Kerbschlagbiegeversuch an kaltgeformten und warmgewalzten Stählen unter verschiedenen Temperaturbedingungen

Im Stahl-und Metallbau ist eine interessiert, duktiles Verhalten zu erhalten, so dass es ein Zeichen oder Vorwarnung über drohende Scheitern. Zum Beispiel in einem Stahlträger, könnte dies in Form von übermäßigen Verformungen kommen. Diese Leistung wird quantifiziert durch die materielle Zähigkeit, definiert als die Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve, die die mechanische Eigenschaft, die am engsten mit duktilen oder spröde Verhalten verbunden ist. Belastbarkeit bezieht sich auf Festigkeit und Duktilität. Während Zähigkeit die Fähigkeit des Materials ist, vor dem Versagen plastisch verformen, ist Duktilität das Maß, wie viel Material vor Ausfall plastisch verformen kann. Ein Material mit hoher Festigkeit aber geringe Duktilität ist nicht schwer, nur als ein Material mit geringer Festigkeit und hohe Duktilität ist nicht hart. In Ordnung für ein Material, hart zu sein müssen sie hohen Belastungen und hohen Belastungen (Duktilität und Stärke) aufnehmen zu können.

Das gleiche Material, Baustahl, kann beispielsweise entweder eine duktile und spröde abhängig von der Actualmaterial Chemie, Verarbeitung und Belastungsbedingungen Verhalten. Es gibt mindestens Fivemain Treiber für diese mögliche Änderung in der Leistung:

1. Die molekulare und Mikrostruktur des Materials, mit feineren Körnungen, wodurch Festigkeit steigt und sinkt in Duktilität und das Vorhandensein großer Mengen von Legierungen, wie Kohlenstoff, was häufig zu einer Abnahme der Duktilität von die meisten Stähle.

2. Die Verarbeitung, die das Material erfährt kann in verschiedenen Zähigkeit in Stahlplatten in Richtung Rollen, senkrecht dazu, und die durch Dicke der Platte führen. Diese letztere Richtung ist besonders heikel, da es schwer ist, eine konsequente Mikrostruktur über eine Dicke Platte zu entwickeln.

3. Die Beladungszustände (Laden in 3 Dimensionen), die oft hemmt die Entwicklung der Schubspannungen. In 1 - und 2-dimensionale laden, wird man in der Regel begegnen laden Situationen, die zu großen Schubspannungen, und somit eine Menge führen nachgiebig und duktiles Verhalten. In den Grenzwert für eine 3D hydrostatischen Laden gibt es keinen Radius Mohrs Kreis, und so gibt es keine Scherkräfte. In solchen Fällen das Material wird nicht nachgeben aber plötzlich Versagen.

4. Die Erhöhung der Dehngeschwindigkeit, die führt zu höheren Festigkeiten, sondern Verformung Kapazität verringert.

5. Eine Abnahme der Temperatur, was zu erheblichen führen kann, nimmt Zähigkeit. Einige Materialien, die bei Raumtemperatur sehr duktil möglicherweise könnte werden sehr spröde, wenn die Temperatur deutlich verringert wird.

Um festzustellen, ob ein Material spröde oder duktiles Verhalten wird, läuft man in der Regel ein Charpy V-Kerbe schlagversuch. Es gibt andere ähnliche Tests, wie z. B. Izod Impact Test, der die am häufigsten verwendeten Härte-Test in Europa ist. Diese Tests wollen die Energie zu messen, die ein kleines Volumen des Materials bei einem plötzlichen Aufprall Belastung aufnehmen kann. Wie bereits erwähnt, kann diese Energie betrachtet werden, um die Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve in direktem Zusammenhang.

Jede Probe Charpy V-Kerbe auf Stoßfestigkeit getestet werden ist standardisierte Abmessungen und konzipiert, unterstützt und geladen, so dass es fehl, wenn Sie einen Schlag in einer standardisierten Weise angewendet. Es ist wichtig zu bedenken, dass die Charpy-Messung sich auf das Volumen und die Geometrie der Probe bezieht und somit die Ergebnisse eignen sich für den Vergleich der relativen Verhalten der Materialien und nicht für ihren absoluten Wert.

