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Hochtemperatur Werkstoffprüfung - bei Zwick Roell

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Prüfen mit Verstand
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur
Werkstoffprüfung
Dr.-Ing. Erhard Reimann, Zwick GmbH & Co. KG
testXpo Ulm, Oktober 2014
Agenda
Einführung in die Hochtemperatur Werkstoffprüfung
HT Prüfsystem Konfiguration & Komponenten
Anwendungsbeispiele zu HT Prüfsystemen
Titel
Basics
derofPräsentation
high temperature
(Arial,testing
Größe 9, Farbe 119, 119, 119)
Veranstaltung,
IST 2011
falls relevant
2
Erstell-Datum (nicht automatisches Datum verwenden!)
01.09.2011
Name des Erstellers (nur
Mathias
bei internen
Paschek,
Präsentationen)
Markus Maier
Hochtemperatur Werkstoffprüfung
Das Ziel ist eine höhere Effizienz bei geringerem Energieverbrauch oder durch Gewichtsreduzierung zu erreichen.
Energieerzeugung
Dampfturbine
Gasturbine
Petrochem. Industrie
Aerospace
Druckventile
Triebwerke
Metall
Motorventile/-kolben
Automotive Industrie
Turbolader
Wärmetauscher
Triebwerke, Turbinen, Motoren und Pumpen:
Erhöhen der Betriebstemperatur oder des Betriebsdruckes um einen geringeren
Energieverbrauch oder Emmissionsausstoß zu erreichen.
Druckbehälter und Engineering Bauteile:
Verbessern der Werkstoffeigenschaften und/oder Betriebsdauer bei geringerer konservativen
Bauteilauslegung um eine Gewichtsreduktion zu erzielen.
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
3
Zwick, Ulm 2014
Hochtemperatur Werkstoffprüfung
Für die Effizienzsteigerung in den Werkstoffen ist die Kenntnis
der temperaturabhängigen Werkstoffkennwerten zwingend
erforderlich.
Höhere Effizienz
Verbesserte Werkstoffeigenschaften
Höherer Druck
höheren
mechanischen
Beanspruchung
Höhere Temperatur
höheren thermischen
Beanspruchung
Zeitstandverhalten (Kriechen, Dauerfestigkeit)
Zeitstandversuche
Zugfestigkeit, Dehngrenzen, E-Modul
Quasi-statische Prüfungen
Kostenreduktion
Geringeren
konservativen
Bauteilauslegung
Optimierten
Serviceintervallen
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
Lebensdauerabschätzung mit zykl. Beanspruchung
Ermüdungs- und Dauerschwingversuche
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Zwick, Ulm 2014
Hochtemperatur Werkstoffprüfung
Anforderung & Verwendung von Hochtemperatur Werkstoffen:
Anforderungen an die Werkstoffe
Verschleissfestigkeiten
erhöhte Zugfestigkeiten
Temperaturbeständigkeit
Typische Hochtemperatur-Werkstoffe
Eisen-Legierungen
Nickel- und Kobalt-Legierungen (Superlegierungen)
Titan-Legierungen
Keramik
Produkte mit Hochtemperatur Werkstoffen
Druckrohre, Druckventile, Hochtemperatur-Brennstoffzellen
Wärmetauscher, Brennkammer, Turbinenschaufel, Bremsscheibe
Motor- & Druck-Ventile (Fahr-/Flugzeuge, Kraftwerke, Raffinerien)
Dichtungen, Gleitlager
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Hochtemperatur Werkstoffprüfung
Übersicht über die verwendeten Werkstoffe, typische
Temperaturbereiche und Prüfbedingung sowie die zugehörige
Branche.
Material
-70°C?+250°C
?+350°C
?+600°C
>600°C
Inert gas
Vacuum /
Inert gas
Plastic
Composites
Metal
Metal
Nitride
Alloys
Composites
Aluminium
Composites
Composites
Carbide
Wolfram
Plastic
Ceramic
Graphite
Automotive
Automotive
Automotive
Automotive
Ceramic
R&D
Plastic
Plastic
Metal
Metal
R&D
Nuclear
Ceramic
Nuclear
Energy
R&D
Energy
Aerospace
Aerospace
Aerospace
Industry
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Agenda
Einführung in die Hochtemperatur Werkstoffprüfung
HT Prüfsystem Konfiguration & Komponenten
Anwendungsbeispiele zu HT Prüfsystemen
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Hochtemperatur Prüfsystem
Konfiguration eines Hochtemperatur Prüfsystems
Einhängeprobenhalter
Lastrahmen
Hochtemperatur-Gestänge
Hochtemperaturofen
HochtemperaturExtensometer
Hydraulische
Probenhalter für
Versuche unter
Raumtemperatur
Linearverschiebe- und
Schwenkeinheit für Hochtemperatur-Extensometer
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Hochtemperatur - Prüfeinrichtung
Die Hochtemperatur Prüfeinrichtung ist modular ausgebaut um
unterschiedliche Probengrößen ohne Umrüstung zu prüfen.
