Charpy Impact Test:hoe het materiaalsterkte, procedure en interpretatie meet

De Charpy-impacttest werd voor het eerst ontwikkeld in de jaren 1900 om meer inzicht te krijgen in de redenen waarom materialen voortijdig falen. De Charpy-test bepaalt hoeveel energie een materiaal absorbeert tijdens breuk, ook wel impactenergie genoemd, en wordt gebruikt om de Charpy-slagsterkte van een materiaal te beoordelen. De test is vergelijkend, dat wil zeggen dat de slagvastheid van verschillende materialen met elkaar worden vergeleken, mits getest volgens dezelfde norm. Bij de Charpy-impacttestprocedure wordt met een zwaaiende slinger op een ingekerfd monster geslagen. De hoogte van de slinger voor en na de inslag wordt gebruikt om te bepalen hoeveel energie door het monster is geabsorbeerd. De test helpt bij het beoordelen van de kerftaaiheid, die de breukvastheid van een materiaal ter plaatse van de kerf aangeeft.

De Charpy Impact Test is een methode die bij materiaaltesten wordt gebruikt om de slagsterkte te meten, en beantwoordt de vraag:Wat is de Charpy-test?, door te bepalen hoeveel energie een materiaal absorbeert tijdens breuk. De tijdens de test geabsorbeerde energie wordt gemeten aan de hand van het hoogteverschil vóór en na de botsing, en het resultaat hangt af van de kenmerken van het Charpy-impacttestmonster.

Wat is de Charpy-impacttest?

De Charpy Impact Test wordt gebruikt om het vermogen van een materiaal om energie te absorberen tijdens breuk te meten. De Charpy Impact Test wordt uitgevoerd door met een slingerende slinger op een ingekerfd exemplaar te slaan. De hoeveelheid energie die tijdens de impact wordt geabsorbeerd, wordt bepaald door het hoogteverschil voor en na de zwaai. De test heeft tot doel de slagsterkte van een materiaal te beoordelen, met name de weerstand tegen brosse breuk onder hoge reksnelheden. De Charpy-impacttest is essentieel om te begrijpen hoe materialen presteren in reële omstandigheden (extreme temperaturen of bij plotselinge impact). De Charpy-test meet de taaiheid van materialen door hun reactie op plotselinge krachten te testen.

De definitie van de impacttest omvat het vergelijken van de energie die door verschillende materialen wordt geabsorbeerd onder gestandaardiseerde omstandigheden.

Wat is de geschiedenis van de Charpy Impact Test?

De geschiedenis van de Charpy-impacttest gaat terug tot het begin van de 20e eeuw, toen deze werd ontwikkeld om materiaalfalen bij plotselinge impact beter te begrijpen. De Charpy-botsproef werd uitgevonden door George Augustin Albert Charpy in 1901. De test werd in het leven geroepen om te ontdekken waarom machines (stoomketels, stoommachines en militaire bewapening) voortijdig faalden. Charpy verbeterde de slingergebaseerde aanpak die voor het eerst werd ontwikkeld door S.B. Russel. Hij ontdekte dat het toevoegen van een inkeping aan het monster de nauwkeurigheid en gevoeligheid van de test hielp verbeteren. De test is vernoemd naar Charpy, omdat hij verantwoordelijk was voor verschillende standaardisatie-inspanningen en technische verbeteringen. 

Wat is het belang van de Charpy Impact Test?

Het belang van de Charpy Impact Test is dat deze waardevolle inzichten oplevert in het vermogen van het materiaal om plotselinge krachten of schokken te weerstaan. De test is noodzakelijk in de materiaaltechniek omdat deze helpt bij het bepalen van de taaiheid en betrouwbaarheid van materialen in omgevingen die onderhevig zijn aan snelle belasting of temperatuurschommelingen. Het begrijpen van de Charpy-slagsterkte van geprinte materialen zorgt ervoor dat geprinte onderdelen echte spanningen doorstaan ​​zonder te falen in 3D-printen. De test speelt een rol bij mechanisch ontwerp, waarbij materialen moeten worden gekozen vanwege hun vermogen om breuk onder onverwachte belastingen te weerstaan. Charpy-impacttests evalueren de kerftaaiheid, die het vermogen van een materiaal meet om weerstand te bieden aan scheurvoortplanting op de plaats van een kerf, waardoor het essentieel is voor het selecteren van materialen voor toepassingen waarbij falen tot catastrofale gevolgen leidt.

Hoe bereken je de Charpy-impacttest?

