DE3438665C2

DE3438665C2 -

Info

Publication number: DE3438665C2
Application number: DE3438665A
Authority: DE
Inventors: Hideo Takafuji; Tsugio Ishida; Shoichi Kawasaki Kanagawa Jp Sekiguchi
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1983-10-21
Filing date: 1984-10-22
Publication date: 1991-09-26
Also published as: GB2150305B; DE3438665A1; GB8426249D0; JPS6089751A; GB2150305A; US4719583A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung sowie der temperaturabhängigen absorbierbaren Energie von Stahlproben.

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 die mechanischen Prüfungen sehr viel Zeit und Geld kosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine einfache, schnelle, wirtschaftliche und direkt bei der Stahlbearbeitung einsetzbare Erfassung und Verarbeitung der wesentlichen Kenngrößen von Stählen gestalten.

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 Funktionen aufgestellt, die den Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit, der Streckgrenze und 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 Funktionen und dieser bestimmten Werte werden die Zugfestigkeit, die Streckgrenzen und die Bruchdehnung des fraglichen Stahls ermittelt.

Die chemische Zusammensetzung entspricht den Gewichtsanteilen (in Prozent) der Bestandteile des Stahls.

Zum Bestimmen der absorbierbaren Energie werden beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen der mechanischen Eigenschaften zunächst empirische Funktionen aufgestellt, die den Zusammenhang zwischen der Sockelenergie (shelf energy), der Übergangstemperatur und dem Temperaturbereich, in dem das Übergangsgebiet der Energie liegt, einerseits und der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung des Stahls andererseits beschreiben. Danach werden die Härte, die Korngröße und die chemische Zusammensetzung des zu bewertenden Stahls bestimmt. Unter Verwendung der empirischen Funktionen 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 mechanischen Eigenschaften von Stahl weist eine Härte-Meßvorrichtung, eine Korngrößen-Meßvorrichtung, eine Vorrichtung zum Analysieren der chemischen Zusammensetzung und einen Rechner auf, 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 emissionsspektrometrischen Analysators werden über die Eingabeeinheit in den Rechner eingelesen. Im Speicher sind die empirischen Funktionen (Gleichungen), die den Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit, der Streckgrenze, der Bruchdehnung, der Sockelenergie, der Übergangstemperatur und dem Temperaturbereich, in dem die Übergangszone der Energie liegt, einerseits und der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung des Stahls andererseits beschreiben und die Energieübergangskurven, in denen die Sockelenergie, die Übergangstemperatur 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 absorbierbare Energie aus der Zugfestigkeit, der Streckgrenze, 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 genannten Eigenschaften von Stahl in einer höchst einfachen Art und in einer drastisch 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 Ausführungsbeispiele und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Zerreißdiagramm (Spannungs-Dehnungs-Kurve) für Stahl, gemessen bei einem Zugversuch,

Fig. 2 ein Übergangsdiagramm der absorbierten Energie von Stahl, gemessen in dem Charpy-Versuch,

Fig. 3 ein vereinfachtes Diagramm gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines in einer bevorzugten Ausführungsform verwendeten Einkerb-Härte- Prüfverfahrens,

Fig. 5 ein Einkerbdiagramm, bei dem die Kraft als Funktion der Eindringtiefe aufgetragen ist, ermittelt mit dem Prüfverfahren gemäß Fig. 4,

Fig. 6(a) eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Bestimmen der Dämpfung von Ultraschallwellen, das in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet wird,

Fig. 6(b) eine graphische Darstellung des erhaltenen Ergebnisses gemäß Fig. 6(a),

Fig. 7 eine Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens und

Fig. 8 ein Flußdiagramm, in dem die Verfahrensschritte zum Ermitteln der mechanischen Eigenschaften von Stahl dargestellt sind, unter Verwendung der Vorrichtung gemäß Fig. 7.

Als erstes wird ein Verfahren zum Ermitteln der Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung von Stahlproben aus den Meßergebnissen der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung beschrieben, das anders als die konventionellen Zug- und Schlagversuche ist, und das die wesentlichen Merkmale dieser Erfindung aufweist.

