AT409038B - Keilspaltbruchprüfeinrichtung für kombinierte beanspruchung - Google Patents

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Description


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   Die Erfindung betrifft eine   Bruchprüfeinrichtung   nach dem Keilspaltprinzip zur Ermittlung von mechanischen und bruchmechanischen Kennwerten an Werkstoffen und Werkstoffverbunden, sowie an Bauteilen bei kombinierter (gemischter) Beanspruchung, wie z. B. Rissöffnungmodus und Schermodus. 



   Der Stand der Technik Ist durch die AT-PS 390 328,396997 und 402767 sowie die dort zitierte Literatur gegeben. In den Probekörper, der meist mit einer Nut und einer Starterkerbe versehen ist, wird eine Belastungseinrichtung eingelegt, die aus zwei Kraftübertragungsstücken, sowie aus einem meist schlankeren Keil besteht. Auf den Keil wird durch eine Prüfmaschine eine Druckkraft ausgeübt und damit der Keil in den Zwischenraum der beiden   Kraftübertragungsstücke   gedrückt. 



  Dabei wird auf die Probe eine von beiden Keilflächen symmetrisch horizontal verlaufende Kraft übertragen. Ebenso werden zwei kleinere Kräfte in vertikaler Richtung auf den Probekörper ausge- übt. Die horizontalen Kräfte spalten den Probekörper im Rissöffnungsmodus (in der Fachsprache auch Modus 1 genannt). Die vertikal wirkenden Kräfte stabilisieren den Rissverlauf in der Ebene, die durch die Starterkerbe und die linienförmige Auflage gegeben ist (in der Fachsprache Ligamentebene bezeichnet). Die vertikalen Kräfte wirken symmetrisch auf den Probekörper, führen daher nicht zu einer Änderung des Belastungsmodus und sind im Vergleich zur Druckfestigkeit der Werkstoffe meist so klein, dass sie vernachlässigt werden können. Dieser Sachverhalt ist durch experimentelle Befunde nachgewiesen worden (Tschegg E.

   K., New Equipment for Fracture Tests on Concrete, Materials Testing (Materialprüfung), 33 (1991), p 338-342). Zur Reduzierung der Reibung zwischen Keil und Übertragungsstücken bis auf eine vernachlässigbare Grösse können verschiedene Massnahmen getroffen werden. Je nach Belastungseinrichtung werden auf einfache Weise Rollen   (z. B.   AT-PS 402 767) oder mehrere Rollkorper in Form von Rollenlagern (AT-PS 396997) zwischen Keil und   Übertragungstücken   dazwischen geschaltet. 



   Der Werkstoff oder der Bauteil wird beim herkömmlichen Keilspaltversuch unter reiner Modus   I   Beanspruchung geprüft. Diese Beanspruchung tritt wohl in der Praxis auf, jedoch am häufigsten sind kombinierte Beanspruchungen (Mixed-Modus) anzutreffen,   d. h.   eine Überlagerung von   z. B   dem Rissöffnungsmodus (Modus   I)   und einem Schermodus (Modus 11). Grundsätzlich sollten Werkstoffe so geprüft werden, wie sie tatsächlich im Einsatz beansprucht werden. Mit den bisher bekannten Keilspaltverfahren können Bruchprüfungen für Mixed-Modus-Beanspruchung nicht durchgeführt werden.

   Dies ist auch ein Nachteil der herkömmlichen   Keilspalt-Prüfeinnchtungen.   Für viele Prüfungen im Bereich von Forschung und vor allem Praxis sind Modus   1- in   Kombination mit Modus 11 Beanspruchungen von grosser Bedeutung. Es ist daher der Bedarf an   Prüfeinrichtungen,   die definierte Mixed-Modus Beanspruchung an herkömmlichen Probekörperen zulassen, gegeben. 



  Prüfeinrichtungen für Mixed-Modus-Beanspruchung sollten folgende Voraussetzungen   erfüllen :  
1 Sollen einfache Bauart und einfache Wirkungsweise aufweisen, wie dies bisher bei den
Modus   I   Keilspaltversuchen der Fall war. 



   2 Sollten von   ungeschultem   Personal bedienbar sein, und die Montage der Belastungsein- richtung sollte schnell und unkompliziert durchgeführt werden können. 



   3 Das Beanspruchungsverhältnis im Mixed-Modus-Fall, wie   z. B.   von Modus   I   und Modus 11, sollte während des Versuches konstant gehalten werden, damit physikalisch definierte
Prüfbedingungen gegeben sind. 



