DD252437A1

DD252437A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR CONFUSING RICE PRODUCTION

Info

Publication number: DD252437A1
Application number: DD29407586A
Authority: DD
Inventors: Bruno Rufke; Wolfgang Grellmann; Hans-Joachim Wilke; Helmut Kassner
Original assignee: Tech Hochschule C Schorlemmer
Priority date: 1986-09-02
Filing date: 1986-09-02
Publication date: 1987-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermuedungsrisserzeugung in Pruefkoerpern unterschiedlicher Abmessungen, insbesondere aus Polymerwerkstoffen, um rissartige Fehler zu simulieren. Derartige Pruefkoerper dienen der Ermittlung von Werkstoffkennwerten mittels bruchmechanischer Werkstoffpruefmethoden. Das erfindungsgemaesse Verfahren realisiert eine zyklische Be- und Entlastung des Pruefkoerpers durch eine Zugkraft. Im Bereich der elastischen Deformation wird die Zugkraft kontinuierlich bis zur ersten Anrissbildung erhoeht und anschliessend in Abhaengigkeit von der Kerbtiefe stufenweise von Zyklus zu Zyklus herabgesetzt aber waehrend jedes Zyklus konstant gehalten. Zur stufenweisen Herabsetzung der Zugkraft wird ein momentaner Spannungsintensitaetsfaktor des Pruefkoerpers gemessen und als Regelgroesse fuer die Zugkraft waehrend der Risserzeugung eingebracht. Die Erfindung wird in Fig. 1 ausreichend beschrieben. Fig. 1The invention relates to a method and an arrangement for fatigue crack generation in test specimens of different dimensions, in particular of polymer materials, in order to simulate crack-type defects. Such test bodies serve to determine material parameters by means of fracture-mechanical material testing methods. The inventive method realizes a cyclic loading and unloading of the Pruefkoerpers by a tensile force. In the field of elastic deformation, the tensile force is continuously increased until the first tearing and then depending on the notch depth gradually reduced from cycle to cycle but kept constant during each cycle. For the gradual reduction of the tensile force an instantaneous stress intensity factor of the test piece is measured and introduced as a control quantity for the tensile force during the crack generation. The invention will be described sufficiently in FIG. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermüdungsrißerzeugung in standardisierten und anderen bruchmechanischen Prüfkörpern unterschiedlicher Abmessungen, insbesondere aus Polymerwerkstoffen, um fertigungs- und/oder beanspruchungsbedingte rißartige Fehler zu simulieren. Derartige Prüfkörper mit Ermüdungsriß sind zur Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte erforderlich, die in der Werkstoffentwicklung und für die bruchmechanische Sicherheitsbewertung Verwendung finden.The invention relates to a method and an arrangement for fatigue crack generation in standardized and other fracture mechanical test specimens of different dimensions, in particular of polymer materials, to simulate manufacturing and / or stress-induced crack-like defects. Such fatigue crack test specimens are required to determine fracture mechanics characteristics used in material development and fracture mechanics safety assessment.

Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, daß die Rißerzeugung durch Kurzzeitermüdung vorgenommen wird. Dabei wird der Prüfkörper in eine dynamische Werkstoffprüfmaschine eingespannt und in periodischen Be- und Entlastungszyklen konstanten Kraft-Zeit-Verlaufes bis zum Erreichen der notwendigen Rißlänge beansprucht.It is known that the crack generation is performed by short-term fatigue. The test specimen is clamped in a dynamic Werkstoffprüfmaschine and claimed in periodic loading and unloading cycles constant force-time course until reaching the necessary crack length.

