ASTM E23: Metallschlagprüfung

Einführung in die ASTM E23

ASTM E23 ist eine weltweite Norm, die von ASTM International für die Messung der Kerbschlagzähigkeit von Metallen und Legierungen entwickelt wurde. Die Kerbschlagzähigkeitsprüfung nach Charpy oder Izod, ASTM E23, legt die Verfahren, Geräte und Probengrößen fest, die erforderlich sind, um das Verhalten eines Werkstoffs bei plötzlicher Belastung oder in Stoßsituationen zu bestimmen.

Die Schlagzähigkeitsprüfung quantifiziert die Zähigkeit eines Metalls oder seine Fähigkeit, Energie zu absorbieren und unter Schlagbeanspruchung nicht zu brechen. Sie ist eine wertvolle Materialeigenschaft, die bei der Bewertung der Materialleistung unter realen Bedingungen wie Stößen, Stürzen oder anderen Belastungsunfällen verwendet wird. Sprödes Versagen von Metallen bei Schlagbeanspruchung kann dazu führen, dass das Metall für Anwendungen im Bauwesen, in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt oder im Schwermaschinenbau ungeeignet ist. Daher ist die ASTM E23 ein wichtiger Aspekt der Materialcharakterisierung.

Vorteile der ASTM E23

Die ASTM E23 verfügt über mehrere Vorteile, die sie zum Standard in der Metallverarbeitung und im Maschinenbau gemacht haben:

1.Standardisierung: Die Norm schreibt genaue Probengrößen, Kerbgeometrien und Prüfverfahren vor, was die Konsistenz und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zwischen Labors auf der ganzen Welt ermöglicht.

2.die Vielseitigkeit: Die Norm wird für eine Vielzahl von Metallen und Legierungen wie Stähle, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen und Sonderwerkstoffe angewendet.

3. Materialauswahl: Kerbschlagzähigkeitsprüfungen ermöglichen es Ingenieuren, das richtige Metall mit dem erforderlichen Maß an Sicherheit und Leistung auszuwählen, insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen wie Druckbehältern, Brücken und Automobilkomponenten.

4. Verlässlichkeit und Sicherheit: Durch die Kerbschlagzähigkeitsprüfung wird sprödes Material oder Material mit plötzlichem Bruch ausgeschlossen, was ein Versagen unter katastrophalen Umständen im Betrieb verhindert.

5. Konstruktions- und Simulationsdaten: Die gemessene absorbierte Energie dient als Input für Berechnungsmodelle sowie für Struktursimulationen.

Beispiel: Für den Entwurf der Tragstruktur einer Brücke kann durch die Prüfung von Stahlproben nach ASTM E23 festgestellt werden, ob die gewählte Legierung in der Lage ist, plötzlichen Krafteinwirkungen durch Naturgewalten, z. B. durch herabfallendes Material oder Autounfälle, standzuhalten, so dass die Struktur auch unter ungünstigen Bedingungen sicher bleibt.

Verfahren der ASTM E23

Die Norm ASTM E23 schreibt ein schrittweises Verfahren zur genauen und reproduzierbaren Messung der Kerbschlagzähigkeit vor. Einige der wichtigsten Schritte sind:

1. Vorbereitung des Probekörpers:

Typische Proben sind rechteckige Stäbe mit einer gefrästen Kerbe, in der Regel V- oder U-förmig.

Die Abmessungen, die Tiefe der Kerbe und die Ausrichtung werden genau kontrolliert, um die Variabilität zu verringern.

2. die Prüfvorrichtung:

Die Probe wird in ein Pendelschlagwerk gelegt, ein Gerät, das die Probe mit einer bekannten Masse und einer bekannten Geschwindigkeit anschlägt.

Das Pendel wird aus einer bekannten Höhe ausgelöst und überträgt beim Aufprall Energie auf die Probe.

3.die Durchführung des Schlagversuchs

Das Pendel schlägt an der Kerbe auf die Probe auf und diese bricht.

Die von der Probe aufgenommene Energie wird gemessen, normalerweise in Fuß-Pfund (ft-lb) oder Joule (J).

4.Datenauswertung:

Die absorbierte Energie ist ein Maß für die Zähigkeit des Materials. Mehr Energieabsorption ist ein Hinweis auf ein duktiles Metall und seine Fähigkeit, einem Sprödbruch zu widerstehen, und weniger Energie ist ein Hinweis auf Sprödigkeit.

Die Bruchflächen werden im Allgemeinen untersucht, um festzustellen, ob es sich um ein duktiles oder sprödes Versagen handelt.

