DD295238A5 - Kreuzfoermige, ebene probe, insbesondere aus blech fuer eine zweiachsige materialpruefung im bereich grosser dehnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine kreuzfoermige, ebene Probe, insbesondere aus Blech, fuer eine zweiachsige Materialpruefung im Bereich groszer Dehnung, wobei die vier Probenarme der Kreuzprobe jeweils in eine Spannbacke einer Pruefeinrichtung einspannbar sind, Lasteinleitungselemente bilden und den ein Meszgebiet bildenden Mittenbereich der Kreuzprobe begrenzen. Ziel der Erfindung ist die Erzeugung homogener Spannungs- und Verzerrungszustaende im Meszgebiet der Kreuzprobe, um Stoffgleichungen der sogenannten einfachen Stoffe im Sinne von W. Noll zu bestimmen. Zu diesem Zweck werden die Lasteinleitungselemente mit Schlitzen versehen. Die Lasteinleitungselemente koennen geeignet verstaerkt werden.{kreuzfoermig, ebene Probe; zweiachsige Materialpruefung; Bereich groszer Dehnung; Probenarme; Spannbacke; Lasteinleitungselemente; Meszgebiet; Stoffgleichungen}

Description

Hierzu 8 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine kreuzförmige, ebene Probe, insbesondere aus Blech, für eine zweiachsige Materialprüfung im Bereich großer Dehnung, mit vier Lasteinleitungselemente bildenden Armen, deren eines Ende jeweils einen ein rVießgebiet bildenden Mittelbereich der Probe begrenzt, deren anderes Ende jeweils in einer Spannbacke einer Prüfeinrichtung einspannbar ist und über die in der Ebene der Probe sowohl längs einer ersten Koordinate (X) als auch längs einer zu dieser senkrechten zweiten Koordinate (Y) jeweils einander entgegengesetzte Zugbelastungen einleitbar sind.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur experimentellen Erfassung des inelastischen Verhaltens z. B. metallischer Werkstoffe ist die Ermittlung der im allgemeinen (großen) zweiachsigen Dehnunpyn unter zweiachsiger Spannungsbeanspruchung erforderlich. Es werden homogene Spannungs- und Verzerrungszustände in Materialproben benötigt, um Stoffgleichungen der sogenannten einfachen Stoffe im Sinne von Noll (W. Noll „A new mathematical theory of simple materials" Archive for Rational Mechanics and Analysis 48.1 (1972)) zu bestimmen. Zweiachsige Spannungszustände in Versuchsproben aus Blech lassen sich entweder durch Verwendung von kreuzförmigen Proben oder von dünnwandigen rohrförmigen Proben unter Längskraft, Innendruck und Torsion verwirklichen. Eine Anordnung der letztgenannten Art ist jedoch nur bei kleinen Dehnungen brauchbar. Bekannt ist eine ebene Kreuzprobe nach Shiratori/Ikegami (J. Meck. Phys. Solids, 1968, Vol. 16 pp.373 bis 394, Pergamon Press, Großbritannien) und Kreissig (Dissertationsschrift 2.7.1982) gemäß Fig. 1 der Zeichnung, die zum Zwecke der Materialprüfung unter zweiachsiger Beanspruchung in einer bekannten Prüfvorrichtung nach Kreissig Verwendung gefunden hat. Wegen der statischen Unbestimmtheit dieser bekannten Kreuzprobe 1 (Kontinuumsproblem) lassen sich die Spannungen nicht aus den über Zugglieder 2 in die Kreuzprobe 1 eingeleiteten Kräften bestimmen. Im vorgesehenen Meßgebiet 3, dem Zentrum dieser Kreuzprobe, sind keine homogenen Spannungs· und Verzerrungszustände zu erzielen.

Bekannt ist ferner eine kreuzförmige, ebene Probe der eingangs erwähnten Art (DE 3225381, Fig. 5a und b), die zur Materialprüfung unter zweiachsiger Beanspruchung Verwendung findet und im Mittenbereic'.i durch beiderseitige

Muldenbildung geschwächt ist, um sicherzustellen, daß Belastungsfolgen sich zuerst in dem interessierenden Bereich zeigen, in dem sich die Prüfkräfte überlagern. Versuche mit entsprechenden Kreuzproben 1, deren Mittenbereich 3 jedoch nicht durch beiderseitige Muldenbildung geschwächt ist, ergeben ein Ausweichen der Spannungstrajektorien 4 unter einachsiger Zugkraft F, wie Fig.2 der Zeichnung verdeutlicht. Die Spannungstrajektorien 4 spreizen sich, so daß die Spannungen in Kraftrichtung über die Breite nicht konstant verlaufen. Durch die Umlenkung der Spannungstrajektorien 4 entstehen Querspannungen, die zum unerwünschten Ausbeulen des Meßbereiches 3 führen können. Bekannt ist weiterhin (DE 3617455), bei der Materialprüfung von flächenhaften Bauteilen, mittels einer Untersuchungsvorrichtung zur zweiachsigen statischen und/oder dynamischen Zug- und/oder Druckbelastung in Zuordnung zu den Bauteilseiten Kraftübertragungselemente vorzusehen, von denen jedes mit mehreren, über die gesamte jeweilige Bautellseite angeordnete und Einzellasten erzeugenden Krafteinleitungselementen verbunden ist. Mit dieser Untersuchungsvorrichtung sind in dem flächenhaften Bauteil keine homogenen Spannungs- und Verzerrungszustände zu erreichen.

