Kerbschlag-
prüfung, insbesondere nach DIN
50115 zu unterziehen und in den Figuren mit 2 bezeichnet ist, wird in einem aus
den Figuren ersichtlichen zweigeteilten Behälter 7 angeordnet. Dieser Behälter weist
neben einem erforderlichen Hohlraum für den Körper 2 noch einen weiteren Hohlraum
4 für eine Kühlmittelbevorratung auf. Er besteht im wesentlichen aus zwei baugleichen
Formteilen, nämlich einem Oberteil 5 und einem Unterteil 6. Diese beiden Hälften
des Behälters sind dabei so gestaltet, daß sie den Probekörper 2 an dessen Stirnseiten
7 und 8 formschlüssig umgeben und zur Längsachse des Probekörpers 2 eine Teilfuge
9 bilden.
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Die beiden Formteile 5 und 6 bestehen aus einem thermisch isolierenden,
harten geschäumten Kunststoffmaterial, dessen Poren in sich geschlossen sind, so
daß dieses Material hinsichtlich des Kühlmittels M als dicht anzusehen ist.
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Ein entsprechendes auch als geschlossenzellig bezeichnetes Material
soll außerdem eine gegenüber dem Probekörper 2 vergleichsweise wesentlich geringere
Kerbschlagzähigkeit haben, deren Wert bei der Versuchstemperatur höchstens 10 %
des entsprechenden Wertes des Probekörpers 2 beträgt. Außerdem ist von dem Kunststoffmaterial
eine hinreichend große Verformungsstabilität zu fordern.
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Diese Bedingungen erfüllen insbesondere als zäh-hart anzusehende Polystyrol-Schaumstoffe
(z.B. "Styrofoam", Warenzeichen der Firma The Dow Chemical Corp., Midland, Mich,
USA).
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Zur Abdichtung des Hohlraumes 4 ist lediglich eine Verklebung der
Teilfuge 9 erforderlich. Vorteilhaft erfolgt die Abdichtung der Fläche der Teilfuge
9 mit einem Spezialklebeband (z.B. "Tesafilmband 108", "tesa": Warenzeichen der
Firma Beiersdorf AG, Hamburg, Bundesrepublik Deutschland). Dieses einseitig mit
einer Klebemasse versehene,
streifenförmige PVC-Band 10 wird zunächst
auf dem Oberteil 5 und dem Unterteil 6 an der jeweiligen Teilfugenumlaufkante so
angeklebt, daß es eine Zone 11 der Außenwand, den Teilfugensteg 12 sowie einen Bereich
13 der kühlmittelseitigen Innenwand abdeckt. Die Klebung an der Zone 11 der Außenwand
eines jeden Teiles 5 bzw. 6 dient dabei als Basis für eine Schlußbandagierung 15
der zusammengesetzten Hälften 5 und 6, die mit einem entsprechenden Klebeband vorgenommen
wird.
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Nachdem der Probekörper 2 in die zur Abdichtung vorbereiteten Formteile
5 und 6 eingelegt ist, wird nach deren Schlußbandagierung eine Hohlnadel 17 von
außen in den Kühlmittelvorratsraum 4 eingestochen. Nach dem Eintauchen des gesamten,
den Probekörper 2 enthaltenden Behälters L in ein Bad dieses Kühlmittels, insbesondere
in ein Flüssig-Helium-Bad, kann dann über die Hohlnadel 17 die in dem Behälter vorhandene
Luft entweichen und das Kühlmittel n in den Vorratsraum 4 eindringen, wo es den
Probekörper 2 auf die gewünschte Tiefsttemperatur abkühlt. Die nach dem Herausnehmen
des Behälters E aus dem Kühlmittelbad an den Probekörper 2 und in den Hohlraum 4
gelangende Wärme führt zu einer Verdampfung des Kühlmittels, wobei der Kühlmitteldampf
über die Hohlnadel 17 entweicht.
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Die Bestimmung der Kerbschlagzähigkeit des Probekörpers 2 erfolgt
dann in bekannter Weise mit einem Pendelschlagwerk, insbesondere gemäß DIN 51 222.
Hierbei kann gegebenenfalls durch Vergleichsmessungen mit einem Behälter ohne eingebrachtem
Probekörper der an sich geringe Ein fluß des Behältermaterials und der Klebung auf
den gemessenen Kerbschlagarbeitswert berücksichtigt werden.
