DD275113A1 - Anordnung zur bestimmung des j. t tief j-gesteuerten risswachstums bei schlagartiger beanspruchung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung des JTJ-gesteuerten Risswachstums bei schlagartiger Beanspruchung mittels instrumentierter Schlag-, Pendelschlag- und Fallwerke mit beliebiger Bewegungsrichtung aus verformungsbegrenzten Schlagkraft-Durchbiegungs-Diagrammen. Es ist das Ziel der Erfindung eine Anordnung bereitzustellen, mit der die exakte Bestimmung von Zaehigkeitskenngroessen als Widerstand gegenueber stabiler Risseinleitung oder -initiierung sowie gegenueber stabilem Rissfortschritt an gekerbten Standardpruefkoerpern unterschiedlicher geometrischer Dimensionen beliebiger Werkstoffe, insbesondere Polymerwerkstoffe rationell, mit geringer Pruefkoerperzahl und hoher Reproduzierbarkeit moeglich ist. Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, die messwertverfaelschenden Ueberlagerungen von Stoerschwingungen auf das Schlagkraft-Durchbiegungs-Verhalten durch die geometrische Gestaltung der Anordnung zu vermeiden und bei hohen Schlaggeschwindigkeiten und extremen Prueftemperaturen bruchmechanisch auswertbare Diagramme aufzuzeichnen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass Durchbiegungsbegrenzungselemente und Standardpruefkoerper in entkoppelter Anordnung vor dem Schlagbolzen positioniert werden. Fig. 1

Description

Rißzähigkeit erfolgt auf der Basis von Rißwiderstands(R)-Kurven. Zur Konstruktion der R-Kurve wird als Baanspr uchungsparameter die entsprechend dem Werkstoffverhalten zu wählende brcchmechanische Kenngröße (Rißöffnungsverschiebung δ oder das J-Integral bei elastisch-plastischem Werkstoffverhalten, Spannungsintensitätsfaktor K oder Energiefreisetzungsrate G bei elastischem Werkstoffverhalten) bevorzugterweise das J-Integral über der Rißverlängerung Aa aufgetragen. Dabei werden als Werkstoffkenngrößen des R-Konzeptes der Widerstand gegenüber stabiler Rißinitiierung Ji, der Widerstand gegenüber stabilem Rißfortschritt in Form des Anstieges der R-Kurve Tj und das Produkt Ji · Tj bestimmt (Michel, B.; Will, P.: ZAMM Z. für angewandte Math, und Mechan. 66 [1986] 2, S.65-72). Zur experimentellen Bestimmung des Beginns der stabilen Rißeinleitung sind Anordnungen und Verfahren bekannt (Kalkhoff, D., DO 250578 und DD 250579) bei denen z. B. zusätzliche Schallemissionsaufnehmer in Schlagrichtung hinter der Schlagfinne angebracht werden. Der Nachteil dieser Methodik besteht darin, daß durch die Kopplung beider an sich bekannter Verfahren sich der meßtechnische Aufwand wesentlich erhöht. Diese Auswertemethodik beschränkt sich außerdem auf die Mehrprobentechnik und bedingt bei der Anwendung der Prozedur zur Kurvenermittlung (Man, I.; Holzmann, M.: Metodika ispytania dynamiceskoi vjaskosti razruienija.Tochn. Mat. RGW 1-13.12. UFM 2-79, Drno 1979 und ASTM STP 813-81 leine Vielzahl von Arbeitsschritten, die mit einer Reihe systematischer Fehler behaftet sind.

Eine weitere Anordnung zur Bestimmung von Rißzähigkeiten als Widerstand gegenüber stabiler Rißeinleitung bzw. -ausbreitung wird von Savadori (Polymer Testing 4 [1984] S. 73) vorgeschlagen, wobei der stabile Rißfortschritt durch die Wahl in ihrer Breite definiert abgestufter Stahlbarrieren als Durchbiegungsbegrenzungselemente erzeugt wird. DieDurchbiegungsbegrenzungselemente haben eine geringere Breite als die Prüfkörper und werden oberhalb und unterhalb des Prüfkörpers positioniert. Nachteilig ist, daß boi dieser Anordnung durch die direkte Kopplung von Prüfkörper und Stahlbarrieren in Form einer Wirkpaarung dem tatsächlichen Schlagkraft-Durchbiegungsverhalten zusätzliche Schwingungen infolge resultierender Kräfte aus der schlagvorgangsspezifischen Wechselwirkung zwischen Prüfkörper und Durchbiegungsbegrenzungselementen überlagert werden.

