Evaluatie van breukoppervlakken van kerfslagproeven

Impacttesten zijn materiaaltesten die worden uitgevoerd om de hardheid en brosheid van materialen te bepalen wanneer ze worden blootgesteld aan schokken. Impacttesten omvatten de Charpy-slingerslagproef, de Izod-impactsterktetest, de treksterktetest, de kogelvaltest (gewicht), de Dupont-impacttest en de pijlvaltest. De testen die in de industriële sector worden gebruikt, zijn de Charpy-slagproef en de Izod-impactsterktetest.
De Charpy-slagproef is met name essentieel voor materialen die worden gebruikt in onderdelen die worden blootgesteld aan sterke schokken of hoge druk, zoals er worden gebruikt in elektriciteitsopwekkingsunits en leidingen van kerncentrales.
Op deze pagina wordt de basiskennis van de Charpy-slagproef en de teststukken uitgelegd en wordt er uitgelegd hoe de testresultaten geëvalueerd kunnen worden. Er is ook een introductie van de problemen bij het evalueren van de testresultaten en bij conventionele meetmethoden, evenals een oplossing voor deze problemen.

Charpy-slagproef
Evaluaties van de Charpy-slagproef
Teststukken gebruikt in de kerfslagproef
Problemen bij conventionele metingen van het breukvlak
- Meetproblemen - Microscoop
Oplossingen voor het meten van breukvlakken
Samenvatting: Kwantitatieve meting van breukvlakken

Charpy-slagproef

Bij de Charpy-slagproef oefent een slingerhamer een schokbelasting uit op een teststuk om het te breken. De impactwaarde wordt afgeleid van de energie op het moment waarop het teststuk brak, en wordt gebruikt om de hardheid en brosheid van het materiaal van het teststuk te evalueren.
Als de hamer naar een hoge hoek zwaait na het breken van het teststuk, geeft dit aan dat het teststuk de impact niet heeft geabsorbeerd. Als de hamer naar een lage hoek zwaait, geeft dit aan dat het teststuk meer van de impact heeft opgevangen.
Het materiaal van een teststuk dat een grotere impact absorbeerde, kan worden beoordeeld als superieur in termen van impactsterkte. Als de zwenkhoek van de hamer voorspeld is en de gemeten zwenkhoek van de hamer hoger is dan de voorspelde hoek, dan slaagt het materiaal niet voor de test.

Evaluaties van de Charpy-slagproef

De Charpy-slagproef meet de hoek waarnaar de hamer aanvankelijk wordt opgetild en het traagheidsmoment van de hoekverdraaiing van de hamer na het breken van het teststuk. Het breukvlak van het teststuk wordt ook geëvalueerd, omdat het informatie bevat die aangeeft hoe het teststuk gebroken is.

Evaluatie van geabsorbeerde energie bij de Charpy-slagproef

De Charpy-slagproef wordt gebruikt om de hoeveelheid geabsorbeerde energie te vinden, d.w.z. de hoeveelheid energie die werd verbruikt bij het breken van het teststuk. Deze energie kan worden berekend aan de hand van de hoek waarnaar de hamer aanvankelijk werd opgetild en de hoek waarnaar de hamer aan de andere kant omhoog zwaait na het breken van het teststuk. Hieronder volgt er een schematische weergave van een Charpy-slagproefmachine en de formules die worden gebruikt om de geabsorbeerde energie en de Charpy-slagproefsterkte te berekenen.

<Formule>
E = WR(cosθ_β − cosθ_α) − L
a = E/bh

E: Geabsorbeerde energie (J)
a: Charpy-slagwaarde (kg-cm/cm²)
W: Hamergewicht (N)
R: Afstand van het middelpunt van de rotatieas van de hamer tot het zwaartepunt van de hamer (m)
θ_β: Hoek waarnaar de hamer zwaait na het breken van het teststuk (°)
θ_α: Hoek waarnaar de hamer wordt opgetild (°)
b: Breedte van het teststuk (cm)
h: Dikte van het teststuk (cm)
L: Energieverlies veroorzaakt door wrijving

Teststukken gebruikt in de kerfslagproef

De volgende teststukken worden gebruikt in de Charpy-slagproef. Het teststuk wordt uit hetzelfde materiaal gesneden dat daadwerkelijk in het product wordt gebruikt.

Testmethode	Teststuk
Methode voor de Charpy-slagproef van metalen materialen	Teststuk voor kerfslagproef (V-inkeping, U-inkeping)
Methode voor de Charpy-slagproef van door koolstofvezel versterkte kunststoffen	Teststuk voor vlakke impact Teststuk voor zijdelingse impact
Methode voor Charpy-slagproef van door glasvezel versterkte kunststoffen	Teststuk voor kerfslagproef
Kunststoffen - Bepaling van de Charpy-impacteigenschappen	Teststuk voor kerfslagproef

Elk teststuk heeft een inkeping die is gemaakt om de spanning te concentreren. Er zijn twee soorten inkepingen: V-inkeping en U-inkeping. De teststukken die worden gebruikt voor de zijdelingse impact verschillen van die voor de vlakke impact. De zijdelingse impact wordt toegepast op een smal oppervlak van het teststuk, terwijl de vlakke impact wordt toegepast op een groot oppervlak van het teststuk. De volgende afbeeldingen tonen het teststuk en de impactrichting wanneer het teststuk wordt onderworpen aan een zijdelingse impact.