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Eine weitere Verringerung des Einflusses des Behältermaterials auf
das Meßergebnis erreicht man, wenn man die beiden Formteile, aus denen der Behälter
zusammenzusetzen ist, so gestaltet, daß die zwischen ihnen ausgebildete Trennfuge
außerhalb des Bereiches zu liegen kommt, der von der Hammerschneide des Pendels
getroffen wird. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel eines Behälters für das erfindungsgemäße
Verfahren geht aus den Figuren 3 und 4 hervor, welche einen Behälter in einer Darstellung
zeigen, die den Figuren 1 bzw. 2 entspricht. Dieser mit 20 bezeichnete Behälter
unterscheidet sich von dem Behälter Z nach den Figuren 1 und 2 praktisch nur dadurch,
daß er nicht zwei etwa gleiche Formteile mit einer gemeinsamen, im wesentlichen
in einer zur Längsachse des Probekörpers 2 parallelen Ebene liegenden Trennfuge
aufweist; vielmehr verläuft bei dem Behälter 20 dessen Trennfuge 21 zwischen seinen
beiden Formteilen 22 und 23 aus dem vorbestimmten Schaumkunststoffmaterial im wesentlichen
in einer dazu senkrechten Ebene. Die Formteile 22 und 23 sind dabei als deckelartiges
Oberteil bzw. einseitig abgeschlossenes Unterteil mit 4 Kant-Rohrform gestaltet.
Die Trennfuge zwischen diesen beiden Teilen liegt dabei außerhalb der durch eine
gestrichelte Linie veranschaulichten Schlagebene 25 einer in den Figuren nicht dargestellten
Hammerschneide. Um eine ausreichend mechanisch stabile Verbindung zwischen dem Oberteil
22 und dem Unterteil 23 zu gewährleisten, ist das Oberteil 22 im Bereich der Trennfuge
21 so ausgebildet, daß es einen ein Stückweit in das Unterteil 23 hineinragenden
Fortsatz 26 aufweist. Wie aus dem Querschnitt der Figur 4 hervorgeht, weist dieser
Fortsatz 26 vorteilhaft nur drei Seitenteile 30 bis 32 auf, die im zusammengesetzten
Zustand des Behälters 20 formschlüssig an den
entsprechenden Innenseiten
des Unterteils 23 an liegen.
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Die kühlmitteldichte Verbindung zwischen den beiden Formteilen 22
und 23 kann dann gemäß der anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Verklebungstechnik
erfolgen.
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An der Innenwandseite 33, welche der von Hammerschneide getroffenen
Wand 34 gegenüberliegt, ist also kein Fortsatzteil vorgesehen, um so eine bezüglich
der Schlagebene 25 weitgehend symmetrische Lagerung des Formkörpers 2 zu gewährleisten.
Da bei dieser Ausführungsform des Behälters 20 die Zerschlagung des Behälters ausschließlich
in einem aus dem reinen Schaumkunststoff bestehenden Bereich erfolgt, der eine äußerst
geringe Kerbschlagzähigkeit aufweist, ist der Einfluß dieses Behältermaterials entsprechend
gering. Mann kann deshalb im allgemeinen auf eine Berücksichtigung dieses Einflusses
bei der Meßwertbestimmung verzichten.
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In den Figuren wurde davon ausgegangen, daß die Trennfugen 9 oder
21 zwischen den beiden Formteilen 5, 6 bzw.
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22, 23 der Behälter 3 bzw. 20 jeweils eben gestaltet sind. Diese Fugen
können jedoch ebensogut auch im Schnitt gesehen Stufenform haben.
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Maßgeblich für die Beurteilung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
der Zeit-Temperaturgang nach Entnahme des in den Behältern E oder 20 gekapselten
Probekörpers 2 aus dem Bad des Kühlmittels. Dabei hat sich gezeigt, daß nicht nur
für den Bereich von 77 Kelvin, sondern auch für den Bereich der Temperatur des flüssigen
Heliums die zur Verfügung stehende Zeit für die eigentliche Versuchsdurchführung
der Kerbschlagprüfung völlig ausreichend ist. Gegen-
über dem bekannten,
eingangs genannten Verfahren wird beispielsweise unter Berücksichtigung des vorhandenen
Kühlmittelreservoirs mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Verlängerung der zur
Verfügung stehenden Zeit um den drei- bis vierfachen Wert erreicht. Diese Zeit kann
gegebenenfalls noch weiter verlängert werden, indem man die Behälter aus dem Schaumstoffmaterial
noch mit bekannter Strahlungsfolie ummantelt, z.B. beklebt.
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9 Patentansprüche 4 Figuren