Höhe ca.
1000 mm
Einhängeprobenhalter
Hochtemperatur Lastgestänge
Hochtemperatur-Probenhalter
Gewindekopfprobe
Hochtemperaturofen
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Zwick 3-Kanal Temperaturregler
Die intelligenten Regelungs-Algorithmen minimieren die Regler
Parametrisierung und stellen eine normkonforme Probentemperatur ohne Überschwingen sicher.
Automatische
Parametrisierung des
3-Kanal Reglers für
Probentemperaturen
von 100°C bis 1200°C
Zeitvorteil und
Probeneinsparung, da
aufwendige empirische
Ermittlung der Regler
Parameter entfällt
Erfüllt die
Temperaturtoleranz
gemäß ISO 204 und
ASTM E 139
Screenshots vorläufig
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
2 – 16
Zwick, Ulm 2014
Messung der Probentemperatur
Die Probentemperatur wird mit Thermoelemente direkt und
zuverlässig an der Probe gemessen.
TC-Halterungn
•
Direkte und zuverlässige Messung
der Probentemperatur durch axial
verschiebbare und federnd
gelagerte Thermoelementen
•
Einfach verstellbar für Proben
unterschiedlicher Größe
Neu:
Einfache Verstellung für
unterschiedliche Probengrößen
(10mm < L0 < 50mm)
L0
Alternative: gebundene TCs
Innenansicht
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
testXpert® II Option 374050
Die Temperaturkurven - auch während des Aufheizen und des
Haltens - werden in testXpert® II aufgezeichnet und gespeichert.
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
HT laserXtens extensometer
Der laserXtens wird für die berührungslose Dehnungsmessung
in der Hochtemperaturprüfung (HT) bis 1200°C eingesetzt.
Grünes Laserlicht (Wellenlänge 632 nm)
und Interferenzfilter liefern den besten
Kontrast auf der rot-glühenden Probe
Telezentrische Objektive kompensieren die
out-of-plane bedingten Fehler
Hochtemperaturtunnel minimiert die
Luftkonvektion und gewährleistet dadurch
ein stabiles und rauscharmes Meßsignal
Berührungslose Dehnungsmessung
verhindert Messfehler bedingt durch, z.B.
ungenügendem Probenkontakt oder
Beeinflussung der Probe
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Hochtemperatur Produktportfolio I
Das Portfolio von Zwick deckt die Hochtemperatur-Prüfung bis
1600°C ab.
Hochtemperatur-Öfen
Temperaturbereich:
200°CN 1250°C
800°CN1600°C
Kurzofen 200°CN1400°C
HT Probenhalter für Zugprüfung ≤ 1250°C
für Gewindekopf Rundproben(M3 to M20)
für Flachproben mit Bohrung in Schulter
für formschlüssige Flachproben
3-/4-Punkt Biegeeinrichtung & Druckeinrichtung
für ≤ 1600°C
Modulare SiC Werkzeuge
Modulare Al2O3 Druckrohre
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Hochtemperatur Produktportfolio II
Das Portfolio von Zwick deckt die Hochtemperatur-Prüfung bis
1600°C ab.
HT Extensometer für Zugprüfung ≤ 1250°C
Lo einstellbar (M3 to M20)
für Rundproben
für Flachproben
laserXtens mit HT Option, ≤ 1200°C
berührungsloses Extensometer, L0 motorisch einstellbar
Telezentrische Objektive (kompensieren out-of-plane Fehler)
Grüner Laser, grüner Interferenz
HT Tunnel mit Glasscheibe (auf Ofenschlitz)
HT Extensometer für Druckprüfung & Biegeprüfung ≤ 1600°C
1 Extensometer
Modulare SiC Werkzeuge
Modular Al2O3 Fühlerarme
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Agenda
Einführung in die Hochtemperatur Werkstoffprüfung
HT Prüfsystem Konfiguration & Komponenten
Anwendungsbeispiele zu HT Prüfsystemen
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Anwendungsbeispiel
Hochtemperatur-Zugprüfung an Rundproben von M8 bis M16,
ausgestattet mit 3-Zonen Ofen und Extensometer.