Om de Charpy Impact Test te berekenen, zijn er vier stappen die moeten worden gevolgd. Voer eerst de test uit door het Charpy-impacttestmonster op zijn plaats onder de slinger te bevestigen. Ten tweede laat u de slinger los en laat u deze het ingekeepte exemplaar raken. Ten derde:meet de hoogte van de slinger vóór en na de impact om te bepalen hoeveel energie er is geabsorbeerd. Gebruik ten slotte de Charpy-impacttestformule om de door het monster geabsorbeerde energie te berekenen, wat het verschil in potentiële energie is minus de energieverliezen als gevolg van wrijving en luchtweerstand. Dit wordt gedaan met behulp van de impacttestformule, die de massa van de slinger en het hoogteverschil omvat, waarbij rekening wordt gehouden met energieverliezen als gevolg van wrijving en windkracht.

Wat is de formule voor de Charpy Impact Test?

De formule voor de Charpy Impact Test wordt gebruikt om de energie te berekenen die door het monster wordt geabsorbeerd tijdens de impact. 
De impacttestformule wordt hieronder weergegeven.

E =mgΔh

E is de energie die door het monster wordt geabsorbeerd (in joules), m is de massa van de slinger (in kilogram), g is de versnelling als gevolg van de zwaartekracht (9,81 m/s²) en Δh is het hoogteverschil van de slinger voor en na de impact (in meters).

Een slinger met een massa van 1,5 kg zwaait bijvoorbeeld vanaf een hoogte van 2 meter en wordt na het raken van het exemplaar naar 1 meter verlaagd.

De formule wordt hieronder weergegeven.

E =1,5 ⋅ 9,81 ⋅ ( 2 - 1 )

E =1,5 ⋅ 9,81 ⋅ (1) =14,715 J

E =14,715 J

Het monster absorbeerde tijdens de impact 14,715 joule aan energie. De Charpy-impacttest bepaalt de geabsorbeerde energie, meestal uitgedrukt in Joules, terwijl de impactsterkte vaak wordt berekend als energie per oppervlakte-eenheid (J/cm2 of kJ/m2).

Wat is de eenheid voor een Charpy-impacttest?

De resultaten van de Charpy-impacttest worden gemeten in joule, de SI-eenheid voor energie. De eenheid is de hoeveelheid arbeid die wordt verricht wanneer een kracht van 1 Newton wordt uitgeoefend over een afstand van 1 meter. De waarde wordt gebruikt om de impactenergie in J/m2 te berekenen door de joulewaarde te delen door het dwarsdoorsnedeoppervlak van het monster bij de inkeping van het monster.

Wat zijn de stapsgewijze procedures voor Charpy-impacttests?

Hieronder vindt u de stapsgewijze procedures voor Charpy-impacttests.

1. Monstervoorbereiding :Begin met het snijden van het materiaalmonster in de vereiste afmetingen, een standaard rechthoekige vorm, en zorg ervoor dat het vrij is van oppervlaktedefecten.  Het monster moet in de testmachine worden geplaatst met de ingekerfde zijde weg van de slingerende slinger. Een goede voorbereiding van het monster is essentieel voor nauwkeurige resultaten bij de Charpy-testprocedure.
2. Inkepingsoriëntatie:De inkeping moet precies uitgelijnd zijn, omdat de locatie en oriëntatie de resultaten beïnvloeden. De inkeping wordt in het midden van het monster geplaatst en moet van de inslagrichting af gericht zijn. De juiste kerforiëntatie is essentieel voor het testen van de Charpy-impacttestprocedure van het materiaal.
3. Slinger slaat op :Laat de slinger los vanaf een bekende hoogte, zodat deze naar beneden zwaait om het ingekerfde exemplaar te raken. De kracht die tijdens de botsing op het monster wordt uitgeoefend, zorgt ervoor dat het breekt, en de hoogte van de slinger neemt dienovereenkomstig af. De stap maakt deel uit van de impacttestprocedure die wordt gebruikt om een plotselinge kracht op het materiaal te simuleren.
4. Energiemeting :Meet het hoogteverschil van de slinger voor en na het slaan van het preparaat na de inslag. De door het monster geabsorbeerde energie wordt berekend aan de hand van het hoogteverschil, de massa van de slinger en de zwaartekracht. Met deze stap wordt de Charpy-impacttestprocedure afgerond, waarbij de taaiheid en schokbestendigheid van het materiaal worden bepaald.

Welke machine wordt gebruikt bij Charpy-impacttests?

Om de slagsterkte van een monster te testen, wordt een Charpy-slagtestmachine gebruikt. De machine is relatief eenvoudig en werkt door een slinger in een monster te zwaaien om het te breken. De door het monster geabsorbeerde energie wordt afgelezen van een wijzerplaat op de machine. 