Zijdelingse-impactmethode met behulp van een teststuk met V-inkeping

Evaluatie van het breukoppervlak bij de Charpy-slagproef

Het breukvlak van een teststuk dat bij een Charpy-slagproef is gebroken vertoont afhankelijk van de temperatuur verschillende breukkarakteristieken. De verandering in het uiterlijk van het breukvlak als gevolg van een temperatuurverandering wordt de overgang van ductiel naar bros gedrag genoemd. Breukvlakken worden geclassificeerd als brosse breukvlakken of ductiele breukvlakken. Brosse breukvlakken zijn glanzende zilverwitte oppervlakken. Ductiele breukvlakken zijn donkergrijs en worden gekenmerkt door een grote vervorming en onregelmatigheden op het oppervlak. Het percentage bros breukvlak van het volledige breukvlak wordt het percentage brosse breuk genoemd. Omgekeerd wordt het percentage dat berekend wordt door het percentage brosse breuk af te trekken van 100% van het breukvlak, het percentage ductiele breuk genoemd.
Wanneer een materiaal bijvoorbeeld wordt getest bij een lage temperatuur, breekt het teststuk bijna altijd terwijl het grotendeels zijn oorspronkelijke vierkante dwarsdoorsnede behoudt. Het breukvlak vertoont een brosse breuk, wat aangeeft dat de hoeveelheid geabsorbeerde energie klein is. Wanneer hetzelfde materiaal bij een hoge temperatuur wordt getest, wordt er een ductiel breukvlak gevormd en is het percentage brosse breuk lager. Ook de hoeveelheid geabsorbeerde energie neemt toe.
Zoals hierboven beschreven, is de relatie de tussen de temperatuur en de geabsorbeerde energie, en de verandering in hardheid, te zien in de oppervlakgebieden en de hardheid van de breukvlakken bij de Charpy-slagproef. Deze test is daarom erg belangrijk voor de kwantitatieve evaluaties van deze factoren.

Verschillen tussen de kerfslagproef en de Izod-impactsterktetest

Naast de Charpy-slagproef wordt ook de Izod-impactsterktetest veel gebruikt in industriële sectoren. Deze impacttest wordt vaak gebruikt voor kunststoffen en de eenheden zijn J/m. Bij deze twee methoden worden de teststukken op verschillende manieren bevestigd. Bij de Charpy-slagproef wordt het teststuk aan beide uiteinden vastgezet en wordt de impact in het midden van het teststuk aangebracht. Bij de Izod-impactsterktetest wordt het teststuk aan het ene uiteinde vastgezet en aan het andere uiteinde wordt de impact aangebracht. Net zoals bij de Charpy-slagproef wordt de impact uitgevoerd met een hamer. Uit de geabsorbeerde energie wordt de impactsterkte berekend waardoor het teststuk gebroken is. Op dezelfde manier als bij de Charpy-slagproef wordt de geabsorbeerde energie gemeten door de hoek te meten waarnaar de hamer wordt opgetild en de hoek waarnaar de hamer zwaait als gevolg van de traagheid na het breken van het teststuk. De Izod-impactsterkte en de geabsorbeerde energie kunnen worden berekend met behulp van de volgende formules.

a = E/b

a: Impactsterkte (J/m)
E: Energie nodig voor de breuk (geabsorbeerde energie) (J)
b: Breedte van het teststuk aan de zijde met inkeping (m)

De formule voor het berekenen van de geabsorbeerde energie is de volgende.

E = WR(cosθ_β − cosθ_α) − L

E: Geabsorbeerde energie (J)
W: Hamergewicht (N)
R: Afstand van het middelpunt van de rotatieas van de hamer tot het zwaartepunt van de hamer (m)
θ_β: Hoek waarnaar de hamer zwaait na het breken van het teststuk (°)
θ_α: Hoek waarnaar de hamer wordt opgetild (°)
L: Energieverlies veroorzaakt door wrijving

Problemen bij conventionele metingen van het breukvlak

Conventionele metingen van het oppervlak worden uitgevoerd met behulp van een microscoop. Dit brengt echter problemen met zich mee, namelijk een lange meettijd en het onvermogen om de resultaten te kwantificeren. Bovendien kunnen de meetresultaten in sommige gevallen niet worden opgeslagen of gedigitaliseerd, wat de evaluatie van het breukoppervlak uiterst moeilijk maakt.