   4 Probekörperform und-grosse, wie in den bisherigen Keilspaltversuchen verwendet, sollten weitgehend unverandert bleiben Auch sollten Bauteile für eine Mixed-Modus-Prüfung nicht ausgeschlossen sein
5. Die Prüfanordnungen sollten in herkömmlichen mechanischen oder hydraulischen Prüf- maschinen einsetzbarsein, d. h. ohne besondere Zusatzeinrichtungen und Steuerelektronik die Prüfung durchführbar sein. 



   Diese Anforderungen können alle bisher bekannten Keilspaltverfahren nicht   erfüllen.   Das Prinzip der herkömmlichen Keilspaltprüfeinrichtungen sieht eine symmetrische Krafteinleitung vor und lässt daher keine Mixed-Modus Beanspruchung zu. 



   Die   erfindungsmässige   Prüfeinrichtung vermeidet diesen Nachteil, indem ein Keil mit einem ein- seitigen Keilwinkel in der Keilspalteinrichtung verwendet wird   (d. h.   der Winkel erstreckt sich nur auf eine Seite zur Symmetrieebene des Keils ; im   folgenden "halbseitiger Keil"genannt)   und die Auflage des Probekörper besteht nicht nur aus einer linienförmigen Auflage, wie bei herkömmlichen
Keilspaltprüfungen, sondern aus mindestens zwei Auflagen oder auch einer flächenhaften Auflage 

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 in der Prüfmaschine. Diese Auflage kann bis zur oder über der Mittelachse des Prüfkörpers hinausragend ausgeführt sein.

   Ebenso alternativ kann die Auflage aus zwei linienförmigen Stäben bestehen, wobei einer davon in oder auch ausserhalb der Flucht der   Pröbekörpermittelline   liegen kann. 



   Damit der Probekörper bei einer   flächenförmigen   bzw.   linienförmigen   Auflage, die bis zur Mitte des Probekörper reicht, während der Prüfung nicht zum Kippen kommt, wird der Probekörper mit einer einfachen Klemmeinrichtung, die   z. B.   aus Gewindestangen, Muttern und einem Klemmbügel (Pratze) bestehen kann, an der Auflage befestigt. 



   Eine Änderung der Mixed-Modus Beanspruchung (Verhältnis von Modus   I   zu Modus 11) kann durch Veränderung des Winkels des einseitigen Keiles erreicht werden. Bei einem spitzen Keilwin-   kel   ist der Modus li-Anteil gering gegenüber dem Modus   1-Anteil.   Ist der Winkel des Keils eher stumpf, dann ist der Anteil von Modus 11 gross. Die Anteile der Moden können auf einfache Weise durch eine Berechnung über den Keilwinkel bestimmt werden. Das Verhältnis der Beanspruchung ist dann während der Prüfung konstant und durch den Winkel des halbseitigen Keiles vorgegeben. 



  Somit sind beliebige Kombinationen von Beanspruchungen bei Prüfungen mit dem Keilspaltverfahren (Modus   I   mit überlagertem Modus 11) möglich. 



   Eine Änderung der Mixed-Modus Beanspruchung wird auf sehr einfache Weise erreicht. Es muss nur der halbseitige Keil mit einem entsprechenden Keilwinkel der Prüfeinrichtung ausgetauscht werden, die Kraftübertragungsstücke sowie Probekörper Form und Grösse sowie weitere Versuchs- und Messeinrichtungen können unverändert belassen werden. 



   Die Ankopplung des Keiles an die Prüfmaschine kann vorzugsweise über ein Kugelgelenk erfolgen und damit sichergestellt werden, dass keine Querkräfte auf die Kraftmessdose ausgeübt werden und die Probenpositionierung in der Prüfmaschine schneller und unkomplizierter durchgeführt werden kann. Auch ist durch das Kugelgelenk die Anpassung der Lage des Keils an die beiden Kraftübertragungsstücke selbsttätig gewährleistet. 



   Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass alle Vorteile des herkömmlichen Keilspaltverfahrens, das dem Stand der Technik entspricht (AT-PS 390 328,396997 und 402767 sowie die dort zitierten Literatur), bei der neuen Prüfeinrichtung nutzbar bzw. erhalten geblieben sind und hier nicht mehr detailliert angeführt werden. Diese Einrichtung erfüllt daher alle oben genannten Voraussetzungen. Auch ist die Prüfung von zylinderförmigen Bohrkernen, prismatischen und würfelförmigen Probekörpern, sowie Bauteilen möglich. Die Prüfung kann auch bei hohen oder niederen Temperaturen, wie bei herkömmlichen Keilspalteinrichtungen, ohne besondere Zusatzeinrichtungen durchgeführt werden. 



