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Die Erfindung betrifft eine Belastungseinrichtung zur Ermittlung mechanischer und bruchmechanischer Kennwerte an ungekerbten und gekerbten prismatischen Probekörpern.
Mechanische und bruchmechanische Kennwerte, bestimmt bei einfacher Beanspruchung (z. B. bei uniaxialem Zug, oder Druck oder Scherung), stellen wichtige Materialdaten zur Charakterisierung eines Werkstoffes für den Ingenieur dar. In der technischen Praxis kommt jedoch die Art der einfachen Beanspruchung nicht häufig vor. Viel häufiger sind überlagerte bzw. biaxial (z. B Zug und überlagerte Scherung oder Zug und überlagerte Torsion) und muttiaxiale (z. B. Zug mit Scherung und Torsion), also kombinierte Beanspruchungen. Nun muss der Ingenieur das mechanische Verhaften des Werkstoffes bei tatsächlich auftretenden Beanspruchungen kennen, um eine sichere und Werkstoff sparende Auslegung von Komponenten zu ermöglichen.
Auch um das Verhalten und das Risiko des Versagens eines angerissenen Bauteils abschätzen zu können, sind bruchmechanische Kenndaten von Strukturwerkstoffen bei einfachen und ganz besonders bei überlagerten Beanspruchungen eine unumgängliche Voraussetzung.
Die Gewinnung solcher mechanischer und bruchmechanischer Daten ist in der Literatur mehrfach beschrieben worden. Der Stand der Technik bezüglich Probenformen und Belastungseinrichtungen ist im Lexikon der Werkstofftechnik von H. Gräfen, erschienen im VDIVerlag im Jahre 1993, zusammengefasst. Bisher bekannte Probekörperformen und Belastungseinrichtungen für bruchmechanische Prüfungen sind enthalten in : "Grundlagen der Bruchmechanik"von H. P. Rossmanith (Springer-Verlag Wien, New. York 1982), in den Veröffentlichungen "Mode 11 fracture testing methode for highly orthotropic materials like wood" von Shilang Xu, Hans W. Reinhardt und Murat Gappoev (Int.
J of Fracture 75,1996, pp 185- 214), "Fatigue crack growth behaviour of SM45C steel under cyclic Mode I superimposed static
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in der Patentschrift "Einrichtung zur biaxialen Bruchprüfeinrichtung"AT Nr. 401578, sowie der in diesen Veröffentlichungen zitierten Literatur.
Alle in dieser Literatur angeführten und beschriebenen Belastungseinrichtungen und Probekörperformen haben einen grossen Nachteil, sie sind meist nur für eine sehr beschränkte Anzahl der Beanspruchungsarten einsetzbar und oft auf nur auf eine Klasse von Werkstoffen oder Werkstoffverbunden (z. B homogene oder stark anisoptrope Werkstoffe, Klebungen oder Beschichtungen) beschränkt D. h die bisher bekannten Prüfeinrichtungen sind nur in einem geringen Masse flexibel bezüglich der Belastungskombinationen und der Verwendbarkeit von ein und derselben Probenform für verschiedene Prüfungen von Werkstoffen und Werkstoffverbunden.
Es besteht daher ein gegebener Mangel an Universal-Prüfeinrichtungen im Materialprüfwesen, die an einfachen und leicht herstellbaren Probekörpem in Standard-Materialprüfmaschinen mechanische und bruchmechanische Kennwerte bei vorgebbaren einfachen oder kombinierten Beanspruchungen bestimmen lässt. Es ist daher als grosser Vorteil anzusehen, dass mit ein und der selben Prüfeinrichtung und mit identen Probekörper (--;t gleicher Grösse und Form) eine grosse Anzahl unterschiedlicher mechanischer und bruchmechanischer Werkstoffkennwerte ermittelt werden kann. Diese Vorteile zu erlangen ist Ziel der vorliegenden Erfindung.
