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Die Erfindung betrifft eine Lasteinleitungsvorrichtung mit Kraftübertragungsleisten mit im wesentlichen dreieckförmigem oder trapezförmigem Querschnitt für Keilbelastungen von würfel-, quader- und zylinderför- migen Proben, die mit einer Kerbe versehen sind, und dient zur Ermittlung von z. B. bruchmechanischen Kennwerten auch bei hohen Temperaturen.
Der Stand der Technik ist durch die AT-PS-377 611,390 328 und 396 997 sowie die dort zitierte Literatur ergeben. Die AT-PS-377 611 hat Nachteile, die sich im wesentlichen aus der Erfordernis einer, V- förmigen Kerbe, aus dem Auflager des Probekörpers und aus Anforderungen an die Probenform ergeben. Die V-förmige Kerbe erfordert eine genaue und aufwendige Bearbeitung. Die Probekörperauflage verursacht während der Rissbildung einen Wechsel von einer linienförmigen zu einer flächenhaften Auflage, was zu unkontrollierbaren Prüfverhältnissen führen kann. Nur In Platten oder Schichten herstellbare Körper sind mit der beschriebenen Einrichtung nicht prüfbar. Diese Nachteile werden bereits mit einem der AT-PS-390 328 entsprechenden Verfahren vermieden.
Gemäss dieser Patentschrift werden Prüfkörper mit einer Kerbe von rechteckigem Querschnitt verwendet, die einfach herzustellen sind. In diese werden Gleitstücke mit L- förmigem Querschnitt eingelegt. Die Lastaufbringung erfolgt über einen Keil oder Keilstumpf, wobei die ATPS-390 328 noch Massnahmen zur Verminderung der Reibung zwischen Keil und Gleitstücken enthält (Gleitschichten, Teflonfolie, Walzkörper). Die Probenkörperauflage erfolgt über eine Rippe, die In einer Ebene mit der Belastungskraft und der am Grund der rechteckigen Kerbe eingebrachten Starterkerbe liegt.
Diese Prüfeinnchtung erfahrt durch die AT-PS-396 997 eine weitere Verbesserung, welche zum Ziel hat, die Reibung In der Belastungselnnchtung entscheidend zu vemngern. Dafür werden die Gleitstücke gemäss ATPS-390 328 durch Kraftübertragungsleisten mit L-förmigen Querschnitt ersetzt, an deren dem Keil zugekehrten Flächen Achsen angebracht sind, die Ringwälzlager tragen. Dadurch wird einerseits die Reibung entscheidend herabgesetzt und kann in der Regel völlig vernachlässigt werden, anderseits ist durch die Achsen die Lage des Kraftinleitungspunktes gegenüber dem Probekörper fixiert. Der so erreichte Stand der Technik ist insbesondere für Prüfungen bel Raumtemperatur zwar zufriedenstellend. anderseits lässt sich eine Prüfeinnchtung für hohe Temperaturen, z. B. bis 1500.
C und unter wahlweise reduzierenden und oxidierenden Bedingungen, nur sehr schwer oder überhaupt nicht gemäss AT-PS-396 997 fertigen, da Ringwälzlager für diese Temperaturen in der Regel nicht geeignet sind. In der Praxis sind metallische Werkstoffe für diese Einsatztemperaturen nicht mehr verfügbar, und keramische Rfngwätztager sind äusserst kostspielig, nur begrenzt belastbar und häufig aus oxidationsempfindlichen Werkstoffen gefertigt. Eine Lasteinleitungsvorrichtung, die auch für sehr hohe Temperaturen geeignet ist, muss daher folgende Voraussetzungen erfüllen : (i) Sie muss aus relativ billigen, hochfeuerfesten keramischen Materialien gefertigt werden können (insbesondere Tonerde Al203 und Magnesia MgO).
(ii) Da der keramische Fertigungsprozess aufgrund von Im Vergleich zu Metallen ungünstigeren Verarbei- tungseigenschaften (höhere Härte, höhere Sprödigkeit) wesentlich aufwendiger ist, muss die Form der einzelnen Teile der Lasteinleitungsvorrichtung besonders einfach sein.
