Materialeprøvning af stål

Materialeprøvning af stål
Stålværkerne fører løbende kontrol med materialerne der i færdig tilstand skal være i overensstemmelse med de gældende normer. Efterkontrol udføres i Danmark efter Dansk Standard og de internationale regler for materialeprøvning. Prøvningen foregår hovedsagelig ved mekaniske prøver i specielle prøvemaskiner.

De vigtigste er: Trækprøven Hårdhedsprøven Bøjeprøven Slagprøven Udmattelsesprøven       Figur 8: Arbejdslinier for forskellige stålkvaliteter. Det ses, at stigende brudstyrke giver faldende brudforlængelse.

Trækprøve
Tensile test
Zugversuch

De forskellige normer opstiller nogle regler for prøvningens udførelse og prøvestykkets størrelse. Prøvestykket spændes i maskinen og underkastes en stigende belastning. På grundlag af prøvens resultater optegnes materialets såkaldte arbejdslinie, som vist i fig. 8, 9 og 10. Heraf kan aflæses spændingen i N/mm² og den tilsvarende forlængelse. De spændinger, som har specielle interesser er nævnt i det følgende.

Elasticitetsgrænse
Elastic limit
Elastizitätzgrenze

Indtil en vis spænding vil materialet praktisk talt være elastisk og vil ved aflastning trække sig sammen igen til sin oprindelige længde. Elasticitetsgrænsen er den højeste spænding, hvorved man undgår blivende forlængelse.

Proportionalitetsgrænse (Rp)
Proportional limit
Proportionalitätsgrenze

Indtil en vis spænding vil forlængelsen være proportional med belastningen, dvs. at for hver N belastningen forøges, vil prøvestykket forlænges med samme længde. Proportionalitetsgrænsen er den højeste spænding, hvor dette er tilfældet.

Flydespændingen (Re)
(flydegrænse, strækgrænse)
Yield stress
Streckgrenze

Når materialet belastes ud over proportionalitetsgrænsen, vil forlængelsen blive større og større for hver N belastningen forøges. Hvis der pludselig sker en stærk længdeændring (materialet flyder), siges flydegrænsen at være nået, se fig. 9. Den hertil hørende spænding kaldes flydespændingen, hvor der tales om den øvre (R_eH) og den nedre flydespænding (R_eL), svarende til grænserne for det område, hvori flydningen sker. Det er den øverste flydespænding, der i de danske normer for stål- og betonkonstruktioner er grundlag for styrkeberegningen.



Figur 9: Udsnit af arbejdslinien for et varmvalset
stål St. 37, der har udpræget flydegrænse.

0,2 Spændingen (R0,2)
0,2 - stress
0,2 - grenze

Nogle materialer (især kold-bearbejdede stålprodukter) har ikke nogen flydegrænse, se fig. 10. Ved disse anvendes istedet for flydespændingen 0,2 - spændingen, idet der ved 0,2 - spændingen er sket en så lille plastisk deformation (0,2 %), at man i praksis kan se bort fra den. 0,2 - spændingen er ligesom flydegrænsen en vigtig materialekonstant, der danner grundlag for styrkeberegning af konstruktioner.



Figur 10: Udsnit af arbejdslinien for et koldtrykket stål, ingen udpræget flydespænding, derfor benyttes 0,2 - spændingen.

Brudstyrken (Rm)
(Brudspændingen)
Tensile strength
Zugfestigkeit

Den maksimale spænding, materialet opnår umiddelbart før brud. Brudspændingen måles i forhold til materialets oprindelige tværsnitsareal og uden hensyn til det indsnørede areal, der findes i brudstadiet.

Brudforlængelse (A)
Elongation
Dehnung

Den forlængelse, som prøvestykket har, når bruddet finder sted. Brudforlængelsen skal angives i forhold til prøvestykkets længde og benævnes A₅, A₁₀ og lignende, svarende til at målelængden har været henholdsvis 5 gange diameteren eller 10 gange diameteren. Engelske værker benytter oftest A₈ og A₄.