Um den Test durchzuführen, wird eine kleine, Strahl Probe mit einer Kerbe auf der einen Seite (Abb. 1) Auswirkungen von einem Hammer ein festes Gewicht sank von eine feste Höhe (Abb. 2) unterzogen. Das Gewicht ist in der Regel zwischen 150 lbs und 300 lbs und kann gelöscht werden, für verschiedene Höhen, unterschiedliche Mengen an Energie zu produzieren. V-Kerbe soll eine Spannungskonzentration verursachen somit den lokalen Stress deutlich zu erhöhen. Wenn der Strahl ist einfach auf beiden Seiten unterstützt und schlug sich in der Mitte, wird der Strahl in Spannung gebogen werden, wo die Kerbe ist. Infolgedessen wird eine Rissausbreitung durch die Probe als schlug geschaffen.

Abbildung 1: Charpy Proben.

Abbildung 2: Charpy-Prüfmaschine.

Theoretisch wird die potentielle Energie gespeichert in einer bestimmten Höhe des Hammers vollständig in kinetische Energie übersetzt werden, kurz bevor der Hammer Charpy Probe schlägt, vorausgesetzt, dass das Pendel reibungslos ist. Wie der Hammer die Probe schlägt und es bricht, ist einiges an diese kinetische Energie verbraucht. Man misst dann, wie viel das Pendel schwingt zurück in die entgegengesetzte Richtung. Aus der Differenz zwischen die Ausgangshöhe und der Höhe nach dem Streik erreicht kann einen Unterschied in potentielle Energie berechnet werden. Die Energie, die in diesem Prozess verloren gegangen ist kann angenommen werden, von der Probe in Fraktur aufgenommen werden. Dieser Wert wird als die Zähigkeit des Materials oder die Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve entsprechen.

Viele Metalle, vor allem die Körperzentrierte Kubik (BCC) Stähle, weisen einen sehr starken Rückgang der Energieaufnahme bei Temperaturen ab etwa 40 oder 50°F und Reichweite eine niedrigeren plateau ca.-100°F. zahlreiche Strukturen heute ausgesetzt die Umwelt sind in diesem Temperaturbereich, somit ist es wichtig zu verstehen, die Temperaturabhängigkeit der Metall scheitern. Beim Bau einer Pipeline in Nordalaska, wo die Temperaturen sehr niedrige Werte erreichen können, wäre es zum Beispiel wichtig, die Temperatur abhängige Fehler des Metalls zu verstehen. Jedoch sind die meisten flächenzentrierter kubische (FCC) Stähle, wie Edelstähle, unempfindlich gegenüber dieser Temperatur-Effekt.

Theoretische Bruchfestigkeit, auch bekannt als ideale Bruchfestigkeit, ist in erster Linie abhängig von der freien Oberflächenenergie und der interatomare Abstand. Ein ideales Material haben eine Stärke ungefähr 1/8 bis 1/10 der Elastizitätsmodul. Die eigentliche experimentelle Bruchfestigkeit ist viel niedriger aufgrund von Mängeln, Hohlräume, metallische Einschlüsse und / oder Verunreinigungen. Zum Beispiel ist in einer einfachen Stabstahl in Spannung geladen, der Stress ausgegangen, einheitlich, mit Ausnahme von nahe den Enden sein, wo die Last angewendet wird. Jedoch mit der Einführung eines einfachen, runden Loch sind die Kräfte, um das Loch zu fließen, wodurch eine Spannungskonzentration neben dem Loch.

Das Ausmaß der Spannungskonzentration ist proportional zum Radius der Bohrung auf die Breite der Probe (R/w). Der Radius bei abnehmender Konzentration Stressfaktor steigt dramatisch an. Allerdings gibt es keine perfekte Löcher in der Natur oder künstliche Produkte; im Allgemeinen werden gezackte Ränder auf mikroskopischer Ebene und somit Spannungskonzentrationen viel höher auftreten werden. Es gibt viele Unzulänglichkeiten und Mängel in Metall Kristallgitter. Es liegt in der Nähe dieser kleinen Spannungskonzentrationen, die Risse zu bilden beginnen, und wenn sehr schnell geladen, diese Risse zu propagieren, verschmelzen, und letztlich dazu führen, dass das Material zum Scheitern verurteilt.

