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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Bruchverhaltens von Probekörpern, insbesondere zur Erzeugung von Ermüdungsanrissen und zur Bestimmung von Ermüdungsrissausbrei- tungsraten, Anriss- und Lebensdauerlastspielzahlen, gemäss in welchem eine ruhend eingespannte, ungekerbte oder gekerbte Probe einer Wechselbeanspruchung ausgesetzt und gegebenenfalls im
Bereich der Kerbe die Risseinleitung und/oder der Rissfortschritt mit Hilfe einer Risslängenmessung bestimmt wird.
Verfahren und dazugehörende Einrichtungen der genannten Art für verschiedene Beanspru- chungsarten sind in der Literatur (D. Munz, K. Schwalbe, P. Mayer"Dauerschwingverhalten metalli- scher Werkstoffe", Band 3, Vieweg, 1971 ; G. Jacoby,"Fatigue Testing Machines", Schenck-Publikation
PAP-PT 10/1, 1979) beschrieben.
Bei den meisten Beanspruchungsarten und Prüfkörperformen gestalten sich die Verfahren zur Prüfung des Rissverhaltens kompliziert und erfordern daher häufig technisch aufwendige
Einrichtungen, so dass diese meist sehr teuer in der Anschaffung, im Betrieb und in der Wartung sind.
Wechselnde Biegekräfte kommen in der Praxis häufig vor und sind daher vielfach die
Ursache von Rissinitierungen und Rissausbreitung, die dann zum Bruch des Bauteiles führen.
Es genügen bereits kleine Kräfte, um grosse Biegespannungen in Randschichten auszulösen. Diese inhomogene Spannungs-Dehnungsverteilung, sowie der Grösseneinfluss der Probekörper sind von technischem Interesse. Besonders häufig werden Wellen von Maschinen und Anlagen durch wechseln- de Biegekräfte - meist Umlaufbiegung - beansprucht, denen noch eine konstante oder wechselnde
Torsionsbeanspruchung der Welle überlagert sein kann. Zur Prüfung des Bruchverhaltens von
Bauteilen mit gleichen oder ähnlichen Belastungen, fehlt es im Bereich der Werkstoffprüfung an einfachen Verfahren und den dazugehörenden Einrichtungen. Besonders bedeutend ist die
Forderung nach einer möglichst grossen Flexibilität in der Probenform und Probengrösse.
Zwar sind in der älteren Literatur (E. Siebel, Band I "Prüfmaschinen und Sondereinrichtun- gen", Springer Verlag 1956 ; Lueger Lexikon der Technik, Band 3, "Werkstoffe und Werkstoffprü- fung", Deut. Verlagsanstalt Stuttgart 1961) verschiedene Verfahren und Einrichtungen bezüglich einer Biegewechselbeanspruchung angeführt. Es handelt sich dort meist um Umlaufbiegemaschinen, wie sie zuerst von A. Wöhler verwendet wurden. Fast alle bisher angewendeten Verfahren bei
Umlaufbiegeprüfungen zeichnen sich durch eine umlaufende Probe aus, die durch verschiedene Be- lastungsarten beansprucht werden.
In der DE-OS 3204472 (Frauenhofer Gesellschaft) wird eine
Belastungsvorrichtung beschrieben, die sich dadurch auszeichnet, dass zur Entkopplung der Belastung vom Eigengewicht des Belastungslagers die Kraft, die das Belastungsbiegemoment erzeugt, nicht wie bei vielen andern Maschinen in einer senkrechten sondern in einer waagrechten durch die Drehachse verlaufenden Ebene an den Belastungslagern angreift.
Verfahren mit umlaufender Probe und dazugehörende Belastungseinrichtungen fanden bisher auf Grund der einfachen technischen Konstruktion häufig Anwendung in der Werkstoffprüfung.
Für Versuche bei hohen Temperaturen werden in der oben genannten Literatur Einrichtungen genannt, die eine ruhende Probe vorsehen, an deren freiem Ende durch Hängegewichte eine umlaufende Biegekraft erzeugt und übertragen wird.