   Die Ankopplung des Keils an die Prüfmaschine kann so erfolgen, dass bestimmte Bewegungsmöglichkeiten erhalten bleiben. Dies kann auf verschiedene Arten erfolgen. Ein Beispiel besteht darin, dass die Kraft von der Prüfmaschine über einen zylindrischen Teil, der mit der Mantelfläche auf den Keil aufliegt, übetragen wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, in der Mitte des Keils einen Bolzen zu befestigen, auf dem ein Gelenk aus zwei Kugelkalotten gesteckt wird. Die obere
Kugelkalotte ist wiederum an der Kraftmessdose bzw. an der Maschine befestigt. Damit ist sichergestellt, dass der Keil ausreichende Bewegungsmöglichkeiten behält und auf die Kraftmessdose keine Biegemomente übertragen werden. 



   Das Verkippen des Keiles während einer Bruchprüfung kann   z. B.   durch das Anbringen einer zweiten Kraftübertagungsebene im Kraftübertragungstück (Einbau von zwei untereinander liegen- den Wälzkörpern), das dem ebenen Teil des Keiles zugewandt ist, verhindert werden. 



   Wird eine   erfindungsmässige   Auflage in Kombination mit einem zweiseitigen Keil verwendet, dann wird ebenso eine Mixed Modus Beanspruchung der Probe hervorgerufen, wodurch eine eventuell bereits vorhandene Modus   I   Prüfeinnchtung auf einfachsten zu modifizieren ist. 



   Die neue Einrichtung eignet sich besonders für alle Arten von Werkstoffen und Werkstoff- verbunden, insbesondere für isotrope (wie Metalle, Keramiken, Kunststoffe usw. ), anisotrope und orthotrope Werkstoffe (wie Holz, Holzwerkstoff, zementgebundene Werkstoffe, bituminöse Werk- stoffe, Gesteine, Feuerfestwerkstoffe, faserverstärkte Werkstoffe und alle Arten von Verbundwerk- stoffen und Werktoffverbunden, usw. ) zur Prüfung der mechanischen und bruchmechanischen
Eigenschaften. Ebenso eignet sich die neue Einrichtung zur Prüfung der mechanischen und bruch- mechanischen Verbundeigenschaften von Schichtverbunden (inklusive   Löt-,     Schweiss- und Klebe-   verbindungen) und Beschichtungen (Interface-Prüfungen) aller vorgenannten Werkstoffklassen. 

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  Bei dieser Art der Prüfung kann   z. B.   durch eine Mixed-Modus Beanspruchung auch der Einfluss einer Schubspannung, die durch Schwinden bei zementgebundenen Werkstoffen zwischen den beiden Werkstoffen des Verbundes entstanden ist, simuliert bzw. deren Einfluss geprüft werden. 



  Auch die Untersuchung und Prüfung einer Materialtrennung bzw. spanabhebenden Bearbeitung durch ein oder mehrere keilförmige Messer (Dreh- und Fräsenmesser) wird durch den erfindungsgemässen Keilspaltversuch ermöglicht und die mechanische Beanspruchung der Messer und des Werkstoffes der Realität entsprechend simuliert. Es kann daher der Keilspaltversuch mit einem halbseitigen Keil auch ohne Kraftübertragungsstücke durchgeführt werden. In diesem Fall tritt jedoch Reibung zwischen dem Keil und dem Werkstoff (dem Span, der Schneidfläche und dem Messer) auf, die nicht unbeachtet bleiben darf. 



   Die Erfindung wird im folgenden an Hand der In den Figuren 1 bis 4 dargestellten Beispiele näher erläutert. Es zeigt die Figur 1 eine schematische Darstellung einer   erfindungsmässigen   Prüfeinrichtung mit einer flächenhaften Auflage des Probekörpers, die bis zur Mittellinie des Probekörpers reicht, Figur 2 zeigt die Variante mit einer Auflage, die über die Mittellinie des Probekörpers sich erstreckt, Figur 3 stellt die wirkenden Kräfte am halbseitigen Keil dar und Figur 4 zeigt die Anbringung einer zweiten Kraftübertragungsebene im Kraftübertragungstück. 



   In Figur 1 ist auf eine Unterlage (1) der Probekörper (2) auf eine flächenförmige Auflage (3) gelegt, die das Ausmass einer Hälfte des Probekörper besitzt und sich bis zur Symmetrieachse (4) des Probekörpers erstreckt. In die rechteckige Ausnehmung des Probekörpers (2) werden Kraft- übertragungsstücke (5) gelegt. Diese sind zur Verringerung der Reibung   z. B. mit Wälzkörpern   (14) (einfache Rollen bis Zylinderrollenlager) versehen. Zwischen diesen Kraftübertragungsstücken (5) wird ein halbseitiger Keil (6) derart eingelegt, dass die Symmetrieebene (4) des Probekorpers und die des Keils (6) parallel verlaufen,   d. h.   der halbseitige Keil auf die Seite des Probekörper gerichtet ist, die nicht durch die Auflage (3) abgestützt ist.

