Een decennium voordat een ijsberg de rompplaten van de Titanic verbrijzelde en een halve eeuw voordat een plaag van broze breuken Liberty-schepen begon te laten zinken tijdens de Tweede Wereldoorlog, wetenschappers in de Verenigde Staten en Frankrijk hadden een roman bedacht, en opvallend eenvoudig, methode voor het meten van de manier waarop metaal reageert op impact.

Vandaag, die methode, met enkele upgrades en verfijningen, blijft de standaardtest die wereldwijd wordt gebruikt om de slagvastheid te beoordelen van metalen die worden gebruikt in de bruggenbouw, hogedrukketels, oceaan schepen, pantserplaat, nucleaire drukvaten, en andere toepassingen. Nu staat het op het punt aanzienlijk te worden verbeterd, grotendeels te danken aan een gezamenlijk onderzoeksprogramma door wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST).

"Het kennen van de dynamische trek- en vloeieigenschappen bij zeer hoge belastingssnelheden kan van cruciaal belang zijn bij het evalueren van de crashbestendigheid van apparaten en constructies, " zei Enrico Lucon, een ervaren ingenieur en testexpert in het Charpy-lab van NIST in Boulder, Colorado."

Elke soort metaal heeft een combinatie van brosse en taaie (zachtere of minder brosse) eigenschappen. De metingen die die eigenschappen onthullen, genaamd Charpy-tests, worden gemaakt op een machine die bestaat uit een lange, verzwaarde arm, opgehangen aan een as, die zwaait als een slinger. Een ingekeept exemplaar van het te testen materiaal wordt op de basis van de machine geplaatst op het laagste punt in de boog van de slinger.

De arm wordt tot een exact afgemeten hoogte geheven en vervolgens losgelaten. Het zwaait naar beneden, het monster breken, en zet zijn zwaai omhoog totdat hij een maximale hoogte bereikt die lager is dan zijn oorspronkelijke hoogte. Het verschil tussen de twee hoogten is een maat voor de hoeveelheid energie die is verbruikt om het monster te breken.

In zijn klassieke vorm, de machine heeft veel foutenbronnen, en het is moeilijk om resultaten van verschillende apparaten te vergelijken. Sinds de jaren 1920, onderzoekers hebben de wigvormige inslagrand van de slinger (een spits genoemd) uitgerust met instrumenten die bekend staan ​​als rekstrookjes, die elektrische signalen sturen die evenredig zijn met de vervorming van de slagman tijdens een botsing.

Geïnstrumenteerde spitsen bieden de mogelijkheid van een sterk verbeterde nauwkeurigheid. Momenteel, echter, "Er is geen internationale overeenkomst over de vorm en configuratie van de spits, waar de rekstrookjes worden geplaatst, hoeveel meters worden er gebruikt, hoe dicht bij de opvallende rand ze zich bevinden, en meer, " zei Lucon. "We werken nu al een paar jaar, en we zijn ongeveer halverwege met het voorstellen van een geoptimaliseerd ontwerp voor geïnstrumenteerde Charpy-spitsen."

NIST-onderzoekers werken ook aan een belangrijk gerelateerd probleem:bezorgdheid over de nauwkeurigheid van de huidige veelgebruikte methode voor het kalibreren van de rekstrookjes. Het is een statisch proces (statische kalibratie) waarbij een exact bekende kracht op de slagman wordt uitgeoefend en de resulterende spanning wordt geregistreerd.

"Maar impact is een zeer dynamisch proces, " zei NIST-natuurkundige Akobuije Chijioke, wiens groep samenwerkt met het Charpy-lab om verbeterde kalibratie van de geïnstrumenteerde spitsen te ontwikkelen. "De verhouding tussen kracht en uitgangsspanning van de spits kan sterk veranderen tijdens een impact die doorgaans duurt van minder dan 1 milliseconde tot 5 milliseconden."

Er zijn methoden ontwikkeld om dit te verbeteren, bijvoorbeeld door gebruik te maken van de meting van geabsorbeerde energie in een Charpy-test, maar een echte dynamische kalibratie van de Charpy-krachtmetingen ontbreekt. "Dit behandelen, we ontwikkelen een SI-traceabletrue dynamische kalibratie, " zei Chijioke. Het proces maakt gebruik van een dynamisch gekalibreerde standaard voor krachtoverdracht, meegenomen van het Dynamic Force Metrology Lab in Gaithersburg, Maryland.

De instrumenten van NIST kunnen miljoenen spannings- en spanningsmetingen per seconde registreren. "Om het aandeel taaie tot brosse breuk in verschillende staalsoorten te bepalen, je hebt dat soort resolutie nodig, ' zei Lucon.

De Charpy-onderzoekers testen ook opnieuw ontworpen spitsen. "Het ontwerp van de spits heeft invloed op hoe goed je hem kunt kalibreren, en hoeveel informatie je eruit kunt halen, "Chijioke zei, zoals hoeveel een bepaalde kracht zal bewegen, of verdringen, het materiaal van belang. "Het doel is om SI-traceerbare, consistente krachtmetingen die vergelijkbare kracht-tijdgegevens mogelijk maken voor alle soorten Charpy-machines en een echte dynamische kalibratieprocedure bereiken voor geïnstrumenteerde Charpy-spitsen. Het ontwerp van de spits heeft invloed op ons vermogen om dit te bereiken." Het NIST-team nadert een ontwerp dat Lucon "niet definitief, maar zeer veelbelovend."

Natuurlijk, niet alle machines in industrieel gebruik hebben geinstrumenteerde spitsen. Maar ze moeten allemaal nog periodiek worden geverifieerd met behulp van normen die zijn uitgegeven door organisaties zoals de American Society for Testing and Materials (ASTM) International. Dit wordt gedaan met behulp van referentiestalen testmonsters. NIST speelt wereldwijd een sleutelrol in dit proces door standaard testspecimens te leveren (meestal 10 x 10 x 55 mm, ongeveer zo groot als een menselijke vinger) verkrijgbaar in drie taaiheidsniveaus, die kan worden gebruikt om machines met twee verschillende spitsconfiguraties te verifiëren.

NIST certificeert zijn referentiemonsters met behulp van drie van de meerdere Charpy-machines van het Boulder-lab, en verscheept ongeveer 2, 000 sets van vijf exemplaren per jaar. Omdat de slagvastheid verandert met de temperatuur, NIST vereist dat zijn specimens worden getest bij -40 ?C. De meeste andere nationale metrologische instituten produceren monsters die bij kamertemperatuur moeten worden getest.

"Door de combinatie van eenvoud en betrouwbaarheid, de Charpy-test is over de hele wereld ingebed in staalspecificaties om de taaiheid te garanderen die nodig is voor kritieke infrastructuurtoepassingen zoals bruggen, bouwconstructies, nucleaire infrastructuur, en pijpleidingen, " zei NIST-materiaalwetenschapper James Fekete, die aan het hoofd staat van de divisie die het Charpy-lab omvat. "Het NIST-programma in combinatie met de ASTM-teststandaard zorgt voor een wereldwijd betrouwbare energieschaal voor de Charpy-test met de laagste tot nu toe verkregen onzekerheden"