Härtetests sind zum Bestimmen der mechanischen Festigkeit von Stahl weit verbreitet. Brinell-, Rockwell- und Vickers-Härteversuche sind bekannt. Ebenso wird angenommen, 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 einer der fundamentalsten und wichtigsten Faktoren für die mechanischen Eigenschaften von Stahl. Die Kornverfeinerung verbessert 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 Entfernung jedoch wird die effektive Korngröße, die für die mechanischen Eigenschaften von Stahl praktisch maßgebend ist, 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 ferritisch- perlitischen Stählen und die kovarianten Packungsgrößen für martensitische und bainitische Stähle sind Beispiele für die effektive Korngröße.

Die chemische Zusammensetzung wird mit einem üblichen Verfahren bestimmt unter Verwendung z. B. eines Emissions-Spektroskopie- Analysators.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Abschätzen der genannten Eigenschaften von Stahl unter Verwendung der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung, die wie zuvor beschrieben ermittelt wurden, beschrieben. Fig. 1 zeigt das bei einem Zugversuch ermittelte Zerreißdiagramm (Spannung-Dehnung). Die bei einem Zugversuch ermittelten wesentlichen Informationen sind im allgemeinen Zugfestigkeit TS, die Streckgrenze YP und die Bruchdehnung EL.

Die Zugfestigkeit TS ist anhand der Härte H ermittelbar. 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 Zugversuch 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 n 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 stabilen oder quasistationären Herstellungsverfahren die Struktur nahezu allein durch die chemische Zusammensetzung bestimmt.

Die Ermittlung der Eigenschaften gemäß der Erfindung beruht auf der Härte H, wie in der folgenden Gleichung dargestellt, mit der Korngröße Du und der chemischen Zusammensetzung (X_j), wobei j=1 bis N als zusätzlicher Parameter dient:

TS = f₁ (H, Du, (X_j)) (2)

= f₁₁ (H) + f₁₂ (Du, (X_j)) (3)

Hierin hat der Term f₁₂ einen viel geringeren Einfluß als der Term f₁₁.

Für praktische Anwendungen wird die folgende lineare Gleichung verwendet.

TS = α₁ [H] + α₂ [Du^-½] + α₃ [C] + α₄ [Mn] (4)

wobei α_i experimentell bestimmte Konstanten sind, C dem Kohlenstoffgehalt und Mn dem Mangangehalt entspricht. Die bekannte Hall-Petch-Gleichung σ_y=k_o+k · d^-½ beschreibt den Zusammenhang zwischen der Festigkeit σ_y und der Korngröße d von Stahl. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auch auf dieser Gleichung.

Die Streckgrenze VP 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_j)) (5)

= f₁ (H, Du, (X_j)) - f₂₁ (Du, (X_j)) (6)

Der Einfluß des Terms f₂₁ ist abhängig von den mechanischen Eigenschaften von Stahl und ist im allgemeinen größer als der von dem Term f₁₂ in Gleichung (3).

Für praktische Anwendungen wird die folgende Gleichung verwendet:

YP = β₁ [H] + β₂ [Du^-½] + β₃ [C] + β₄ [Mn] (7)

wobei β_i 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 = f₃ (H, Du, A, L, (X_j)) (8)

Für praktische Anwendungen wird die folgende Gleichung verwendet:

EL = γ₁ [H] + γ₂ [Du^-½] + γ₃ [C] + γ₄ [Mn] + γ₅ [A^-½] + γ₆ [L] (9)

wobei γ_i 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. Fig. 2 zeigt die bei einem Charpy-Schlagversuch ermittelte Übergangskurve, wobei die Prüftemperatur T(°C) 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_T bei einer vorgegebenen Prüftemperatur bestimmt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher die Übergangskurve beschrieben durch die obere Sockelenergie oder das obere Energieniveau vE_s, die untere Sockelenergie oder das untere Energieniveau vE_o (ungefähr gleich 0) und die Energieübergangstemperatur vT_rE.

vE_T = g (vE_s, vE_o, vT_rE, T) (10)

In Fig. 3 ist der Übergangsbereich, gemäß Fig. 2, linear angenähert. Gleichung (10) lautet dann wie folgt:

