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450J- und 25J-Anlage

Dr. Jarir Aktaa

jarir aktaaMow5∂kit edu

Telefon +49 721 608 24946

25J-Anlage für radioaktive und toxische Proben

Dr. Hans-Christian Schneider

hans-christian schneiderEpu8∂kit edu

Telefon +49 721 608 23650

Dynamische Werkstoffprüfung: Kerbschlagbiegeversuch

An vollautomatischen Prüfanlagen zur Durchführung von instrumentierten Kerbschlagbiegeversuchen werden Proben aus Stahl, NE-Metallen, Kunststoff sowie technologische Proben (z.B. Schweißproben) untersucht.

Der Kerbschlagversuch eignet sich vorwiegend zur Feststellung der Trennbruchneigung eines Werkstoffes. Er ist in DIN 50511 für Stahl und Stahlguss genormt, kann aber auch auf andere Materialien übertragen werden. Im Versuch fällt ein Pendelhammer von einer vorgegebenen Höhe und trifft in seinem tiefsten Punkt die Rückseite einer gekerbten Probe. Beim Durchschlagen der Probe wird ein Teil der Hammerenergie für die sogenannte Schlagarbeit verbraucht, die entweder am Schleppzeiger des Gerätes gemessen oder bei instrumentierten Pendeln direkt elektronisch weiterverarbeitet werden kann .

Die Auswertung der Kerbschlagprüfung erfolgt durch die Ermittlung bestimmter Kennwerte, wie z.B. der Energie der Hochlage und der Designorientierten Übergangstemperatur. Zusätzliche Information über das dynamische Verformungsverhalten erhält man durch die Auswertung der instrumentierten Prüfung.

Unsere Anlagen übertreffen die Anforderungen gemäß DIN 50115, DIN 51222, DVM 001, DIN EN ISO 14556 und DIN EN 10045.

 

450 J-Anlage zur Prüfung von ISO-V-Proben (ausrüstbar mit weiteren Hammergewichten 150 und 300 J Schlagenergie)

450J-Anlage

Technische Daten

  • 450 J Pendelschlagwerk
  • Hammerfinnenradius 2mm
  • Widerlagerabstand 40mm
  • Steigwinkel 0 bis 160°
  • Schlaggeschwindigkeit bis 5,30m/s
  • Prüftemperaturbereich ca. -180°C bis +300°C

 

25 J-Anlage zur Prüfung von Kleinproben

25J-Anlage

Technische Daten

  • 25 J Pendelschlagwerk
  • Hammerfinnenradius 2mm
  • Widerlagerabstand 22mm
  • Schlaggeschwindigkeit 3,85m/s
  • Messwerterfassungsrate 1MHz
  • Messverstärkerbandbreite 1MHz (-3dB)
  • A/D-Wandlerauflösung 1,2mV
  • Automatische Probenbeladevorrichtung
  • Beladeverzugszeit max. 2 sec
  • Prüftemperaturbereich -180°C bis +600°C
Temperiereinheit
Probentransportsystem mit Temperiereinheit
Temperierung
Die Proben werden über ein automatisches Beladesystem in die Temperiereinheit (Kombination von elektrischer Heizung und Kühlung mit flüssigem Stickstoff) befördert. Diese leistet eine homogene, exakte Probentemperierung von -180 bis +600°C ohne relevante Temperaturgradienten in der Probe zum Versuchszeitpunkt. Nach Erreichen der gewünschten Temperatur wird die Probe innerhalb von 2 sec auf das Widerlager befördert und geschlagen. Der Wärmeübergang von der Probe zum Widerlager und zur Umgebung wurde in Referenzmessungen ermittelt und wird bei der Temperaturvorgabe berücksichtigt.

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25J Hammer
Pendelschlagwerk der vollautomatischen 25 J-Anlage
Automatisierung
Vollautomatische Steuerung ohne nötigen direkten Benutzereingriff während des Versuchsbetriebes: die vom Transientenrecorder aufgenommenen Daten werden im Dateisystem des Steuerrechners abgelegt, die Ergebnisse sind über ein Datennetzwerk fernabrufbar.