5. Berichterstattung über die Ergebnisse:

Die ASTM E23 ist eine Norm, die vorschreibt, wie die Prüftemperatur, die absorbierte Energie, die Art der Kerbe und die Größe der Probe anzugeben sind, was die Berichterstattung über die Ergebnisse zu einem hervorragenden Kommunikationsinstrument macht.

Fallbeispiel: Stahllegierungen, die in Offshore-Plattformen verwendet werden, werden gemäß ASTM E23 bei Temperaturen unter Null geprüft. Sie liefert die Übergangstemperatur von duktil zu spröde, die für die Gewährleistung der Sicherheit in kalten Gewässern unerlässlich ist.

Anwendungen der ASTM E23 in Metallen und Legierungen

Die ASTM E23 wird in vielen Industriezweigen eingesetzt, um die Leistungsfähigkeit von Werkstoffen bei Schlagbeanspruchung zu prüfen:

-Bauwesen: Baustähle werden Zähigkeitstests unterzogen, um Schlagbelastungen durch versehentliche Stöße oder herabfallende Gegenstände zu widerstehen.

-Kraftfahrzeuge: Motorkomponenten, Fahrwerkseinheiten und Crash-Strukturen werden auf ihre Schlagfestigkeit hin geprüft, um die Sicherheit der Insassen zu verbessern.

Luft- und Raumfahrt: Die Flugzeuglegierungen werden auf ihre Tieftemperaturzähigkeit geprüft, um den rauen Betriebsbedingungen standzuhalten.

-Öl und Gas: Durch die Prüfung von Pipelinestählen und Druckbehältern wird Sprödbruch im Hochdruckbetrieb vermieden.

-Qualitätskontrolle: Die Hersteller wenden die ASTM E23 an, um die Konsistenz der Chargen zu prüfen und sicherzustellen, dass die Materialien vor dem Versand den Spezifikationen entsprechen.

Datenbeispiel: Eine bei -20°C geprüfte 4140-Stahlprobe kann 25 J Energie absorbieren und weist duktile Eigenschaften für strukturelle Anwendungen in kalten Klimazonen auf, während eine 4340-Stahllegierung unter denselben Prüfbedingungen nur 10 J absorbiert, was ein höheres Risiko für Sprödbruch darstellt.

Verschiedene Arten von Kerbschlagzähigkeitsprüfungstechniken

Die ASTM E23 bietet verschiedene Techniken an, um den unterschiedlichen Bewertungsanforderungen gerecht zu werden:

1. Charpy-Schlagprüfung:

Die gebräuchlichste Methode, bei der ein horizontal gelagerter Stab mit einer Kerbe in Pendelrichtung verwendet wird.

Prüft die beim Bruch absorbierte Energie und liefert ein direktes Maß für die Zähigkeit.

2. Izod-Schlagversuch:

Die Probe wird vertikal gestützt, und das Pendel schlägt auf ein Ende ein.

Wird weniger für Metalle verwendet, kann aber bei Kunststoffen und Polymer-Metall-Legierungen angewendet werden.

3. temperaturspezifische Prüfung:

Die Proben werden bei unterschiedlichen Temperaturen, in der Regel unter dem Gefrierpunkt, vorkonditioniert, um die Übergangstemperatur von duktil zu spröde (DBTT) zu ermitteln.

Erforderlich für die Verwendung von Materialien bei arktischen oder kryogenen Temperaturen.

4. Instrumentierte Pendelprüfung:

Mit fortschrittlichen Geräten wird die Kraft als Funktion der Zeit beim Aufprall gemessen, und es werden quantitativere bruchmechanische Daten gewonnen, z. B. Initiationsenergie, Ausbreitungsenergie.

Schlussfolgerung

ASTM E23 ist ein reproduzierbares Standardverfahren zur Prüfung der Kerbschlagzähigkeit von Metallen und Legierungen. Wenn Sie erfahren, wie Metalle bei unvorhergesehenen Belastungen Energie speichern, können Hersteller und Ingenieure die Werkstoffe auswählen, die nicht spröde versagen, ein Höchstmaß an Sicherheit bieten und die Produktlebensdauer auf effiziente Weise maximieren. Von der Automobil- und Bauindustrie über die Luft- und Raumfahrt bis hin zur Öl- und Gasindustrie ist die ASTM E23 ein wichtiges Instrument für die Bereitstellung von Werkstoffen mit hohem Leistungsniveau, das es zu erfüllen gilt. Durch die Kombination von präzisen Verfahren, sorgfältigen Berichten und erfahrenen Techniken hilft die ASTM E23 den Ingenieuren, sicherere und langlebigere Metallkomponenten zu entwickeln.