(iil) Die Lasteinleitungsvorrichtung muss so konstruiert sein, dass ihre Einzelteile möglichst nur auf Druck beansprucht werden, da In diesem Fall die Festigkeit keramischer Teile wesentlich höher ist als bei
Beanspruchung auf Zug oder Scherung.
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die einfache Probengeometriereproduzierbar erfolgen kann.
Diese Anforderungen werden von den Prüfeinrichtungen gemäss AT-PS-396 997 bzw. 390 328 nicht bzw. nicht vollständig erfüllt. Während die Vomchtung gemäss AT-PS-390 328 aufgrund der Erfordernis von Gleitlagern ausscheidet, könnte gemäss AT-PS-396 997 zwar ein handelsüblicher zylinderförmiger Keramikstab als Wälzkörper verwendet werden, die patentgemässen Gleitstücke sind jedoch nachteilig.
Einerseits verursacht der L-förmige Querschnitt bei Keramikmaterialien einen wesentlich höheren Bearbeitungsaufwand als bel Metallen, anderseits verursacht die Vertikalbelastung durch die Prüfmaschine eine Biegezugbeanspruchung der Gleitstücke, da die Vertikalkraft vom Hell auf die Ihm gegenüberliegende Fläche übertragen wird, vom Gleitstuck jedoch hauptsächlich auf die Prüfkörperoberselte geleitet wird. Diese Biegezugbeanspruchung führt zu einem Spannungsmaximum im Bereich der innenliegenden Kante, auf die bei der Fertigung dann besonderes Augenmerk gelegt werden müsste (Kerbwirkung). Die ausreichende Dimensionierung und die geometnsche Form an sich würden zu einem entsprechenden Bedarf an, hochwertigem und daher kostspieligem Keramlkmatenal führen.
Die erfindungsgemässe Lastelnleltungsvornchtung vermeldet diese Nachteile durch Verwendung von Kraftübertragungsleisten mit im wesentlichen dreieckförmigen oder trapezförmigen Querschnitt und erfüllt so alle der oben genannten Forderungen (i) bis (v). Die Vorteile sind im einzelnen :
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- Die Fertigung Ist aus kostengünstig erhältlichen Keramiken, insbesondere AOa und MgO, möglich.
- Die Fertigung kann sehr einfach durchgeführt werden. Ein bevorzugter Fertigungsprozess der Kraft- übertragungsleisten sieht vor, quaderförmige Keramikprismen durch einen Sägeschnitt so zu teilen, dass zwei gleiche Kraftübertragungsleisten entstehen, die lediglich noch einer Oberflächenbearbeitung durch Schleifen bedürfen. Auch bei Fertigung der Keramikkeile kommt man mit den Arbeitsschritten Sägen-Schleifen aus und kann mehrere Stücke aus einem Rohling ohne nennenswerten Anfall von
Verschnitt gleichzeitig herstellen. Es ist kein Fräsvorgang erforderlich.
- Die gesamte Lasteinleitungsvorrichtung wird nur auf Druck beansprucht, es treten keine einspringen- den Kanten oder Kerben auf. Das ermöglicht eine matenalsparende und daher kostengünstige
Dimensionierung.
- Die In der AT-PS-390 328 genannten Probenformen bleiben unverändert nutzbar. Die Zusammenstel- lung von Lasteinleitungsvorrichtung und Probekörper erfordert keine besonderen Werkzeuge und keine spezielle Justierung. Als zusätzlicher Vorteil hat sich bei Erprobung der erfindungsgemässen
Prüfeinrichtung ergeben, dass sie im Vergleich zur AT-PS-390 328 besser geeignet ist, einen im Grund der Starterkerbe bel der Prüfung entstehenden Riss am Auswandern aus der Vertikalen zu hindern. Ein solches Auswandern kann nämlich insbesondere dann entstehen, wenn eine Festigkeitsanisotropie des Prüfkörpers derart auftntt, dass die RissbIldung In einer zur Vertikalen geneigten Fläche leichter erfolgt als In der Senkrechten, was z.
