Breitenänderungsmessung. Zugversuch mittels Videoextensometer zur Bestimmung der senkrechten Anisotropie, r-wert

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1 Breitenänderungsmessung im Zugversuch mittels Videoextensometer zur Bestimmung der senkrechten Anisotropie, r-wert Johannes Aegerter, Stefan Keller, Torsten Schröter (1) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

2 Senkrechte Anisotropie r Die senkrechte Anisotropie beschreibt das Verhältnis der wahren (plastischen) Breitendehnung vs. wahren (plastischen) Dickendehnung: Vor der Verformung Nach der Verformung F r = b / a (1) Ll 0 o b 0 o olo bo a o Ll b a wahre pl. Längsdehnung l = ln wahre pl. Breitendehnung b = ln L Lo b bo Quelle: S. Keller, Hydro Aluminium Rolled Products GmbH F wahre pl. Dickendehnung a a = ln ao (2) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

3 Senkrechte Anisotropie r F r = b / a (1) Größere Verformung in der Breite L o l b o a o r = 1 Isotropes Material (gleiche Verformung in Breite und Dicke ( b = a ) Anfangsquerschnitt S o Größere Verformung in der Dicke F Quelle: S. Keller, Hydro Aluminium Rolled Products GmbH Zunehmende Dehnung (3) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

4 Senkrechte Anisotropie r Problem: Messung der Dickenabnahme Lösung: Volumenkonstanz: V = const. L o * b o * a o = L * b * a oder l + b + a = 0 (Gleichung gilt für Rechteckprobe bis zum Beginn der lokalen Einschnürung) r b a ln ln b b o a a o b ln bo b L ln o o b L (4) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

5 Bestimmung des r-wertes nach ISO Manuelle Verfahren: 1. Markieren der Anfangsmesslänge L o 2. Messen der Anfangsbreite b o der Probe 3. Aufbringen einer Kraft, um eine bestimmte Dehnung zu erzielen 4. Rücknahme der Kraft 5. Messen der Messlänge L und der Breite b 6. Berechnen des r-wertes entsprechend der folgenden Gleichung r b ln bo b L ln o b L o (5) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

6 Bestimmung des r-wertes nach ISO Automatische Methode: Automatische und kontinuierliche Messung der Breitenänderung und Längenänderung im Zugversuch Bild: Zwick GmbH Berechnung des r-wertes bei verschiedenen Dehnungen entsprechend vorheriger Gleichung (6) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

7 Bestimmung des r-wertes nach ISO Automatisiertes Verfahren: 1. Kontinuierliche automatische Messung der Längen- und Breitenänderung während des Versuchs 2. Berechnungen entsprechend vorgegebener Gleichungen auf Basis der gemessenen Daten 3. Spezifikation der Systeme für die Längen- und Breitenänderungsmessung: Klasse 1 nach ISO 9513 oder besser Vorteile des automatisierten Verfahrens: 1. Zugversuchskennwerte und r-wert in einem Versuch 2. Schneller, da manuelles Ausmessen der Probe nach dem Recken nicht notwendig ist 3. Einsatz von Handlingsystemen möglich 4. Anisotropiewerte für unterschiedliche Reckgrade aus einem Versuch (7) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

8 System für die Längen- und Breitenänderungsmessung Hier: System mit 4 Messebenen für die Breitenänderung Mögliche Probleme für die beschriebene r-wert-bestimmung: Längen- und Breitenänderungsmessung erfolgen über unterschiedliche Volumenelemente Probe rutscht zwischen den Messbolzen der einzelnen Messebenen durch Breitenänderungsaufnehmer muss mechanisch in der Mitte der Messlänge des Längenänderungsaufnehmers gehalten werden Bild: Hydro Aluminium Rolled Products GmbH, RDB (8) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

9 Werkstoff mit inhomogenem Fließen AA5182-H111: Spannung vs. Dehnung bzw. Breite vs. Dehnung , ,0 Spannung R [MPa] R p0,2 : 130,3 MPa R m : 276,7 MPa A g : 22,1 % Taktile Breitenänderungsmessung mit 4 Messebenen 19,5 19,0 18,5 Breite b [mm] 50 A 80mm : 24,0 % 18, Dehnung e [%] 17,5 (9) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

10 Zugprüfmaschine mit taktilem Dehnungsmesssystem und Videoextensometer für b-messung Videoextensometer für Breitenänderungsmessung Spiegel Bild: Hydro Aluminium Rolled Products GmbH, RDB Taktiles Dehnungsmesssystem für die Längsdehnung (unterer Fühler) (10) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

11 Werkstoff mit inhomogenem Fließen: AA5182-H111: Breite vs. Dehnung 19,30 19,25 20,2 19,20 20,0 19,8 Breite b in mm 19,15 19,10 19,6 19,05 Breite b in mm 19,4 19,2 19,0 18,8 18,6 18,4 Ebene 1 Ebene 2 Ebene 3 Ebene 4 Ebene 5 Ebene 6 Ebene 7 Ebene 8 Ebene 9 Ebene 10 19, Dehnung e in % 18, Dehnung e in % (11) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

12 Werkstoff mit inhomogenem Fließen: AA5182-H111: Spannung vs. Dehnung bzw. Breite vs. Dehnung , ,0 Spannung R [MPa] R p0,2 : 130,7 MPa R m : 278,6 MPa A g : 21,9 % A 80mm : 24,2 % Optische Breitenänderungsmessung mit 10 Messebenen Gemittelte Kurve aus 10 einzelnen Kurven 19,5 19,0 18,5 18,0 Breite b [mm] Dehnung e [%] 17,5 (12) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

