DE3044841C2

DE3044841C2 - Verfahren zum Bestimmen der Schlagbruchzähigkeit K↓I↓↓d↓ von Werkstoffen durch Schlagversuche

Info

Publication number: DE3044841C2
Application number: DE3044841A
Authority: DE
Inventors: Jörg-F. Dr.-Ing. 7812 Bad Krozingen Kalthoff; Siegfried 7800 Freiburg Winkler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1980-11-28
Filing date: 1980-11-28
Publication date: 1985-07-25
Also published as: US4418563A; DE3044841A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen einfach herstellbaren nichtselektiven faseroptischen Multiplexer, bei dem jedem Eingangslichtwellenleiter eines (Lichtwellenleiter-)Bündels ein Kollimationselement zugeordnet ist. Dadurch ist die Anzahl der Eingangslichtwellenleiter (Kanäle) nahezu beliebig wählbar. Bei dem Multiplexer kann die Lichtrichtung umgekehrt werden, so daß ein vielfacher Verteilkoppler entsteht.

Description

a) mittels der schattenoptischen Kaustikenmethode die Schlagreaktionskurve für die jeweilige Belastungsanordnung und Probengeometrie bestimmt wird,

b) in einem Schlagversuch die Brucheinsatzzeit u 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. Verfahren nach Anspruch i zum Bestimmen der Schlagbruchzähigkeit von Baustählen dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagreaktionskurve an Proben aus einem hochfesten Stahl bestimmt wird.

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.

ner Überschätzung der wirklichen Werkstoffzähigkeil führen können (HW Commission, 1976; Glover and coworkers, 1976; Matthews, 1970; Turner, 1970). Deshalb ist postuliert worden (Ireland, 1970; PVRC/MPC Joint Task Group, 1974; Turner, 1975), daß dieses quasistatische Verfahren nur dann anwendbar ist, wenn die Brucheinsatzzeit fr größer ist als das dreifache der Periode r der charakteristischen Schwingung der Probe:

tr>3r

Die Periode r ist näherungsweise durch die empirische Formel (HW Commission, 1976; Glover and coworkers. 1976; Matthews, '970;Turner. 1970)

T= 1.86(5· W- B- C- E)"Vci

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Schlagbruchzähigkeit K,_d von Werkstoffen durch Schlagverstiche mit Biegeproben, die einen künstlichen Anriß aufweisen. Instrumentierte Schlagversuche werden z. Zt. benutzt, um die Schlagbruchzähigkeit Kid 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 der Bruchinstabilität wird mit Hilfe konventioneller statischer Spannungsintensitätsfaktor-Formeln die Schlagbruchzähigkeit K^ 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 Ku 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 t>o Bruch können dynamische Effekte den Spannungszustand in der Probe stark beeinflussen (Glover and coworkers. 1976; Kalthoff and co-workcrs. 1977a. 1979: Ireland. 1976; Loss and co-workers. 1975; Radon, 1969; Turner, 1970,1975; Venzi and co-workers, 1975; Winkler μ and co-workers, 1979). Wenn diese dynamischen Einflüsse auf das Lastsignal unberücksichtigt bleiben, ist mit fehlerbehafteien Meßergebnissen zu rechnen, die zu eigegeben, worin Sder AuRagerabstand, Wund B Breite und Dicke der Probe, C ihre Nachgiebigkeit, £der EIastizitätsmodul und c\ die longitudinal Wellengeschwindigkeit ist. Kleine Schwingungsperioden ergeben sich daher 'Qr kleine Probendimensionen. Große Bruchzeiten ti 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 Versuchsbedin£j.!gen, insbesondere im Sprödbruchbereich und bei hohen Schlaggeschwindigkeiten angewandt werden kann, solange die üblichen Bedingungen kleiner plastischer Zonen an der Rißspitze eingehalten werden.

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. i977a, 1979; Winkler and co-work rs, 1979) wurde der Schlagvorgang in Experimenten mit gekerbten BiegeproLen 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 Rißeinsalz kontrollieren, wie der Krümmungsradius der Kerbe oder die Zähigkeit des Werk Stoffs. In allen diesen Versuchen wurde dieselbe Kurve für den Spannungsintcnsitälsfaktor in Abhangigkeii der Zeit Ki'^lyn(t)gefunden. Die kritischen Spannungsiniensitätsfaktoren für Rißinstabilität ergaben sich als diskrete Werte auf dieser Kurve, entsprechend der verschiedenen Zeiten, bei denen Brucheinsatz auftrat. Das Auf-

treten eines solchen Verhaltens wurde auch von Loss (1979) diskutiert.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren an Hand der A b b. 1 —5 erläutert

Auf den o. a. experimentellen Befunden beruht das 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/*⁷¹ '(t), zu ermitteln. Diese schematisch in der A b b. 1 dargestellte Kurve wird Schlagreaktion genannt.