Dieser Test fällt in den Bereich der Bruchmechanik, einhergehende charakterisieren eine Materialien-Fähigkeit, die Bildung und Ausbreitung von Rissen zu widerstehen. Linear elastischen Bruchmechanik (Brauchbaren) ist ein Energetics Ansatz, wobei die Gesamtenergie des Systems die Arbeit aufgrund der angewendeten Lasten entspricht plus die gespeicherten Dehnungsenergie plus die Energie benötigt, um neue Bruchfläche zu erstellen. In seiner linearen Weise ist es sehr nützlich für die Charakterisierung von spröder Werkstoffen, die begrenzte Plastizität aufweisen. Es gibt mehrere Einschränkungen zu Brauchbaren Anwendung auf die Charpy Tests, z. B. eine falsche Annahme, dass keine Energie verloren gehen durch Plastizität, obwohl es eine Menge von Plastizität vor die Rissausbreitung gibt.

In diesem Experiment werden wir mehrere Charpy Proben mit unterschiedlichen Temperaturen zur Veranschaulichung der Temperatureinfluss auf Schlagfestigkeit aus Normalstahl testen.

1. Für die Vorbereitung der Prüfmaschine, zuerst sicherstellen, dass den Pfad des Hammers ist frei von Hindernissen. Sobald der Weg klar ist, heben Sie den Hammer zu, bis er einrastet und sichern Sie das Schloss, um zu verhindern, dass unbeabsichtigten Freisetzung des Hammers zu.
2. Zur Vorbereitung der Proben verwenden Sie der cold-Box, um ein Exemplar jedes Metall auf eine Temperatur unter den Gefrierpunkt abkühlen. Verwenden Sie eine heiße Platte, um ein weiteres Exemplar von jedem Metall zu einer Temperatur von über 200 ° c erhitzen
3. Sobald der Hammer ausgelöst wird, legen Sie die Probe in mittels Zange dafür, dass es in die Halterung mit der Kerbe der abgewandten Seite durch den Hammer beeinflusst werden zentriert ist.
4. Wenn das Muster fertig ist, Stellrad auf der Maschine, um genau 300 ft -lbs. wichtig: Drehen Sie das Rad mit dem Drehknopf. Drücken Sie nicht auf den Zeiger!
5. Um den Test zu starten, entfernen Sie die Sperre und lösen Sie das Pendel durch Druck auf den Hebel.
6. Nach die Probe gebrochen wurde, wird die Zifferblatt Gage die Energieaufnahme durch die Probe lesen. Notieren Sie sich diesen Wert.
7. Sobald die absorbierte Energie aufgezeichnet wird, können Sie die Maschine Bremse, um das Pendel Schwingen zu stoppen. Da mit der Bremse die Gage lesen ändert, achten Sie darauf, die Daten zu speichern, bevor Sie es verwenden.
8. Wenn das Pendel aufgehört hat, rufen Sie die Probe und bestimmen Sie die Prozent der Fläche des gebrochenen Gesichts, die faserige Struktur hat.

Nach Wiederholung des Experiments für Proben und Temperaturwerte kann, Sie Plotten die Temperaturabhängigkeit der absorbierten Energie und deutlich sehen, die Existenz von einem oberen und unteren Regal (oder flache horizontale Teile). Diese Regale zufolge gibt es klare Minima und Maxima, die für ein bestimmtes Material und Verarbeitung erreicht werden kann. Das Hauptinteresse ist sorgfältig Quantifizierung der übergangstemperaturen zur Minimierung des Risikos, die diese in die Betriebstemperaturen der Bauwerk fallen. Ähnliche Materialien derzeit verschiedene Wärme und mechanische Behandlungen zeigen ähnlich oberen und unteren Regalen, sondern auch eine deutliche Verschiebung in die Übergangstemperatur. Die Übergangszone nach links bewegt wird tendenziell das Frakturrisiko für eine Struktur zu senken; Allerdings bringt das erhebliche Mehrkosten bei der Verarbeitung.