Die exakte Zuordnung von Kraft und Verformungswerten im Nutzsignal wird darüber hinaus durch Störschwingungen erschwert, die aus den Beschleunigungskräften, Feder-Massewechselwirkungskräfte, Signalschwingungen durch reflektierte Körperschallwellen und aus hochfrequenten Signalschwingungen durch die nachgeschaltete Meßel6ktronik entstehen. Dadurch wird der Einsatzbereich der Anordnung hinsichtlich Prüfgeschwindigkeit und Prüftemperatur in unbefriedigender Woise eingeschränkt.

Der wesentliche Nachteil bei der Verwendung der verschiedenartigen Anordnungen zur Bestimmung von Rißzähigkeiten besteht darin, daß die gewonnenen Kennwerte keine ausreichende Reproduzierbarkeit aufweisen und die Kennwerte damit nicht vergleichbar sind. Die dadurch entstehenden Unsicherheiten bei der Charakterisierung des mechanischen Kennwortniveaus, insbesondere des Widerstandes gegenüber stabiler Rißeinleitung und -ausbreitung und damit das den stabilen Rittfortschritt steuernde Produkt J₁ Tj, kann zur Überbewertung der Zähigkeit führen. Damit ist die Gewährleistung einer ausreichenden Sicherheit und Zuverlässigkeit von Erzeugnissen aus Polymerwerkstoffen nicht mehr gegeben.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Bestimmung des J₁ Tj-gesteuerten Rißwachstums zu schaffen, mit der die exakte Ermittlung von Zähigkeiiskenngrößen als Widerstand gegenüber stabilem Rißfortschritt an gekerbten Standardprüfkörpern unterschiedlicher geometrischer Dimensionen bei stoß- oder schlagartiger Beanspruchung ohne Moßwertverfälschungen und mil hoher Reproduzierbarkeit möglich ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung üogt die technische Aufgabe zugrunde, eine Anordnung iu entwickeln, mit der sowohl die meßwertverfälschende Überlagerung von Störschwingungen auf das das Schlagkraft-Verformungsverhalten bestimmende Nutzsigncl vermieden, als auch herkömmliche instrumentierte Sclilag-Pendelschlag- und Fallwerken, ausgerüstet mit verschiedenartigen Sensoren zur elektronischen Messung der Schlagkraft und der Durchbiegung, verwendet werden können. Die Anordnung soll untor allen experimentellen Bedingungen, insbesondere hohen Schlaggeschwindigkeiten und extremen Prüfternperaturen zur Bestimmung von Rißzähigkeiten als Widerstand gegenüber stabilem Rißfortschritt einsetzhar sein. Die Aufgaha wird erfindungsgemäß dadurch golöst, daß zur Bestimmung dos J · Tj-gesteuerten Rißwachsturm mittels instrumentierter Schlag-Pendelcchlag- und Kaliwerke mit beliebiger Bewegungsrichtung aus verformungsbegrenzten Schlagkraft-Durchbiegungs-Diagrammen an Standerdprüfkörpern unterschiedlicher geometrischer Dimensionen, z. B. Dreipunktbiegeprüfkörper aus Polymerwerkstoffen, ein oder mehrere Durchbiegungsbegrenzungselemente und der Standurdprüfkörper in entkoppelter Anordnung vor der instrumentierten Hammerfinne des Pendolhammers angeordnet aind. Dabei wird durch die Durchbiegungsbegrenzungselemente (bei dar Prüfung vcn Polymerwerkstoffen sind gehärtete Stahlbarrioron einsetzbar) die für die Ermittlung der dynamischen R-Kurven netwendige Variation dor Rißverlängerung gewährleistet. Die Durchbiegungsbogrenzungsolomonto bositzen einen rochtockigon Querschnitt und sind in ihrer Breite so abgestuft, daß das breiteste Bogrenzungsolomont schmaler als dio zu prüfondon Standardprüfkörper sind, wobei die Abstufung dor zu roalisierendon Rißvorlängorungon entsprechend dom jeweiligen Workstoffverhalten zu wählen ist. Gemäß dor Erfindung ist auch dio Vorwondung anderer Guorschnittsformen der Durchbiogungsbegronzungselomonte, wie oin- bzw. zweisoi'.ig konvox oder prismatisch möglich, was sich günstig auf dio Dämpfung dor Störr.chwingungon auswirkt. Durch die Vorwondung dor Durchbiogungsbogrenzungsolemonto in dor angogobenen Anordnung ist ein abgestufter Rißfortschritt nach jedom Bolastungszyklus erzeugbar, woraus in an sich bekannter Weiso die Berechnung dor jeweiligen Hiftvor angorungon erfolgt. Die orfindungsgomäßo Anordnung zur Bestimmung J T.i-gestouerten Rißwachsturrs ermöglicht damit dio Anwondung dor Einprobertmothodo und ns ontfallon großo Probenaufwondungen.