Vom manuellen Einzelversuch bis hin zu vollautomatischen Versuchsserien kann der Betriebsmodus frei gewählt werden. Die Prüfanlage verfügt über ein Probenmagazin mit einer Kapazität von 15 KLST-Proben.

 
Schlag
Mit größerer Fallhöhe des Hammers nimmt seine kinetische Energie und Geschwindigkeit zu, über die automatisch gesteuerte Hammeranhebung (beliebig einstellbaren Steigwinkel zwischen 40 und 160°) lässt sich die gewünschte Schlaggeschwindigkeit vorgeben. Die Anlage ist mit weiteren Hämmern ausrüstbar. Bis 3,85 m/s ist jede Schlaggeschwindigkeit einstellbar.

Auswertung der Kerbschlagprüfung
DBTT
DBTT zur Werkstoff-Charakteristik, z.B. als Einsatz-Temperaturgrenze für sicherheitsrelevante, rissgefährdete Bauteile
Spröd-Duktile Übergangstemperatur
Seine große Bedeutung hat der Kerbschlagbiegeversuch bei Stahl, da eine starke Abhängigkeit der Schlagenergie von der Prüftemperatur besteht. Die Sprödbruchübergangstemperatur (Ductile-to-Brittle Transition Temperature, DBTT) kennzeichnet den Wechsel von duktilem zu sprödem Werkstoffverhalten und kann auf verschiedene Arten ermittelt werden. Weit verbreitet ist die Methode, die DBTT-Werte an den Stellen aus den Schlagarbeit-Prüftemperatur-Diagrammen abzulesen, an denen die Schlagarbeit genau die Hälfte der Hochlagenenergie beträgt. Bei dieser Temperatur treten Mischbrüche auf. Dabei ist der Anteil von Sprödbrüchen und Brüchen durch duktile Rissverlängerung ungefähr gleich.

Kerbschlagenergie in der Hochlage
Bei höheren Versuchstemperaturen ist der Bruch der Probe von duktiler Verformung gekennzeichnet, d. h. mit hohem Energiebedarf und starker Deformation der Probe. Die Tieflage weist spröde Trennbrüche mit niedrigem Energiebedarf auf, im Übergangsbereich des Steilabfalls treten Mischbrüche beider Formen auf. Eine weitere aussagekräftige Kenngröße ist die Schlagarbeit in der Hochlage (Upper Shelf Energy, USE), der Maximalwert der Schlagarbeit bei vollständig duktilem Materialverhalten.
 
Designorientierte Übergangstemperatur
Hierbei handelt es sich um die niedrigste Prüftemperatur bei der gerade noch duktiles Materialverhalten auftritt (Lowest Temperature in Upper Shelf, LTUS). Der LTUS-Wert schreibt die niedrigste mögliche Einsatztemperatur für eine Konstruktion aus dem betreffenden Material vor, wenn dabei die im Betrieb auftretenden dynamischen Belastungen mit denen des miniaturisierten Kerbschlagbiegeversuchs vergleichbar sind. LTUS-Werte liegen deshalb grundsätzlich etwas höher als DBTT-Werte.

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instrumentiert
Kraft-Durchbiegungs-Diagramm eines instrumentierten Kerbschlagversuchs
Auswertung der instrumentierten Prüfung
Zu jedem Versuch wird ein Kraft-Durchbiegungs-Verlauf an der Probe durch einen Transientenrecorder aufgezeichnet und an einen Rechner weitergereicht. Zur Messung der Kraftkurve beim Schlag sind auf der Hammerfinne Dehnungsmessstreifen aufgebracht. Die von der Datenerfassung als Ergebnis ausgegebenen Schlagenergiewerte werden über die Integration dieser Kraft-Durchbiegungsverläufe ermittelt. Die Messung direkt an der Probe ist frei von Reibungseinflüssen des Maschinengestells und weist die geringst möglichen Fehler auf.