   Auf den Keil (6) wirkt die Kraft FM (7), die den Probekörper über die Belastungseinheit (Keil + Kraftübertragungsstücke) ausgehend von der Starterkerbe (8) spaltet. Damit der Probekörper während der Prüfung nicht zu kippen beginnt, wodurch eine Undefinierte Beanspruchung des Prüfkörpers verursacht würd, wird dieser durch eine Halterung auf die Unterlage (1) bzw. flächenförmige Auflage (3) fixiert. Dies wird   z. B.   mit Gewindestangen (9, 10), mindestens einer Pratze (11) und Muttern (12) erreicht. 



   Figur 2 zeigt den Probekörper (2), der nun auf einer flächenformigen Auflage (3) aufliegt, die grösser ist als der halbe Probekörper und daher über die Symmetrielinie (4) des Probekörpers hinaus reicht. Bei dieser Auflage kann eventuell auf die Halterung (9, 10, 11, 12) verzichtet werden, da ein Verkippen des Probekörpers nicht mehr auftreten sollte. Die Auflage (3) sollte aus messtechnischen Gründen nicht zu weit über die Symmetrielinie (4) des Probekörpers (2) hinausreichen. 



   Alternativ dazu ist es auch möglich, den Probekörper (2) auf zwei linienförmigen Auflagern abzustützen Diese Auflager sind dann an anstelle der beiden Enden der   flächenförmigen   Auflage (3) anzuordnen. 



   Figur 3 zeigt die wirkenden Kräfte bei der Prüfung am halbseitigen Keil (6). Die aufgebrachte Maschinenkraft FM (7) ruft zwei gleich grosse horizontal wirkende Kräfte FH (15,15') und eine vertikal wirkende Kraft Fv (16) hervor. Die horizontal wirkenden Kräfte (15, 15') werden auf die Rollkörper (14), in diesem Beispiel als einfache Rollen ausgeführt,   ubertragen,   und dies führt über die   Kraftübertragungsstücke   zur Spaltung des Probekörpers unter Modus   I   Beanspruchung. Die vertikal wirkende Kraft (16) kann nur an die Rolle (14) übertragen werden, hingegen existiert diese Kraft nicht an der Rolle (14'). Es wird daher der Probekörper auf Scherung, also in Modus 11 beansprucht. 



   Figur 4 zeigt den halbseitigen Keil (6) mit zwei Kraftübertragungsebenen im Kraftübertragungsstück (5'). Das Kraftübertragungsstück (5') enthält dann zwei   Rollkörper   (14'). 

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Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Bruchprüfeinrichtung nach dem Keilspaltpnnzip zur Ermittlung von mechanischen und bruchmechanischen Kennwerten an Werkstoffen und Werkstoffverbunden, sowie an Bau- teilen, bestehend aus Keil und Kraftübertragungsstücken, dadurch gekennzeichnet, dass der Keil (6) als halbseitiger Keil ausgeführt ist und der Probekörper (2) durch eine Halte- <Desc/Clms Page number 4> rungsvorrichtung (9, 10, 11, 12) auf eine flächenhafte Auflage (3) gedrückt wird.
  2. 2. Bruchprüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager (3) bis zur Symmetrielinie (4) des Probekörpers (2) aus mindestens zwei linienförmigen Auf- lagern ausgeführt ist.
  3. 3. Bruchprüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager (3) über die Symmetrielinie (4) des Probekörpers (2) reicht.
  4. 4. Bruchprüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager (3) über die Symmetnelinie (4) des Probekörpers (2) hinausgehend aus mindestens zwei lino- enförmigen Auflagern ausgeführt ist (Fig. 2).
  5. 5. Bruchprüfeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- übertragung am Kraftübertragungsstück (5') über zwei untereinander liegende Wälzkörper (14') auf die Fläche (4') des ebenen Teiles des Keils (6) erreicht wird (Fig. 4).
  6. 6. Bruchprüfeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Probekörper (2) zusammenwirkende Keil (6) als zweiseitiger Keil ausgebildet ist
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105067433A (zh) * 2015-08-05 2015-11-18 东莞市万科建筑技术研究有限公司 材料抗开裂性测试设备及建筑面层材料测试方法
CN105067433B (zh) * 2015-08-05 2018-08-31 东莞市万科建筑技术研究有限公司 材料抗开裂性测试设备及建筑面层材料测试方法

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