Meetproblemen - Microscoop

Problemen bij het meten van breukvlakken met behulp van een microscoop

Microscopen verzamelen informatie van een oppervlak. Het is mogelijk om de groefbreedtes te meten aan de hand van de mate van beweging van het platform en de diepte aan de hand van de mate van focusverandering. Microscopen bieden ook een sterke vergroting, waardoor een gedetailleerde observatie van het breukvlak mogelijk is.
Tegelijkertijd zijn de metingen afhankelijk van het menselijk oog, wat resulteert in variaties in de meetresultaten, afhankelijk van de bediener. Een bijkomende zorg is dat, omdat microscopen oorspronkelijk niet bedoeld zijn om te meten, de meetresultaten mogelijk niet gekwantificeerd kunnen worden, of de betrouwbaarheid van de gekwantificeerde meetwaarden laag kan zijn.

Oplossingen voor het meten van breukvlakken

Metingen met conventionele microscopen brengen problemen met zich mee, zoals variaties in de meetresultaten en het onvermogen om de meetresultaten te kwantificeren. Om deze meetproblemen op te lossen, heeft KEYENCE de 3D Optical Profilometer VR Series ontwikkeld.
De VR-serie legt nauwkeurig de 3D-vorm van het volledige oppervlak van het voorwerp vast zonder het aan te raken. Het meet ook de 3D-vorm door het object op het platform in slechts één seconde in 3D te scannen. Het is in staat tot onmiddellijke en kwantitatieve metingen zonder fouten in de meetresultaten. In dit gedeelte worden enkele specifieke voordelen van de VR-serie geïntroduceerd.

Voordeel 1: Er is een kwantitatieve evaluatie mogelijk in slechts één seconde.

Het is mogelijk om het oppervlak en het volume van een metalen breukvlak te meten, evenals de verhouding tussen de dwarsdoorsnede en het oppervlak. Doordat er met een enkele meting in slechts één seconde een groot gebied kan worden gemeten, kan er hierdoor een groter aantal meetmonsters worden gerealiseerd. Met conventionele microscopen en meetinstrumenten is dit moeilijk vanwege de lange meettijd.

De VR-serie kan ook de maximale en minimale punten over een groot gebied meten, iets wat voorheen veel tijd en moeite kostte. Alle meetresultaten worden gedigitaliseerd, waardoor het werk dat nodig is voor de daaropvolgende gegevensvergelijking en -analyse aanzienlijk vermindert.

Voordeel 2: Het meetsysteem ondersteunt de traceerbaarheid.

De VR-serie is een contactloos 3D-meetinstrument dat zorgt voor traceerbaarheid volgens de nationale normen. De meetnauwkeurigheid wordt gegarandeerd voor zowel de nauwkeurigheid als herhaalbaarheid, waardoor er zeer betrouwbare meetresultaten worden geproduceerd waarop u kunt vertrouwen. Er worden standaard kalibratiecertificaten geleverd bij de hoofdeenheid en het kalibratiebord.
Zoals hierboven beschreven, is de VR-serie een meetsysteem dat volledige traceerbaarheid biedt, waardoor het als meetsysteem kan worden gebruikt.
Er wordt standaard bij de kalibratiemeter een inspectierapport en kalibratiecertificaat geleverd. De meter is gekoppeld aan de referentieschaal die wordt gebruikt door JCSS-certificeringslaboratoria. Hierdoor kunnen gebruikers eenvoudig ter plekke de kalibratie uitvoeren.

Samenvatting: Kwantitatieve meting van breukvlakken

Conventionele instrumenten kunnen alleen waarnemen en het kwantificeren van resultaten is moeilijk, tijdrovend en onnauwkeurig. Met de VR-serie kunnen metingen snel worden uitgevoerd en worden er gekwantificeerde resultaten geleverd. Dit maakt het mogelijk om breukvlakken te evalueren bij de Charpy-slagproef met een hoger niveau van nauwkeurigheid en efficiëntie. Natuurlijk kan het systeem ook worden gebruikt om breukvlakken te evalueren bij de Izod-impactsterktetest.

De oppervlakte, het volume en de hardheid van het breukvlak kunnen worden gekwantificeerd.
Geen meetvariaties tussen verschillende bedieners.
Zonder dat positionering of andere voorbereiding nodig is, kan de meting eenvoudig worden uitgevoerd door het voorwerp op het platform te plaatsen en op een knop te drukken. Hierdoor is het niet meer nodig een gespecialiseerde operator voor meetwerk aan te stellen.
3D-vormen kunnen eenvoudig met hoge snelheden en hoge nauwkeurigheid worden gemeten. Hierdoor is het mogelijk in korte tijd een groot aantal voorwerpen te meten en daarmee de kwaliteit te verbeteren.

Dit systeem maakt ook vergelijkingen met eerdere 3D-vormgegevens mogelijk, alsook eenvoudige gegevensanalyse, zoals ruwheidsverdeling. Het kan effectief worden gebruikt voor een breed scala aan doeleinden, waaronder trendanalyse van karakteristieken van breukoppervlakken als gevolg van temperatuurveranderingen en het controleren van de breukcondities.

INHOUDSOPGAVE