Als dynamische Werkstoffprüfmaschinen werden üblicherweise servohydraulische Werkstoffprüfmaschinen verwendet. Im DE-PS 2821553 wird ein Verfahren zur Ermittlung von Anrissen an Prüfkörpern bei der dynamischen Werkstoffprüfung beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Prüfkörper während der Prüfung in seiner Eigenfrequenz angeregt und auf einen auftretenden Anriß aus der Änderung der Eigenfrequenz geschlossen wird. Die Anregung des Prüfkörpers in seiner Eigenfrequenz erfolgt durch Aufgabe dieser Eigenfrequenz über das Servoventil der dynamischen Werkstoffprüfmaschine oder mittels eines elektromagnetischen Schwingers, der auf den Arbeitskolben der dynamischen Werkstoffprüfmaschine wirkt oder mittels eines zusätzlichen hochfrequenten Servoventil, welches der Prüffrequenz des Arbeitskolbens die Eigenfrequenz überlagert.Servo-hydraulic material testing machines are usually used as dynamic material testing machines. In DE-PS 2821553 a method for determining cracks on specimens in the dynamic material testing is described, which is characterized in that the specimen is excited during the test in its natural frequency and is closed to an occurring crack from the change in the natural frequency. The excitation of the specimen in its natural frequency is performed by abandoning this natural frequency via the servo valve of the dynamic Werkstoffprüfmaschine or by means of an electromagnetic oscillator, which acts on the working piston of the dynamic Werkstoffprüfmaschine or by means of an additional high-frequency servo valve, which superimposes the natural frequency of the test frequency of the working piston.

Der wesentliche Nachteil der Rißerzeugung mittels dynamischer Kurzzeitermüdung besteht darin, daß sich das Spannungsfeld an der Rißspitze während der Rißerzeugung verändert und während der Rißerzeugung Undefinierte Vorschädigungen und strukturelle Änderungen des Werkstoffes auftreten.The main disadvantage of crack generation by means of dynamic short-term fatigue is that the stress field at the crack tip changes during crack generation and undefined pre-damage and structural changes of the material occur during the crack generation.

Von Nachteil ist weiterhin, daß die Rißerzeugung im Prüfkörper aus polymeren Werkstoffen bei niedrigen Frequenzen und/oder tiefen Temperaturen erfolgt, woraus notwendiger Weise ein erheblich höherer zeitlicher und/oder meßtechnischer Aufwand resultieren.A further disadvantage is that the generation of cracks in the specimen made of polymeric materials at low frequencies and / or low temperatures, which necessarily results in a much higher temporal and / or metrological effort.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren mit einer dazugehörigen Anordnung anzugeben, mit dem auf einfache und rationelle Weise eine reproduzierbare Rißerzeugung in standardisierten und anderen bruchmechanischen Prüfkörpern, insbesondere aus Polymerwerkstoffen ermöglicht wird.The aim of the invention is to provide a method with an associated arrangement, with a simple and efficient way a reproducible crack generation in standardized and other fracture mechanical test specimens, in particular of polymer materials is made possible.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, die auf der Basis einer zyklischen Be- und Entlastung einen scharfen Riß durch einen Rißeinbringungsvorgang einbringt, der durch ein definiertes Spannungsfeld an der Rißspitze gekennzeichnet ist.The invention has for its object to provide a method and an arrangement which introduces a sharp crack on the basis of a cyclic loading and unloading by a Rißeinbringungsvorgang, which is characterized by a defined stress field at the crack tip.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Probe, die zuvor mit einem Ausgangskerb versehen wurde, in eine Anordnung gespannt wird, mit der eine zyklische Be-und Entlastung der Probe ermöglicht wird. Die Be-und Entlastung wirkt normal auf den Ausgangskerb in der Probe.The object is achieved according to the invention in that the sample, which was previously provided with a Ausgangsskerb, is stretched in an arrangement with which a cyclic loading and unloading of the sample is made possible. The charge and discharge acts normally on the initial score in the sample.

Die notwendige Zugkraft wird gemäß der Erfindung im Bereich der elastischen Deformation kontinuierlich bis zur ersten Anrißbildung erhöht. Erfindungsgemäß wird die Zugkraft anschließend in Abhängigkeit von der Rißtiefe von Zyklus zu Zyklus bezogen auf die Be- und Entlastung stufenweise herabgesetzt.The necessary tensile force is continuously increased according to the invention in the region of the elastic deformation to the first cracking. According to the invention, the tensile force is then gradually reduced as a function of the crack depth from cycle to cycle with respect to the loading and unloading.

