DE3438665A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln der mechanischen eigenschaften von stahl - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum ermitteln der mechanischen eigenschaften von stahlInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der mechanischen Eigenschaften von Stahl.
Von den verschiedenen Eigenschaften von Stahl sind die mechanischen
Eigenschaften, wie Festigkeit und Zähigkeit die wichtigsten. Zum Bestimmen der Festigkeit von Stahl wird
üblicherweise der Zugtest durchgeführt. Wie allgemein bekannt, werden standardisierte Zug-Prüflinge einem Teil des
zu prüfenden Stahls entnommen und vorbereitet entsprechend den Normen wie ASTM und JIS. Die so vorbereiteten Prüflinge
werden mit Hilfe einer Zugprüfvorrichtung bei festgelegten
Bedingungen Zug- und Bruchbeanspruchungen ausgesetzt. Die Meßergebnisse, die die Festigkeit von Stahl gegenüber
Deformationen und Bruch beschreiben, wie Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung, werden, aus dem Zerreißdiagramm
und der Form und den Abmessungen des im Test erhaltenen zerstörten Prüflings ermittelt.
Der Charpy-Versuch wird vielfach zum Bestimmen der Zähigkeit von Stahl verwendet. Bei einem Charpy-Versuch wird ein
nach einer Norm hergestellter Prüfling bei einer festgelegten Temperatur gehalten (üblicherweise eine niedrige Temperatur
unterhalb der Raumtemperatur) und mit einer Charpy-Prüfvorrichtung
zerbrochen. Die absorbierte Energie und das Aussehen der Bruchflächen bezüglich ihrer anteiligen Scherbeanspruchung
werden ermittelt.
Bei einem Stahlherstellungsverfahren kommt die Prüfung meist
an letzter Stelle. Ein Test-Prüfling wird einem Teil des Produkts entnommen, nach den Anforderungen vorbereitet und
mechanischen Prüfungen unterzogen, so daß die mechanischen Eigenschaften des zu testenden Stahlprodukts bestimmt und
garantiert werden können. Dabei ist von Nachteil, daß die
Probenentnahme und Vorbereitung der Test-Prüflinge sowie
L J
-V-3
die mechanischen Prüfungen sehr viel Zeit und Geld kosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuvorgenannten Mängel bei üblichen Prüfverfahren und Vorrichtungen zu
vermeiden und ein einfaches, schnelles und wirtschaftliches
Verfahren zum Ermitteln der mechanischen Eigenschaften von Stahlprodukten bereitzustellen; ferner soll die Genauigkeit,
mit der die mechanischen Eigenschaften ermittelt werden, gleich der von üblichen Verfahren sein, so daß das erfindungs
gemäße Verfahren die üblichen Verfahren ablösen kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zum automatischen Ermitteln der mechanischen Eigenschaften
eines Stahlprodukts und Prüfen der Eignung des Stahls, die in ein Herstellungsverfahren eingebunden werden kann, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln der mechanischen
Eigenschaften von Stahlprodukten werden zunächst anhand von experimentellen Daten empirische Gleichungen aufgestellt,
die den Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit, der Streckgrenze und der Dehnung, insbesondere der Bruchdehnung
einerseits, und der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung des Stahls andererseits, beschreiben.
Danach wird die Härte, die Korngröße und die chemische Zusammensetzung des zu bewertenden Stahls bestimmt. Unter Verwendung
der empirischen Gleichungen und der so bestimmten Werte werden die Zugfestigkeit, die Streckgrenze und die Dehnung
des fraglichen Stahls ermittelt.
L j
Zum Bestimmen der absorbierten Energie werden beim erfindungsgemäßen
Verfahren zum Bestimmen der mechanischen Eigenschaften zunächst empirische Gleichungen aufgestellt, die
den Zusammenhang zwischen der Sockelenergie (shelf energy), der Übergangstemperatur und dem Temperaturbereich, in dem das
Übergangsgebiet der Energie liegt, und der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung des Stahls beschreiben.
Danach werden die Härte, die Korngröße und die chemische Zusammensetzung des zu bewertenden Stahls bestimmt.
Unter Verwendung der empirischen Gleichungen und der zuvor bestimmten Werte werden die Sockelenergie, die Übergangstemperatur
und der Temperaturbereich, in dem das Übergangsgebiet der Energie liegt, für den fraglichen Stahl bestimmt.
Die bei einer bestimmten Temperatur absorbierte Energie wird dann aus der Sockelenergie, der Übergangstemperatur
und dem Temperaturbereich, in dem das Übergangsgebiet der Energie liegt, ermittelt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln der mechanisehen
Eigenschaften von Stahl weist eine Härte-Meßvorrichtung, eine Korngrößen-Meßvorrichtung, eine Vorrichtung
zum Analysieren der chemischen Zusammensetzung und einen Rechner /,die am Ende der Produktionslinie angeordnet sind.