Gemäß der Erfindung erfolgt durch die entkoppelte Positionierung vor dem Schlagbolzen eine Übertragung der

meßwertverfälschenden Störschwingungen auf die verschiedenartigen schwingungsfähigen Teilsysteme der

Gesamtprüfanordnung, die sich auf Grund ihres komplexen Zusammenwirkens nicht im einzelnen separieren lassen. Der Abstand zwischen dem Durchbiegungsolement und dem StandardprüTkörper ist erfindungsgamäß ein Viertel der Länge des Stoßelementes des Schlagbolzens quer zur Beanspruchungsrichtung, um den auswertemethodischen Signalunterschied von Standardprüfkörper und Ourchbiegungsbegrenzungselement überlagerungsfrei registrieren zu können. Dabei muß die Dicke

der Durchbiegungsbegrenzungselemente erfindungsgemäß größer als die Dicke der Standardprüfkörper sein. Die Länge der

Durchbiegungsbegrenzungselemente muß der Läng& des Standardprüfkörpers angepaßt sein. Gemäß der Erfindung wird als Kontaktfläche zwischen Durchbiegungselement und Widerlager sowie Durchbiegungselement

und Stoßelement des Schlagbolzens eine Silikonkautschukschicht eingefügt, die mechanische Begnadigungen vermindert,schwingungsdämpfend wirkt und deren Energieaufnahmefähigkeit vernachlässigbar ist.

Damit werden die bei den bisherigen bekannten Lösungen auftretenden meßwertverfälschenden Schwingungsüberlagerungen

weitestgehend vermieden. Durch die geometrische Gestaltung der Durchbiegungsbegrenzungselemente und ihrer Anordnungzu den Standardprüfkörpern wird die Zeit bzw. kritische Verformung festgelegt, in der mit reduzierter Reflexionsübertragung im

Stoßbereich die elastische Stoßwelle als NuUsignal verzerrungsfrei aufgezeichnet wird. Die so aufgebaute Anordnung gestattet as, mit Hilfe der registrierten verformungsbegrenzten Schiagki aft-Verformungs- Diagramme dynamische Rißwiderstands-Kurven zu ermitteln und daraus die Werkstoffkenngrößen in Form von Rißzähigkeiten

als Widerstand gegenüber stabiler ftiflinitiierunp oder stabilen Rißwachstums zu berechnen.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus de. Möglichkeit der exakten Festlegung der aus den Registrierdiagrammen zu entnehmenden Meßgrößen, einer entscheid inden Verringerung der Prüfkörperanzahl von etwa 10 auf

1 Stück (Einprobenmethode), in der Einsparung von Prüfzeit und damit dsr Erhöhung der Prüftestung, was insgesamt dazu führt,daß eine exakte Angabe von für das jeweilige Werkstoffverhal'.en relevanten bruchmechanischen Werks'offkenngrößen mitgeringem Meßfehler und hoher Reproduzierbarkeit erfolgt.

Die vorgestellte Anordnung kann für instrumentierte Schlag-, Pendslschlag- und Fallwerke mit horizontaler, geneigter,

kroisförmiger od^r vertikaler Bewegungsrichtung verwendest werden und ist unter allen experimentellen Bedingungen, wie hohe

Schlaggeschwifidigkoiten und extreme Prüfte nperaturen einsetzbar. Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Anordnung soll nachfolgend an einem Beispiel eines instrumentierten Pendelschlagwerkes näher erläutert werden.

Die Figur 1 zeigt schematisch die Prinzipdarstellung der Anordnung zur Bestimmung J Tj-gosteuerten Rißwachntums bei schlagartiger Beanspruchung.

