Merjenje časovne odvisnosti poteka delovanja sile pri udarnem preizkusu DK: 620.178.746.2 ASM/SLA: Q6n Mitja šipek V članku je opisana naprava za elektronsko merjenje udarne sile v odvisnosti od časa na ZF žilavostnih probah. Prikazan je razvoj naprave, konstrukcija filtrov in elektonskega prožilca ter umerjanje in končno registracija rezultatov. Na kraju je prikazanih nekaj primerov preizkusa. Sile, ki pri udarnem lomu nastopajo, znašajo do 7 t in lomi trajajo 0,2 do 0,6 msek. UVOD Presojo žilavosti nekega materiala smo navajeni ocenjevati po klasičnem postopku merjenja dela, ki je bilo potrebno, da smo preizkušanec določene oblike prelomili. Ta preizkus je znan kot žilavostni udarni preizkus. Nihalo določene teže spustimo iz določene višine na preizkušanec, tako da ga zadene z rezino in ga prelomi. Potencialno energijo, ki je nakopičena v sistemu in ki se spremeni v gibalno energijo, podelimo s presekom preizkušanca na mestu preloma. Pri tem zanemarimo stranske učinke, ki zmanjšujejo to energijo, tj. trenje v ležajih, trenje v zraku pri padanju nihala in netogo vpenjanje preizkušanca. Ti stranski učinki so po velikosti tudi zanemarljivo majhni in jih upravičeno lahko zanemarimo. Dobljeni rezultat, izražen v kpm/cm2, nam da vpogled v obnašanje materiala pri dinamični obremenitvi. Običajno krhki materiali pokažejo nižjo porabljeno energijo na enoto preseka. S točnejšo razčlenitvijo poteka loma pa lahko vidimo, da je podatek dokaj nepopoln. Če upoštevamo, da je hitrost impulza v materialu odvisna od elastičnih lastosti materiala in znaša cc. 5 km/sek., bo časovni potek delovanja sile pri lomu preizkušanca dal mnogo boljši vpogled v obnašanje materiala pri sunkovitem delovanju sile nanj. METODA MERJENJA ČASOVNEGA POTEKA DE LOVANJA SILE Prvi poizkusi so bili izpeljani z detektorji sile, ki so bili vgrajeni v naslonih, kjer je vpet preizkušanec. Ti detektorji so bili večinoma kristalni ele- Mitja šipek je diplomirani inženir metalurgije in direktor kontrole kakovosti v železarni Ravne menti, ki so izrabljali piezo efekt transformacije mehanske sile v električno napetost. Dobra lastnost takih detektorjev je v tem, da so deformacije detektorja izredno majhne, občutljivost detektorja pa dokaj velika, saj pri običajnem preizkusu po metodi Charpy na kristalu lahko dobimo več voltov visoke napetostne sunke. Tudi merjenje takih signalov pri današnji merilni tehniki ne predstavlja problema. Več problemov pa predstavlja mehanski del, saj so kristali izredno krhki in moramo večji del bremena prenašati preko vzporednih vzmeti. Za točno merjenje celotne sile je potrebno vgraditi detektorje pod oba naslona. Nekatere izvedbe so take, da se piezo element vgradi v rezilo in tako transformira celotno silo v električni signal. Odvisnost med velikostjo sile in električnim signalom je v velikih območjih linearna, kalibriranje naprave pa je mogoče statično z utežmi na vzvodu. Da bi se izognili histe-rezi, pa običajno damo na element določeno znano prednatezno silo. Taki sistemi so se obdržali pri meritvah na klasičnih oblikah žilavostnih preizkusov prob (Charpy, Izod). MERJENJE ČASOVNEGA POTEKA DELOVANJA SILE NA PREIZKUŠANCIH ZA JEKLA, NAMENJENA ZA IZDELAVO ZOBNI KOV (Z.F.probe) V praksi težijo izdelovalci zobatih prenosov k vedno večji štednji materiala, da bi tako postali prenosni mehanizmi čim lažji. Zato pa morajo