In dieser Gleichung ist das untere Energieniveau vE_o gleich 0. Das obere Energieniveau vE_s, die Energieübergangstemperatur vT_rE und der Bereich des Energieübergangsgebietes T₂-T₁ werden wie folgt unter Verwendung der Härte H, der Korngröße Du und der chemischen Zusammensetzung (Xj), wobei j=1 bis N ist, beschrieben:

vE_s = h₁ (H, Du. (X_j)) (12)

vT_rE = h₂ (H, Du, (X_j)) (13)

T₂ - T₁ = h₃ (H, Du, (X_j)) (14)

Durch die Verwendung der Gleichungen (12), (13) und (14) wird die absorbierte Energie vE_T 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 durch die folgende Gleichung (15) beschrieben.

vTrs = h₄ (H, Du, (X_j)) (15)

Für praktische Anwendungen werden die folgenden Gleichungen verwendet:

vE_s = δ₁ [H] + δ₂ [Du^-½] + δ₃ [C] + δ₄ [Mn] (16)

vT_TE = ε₁ [H] + ε₂ [Du^-½] + δ₃ [C] + ε₄ [Mn] (17)

T₂-T₁ = ζ₁ [H] + ζ₂ [Du^-½] + ζ₃ [C] + ζ₄ [Mn] (18)

vT_rs = η₁ [H] + η₂ [Du^-½] + η₃ [C] + η₄ [Mn] (19)

wobei δ_i, ε_i, ζ_i und η_i Konstanten sind.

Wie zuvor beschrieben, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine einfache Bestimmung verschiedener mechanischer Eigenschaften, 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.

Fig. 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 des Eindrucks X (mm) werden kontinuierlich gemessen. Fig. 5 zeigt das so ermittelte Kraft-Verformungsdiagramm. Wie dargestellt, verläuft die Kraft-Verformungskurve, wenn die Kraft (oder Verformung) einen bestimmten Punkt überschritten hat, entlang einer geraden Linie. Durch Differentiation der Kurve innerhalb dieses Bereichs oder Bestimmung des Wertes dW/dX wird die Härte H_T 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

Es ist bekannt, daß sich die ergebene 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.

H_M = ₂ · YP = ₃ · TS (22)

(k₂ und k₃ 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.

Entsprechend ergibt sich aus den Gleichungen (21), (22) und (23)

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 H_T im wesentlichen der Zugfestigkeit TS von Stahl. Wie zuvor erwähnt, kann die Härte von Stahl auf verschiedene Arten, beispielsweise durch die Brinell-Härte ausgedrückt werden. Die differentielle Härte H_T, gemäß Gleichuung (20), zeigt einen theoretisch begründeten Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit TS und anderen vorerwähnten mechanischen Eigenschaften. Darum wird in diesem Beispiel die differentielle Härte H_T als Härte H in den empirischen Gleichungen (4), (7), (9) und (16) bis (19) verwendet.

Im folgenden wird das in den Beispielen der Anmeldung verwendete Verfahren zum Bestimmen der Korngröße beschrieben. Fig. 6(a) zeigt schematisch ein Ultraschall-Verfahren zum Bestimmen der Dämpfungskonstante. Ultraschallwellen werden von einer Korngrößen-Meßvorrichtung 3 durch einen Ultraschall- Wellenoszillator 4, der als Sender und Empfänger dient, zu einem Prüfling 1 geleitet. Die Ultraschallwellen 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 Dämpfungskurve gemäß Fig. 6(b) erhältlich. Die Dämpfung verläuft im wesentlichen exponentiell im Vergleich zum Weg der Wellenausdehnung x (cm), so daß der akustische Druck P der Echos als P=P₀e^- ^α ^x beschrieben wird. Wenn der akustische Druck an den Ausbreitungsstellen x₁ und x₂ innerhalb des Test-Prüflings P₁ und P₂ beträgt, dann ist die Dämpfungskonstante α (db/cm) durch die folgende Gleichung definiert:

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 (α, f) (26)

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 martensischen und bainitischen Stahls. Die effektive Korngröße stellt eine Kristalleinheit dar, die praktisch die mechanischen Eigenschaften von Stahl, Deformationen, Bruch und anderem zu widerstehen, bestimmt.