Der Rechner weist eine Eingabeeinheit zum Einlesen der gemessenen Daten in den Rechner, einen Speicher, eine Arithmetik-Logik-Einheit
(ALU) und eine Anzeige auf. Die Ausgangssignale der Härte- und Korngrößen-Meßvorrichtung sowie des
emissionsspektrochemischen Analysators werden über die Eingabeeinheit
in den Rechner eingelesen. Im Speicher sind die empirischen Gleichungen, die den Zusammenhang zwischen der
Zugfestigkeit, der Streckgrenze, der Dehnung, der Sockelenergie, der Übergangstemperatur und dem Temperaturbereich,
in dem die Übergangszone der Energie liegt, und der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung des Stahls
beschreiben und die Energieübergangskurven, in denen die Sockelenergie, die Übergangstempera-
r 'JV-" ' " " : 3438663
tür und der Temperaturbereich, in dem die Übergangszone der
Energie liegt, als Parameter verwendet werden, gespeichert. Die Arithmetik-Logik-Einheit ermittelt die bei einer vorgegebenen
Temperatur absorbierte Energie aus der Zugfestigkeit, der Streckgrenze, der Dehnung, insbesondere der Bruchdehnung,
der Sockelenergie, der Übergangstemperatur, dem Temperaturbereich, in dem die Übergangszone der Energie liegt und den
Energieübertragungsdiagrammen durch Einsetzen der von den Meßinstrumenten bestimmten Werte in die in dem Speicher vorliegenden
Gleichungen. Die Anzeige zeigt das Ergebnis der arithmetischen Operation, das von der Arithmetik-Logik-Einheit
geliefert wird.
Mit den weit verbreiteten bekannten mechanischen Prüfverfahren, bei dem die Probenentnahme und Herstellung der Test-Prüflinge
sehr zeitintensiv sind, dauert es oft einige Tage, bis das Prüfergebnis erhältlich ist. Im Gegensatz dazu sind
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Ergebnisse innerhalb
weniger Stunden erhältlich, da auf die Herstellung von Test-Prüflingen
verzichtet werden kann. Es ist auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren in den Herstellungsverfahrensablauf
(on —line) einzubinden. Zur Nachkontrolle können die Produkte, die beim erfindungsgemäßen Verfahren zurückgewiesen
wurden, mit einem konventionellen Verfahren nachgetestet werden.
Das erfindungsgemäße Prüfverfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung haben den Vorteil, daß die mechanischen Eigenschaften von Stahl in einer höchst einfachen Art und in
einer drasLisch verkürzten Zeit ermittelt werden können. Das Prüfverfahren, das üblicherweise sehr zeitintensiv und teuer
ist, kann nun in großem Maße abgekürzt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Ausführungsbeispie-Ie
und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Zerreißdiagramm (Spannungs-Dehnungs-Kurve) für Stahl
gemessen bei einem Zugversuch, Figur 2 ein Übergangsdiagramm der absorbierten Energie von
Stahl, gemessen in dem Charpy-Versuch, Figur 3 ein vereinfachtes Diagramm gemäß Figur 2,
Figur 4 eine schematische Darstellung eine s in einer bevorzugten Ausführungsform verwendeten Einkerb-Härte-Prüfverfahren
s,
Figur 5 ein Einkerbdiagramm, bei dem die Kraft als Funktion der Eindringtiefe'aufgetragen ist/ ermittelt durch das
Figur 5 ein Einkerbdiagramm, bei dem die Kraft als Funktion der Eindringtiefe'aufgetragen ist/ ermittelt durch das
Prüfverfahren gemäß Figur 4,
Figur 6(a) eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum
Bestimmen der Dämpfungskonstante für Ultraschallwellen, das in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet
wird,
Figur 6(b) eine graphische Darstellung des erhaltenen Ergebnisses
gemäß Figur 6(a),
Figur 7 eine Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen
Figur 7 eine Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen
Prüfverfahrens und
Figur 8 ein Flußdiagramm, in dem die Verfahrensschritte zum
Ermitteln der mechanischen Eigenschaften von Stahl dargestellt sind, unter Verwendung der Vorrichtung
gemäß Figur 7.
Als erstes wird ein Verfahren zum Ermitteln der mechanischen Eigenschaften von Stahl aus den Meßergebnissen der Härte, der
Korngröße und der chemischen Zusammensetzung, das anders als die konventionellen Zug- und Schlagversuche ist, beschrieben,
das die wesentlichen Merkmale dieser Erfindung aufweist.
Härtetests sind zum Bestimmen der mechanischen Festigkeit von Stahl weit verbreitet. Brinellr, Rockwell- und Vickers-Härteversuche
sind bekannt. Ebenso wird angenonmen, daß die mit
diesen Verfahren bestimmte Härte der Zugfestigkeit entspricht,
auch wenn einige Unterschiede zwischen den verschiedenen Prüf- und Anzeigeverfahren vorhanden sind.
Die Korngröße ist einerder fundamentalsten und wichtigsten Faktoren für die mechanischen Eigenschaften von Stahl. Die
Kornverfeinerung verbessert sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit. Zum Ermitteln der Korngröße wird üblicherweise
ein Test-Prüfling bearbeitet und abgedreht, wobei die Korngrenzen durch Anwendung von Oberflächenätzung freigelegt
werden. Die Abschätzung der Korngröße wird visuell unter einem Mikroskop anhand der freigelegten Oberfläche vorgenommen.