De machine is relatief eenvoudig en werkt door een slinger in een monster te zwaaien om het te breken. De door het monster geabsorbeerde energie wordt afgelezen van een wijzerplaat op de machine. 

Wat is de Charpy-impactteststandaard?

De Charpy-impacttestnorm wordt gedefinieerd door specifieke richtlijnen om consistentie en betrouwbaarheid in testprocedures te garanderen. De meest erkende normen zijn ASTM E23 en ASTM D6110. ASTM E23 is de standaard die wordt gebruikt voor het testen van metalen materialen en biedt de methoden voor het meten van de impacteigenschappen van metalen (voorbereiding van monsters, testprocedures en apparatuurvereisten). ASTM D6110 is van toepassing op kunststoffen en schetst de methoden voor het bepalen van de slagsterkte van polymeermaterialen met behulp van de Charpy-test. ASTM E23 en ASTM D6110 zijn essentieel om ervoor te zorgen dat de testresultaten nauwkeurig en vergelijkbaar zijn tussen verschillende materialen en testomstandigheden.

Wat is de temperatuur voor een Charpy Impact Test?

De temperatuur voor de Charpy-slagtesten bedraagt 23 °C. Deze tests worden echter bij veel temperatuurbereiken uitgevoerd om de overgangstemperatuur van ductiel naar bros materiaal in kaart te brengen.

Wat zijn de twee soorten Charpy-impacttestresultaten?

De twee soorten Charpy-impacttestresultaten worden hieronder vermeld.

1. Kwantitatieve resultaten :Kwantitatieve resultaten leveren meetbare gegevens op, uitgedrukt in joule, die de hoeveelheid energie weergeven die door het monster wordt geabsorbeerd tijdens de impact. De waarde wordt gebruikt om de charpy-slagsterkte van het materiaal en het vermogen om breuk onder spanning te weerstaan ​​te bepalen. Kwantitatieve resultaten helpen verschillende materialen te vergelijken op het gebied van taaiheid en slagvastheid.
2. Kwalitatieve resultaten :Kwalitatieve resultaten bieden inzicht in het gedrag van het materiaal, bijvoorbeeld of het op een brosse of ductiele manier breekt. Ze worden na het testen visueel bekeken en geven een beschrijving van het breukoppervlak (of het tekenen van plastische vervorming/laterale uitzetting vertoont of een kristallijn, vlak oppervlak). De Charpy-impacttestprocedure helpt bij het verkrijgen van soorten resultaten en biedt een volledig inzicht in de materiaalprestaties onder impact.

1. Kwantitatieve resultaten

Kwantitatieve resultaten zijn gegevens gebaseerd op numerieke waarden. De kwantitatieve gegevens zijn normaal gesproken de energie die wordt geabsorbeerd tijdens de breuk van het monster in de Charpy-impacttest. De ductiele-naar-brosse overgangstemperatuur (DBTT) wordt geschat door de meerdere monsters bij meerdere temperaturen te testen om te zien waar er een drastische toename is van de vereiste impactenergie.

De Charpy-impacttestformule wordt hieronder weergegeven.

E =mg (h₁ − h₂)

Charpy V-Notch-testen:waarom is dit belangrijk bij Charpy-tests?

Charpy V-Notch-testen zijn belangrijk omdat de V-vormige inkeping een gecontroleerde spanningsconcentratie creëert die de breuk dwingt om op een precieze locatie te beginnen, waardoor een nauwkeurige meting van de impacttaaiheid mogelijk is. De Charpy V-kerftest zorgt ervoor dat de energieabsorptie wordt geëvalueerd onder herhaalbare omstandigheden tijdens plotselinge belasting. Een V-notch-test laat zien hoe efficiënt een materiaal bestand is tegen bros falen bij blootstelling aan botsingen met hoge snelheid. Een kerftest standaardiseert het ontstaan ​​van scheuren, zodat de geabsorbeerde energiewaarden vergelijkbaar blijven tussen verschillende materiaalmonsters. De Angulo de Charpy definieert de exacte kerfhoek die de spanningsintensiteit regelt, wat een directe invloed heeft op de nauwkeurigheid en consistentie van de meting van de impacttaaiheid.

Charpy-impacttestdiagram:hoe wordt dit weergegeven?

Het Charpy-impacttestdiagram wordt weergegeven door de onderstaande stappen.

