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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Bruchfestigkeit von spröden Werkstof- fen, insbesondere von Keramik.
Weiters umfasst die Erfindung eine Einrichtung zur Bestimmung der Bruchfestigkeit von sprö- den Werkstoffen mittels scheibenförmiger Probekörper.
Die Verwendbarkeit und die anwendungsorientierte Schaffung von Sonderwerkstoffen basiert auf dem Eigenschaftsprofil von aus diesen Werkstoffen gebildeten Teilen. Einen wichtigen Bereich in diesem Eigenschaftsprofil stellen die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Bruchfes- tigkeit der Werkstoffe dar.
Die Bruchfestigkeit von Proben aus spröden Werkstoffen wird in der Regel mit Proben in einem 4-Punkte-Biegeversuch entsprechend der Norm EN 843-T1 ermittelt. Der Probekörper weist dabei die Form eines Stabes mit rechteckigem Querschnitt auf, in welchem Prüfstab bei der Prüfung bis zum Bruch durch eine Einwirkung von vier Belastungsmittel ein einachsiger Spannungszustand erstellt wird.
Soll nun beispielsweise an dünneren Materialien die Bruchfestigkeit ermittelt werden, so sind entweder eigens normgerechte Proben herzustellen, was oft nicht möglich ist, oder aus dem vor- liegenden Material sind Sonderproben herauszuarbeiten und diese nicht der Prüfnorm entspre- chenden Sonderproben einer 4-Punkt-Biegeprüfung zu unterwerfen.
Ein Verfahren und ein Vorrichtung zur direkten Bestimmung der Spankantenfestigkeit und der Klemm- bzw. Montagefestigkeit von prismatischen Keramikschneidplatten von spanabhebenden Werkzeugen wurde in der US 4 552 024 A vorgeschlagen. Allerdings ist diese System nicht für eine Feststellung von Werkstoffeigenschaften und zwar der Bruchfestigkeit von spröden Materia- lien geeignet.
Weil nun gerade die Oberflächenausbildung von Teilen aus spröden Werkstoffen eine Rissiniti- ation bei einer Zugbelastung und somit die Bruchfestigkeit stark beeinflusst, können oberflächen- bedingt auch Fehlmessungen und ungenaue Messergebnisse entstehen.
Eine die Probendicke überschreitende Dicke eines Teiles erlaubt zwar ein Herausarbeiten von Normproben aus diesem, führt aber zu einer Probe mit bearbeiteter Oberfläche, welche nicht der Oberflächenausführung am Teil entspricht und derart, wie früher erwähnt, wieder auf die Erpro- bungsergebnisse Einfluss nehmen kann.
Die Erfindung bezweckt nun die Vermeidung der Nachteile und setzt sich zum Ziel, ein Be- stimmungsverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches auf einfache Weise für spröde Werkstoffe genaue Prüfergebnisse für die Bruchfestigkeit von aus diesen gefertigten Teilen erbringt und dabei vorteilhaft einen zweiachsigen Spannungszustand im Probenkörper nutzt.
Weiters liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemässe Vorrichtung zu schaf- fen, mit welcher mit hoher Genauigkeit wirtschaftlich eine Prüfung der Bruchfestigkeit spröder Werkstoffe durchgeführt werden kann.
Dieses Ziel wird bei einem gatttungsgemässen Prüfverfahren dadurch erreicht, dass ein aus dem Werkstoff erstellter scheibenförmiger Probekörper mit einer Dicke (t) einerseits axial zentrisch und auf der gegenüberliegenden Seite konzentrisch winkelgleich an drei Punkten ausschliesslich achsparallel bis zum Bruch desselben belastet, die maximale Last (F) gemessen und die Span- nung SIGMA ( ) beim Bruch aus der Beziehung: max = f F/t2 ermittelt werden, wobei der Faktor (f) den Einfluss der geometrischen Bedingungen der Prüfung, sowie der Querdehnungszahl des Werkstoffes auf das Spannungsfeld im Probekörper beschreibt.
Die erfindungsgemässen Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass es für einen schei- benförmigen Probekörper gelungen ist, mit einer Prüflastmessung, die Spannung SIGMA beim Bruch durch eine einfache Formelbeziehung unter Einführung eines Faktors, der den Einfluss der Geometrie und des Probematerials auf das zweiachsige Spannungsfeld kennzeichnet, zu ermitteln.
Dabei ergibt sich der Faktor (0 aus den geometrischen Parametem gemäss dem Zusammen- hang
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wobei dem Einfluss des Probematerials, gekennzeichnet durch die Querdehnungszahl (V), durch von dieser abhängigen dimensionslosen Konstanten Rechnung getragen wird.