Der Ausdruck "Korngröße" bedeutet allgemein die Ferrit- oder ursprüngliche Austenit-Korngröße. In dieser Erfindung jedoch
wird die effektive Korngröße, die die mechanischen Eigenschaften von Stahl praktisch bestimmt, verwendet. Die
effektive Korngröße ist die Größe der Körner, die von den Korngrenzen umgeben sind, an denen sich die Kristallorientierung
stark ändert. Die Ferrit-Korngröße von ferritischperlitischen Stählen und die kovarianten Packungsgrößen für
martensitische und bainitische Stähle sind Beibpiele für die effektive Korngröße.
Die.chemische Zusammensetzung wird mit einem üblichen Verfah-
ren bestimmt unter Verwendung z.B. eines Emissions-Spektroskopie-Analysators.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Abschätzen
der mechanischen Eigenschaften von Stahl unter Verwen-
dung der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung, die wie zuvor beschrieben ermittelt wurden, beschrieben.
Figur 1 zeigt das bei einem Zugversuch ermittelte Zerreißdiagramm (Spannung - Dehnung). Die bei einem Zugversuch
ermittelten wesentlichen Informationen sind im all-
gemeinen Zugfestigkeit TS, die Streckgrenze YP und die Bruchdehnung EL.
Die Ermittlung der Zugfestigkeit TS wird prinzipiell anhand der Härte H durchgeführt. Wie zuvor erwähnt gibt es einen
strengen Zusammenhang zwischen der Härte H und der Zugfestigkeit TS. Jedoch stimmen die Härte H und die Zugfestigkeit TS
nicht genau überein, da die Deformationsart in dem Zugver-
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such von der in dem Einkerb-Härteversuch verschieden ist. Beeinflußt durch die Kaltverformungseigenschaften kann der
Zusammenhang zwischen der Härte H und der Zugfestigkeit TS
im allgemeinen wie folgt ausgedrückt werden:
TS = f1 (H, n) (1)
wobei η ein Kaltverfestigungs-Exponent ist. Die Kaltverfestigung
ist eine Eigenschaft von Stahl, die abhängig ist von der Korngröße und seiner Struktur. Die Struktur ist im allgemeinen
bestimmt durch die chemische Zusammensetzung dieses Stahls und die Bearbeitungsbedingungen und Wärmebehandlungen,
denen der Stahl.ausgesetzt wird. Hingegen ist bei einem
3 oder quasistationaren
stabilen/Herstellungsverfahren die Struktur nahezu allein durch die chemische Zusammensetzung bestimmt.
Die Ermittlung der Eigenschaften gemäß der Erfindung beruht auf der Härte H, wie in der1 folgenden Gleichung dargestellt, mit der
Korngröße Du und der chemischen Zusammensetzung (X .), wobei j = 1 bis N als zusätzlicher Parameter dient:
TS = f1 (H, Du, (Xj)) (2)
= f^ (H) + f12 (Du, (Xj)) (3)
Hierin hat der Term f..- einen viel geringeren Einfluß als
der Term .f.. 1 .
Für praktische Anwendungen wird die folgende lineare Gleichung verwendet.
_ λ_
TS = C1 [H] + OC2 [Du 2J + or3 [C] + a4 [Mn] (4)
TS = C1 [H] + OC2 [Du 2J + or3 [C] + a4 [Mn] (4)
wobei cc. experimentell bestimmte Konstanten sind, C dem
Kohlenstoffgehalt und Mn dem Mangangehalt entspricht. Die bekannte Hall-Petch-Gleichung σ* = k + k ' d2 beschreibt
den Zusammenhang zwischen der Festigkeit σ und der Korngröße d von Stahl. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht
auch auf dieser Gleichung.
L J
Γ -ΊΤ: "■' " ' 3438669
Die Streckgrenze YP ist eine der fundamentalsten mechanischen Eigenschaften. Sie stellt die Deformations-Festigkeit von Stahl
ohne Kaltverfestigung dar. Die Zugfestigkeit TS wird unter Berücksichtigung
der Kaltverfestigungseigenschaften von Stahl aus der Streckgrenze YP ermittelt. Darum wird bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Streckgrenze YP durch Subtrahieren der eingebrachten Kaltverfestigungsarbeit von dem geschätzten
Wert der Zugfestigkeit TS ermittelt.
YP = f2 (H, Du, (X.)) (5)
= f1 (H, Du, (X.)) - f21 (Du, (Xj)) (6)
Der Einfluß des Terms f_1 ist abhängig von den mechanischen
Eigenschaften von Stahl und ist im allgemeinen größer als der von dem Term £«~ in Gleichung (3).
Für praktische Anwendungen wird die folgende Gleichung verwendet:
yp = B1 [H] + B2 [Du~I] + ß3 [C] + B4 [Mn] (7)
wobei B. Konstanten^ sind.
