Variation und Konsistenz des Elastizitätsmoduls von Stahl

Der mechanisch gemessene Elastizitätsmodul von Metallen ist durchweg niedriger als der physikalisch gemessene, insbesondere nach plastischer Dehnung. Außerdem ist das nominell elastische Be- und Entlastungsverhalten nicht linear, sondern weist eine erhebliche Krümmung und Hysterese auf. Zwar gibt es viele Berichte über diesen so genannten „Modul-Effekt“, doch ist nicht bekannt, wie konsistent das Verhalten bei verschiedenen Stahlsorten oder innerhalb einer einzigen Sorte ist, die mit unterschiedlichen Methoden und von verschiedenen Lieferanten hergestellt wird. Das heißt, es gibt nur wenige Informationen darüber, ob es für die Hersteller notwendig ist, den mechanischen Modul für jede einzelne Stahlrolle zu messen und zu kontrollieren, um genaue Simulationen, eine einheitliche Formgebung und ein zuverlässiges Verhalten im Betrieb zu gewährleisten. Um diese Fragen zu klären, wurden 12 Stähle (4 verschiedene Sorten: IF, HSLA, DP600, DP980; 3 Hersteller pro Sorte) hochpräzisen Modulmessungen mittels mechanischer Prüfung, Resonanzfrequenz-Dämpfungsanalyse und Ultraschall-Pulse-Echo-Techniken unterzogen. Alle diese Messungen zeigen eine bemerkenswerte Konsistenz nicht nur zwischen den Lieferanten, sondern auch zwischen den Sorten. Als primäre Determinante der Hysterese/Krümmung des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens wurde die Nennfließspannung der Legierung ermittelt. Andere Variationen des mechanischen Gesamtmoduls sind im Vergleich zur Hysterese/Krümmung von geringer Bedeutung. Es wurden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen: 1) es gibt keine signifikanten Unterschiede zwischen den Anbietern ein und derselben Stahlsorte, 2) es gibt nur sehr geringe Unterschiede zwischen den Stahlsorten, mit Ausnahme derjenigen, die auf unterschiedliche Festigkeiten zurückzuführen sind, 3) die mechanische Entlastung und Wiederbelastung nach Vordehnung sind ähnlich, 4) zyklische Be- und Entlastungszyklen haben keine akkumulierte Wirkung, außer durch eine geringfügige Änderung der Fließspannung, und 5) der anfängliche Be- oder Entlastungsmodul ist dem physikalischen Modul sehr ähnlich, aber die mechanisch gemessene Neigung verschlechtert sich sehr schnell, wenn die Be- oder Entlastung fortschreitet, und stagniert schon bei kleinen Dehnungen (<2%). Das gemessene Entlastungs- und Wiederbelastungsverhalten ist konsistenter und reproduzierbarer als das Verhalten bei der Erstbelastung, und das Entlastungsverhalten ist konsistenter und reproduzierbarer als das Wiederbelastungsverhalten. Daher wird empfohlen, die Entlastung nach der Vordehnung zu verwenden, um das gesamte nominell elastische nichtlineare Verhalten möglichst genau darzustellen.

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