Anhand der aufgezeichneten Messwerte gelingt es, die Phasen von elastischer und elastisch-plastischer Verformung (Anstieg der Kurve) mit Rissbildung, stabiler Rissausbreitung (langsamer Abfall nach dem Maximum) und instabiler Rissausbreitung (Steilabfall) zu identifizieren und die Bruchformen zu klassifizieren.

Die von Schwingungen überlagerte Kurve des Kraft-Durchbiegungsverlaufes wird automatisch einem auf einer Fourier-Analyse basierenden Störgrößenkompensationsverfahren unterzogen. Dabei werden die Oszillationen aus den gemessenen Kraftkurven extrahiert. Die so gewonnenen schwingungsfreien Kraftkurven ermöglichen eine reproduzierbare Bestimmung der in DIN EN ISO 14556 festgelegten idealisierten Kraft-Verformungskurven sowie weiterer Kenngrößen.

 

Bestimmung der Fließkraft Fgy
Die Fließkraft charakterisiert den Übergang vom rein elastischen zum elastisch-plastischen Bereich, dem Beginn des Fließens. Mit ihrer Bestimmung kann die dynamische Streckgrenze abgeschätzt werden.

Die Bestimmung der Fließkraft aus der Kraft-Durchbiegungs-Kurve ist in SEP 1315 definiert.

Die über die Störgrößenkompensation gewonnenen schwingungsfreien Kraftkurven ermöglichen eine reproduzierbare Bestimmung der Fließkräfte mittels dargestellter Tangentenmethode.


Probenformen
KLST
Probengeometrie der KLST-Probe gemäß DIN 50115
Miniaturisierte Proben werden verwendet, wenn die Versuchsmaterialien knapp sind oder die zu untersuchenden Materialien sehr teuren Behandlungen unterzogen werden (z.B. bei Bestrahlungsexperimenten). Ein weiterer Vorteil dieser Proben ist die leichter zu gewährleistende Temperaturhomogenität in Vorbehandlung und Experiment. Größeneffekte auf das Versuchsergebnis sind bekannt und hinreichend untersucht.
 
 
 
 
KLST-Probe
Probengeometrie gemäß DIN 50115: Höhe 4mm, Breite 3mm, Länge 27mm, Kerbtiefe 1mm, Kerbwinkel 60°, Kerbradius 0.1mm
 
ISO-V-Probe
Probengeometrie gemäß DIN 50115: Höhe 10mm, Breite 10mm, Länge 55mm, Kerbtiefe 2mm, Kerbwinkel 45°, Kerbradius 0.25mm.
 

Ebenfalls geprüft werden kann die sog. DVM-Probe mit folgender Geometrie: Höhe 10mm, Breite 10mm, Länge 55mm, Kerbtiefe 3mm, gerade Kerbflanken, Kerbradius 1.0mm.

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Eine ISO-V-Probe vor
und zwei nach Prüfung
Größenverhältnis zwischen ISO-V-
und KLST-Probe

Prüfung von radioaktiven und toxischen Proben
Manipulator
Fernbedienung der Kerbschlaganlage

Im Fusionsmateriallabor des IAM-WBM wird ein vollautomatisches 25 J-Pendel zur Prüfung von bestrahlten und somit aktivierten Kleinstproben betrieben. Zur sicheren Abschirmung der von den Proben ausgehenden Strahlung wird das Pendel in einer sogenannten Heißen Zelle hinter einer Abschirmung von 200mm Blei bzw. 500mm Bleiglas betrieben. Die am IAM-WBM entwickelte Anlage zur Prüfung radioaktiver oder toxischer Proben ist technisch zu der oben vorgestellten 25 J-Anlage identisch. Somit kann beim Testen von z.B. bestrahlten und unbestrahlten, aber ansonsten identischen Proben eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleistet werden.

Durch die vollautomatische Steuerung ist ein direkter Benutzereingriff während des Versuchsbetriebes nicht notwendig. Die Anlage kann in einem abgeschlossenen Prüfraum stehen und von außen über den Mess- und Steuerrechner ferngesteuert werden. Lediglich das Probenmagazin muss fernbedient, z. B. über den Parallelmanipulator der Heißen Zelle, beladen werden.