Die Bruchdehnung EL ändert sich mit den Eigenschaften des Stahls,
insbesondere mit der Zugfestigkeit TS. Da sich die Dehnung auch mit der Form und der Größe des Test-Prüflings ändert, wird die
folgende Gleichung zum Abschätzen verwendet:
EL = f (H, Du,A, L, (X.) ) (8)
Für praktische Anwendungen wird die folgende Gleichung ververwendet
:
EL = γ [H] + γ [Du 2] + Y3 [C] + Y4 [Mn]
1
+ Y5 [A2] + Y6 [L] (9)
L J
Γ :13"; " " 3438663
wobei Y1 konstanten sind, A und· L jeweils die Querschnittsfläche und die Länge des reduzierten Bereichs der zu prüfenden
Zugprobe beschreiben.
Im folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Abschätzen
der Schlagwiderstandseigenschaften beschrieben. Figur 2 zeigt die bei einem Charpy-Schlagversuch ermittelte
Übergangskurve, wobei die Prüftemperatur T(0C) auf der
Abszisse und die absorbierte Energie vE (kg * m) auf der Ordinate aufgetragen sind. Bei Schlagversuchen wird im allgemeinen
die Menge der absorbierten Energie vE bei einer vorgegebenen Prüftemperatur bestimmt. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird daher die Übergangskurve beschrieben durch die obere Sockelenergie oder das obere Energieniveau
vE , die untere Sockelenergie oder das untere Energieniveau vEq (ungefähr gleich 0) und die Energieübergangstemperatur
rE ' _ _. · (10)
7Er = g C tEs , tEo , 7T:e ,T)
2Q In Figur 3 ist der Übergangsbereich gemäß Figur 2 linear
angenähert. Gleichung (10) lautet dann wie folgt: rO T^T1
T- 7 T π- . J
T2 -Ti 2
T2 <T
In dieser Gleichung ist das untere Energieniveau vE gleich 0,
Das obere Energieniveau vE , die Energieübergangstemperatur vT .· und der Bereich des Energieübergangsgebiets Τ2"'Γ1 wer~
den wie folgt unter Verwendung der Härte H, der Korngröße Du und der chemischen Zusammensetzung (Xj) , wobei j = "ι bis
N ist, beschrieben:
7Es = hi CH , Du. CXi ) ) (12)
7Tr ε = hz CH , Du. CXi ) ) (13)
-Ti= H3 CH , Du, CXi ) ) " (14)
3438663
Durch die Verwendung der Gleichungen (12), (13) und (14) wird die absorbierte Energie vE„ bei einer gegebenen Temperatur
aus der Härte H, der Korngröße Du und der chemischen Zusammensetzung
(Xj) ermittelt.
Die Bruchübergangstemperatur vTrs, die vielfach als eine
Eigenschaft beim Charpy-Versuch verwendet wird,'ist ebenfalls durch die folgende Gleichung (15) beschrieben.
v.Trs = h4 (H, Du, (X. )) (15)
Für praktische Anwendungen werden die folgenden Gleichungen verwendet:
?Es=Sl LH]+S2 [Du^]+S3 CC]+J4 [M n] (16)
7TrE =6l [HJ + e2 [Du"] +ζ3 [C] +ζ4 [Mn] d7)
. .I2-T1=Ci [Hj+^2 [Du^]+S3 [C]+^4 [Mn] (18)
vT.rs_= T71 [Hj+T72 (Da"1] +is [C]+T74 [Mn](IS)
20
wobei δ, , f., 5 · und κι · Konstanten sind.
Wie zuvor beschrieben, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren
eine einfache Bestimmung verschiedener mechanischer Eigen schäften, die üblicherweise durch Zug- und Schlagversuche
ermittelt werden, aus der Härte H, der Korngröße Du und der chemischen Zusammensetzung (Xj). Im folgenden Abschnitt wird
ein Beispiel beschrieben, in dem das erfindungsgemäße Verfahren an einer Stahlplatte allgemeiner Struktur angewandt
wurde.
Figur 4 zeigt schematisch das Prinzip des Härte-MeßVerfahrens,
das in diesem Beispiel * · verwendet wird. Eine Kugel 2 mit einem Durchmesser D (mm) wird in einen
Stahl-Testprüfling 1 gepreßt, die zugeführte Kraft W (kg) und die Tiefe de s Eindrucks- χ (mm) werden kontinuierlich
L J
r -'Ys"- 343866Έ
gemessen. Figur 5 zeigt das so ermittelte Kraft-Verformungsdiagramm.
Wie dargestellt, verläuft die Kraft-Verformungs-1
kurve, wenn die Kraft (oder Verformung) einen bestimmten Punkt überschritten hat, entlang einer geraden Linie. Durch
Differentiation des Werts innerhalb dieses· Bereichs oder Bestimmung
des Wertes dW/dX wird die Härte HT mittels der folgenden
Gleichung bestimmt:
Im allgemeinen wird der Härteversuch als ein einfacher Ersatz
für den Zugversuch verwendet. Der theoretische Zusammenhang der Härte definiert durch die Gleichung (20) mit
der Zugfestigkeit TS wird im folgenden dargelegt. Die Meyer-Härte ermittelt aus dem Durchmesser d des erzeugten Eindruckes
wird ausgedrückt als
4 W
Hm =—τ (21)
Hm =—τ (21)
7Γ d
Es ist bekannt, daß die sich ergebende Meyer-Härte, wenn die Kugel in einen perfekt plastischen Deformationsbereich
eines Materials eingepreßt.wird, das keiner Kaltverfestigung unterliegt oder bereits vollständig kaltverfestigt ist, die
Streckgrenze YP oder die. Zugfestigkeit TS des Materials an diesem Punkt beschreibt.