Dieses Ziel wird erreicht, indem die von einer biaxialen Prüfmaschine (Zug/Druck-Torsion) aufgebrachten Kräfte durch eine Belastungseinrichtung in eine oder mehrere ungekerbte bzw. gekerbte prismatische Probekörper, die über ein oder zwei Gelenke auf einfache Weise in dieser befestigt sind, übertragen werden und zu definierter elastischer und plastischer Verformung sowie zur Risseinleitung und Ausbreitung im Probekörper führen.
Die Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich : - Die quaderförmigen Probekörper sind handlich und von einfacher Form und daher billig in der Herstellung - Die Belastungseinrichtung ist einfach im konstruktiven Aufbau und daher kostengünstig herzustellen - Die Universal-Prüfeinrichtung kann in handelsübliche Zug-Torsionsprüfmaschinen (ohne besondere technische Zusatzeinrichtungen) eingebaut werden. Dieser Einbau erfordert
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- Die Montage eines Prüfkörpers in die erfindungsgemässe Prüfeinrichtung ist einfach und schnell durchzuführen.
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- Eine grosse Anzahl von Materialkennwerten kann durch Änderung der Maschinen- steuerung an identen Probekörpem bestimmt werden.
- Die Probekörper sind während des Prüfvorganges gut zugänglich. Auch können ohne nennenswerte Behinderungen mikroskopische Beobachtungen der
Probekörperoberfläche vorgenommen sowie Zusatzmesseinrichtungen, wie z. B.
Wegaufnehmer, Rissöffnungsmesser, Potentialabgriffe für Risstiefenmesseinrichtungen usw angebracht werden.
Diese Universalprüfeinrichtung eignet sich 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 der grossen Klasse der Verbundwerkstoffe und jede Art der faserverstärkten Werkstoffe.
Ebenso eignet sich die erfindungsgemässe Prüfeinrichtung 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 Hafteigenschaften von Schichten aus verschiedenen metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen und Werkstoffgemischen.
Bei der mechanischen Ausführung der Belastungseinrichtung ist auf folgendes zu achten. Die Einrichtung soll möglichst steif und spielarm ausgeführt werden. Damit wird wenig elastische Energie beim Prüfvorgang in der Einrichtung gespeichert und damit ist sichergestellt, dass es auch bei spröderen Werkstoffen und Werkstoffverbunden nicht zur instabilen Rissausbreitung kommt.
Weiters sollte darauf geachtet werden, dass die in der Belastungseinrichtung eingebauten Gelenke möglichst reibungsarm sind. Ausführungen mit besonderer Beschichtung mit geringer Gleitreibung oder mit Wälzkörper setzen die Reibung soweit herab, dass der Einfluss der Reibung vernachlässigt werden kann.
Die Beanspruchung der glatten oder gekerbten Probekörper kann statisch (bei konstanter Beanspruchung, z. B. für Kriech- und Kriechrissuntersuchungen) oder quasistatisch bis zügig mit langsam ansteigenden Beanspruchungen z. B. Zug- oder Bruchzähigkeitsversuchen) oder mit wechselnder (z. B. Ermüdungsversuchen, Ermüdungsrissausbreitungsuntersuchungen und Betriebsfestigkeitsuntersuchungen) Belastung erfolgen. Bei überlagten Beanspruchungen besteht die Möglichkeit, diese in Phase und ausser Phase aufzubringen.
Werden glatte Proben zur Prüfung verwendet, so lassen sich Materialkennwerte wie Streckgrenzen, Bruchfestigkeit bei reiner Zug- oder reiner Scherbeanspruchung oder bei beliebiger Kombinationen aus diesen beiden Beanspruchungen bestimmen. Bei zyklischer Beanspruchung erhält man Ermüdungsdaten für die verschiedenen Beanspruchungen.
Sind die Probekörper mit Starterkerbe und eventuell mit Seitenkerben versehen, dann können bruchmechanische Kennwerte im reinen Rissöffnungsmodus (Modus I) oder in einem der Schermodi (Modus 11 oder Modus 111) bestimmt werden. Bei überlagerter Beanspruchung ergeben sich bruchmechanische Kennwerte für gemischte Beanspruchung (mixed Modus). Erfolgt die Beanspruchung zyklisch (Wechselbeanspruchung), dann erhält man die Ermüdungsrissausbreitungskennwerte bei Modus) bzw Modus 11 oder Modus 111 oder Mixed Modus.