1. Presenteer de lay-out van het Charpy-impacttestdiagram . Een Charpy-impacttestdiagram toont een stijf steunframe met een slinger gemonteerd op een vaste hoogte boven het monster. Het ontwerp illustreert hoe potentiële zwaartekrachtenergie op het trefpunt wordt omgezet in impactenergie.
2. Toon het arrangement in een Charpy-testdiagram . Het Charpy-testdiagram toont het testmonster horizontaal rustend op twee aambeelden met een gedefinieerde overspanning tussen de steunen. De inkeping is naar de slinger gericht, zodat de breuk ontstaat bij de hoogste spanningsconcentratie tijdens de botsing.
3. Beeld de werking van een Charpy-impacttester . De illustratie van de Charpy-impacttester toont de slingerboog vanaf het loslaten tot het contact met het monster. Het verschil tussen de initiële en de rebound-hoogte vertegenwoordigt de energie die wordt geabsorbeerd tijdens de breuk.
4. Illustrateer de fase van energiemeting . De laatste diagramfase toont een mechanische schaal of digitaal display dat is aangesloten op de slingeras. Het gemeten energieverlies geeft direct de slagvastheid van het materiaal weer onder plotselinge belasting.

Wat zijn de factoren die een Charpy-impacttest beïnvloeden?

De factoren die van invloed zijn op een Charpy Impact Test worden hieronder vermeld.

• Opbrengststerkte :De rekgrens beïnvloedt de materiaalstijfheid, een hogere sterkte vermindert de vervorming voordat deze breekt.
• Inkeping :Inkepingen creëren spanningspunten, en groeven begeleiden breuken.
• Temperatuur :Temperatuur beïnvloedt het broze of ductiele gedrag, waardoor de energie verandert die nodig is om te breken. 
• Fractuurmechanisme :Het breukmechanisme laat zien hoe het materiaal scheidt bij impact, en weerspiegelt de weerstand van de interne structuur tegen krachten.

1. Opbrengststerkte

De vloeigrens van het materiaal neemt toe als de impactenergie afneemt. Materialen met een hogere vloeigrens hebben een lagere taaiheid. Materialen die plastisch vervormen voordat ze uiteindelijk bezwijken, worden als taaier beschouwd. Treksterkte en hogere rekgrens zijn factoren die van invloed zijn op een Charpy Impact Test, die een stijvere respons creëert die de hoeveelheid energie die wordt geabsorbeerd tijdens impact vermindert.

2. Inkeping

De inkeping introduceert een gecontroleerd spanningspunt dat het breukpad stuurt en de gemeten taaiheid beïnvloedt. Het monster met V-vormige kerf wordt gebruikt als het materiaal bros is, en een monster met U-vormige kerf wordt gebruikt als het materiaal taai is. Het monster met U-kerf heeft een hogere spanningsconcentratiefactor dan het monster met V-kerf. Opgemerkt moet worden dat de inkepingen precies hetzelfde moeten zijn om nauwkeurige resultaten te krijgen die vergelijkbaar zijn met eerdere tests.

3. Temperatuur

Temperatuur verandert het materiaalgedrag door de balans tussen brosse en ductiele reacties tijdens impactbelasting te verschuiven. De Charpy-impacttests worden doorgaans uitgevoerd bij 23 °C. Er worden echter hogere en lagere temperaturen gebruikt om een ​​curve uit te zetten die het overgangsgedrag van ductiel naar bros materiaal weergeeft. Hogere temperaturen verhogen de slagsterkte.

4. Breukmechanisme

Het breukmechanisme bepaalt hoe een materiaal onder plotselinge kracht scheidt en definieert de hoeveelheid energie die nodig is om de breuk te voltooien. De twee breukmechanismen zijn splitsing, wat gebruikelijk is bij brosse materialen, en coalescentie van microholtes, wat vaker voorkomt bij ductiele materialen. De materialen die breken via het splitsingsbreukmechanisme hebben een lagere impactenergie dan materialen die falen via coalescentie met microholtes. 

Is de Charpy Impact Test belangrijk bij 3D-printen?

Ja, de Charpy-impacttest is belangrijk bij 3D-printen. Door Charpy-impacttests uit te voeren op 3D-geprinte monsters kunnen ingenieurs de slagsterkte van verschillende 3D-printmaterialen bepalen, aangezien sommige technologieën onderdelen met anisotrope eigenschappen printen. Door monsters met verschillende printgeometrieën te testen, begrijpen ingenieurs hoe ze hun ontwerpen kunnen optimaliseren op het gebied van slagsterkte. De impacttest van Charpy is belangrijk bij 3D-printen omdat de methode duidelijk meet hoe een geprint materiaal energie absorbeert bij plotselinge belasting. Raadpleeg onze gids Alles wat u moet weten over 3D-printen voor meer informatie.

Bekijk onze verklarende woordenlijst van technische gegevensbladen voor meer informatie over verschillende materiaaleigenschappen.