Für den Aufbau der Anordnung wird ein handelsübliches Pendelschlagwerk, das aus einem Sockel 1, zwei Ständern 2 und einem Pendelhammer 3 besteht, verwendet. Mit den Ständern 2 ist auswechselbar ein Widerlager 4 mit Probentisch 5, auf dem als Standardprüfkörper ein Dreipunkt.bieg- (3 PB-) Prüfkörper 6 positioniert ist, verbunden. Das Widerlager 4 wird so ausgeführt, daß die Kontaktflächen zwischen 3PBPrüfkörper S und Hammerfinno 7 sowie Durchbiogungsbegrenzungselement 8 und Hsmmerfinne 7 im Moment der Stoßbeanspruchung parallel über die gesamto Länge der Hammerfinne 7 gegenüberstehen. Oberhalb des 3 PB-Prüfkörpers 6 ist ein Durchbiegungsbegrenzungselement 8 in eine Aussparung des Widerlagers 4 eingepaßt. Zwischen den Kontaktflächen Duruhbiegungsbegrenxungseiement - Widerlager und Durchbiegungsbegrenzungselemant -Hammerfinne wird eine Silikonkautschukschicht 9 eingefügt. Der Abstand zwischen dem Durchbiegungsbegrenzungselement und dem 3PB-Prüfkörper beträgt ein Viertel der Höhe der Hammerfinne 7 des Pendelhammers 3. Die Dicke des Lfurchbiegungsbegrenzungselementes 8 ist größer als die Dicke des 3 PB-Prüfkörpers.

Zur Durchführung der Prüfung trifft die mit Kraftsensoren 10 in Form von Halbleiterdohnmeßstreifen instrumentierte Finne 7 des Pendelhammers 3 auf den 3 PB-Prüfköi per 6. Nach einer bestimmten, werkstoffabhängigen Rißverlängerung des 3 PB-Prüfkörpers 6 schlägt dii t-'fnne auf das Durchbiegungsbegrenzungselement 8 und entlastet den 3 PB-Prüfkörper 6. Zur meßtechnischen Erf< ssung der Verformung werden an sich bekannte Meßanordnungen, im einfachsten Fall eine optoelektronische Wegmeßeinrichtung verwendet.

Die Anwendung dieser Anordnung wurde a.n Beispiel von Acrylnitril-Butadien-Styren-Werkstoffen und deren Kombinationen mit thermoplastischen Urethanen sowie an kreide- und SiO₂-gofüllten und verstärkten Polyethylenen erprobt, v.'oboi für alle Werkstoffe und verschiedene Scrilaggeischwindigkeiten schwingungsreduzierte verformungsbegrenzte Schlagkraft-Verformungs-Diagramme aufgezeichnet wurden, die eine exakte bruchmechanische Auswertung sowie die Charakterisierung der Rißinitiierung orlaubon.

Claims (2)

1. Anordnung zur Bestimmung des J · Tj-gesteuerten Rißwachstums bei schlagartiger Beanspruchung mittels instrumentierter Gchlag-, Pendelschlarj- und Fallwerke mit beliebiger Bewegungsrichtung aus verformungsbegrenzten Schlagkraft-Durchbiegungs-Diagrammen an Standardprüfkörpern unterschiedlicher geometrischer Dimensionen, z. B. aus Polymerwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß Dreipunktbiegeprüfkörper (6) und Durchbiegungsbegrenzungselemenc (8) in entkoppelter Anordnung vor der instrumentierten Hammerfinne (7) dos Pendelhammers (3) in Schlagrichtung positioniert sind, daß der Abstand des Durchbiegungsbegrenzungselementes (8) und des 3PB-PrUf körpers ein Viertel der Länge der Hammerfinne (3) beträgt, daß die Dicke der Durchbiegungsbegrenzungselemente (8) größer als die Dicke des Dreipunktbiegeprüfkörpers ist und daß als Kontaktfläche zwischen Durchbiegungsbegrenzungselement (8) und Hammerfinne (3) sowie Durchbiegungsbegrenzungselement (8) und Widerlager (4) eine Silikonkautschukschicht (9) eingefügt ist.

2. Anordnung zur Bestimmung des J · Tj-gesteuerten Rißwachstums bei schlagartiger Beanspruchung, nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform der Durchbiogungsbegrenzungselemente (8) ein- oder zweiseitig konvex bezogen auf die Beanspruchungsrichtung oder prismatisch ist.

