NIST skærper Charpy -testen for mere præcise påvirkninger af industrielle materialer

Et årti før et isbjerg knuste skrogpladerne på Titanic og et halvt århundrede før en pest af sprøde brud begyndte at synke Liberty -skibe under anden verdenskrig, forskere i USA og Frankrig havde udtænkt en roman, og påfaldende enkelt, metode til måling af, hvordan metal reagerer på stød.

I dag, den metode, med nogle opgraderinger og forbedringer, forbliver den standardtest, der bruges over hele verden til at bedømme slagfastheden af ​​metaller, der bruges i brobygning, højtryksfyr, havskibe, rustningsplade, atomtryksbeholdere, og andre applikationer. Nu er det ved at blive markant forbedret, takket i vid udstrækning til et kooperativt forskningsprogram af forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST).

"At kende de dynamiske træk- og udbytteegenskaber ved meget høje belastningshastigheder kan være kritisk vigtigt for at vurdere udstyrets og konstruktioners nedbrudsevne, "sagde Enrico Lucon, en veteraningeniør og testekspert i NIST's Charpy lab i Boulder, Colorado. "

Alle former for metal har en kombination af sprøde og duktile (blødere eller mindre sprøde) egenskaber. De målinger, der afslører disse egenskaber, kaldet Charpy -test, er lavet på en maskine, der består af en lang, vægtet arm, ophængt af en aksel, der svinger som et pendul. En hakket prøve af det materiale, der skal testes, placeres på maskinens bund på det laveste punkt i pendulets bue.

Armen hæves til en nøjagtigt målt højde og frigives derefter. Det svinger ned, bryde prøven, og fortsætter sin svingning opad, indtil den når en maksimal højde, der er lavere end dens oprindelige højde. Forskellen mellem de to højder er et mål for, hvor meget energi der blev brugt på at bryde prøven.

I sin klassiske form, maskinen har mange fejlkilder, og det er svært at sammenligne resultater fra forskellige enheder. Siden 1920'erne har forskere har indrettet pendulets kileformede slagkant (kaldet en angriber) med instrumenter kendt som belastningsmålere, som sender elektriske signaler, der er proportionale med angriberens deformation under stød.

Instrumenterede slagere giver mulighed for stærkt forbedret nøjagtighed. På nuværende tidspunkt, imidlertid, "der er ingen international aftale om angriberens form og konfiguration, hvor spændingsmålere er placeret, hvor mange målere bruges hvor tæt på den slående kant de er placeret, og mere, "Sagde Lucon." Vi har arbejdet i et par år nu, og vi er omtrent halvvejs på vej til at foreslå et optimeret design til instrumenterede Charpy -angribere. "

NIST -forskere arbejder også på et vigtigt relateret problem:Nøjagtighedsproblemer med den nuværende meget udbredte metode til kalibrering af belastningsmålere. Det er en statisk proces (statisk kalibrering), hvor en nøjagtigt kendt kraft påføres angriberen, og den resulterende spænding registreres.

"Men indvirkning er en meget dynamisk proces, "sagde NIST -fysikeren Akobuije Chijioke, hvis gruppe har indgået et partnerskab med Charpy -laboratoriet for at udvikle forbedret kalibrering af de instrumenterede strejker. "Forholdet mellem kraft og udgangsspænding fra angriberen kan ændre sig meget under en påvirkning, der typisk varer fra mindre end 1 millisekund til 5 millisekunder."

Der er udviklet metoder til at forbedre dette, for eksempel ved at udnytte den absorberede energimåling i en Charpy -test, men en sand dynamisk kalibrering af Charpy -kraftmålingerne mangler. "For at løse dette, vi udvikler en SI-sporbar sand dynamisk kalibrering, "Sagde Chijioke. Processen anvender en dynamisk kalibreret standard for kraftoverførsel, hentet fra Dynamic Force Metrology Lab i Gaithersburg, Maryland.

NISTs instrumenter kan registrere millioner af belastnings- og spændingsaflæsninger pr. Sekund. "For at bestemme andelen af ​​duktilt til sprødt brud i forskellige ståltyper, du har brug for den slags opløsning, "Sagde Lucon.

Charpy -forskerne tester også redesignede strejker. "Angriberens design påvirker, hvor godt du kan kalibrere det, og hvor mange oplysninger du kan få ud, "Sagde Chijioke, såsom hvor meget en given kraft vil bevæge sig, eller fortrænge, materialet af interesse. "Målet er at give SI-sporbarhed, konsistente kraftmålinger, der muliggør sammenlignelige kraft-tidsdata på tværs af alle typer Charpy-maskiner og opnår en ægte dynamisk kalibreringsprocedure for instrumenterede Charpy-strejkere. Angriberens design påvirker vores evne til at opnå dette. "NIST -teamet lukker et design, som Lucon kaldte" ikke endeligt, men yderst lovende. "

Selvfølgelig, ikke alle maskiner til industriel brug har instrumenterede strejker. Men alle skal stadig verificeres med jævne mellemrum ved hjælp af standarder udstedt af organisationer som American Society for Testing and Materials (ASTM) International. Dette gøres ved hjælp af referencestålprøver. NIST spiller en central rolle i denne proces på verdensplan ved at levere standard testprøver (normalt 10 x 10 x 55 mm, omtrent på størrelse med en menneskelig finger) tilgængelig i tre hårdhedsniveauer, som kan bruges til at verificere maskiner med to forskellige angrebskonfigurationer.

NIST attesterer sine referenceprøver ved hjælp af tre af Boulder labs flere Charpy -maskiner, og sender cirka 2 ud, 000 sæt med fem eksemplarer om året. Fordi slagstyrken ændres med temperaturen, NIST kræver, at dens prøver testes ved -40 ° C. De fleste andre nationale metrologiske institutter producerer prøver, der skal testes ved stuetemperatur.

"På grund af sin kombination af enkelhed og pålidelighed, Charpy -testen er integreret i stålspecifikationer over hele verden for at sikre den sejhed, der er nødvendig for kritiske infrastrukturapplikationer som broer, bygningsstrukturer, nukleare infrastrukturer, og rørledninger, "sagde NIST -materialeforsker James Fekete, der står i spidsen for divisionen, der inkluderer Charpy -laboratoriet. "NIST -programmet kombineret med ASTM -teststandarden sikrer en globalt pålidelig energiskala til Charpy -testen med de laveste usikkerheder opnået til dato"