Hm = K2 · YP= K3 'TS
(k~ und k, sind Konstanten)
Der folgende Zusammenhang zeigt die Beziehung zwischen der Tiefe X und dem Durchmesser d des hergestellten Eindrucks
und dem Durchmesser D der verwendeten Kugel.
d=2i X CD-X) =2J X«D
L J
Γ _"16"_
3438663
Entsprechend ergibt sich aus den Gleichungen (21), (22) und (23)
= K4 · T S (24)
Die obige Beschreibung basiert auf der Voraussetzung, daß das zu testende Material nicht kaltverfestigt wird. Tatsächlich
jedoch muß der Effekt der Kaltverfestigung zu einem gewissen Teil berücksichtigt werden. Trotzdem entspricht
die Härte HT im wesentlichen der Zugfestigkeit TS von Stahl.
Wie zuvor erwähnt, kann die Härte von Stahl auf verschiedene Arten, beispielsweise/die Brinell-Härte ausgedrückt werden.
Die differenzierte Härte HT gemäß Gleichung (20) zeigt
einen theoretisch begründeten Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit TS und anderen vorerwähnten mechanischen Eigenschaften.
Darum wird in diesem Beispiel die differenzierte Härte H_ als Härte H in den empiri;
(9) und (16) bis (19) verwendet.
(9) und (16) bis (19) verwendet.
Härte H_ als Härte H in den empirischen Gleichungen (4), (7),
20
Im folgenden wird das in den Beispielen der Anmeldung verwendete Verfahren zum Bestimmen der Korngröße beschrieben.
Figur 6(a) zeigt schematisch ein Ultraschall-Verfahren zum Bestimmen der Dämpfungskonstante. Ultraschallwellen werden
von einer Korngrößen-Meßvorrichtung 3 durch einen Ultra-
25
schall-Wellenoszillator 4, der als Sender und Empfänger dient,
zu einem Prüfling -1 geleitet. Die Ultraschall-* wellen des Oszillators 4 werden mehrfach innerhalb des Test-
Prüflings 1 reflektiert. Aus der Serie der akustischen Druckechos,
die von dem Oszillator 4 detektiert werden, ist die 30
Dämpfungskurve gemäß Figur 6(b) erhältlich. Die Dämpfung
verläuft im wesentlichen exponentiell im Vergleich zum Weg der Wellenausdehnung χ (cm), so daß der akustische
Druck P der Echos als P = P,,e beschrieben wird. Wenn der
akustische Druck an den Ausbreitungs stellen x„ und x_
1 2
innerhalb des Test-Prüflings P. und P2 beträgt, dann ist die
-Ί7- 343866Β
Dämpfungskonstante α (dB/cm) durch die folgende Gleichung definiert:
20 log CPi /P2 )
cc = —- — (25)
cc = —- — (25)
In tatsächlichen Messungen hängt die Dämpfung der Ultraschallwellen
nicht allein von den Reflektionen an den Korngrenzen ab, sondern auch von der Ultraschall-Brechung innerhalb
des Prüflings, den Reflektionsverlusten an beiden Enden des Prüflings und einigen anderen Ursachen. Da diese
Ursachen bekannt sind, kann die dadurch hervorgerufene Dämpfung korrigiert werden. Wenn die reale Dämpfungskonstante
α (dB/cm) bei einer geeigneten Frequenz f (Hz) wie oben bestimmt ist kann die Korngröße Du durch Einsetzen der
Werte für α und f in eine empirische Gleichung bestimmt werden.
Du=Du ( cc , τ )
Wenn die Elastizitätskonstante zwischen einzelnen Kristallen diskontinuierlich ist, werden die sich durch den'Test-Prüfling
ausbreitenden Ultraschallwellen an den Korngrenzen am weiteren Voranschreiten gehindert und dadurch gestreut und gedämpft.
Folglich ist die mit Hilfe der Energiedämpfung von Ultraschallwellen bestimmte Korngröße gleich der effektiven
Korngröße, die durch die weite Variation der kristallographischen Orientierung zwischen einzelnen Körnern gekennzeichnet
ist. Bei der in dem zuvor beschriebenen Beispiel verwendeten Stahlplatte entspricht die effektive Korngröße
der Ferrit-Korngröße in dem Fall eines ferritisch-
perlitischen Stahls und der kovarianten Packungsgröße in dem Fall eines martensitischen und bainitischen Stahls.
Die effektive Korngröße stellt eine Kristalleinheit dar, die praktisch die mechanischen Eigenschaften von Stahl,
Deformationen und Bruch und anderem zu widerstehen, bestimmt.