Besonders geeignet ist die erfindungsmässige Prüfeinrichtung zum Einbau in hydraulische Prüfmaschinen, da diese die grösste Flexibilität bezüglich der Regelung aufweisen. So können die verschiedenen Belastungskombinationen bei Weg-, Kraft- und Dehnungsregelung durchgeführt werden. Auch die Beanspruchungsgeschwindigkeit kann in diesem Fall in grossen Bereichen variiert werden, von statischer bis nahezu schlagartiger Beanspruchung. Ebenso ist bei hydraulischen Maschinen eine Vielfalt von zyklischen Beanspruchungsmöglichkeiten bis zu Belastungsprogrammen (Betriebsfestigkeitsuntersuchungen) möglich.
Grundsätzlich ist die Probekörperform nicht auf den prismatischen Querschnitt beschränkt. Es besteht auch die Möglichkeit, zylinderförmige (z. B. Bohrkeme) oder andere Formen zu prüfen.
Lediglich die Probenhalterungen der Prüfeinrichtungen müssen dabei der Probenform angepasst werden.
Die Anwendung der elektrischen Potentialmethode zur Bestimmung der Risslänge bei elektrisch
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leitenden Werkstoffen ist möglich. Die elektrische Isolierung der Probenbefestigungen kann sowohl durch eine Isolierhülse um die Probenhalterlagerungen oder durch Isolierung der Probe oder eine entsprechende Isolierung der kompletten oberen oder unter Spannplatte der Belastungseinrichtung erfolgen
Bei nichtleitenden Werkstoffen ist zur Risslängenmessung die Anwendung der ComplianceMethode möglich.
Die Prüfeinrichtung ist auf einfache Weise in eine Kühl- oder Heizkammer sowie eine Klimakammer (Luftfeuchtigkeit, chem. Belastung) einzubauen, damit bei tiefen bzw erhöhten Temperaturen bzw chemischer Belastung oder nach Einwirkung von Feuchtigkeit die Materialkennwerte bestimmt werden können.
Die Erfindung ist in Zeichnungen an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren 1-5 zeigen Probekörper. Zur Prüfung gelangen quaderförmige Probekörper zur Prüfung von Werkstoffen, wie in Figur 1 gezeigt Eine Probekörperhätfte nach der Prüfung ist in Figur 2 dargestellt Die Prüfung von Werkstoffverbunden (durch Haftvermittler-bzw Klebeverbindungen) ist, wie in Fig. 3 gezeigt, möglich Die Haftung bzw. die Eigenschaften von dünnen Schichten und Laminaten von Werkstoffen (Figur 4) sowie das Bruchverhalten von Kerben und Rissen in der Nähe von Werkstoffverbunden (Figur 5) kann bestimmt werden.
Die Art der Beanspruchung für Bruchversuche ist in Figur 6 für den Rissóffnungsmodus (Modus t), für den Antiplan-Schermodus (Modus 111) in Figur 7 und in Figur 8 für die überlagerte Beanspruchung von Modus I und Modus 111 (Mixed Modus) schematisch dargestellt. Figur 9 zeigt eine ungekerbte Probenform und Belastungsart für Prüfungen in reinem Zug, sowie Figur 10 eine Hälfte einer gekerbten Probe nach der Prüfung in reinem Zug, Figur 11 einen gekerbten Probekörper bei reiner Scherung (Modus 11) und Figur 12 einen Probekörper bei überlagerter Beanspruchung (Modus I + Modus 11).
Die Übertragung der Beanspruchung der Prüfmaschine auf die Probekörper durch Belastungsvorrichtungen für die Proben der Figuren 5 bis 8 ist in Figur 13 und der Probekörper der Figur 9 bis 12 in Figur 14 dargestellt. Die Beanspruchung der Probekörper durch eine EingelenkBelastungsvorrichtung zeigt Figur 13 und eine Zweigelenk-Belastungsvorrichtung Figur 15.