B. dann der Fall sein kann, wenn es sich um durch einen
Pressvorgang hergestellte keramische Prüfkörper handelt und die Richtung der Presskraft bei der
Fertigung mit der Richtung der Prüfkraft in etwa übereinstimmt. Dieses Auswandern wird durch die
Vertikalkomponente der wirksamen Prüfkraft hintangehalten. Bei dem erfindungsgemässen Prüfverfah- ren wird diese an der Auflagefläche der Kraftübertragungsleisten nahe der Starterkerbe auf den
Prüfkörper übertragen, wahren dies gemäss AT-PS-390 328 an der Prüfkörperoberseite In wesentlich grösserer Entfernung vom Grund der Starterkerbe geschieht. Das erklärt die bessere Wirkung bei den erfindungsgemässen Kraftübertragungsieisten.
Das Prüfverfahren mit genannter lasteinleitungsvorrichtung verwendet die gleichen Probenkörperfor- men und die gleiche Probenkörperauflage auf einer stabförmigen Rippe wie die AT-PS-390 328.
Es zeigt die Fig. 1 eine schematsche Darstellung einer erfindungsgemässen Lasteinleitungsvorrichtung. die in die Kerbe eines würfelförmigen Probekörpers eingelegt Ist und durch einen Keil belastet wird. Die axonometrische Darstellung der Fig. 2 illustriert die ökonomische Fertigung der Kraftübertragungsleisten, die Fig. 3 illustriert die Berechnungswelse zur Ermittlung des Umrechnungsfaktors zur Berechnung der Honzontalkraft aus der Vertikalkraft.
In Fig. 1 liegt auf einer Unterlage (1) die Rippe (2), auf der der Prüfkörper (3) ruht. In die Kerbe (4) des Prüfkörpers (3) werden die Kraftübertragungsleisten (5) eingelegt. Auf sie wird über die re ! bungsmrndern- den Rollen (6) und den Keil (7) die Prüfkraft (8) übertragen.
In Fig. 2 wird gezeigt, wie aus einem quaderförmigen Keramikblock (9) durch einen Sägeschnitt (10) zwei Rohlinge für die Kraftübertragungsteisten erhalten werden können. Die Anphasung (11) geschieht am günstigsten durch Schleifen.
Der Fertigungsprozess der Kraftübertragungsleisten ist auch deshalb sehr einfach, weil die In Fig. 3 gezeigten Winkel a (13) und ss (14) nicht exakt gleich sein müssen, sondern Fertigungstoleranzen von einigen Zehnteln eines Winkelgrades möglich sind, ohne dass das Messergebnis darunter leidet. Für bruchmechanische Messungen Ist nämlich oft die aus der Vertikalkraft (8) ermittelte Horizontalkraft (12) bedeutend, für die für a = ss gilt :
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F... Vertikalkraft (8)
FH...
Horizontalkraft (12) α....Öffnungswinkel des Keils (13)
Bel nicht genau übereinstimmenden Winkeln a (13) und ss (14) kann folgende Umrechnung getroffen werden :
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durchPatentansprüche 1. Lastübertragungsvorrichtung für Hochtemperaturprüfungen von mit einer Kerbe versehenen Probekör- pern, bestehend aus einer Kraftübertragungseinrichtung zur Einleitung der Kraft in den Probekörper, einem damit zusammenwirkenden Keil oder Keilstumpf sowie zumindest zwei Wälzkörpern zur Verrin- gerung der Reibung zwischen Keil bzw.
Keilstumpf und Kraftübertragungseinrichtung, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Kraftübertragungseinnchtung (5) aus zwei Kraftübertragungsleisten mit Im wesentlichen dreleckförmigen oder trapezförmigen Querschnitt besteht, die an der Bodenfläche der
Kerbe (4) aufliegen.