Lasproef : Kerfslagproef (1)
In dit eerste deel komt de kerfslagproef aan de orde. Deze proef meet de materiaalweerstand tegen het bros breken.De belasting wordt snel - in één slag - aangebracht op een proefstuk met een vooraf aangebrachte kerf. Kerfslagbeproevingen zijn in twee hoofdgroepen in te delen: Izod en Charpy. Lasonderzoek wordt momenteel hoofdzakelijk uitgevoerd volgens de Charpy-methode, terwijl de Izod-test vandaag de dag nauwelijks meer wordt gebruikt.
Voordat de kerfslagproef aan de orde komt, behandelen we eerst het begrip ‘taaiheid’. De kerfslagproef is één van de methoden die deze materiaaleigenschap meet. Taaiheid is de hoeveelheid energie die nodig is om een proefstuk, een brug of een drukvat te doen bezwijken. Door middel van de trekproef wordt een spannings-rekdiagram verkregen waaruit informatie is te halen met betrekking tot de taaiheid van het materiaal van de trekstaaf. Tijdens de uitvoering van de trekproef wordt de belasting langzaam opgevoerd om tenslotte de trekstaaf te breken. De kerfslagproef meet de materiaalweerstand tegen het bros breken, waarbij de belasting snel - in één slag - wordt aangebracht op een proefstuk met een vooraf aangebrachte kerf.
De belangstelling voor de eigenschap kerftaaiheid stamt uit de Tweede Wereldoorlog door het optreden van brosse breuken aan gelaste Amerikaanse Libertyschepen. Vanuit deze wetenschap werden een aantal testen ontwikkeld die de ‘kerftaaiheid’ moesten karakteriseren. De op deze site beschreven Charpy-V test is er één van.
Kerfslagbeproevingen
De kerfslagbeproevingen zijn in twee hoofdgroepen in te delen: de Izod- en de Charpy-methode. Beide slaan een gestandaardiseerd proefstuk met een gecontroleerd gewicht, bevestigd aan een slinger en gestart vanuit een vast punt. De hoeveelheid energie die nodig is voor het breken van de kerfslagstaaf wordt gemeten en is een maat voor de kerftaaiheid. Deze testen laten zien dat metalen zijn in te delen in ‘bros’ en ‘taai’. Een bros metaal neemt een kleine hoeveelheid energie op tijdens de kerfslagbeproeving en een taai metaal neemt veel energie op.
Het moet worden benadrukt dat de uitkomsten van de kerfslagbeproevingen alleen kwalitatief gebruikt kunnen worden. Dit wil zeggen in vergelijking met andere kerfslagresultaten of kerfslageisen vanuit specificaties. Deze waarden kunnen niet rekenkundig gebruikt worden om tot de breuktaaiheid van een las- of werkstukmateriaal te komen. Testen die hiervoor wel geschikt zijn, zullen in andere pagina's aan de orde komen. De Izod-test wordt vandaag de dag nauwelijks meer gebruikt en komt dan ook in dit artikel niet meer aan de orde. Lasonderzoek wordt momenteel hoofdzakelijk uitgevoerd volgens de Charpy-methode.
Charpy-methode
De Charpy-staafjes kunnen met drie verschillende kerfvormen worden uitgevoerd: de ‘keyhole’, de ‘U’ en de ‘V’. De keyhole en U-kerf worden toegepast bij het testen van brosse materialen zoals gietijzer en het bij testen van kunststoffen. De V-kerf wordt toegepast in de staafjes voor het lasonderzoek en wordt hier verder besproken.
 |
Figuur 1 - De Charpy kerfslagstaaf. |
 |
Figuur 2 - Het Charpy kerfslagapparaat. |
In figuur 1 wordt een standaard Charpy-V kerfslagstaaf getoond. De lengte is 55 mm, breedte en hoogte zijn 10 mm en aan de voorkant is een 2 mm diepe kerf aangebracht met een afrondingsstraal van 0,25 mm. Voor de proefuitvoering wordt de kerfslagstaaf tweezijdig ondersteund op het aambeeld en slaat de hamer aan de andere kant ten opzichte van de kerf tegen de staaf (figuur 2). De kerfslagstaaf breekt en de hamer zwaait door. De hoogte van doorzwaaien is een maat voor de hoeveelheid energie die de staaf heeft opgenomen om te breken. Normaal gesproken worden er bij elke temperatuur drie staven geslagen en zijn de uitkomsten gemiddeld (figuur 3).