In Figur 1 ist ein quaderförmiger Probekörper (1), wie er für bruchmechanische Prüfungen Anwendung findet, dargestellt. Die beiden Kraftarme (2) an einem Ende des Probekörpers dienen zur Übertragung der Beanspruchung auf den Probekörper bzw. zur Befestigung des Probekörpers in der Prüfvorrichtung Die Starterkerbe (3) am Grund der rechteckigen Nut sowie die Seitenkerben (4) - die Seitenkerbe auf der Rückseite der Probe ist in der Figur 1 nicht zu sehen-dienen dazu, den Rissverlauf vorzugeben. Diese Probenform wird hauptsächlich zur Prüfung aller oben angeführten Werkstoffklassen verwendet. Figur 2 zeigt eine Hälfte des Probekörpers nach der Prüfung. Die dunkel markierte Fläche stellt die Bruchfläche (5) bzw. die Ligamentfläche (5) dar.
Figur 3 zeigt einen Probekörper (1), wie er für bruchmechanische Prüfungen von Werkstoffverbunden, wie z. B. durch eine Klebeverbindung des Werkstoffen A (6) und B (7), Anwendung finden kann. Die Starterkerbe (3) und die Seitenkerben werden in die Ebene des Verbundes eingeschnitten, sodass daher auch dort bevorzugt die Rissausbreitung initiiert wird Ist die Ligamentfläche (5) des Werkstoffes A (6) durch eine Beschichtung vorbehandelt worden und will man nun die Haftung dieser Schichte bruchmechanisch prüfen, so wird die zweite ProbenhÅalfte B (7) aus gleichem Werkstoff wie A (6) durch eine Klebeverbindung (diese Verbindung muss eine wesentliche bessere Haftung haben als die der zu prüfenden Beschichtung) so befestigt, dass sich die Probekörperform (1) ergibt.
Figur 4 zeigt einen Probekörper zur Prüfung von Laminaten bzw. dünnen Werkstoffschichten. Die zu prüfende Schichte (8) wird zwischen zwei Hälften (7) der quaderförmigen Proben (1) eingeklebt und dann mit Starterkerbe (3) und Seitenkerben (4) versehen.
Das bruchmechanische Verhalten von Kerben in der Nähe von Werkstoffverbunden wird mit dem Probekörper in Fig. 5 geprüft. Hier befinden sich die Starterkerbe (3) und die Seitenkerben (4) im Werkstoff A (6) in einem bestimmten Abstand von der Verbundfläche mit dem Werkstoff B (7)
Für den angekerbten quaderförmigen Probentypus (1) ist in Figur 6 die Belastung für die Modus I Bruchprüfung dargestellt. An die Kraftarme (2) wird eine Zugbeanspruchung (9,9') angelegt, damit ein Riss, ausgehend von der Starterkerbe (3), sich durch die Probe ausbreitet. Wird statt einer Zugbeanspruchung eine Torsionsbeanspruchung (10,10') aufgebracht, dann erfolgt Modus 111 Rissausbreitung, wie dies in Figur 7 gezeigt ist.
Wird sowohl eine Zug- (9,9') als auch eine Torsionsbeanspruchung (10,10') auf den Probekörper (1) aufgebracht, dann kommt es zur Mixed Modus Rissausbreitung (siehe Figur 8). In den Figuren 6 bis 8 sind Probekörper nur mit einer Starterkerbe gezeichnet. Diese Ausführung ist auch möglich für gültige Prüfungen, d. h. an Proben
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mit ausreichender Grösse, damit von der Probengrösse und Form unabhängige Materialkenngrössen bestimmt werden. Die Seitenkerben (4) stabilisieren die Rissausbreitung in der Ligamentebene (5) und sollten daher, wenn dies möglich ist, in die Proben eingeschnitten werden. Besonders wichtig sind diese Seitenkerben bei Modus 111 und Mixed Modus Bruchprüfungen.