Anzumerken ist, dass der Charpy Test eignet sich zur Charakterisierung von spröder Werkstoffen, die sehr wenig Duktilität zeigen werden. In der Praxis werden Charpy Tests für alle Arten von Materialien, einschließlich sehr duktile Metallen eingesetzt. Diese Verwendung ist grundsätzlich falsch, da die Verformung Prozesse fahren ein sprödes Versagen unterscheiden sich von denen im Fehlerfall duktil sind. Es ist nicht gelungen, einen einfachen Test ableiten, der in einer Produktionsumgebung, wie die Charpy, für semi-duktile oder duktile Materialien verwendet werden können. So ist es wahrscheinlich, dass die Charpy Tests in naher Zukunft beliebt bleibt.

Auswirkungen testen, in Form von Charpy und Izod-Tests wird häufig verwendet, um den Widerstand des metallischen Werkstoffen zu Sprödbruch zu messen. Der Charpy Test verwendet eine kleine Balken-Probe mit einer Kerbe. Der Strahl wird durch einen großen Hammer befestigt eine reibungsfreie Pendel geladen. Die Kombination aus der Dehngeschwindigkeit aus diesem Ladesequenz und das Vorhandensein der V-Kerbe erstellt, die ein lokale großen Stress Konzentration Ergebnis in schnelle rissfortpflanzung und Aufteilung der Probe.

Der Test bestimmt die Energieaufnahme durch das Material während der Bruch durch den Vergleich der potentiellen Energie am Anfang und Ende des Tests gemessen von der Position der Impulshammer. Das Ausmaß der die absorbierte Energie ist das Volumen des Materials in der kleinen Strahl Probe abhängig, so dass die Ergebnisse nur in gewisser Weise vergleichende gültig sind.

Bruchmechanik ist einen sehr wichtigen Bereich von Studien in allen Materialien, es erinnert uns daran, dass alle Materialien Fehler enthalten, dass die Form und Größe des Fehlers wichtig sind und man muss sich im Design des Problems von Spannungskonzentrationen.

Ein Beweis für die Bedeutung der Temperaturabhängigkeit war im zweiten Weltkrieg, als einige Liberty-Schiffe und t-2 Tanker buchstäblich in Hälfte noch im Hafen split. Dieses Scheitern musste für die Liberty-Schiffe mit Spannungskonzentrationen zu tun, die beim Schweißen sowie Versprödung der Stahlrumpf durch Schweißarbeiten induziert und begleitet von kalten Wassertemperaturen.

Der Charpy V-Kerbe Test gehört viele ASTM Standards und als solche ist in vielen Produkten, die wir täglich verwenden. Eine besonders wichtige Anwendung ist im Brückendesign wo die meisten Stähle angegeben werden, um eine niedrige Temperatur und eine hohe Temperatur Charpy-Grenze (d.h., 20 ft-lbs bei-40°F und 40 ft-lbs bei 80 ° C) übergeben.

Bruchenergie ist eine sehr wichtige Materialeigenschaft. Wenn man eine einwandfreie Glasplatte mit Oberflächenenergie γ_stests = 17 x 10^-5 -lb/in² und E = 10 x 10⁶ Psi, wäre die theoretische Bruchfestigkeit ca. 465 000 Psi, Griffith Gleichung gegeben (σ_f = (2Eγ_s /Πa)^0,5). Wenn man einen Fehler, sogar mit einer Magnitude so klein wie 0,01 In in die Glasplatte einführt, die Bruchfestigkeit sinkt um drei Größenordnungen nur 465 PSI, das ist viel mehr wie wir im wirklichen Leben sehen.

Anderen Temperatur abhängige Anwendungen, bei denen ein Charpy-V-Kerbe-Test wichtig wäre, sind Prüfgeräte für Raumfahrt, wo die Temperatur Overa große Auswahl variiert, sowie Rodeln Ausrüstung in der Antarktis und anderen polaren Regionen, wo Temperaturen weit unter Null dip.