AT406200B - Probekörper zur gewinnung von bruchmechanischen kennwerten - Google Patents

Description

AT 406 200 B

Die Erfindung bezieht sich auf Probekörper zur Gewinnung von bruchmechanischen Kennwerten verschiedener Klassen von Werkstoffen und Werkstoffverbunden, welche an gegenüberliegenden Seiten eine Drückeinheit mit auswechselbarer in einer Nut des Probekörper befindlichen Lasteinleitungsvorrichtung und ein Auflager aufweisen. Der stand der Technik ist durch die österreichische Patenschrift 390328, AT 396996B und AT 402767 und dort zitierte Literatur angeben. Verschiedene Prüfkörperformen in Zusammenhang mit der Messung von bruchmechanischen Kennwerten sind auch im Buch "Grundlagen der Bruchmechanik" (Η. P. Rossmanith) Springer-Verlag Wien-New York beschrieben.

Die in den oben zitierten Patenschriften beschriebene sehr einfache und praktische Belastungseinrichtung und die dazugehörigen Probekörper lassen nur Prüfungen im Rissöffnungsmodus (in der Fachsprache Modus I) zu. Für eine vollständige und umfassende Beurteilung des Bruchverhaltens von Werkstoffen, Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden sind jedoch auch Bruchkennwerte bei anderen Beanspruchungen für den Ingenieur von großer Bedeutung. Bruchkennwerte bei Scher- oder Torsionsbeanspruchung eines Risses (Modus II oder Modus III) stellen daher für den Ingenieur für die Berechnung der Festigkeit und Sicherheit, der Lebensdauer und des Schadensrisikos eine wichtige Grundlage dar.

Sehr häufig werden in der Prüfpraxis zur Bestimmung des mechanischen Verhaltens von Werkstoffen und Werkstoffverbunden bei Scherbeanspruchung die in den Normen angegebenen Probenformen mit zwei versetzten Seitenkerben benutzt (ASTM 1996, Tsai und Zhang 1988, Zhang und Leech 1986). Bei dieser Schermodusprüfung kommt es bei homogenen Werkstoffen aber auch bei Laminaten, Holz und bei Klebeverbindungen zur Rissausbreitung in einem Undefinierten gemischten Beanspruchungsmodus, der weit entfernt von einem reinen Modus II bzw. Modus III ist.

Die herkömmlichen Prüfeinrichtungen für Scher- und Torsionsbeanspruchungen und dazugehörigen Probekörperformen sind meist zu wenig steif und führen zu instabiler Rissausbreitung. Dann ergeben sich nur unvollständige und zum Teil unbrauchbare Messergebnisse. Für den Einsatz von FE-Methoden sind Materialkenndaten in Form von vollständigen Lastverschiebungskurven (bestimmt bis zur totalen Trennung des Prüfkörpers) notwendig. Auch der Einsatz von hydraulischen und dehnungsgesteuerten Maschinen kann zu keiner Verbesserung der Prüfergebnisse mit herkömmlichen Probenformen und Belastungseinrichtungen führen.

Diese Nachteile weist die erfindungsgemäße Probekörperform in Zusammenwirken mit einer Keilspalt-Belastungseinrichtung nicht auf. Dies wird erreicht indem auf beiden Außenseiten des quaderförmigen Probekörpers zwei versetzte Seitenkerben sowie eine Starterkerbe im Nutgrund, die die beiden Seitenkerben verbindet, eingeschnitten sind, sodass somit bei der Bruchprüfung die Einleitung und der Fortschritt eines Scherrisses im Probekörper hervorrufen wird, der in der Ebene der Starterkerbe liegt.