Die Schlagbruchzähigkeit für den zu untersuchenden Werkstoff wird sodann in einem Schlagexperiment bestimmt, indem die Brucheinsatzzeit ti gemessen wird. Aus diesem Meßwert ergibt sich mit der Schlagreaktionskurve entsprechend A b b. 1 der Kw-Wert nach der Beziehung:

Ai= 9-34- 10-²

Dabei ist

V-B-Zq

tr).

Die Spannungsintensitätsfaktoren lassen sic ti mit Hilfe der schattenoptischen Kaustikenmethode direkt aus dem linearelasnschen 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 3s Schlagprozesscn angewandt und wird hier zur Aufstellung der Schlagreaktionskurven benutzt

Das physikalische Prinzip der schattenoptischen Kaustikenmethode in Reflexion ist in Abb. 2a als Versuchsanordnung skizziert Die polierte Oberfläche einer durch einen Anriß gekerbten Stahlprobe 6 unter Last wird von einem Lichtbündel 1 beleuchtet. Mit einer Kamera 4, die auf eine virtuelle Bildebene 10 hinter der Probe 6 scharfgestellt ist, wird die Probe photographiert. Ein Schnittbild der Probe in der Nähe der Rißspitze ist in Abb.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 Bildebene 10 im Abstand zo hinter der Probe einen Schattenneck um die Rißspitze. Dieser ist von einem Lichtsaum, der Kaustik, umgeben.

Der Schattenfleck für Modus I-Belastung wurde von Manogg aus dem linear-elastischen Spannungs-Dehnungsfeld um die Anrißspitze berechnet. In Abb. 2c ist der berechnete mit einem an einer Probe aus hochfestem Stahl gemessenen Schattenfleck zusammen dargestellt.

Quantitativ ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen dem Spannungsintensitätsfaktor Ki und dem Durchmesser Ddes Schattenflecks:

Ki= M-

mil

D = Durchmesser der Kaustik bei parallelem Lichteinfall

E = Elastizitätsmodul

ν = Poissonzahl
B = Probendicke

zo = Abstand zwischen Probe und 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.

Zu diesem Zweck wurden Biegeproben mit den Abmessungen 380 mm χ 60 mm (10 mm dick) mit Anfangs-

(3) rißlängen ao = 2O mm aus dem marteriit-aushärtenden, hochfesten Stahi X 2 NiCoMo IS S 5 (Zusammensetzung: 18% Ni,9% Co,4,8% Mo und <0,03% C.Wärmebehandlung: 480⁰C, 4 h. Luft) hergestellt. Durch Wärmebehandlung wurde eine Fließspannung 0^=2100 MNm^-2 und eine Bruchzähigkeit Kid=: 80 MNm-¹² eingestellt. Elastizitätsmodul fund Querkontraktionszahl ν 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 Werten gemessen werden, die größer waren als die Bruchzähigkeit des Werkstoffes. Die Versuche wurden mit einem Auflagerabstand von 240 mm in einer Fallmaschine 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 Z₀ zwischen Probe und virtueller Bildebene betrug 1,5 m. Die Kamera wurde durch d'w Anstiegsflanke des mit der Hammerinstrumentierung gewonnenen Lastsignals getriggert.

In A b b. 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.

In A b b. 4 sind die aus diesen Aufnahmen gewonnenen Spannungsintensitätsfaktoren bis zu 280 μ5 nach dem i'arnmeraufschlag wiedergegeben. Hierzu wurden die Daten mehrerer Experimente unter gleichen Versuchsbedingungen zusammengefaßt. Der nichiiineaie Anstieg des dynamischen Spannungsintensitätsfaktors mit der Zeit wird durch dynamische Effekte in der Probe verursacht. Die Ki^d>"(t)-KuTve gibt quantitativ die Probenreaktion auf den Schlagvorgang weiter. Sie hängt nur von dem elastischen Verhalten des Systems Probe-Hammer ab und stellt eine eindeutige Beziehsing für dieses System dar. Sie ist gültig für alle Stahlproben