Alle im Schrifttum veröffentlichten Verfahren und Vorrichtungen wurden bisher ausschliesslich zur Bestimmung der Gesamtlebensdauer der Probe angewendet, da dies keine Risstiefenmessungen erforderte. Eine Bestimmung der Rissinitierung durch optische Beobachtung der Probenoberfläche wurde sehr selten durchgeführt, da dieses Verfahren sehr zeitaufwendig, personal- und daher kostenintensiv war. Die optische Bestimmung des Rissfortschrittes an Rundproben mit umlaufendem Riss ist nicht möglich, da die Rissfront völlig im Inneren der Probe verläuft.
Bei den bisher bekannten Verfahren und Einrichtungen war eine halb-oder vollautomatische Bestimmung der Rissinitierung oder der Rissfortschrittsraten, sowie der Erzeugung von Ermüdungsrissen mit definierter Länge nicht möglich, da keine Risstiefenmessung (Risslängenmessung) auf einfache Weise an der Probe vorgenommen werden konnte. Eine vollautomatische Prüfung mit Hilfe eines Prozessrechners wäre für Serienuntersuchungen und Qualitätskontrollen sehr wichtig.
Ziel der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile der bisher bekannten Verfahren und Einrichtungen zu beseitigen, also ein einfaches, kostengünstiges, energiesparendes und
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leicht durchführbares Verfahren zu realisieren. Dieses Ziel wird durch die Erfindung dadurch erreicht, dass die Probe in an sich bekannter Weise einseitig eingespannt und an ihrem freien
Ende einer umlaufenden Auslenkkraft unterworfen wird, sowie dass sie gegebenenfalls zusätzlich auf Torsion beansprucht wird.
Die Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich :
Das Anbringen einer Risstiefenmesseinrichtung ist auf Grund der ruhenden Probe sehr einfach.
Zum Beispiel bei der Potentialdifferenzmethode (für elektrisch leitende Werkstoffe) können nun
Stromklemmen auf einfache Weise an die ruhende Probe angeschraubt bzw. die Potentialklemmen kontaktiert (durch Schrauben oder Schweissen) werden. Durch Anbringen mehrerer Potentialklemmen am Umfang der Probe lässt sich der Ort der Rissinitierung exakt messtechnisch erfassen, ohne dabei den Beanspruchungsvorgang zu unterbrechen. Ebenso können unsymmetrische Rissausbreitungen in der Probe während der Beanspruchung (und ohne Zerstörung der Probe) erfasst werden, um gezielte Gegenmassnahmen einleiten zu können.
Zur Risstiefenmessung kann auch die Compliance-Methode angewendet werden, d. h. durch ein oder mehrere Rissöffnungsmesser am Umfang der ruhende Probe werden die Rissöffnungen gemessen. Dieses Verfahren kann sowohl bei elektrisch leitenden also auch elektrisch nichtleitenden
Werkstoffen angewendet werden.
Eine konstante oder wechselnde Torsionsbeanspruchung kann nun am einfachsten und tech- nisch leichter realisierbar durch das Anbringen einer radförmigen oder hebelförmigen Einrichtung auf die Probe übertragen werden, da diese nun während der Umlaufbiegebeanspruchung keine
Rotation durchführt.
Das erfindungsgemässe Verfahren (und dazugehörige Einrichtungen) eignet sich besonders für die im folgenden genannten Anwendungszwecke bei Prüftemperaturen im Bereich von LHe (4, 2 K) bis zu hohen Temperaturen, sowie für Prüfungen mit korrodierenden Medien (z. B. Korro- sionsermüdung, Korrosionsermüdungsrissausbreitung).
(a) Herstellung von Ermüdungsrissen bestimmter Länge (Tiefe) in Probekörpern für bruohme- chanische Untersuchungen :
Zur Herstellung solcher Anrisse ist es vorteilhaft, das erfindungsgemässe Verfahren und die dazugehörigen Einrichtungen so einzusetzen, dass während der ganzen Beanspruchungszeit die von der Auslenkkraft hervorgerufene Auslenkung konstant bleibt ("Compliance gesteuertes Verfahren"). Eine Torsionsbeanspruchung wird im allgemeinen in diesen Fällen nicht überlagert.