Die Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich: • Die quaderförmigen Probekörper sind handlich und einfach in der Form und daher billig in der Herstellung. • Die Probenherstellung erfordert in vielen Fällen keine Klebung, sodass eine Vorschädigung der Probe durch Pressen oder durch den Einfluss des Klebstoffes verhindert wird. Weiters sind keine Trockenzeiten einzuhalten und Probleme mit unzureichender Haftung treten nicht auf. • Die Keilspalt-Belastungseinrichtung ist einfach, schnell und unkompliziert am Probekörper anzubringen. • Die Probekörper können in handelsüblichen Materialprüfmaschinen (ohne besondere technische Zusatzeinrichtungen) eingebaut werden. Dieser Einbau und die Prüfung selbst erfordern keine besonderen Fachkenntnisse und können daher auch von ungeschultem bzw. angelerntem Personal vorgenommen werden. • Durch die gewählte Probenförm, insbesondere in Verbindung mit der Keilspalt-Belastungseinrichtung, erfolgt die Rissausbreitung stabil und es können vollständige Lastverschiebungskurven (bis zur vollständigen Trennung der Probe) aufgezeichnet werden. • Aus der Lastverschiebungskurve können auf einfache Weise mehrere Materialkennwerte bestimmt werden. • Die Probekörper sind während des Prüfvorganges gut zugänglich und es können somit Zusatzmesseinrichtungen, wie z.B. Wegaufnehmer, Rissöffnungsmesser, Risstiefenmesseinrichtungen usw. angebracht werden. 2

AT 406 200 B • Die Proben können mit sehr großen Ugamenflängen hergestellt werden, sodass der Einfluss der Probengröße auf die spezifische Bruchenergie (Size effect, Bazant 1984) eliminiert werden kann und echte Materialkenndaten gewonnen werden können.

Der erfindungsgemäße Probekörper eignet sich zur Bestimmung der Brucheigenschaften bei Scher- bzw. Torsionsbeanspruchung für viele homogene und heterogene und anisotrope Werkstoffe wie z.B. Kunststoffe, Holz und Holzfaserwerkstoffe, fein- und grobkeramische Werkstoffe, zementgebundene und bituminöse Werkstoffe, Feuerfestwerkstoffe und metallische Werkstoffe und die großen Klasse der Verbundwerkstoffe und jede Art der faserverstärkten Werkstoffe.

Ebenso eignet sich der erfindungsgemäße Probekörper zur mechanischen inkl. bruchmechanischen Charakterisierung von Werkstoffverbunden der oben genannten Werkstoffklassen. Auch kann das mechanische und bruchmechanische Verhalten von Haftvermittlern bzw. Klebern zur Verbindung von Werkstoffen untersucht werden. Hier eingeschlossen sind auch die Bestimmung der Haftungseigenschaften von Schichten aus verschiedenen metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen und Werkstoffgemischen.

Bei der Dimensionierung der Probekörper ist auf folgendes zu achten. Der Probekörper soll möglichst steif ausgeführt werden. Damit wird wenig elastische Energie beim Prüfvorgang im Probekörper gespeichert und damit ist sichergestellt dass es auch bei spröderen Werkstoffen und Werkstoffverbunden nicht zur instabilen Rissausbreitung kommt.

Die Beanspruchung der Probekörper kann statisch (bei konstanter Beanspruchung, z.B. für Kriech- und Kriechrissuntersuchungen) oder quasistatisch bis zügig mit langsam ansteigender Beanspruchungen, (z.B. Zug- oder Bruchzähigkeitsversuche) oder mit wechselnder (z.B. Ermüdungsversuche, Ermüdungsrissausbreitungsuntersuchungen und Betriebsfestigkeitsuntersuchungen) Belastung erfolgen.

Grundsätzlich ist die Probekörperform nicht auf die prismatische, plattenförmige oder würfelförmige Gestalt beschränkt. Es besteht auch die Möglichkeit, zylinderförmige (z.B. Bohrkeme) oder andere Formen von Probekörpem zu prüfen.

Die Complience-Methode (bzw. Potential-Drop Methode bei elektrisch leitenden Materialien) kann zur Risslängenmessung angewendet werden.

Die Prüfkörper zusammen mit der Keilspalt-Belastungseinrichtung sind auf einfache Weise in eine Kühl- oder Heizkammer einzubauen damit die Materialkennwerte auch bei tiefen bzw. erhöhten Temperaturen sowie bei chemischer Belastung oder wählbaren Feuchtigkeitsweiten bestimmt werden können.