(4) 65 dieser Größe, 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 fund !'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 An-•rtiegsflanke 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 //. Ein typisches Oszillogramm mit diesen Signalen aus einem Experiment zeigt A b b. 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 (Zusammensetzung: 2,1% Cr, 1,9% Ni, 03% Mo und 0,27% C, in Wasser abgeschreckt und angelassen. Fließgrenze o_s =995 M N/m², NDT-Temperatur=[ + 25°C]) und 15 MnNi 63 (Zusammensetzung: 1,6% Mn, 0,7% Ni und 0,17% C, Wärmebehandlung bei 530°C-580°C für 1 h in Luft. Fließgrenze ο-_Λ=360 MN/ m², NDT-Temperatur <-28°C [-55"C]) verwendet. Die Probenabmessu, gen. 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 R:ßsp;izc D:c Zeit zwischen den beiden Signaimarken, 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 -80°C und -60⁰C, und von fünf Experimenten für den Stahl 15 MnNi 63, geprüft bei -110°C und —80° C, wiedergegeben. Die letzte Spalte enthält die mit Hilfe der Brucheinsatzzeiten und der Schlagreaktionskurve gewonnenen Schlagbruchzähigkeits-Werte Kid. Alle Experimente wurden im Sprödbruchbereich durchgeführt. Die Brucheinsatzzeiten tr sind kürzer als eine Periode r der Probenschwingung (mit Gl. (2) berechnet zu 187 \is)\ die Bedingung (1) ist daher nicht erfüllt, und die konventionellen Meßmethoden würden versagt haben. Die Belastungsgeschwindigkeit der Rißspitze, K, ist von der Größenordnung 10⁶MNm-³⁷²S-'. Wegen der Mindestgrößenbedingung wurden Versuche bei höheren Temperaturen mit diesen Proben nicht durchgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Κω-Bestimmung zeichnet sich gegenüber konventionellen Meßmethoden durch verschiedene Vorteile aus. Die Schlagreaktionskurven erlauben eine voll-dynamische Auswertung der Versuchsdaten. Kinetische Effekte werden zu allen Zeiten des Ereignisses exakt berücksichtigt Die Methode kann deshalb auf alle experimentellen Versuchsbedingungen angewendet »»erden, insbesondere auch im Bereich kleiner Brucheinsatzzeiten (ff<3r), & h. wenn große Proben, hohe Schlaggeschwindigkeiten oder spröde Werkstoffe verwendet werden müssen. Sogar Versuche mit Sclilaggeschwindigkeiten, die diejenigen von Pendelschlagwerken oder Fallwerken übersteigen, können auf diese Weise ausgewertet werden. Solch hohe Belastungsgeschwiiuligkeiien sind von Bedeutung zur Bestimmung der wahren unteren Grenzkurve der Bruchzähigkeiten, Km(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 Brucheinsatz/eit. 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 K/a-Bestimmung bedarf es dann nur noch einer einfachen Messung der Brucheinsatzzeit mittels einer unkali· brierten Instrumentierung von Hammer und Probe.
Nach dem angegebenen Verfahren ist es dem Ingenieur eines Prüflabors auf einfache Weise möglich, die Schlagbruchzähigkeit Km für einen bestimmten Stahl zu ermittel-A indem nur die Brucheinsatzzeit gemessen und die Schlajreaktionskurve, die den experimentellen Bedingungen zugrunde liegt, verwendet wird.

Zu A b b. 2

a) Anordnung des Experiments

b) Strahlenverlauf

c) Schattenfleck; links: gerechnet, rechts: gemessen

1	Lichtquelle
2	einfaiiendes Licht
3	reflektiertes Licht
40 4	Kamera
5	Schlaghammer
6	Biegeprobe
7	spiegelnde Oberfläche
8	Auflager
45 9	virtueller Strahlengang
10	virtuelle Bildebene
Tabelle 1

Stahl	Pruftempe- Bruchein-	satzzeit Ir,	Schlagbruch
	ratur T,	us	zähigkeit
	"C	73,5	Ku. MNm-M
	- 82	803	57
	- 80	74	68
jU UrNlMO ö	- 80	833	58
	- 60	88	72
	-109	81	(79)
	-109	76	69
15 MnNi 63	-109	933	61
	- 79	87	87
	- 79	Hierzu 5 Blatt Zeichnungen	78

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen der Schlagbruchzähigkeit if« von Werkstoffen, z. B. Stahl oder Kunststoff, durch Schlagversuche mit Biegeproben, die einen künstlichen Anriß aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß