Small Punch Test

Animation eines Small Punch TestsDer Small Punch Test ist ein miniaturiertes Werkstoffprüfverfahren, bei dem scheibenförmige Proben (∅8 x 0.5 mm) bis zum Versagen belastet werden. Die Probe wird zwischen der Matrize (mit z. B. Bohrungsdurchmesser d = 4 mm und Kantenradius r = 0,5 mm) und dem Niederhalter geklemmt und zentrisch durch den Stempel (mit z. B. einem Kugelkopf Radius R = 1,25 mm) deformiert. Die geringe Größe der SPT-Proben gestattet eine minimal invasive Probennahme aus größeren Strukturen, wie z. B. bereits geprüften Zug- oder Bruchmechanikproben. Die kompakte Prüfeinrichtung kann problemlos in Temperiereinrichtungen eingebaut werden. Das experimentelle Ergebnis des SPT ist eine Kraft-Weg-Kurve, die Informationen über die Verformungs- und Festigkeitseigenschaften des Probenaterials beinhaltet.

Versuchsvarianten

CDR-SPTCDR-SPT:

CDR steht für Constant Deflection Rate (konstante Durchbeigungsrate). Diese Versuchsvariante ist das Pendant zum klassischen Zugversuch und wird vorzugsweise zur Bestimmung von Festigkeit, Spannungs-Dehnungskurven und schädigungsmechanischen Eigenschaften von duktilen metallischen Werkstoffen angewendet.

CF-SPTCF-SPT:

CF steht für Constant Force (konstante Kraft). Diese Versuchsvariante ist das Pendant zum Zeitstands- bzw. Kriechversuch und wird vorzugsweise bei hohen Temperaturen zur Bestimmungen der viskoplastischen Eigenschaften von metallischen Werkstoffen angewendet.

CD-SPTCD-SPT:

CD steht für Constant Deflection (konstante Durchbiegung). Diese Versuchsvariante entspricht einem Relaxationsversuch, bei dem der Werkstoff in relativ kurzer Zeit Werkstoff verformt wird, worauf sich eine Relaxationsphase folgt, in der Spannungen durch Umlagerung von Versetzungen abgebaut werden. Diese Variant läßt sich auch für die Bestimmung von viskoplastischen Materialeigenschaften anwenden, mit dem Vorteil, dass größerer Spannungsbereich in einem Versuch untersucht werden kann.

Vergleich von Belastungskurven für verschiedene WerkstoffeVergleich von Kraft-Durchbiegungs-Kurven für verschiedene Werkstoffe. Höhere Maximallasten korrelieren mit einer höheren Zugfestigkeit, größere Durchbiegungen beim Materialversagen mit einer höheren Duktilität. Detailierte Informationen über das Materialverhalten erhält man, wenn man begleitende Finite-Element-Simulationen des Versuchs durchführt, wobei für den Werkstoff passende Materialgesetze angewendet werden. Die Parameter für die Materialgesetze müssen mit Optimierungsmethoden identifiziert werden.

Parameteridentifikation

Identifikationsstrategie für SPT

Versuchseinrichtungen

SPT Prüfstand mit Temperiereinrichtung

SPT-Prüfstand mit Temperiereinrichtung (max. 1000°C) am Institut für Mechanik und Fluiddynamik. Die Apparatur ist in einen 10kN Prüfrahmen von Hegewald & Peschke eingebaut.

 

 

 

 

 

SPT KriechversuchstandSPT-Universalprüfstand am Institut für Mechanik und Fluiddynamik. Dieser Prüfstand wird vorwiegend für CF-SPT Versuche (Kriechen) verwendet, kann aber auch mit Hilfe des elektro-mechanischen Prüfzylinders für weg- bzw. geschwindigkeitsgesteuerte Versuche verwendet werden.

Publikationen

  • Abendroth, M., FEM analysis of small punch tests, (2017) Key Engineering Materials, 734 KEM, pp. 23-36. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.734.23
  • Selent, M., Abendroth, M., Kuna, M., Experimental and Numerical Investigations on the Creep Behaviour of Heat-Resisting Chromium Steel X10CrMoVnb9-1 by Means of Small Punch Test, (2016) Transactions of the Indian Institute of Metals, 69 (2), pp. 629-633. DOI: 10.1007/s12666-015-0797-0
  • Soltysiak, S., Selent, M., Roth, S., Abendroth, M., Hoffmann, M., Biermann, H., Kuna, M., High-temperature small punch test for mechanical characterization of a nickel-base super alloy, (2014) Materials Science and Engineering A, 613, pp. 259-263. DOI: 10.1016/j.msea.2014.06.105
  • Soltysiak, S., Abendroth, M., Kuna, M., Klemm, Y., Biermann, H., Strength of fine grained carbon-bonded alumina (Al2O 3-C) materials obtained by means of the small punch test, (2014) Ceramics International, 40 (7 PART A), pp. 9555-9561. DOI: 10.1016/j.ceramint.2014.02.030
  • Abendroth, M., Kuna, M., Identification of ductile damage and fracture parameters from the small punch test using neural networks, (2006) Engineering Fracture Mechanics, 73 (6), pp. 710-725. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2005.10.007
  • Kuna, M., Abendroth, M., Testing of ductile materials by the small-punch-test - Determination and transfer of damage parameters [Prüfung duktiler Werkstoffe mit dem Small-Punch-Test - Bestimmung und übertragung schädigungsmechanischer Parameter], (2005) Materialpruefung/Materials Testing, 47 (1-2), pp. 45-54.
  • Abendroth, M., Kuna, M., Determination of ductile material properties by means of the small punch test and neural networks, (2004) Advanced Engineering Materials, 6 (7), pp. 536-540+468. DOI: 10.1002/adem.200400405
  • Abendroth, M., Kuna, M., Determination of deformation and failure properties of ductile materials by means of the small punch test and neural networks, (2003) Computational Materials Science, 28 (3-4 SPEC. ISS.), pp. 633-644. DOI: 10.1016/j.commatsci.2003.08.031