Dabei wird gemäß der Erfindung die Kraft während des Zyklus konstant gehalten. Die Be- und Entlastung des Probekörpers wird unterbrochen, wenn die gewünschte Rißtiefe erreicht ist. Die stufenweise Herabsetzung der Zugkraft erfolgt in einer solchen Weise, daß sich an der Rißspitze ein definiertes Spannungsfeld ausbildet und das in diesem Bereich die elastische Deformation gerade noch erhalten bleibt. Dazu wird der Spannungsintensitätsfaktor an der Rißspitze konstant gehalten. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Grundkörper mit Grundplatte und Distanzblocken, einer Zugkrafterzeugungs- und meßeinheit sowie einem Rißlängenmeß- und einem Regel- und Steuerorgan. Gemäß der Erfindung ist an einem Distanzblock ein Kraftmeßorgan und.mit diesem ein Führungszylinder verbunden, in dem ein verstellbarer Bolzen und an dessen Stirnseite eine Einspannklemme zur Aufnahme und Positionierung des Prüfkörpers angeordnet sind. In der Symmetrieachse des Bolzens ist erfindungsgemäß das bewegliche Organ der Zugkrafterzeugungseinheit angeordnet, die mit dem Distanzblock gegenüber dem verstellbaren Bolzen starr verbunden ist. Als Zugkrafterzeugungseinheitwerden ein Elektromagnet mit im Magnetfeld beschleunigten Kern, hydraulische oder pneumatische Zylinder-Kolben-Anordnungen oder mechanische Triebe mit steuerbaren Elektromotor verwendet. Vorzugsweise wird als Zugkrafterzeugungseinheit ein Elektromagnet mit im Magnetfeld beschleunigten Kern eingesetzt.In this case, the force is kept constant during the cycle according to the invention. The loading and unloading of the specimen is interrupted when the desired crack depth is reached. The gradual reduction of the tensile force takes place in such a manner that forms a defined stress field at the crack tip and in this area the elastic deformation is barely maintained. For this purpose, the stress intensity factor at the crack tip is kept constant. The arrangement according to the invention for carrying out the method consists of a base body with base plate and spacer blocks, a Zugkrafterzeugungs- and measuring unit and a Rißlängenmeß- and a control and regulating body. According to the invention, at a distance block a Kraftmeßorgan and.mit this a guide cylinder connected in which an adjustable bolt and on the front side of a gripping clamp for receiving and positioning of the specimen are arranged. In the symmetry axis of the bolt according to the invention, the movable member of the tensile force generating unit is arranged, which is rigidly connected to the spacer block relative to the adjustable bolt. As a tensile force generating unit, a magnet accelerated with the magnetic core, hydraulic or pneumatic cylinder-piston assemblies or mechanical drives with a controllable electric motor are used. Preferably, an electromagnet with accelerated core in the magnetic field is used as Zugkrafterzeugungseinheit.

An der dem verstellbaren Bolzen zugewandten Stirnseite des im Magnetfeld beschleunigten Kern des Elektromagneten ist erfindungsgemäß eine zweite Einspannklemme zur Aufnahme und Positionierung des Prüfkörpers angeordnet. Zwischen den Einspannklemmen ist der Prüfkörper positioniert. Die Steuerung der Horizontalbewegung des im Magnetfeld beschleunigten Kerns des Elektromagneten erfolgt erfindungsgemäß durch eine elektronische Regel- und Steuereinheit. Nach Ansteuerung bewegt sich der im Magnetfeld beschleunigte Kern des Elektromagneten in Richtung des Distanzblockes, an dem der Elektromagnet angeordnet ist und erzeugt in dem zwischen den Einspannklemmen angeordneten, und vor der Ansteuerung mittels der an der am Führungszylinder angeordneten Positionierungsschraube positionierten und fixierten Prüfkörper eine Zugkraft, wodurch an der Spitze des Ausgangskerbsein durch den Spannungsintensitätsfaktor charakterisiertes Spannungsfeld aufgebaut wird. Nach einer durch die Steuereinheit vorgegebenen Zeit, wird der unter Einbeziehung des Elastizitätsmoduls des Prüfkörper festgelegte und angesteuerte Wert des Spannungsintensitätsfaktors erreicht und nach einer wiederum von der der Steuereinheit vorgegebenen Belastungszeit unterbricht die Steuereinheit den Belastungsvorgang und der im Magnetfeld beschleunigte Kern des Elektromagneten kehrt in die Ausgangslage zurück.At the adjustable bolt facing end side of the accelerated in the magnetic field core of the electromagnet, a second clamping clamp for receiving and positioning of the test body is arranged according to the invention. The specimen is positioned between the clamps. The control of the horizontal movement of the core accelerated in the magnetic field of the electromagnet is carried out according to the invention by an electronic control and control unit. After activation, the accelerated in the magnetic field core of the electromagnet moves in the direction of the spacer block on which the electromagnet is arranged and generates in the arranged between the clamping clamps, and before the control by means of arranged on the guide cylinder arranged positioning screw and fixed test specimen a tensile force, whereby stress field characterized by the stress intensity factor is built up at the tip of the starting notch. After a predetermined time by the control unit, the determined using the modulus of elasticity of the test specimen and controlled value of the voltage intensity factor is reached and after a predetermined again by the control unit loading time, the control unit interrupts the loading process and accelerated in the magnetic field core of the electromagnet returns to the starting position back.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung ermöglichen es, die Differenz zwischen Prüfkörperbreite und Rißlänge reproduzierbar mit einem definierten Spannungsfeld an der Rißspitze einzustellen. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung gekerbten Prüfkörper weisen scharfe, durch stabiles Rißwachstum entstandene Risse bei gleichmäßiger Ausbildung des energiedissipativen Bereiches vor der Rißspitze auf und es treten keine undefinierbaren Vorschädigungen des Werkstoffes durch die elastizitätsmodulbezogene Begrenzung des angesteuerten Spannungsintensitätsfaktors auf.The inventive method and the arrangement according to the invention make it possible to adjust the difference between the test piece width and crack length reproducibly with a defined stress field at the crack tip. The notched according to the inventive method using the inventive arrangement test specimens have sharp, caused by stable crack growth cracks with uniform formation of energy dissipative area in front of the crack tip and there are no undefinable previous damage to the material by the modulus of elasticity related limitation of the controlled voltage intensity factor.

embodiment

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.The invention will be explained below using an exemplary embodiment.

Die Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau der Anordnung zur Ermüdungserzeugung in polymere Prüfkörper.FIG. 1 shows the schematic structure of the arrangement for generating fatigue in polymeric test specimens.

Die Anordnung besteht aus einem Grundkörper, der sich aus einer Grundplatte 1 und den Distanzblöcken 2 und 3 zusammensetzt. Am Distanzblock 2 ist als Kraftmeßorgan eine Kraftmeßdose 4 angeordnet, die mit dem Führungszylinder 5 verbunden ist, in dem der verstellbare Bolzen 6 und an dessen Stirnseite die Einspannklemme 7 zur Aufnahme und Positionierung des Prüfkörpers 8 angeordnet sind.The arrangement consists of a base body, which is composed of a base plate 1 and the spacer blocks 2 and 3. At the distance block 2 is a load cell 4 is arranged as Kraftmeßorgan, which is connected to the guide cylinder 5, in which the adjustable bolt 6 and on the front side of the gripping clamp 7 are arranged for receiving and positioning of the specimen 8.

Als Prüfkörper 8 wird eine CT (Compact Tension)-Probe und als Zugkrafterzeugungseinheit ein Elektromagnet 9 mit einem im Magnetfeld beschleunigten Elektromagnetkern 10 eingesetzt, der am Distanzblock 3, dem verstellbaren Bolzen 6 gegenüber so angeordnet ist, daß der im Magnetfeld beschleunigte Elektromagnetkern 10 des Elektromagneten 9 in der Symmetrieachse des verstellbaren Bolzens 6 liegt.As a test specimen 8 is a CT (Compact Tension) sample and as Zugkrafterzeugungseinheit an electromagnet 9 is used with an accelerated magnetic field electromagnet core 10 which is arranged on the spacer block 3, the adjustable pin 6 so that accelerated in the magnetic field electromagnet core 10 of the electromagnet 9 lies in the axis of symmetry of the adjustable bolt 6.