izrabiti material do krajnih možnih mej. Običajni žilavostni preizkus daje samo nepopolne podatke o obnašanju materiala pri sunkovitih obremenitvah kot nastopajo pri delovanju zobatih prenosov. Da bi čim bolj ponazorili razmere v praksi, je predložen preizkušanec, ki ima obliko podobno pravemu zobniku, važen pa je tudi kot, pod katerim sila prijemlje, ta je izbran s 30°. Princip naprave je shematsko prikazan na sliki 1, fotografija celotne naprave pa na sliki 2. Preizkušanec je izoblikovan tako, da predstavlja en zob zobnika, slika 3. Tak nastavek nosi preizkušanec na obeh straneh, da se na istem preiz-kušancu lahko izvedeta dve meritvi. Preizkušanec Slika 4 Vpenjalni blok s probo, ki je izvlečena. Na desni strani je viden sprožilec, nad njim sonda za nameščanje prožilne točke V g. / k1 ,2-0) BA'0.05 Slika 2 Izgled celotne merilne naprave Kot merilec sile (v tem slučaju upogiba) smo uporabili podobno kot konstrukterji v zap. Nemčiji (Sudwestfalenhutte Geissvveid, Zahnradfabrik Lud-vvigshafen) kombinacijo merilnih trakov (Deh-nungsmessstreifen, Strain gages) 4 kom., ki so nalepljeni na udarnem trnu pod kotom 45° in vezani v električni most, tako da leže aktivni trakovi v eni, kompenzacijski pa v drugi veji mostu, slika 5 — trn montiran v kladivu. Slika 1 Shema merilne naprave za merjenje poteka sile pri udarno žilavostnem preizkusu 1. vpenjalni blok 2. proba 3. trn 4. merilni uporovni trakovi 5. kladivo 6. brezkontaktni sprožilec časovne baze se po obdelavi še termično obdela in vpne v držalo, ki mora biti čim bolj togo. Uporabili smo konstrukcijo kladiva tipa Amsler. Na sliki 4 je prikazan vpenjalni blok s preiz-kušancem, montiran na konstrukciji kladiva. Slika 3 Izgled ZF probe. Na vsakem koncu probe je izdelan po en zob katerega odlomimo Most je napajan z enosmernim tokom 10 V, skrbno stabiliziran. Signal iz mostu je okrepljen v enosmernem pojačalu in ga okrepljenega peljemo na oscilograf, ki je dovolj točno kalibriran v enotah napetosti ter omogoča zunanje proženje. Slika 5 Izgled kladiva z merilnim trnom Mostične sheme za merjenje sil z merilnimi trakovi v praksi često uporabljajo izmenično napajanje mostu s frekvencami 5 do 50 kHz, kar je pri starejših napravah skoraj nujno, saj je okre- Slika 6 Električna principielna shema naprave: 1. ojačevalo 2. katodni oscilograf 3. časovna baza 4. merilni most 5. sprožilec z nastavljivo zakasnitvijo 6. oscilator sprožilca 7. merilec vršne napetosti kalibriran v kp. pitev izmeničnih signalov mnogo bolj enostavna. Novejša tranzistorizirana integrirana vezja pa omogočajo razmeroma enostavno okrepitev enosmernih signalov, da pa pri tem ničelna točka ostane stabilna kljub spremenljivim temperaturam okolice. Napajanje mostu z izmeničnim tokom pa je v tem primeru popolnoma neuporabno, saj trajajo merni signali 0,2 do 0,5 msec., torej 5 do 2 kHz in bi tudi generatorji pri 50 kHz vnašali nevzdržne napake v meritev. Izbrali smo merni most KVS 3000, firme Hottinger, Messtechnik, ter imulz-ni oscilograf Tektroniks 545 B. Nemški avtorji zatrjujejo, da naj bo celotna konstrukcija naprave čim bolj mehansko robustna, tako stojalo kot nihalo, da ne bi prišlo do nekontroliranih parazitnih nihanj v merjenem signalu. V ta namen so običajno izbirali masivne konstrukcije starejših izvedb kladiv (npr. Losenhausen) in jih priredili za to merjenje. Novejši Amslerjev tip kladiva pa je izveden z valjanimi U profili, samo kladivo pa je obešeno na štirih tankih palicah 0 12 mm, kjer o kakšni robustnosti ni govora. Da bi lahko ugotovili, ali je tak sistem sploh uporaben, smo morali posneti poizkusne oscilo-grame, ne da bi vedeli natančnejše parametre za nastavitev časovne baze in okrepitve. Že na prvih posnetkih smo ugotovili, da glavnemu impulzu sledi periodično iznihavanje sistema, slika 7. Ko smo isti posnetek napravili z močno razvlečeno časovno bazo, kjer en razdelek na horizontali pomeni 0,2 msek, smo lahko izmerili širino glavnega signala, 0,48 msek, ter iznihavanja, ki se enakomerno iztekajo s širino 0,114 msek, kar odgovarja 8,8 kHy, slika 8. Ce računamo s hitrostjo zvoka cc. 5 km/sek. v trnu, ki je izdelan iz jekla C. 4150 — OCR 12 in termično obdelan na cc. 50 HRC ter ima prečno dimenzijo 25 mm, vidimo, da traja potrebni čas na Slika 7 Posnetek loma na oseilografu. Vidna so dušena iznihavanja trna Slika 9 Krhek lom traja kratek čas vsega 3,3 kHz = 0,3 msek. Konstrukcija filtrov Prve poizkuse smo naredili tako, da smo vgradili pasivni filter za nizke frekvence. Tak filter sicer poreže visoke frekvence, vendar močno popači originalni signal, kar vnaša napake v meritev, tako da zniža najvišji signal, kar pomeni, da odčitamo manjšo silo, kot jo v resnici merimo, pa tudi širino signala razvleče in tako odčitamo daljši čas delovanja sile, kot v resnici je. Slika 8 Z raztegnjeno časovno bazo je mogoče iz slike 5 odčitati frekvenco iznihavanja, ki znaša 8,8 kHz poti 2 X 25 mm 0,1 msek ali 10 kHz. Očitno je torej, da iznihava trn, da pa pri tem ne sodeluje ostala konstrukcija kladiva (ravno zaradi netogega obešanja). Dejansko tako iznihavanje merjenja ne moti, vendar želimo imeti bolj izglajen oscilogram zaradi lažjega odčitavanja, predvsem zato, ker želimo na isti film posneti več lomov. Uporabili smo polaroidno kamero Swinger sistema. Iznihavanje bi preglednost posnetkov zelo kompliciralo. Iz nadaljne serije lomov smo prišli do primerov krhkega loma, kjer glavni signal traja vsega 0,3 msek, kar odgovarja frekvenci 3,3 KHz, slika 9. Pojavi, ki so krajši, naj bodo izločeni, v ta namen je potrebno signale filtrirati. Slika 11 Principielna shema aktivnega filtra, ki je sestavljen iz treh ojačevalcev Fi, 2,3 Levo zgoraj — signal z iznihavanjem Desno zgoraj — filtriran signal Frekvenčni potek takega filtra je prikazan na sliki 12. Razvidno je, da filter enakomerno prepušča signale, od enosmernih pa do 2,5 kHz, tiste, ki najbolj motijo, torej nad 5 kHz, pa praktično popolnoma poreže. Krivuljo aktivnega filtra KHz merilna območje Slika 12 Frekvenčna karakteristika tristopenjskega filtra. Merno področje je uporabno do cc. 3 kHz, višje frkevence so močno dušene Slika 10 RC filter preveč raztegne signal iz slike 7 in 8 na 0,72 msek. Tak primer vidimo na sliki 10. Tu je viden posnetek drugega zoba na preizkušancu iz slike 7, pri sicer istih pogojih občutljivosti. Vidimo, da se je signal na vrhu znižal, predvsem pa se je podaljšal čas loma od 0,48 na 0,72 msek. Največja težava pri teh filtrih pa je ta, da naprave ne moremo kalibri-rati statično, saj gre za RC sklope, ki enosmernih signalov ne prepuščajo. Pristopili smo torej h konstrukciji aktivnih filtrov v več stopnjah z uporabo integriranih operacijskih ojačevalcev. Taka shema je prikazana na sliki 11. Kalibriranje naprave Najenostavnejši način kalibriranja je statičen, tako da držalo s trnom snamemo z obešala in ga vpnemo na robustni jarem, katerega postavimo na trgalni stroj. Jarem ima vgrajen bat z ostrino, ki jo justira-mo tako, da nasede na trn točno na istem mestu, kjer nasede trn na preizkušanec. To mesto je po nekaj lomih na trnu dobro vidno. Tako napravo vidimo na sliki 13. Trn pritisnemo postopoma po It in merimo napetost pri točno poznani občutljivosti ojačevala in oscilografa do 10 t. Na sliki 14 je prikazana krivulja odvisnosti odklona na oscilografu v V v odvisnosti od obremenitve. Viden je odličen linearni potek kalibracijske krivulje. Ko smo napravo tako kalibrirali, je pripravljena za delo. Držalo s trnom snamemo iz jarma in ga ponovno pritrdimo na obešalo kladiva. Proženje časovne baze oscilografa Za snemanje oscilogramov smo uporabili pola-roidno kamero FOT 1, ki je pritrjena na oscilograf. Kamero vsakokrat ročno sprožimo, ni pa nikakršnih zadržkov, da ne bi mogli izvesti avtomatsko proženje. Slika 13 Izgled jarma s trnom za kalibriranje. Kladivo snamemo z obešala in ga pritrdimo na jarem s štirimi vijaki 6 5 1/1 o O J TC o. d S 2 I 12 3 6 5 6 7 8 -»- Sila [T ] Slika 14 Krivulja umerjanja naprave pokaže zelo linearen potek signala v odvisnosti od sile Da bi lahko pomikali pričetek oscilograma horizontalno po ekranu osciloskopa in tako izrabili en film za več posnetkov, moramo poskrbeti za avtomatsko proženje časovne baze. Proženje lahko izvedemo na različne načine. Z mehanskim kontaktom, fotocelično ali elektromagnetno. Za vsakim prožilcem pa moramo vključiti časovno zakasnitev, ki jo lahko poljubno nastavljamo od 0,0 do 2 msek. Najenostavnejši pa najmanj gotov je mehanski sprožilec. Fotoelektrični je sicer dobro uporaben, ima pa obrabljiv del, tj. izvor svetlobe, zato smo se rajši odločili za brezkontaktno električno stikalo. Sproži ga držalo trna, ko pride pred sondo. Razdalja med sondo in držalom ni kritična in znaša nekaj milimetrov. Stikalo je v bistvu visokofrekvenčni generator, ki niha dokler kvaliteta nihajnega kroga ne pade pod kritično mejo zaradi izgub, ki nastanejo, ko se kovinsko držalo približa nihajni tuljavici. V tem trenutku izpade nihanje. Napetostni impulz, katerega na ta način dobimo, sproži monostabilni vibrator z nastavljivo časovno konstanto. S poten-ciometrom lahko določimo čas, v katerem ostane vibrator v labilnem položaju. Ko preskoči v stabilno lego, dobimo ponovno diferenciran impulz, ki proži časovno bazo oscilografa. Principielna shema elektromagnetnega stikala z zakasnilnim členom je prikazana na sliki 15. Slika 15 Principielna shema prožilca: 1. VF sinusni generator 2. Demodulator 3. Monostabilna stopnja 4., 5. Preklopnik za izbiranje dolžine signala monostabilne stopnje po 0,2 msek/cm 6. Smitov triger za proženje časovne baze 12,5 j 10,0--7,5 -5,0 --2,5 -0 -- (-1-i-1-1-(-1-i-1-1-1 0.2 0/ 0,6 0,8 10 ],2 // 1,6 1,8 2,0 ms Slika 16 Nekaj primerov posnetkov digramov: sila-čas abscisa-čas ordinata-sila Na ta način moremo posneti družino krivulj različnih lomov, kot je prikazano na sliki 16, kjer pomeni en razdelek na horizontali 0,2 msek in en razdelek na vertikali 2,51. Na sliki vidimo, da filter odstrani vsa iznihavanja, pri tem pa skoraj ne okrni nastopa in izteka signala. Naprava je bila kalibrirana skupaj s filtrom, ki prepušča tudi enosmerni signal. Registracija rezultatov z elektronskim voltmetrom Če se zadovoljimo samo s snemanjem oscilo-gramov, smo prisiljeni čakati, da zlomimo vso količino preizkušancev, ki jo nameravamo posneti na en film, preden lahko vidimo rezultat po razvijanju (ki traja 20 do 30 sek.). Rado se zgodi, da film odpove ali naredimo napako pri snemanju ali razvijanju. V tem primeru je izgubljen tudi rezultat in uničen preizkušanec. Da bi se temu izognili, smo se odločili, da vgradimo za ojačevalcem še merilec vršne napetosti (peak detector). To je v bistvu elektronski voltme-ter, ki ima na vhodu vgrajeno elektrometersko pojačalo z zelo visoko vhodno upornostjo. Vršna napetost signala napolni razmeroma majhen kvalitetni kondenzator in cevni voltmeter meri statično napetost, vse dokler rezultata ne izbrišemo s pritiskom na gumb. Nakazovanje rezultata more biti s kazalčnim instrumentom ali digitalno, ki ima pred prvim prednost, da odpade napaka subjektivnega čitanja. Pri takem načinu registracije rezultata seveda izgubimo podatek o trajanju loma, vendar pa nam ostane najvažnejši podatek o vršni sili. Časovno potni diagram poteka sil, ki smo ga na ta način dobili, nam pove mnogo natančneje, kako se material obnaša pri sunkoviti obremenitvi, ne pove nam pa, kako poteka sila v odvisnosti od napredovanja loma, tj. v odvisnosti od poti. Snemanje diagrama sila - pot Na dvokanalnem oscilografu lahko istočasno snemamo diagram sila-čas in sila-pot — sinhrono, če napravo opremimo tako, da bo časovna baza priključena na izhod ojačala, ki registrira pot merilnega trna od trenutka, ko udari na rob preizku-šanca, do loma. Taki sistemi so znani iz literature (1), vendar so nekoliko zastareli. Z uporabo eksponencialnega sivega klina lahko dobimo linearno odvisnost od količine svetlobe, ki jo klin propušča, in napetostjo na izhodu ojačala. Pozneje so bili izvedeni poizkusi s svetlobnimi vlakni (Glassfaser), danes pa nam nudijo izhod izredno fino fokusirani laserski žarki. V principu pa je uporaben vsak sistem, ki lahko z zadostno točnostjo spreminja izhodni signal v odvisnosti od poti trna, ki pa je razmeroma kratka, posebno še pri krhkih vzorcih. Diskusija rezultatov Opisana metoda je empirična in njena točnost odvisna od mnogih pogojev: a) Točnost uporabljenih instrumentov, ki se giblje med 1 do 2 %. b) Točnost filtrov v primeru z drugimi izvedbami. c) Točnost nalepljenja trakov. d) Točnost pri kalibriranju. Posebno je važno, da rezina kalibriranega bata nalega na isto mesto kot preizkušanec. e) Točnost odčitavanja. f) Točnost vpenjanja preizkušanca — zob paralelno s trnom. g) Točnost izdelave preizkušanca in njegova homogenost. Če seštejemo vse te vplive, ne smemo pričakovati rezultatov, ki bi presegali točnost ± 10 Q-o, tako da ostane ta preizkus še vedno primerjalen. Literatura 1. Alberti H., Kiigler J.: Anlage zur Registrierung von Schlagkraft und Durchbiegung bei der Kerbschlagpru-fung mit einem Pendelschagwerk Materialprufung 13 (1971), N" 9, S. 292/97 2. H. Schmiedel ZIS Halle (Saale): Kerbschlagzahigkeits-untersuchungen bei hohen Schlaggeschwindigkeiten 620. 178. 746 int. poročilo 3. Ermittlung von Schlagkraft-Durchbiegungs-Diagrammen mit dem PSWO 30 620. 178. 311. 3 (084-2) int. poročilo 4. Fearnebough G. D., Hoy C. J.: Mechanism of deformation and fracture in the Charpy test as revealed by dynamic recording of impact bonds Journal of The Iron and Steel Institute, Nov. 1964 5. Messtechnnische Briefe fiir elektrisches Messen mecha-nischer Grossen. Hottinger Baldvin Messtechnick Darm-stat 6. H. Bruger: Schlagbiegeversuch zur Beurteilung einsatz-geharteter Stahle. Schweizer Archiv — jul. 1970 S.219,229 7. H. Bruger, G. Kraus: Einfluss der Zahigkeit auf das Verhalten von Einsatzstahlen im Statischen und dyna-mischen Biegeversuch. Archiv fiir das Eisenhiittenvvesen 32 (1961) Aug. H. 8. S. 529—531 ZUSAMMENFASSUNG Der klassische Kerbschlagzahigkeitsversuch ermoglicht uns nicht eine geniigend klare Einsicht in die Ereignisse bei dem stossvveisem Bruch der Probe. Neben der Arbeit auf die Bruchflacheneinheit interessiert uns vor allem die grosste Kraft und die Zeit des Kraftverlaufes von dem Stoss des Hammers bis zu dem Bruch der Probe. Mit den elektronischen Hilfsmitteln ist eine Methode fiir die Verfolgung des Bruchverlaufes gegeben so, dass die Kraft mit Dehuungsmesstreifen gemessen, und der Zeit-verlauf der Kraft am Oszilograph ebgebildet vvird. Beim Hammerschlag auf die Probe kommt es zu den mechani- schen Ausschwingungen, welche mit elektrischen Filtern gedaruft vverden konnen. Der Startpunkt der Zeitablenkung wird durch kontakt-losen elektromagnetischen Schalter mit Verzogerung durch-gefiihrt. Die Registrierung wird fotographisch und mit dem Digitalvoltmeter der die Spitzenspannung registriert, reali-siert. Die gemessene Spannung ist der Kraftspitze propor-t ional. SUMMARY Usual toughness test does not give enough clear insight into phenomena during sudden fracture of the test piece. Beside the absorbed vvork per unit fracture area also the maximal force and the time function of force from the beginning of impact till breakage is of great interest. Electronics enable us to follow the course of fracture, so that force is measured by strain goges and the time function of force is registered on oscilograph. When pendulum hits the test piece mechanical vibrations occur vvhich can be isolated by electric filters. Electronic start is achieved by contactless plugs with debey line. The results are double registered: photographically and by digital voltmeter registering peale voltage which is directly propor-tional to the maximal occuring force. 3AKAK)qEHHE kaacch^eckhh metoa onpeaeaehhh bji3kocth ham He aaet achoe npeACTaBAeHHe o npotiecce, KOTOpbIH nponcxoAHT ao pa3pynieHHH o6pa3ua KaK CAeACTBHe yAapHOH Harpy3KH. KpoMe achctbhh Ha eAH-hhi1y nOBepXHOCTH H3AOMa, Hac TAaBHHM 06pa30M HHTepecyeT MaKCH-MaAbHaa chaa h np0Me^cyt0k BpeMHHH ot yAapa moaotom ao h3aoma o6pa3Ha. SAeKTpoHHbie BcnoMoraTeAbHbie cpeACTBa HaM iio3Boajiiot CAeAHTb 3a nponeccoM H3AOMa, npn MeM CHAy onpeAeAaeM MapHbiMH AeHTaMH, a hhtepbaa bpemhhh aeftctbhh cHAbi onpeaeaaem ha ocuha-AorpacJ>e momcht, KorAa Ha ocHHAorpae aoa>kho np0H30HTH Ha^aao nepeABH^ceHHH SACKTPOHHOH Aynn onpeAeAaeT 3AeKTpoMarHHTHbiH BKAIO^HTeAb, KOTOpbIH AeHCTByeT 6e3 COnpHKOCHOBeHHH H n03B0AHeT b onpeAeAeHHOM npeAeAe HanaAo AeecTBHH. Bo bpemh yAapa moaotom b o6pa3ne noHBAHioTCH MexaHHnecKHH KOAeSaHRa, KOTOpbie hco6xoahmo H30AHp0BaTb npn noMoniH 3AeKTpoHHbix 4>HAbTpoB. Pe3yAbTaTbi pern-CTpHpyeM ABOHHbIM CnOCOGOM: OTOApa4>HHeCKH H npH IlOMOlUH HH<}>pO-BOBa BOAbTMeTpa, KOTOpbIH perncTpyeT MaKCHMaAbHoe Hanpa>KeHHe, a 3TO, co CBOeii CTOpOHbl, npHMO np0n0pUH0HaAbH0 MaKCHMaAbHOH B03HHKai0meil CHAbi.