Sie verringern die Ligamentbreite im Vergleich zur Gesamtbreite der Probe und reduzieren dadurch das Ausmass der Verbiegung der Kraftarme (2).
Figur 9 zeigt den ungekerbten l-fommigen Probekörper (11) und Figur 10 eine Hälfte eines geprüften Probekorpers (11) mit Seitenkerben (4), welche als Starterkerbe für Modus 11 Rissausbreitung fungieren. Bei dieser Probenform von Figur 9 sind die Kraftarme (2,2') symmetrisch zur Mittelachse der Probe ausgeführt. Es können mit dieser Probenform (11) auch Prüfungen von Werkstoffverbunden und Schichtverbunden, wie dies für die quaderförmige Probenform (1) in Figur 1 bis 5 gezeigt wurde, durchgeführt werden. In Figur 9 ist zusätzlich eine Zugbelastung (9,9') eingezeichnet. Bei dieser Belastung wird eine reine Zugspannung auf die Probe ausgeübt. Diese Art der Prüfung mit ungekerbten Proben ist daher besonders geeignet, um Haftzugprüfungen von Werkstoffverbunden und Klebeverbindungen durchzuführen.
Sie eignet sich aber auch um Zugfestigkeiten und Streckgrenzen zu messen Bei gekerbten Proben werden bruchmechanische Modus I Kennwerte erhalten. Bei einer Scher- bzw. Torsionsbeanspruchung eines Probekörpers (11), wie dies in Figur 11 dargestellt ist, werden an ungekerbten Proben Scherfestigkeiten und bei gekerbten Probekörpern Modus 11 Bruchkennwerte ermittelt. Auch hier können Probekörper aus Werkstoffverbunden analog zu den Figuren 1 bis 5 eingesetzt werden. In gleicher Weise gilt dies auch für die Figur 12, in der der t-förmige Probekörper (10) bei überlagerter Beanspruchung dargestellt ist Das Ergebnis dieser Prüfungen führt zu Mixed Modus (I + 11) Bruchkennwerten von Werkstoffen und Werkstoffverbunden.
In Figur 13 ist die Belastungseinrichtung mit einem Gelenk für die quaderförmigen Proben (1) in Form einer Explosionszeichnung dargestellt. An den oberen Teil der Prüfmaschine, der meist aus der Kraftmessdose besteht, wird über ein Ankopplungsstück (12) die obere Spannplatte (13) befestigt In den Lagerböcken (14) befinden sich die Lager zur Aufnahme der Wellen des Probenträgers (15). In diesem Probenträger werden die Kraftarme (2) der Probe (1) eingesteckt und dann ev. verschraubt bzw. geklemmt. Die Probenträger sollten reibungsfrei drehbar in den Lagerböcken (14) befestigt sein. Die drehbare Befestigung des Probenträgers (15) - hier mit Gelenk bezeichnet-ist von grosser Wichtigkeit, damit sich die Kraftarme (2) der Proben (1) bei einer einfachen oder kombinierten Beanspruchung um diese Drehachse unbehindert drehen können.
Wenn dies nicht gegeben ist, kommt es zu einer undefinierten multiaxialen Beanspruchung der Probe, was nicht zulässig ist. Die Lagerböcke (14, 14') werden in der in Figur 13 gezeigten Ausführungsform mit Schrauben befestigt und können damit leicht an die Grösse der Probe (1) angepasst werden, denn diese sollte nicht über die Drehachse (17) hinaus reichen.
Der untere Kraftarm (2) der Probe (1) wird ebenso in den Probenträger (15') im unteren Teil der Belastungseinrichtung befestigt. Dieser untere Teil ist spiegelbildlich gleich dem oberen Teil und wird meist am Actuator der Prüfmaschine mit der Ankopplung 12'befestigt. Werden nun von der Prüfmaschine Bewegungen oder Kräfte in Form einer vertikalen linearen Bewegung (18) oder einer Drehbewegung (19) auf die Belastungsvorrichtung übertragen, so führt dies zu den oben beschriebenen Beanspruchungen der Probe (1).