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für Schlag-, Pendelschlag· und Fallwerke mit beliebiger Bewegungsrichtung zur Bestimmung des J · Tj-gesteuerten Rißwachstums, d. h. der Rißzähigkeit als Widerstand gegenüber stabiler Rißeinleitung oder •ir.itiierung (J,) sowie dem Widerstand gegenüber stabilem Rißfortschritt (Tj) an gekerbten Standardprüfkörpern unterschiedlicher geometrischer Dimonsionen, z. B. aus Polymerwerkstoffen. Die verzerrungsfreie schwingungsreduzierte Aufzeichnung /on Schlagkraft-Verformungs-Diagrammen stellt die Basis für die Anwendung der Rißwiderstands(R)-Kurvon-Auswbrteprozetiur der experimentellen Bruchmechanik dar. Mit der Kenntnis derartiger Kenngrößen des R-Kurven-Konzeptes, die mikrostrukturen begründete geometrieunabhängige Werkstoffkenrv./erte darstellen, werden die Voraussetzungen für die Aufklärung der Mikroprozesso von Deformation und Bruch, für eine werkstoffgerechte Dimensionierung und für eine Anwendung als Zielgröße in der Werkstoffentwicklunp und -optimierung geschaffen.

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Es ist bekannt, nur Bewertung des mechanischen Kennwertniveaus mit workstoffwissenschafilich begründeten Kennwerten im Hinblick auf die Schaffung von Zielgrößen für die Werkstoffentwicklung und -optimierung und deren Anwendung bei der Erzeugnisprüfung den Schlag- bzw. Kerbschlagbiegeversuch einzusetzen. Dabei werden einseitig gekerbte (DD 238449) Standardprüfkörper unterschiedlicher geometrischer Dimensionen, z. B. aus Polymerwerkstoffen an der Kerbseite auf zwei Widerlagern derart positioniert, daß sie durch die Bewegung eines Schlaghammers zerbrochen werden oder soweit gebogen, wie es \iie Versuchsanordnung zuläßt (Blumenauer, H , VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, 1987). Eine erhöhte Ausschbpfung des Informationsgehaltes der ti der betrieblichen Prüfpraxis häufig eingesetzten konventionellen Versuchstechnik nach TGL 14063, die sich auf die Ermittlungeiner sich integral aus einem Verfostigungs- und Verformungsanteil zusammensetzenden Werkstoffkenngröße „Kerbschlagzähigkeit* beschränkt, keine Trennung von elastischen und plastischen Anteüan an der Gesamtverformung, keine Aufspaltung in dir Prozesse Rißeinlei'.ung und Rißausbreitung und auf Grund der Georrmirieabhängigkeit von der Prüfkörper- und Kerbgeometrie keine Übertragbarkeit vom Prüfkörper auf das Erzeugnis ermöglicht, ist durch eine gatronnto elektronische Registrierung der Schlagkraft und der unter Wirkung dieser Schlagkraft auftretenden Prüfkörperdurchbiegung möglich. Die Registrierung von Kraft und Verformung ermöglicht gleichzeitig die Verknüpfung dioser Meßgrößen zu bruchmechanischen Wsrkstoffkenngrößen, die durch die Berücksichtigung festkörpermechanisch ermittelter Geometriefunktionen die Angabe echter Werkstoffkennworte erlauben, die wiedorum in enger Beziehung zu strukturollon Größen dos Werkstoffes stehen. Der Nachteil einer derartigen Prüfanordnung besteht darin, daß bei vorliegendem instabilem Bruch auf der Grundlage» der bruchmechanischen Konzepte dor Fließbruchmechanik nur Werkstoffkenngrößon in Form von Rißzähigkeiten als Widerstand gegenüber instabiler Rißausbreitung ermittelt werden (Grollmann, W., Diss. B, TH .Carl Schorlemmer" Leuna- Morseburg 1985). Damit kann es entsprechend dem physikalischen und mochanischon Hintorgrund dor Stadien der Rißausbroitung insbesondere bei hölierveredolton Polymerwerkstoffen, d. h. gefüllte und verstärkte Polymorworkstoffe, Polynor/Polymer-Korrsbinationen und Hybridworkstoffo und auf Grund des Auftretens charakteristischer Rü^verzögerungssnergieantoile noch erfolgter instabiler Rißausbreitung zu einer Fehleinschätzung der Zähigkeitsoigenschaften kommen, da diese energiodissipativen Prozesse unberücksichtigt bleiben. Bei der Beurteilung dos Vorformungs- und Bruchvorhaltens derartiger Werkstoffe bei schlagartiger Beanspruchung ist zu boachton, daß dor Bruch in don moisten Fällen durch oino stabile Rißausbreitung eingeleitet wird. Die Bewertung der