Unsymmetrische Anrisse können während der Beanspruchung der Probe korrigiert werden, durch eine Verschiebung der festen, ruhenden Halterung (Probeneinspannvorrichtung) in jene Ebene, die senkrecht zur Probenachse verläuft. Durch eine solche Verschiebung fluchten die Halterung und das Antriebsrad nicht mehr genau.
Dieser Art angerissener Proben (mit umlaufendem Ermüdungsriss) werden benötigt bei allen Werkstoffarten für die Bruchzähigkeitsbestimmung bei Modus III Beanspruchung (K IIIC) und zur Untersuchung der Spannungsrisskorrosion bei reiner Zug, reiner Torsions- oder kombinierter Beanspruchungsart. Nach neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen dürften auf diese Art angerissene Probekörper für die Bestimmung der Bruchzähigkeit mit elastoplastischen Methoden (JIC oder J IIIC) bzw. der kritischen Rissöffnungsverschiebung (CTODk itish) bei duktilen Werkstoffen in Modus I und/oder Modus III Beanspruchung interessant sein.
(b) Bestimmung der Anriss- und Lebensdauerspielzahlen sowie zur Untersuchung von Bruch- moden bei verschiedenen Belastungen.
Zur Simulation von verschiedenen Belastungsarten wird die Erfindung sowohl mit und ohne überlagerter Torsionsbeanspruchung eingesetzt. Es ist von besonderem Vorteil, wenn die Bestimmung des Bruchverhaltens von Probekörpern mit (i) konstanter umlaufender Auslenkkraft während der ganzen Beanspruchungszeit erfolgen kann oder (ii) mit konstanter Auslenkung, die von der Auslenkkraft hervorgerufen wird, durch- geführt werden kann. Beide Arten der Versuchsführung sind für die praxisnahe
Prüfung von grosser Bedeutung.
(c) Bestimmung von Rissfortschrittsraten.
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Nach erfolgtem Abriss einer Probe verlängert sich der Ermüdungsriss bei jedem Umlauf der Auslenkkraft. Diese Verlängerung kann mit dem erfindungsgemässen Verfahren gemessen werden.
Wird zusätzlich das wirksame Biegemoment an der Probe ermittelt, so besteht die Möglichkeit auf diese einfache Weise Rissausbreitungskurven bei Umlaufbiegebeanspruchungen und eventuell überlagerter Torsionsbeanspruchung zu messen.
Eine Erfassung des Biegemomentes kann auf folgende Weise erfolgen :
Rechnerisch, wenn die umlaufende konstante Auslenkkraft, die geometrischen Abemssungen der Probe, die Geometrie der Einspannung und die mechanischen Eigenschaften des Probema- terials bekannt sind.
Messtechnisch, wenn z. B. die feste ruhende Halterung der Probe so ausgeführt wurde, dass durch dort angebrachte Dehnmessstreifen über eine entsprechende Eichung die wirkenden
Kräfte an der Kerbe bzw. am Riss bestimmt werden können.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Beispiels näher erläutert.
Die Probe --1--, die mit einer Kerbe --2-- versehen ist, wird in eine feste, ruhende Halte- rung --3-- eingespannt, u. zw. derart, dass sich die Kerbe --2-- in unmittelbarer Nähe der Halterung --3-- befindet. Auf das freie Ende --4-- der Probe --1-- wird ein Pendellager --5-montiert. Die äussere Lagerschale des Lagers --5-- ist in einem Schlitten --6-- befestigt. Der Schlitten --6-- kann in vertikaler Richtung verschoben werden. Der Schlitten --6-- ist über eine mechanisch stabile Führung z. B. eine Schwalbenschwanzführung am Antriebsrad --7--, dessen Rotationsachse mit der Achse der Bohrung zur Aufnahme der Probe-l-fluchtet, befestigt.