Durch 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^-½) + 24.8 (C) + 3.54 (Mn) - 4.27

YP = 0.119 (H) + 0.6979 (Du^-½) - 31.1 (C) - 3.95 (Mn) - 21.0

EL = - 0.0545 (H) - 0.275 (Du^-½) + 0.741 - 0.131 (L) + 3.71 (C) - 1.88 (Mn) + 60.6

vE_s = - 0.044 (H) - 0.164 (Du^-½) - 118 (C) - 9.7 (Mn) + 60

vT_rE = - 0.048 (H) - 10.3 (Du^-½) + 192 (C) - 43 (Mn) + 58

T₂-T₁ = 0.157 (H) - 7.38 (Du^-½) + 47.8 (C) + 15.4 (Mn) + 14

Die chemische Zusammensetzung ist ausgedrückt in Prozent entsprechend den Gewichtsanteilen der Bestandteile des Stahls.

Beim Vergleich mit den Werten, die durch konventionelle mechanische Tests ermittelt wurden, stimmten die Werte, die bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Stahlplatte ermittelt wurden, sehr genau überein. Durch Verwendung mehrerer Prüflinge mit Zugfestigkeiten von beispielsweise 40 kg/mm² bis 100 kg/mm² wurde der Bereich, in dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen verschiedener Größen mechanischer Eigenschaften eingesetzt werden kann, festgestellt:

Der Meßbereich bei den konventionellen Testverfahren zeigt den Bereich an, in den die Ergebnisse der großen Zahl von Prüflingen, die zuvor genannt wurden, hineinfallen. Die Genauigkeit der Übereinstimmung ist gleich der mittleren quadratischen Abweichung der Differenz der 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 beschrieben, bei der das erfindungsgemäße Verfahren für eine Stahlplatten-Produktionsstraße verwendet wird.

Fig. 7 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die in einer Produktionsstraße eingesetzt wird. Fig. 8 ist ein Flußdiagramm, in dem das Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Stahl dargestellt ist, unter Verwendung der Vorrichtung gemäß Fig. 7.

Wie dargestellt, gibt ein optischer Plattensensor 15 ein Detektiersignal an eine Steuereinheit 17, wenn eine Stahlplatte 1 durch eine Transportvorrichtung 11 in eine Inspektionslinie befördert wird. Nach Erhalt eines Signals von 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 Steuerverarbeitungsvorrichtung 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 Kontaktiermechanismus wie eine "contact catalyst ejecting"-Vorrichtung, 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 Kontaktförder- Medium in Kontakt. Anhand des 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 chemische Zusammensetzung wird zuvor in einen Steuerrechner 28 eingegeben und für die in dem Rechner 23 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 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 Vergleichgswerten 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.

Bei der Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Stahl anhand der chemischen Zusammensetzung können zusätzlich Walzbedingungen, wie Wärmeeinwirkung und Bearbeitung mitberücksichtigt werden. Das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Vorrichtung können zusätzlich bei entsprechender Abwandlung 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 berücksichtig werden, wodurch eine noch genauere Auswertung erreicht wird.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln der Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung von Stahlproben unterschiedlicher Härte, Korngröße und chemischer Zusammensetzung, mit den folgenden Schritten:
Messen der Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung, Härte, Korngröße und chemischen Zusammensetzung von Vergleichsstahlproben,
Bestimmen einer empirischen Funktion jeweils für die gemessenen Werte der Zugfestigkeit, der Streckgrenze und der Bruchdehnung der Vergleichsstahlproben in Abhängigkeit der gemessenen Werte der Härte, Korngröße und chemischen Zusammensetzung der Vergleichsstahlproben,
Messen der Härte, Korngröße und chemischen Zusammensetzung von zu untersuchenden Stahlproben und
Ermitteln der Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung der zu untersuchenden Stahlproben jeweils durch Einsetzen der Werte für die vorangehend gemessene Härte, Korngröße und chemische Zusammensetzung der zu untersuchenden Stahlproben in die empirischen Funktionen.