Hochtemperatur-Zugprüfung an Rundproben mit
Gewindekopf M8 bis M16
Hochtemperatur 3-Zonen Ofen bis 1000°C für homogene
Temperaturverteilung
Einhängeprobenhalter, Lastzuggestänge und
Hochtemperatur-Adapter für M8 bis M16 Gewindekopfproben
100 kN Allround MPM mit einfacher Bedienung und
Ausrichtung des Laststrangs. Die Hochtemperatur-Adapter
haben ein identisches Einbaumaß für die Probengrößen.
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Anwendungsbeispiel
Zugprüfung an Rundproben bei Hochtemperatur und Raumtemperatur, ausgestattet mit Ofen & hydraulischen Probenhalter.
Zugprüfung bei erhöhter Temperatur und Raumtemperatur
an Rundproben aus Metall (mit Gewindekopf)
Hochtemperatur 3-Zonen Ofen bis 1250°C
Einhängeprobenhalter, Lastzuggestänge und
Hochtemperatur Laststrang wird über Schiebersystem an
den hydraulischen Porbenhalter angekoppelt
Hydraulische Probenhalter für Raumtemperatur-Prüfung
Hochtemperatur-Extensometer mit optischer
Signalanzeige bei Probenkontakt der Messfühlern
Probentemperatur entlang von L0 wird mit 3
Thermoelementen gemessen (Abstand entsprechend L0
einstellbar)
100 kN Allround MPM mit drehbar gelagertem Ofen und
drehbar gelagertem Extensometer für einfaches Handling
Vollständigen Heizprofile (Temperaturkurven) werden in
testXpert aufgezeichnet.
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Anwendungsbeispiel (I/II)
Komplexe Anforderungen zur Prüfung bei hohen, tiefen und Umgebungstemperatur, vollständig umgesetzt in 1 Prüfmaschine.
Zugprüfung von verschiedenen Werkstoffen bei flexiblem
Temperaturbereich mit geringem Umrüstaufwand
Hydraulischer Probenhalter für Prüfung bei Raumtemperatur
Ofen für Prüfung bei erhöhter Temperatur
Temperierkammer -für Prüfung bei -70°C N 250°C
Berührungsloser laserXtens extensometer für alle T-Bereiche
Durch die hohe Modularität der 100 kN Allround MPM
werden alle Anforderungen abgedeckt bei geringem
Umrüstaufwand
laserXtens & HT Ofen in
Prüfposition
laserXtens Extensometer
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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HT Ofen
Temperierkammer
Zwick, Ulm 2014
Anwendungsbeispiel (II/II)
Komplexe Anforderungen zur Prüfung von -70°C bis 1250°C,
vollständig umgesetzt in 1 Prüfmaschine.
Einfaches Handling der Temperaturkomponenten:
laserXtens & HT Ofen sind in den Prüfraum ein- und
ausgeschwenkbar
laserXtens & HT Ofen sind einfach und präzise
höhenverstellbar
Temperierkammer ist reproduzierbar in Prüfposition ein- und
ausschiebbar, Endanschläge gewährleisten reproduzierbare
Rastpositionen
Frontansicht – Temperierkammer in Prüfposition
Frontansicht - laserXtens
& HT Ofen in Prüfposition
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Rückansicht – Temperierkammer und Ofen,
jeweils aus dem Prüfraum ausgeschwenkt
Zwick, Ulm 2014
Anwendungsbeispiel
Hochtemperatur-Prüfsystem zur Rohrprüfung mit 3 Öfen in
einem Karussell gewährleistet einen hohen Probendurchsatz
Zugprüfung an Edelstahlrohren bei erhöhter & Raumtemp.
Drehbares Karussell mit 3 Öfen bis 1200°C zur Prüfung.
Aufheizen und Abkühlen erfolgt im ausgeschwenktem Zustand.
Rohre werden direkt mit hydraulischen Probenhalter geklemmt
(Raumtemperatur & HT Prüfung)
laserXtens HP mit Hochtemperaturpaket
250 kN Allround tCII MPM mit Karussell gewährleistet einen
hohen Probendurchsatz
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Anwendungsbeispiel
Hochtemperatur Biegeprüfung an Metalllegierungen mit einem
1-Zonen Ofen bis 1600°C und 3-/4-Punkte Biegeinrichtung.