Für die l-förmigen Proben (11) besteht die Beiastungsvorrichtung aus gleichen Teilen wie für die prismatische Proben (1) in Figur 13, jedoch mit dem Zusatz, dass in einem gewissen Abstand zu den Lagerböcken (14, 14') gleiche Lagerböcke noch einmal befestigt sind, wie dies in Figur 14 dargestellt ist. Damit können alle vier Kraftarme (2, 2') der t-förmigen Proben von Figur 9 bis 12 von Probenträgern (15,15') aufgenommen werden. Mit dieser Probenbefestigung wird bei einer linearen vertikalen Bewegung des oberen und unteren Teiles der Belastungseinrichtung gegeneinander eine reine Zugbeanspruchung auf die Probe (10) ausgeübt. Bei einer Drehbewegung (19) der Prüfmaschine wird eine Scherbeanspruchung auf die Probe übertragen.
Kraftmessdose und auch Acutatoren von hydraulischen Maschine sind in der Aufnahmefähigkeit von Seitenkräften meist begrenzt. Treten daher zu grosse Seitenkräfte, die durch die zur Drehachse einseitige Kraftübertragung in der Belastungsvorrichtung hervorgerufen werden, auf, dann kann auch im gleichen Abstand zur Drehachse spiegelbildlich eine zweite Probe gespannt werden. Damit kommt es zu einer Kraftsymmetrie bezüglich der Drehachse. In Figur 13
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sind daher auch Bohrungen (20) zur Befestigung von Lagerböcken in den Spannplatten (13, 13') an ihren beiden Enden vorgesehen.
Als Alternative zur Ausführung der Belastungseinrichtung für die quaderförmige Probe (1) mit einem Gelenk ist diese auch mit zwei Gelenken vorteilhaft. In Figur 15 ist eine solche Ausführung dargestellt. In den Probenhaltem (15, 151 ist ein weiteres Gelenk eingebaut und zwar so, dass sich ein Probenhaltereinsatz (21,21') um eine vertikale Achse drehen kann. In diesem Probenhaltereinsatz (21, 21') wird dann der Kraftarm (2, 2') der Probe eingeschoben und befestigt.
Die Zweigelenk-Belastungseinrichung ist besonders dann erforderlich, wenn Modus 111 oder Mixed Modus Prüfungen durchgeführt werden und die Proben (1) schlank sind und der Probenwerkstoff einen niedrigen E-Modul hat (da in diesem Fall mit einer stärkeren Verbiegung der Kraftarme (2) zu rechnen ist)
Die Befestigung der Lagerböcke (14, 14') mit den Probenträgern (15, 151 und den Gelenken kann durch jede Art der steifen Befestigung (im folgenden mit Aufspanneinrichtung bezeichnet) vorgenommen werden So z. B. durch eine Schraubverbindung (20, 20') oder durch Nuten mit rechteckigem bzw. schwalbenschwanzartigen Führungen usw.
Wird von der quaderförmigen Probenform (1) abgegangen und werden zylindrische Proben eingesetzt, müssen nur die Probenhalterungen (15, 15') den neuen Proben angepasst werden, d. h. z. B. der rechteckige Querschnitt auf halbrund verändert werden, damit die Kraftarme an der Stirnseite eines Zylinders in den Probenhalterungen spielfrei befestigt werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Belastungseinrichtung zur Prüfung von mechanischen und bruchmechanischen
Kennwerten bei einfacher und überlagerter Beanspruchung, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kraftankopplungsstellen (12,12') von Prüfmaschinen Spannplatten (13 ; 13') befestigt sind, auf denen jeweils zwischen zwei variabel anordbaren Lagerböcken (14 ; 14') wenigsten ein um eine parallel zur Spannplatte (13) verlaufenden Drehachse gelagerter, rahmenförmiger Probenträger (15, 15') angeordnet ist.