Berstdruckversuche mit Gusseisen bei niedrigen Temperaturen

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Die im Labor von GP nachgewiesene Struktur des Hyt 60 zeigt einen sehr hohen Perlitanteil. Beim Vergleich anderer untersuchter Proben dieser Schmiedestahlqualität [1, 2 und 4] zeigt sich aber generell eine hohe Schwankungsbreite im Gefüge und der Bruchdehnung. Allerdings gibt der Hersteller für diesen Werkstoff auch keine garantierte Bruchdehnung im Werkstoffdatenblatt an.

Berstversuche bei Temperaturen von 22, –20 und –40 °C

Für die Berstversuche fanden sich bei der Maximator GmbH in Nordhausen die geeigneten Einrichtungen. Mit dem Ziel, 6000 bar als Berstdruck nicht zu überschreiten, und mangels einer genormten Prüfung oder eines Prüfkörpers für Berstversuche wurde in Anlehnung an die Zugfestigkeits-Berstdruck-Relation nach Boardman [5] und unter Berücksichtigung einer optimalen Probenaufnahme eine zylindrische Probenform mit 3 mm Wandstärke bei einem Durchmesser a=14 mm definiert (Bild 2).

Eine Seite der Probe wurde mit einer Kugel verschlossen. Die Druckeinleitung erfolgte über einen eingepressten Stahlkegel, wobei die notwendige Dichtkraft durch Überwurfmuttern erzeugt wurde. Geprüft wurde bei Temperaturen von 22, –20 und –40 °C. Ein Druckanstieg von 170 bar/s sollte eine statische Belastung simulieren. Der Vordruck von 1000 bar diente der Stabilisierung des Systems vor der eigentlichen Belastung.

Berstdrücke stellen Äquivalent zu Zugfestigkeiten dar

Alle drei Werkstoffe (GJS 400, Gopag, Schmiedestahl) zeigten unter den jeweiligen Prüftemperaturen ein unterschiedliches Berstverhalten. Während der Gopag C 500 F aufgrund des geringen Dehnbereiches oberhalb der Streckgrenze eine sehr geringe bleibende Verformung aufweist und platzt, weisen die traditionellen, ferritischen GJS- Werkstoffe eine bleibende Deformation vor dem Bersten auf. In Abhängigkeit von der Prüftemperatur verändert sich das Verhalten des Hyt 60 deutlich.

Wie auch in anderen Versuchen nachgewiesen [7], kommt es bei allen Werkstoffen zu einer geringen Veränderung der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur, die sich in der Deformation vor dem Bersten darstellt. Die GJS-400-Werkstoffe zeigen im Gegensatz zum Gopag und dem Hyt 60 (hier nur bei –40 °C) eine bleibende plastische Verformung. Die während der Versuche ermittelten Berstdrücke stellen erwartungsgemäß ein Äquivalent zu den vorab festgestellten Zugfestigkeiten dar. Bis auf den Gopag weisen alle Materialien einen leichten Anstieg der Drücke mit sinkender Temperatur auf (Bild 3).

Produkt aus Streckgrenzenverhältnis und Berstdruck ist relevant

In Auswertung der im zweiachsigen (flächigen) Spannungszustand ermittelten Berstdrücke stellte sich die Frage, inwieweit diese unmittelbar in Relation zu den Ergebnissen des Zugversuches mit einachsigem Spannungszustand gesehen werden können. Mithilfe einer Berechnung der Zugfestigkeit aus dem Berstdruck nach Boardman [5] ergab sich jedoch für die Gusswerkstoffe eine gute Übereinstimmung mit 17 bis 19 %. Der Stahl zeigte hier eine Abweichung von 30 %. Als eine wesentliche Ursache für die Abweichungen wurde die geringe Länge des Prüfrohres angesehen, da für alle Berechnungen mit den genannten Formeln ein unendlich langes Prüfrohr vorausgesetzt wird.

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