Ett decennium innan ett isberg krossade skrovplattorna på Titanic och ett halvt sekel innan en pest av spröda sprickor började sjunka Liberty -fartyg under andra världskriget, forskare i USA och Frankrike hade tagit fram en roman, och slående enkelt, metod för att mäta hur metall reagerar på stötar.
I dag, den metoden, med några uppgraderingar och förbättringar, förblir standardtestet som används över hela världen för att bedöma slagmotståndet hos metaller som används vid brokonstruktion, högtryckspannor, havsfartyg, pansarplatta, kärntryckskärl, och andra applikationer. Nu är det på väg att förbättras avsevärt, tackar i stor utsträckning till ett kooperativt forskningsprogram av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST).
"Att känna till de dynamiska drag- och avkastningsegenskaperna vid mycket höga lasthastigheter kan vara av avgörande betydelse för att utvärdera kraschvärdigheten hos enheter och strukturer, "sa Enrico Lucon, en veteraningenjör och testsexpert i NIST:s Charpy -lab i Boulder, Colorado. "
Varje metall har en kombination av spröda och segbara (mjukare eller mindre spröda) egenskaper. Mätningarna som avslöjar dessa egenskaper, kallas Charpy tester, tillverkas på en maskin som består av en lång, viktad arm, upphängd av en axel, som svänger som en pendel. Ett hackat exemplar av materialet som ska testas placeras på maskinens bas vid den lägsta punkten i pendelns båge.
Armen lyfts till en exakt uppmätt höjd och släpps sedan. Det svänger ner, bryta provet, och fortsätter sin svängning uppåt tills den når en maximal höjd som är lägre än den ursprungliga höjden. Skillnaden mellan de två höjderna är ett mått på hur mycket energi som gick åt för att bryta provet.
I sin klassiska form, maskinen har många felkällor, och det är svårt att jämföra resultat från olika enheter. Sedan 1920 -talet har forskare har monterat pendelns kilformade slagkant (kallad en anfallare) med instrument som kallas töjningsmätare, som skickar elektriska signaler som är proportionella mot slagets deformation under påkörning.
Instrumenterade slagare erbjuder möjlighet till kraftigt förbättrad noggrannhet. För närvarande, dock, "det finns inget internationellt avtal om anfallarens form och konfiguration, där töjningsmätarna är placerade, hur många mätare används hur nära den slående kanten de ligger, och mer, "Sa Lucon." Vi har jobbat i ett par år nu, och vi är ungefär halvvägs till att föreslå en optimerad design för instrumenterade Charpy -strejkare. "
NIST -forskare arbetar också med ett viktigt relaterat problem:oro för noggrannhet kring den för närvarande mycket använda metoden för att kalibrera töjningsmätarna. Det är en statisk process (statisk kalibrering) där en exakt känd kraft appliceras på anfallaren och den resulterande spänningen registreras.
"Men påverkan är en mycket dynamisk process, "sa NIST -fysikern Akobuije Chijioke, vars grupp har samarbetat med Charpy lab för att utveckla förbättrad kalibrering av de instrumenterade strejkarna. "Förhållandet mellan kraft och utspänning från anfallaren kan förändras kraftigt under en påverkan som vanligtvis varar från mindre än 1 millisekund till 5 millisekunder."
Metoder har utvecklats för att förbättra detta, till exempel genom att dra nytta av den absorberade energimätningen i ett Charpy -test, men en sann dynamisk kalibrering av Charpy -kraftmätningarna saknas. "För att ta itu med detta, vi utvecklar en dynamisk kalibrering av SI-spårbar, "Sade Chijioke. Processen använder en dynamiskt kalibrerad standard för kraftöverföring, hämtad från Dynamic Force Metrology Lab i Gaithersburg, Maryland.
NIST:s instrument kan registrera miljontals spännings- och spänningsavläsningar per sekund. "För att bestämma andelen duktil till spröd fraktur i olika ståltyper, du behöver en sådan upplösning, "Sa Lucon.
Charpy -forskarna testar också omdesignade strejkare. "Anfallarens design påverkar hur bra du kan kalibrera den, och hur mycket information du kan få ut, "Chijioke sa, till exempel hur mycket en given kraft kommer att röra sig, eller förflytta sig, materialet av intresse. "Målet är att tillhandahålla SI-spårbar, konsekventa kraftmätningar som möjliggör jämförbara data om kraft-tid över alla typer av Charpy-maskiner och uppnår ett verkligt dynamiskt kalibreringsförfarande för instrumenterade Charpy-slagare. Anfallarens design påverkar vår förmåga att uppnå detta. "NIST -teamet avslutar en design som Lucon kallade" inte slutgiltig, men extremt lovande. "
Självklart, inte alla maskiner för industriellt bruk har instrumenterade strejkare. Men alla måste fortfarande verifieras regelbundet med standarder utfärdade av organisationer som American Society for Testing and Materials (ASTM) International. Detta görs med hjälp av referensstålprov. NIST spelar en nyckelroll i denna process över hela världen genom att tillhandahålla standardtestprover (vanligtvis 10 x 10 x 55 mm, ungefär lika stor som ett mänskligt finger) tillgängligt i tre seghetsnivåer, som kan användas för att verifiera maskiner med två olika slagkonfigurationer.
NIST certifierar sina referensprover med hjälp av tre av Boulder labs flera Charpy -maskiner, och skickar ut ca 2, 000 uppsättningar med fem exemplar per år. Eftersom slagfastheten ändras med temperaturen, NIST kräver att dess exemplar testas vid -40 ° C. De flesta andra nationella metrologiska institut producerar prover som måste testas vid rumstemperatur.
"På grund av dess kombination av enkelhet och tillförlitlighet, Charpy -testet har integrerats i stålspecifikationer över hela världen för att säkerställa den seghet som behövs för kritiska infrastrukturapplikationer som broar, byggnadsstrukturer, kärnteknisk infrastruktur, och rörledningar, "sade NIST -materialforskaren James Fekete, som leder divisionen som inkluderar Charpy lab. "NIST -programmet kombinerat med ASTM -teststandarden säkerställer en globalt tillförlitlig energivåg för Charpy -testet med de lägsta osäkerheter som har uppnåtts hittills"