13 Breitenänderungsmessung mittels Videoextensometer Vorteile: 1. Größere Anzahl an Messebenen 2. Messebenen über die gesamte Messlänge gleichmäßig verteilt 3. Messebenen wandern während des Versuchs mit, Probe rutscht nicht zwischen den Messbolzen der einzelnen Messebenen durch 4. Kein mechanisches Nachführen des Breitenänderungsmesssystems notwendig 5. Abspeicherung der einzelnen Messebenen möglich Zu beachtende Punkte: 1. Skalierung der Breite notwendig 2. Optische Verzerrungen vor allem im Randbereich des Sichtfeldes möglich (13) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

14 Skalierung der Breite mit rundem Referenzstab Ø 10 h7 Mögliche Probleme: 1. Optische Verzerrung führt zu ungenauen Breitenangaben in den einzelnen Ebenen Probe erscheint ggf. konisch 2. Unterschiedliche Einspannungen für den zylindrischen Referenzstab und die zu prüfenden Flachproben 3. Durchmesser des Referenzstabes weicht ggf. deutlich von der Probenbreite der zu prüfenden Flachprobe ab (14) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

15 Skalierung mit einem 20 mm breiten parallelen Streifen Lösungsansätze: 1. Optische Verzerrung: Mathematische Korrektur z. B. mittels Polynom 4. Gerades 2. Anpassung der Referenz an das zu prüfende Material hinsichtlich Geometrie und Abmessung: Referenz aus Flachmaterial, somit gleiche Einspannung für Skalierung und Prüfung 20 mm breiter Streifen bei 20 mm Probenbreite (15) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

16 Breitenänderungsmessung an einer Flachprobe Lösungsansätze: Sehr gute Übereinstimmung der Breitenwerte in den verschiedenen Ebenen durch mathematische Korrektur der Verzerrung sowie durch Skalierung an einem 20 mm Streifen (16) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

17 Mögliche Online-Überprüfung des Systems im Prüfbetrieb 1. Anfangsbreite b o jeder Probe wird vor der Prüfung taktil gemessen 2. Nach Aufbringen der Vorkraft, Ansetzen der Schneiden des Dehnungsaufnehmers und Erkennen der Messmarken werden Daten der 10 Messebenen hinsichtlich folgender Kriterien überprüft: Vergleich Mittelwert der 10 Ebenen mit taktil gemessener Anfangsbreite b o : taktile Messung richtig? Einstellung der Videokamera / Lichtverhältnisse o.k.? Vergleich Ebene 1 mit Ebene 10: Probenfertigung hinsichtlich Parallelität o.k.? Vergleich minimale und maximale Breite: Probenfertigung hinsichtlich Formtoleranzen o.k.? 3. Unterschiedliche Toleranzen für die verschiedenen Kriterien möglich 4. Werden alle Kriterien erfüllt, so wird die Prüfung fortgesetzt, andernfalls wird die Prüfung abgebrochen und der Anwender erhält einen entsprechenden Hinweis (17) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

18 Breitenänderungsmessung taktil vs. optisch Mittelwerte und Spannweite aus 5 Versuchen 1,40 1,30 1,20 1,10 r-wert 1,00 0,90 0,80 1,230 1,219 1,230 1,239 r2-20/ag-1% r8-12 0,70 Werkstoff: AA1050-O Prüfrichtung: 1050A-O / 90 Z250 zur / AWalzrichtung 80mm / 90 0,60 0,50 Taktile Breitenänderungsmessung Optische Breitenänderungsmessung (18) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

19 Breitenänderungsmessung taktil vs. optisch Mittelwerte und Spannweite aus 5 Versuchen 0,70 0,65 0,60 r-wert 0,55 0,680 0,679 0,673 0,676 r2-20/ag-1% r8-12 0,50 0,45 Werkstoff: 5182-O / AA5182-O Z250RED / A 80mm / 90 Prüfrichtung: 90 zur Walzrichtung 0,40 Taktile Breitenänderungsmessung Optische Breitenänderungsmessung (19) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

20 Zusammenfassung Die automatisierte Breitenänderungsmessung zur Bestimmung des r-wertes ist Stand der Technik und ist üblicherweise im Standardzugversuch integriert Die Anzahl der Messebenen bei der taktilen Breitenänderungsmessung ist oftmals auf eine kleine einstellige Zahl begrenzt, abgespeichert wird üblicherweise der Mittelwert Taktile Breitenänderungsaufnehmer sind in ihrer Mechanik recht empfindlich und störanfällig Die optische Breitenänderungsmessung mittels Videoextensometer erlaubt eine größere Anzahl an Messebenen, deren Werte separat abgespeichert werden können Alternative Konzepte für die Skalierung des Videoextensometers sind verfügbar (z. B. zur Korrektur der optischen Verzerrung) Die Kontrolle der Probenfertigung hinsichtlich Formtoleranzen und Parallelität in der Breite, der taktil gemessenen Anfangsbreite und der Einstellung des Videoextensometers können automatisiert in den Versuchsablauf integriert werden Die optisch gemessenen Breitenänderungen ergeben robustere r-werte mit geringeren Streuungen (20) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm

21 Hydro Aluminium Rolled Products GmbH Forschung & Entwicklung Bonn Johannes Aegerter Georg-von-Boeselager-Str Bonn T: +49 (0) F: +49 (0) E: (21) Johannes Aegerter 24. testxpo - Internationale Fachmesse für Prüftechnik Ulm