L J
Für chemische Analysen werden die Werte mit einem Verfahren, das als "Schmelzen-Analyse" bekannt ist, ermittelt,
wobei Proben aus dem flüssigen Stahl im Stahlfertigungsprozess genommen werden.
Die Zugfestigkeit und andere mechanische Eigenschaften
werden durch Einsetzen der oben genannten Werte in die folgenden Gleichungen, die zuvor aufgestellt wurden, bestimmt.
TS = 0.0952(H) - 0.248(Du *) + 24.8(C) + 3.54 (Mn) - 4.27
j_
YP = 0.119(H) + 0.6979(Du"*) - 31.1(C) - 3.95 .{Mn) - 21.0
YP = 0.119(H) + 0.6979(Du"*) - 31.1(C) - 3.95 .{Mn) - 21.0
j_
EL = -0.0545(H) - 0.275(Du"*) + 0.741(/Ä) - 0.131(L)
EL = -0.0545(H) - 0.275(Du"*) + 0.741(/Ä) - 0.131(L)
+ 3.71(C) - 1.88(Mn) +60.6 vEs = -0.044(H) - 0.164(Du"^) - 118(C) - 9.7(Mn) + 60
VTrE = -0.048(H) -10.3(Du"7 ) + 192(C) - 43(Mn) + 58
T2 _ Tl = 0.157(H) - 7.38(Du~A) + 47.8(C) + 15.4(Mn) +
Die chemische Zusammensetzung ist ausgedrückt in Prozent. 20
3eim Vergleich mit den Werten, die durch konventionelle mechanische
Tests ermittelt wurden, stimmen die Werte, die bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die
Stahlplatte, sehr genau überein. Durch Verwendung mehrerer 2
Prüflinge mit Zugfestigkeiten von beispielsweise 40 kg/mm
bis 100 kg/mm wurde der Bereich, in dem das erfindungsgemäße
Verfahren zum Bestimmen verschiedener Größen mechanischer
Eigenschaften eingesetzt werden kann, festgestellt.
L J
| 3438 | (A) | 6651 | |
| - 100 | (B) | ||
| 40 | - 80 | 0,8 | |
| 25 | - 65 | 1,0 | |
| 20 | - 30 | 1,5 | |
| 10 | - 30 | 2,0 | |
| 2 | - -20 | 2,2 | |
| -120 | 7,6 |
Zugfestigkeit TS (kg/mm2)
Streckgrenze YP (kg/mm2)
Bruchdehnung EL (%)
Streckgrenze YP (kg/mm2)
Bruchdehnung EL (%)
Sockelenergie vEs (kg-m)
Absorbierte Energie bei -200C vE (kg«m)
Energie-Übergangstemperatur (vTr„)
* (A):Der Meßbereich bei dem konventionellen Prüfverfahren (B):Die Genauigkeit, mit der die durch das erfindungsgemäße
Verfahren erhaltenen Ergebnisse mit denen des konventionellen Verfahrens übereinstimmen.
Der Meßbereich bei den konventionellen Testverfahren zeigt
den Bereich an, in dem die Ergebnisse der großen Zahl von Prüflingen, die zuvor genannt wurden, hineinfallen. Genauso
ist die Genauigkeit der Übereinstimmung gleich der mittleren quadratischen Abweichung der Differenzier nach dem konventionellen Verfahren
erhaltenen Ergebnisse und der gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren nach der arithmetischen Operation erhaltenen Ergebnisse.
In den folgenden Abschnitten wird eine Vorrichtung beschriebe, bei der das erfindungsgemäße Verfahren für eine Stahlplatten-Produktionsstraße
verwendet wird.
Figur 7 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die in einer
Produktionsstraße eingesetzt wird. Figur 8 ist ein Flußdiagramm, in dem das Verfahren zur Bestimmung der mechanischen
Eigenschaften von Stahl dargestellt ist, unter Verwendung der Vorrichtung gemäß Figur 7..
Wie dargestellt, gibt ein optischer Plattensensor 15 ein Detektiersignal an eine Steuereinheit 17, wenn eine Stahlplatte
1 durch eine Transportvorrichtung 11 in eine Inspektionsliriie befördert wird. Nach Erhalt eines Signals von
L J
Γ -~2ο"-~ 3438663
der Steuereinrichtung 17 stoppt der Motor 12 der Transportvorrichtung
11, so daß die Platte 1 in einer Inspektions-Position
gehalten wird.
Danach wird ein Signal von der Steuereinheit 17 an die
Steuerarbeitsvorrichtung 19a einer Härte-Meßvorrichtung 19
geleitet. Die Steuerarbeitsvorrichtung 19a senkt den Meßkopf 19b auf die Platte ab, so daß eine an ihrer Spitze angeordnete
Stahlkugel in die Oberfläche der Stahlplatte gepreßt wird. Die Steuerarbeitsvorrichtung 19a ermittelt die
Härte H der Platte aus der Kraft-Verformungskurve und gibt die erhaltenen Werte in einen Rechner 23..