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<tb> v <SEP> = <SEP> 0. <SEP> 2 <SEP> v <SEP> = <SEP> 0. <SEP> 25 <SEP> v <SEP> = <SEP> 0. <SEP> 3 <SEP> v <SEP> = <SEP> 0. <SEP> 2 <SEP> v <SEP> = <SEP> 0. <SEP> 25 <SEP> v <SEP> = <SEP> 0.3
<tb>
<tb> Co <SEP> -12. <SEP> 354 <SEP> -14. <SEP> 671 <SEP> -17. <SEP> 346 <SEP> c4 <SEP> 52. <SEP> 216 <SEP> 53. <SEP> 486 <SEP> 50. <SEP> 383
<tb>
<tb> c1 <SEP> 15. <SEP> 549 <SEP> 17. <SEP> 988 <SEP> 20. <SEP> 774 <SEP> c5 <SEP> 36.554 <SEP> 36. <SEP> 01 <SEP> 33. <SEP> 736
<tb>
<tb> C2 <SEP> 489. <SEP> 2 <SEP> 567. <SEP> 22 <SEP> 622. <SEP> 62 <SEP> c6 <SEP> 0. <SEP> 082 <SEP> 0.
<SEP> 0709 <SEP> 0.0613
<tb>
<tb> c3 <SEP> -78. <SEP> 707 <SEP> -80. <SEP> 945 <SEP> -76. <SEP> 879
<tb>
Formelzeichenliste:
F = Faktor zur Beschreibung des Einflusses der Geometrie und des Probenma- terials auf das Spannungsfeld
F = Last
T = Scheibendicke
R = Scheibenradius
Ra = Auflageradius
V = Querdehnungszahl des Probenmaterials
Co bis c6 = dimensionslose Konstanten (siehe Tabelle)
Obige Zusammenhänge gelten für eine Querdehnungszahl (V) des Probematerials im Bereich zwischen 0,2 bis 0,3, wobei gleichzeitig die Werte von
Ra/R = 0,55 bis 0,90 t/R = 0,05 bis 0,60 erreicht sein müssen.
Ein grosser Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist auch darin zu sehen, dass durch die Positionierung der Probescheibe auf drei konzentrisch angeordneten Auflagepunkten und durch die Krafteinleitung über einen gegenüberliegenden zentrischen Punkt die Gegebenheiten bei der Krafteinleitung sehr genau definiert sind. Kleine Ungenauigkeiten, wie zum Beispiel eine Unebenheit der Probenfläche, wirken sich nur unwesentlich auf die Messgenauigkeit aus. Somit können auch Probescheiben mit belassener Oberfläche geprüft werden, was für eine Ermittlung der Bruchfestigkeit von Keramiken und anderen Sinterwerkstoffen vorteilhaft ist, weil dadurch eine aufwendige und teure und gegebenenfalls die Messwerte verfälschende Oberflächenbearbeitung entfallen kann.
Die oberflächennahen Bereiche eines Sinterkörpers können andere mechanische Eigenschaften aufweisen als dessen Innenteil, sodass für einen praktischen Einsatz des Körpers allenfalls eine Prüfung unter Einbeziehung dieser Oberflächenbereiche angestrebt wird.
An der Oberfläche bzw. in der oberflächennahen Zone eines Teiles oder Bauelementes ergibt sich bei einer mechanischen Beanspruchung, aber auch bei einer thermischen Belastung, zum Beispiel bei einem Abkühlthermoschock, zumeist ein zweiachsiger Spannungszustand, der wie vielfach angestrebt, mittels des erfindungsgemässen Prüfverfahrens vorteilhaft im Prüfkörper vorliegen kann.
Zur Steigerung der Prüfgenauigkeit ist es günstig, wenn die Last (F) beim Prüfvorgang mit einer derartigen Geschwindigkeit aufgebracht wird, dass der Bruch des Probekörpers innerhalb von 5 bis 15 Sekunden nach Beginn der Prüflastbeaufschlagung erfolgt.
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Genaue Messwerte können mit Vorteil ermittelt werden, wenn der Probekörper zentrierend gehalten und mit einer stabilisierenden Vorlast beaufschlagt wird, worauf eine Deaktivierung der Zentrierung und eine Belastung des Probekörpers bis zum Bruch erfolgen.
Gemäss einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens im Hinblick auf eine gleichbleibend genaue, sowie reproduzierbare Einstellung der Prüfgeometrie kann vorgesehen sein, dass die bei der Bestimmung der Bruchfestigkeit des Werkstoffes an einer Seite des Probekörpers vorgenommene ausschliesslich achsparallele konzentrische Druckbelas- tung mittels drei dimensionsgleicher, auf einer achsnormalen Unterlage frei beweglicher Kugeln aufgebracht wird.
Die weitere Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Bestimmung der Bruchfestigkeit von spröden Werkstoffen, insbesondere von Keramik, mittels scheibenförmiger Probekörper zu schaf- fen, wird dadurch gelöst, dass der scheibenförmige Probekörper 7 zwischen zwei anstellbaren Prüfstempeln, der die Prüflast erstellende Prüflastkörper 1,2,3,4 auf den zentrierten Probekörper auf einer ersten Seite axial zentrisch und auf der gegenüberliegenden zweiten Seite achsparallel konzentrisch winkelgleich auf drei Punkte desselben gerichtet sind, wobei der axial zentrisch auf den Probekörper gerichtete Prüflastkörper eine Kugelform aufweist und gegebenenfalls in einer Vertiefung der Stempelfläche positioniert ist, die auf drei Punkte des Probekörpers konzentrisch gerichteten Prüflastkörper aus drei abmessungsgleichen Kugeln,
die einander berühren und auf einer achsnormalen ebenen Stempelfläche liegen, gebildet sind und dass zwischen den Prüfstem- pein ein Zentrierkörper für eine Positionierung des Probekörpers und der Prüflastkugeln angeord- net ist, welche Zentrierkörper jeweils axial eine Ausnehmung zur Halterung des Probekörpers und einen Hohlraum mit einem Durchmesser, der dem Aussendurchmesser von drei sich berührenden Prüfkugeln entspricht, aufweist, wobei der Zentrierkörper in Achsrichtung verschiebbar ist.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass mit der Prüfeinrichtung eine hohe Genauigkeit der Messwerte reproduzierbar, mit nur geringer Wirkung von störenden Einflüssen, wie zum Beispiel eine Unebenheit der Probenoberfläche, ist. Eine Bruchfestigkeitsermittlung kann mit der Vorrichtung besonders einfach und schnell mit hoher Präzision durchgeführt werden. Die Prüfung eignet sich dabei für sehr unterschiedliche Verhältnis- se von Radius der Probenscheibe zu deren Dicke, weil auf einfache Weise die Einrichtung dafür adaptierbar ausführbar ist. Dabei ist im Hinblick auf eine Senkung der Zugspannungen (Hertz'sche Spannungen) im Lasteinleitungsbereich eine günstige Lastmittelform gegeben.
Die auf Grund der Verformung der Probescheibe in dieser im Bereich der Lasteinbringung ent- stehenden Zugspannungen bzw. Hertz'schen Spannungen sind um so grössere kleiner der Radius der Prüfmittel ist. Um einen unerwünscht vorzeitigen Bruch der Probe bei der Prüfung zu vermei- den, ist dieser Radius entsprechend gross zu wählen.
Eine besonders einfache und wirtschaftliche Ausführungsform der erfindungsgemässen Prüfein- richtung kann erstellt werden, wenn die auf drei Punkte des Probekörpers konzentrisch achsparal- lel gerichteten Prüflastmittel aus drei abmessungsgleichen Kugeln, die einander berühren und auf einer achsnormalen ebenen Stempelfläche anliegen, gebildet sind.
Dabei ist von Vorteil, wenn das achsial zentrisch auf den Probekörper gerichtete Prüflastmittel eine Kugelform, insbesondere eine den anderen Prüflastmittel entsprechende Kugelabmessung aufweist und gegebenenfalls in einer Vertiefung der Stempelfläche positioniert ist. Eine Kugelform des zentrisch wirksamen, die Prüflast auf den Probekörper aufbringenden Prüflastmittel kann wirtschaftlich begründet sein, wobei eine Vertiefung in der Stempelfläche eine stabilisierende Wirkung auf die Prüfanordnung ausübt, ohne dabei die Messgenauigkeit zu beeinflussen.
Die Genauigkeit der Bruchfestigkeitsbestimmung wird nach der Erfindung dadurch gefördert, dass zwischen den Prüfstempeln ein Zentriermittel für eine Positionierung des Probekörpers und der Prüflastkugeln angeordnet ist, welches Mittel jeweils axial eine Ausnehmung zur Halterung des Probekörpers und einen Hohlraum mit einem Durchmesser, der dem Aussendurchmesser von drei sich berührenden Prüfkugeln entspricht, aufweist und für den Prüfvorgang deaktivierbar bzw. von der Oberfläche der Prüfkomponenten entfernbar ist. Das Zentriermittel ermöglicht auf einfache Weise eine hohe geometrische Genauigkeit, dies bedeutet eine geringe Abweichung der IST-Geometrie von der SOLL-Geometrie der Prüfungsanordnung, woraus äusserst geringe Mess- fehler resultieren.