Die Erfindung ist in Zeichnungen an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figur 1 zeigt einen quaderförmigen (plattenförmigen) Probekörper mit recheckiger Nut. In Figur 2 besitzt der Probekörper eine Rundnut die besonders bei kerbempfindlichen Werkstoffen zur Anwendung kommt. Den geprüften Zustand eines Probekörpers, der aus einer dünnen Prüfplatte besteht, die zur mechanischen Versteifung mit beiderseits aufgeklebten Prüfwangen versehen ist, zeigt Figur 3. Figur 4 zeigt einen zylinderförmigen Probekörper, dessen sich bildende Bruchfläche senkrecht auf die Zylinderachse steht.

Zur Prüfung gelangen quader- bzw. plattenförmigen Probekörper zur Untersuchung von Werkstoffen, wie in Figur 1 gezeigt ist. Die Nut (1) ist rechteckig ausgebildet. Die beiden Seitenkerben (2 und 2') sind bis zur halben Dicke der Probenplatte (oder tiefer) eingeschnitten. Eine geringere Kerbtiefe führt zu gemischten Normal- und Scherbeanspruchungen und erlaubt eine Materialprüfung im „Mixed Mode". Die Starterkerbe (3) verbindet die beiden Seitenkerben (2, 2'). Auf die Flächen 4 bzw. 4' werden die Kräfte der Keilspalteinrichtung übertragen. Das Einschneiden der Starterkerbe (3) kann so erfolgen, dass z.B. mit einer Kreissäge oder Bandsäge oder einer anderen Schneideeinrichtung der Kopf des Probekörpers der Länge nach und bis in die erforderliche Tiefe der Starterkerbe (3) eingeschnitten wird. Nachher wird dann der Schnitt im Probekopf bis auf die Starterkerbe (3) wieder mit Kleber aufgefüllt. Alternativ kann die Starterkerbe (3) auch durch Fräsen oder wiederholtes Bohren mit anschließendem Fräsen oder Schneiden mit Mini-Kreissägen oder Mini Trennscheiben hergestellt werden.

Das Einschneiden der Seitenkerben (2, 2') kann je nach Werkstoffklasse ebenso mit einer Kreissäge oder mit anderen Schneidegeräten erfolgen. Der Abstand der beiden Seitenkerben (2, 2')wird durch die Scherfestigkeit des Werkstoffes bestimmt. Er sollte so groß gewählt werden, dass kein Grüßeneinfluss durch die Bruchfläche mehr auftritt aber nicht zu groß gewählt werden, damit die Kräfte, die zur Risseinleitung und zum Rissfortschritt notwendig sind, keine Schädigung oder sogar Rissbildung in den beiden Ecken des Nutgrundes hervorrufen bzw. es zu keiner bleibenden 3

Claims (2)