Ein weiteres von der Steuereinheit 17 kommendes Signal wird in eine Korngrößen-Meßvorrichtung 20 gegeben ; diese weist
einen Meßkopf 20c, einen Ultraschallwellen-Sender/Empfänger 20b und eine Steuerarbeitsvorrichtung 20a auf. An dem Meßkopf
20c ist ein Ultraschallwellenoszillator" und ein Kontak-
iwie eine "contact catalyst e^ecting"-Vorrichtung
tiermechanismusl, angebracht. Nach Erhalt eines Signals von der Steuereinheit 17 senkt die Steuerarbeitsvorrichtung 20a
den Meßkopf 20c auf die Platte ab und bestimmt unter Verwendung des Oszillators die Dämpfung der Ultraschallwellen. Der
Oszillator steht mit der Stahlplatte 1 über das Kontaktforder-Medium
in Kontakt. Anhand der so erhaltenen Dämpfungssignals
berechnet die Steuerarbeitsvorrichtung 20a die Korngröße Du und gibt die erhaltenen Werte in den Rechner 23 ; ebenso wird die
Plattendicke t in den Rechner 23 eingegeben.
Die durch die "Schmelzen-Analyse" bestimmte Zusammensetzung
wird zuvor in einai Steuerrechner 28 eingegeben und für die in dem Rechner 2 3 vorgenommene Arithmetikoperation verwendet.
Die Meßergebnisse werden in eine Eingabeeinheit 24 des Rechners 23 eingelesen, wo die analogen Signale in digitale Signale
gewandelt werden. Unter Verwendung der Signale von der Eingabeeinheit 24 und den empirischen Gleichungen und dem in
einem Speicher 26 gespeicherten Übergangstemperaturdiagramm
L J
berechnet eine Arithmetik-Logik-Einheit 25 die Zugfestigkeit, die Streckgrenze, die Dehnung und die absorbierte Energie
bei einer festen Temperatur. Die erhaltenen Ergebnisse werden über eine Ausgabeeinheit 27 zu einer Wärmebehandlungsvorrichtung,
Anzeigeeinheit oder ähnlichem (nicht dargestellt) ausgegeben. Für diese Anwendung kann ein allgemein bekannter
Rechner, wie der IBM HP-9836 verwendet werden.
Es können Vorkehrungen getroffen werden, so daß die erhaltenen Ergebnisse in der Arithmetik-Logik-Einheit 25 mit den in dem
Speicher 26 gespeicherten Vergleichswerten verglichen werden, um zu prüfen, ob die mechanischen Eigenschaften der Stahlplatte
1 ausreichend sind oder nicht.
Statt der Bestimmung der chemischen Zusammensetzung durch die "Schmelzen-Analyse"* können die Werte mit einem kontinuierlich
arbeitenden Analysator bestimmt werden, wie einem Emissions-Spektroskopie-Analysator,
der in der Inspektionslinie angeordnet ist.
Die mechanischen Eigenschaften von Stahl können ebenso anhand von Walzbedingungen,wie Wärmeeinwirkung und Bearbeitung statt
der chemischen Zusammensetzung, die in dem zuvor beschriebenen Beispiel verwendet wurde, ermittelt werden. Das erfindungsgemäße
Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können ebenfalls für andere mechanische Eigenschaften als die zuvor
in dieser Anmeldung beschriebenen verwendet werden.
Schließlich können nicht nur die Gehalte an Kohlenstoff und Mangan sondern auch diejenigen an Silicium, Schwefel, Nickel
und anderen im Stahl enthaltenen Elementen in den empirischen Gleichungen berücksichtigt werden, wodurch eine noch genauere
Auswertung erreicht wird.
L J
Claims (6)
1. Verfahren zum Ermitteln der mechanischen Eigenschaften
von Stahl, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
1.1 Empirisches Ermitteln der Beziehungen zwischen der Zugfestigkeit, der Streckgrenze und der Dehnung von
Stahl und seiner Härte, seiner Korngröße und seiner chemischen Zusammensetzung,
1.2 Messen der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung
des zu bewertenden Stahls und 1.3 Ermitteln der Zugfestigkeit, der Streckgrenze und der
Dehnung des zu bewertenden Stahls mittels der gemessenen Härte, Korngröße und chemischen Zusammensetzung
und der ermittelten Beziehungen.
2. Verfahren zum Ermitteln der mechanischen Eigenschaften
von Stahl, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
2.1 Empirisches Ermitteln der Beziehungen zwischen der Sockelenergie, der Übergangstemperatur und dem Temperaturbereich des Energieübergangsbereiches von Stahl und seiner Härte, seiner Korngröße und seiner chemischen Zusammensetzung,
2.1 Empirisches Ermitteln der Beziehungen zwischen der Sockelenergie, der Übergangstemperatur und dem Temperaturbereich des Energieübergangsbereiches von Stahl und seiner Härte, seiner Korngröße und seiner chemischen Zusammensetzung,
L J
Γ - 1"2 -
3U8665
2.2 Messen der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung des zu bewertenden Stahls,
2.3 Ermitteln der Sockelenergie, der Übergangstemperatur
und des Temperaturbereichs des Energieübergangsbereiches des zu bewertenden Stahls mittels der gemessenen
Härte, Korngröße und chemischen Zusammensetzung und der ermittelten Beziehungen und
2.4 Bestimmen der bei einer vorgegebenen Temperatur absorbierten Energie aus der Sockelenergie, der übergangstemperatur
und dem Temperaturbereich des Energieübergangsbereiches des zu bewertenden SLahis.