Brud- styrke N/mm2	Vickers	Brinell	Rockwell B	Rockwell C	Brud- styrke N/mm2	Vickers	Brinell	Rockwell B	Rockwell C
255 270 285 305 320	80 85 90 95 100	76,0 80,7 85,5 90,2 95,0	41,0 48,0 52,0 56,2		900 915 930 950 965	280 285 290 295 300	266 271 276 280 285	(104) (105)	27,1 27,8 28,5 29,2 29,8
335 350 370 385 400	105 110 115 120 125	99,8 105 109 114 119	62,3 66,7		995 1030 1060 1095 1125	310 320 330 340 350	295 304 314 323 333		31,0 32,2 33,3 34,4 35,5
415 430 450 465 480	130 135 140 145 150	124 128 133 138 143	71,2 75,0 78,7		1155 1190 1220 1255 1290	360 370 380 390 400	342 352 361 371 380		36,6 37,7 38,8 39,8 40,8
495 510 530 545 560	155 160 165 170 175	147 152 156 162 166	81,7 85,0		1320 1350 1385 1420 1455	410 420 430 440 450	390 399 409 418 428		41,8 42,7 43,6 44,5 45,3
575 595 610 625 640	180 185 190 195 200	171 176 181 185 190	87,1 89,5 91,5		1485 1520 1555 1595 1630	460 470 480 490 500	437 447 (456) (466) (475)		46,1 46,9 47,7 48,4 49,1
660 675 690 705 720	205 210 215 220 225	195 199 204 209 214	92,5 93,5 94,0 95,0 96,0		1665 1700 1740 1775 1810	510 520 530 540 550	(485) (494) (504) (513) (523)		49,8 50,5 51,1 51,7 52,3
740 755 770 785 800	230 235 240 245 250	219 223 228 233 238	96,7 98,1 99,5	20,3 21,3 22,2	1845 1880 1920 1955 1995	560 570 580 590 600	(532) (542) (551) (561) (570)		53,0 53,6 54,1 54,7 55,2
820 835 850 865 880	255 260 265 270 275	242 247 252 257 261	(101) (102)	23,1 24,0 24,8 25,6 26,4	2030 2070 2105 2145 2180	610 620 630 640 650	(580) (589) (599) (608) (618)		55,7 56,3 56,8 57,3 57,8

Figur 11: Sammenligning mellem forskellige hårdhedsenheder.

Vil man sammenligne brudforlængelsen målt med forskellige prøvestænger, kan efterfølgende tabel benyttes:

A 10	A 5	A 6	A 4
10 15 20 25 30	12 18 24 30 36	10,0 15,5 20,5 26,0 31,5	13,0 19,5 26,0 33,0 39,5

Af disse størrelser bruges R_e hvis den findes, ellers R_0,2 som dimensioneringsgrundlag for statiske belastede konstruktioner. E-modulet (elasticitetsmodulet) bruges også til konstruktionsformål, idet den indgår i stivheds- og stabilitetsberegninger. E-modulet er den samme for alle stålkvaliteter.

Hårdhedsprøve
Udføres efter forskellige metoder (Brinell, Rockwell, Vickers. Princippet er nedtrykning i materialet af en hård kugle, pyramide og lign, hvorefter hårdheden bestemmes på grundlag af indtrykkets størrelse. Man anvender de tre metoder afhængig af hårdheden på test materialet.
Fig. 11 er en sammenligningstabel over Rockwell (HRC og HRB), Vickers (HV) og Brinell (HB) samt brudspændingen (R_m).

Slagsejhedsprøve
(kærvslagsprøvning)

Slagsejhedsprøvning er udviklet i USA under 2. verdenskrig som en prøvningsmetode til vurdering af et foreliggende materialets egnethed til at indgå i store helsvejste konstruktioner.
Baggrunden for udviklingsarbejdet var de mange havarier på store helsvejste konstruktioner. Disse havarier var karakteriseret ved, at konstruktionerne revnede tværs over ved sprøde brud.
Ofte var konstruktionerne ubelastede (f.eks. skibe ved kaj), og normalt i koldt vejr.
Slagsejhedsprøven udføres ved hjælp af et slagpendul, som man lader falde mod en prøvestang. Den energi, der medgår til at knække prøvestangen, er et mål for materialets sejhed og modstandsevne over for skøre brud, der er farlige ved svejste konstruktioner. Slagsejhedsprøven benævnes forskelligt, alt efter prøvestykkets udformning: Charpyprøve, lzod-prøve, ISA-prøve og Schnadt-prøve.
For stål og visse andre konstruktionsmaterialer har det vist sig, at slagsejheden varierer kraftigt med temperaturen; høje værdier ved høj temperatur og små værdier ved lave temperaturer. Omslagstemperaturen kan være mere eller mindre brat som vist i fig. 12.



Figur 12: Kærvslagstyrkens afhængighed af temperaturen ved forskellige stål samt nikkel.

Udmattelsesprøve
Denne prøve har stor betydning ved materialer, der skal bruges under en belastning, hvis størrelse eller retning er svingende. Udføres med op til flere millioner periodiske påvirkninger, indtil brud finder sted. Udmattelsesstyrken er den spænding, som materialet har umiddelbart før brud indtræffer.

Træthedsbrud
Ved gentagne påvirkninger f.eks. rystelser, hurtige temperaturændringer i omgivelserne, kan materialet efterhånden få indvendige strukturændringer, som bevirker, at dets brudgrænse sænkes langt under det sædvanlige. Materialet siges at være blevet træt, og det brud, der sker som følge heraf benævnes træthedsbrud.

Krybning
Når tråd opspændes mellem to faste punkter kan spændingen aftage med tiden. Dette kaldes krybning. Krybningen har særlig stor betydning ved store spændinger (f.eks. forspændt tråd til betonkonstruktioner) og ved høje temperaturer (over 300 grader C). Ved et materiales krybegrænse forstås den maksimale spænding, man kan anvende, uden at krybningen betyder noget

Tilbage til oversigt >>