1. AT 406 200 B Deformation der Auflageflachen (4, 4') der Keilspalteinrichtung kommt. Weiters wird der Abstand der Seitenkerben (=Ligamentbreite) vom Verhältnis der Scher- und Zugfestigkeitswerte des zu untersuchenden Werkstoffes eingeschränkt. Die Ligamentbreite darf nicht so groß gewählt werden, dass im Bereich der Seitenkerben (reduzierte Dicke) die Zugfestigkeit des zu untersuchenden Werkstoffes überschritten wird. Etwas aus der Nut gehoben ist in der Figur 1 die Keil-Belastungseinrichtung mit dem schlanken Keil (6), den beiden Kraftübertragungstücken (7, 7') und den Rollkörpern (Nadellager) (8, 8') gezeichnet. Die linienförmige Auflage (5), der Keil (6) der Belastungseinrichtung und die Mittellinie zwischen den beiden Seitenkerben (in Figur 1 nicht eingezeichnet) fluchten. Figur 2 zeigt einen quader- oder plattenförmigen Probekörper mit einer ausgerundeten Nut zur Herabsetzung der Kerbspannungen an den Ecken der Nut. Diese Nutgeometrie ist bevorzugt bei spröden Werkstoffe anzuwenden. Aber auch bei dem Auftreten von hohen Spaltkräften ist diese Nutgeometrie zu bevorzugen, da diese eine Schädigung und ev. Neigung zur Rissbildung im Nutgrund herabsetzten. Figur 3 zeigt einen quader- bzw. platten- oder scheibenförmigen Probenkörper, der zur Prüfung einer dünneren Schichte hergestellt wurde. Die äußeren Wangen dienen nur zur Versteifung der Mittelschichte. Die Figur 3 zeigt den Probekörper nach der Prüfung, also zwei getrennte Probenhälften. Die Scherbruchfläche (9) (in der Fachsprache mit Ligamentebene bezeichnet) ist nun sichtbar. Zur Prüfung einer Klebeverbindung werden bei solchen Verbundprobekörpem die Klebeflächen in die Probenmitte gelegt und damit erfolgt die Rissausbreitung in der Klebfläche, die nun ident mit der Ligamentfläche (9) ist. Ein Ausführungsbeispiel für einen zylinderförmigen Probekörper ist in Figur 4 gezeigt. Aus einem Bohrkern kann auf einfache Weise ein scheibenförmiges Stück abgeschnitten werden. Wie in der Beschreibung der Figur 1 beschrieben ist wird die Starterkerbe (3) mit nachträglicher Verklebung des Probenkopfes eingeschnitten. Soll mit dieser Probenform eine Klebeverbindung geprüft werden, so sind die Seitenkerben (2, 2') so tief in die Seitenflächen (4, 4') einzuschneiden, bis sie die Klebfläche durchschnitten haben. Durch eine strichlierte Linie (10) ist in Figur 4 eine solche Klebeverbindung eingezeichnet Diese zylinderförmige Probenform kann auch zur Prüfung von dünnen Schichten und Werkstoffverbunden verwendet werden. Die zylindrischen Probekörper können auch zur Anwendung kommen bei Werkstoffen und Verbundwerkstoffen, sowie bei Werkstoff verbunden (z.B. Klebeverbindungen) wenn die Bruchfläche (Ligamentfläche) parallel zur bzw. in der Zylinderachse liegt. Literature Annual Book of ASTM Standards 1996 Vol. 04.10 Wood, ISBN 0-8031-2302-7, ASTM European Office, Hitchin Herts SG4 OSX, England Zhang, S. und Leech, C.M. 1986: FEM Analysis on mixed mode fracture of CSM-GRP. Engineering Fracture Mechanics 23 (3), pp. 521-535 Tsai, L.W. und Zhang, S.Y. 1988: Prediction of mixed mode cracking direction in random, short fibre composite materiale. Composites Science and Technology 31, pp. 97-110 Bazant, Z.P. 1984: Size effect in blunt fracture: Concrete, rock, metal. Journal of Engineering Mechanics 110 (4) pp. 518-535 Patentansprache: 1. Probekörper zur Gewinnung von bruchmechanischen Kennwerten, welcher an gegenüberliegenden Seiten eine Drückeinheit mit auswechselbarer in einer Nut des Probekörper befindlichen Lasteinleitungsvorrichtung und ein Auflager aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Außenflächen (4,4') des quaderförmigen Probekörpers zwei versetzte Seitenkerben (2,2') sowie eine Starterkerbe (3) im Nutgrund, die die beiden Seitenkerben (2,2') verbindet eingeschnitten ist und somit bei der Bruchprüfung die Einleitung und den Fortschritt eines Scherrisses im Probekörper hervorrufen wird, der in der Ebene der Starterkerbe (3) liegt
2. 2. Prüfkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus zwei oder mehreren Schichten aufgebaut ist und die zu prüfende Verbundfläche zwischen den 4 AT 406 200 B Schichten in der Ebene der Starterkerbe (3) liegt und die beiden Seitenkerben (2,2') eine solche Tiefe aufweisen, dass sie gerade mit ihrem Kerbgrund diese Verbundfische berühren. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 5