3. Verfahren zum Ermitteln der mechanischen Eigenschaften von Stahl, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
3.1 Empirisches Ermitteln der Beziehungen zwischen der Zugfestigkeit, der Streckgrenze, der Dehnung, der Sokkelenergie,
der Übergangstemperatur und dem Temperaturbereich des Energieübergangsbereiches von Stahl und
seiner Härte, seiner Korngröße und seiner chemischen Zusammensetzung,
3.2 Messen der Härte der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung
des zu bewertenden Stahls,
3.3 Ermitteln der Zugfestigkeit, der Streckgrenze, der Dehnung, der Sockelenergie, der Übergangstemperatur
und des Temperaturbereichs des Energieübergangsbereiches des zu bewertenden Stahls mittels der gemessenen
Härte, Korngröße und chemischen Zusammensetzung und der ermittelten Beziehungen und
3.4 Bestimmen der bei einer vorgegebenen Temperatur absorbierten Energie aus der Sockelenergie, der Übergangstemperatur
und dem Temperaturbereich des Energieübergangsbereiches des zu bewertenden Stahls.
4. Verfahren zum Ermitteln der mechanischen Eigenschaften
von Stahl in einem Stahl-Herstellungsverfahren, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
L J
Γ "-"Γ- ' 3438663
4.1 Empirisches Ermitteln der Beziehungen zwischen der Zugfestigkeit, der Streckgrenze, der Dehnung, der
Sockelenergie, der Übergangstemperatur und dem Temperaturbereich des Energieübergangsbereiches des Stahls
^ und seiner Härte, seiner Korngröße und seiner chemischen
Zusammensetzung,
4.2 Speichern der ermittelten Beziehungen in einem Rechner,
4.3 Messen der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung
des zu bewertenden Stahls, .
4.4 Ermitteln der Zugfestigkeit, der Streckgrenze, der Dehnung, der Sockelenergie, der Übergangstemperatur
und des Temperaturbereichs des Energieübergangsbereiches des zu bewertenden Stahls mittels der ermittelten
Beziehungen durch Eingeben der gemessenen Härte, Korngröße und chemischen Zusammensetzung in den Rechner,
4.5 Ermitteln der bei einer vorgegebenen Temperatur absorbierten Energie aus der Sockelenergie, der Übergangs-
temperatur und dem Temperaturbereich des Energieübergangsbereiches
des zu bewertenden Stahls durch den Rechner und
4.6 Qualitätsprüfung der mechanischen Eigenschaften des zu
bewertenden Stahls durch Vergleichen seiner Zugfestig-
keit, seiner Streckgrenze, seiner Dehnung und seiner absorbierten Energie mit den zuvor gewählten Vergleichswerten
mittels des Rechners.
5. Vorrichtung zum Ermitteln der mechanischen Eigenschaften
von Stahl, gekennzeichnet durch
5.1 eine Härte-Meßvorrichtung (19), eine Korngrößen-Meßvorrichtung
(20) und einen Emissions-Spektroskopieanalysator, die am Ende einer Stahlwalzlinie angeordnet
sind und
5.2 durch einen Rechner (23), mit
3438663
5.2.1 einer Eingabeeinheit (24), in die Signale von der
Härte-Meßvorrichtung (19), der Korngrößen-Meßvorrichtung (20) und dem Spektroskopieanalysator
eingegeben werden,
5.2.2 einem Speicher (26), in dem empirische Gleichungen gespeichert sind, die den Zusammenhang zwischen der
Zugfestigkeit, der Streckgrenze, der Dehnung, der Sockelenergie, der Übergangstemperatur und dem Temperaturbereich
des Energieubergangsbereiches von Stahl und seiner Härte, seiner Korngröße und seiner
chemischen Zusammensetzung beschreiben, und ein Energieübergangsdiagramm, in dem die Sockelenergie,
die Übergangstemperatur und der Temperaturbereich des Energieubergangsbereiches dargestellt sind,
5.2.3 einer Arithmetik-Logik-Einheit (25), die die Zugfestigkeit, die Streckgrenze, die Dehnung, die
Sockelenergie, die Übergangstemperatur und den Temperaturbereich
des Energieubergangsbereiches mittels der gespeicherten empirischen Gleichungen und die
bei einer vorgegebenen Temperatur absorbierte Energie
mittels des gespeicherten Energieübergangsdiagramms unter Verwendung der von den Meßvorrichtungen (19; 20)
und dem Analysator gelieferten Signale ermittelt, und
5.2.4 einer Anzeigeeinheit, die das von der Arithmetik-Logik-Einheit
(25) ermittelte Ergebnis anzeigt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine
Arithmetik-Logik-Einheit (25) , die durch Vergleichen der ermittelten Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und absorbierten
Energie mit zuvor eingestellten Vergleichswerten die Eignung der mechanischen Eigenschaften des
Stahls prüft.
L- J
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