An der dem Distanzblock 3 abgewandten Stirnseite des im Magnetfeld beschleunigten Kern 10 des Elektromagneten 9 ist die Einspannklemme 11 zur Aufnahme und Positionierung des Prüfkörpers 8 angeordnet. Die Positionierung des Prüfkörpers 8 erfolgt mittels der Positionierungsschraube 12, die am Führungszylinder 5 angeordnet ist.At the end facing away from the spacer block 3 of the accelerated in the magnetic field core 10 of the electromagnet 9, the gripping clamp 11 for receiving and positioning of the test specimen 8 is arranged. The positioning of the test specimen 8 takes place by means of the positioning screw 12, which is arranged on the guide cylinder 5.

Die vom Elektromagneten 9 mit dem im Magnetfeld beschleunigten Elektromagneten lOerzeugteZugkraftwirdinder Kraftmeßdose 4 gemessen und in einem Meßverstärker 13 in eine der Zugkraft proportionale elektrische Spannung umgeformt.The tractive force generated by the electromagnet 9 with the electromagnet 10O accelerated in the magnetic field is measured in the load cell 4 and converted in a measuring amplifier 13 into a voltage proportional to the tensile force.

Diese wird einer Regel· und Steuereinheit 14 zugeführt und in dieser mit der zur Erzeugung des elastizitätsmodulbezogenen Spannungsintensitätsfaktor notwendigen Sollspannung verglichen, die eine Funktion der mit einem Sensor zur Rißlängenmessung 15 gemessenen Rißlänge ist. Als Sensor zur Rißlängenmessung 15 wird ein optoelektrischer Sensor verwendet, mit dem die Rißlänge gemessen und über einen internen Meßverstärker in eine der Rißlänge proportionale elektrische Spannung umgeformt wird, die der Regel- und Steuereinheit 14 zugeführt und zur Festlegung der Sollspannung herangezogen wird.This is supplied to a control and control unit 14 and compared therein with the required for generating the modulus of elasticity-related stress intensity factor target voltage, which is a function of measured with a sensor for crack length measurement 15 crack length. As a sensor for crack length measurement 15, an opto-electrical sensor is used, with which the crack length is measured and converted by an internal amplifier in a crack length proportional electrical voltage, which is supplied to the control and control unit 14 and used to determine the target voltage.

Bei vorhandener Ist- und Sollwertdifferenz wird durch die Regel- und Steuereinheit 14 der Elektromagnet so betätigt, daß der elastizitätsmodulbezogene Spannungsintensitätsfaktor konstant bleibt.When there is an actual and desired value difference, the electromagnet is actuated by the regulating and control unit 14 so that the modulus of elasticity-related voltage intensity factor remains constant.

Die Energieversorgung der Anordnung und des Sensors zur Rißlängenmessung 15 erfolgt durch eine StromversorgungseinheitThe power supply of the arrangement and the sensor for crack length measurement 15 is effected by a power supply unit

Claims

1 method for fatigue crack generation in standardized and other fracture mechanical test specimens of different geometrical dimensions with any crack length, in particular

made of polymer materials by a cyclic loading and unloading ^ caused by a tensile force, characterized in that in the elastic deformation, the tensile force increases continuously until the first Änrißbildung and then gradually reduced depending on the notch depth from cycle to cycle, but during each cycle is kept constant. ,

2. The method according to item 1, characterized in that for the gradual reduction of the tensile force an instantaneous stress intensity factor of the specimen measured and introduced as a controlled variable for the tensile force during the crack generation.

3. Arrangement for carrying out the method according to item 1 and 2, characterized in that on a base plate (1) has two spacer blocks (2,3) are arranged, to which a load cell (4) and a tensile force generating unit (9) is attached, and between which with clamping clamps (7,11) of the test body (8) is clamped, wherein on the test body, a sensor for crack length measurement is held, which is connected to an input of a control and control unit (14), once via a measuring amplifier ( 13) with the load cell (4) and once directly with the tensile force generating unit (9) is linked.