Als günstige Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Zentrierkörper in Achsrichtung
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verschiebbar rohrförmig mit drei zylindrischen Bereichen mit unterschiedlichen Innendurchmessern ausgebildet ist, wobei ein Bereich einen Durchmesser entsprechend dem Aussendurchmesser von drei sich berührenden Prüfkugeln und eine Mindestlänge entsprechend dem Prüfkugelradius plus der Probekörperdicke aufweist, ein Zwischenbereich einen Durchmesser des Probekörpers und eine Länge etwa gemäss der Probekörperdicke besitzt und ein weiterer Bereich, der mit einem Durchmesser, entsprechend dem einer Prüfkugel und einer Länge entsprechend derjenigen des gegenüberliegenden Endbereiches, geformt ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung betreffend kann fest- gestellt werden, dass die neue Prüftechnologie zur Ermittlung der Bruchfestigkeit von spröden Werkstoffen sich für sehr unterschiedliche Geometrien der Scheiben-Probekörper bzw. unter- schiedliche Verhältnisse von Radius und Höhe derselben eignet und für grosse aber auch für kleine Proben mit einem Scheibendurchmesser von wenigen Millimetern, was durch die zunehmende Miniaturisierung der technischen Einrichtungen vermehrt wichtig wird, Vorteile bei der Materialun- tersuchung bringt. Die Erfindung kennzeichnet eine einfache, zeitsparende und wirtschaftliche Prüftechnik, die besonders bei einer Untersuchung von flächigem Material aus keramischen Werk- stoffen Vorteile bietet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Prüfeinrichtung im Schnitt Fig. 2 eine Positionierung der kugelförmigen prüflasterstellenden Mittel
In Fig. 1 ist eine Prüfanordnung im Längsschnitt mit einer Probe und mit einem kugelförmigen eine Prüflast auf diese axial zentrisch erstellenden Prüflastkörper 1 einerseits, sowie mit drei di- mensionsgleichen konzentrisch angeordneten Prüflastkörpem 2,3,4 in Kugelform andererseits der Probe dargestellt.
Die axial positionierte Prüflastkugel 1 ist von einem Prüfstempel 5 gestützt und trägt an der gegenüberliegenden Seite eine Probe 7 zentrisch, auf welcher Probe 7 drei gleich grosse Kugeln 2,3,4, die einander berühren und deren Berührungspunkte mit der Probe 7 konzen- trisch auf einem Kreis mit einem Durchmesser von 2 Ra liegen, situiert sind. Sowohl die Probe 7 als auch die Prüflastkugeln 1,2,3,4 werden mit einem Zentrierkörper 6 gehalten. Bei einer Bestim- mung der Bruchfestigkeit des Werkstoffes wird ein Gegenstempel 51 an die drei Prüflastkugeln 2,3,4 angelegt und die Prüfanordnung mit einer stabilisierenden Vorlast beaufschlagt.
In der Folge wird der Zentrierkörper 6 zum Prüfstempel 5 hin verschoben und dadurch die Probe 7 und die koaxial positionierten Prüflastkugeln 2,3,4 von der Halterung freigegeben, worauf die Belastung der scheibenförmigen Probe 7 bis zu deren Bruch durch die Annäherung der Prüfstempel 5;51 anein- ander erfolgt.
Fig. 2 zeigt in Draufsicht eine Probe 7 mit einem Durchmesser 2R und von dieser getragen drei einander berührende Prüflastkugeln 2,3,4, die auf der Probe 7 koaxiale Abstützpunkte auf dem Kreis mit einem Durchmesser 2 Ra besitzen.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Bestimmung der Bruchfestigkeit von spröden Werkstoffen, insbesondere von Keramik, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem Werkstoff erstellter scheiben- förmiger Probekörper mit einer Dicke (t) einerseits axial zentrisch und auf der gegenüber- liegenden Seite konzentrisch winkelgleich an drei Punkten achsparallel bis zum Bruch desselben druckbeaufschlagt, die maximale Last (F) gemessen und die Spannung SIGMA ( ) beim Bruch aus der Beziehung:
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ermittelt werden, wobei der Faktor (f) den Einfluss der geometrischen Bedingungen der
Prüfung, sowie der Querdehnungszahl des Werkstoffes auf das Spannungsfeld im Probe- körper beschreibt.