3-/4-Punkt Biegeprüfung bei erhöhter Temperatur mit
berührendem Extensometer
Hochtemperatur 1-Zonen Ofen bis 1600°C wegen
geringer Probendimension
Hochtemperatur Extensometer mit Wasserkühlung
(Elektronik)
3-/4-Points Biegeeinrichtung bis 1600°C
30 kN Allround MPM
Deckt den geforderten Kraftbereich leicht ab und
Die Prüfraumhöhe ist flexibel auf den Bediener
anpassbar durch die höhenverstellbaren
Standprofile
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Zwick, Ulm 2014
Anwendungsbeispiel
Hochtemperatur-Prüfsystem mit Ofen bei Prüfung in mäßigem
Vakuum unter Schutzgasspülung (I/II).
Zug- und Biegeprüfung bei erhöhter Temperatur unter
Verwendung von Schutzgas.
Bestimmung von wahrer Spannung und wahrer Dehnung.
Hochtemperatur Ofen bis 1250°C in Vakuumkammer
integriert
2 Extensometer with einstellbarer L0, Probenhalter und
Werkzeuge, alles für Zug- und Biegeprüfung im Vakuum
(bis 10-5 bar) unter Schutzgas
Vakuumpumpe und Schutzgasspülung
Kraftaufnehmer ist auf der Vakuumseite integriert
100 kN Allround MPM mit reduzierter Höhe für beste
Nutzung des Arbeitsraums und einfachem
Werkzeugwechsel für die spezifische Anwendung
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
23
Zwick, Ulm 2014
Anwendungsbeispiel
Hochtemperatur-Prüfsystem mit Ofen bei Prüfung in mäßigem
Vakuum unter Schutzgasspülung (II/II).
Abgedichtetes Lastgestänge oberhalb & unterhalb der
Vakuumkammer (Kraftaufnehme ist vakuumseitig)
Innenansicht der offene Vakuumkammer mit 3-Zonen Ofen
Messfühler
Extensometer
Adapter für Zugprüfung an Rundproben
(links) und Flachproben (rechts).
Mitte: Messfühler des Extensometer
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Werkzeug für
Biegeprüfung
Zwick, Ulm 2014
Anwendungsbeispiel
Hochtemperatur Prüfung von Keramik mit Induktionsheizung
und berührungslosem Extensometer
Keramikprobe
Suszeptor
Zugversuch an Flachproben aus Keramik bis 1200°C mit
Heizrampen von 5 K/s bis 100K/s und homogener
Temperatur-verteilung
Induktive Beheizung über einen Suszeptor, da die Keramik
selbst nicht induktiv erwärmbar ist.
LaserXtens Extensometer mit telezentrischen Objektiven
Sprödbruch (geringe Dehnung & Delamination der Keramik)
100 kN Allround tCII MPM mit Aufzeichnung der Temperaturkurven und präziser berührungsloser Dehnungsmessung
L0 = 48mm
∆T << 20K
at 1200°C
Bohrung für LaserXtens
(Dehnungsmessung)
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
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Bohrungen für Pyrometer
(Temperaturmessung)
Zwick, Ulm 2014
Anwendungsbeispiel
Hochtemperatur Prüfung von Refraktärmetallen mit induktiver
Beheizung im Vakuum mit Schutzgasspülung.
Druck- und Biegeprüfung von kohlenstoffhaltigen Refraktärmetallen
bis 1500°C mit hohen Heizrampen. Wegen Kohlenstoff ist eine
Hochvakuumkammer (<10-6 bar) mit Schutzgasspülung notwendig.
Berührender Extensometer mit Wasserkühlung
Druck- und Biegewerkzeuge bis 1500°C
20 kN Allround tCII MTM und Werkzeuge für
Präzise Steuerung/Regelung der Prüfbedingungen
(Temperatur, Vakuum, Gasvolumenstrom, Prüfkraft)
Flexibilityät von testXpert (bzgl. Auswertungen)
Ceramic
specimen
Suceptor
Setup für
Druckprüfung
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
Hochtemperatur
Druckprüfung
26
Hochtemperatur
Biegeprüfung
Zwick, Ulm 2014
Kunden von Hochtemperatur Prüfsystemen
Namhafte Kunden vertrauen auf Hochtemperatur Prüfsysteme
der Zwick Roell Gruppe.
Anwendungsbeispiele zur Hochtemperatur Werkstoffprüfung
27
Zwick, Ulm 2014
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