2. Verfahren zum Ermitteln der absorbierbaren Energie in Abhängigkeit von einer gegebenen Temperatur von Stahlproben unterschiedlicher Härte, Korngröße und chemischer Zusammensetzung mit den folgenden Schritten:
Messen der Sockelenergie, der Übergangstemperatur und des Temperaturbereiches des Energieübergangsbereiches in Schlagversuchen, der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung von Vergleichsstahlproben,
Bestimmen einer empirischen Funktion jeweils für die gemessenen Werte der Sockelenergie, der Übergangstemperatur und des Temperaturbereiches des Energieübergangsbereiches der Vergleichsstahlproben in Abhängigkeit der gemessenen Werte der Härte, Korngröße und chemischen Zusammensetzung der Vergleichsstahlproben,
Messen der Härte, der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung einer zu untersuchenden Stahlprobe,
Ermitteln der Sockelenergie, der Übergangstemperatur und des Temperaturbereiches des Energieübergangsbereiches der zu untersuchenden Stahlprobe jeweils durch Einsetzen der Werte für die vorangehend gemessene Härte, Korngröße und chemische Zusammensetzung der zu untersuchenden Stahlprobe in die empirischen Funktionen, und
Bestimmen der von der zu untersuchenden Stahlprobe bei einer gegebenen Temperatur (T) absorbierbaren Energie (vE_T) aus einer Energieübergangsfunktion unter Verwendung folgender Gleichung: wobei
vE_T die bei einer Temperatur T absorbierbare Energie,
vE_S die Sockelenergie,
vTr_E die Übergangstemperatur und
T₂-T₁ der Temperaturbereich des Energieübergangsbereiches ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Härte eine differentielle Härte (H_r) nach folgender Gleichung bestimmt wird: aus einem Differential eines linearen Abschnitts einer Kraft-Verformungs-Kurve, die erhalten wird durch kontinuierliches Messen einer Kraft W, mit der eine Kugel mit einem Durchmesser D in die Stahlproben gepreßt wird, und einer Tiefe X des sich ergebenden Eindrucks, mit K₁ als Konstante; und daß als Korngröße eine effektive Korngröße bestimmt wird durch Messen der Dämpfung von in die Stahlproben eingebrachten Ultraschallwellen,

4. Vorrichtung zum Ermitteln der Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung und der absorbierbaren Energie in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Temperatur von Stahlproben unterschiedlicher Härte, Korngröße und chemischer Zusammensetzung mit einer Härte-Meßeinrichtung, einer Korngrößen-Meßeinrichtung und einer Meßeinrichtung zum Messen der chemischen Zusammensetzung unter Verwendung eines Rechners, wobei
die Meßeinrichtungen am Ende einer Stahlwalzlinie angeordnet sind,
die Härte-Meßeinrichtung, die Korngrößen-Meßeinrichtung (20) und die Meßeinrichtung zum Messen der chemischen Zusammensetzung mit dem Eingang (24) des Rechners (23) verbunden sind,
dem Rechner (23) ein Speicher (26) zugeordnet ist, der die empirischen Funktionen für den Zusammenhang zwischen jeweils der Zugfestigkeit, der Streckgrenze, der Bruchdehnung, der Sockelenergie, der Übergangstemperatur und dem Temperaturbereich des Energieübergangsbereiches von Vergleichsstahlproben einerseits und der Härte, Korngröße und chemischen Zusammensetzung der Vergleichsstahlproben andererseits enthält, und eine Energieübergangsfunktion enthält, die den Zusammenhang zwischen der absorbierbaren Energie und der vorgegebenen Temperatur, der Sockelenergie, der Übergangstemperatur und dem Temperaturbereich des Energieübergangsbereiches von Vergleichsstahlproben zeigt,
eine Recheneinheit (25) des Rechners (23), die mittels der gespeicherten empirischen Funktionen, die Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung, Sockelenergie, Übergangstemperatur und den Temperaturbereich des Energieübergangsbereiches unter Verwendung der beim Messen der Härte, Korngröße und chemischen Zusammensetzung einer zu untersuchenden Stahlprobe von dem Meßeinrichtungen gelieferten Signale sowie die bei einer gegebenen Temperatur absorbierbare Energie aus der im Speicher abgelegten Energieübergangsfunktion ermittelt, und wobei
eine Anzeigeeinrichtung die von der Recheneinheit (25) gelieferten Ergebnisse anzeigt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenneichnet, daß die Recheneinrichtung (25) einen Vergleicher aufweist, der die ermittelten Werte der Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung und der absorbierbaren Energie der zu untersuchenden Stahlproben mit Sollwerten vergleicht.