Der Schlitten --6-- auf dem Antriebsrad --7-- wird soweit verschoben, bis die gewünschte Auslenkung bzw. Auslenkkraft erreicht ist und dann z. B. mit einer Schraubverbindung --8-festgeklemmt. Es bleibt daher während der Umlaufbiegebeanspruchung die Auslenkung konstant ; entspricht dem Fall (ii). Das Antriebsrad --7-- wird nun in Rotation versetzt, und damit kommt es an der Kerbe --2-- zu einer Umlaufbiegebeanspruchung.
Die Rissinitierung bzw. der Rissfortschritt kann durch das Potentialdifferenzverfahren gemessen
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für halb-oder vollautomatische Prüfprozesssteuerungen --14-- herangezogen werden.
Zur Risstiefenmessung kann auch die Compliance-Methode, wie dies als Alternative in der Zeichnung eingezeichnet ist, angewendet werden. An den Kerbflanken werden ein (wie in der Zeichnung eingezeichnet ist) oder mehrere Rissöffnungsmesser --15-- angebracht. Mit zunehmender Risstiefe wird die Rissöffnung ebenso immer grösser und bewirkt daher über den Rissöffnungsmesser ein anwachsendes elektrisches Signal, das wieder zu Steuer- und Messzwecken verwendet werden kann.
Eine Überlagerung einer statischen oder wechselnden Torsion auf die Umlaufbiegebeanspruchung wird erreicht, indem auf die Probe --1-- ein Rad --16-- in Kerbnähe montiert wird.
Über das Rad kann mit Hilfe von Gewichten (z. B. durch ein Kräftepaar, damit kein Biegemoment auf die Probe übertragen wird) oder andern Vorrichtungen statische oder wechselnde Torsionsbeanspruchungen auf die Probe übertragen werden, ohne dabei die Umlaufbiegebeanspruchung merklich zu beeinflussen oder zu verändern.
Alternativ zu diesem Beispiel kann bei kurzen Proben eine Verlängerung auf das freie Probenende --4-- aufgeschraubt oder aufgesteckt werden, damit der Hebelarm zur Erzeugung der Umlaufbiegebeanspruchung vergrössert und damit die Belastung des Lagers --5-- und des Antriebsrades --7-- entlastet wird.
Zur Realisierung einer konstanten umlaufenden Auslenkkraft entspricht dem Falle (i)] wird der Schlitten --6-- mit dem Antriebsrad --7-- nicht verschraubt, sondern mit einer geeichten Feder und damit mit einer bestimmten Kraft gegeneinander verschoben. Die konstante Auslenkkraft kann auch über Keile, die von geeichten Federn verschoben werden, oder andern Einrichtungen,
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die sich im rohrförmigen Antriebsrad --7-- befinden können, auf den Schlitten --6-- übertragen werden.
Für hohe und niedere Prüftemperaturen, sowie für Prüfungen in flüssigen Medien (z. B.
Korrosionsflüssigkeiten) ist die Probenanordnung vorzugsweise so zu wählen, dass die Probe - senkrecht steht und das Antriebsrad sich unten (für hohe Temperaturen) bzw. oben (für tiefe Temperaturen und flüssige Medien) befindet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Bestimmung des Bruchverhaltens von Probekörpern, insbesondere zur Erzeugung von Ermüdungsanrissen und zur Bestimmung von Ermüdungsrissausbreitungsraten, Anriss- und Lebensdauerlastspielzahlen, gemäss welchem eine ruhend eingespannte, ungekerbte oder gekerbte Probe einer Wechselbeanspruchung ausgesetzt und gegebenenfalls im Bereich der Kerbe die Risseinleitung und/oder der Rissfortschritt mit Hilfe einer Risslängenmessung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (1) in an sich bekannter Weise einseitig eingespannt und an ihrem freien Ende (4) einer umlaufenden Auslenkkraft unterworfen wird, sowie dass sie gegebenenfalls zusätzlich auf Torsion beansprucht wird.