Van taai naar bros
Een typische eigenschap van koolstof- en laaggelegeerd staal is het veranderen van het breukgedrag bij lager wordende temperatuur. Het bezwijkgedrag gaat van taai naar bros. Als de kerfslagproef bij verschillende temperaturen wordt uitgevoerd, geeft dit een duidelijk verloop in opgenomen energie weer. Wordt de opgenomen energie uitgezet tegen de beproevingstemperatuur dan vormt dit de ‘S’-kromme zoals getoond in figuur 3.
 |
Figuur 3 - Grafische weergave van de Charpy-V energie en het percentage brosse breuk, uitgezet tegen de temperatuur. |
Uit deze kromme is af te leiden dat de breuk van deze staaltypen verloopt van taai, het bovenste gedeelte (upper shelf), naar bros, het onderste gedeelte (lower shelf) van de kromme. Dit als gevolg van de lager wordende temperatuur. In het overgangsgebied is er sprake van een mix van beide breuktypen. Verschillende specificaties spreken van een overgangstemperatuur als die temperatuur waarbij het breukgedrag verandert van taai naar bros. Deze temperatuur wordt vaak, nogal arbitrair, bepaald waarbij het metaal een kerfslagenergie opneemt van 27 Joules. Zie als voorbeeld de kerfslageisen die gesteld zijn in de EN 10028, deel 2: Staal voor drukvaten. Wat de kerfslagkromme laat zien, is dat een taaie breuk meer energie opneemt dan een brosse breuk in hetzelfde materiaal. De temperatuur waarbij het breukgedrag over gaat is van cruciaal belang voor het bepalen van de bedrijfstemperatuur. Ideaal gezien moet de bedrijfstemperauur liggen op de upper shelf van de kromme.
De vorm en de ligging van het bovenste en het onderste gedeelte van de S-kromme worden allen bepaald door de chemische samenstelling, warmtebehandelingsconditie, het al of niet gelast zijn van het staal, de warmte-inbreng tijdens het lassen, het soort toevoegmateriaal en nog een aantal andere factoren. Al deze factoren moeten worden beheerst als er eisen worden gesteld worden aan de kerftaaiheid. Dit betekent dat er tijdens het lassen een nauwkeurige controle moet zijn op de lasparameters. Austenitische roestvast staalsoorten en nikkel- en aluminiumlegeringen vertonen deze verandering in het breukgedrag niet. De breuk blijft een taai gedrag vertonen bij zeer lage temperaturen. Dit is één van de redenen waarom deze materialen vaak worden gebruikt in cryogene installaties.
Brosse breuk en laterale expansie
Naast de hoeveelheid opgenomen energie voor breuk zijn er nog twee andere kenmerken die men kan bepalen. Dit is het percentage brosse breuk en de laterale expansie. Sommige specificaties stellen ook hieraan eisen. Het breukvlak geeft informatie over het type breuk dat is opgetreden. Een brosse breuk geeft een helder en kristallijn uiterlijk en een taaie breuk een dof en vezelachtig uiterlijk. Het percentage helder kristallijn breukvak wordt vastgesteld en op basis hiervan doet men een uitspraak over de hoeveelheid brosse breuk in de doorsnede van de gebroken kerfslagstaaf.
 |
Figuur 4 -Laterale expansie. |
De laterale expansie is een maat voor de taaiheid van de staaf. Voordat een taai metaal breekt zal het eerst vervormen. Er wordt materiaal naar buiten gedrukt aan de op druk belaste zijde van de kerfslagstaaf (figuur 4). De hoeveelheid vervorming wordt gemeten en uitgedrukt in millimeters laterale (zijwaartse) expansie. Zo stelt de ASME B31.3 eisen aan de laterale expansie van 0,38 mm voor boutmaterialen en staalsoorten met treksterkte hoger dan 656 MPa, eerder dan gespecificeerde kerfslagwaarden.
Op een andere pagina wordt de kerfslagbeproeving van lasverbindingen bekeken. Daarin wordt een antwoord gegeven op hoe de kerfslagwaarde kan worden beïnvloed door samenstelling en microstructuur en waaruit de beperkingen en nadelen bestaan.