Bekannt ist schließlich eine in einer Versuchseinrichtung nach Rivlin und Saunders verwendete rechteckige ebene Probe für gummiartige Materialien (Rivlin, R. S., and D.W. Saunders: Large elastic deformations of isotropic materials, VII. Experiments on the deformation of rubber. Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A 243,251 bis 288 [53,55,57,67,93,95]). Wie Fig. 3 der Zeichnung zeigt, erfolgt am Rande der rechteckigen ebenen Probe an diskreten Punkten die Krafteinleitung. Diese Versuchsanordnung ist nur bei Materialien sinnvoll, die in der Lage sind, die an don Lasteinleitungselementen auftretenden Spannungsspitzen auszuhalten, z. B. gummiartige Materialien. Bei Tiefziehblechen ist diese Versuchsanordnung nicht geeignet.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, eine flächenhafte Probe vorzusehen, bei deren zweiachsiger Beanspruchung homogene Spannungsund Verzerrungszustände erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kreuzförmige, ebene Probe, insbesondere aus Blech, für eine zweiachsige Materialprüfung im Bereich großer Dehnung, mit vier Lasteinleitungselemente bildenden Armen, deren eines Ende jeweils

einen ein Meßgebiet bildenden Mittelbereich der Probe begrenzt, deren anderes Ende jeweils in einer Spannbacke einer

Prüfeinrichtung einspannbar ist und übor die in der Ebene der Probe sowohl längs einer ersten Koordinate (X) als auch längs

einer zu dieser senkrechten zweiten Koordinate (Y) jeweils einander entgegengesetzte Zugbelastungen einleitbar sind, so zugestalten, daß bei einer zweiachsigen Beanspruchung der Probe homogene Spannungs- und Verzerrungszustände irn

Meßbereich erzielt werden, um Stoffgleichungen der sogenannten einfachen Stoffe zu klassifizieren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lasteinleitungselemente parallel zur X- bzw. Y-Koordinate

verlaufende Schlitze aufweisen, die sich bis zum Meßgebiet erstrecken.

Die Lasteinleitungselemente der erfindungsgemäßen Kreuzprobe können im Verhältnis zum Mittenbereich der Probe verstärkt

und die Schlitze können über die Breite des Lasteinleitungselementes gleichmäßig verteilt sein. Die Verstärkung der

Laoteinleitungselemente kann dadurch gegeben sein, daß diese aus höherfestem Material als dem des Mittenbereiches der Probe bestehen. Die Lasteinleitungselemente können an den Mittenbereich der Probe angeschweißt oder geometrisch verstärkt soin. Die

geometrische Verstärkung kann durch auf die Lasteinleitungselemente aufgebrachtes Zusatzmaterial gegeben sein.

Das Zusatzmaterial zwischen den Schlitzen sowie zwischen den Längskanten der Lasteinleitungselemente und den

benachbarten Schlitzen der Lasteinleitungselemente kann in Form von über deren Länge verlaufenden Stegen aufgebracht unddie Breite der Stege aus dem Zusatzmaterial kann geringer als der Abstand zwischen den Schlitzen der Lasteinleitungselementesein. Die Lasteinleitungselemente können zur Verstärkung durch Abwälzen kaltverfestigt sein, wobei ihre Fließgrenzeangehoben ist.

Das erfindungsgemäße Ausbilden von Schlitzen in den die Lastoinleitungselemente bildenden Probenarmen macht das Erreichen eines homogenen Spannungszustandes im Meßgebiet möglich, da durch die Anordnung der Schlitze in den Lasteinleitungselementen ein Ausweichen der Spannungstrajektorien im Mittelbereich der Probe verhindert wird. Das

erfindungsgemäße Verstärken der Probenarme macht es außerdem möglich, daß auch bei Kreuzproben aus Tiefziehstählengroße plastische Verformungen im Meßbereich erzielbar sind. Ohne Zusatzmaßnahmen zur Verstärkung der Probenarmewürden bei Tiefziehstählen bei annähernd gleichen Zugkräften in beiden Richtungen die Probenarme große plastische

Dehnungen erleiden, ehe das Meßgebiet plastizieren würde. Verfahrensmäßig können zur Verstärkung der Probenarme vorzugsweise Arme aus höherfestem Material angeschweißt, Zusatzmaterialien zur geometrischen Verstärkung der Probenarme auf diese aufgebracht oder die Probenarme durch Abwälzen

zur Anhebung der Fließgrenze kaltverfestigt werden.

Ausführungsbeisplele

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kreuzprobe werden nun anhand der weiteren Figuren der Zeichnungen erläutert. Es sind

Fig. 4: eine Draufsicht auf eine geschlitzte Kreuzprobe, Fig. 5: eine Draufsicht auf die Kreuzprobe nach Fig. 4, wobei der Verlauf der Spannungstrajektorien bei einachsiger

Zugbelastung parallel zur X-Koordinate gezeigt ist, Fig. 6: eine Draufsicht auf eine geschlitzte Kreuzprobe mit angeschweißten Armen aus höherfestem Material,

Fig. V: eine Draufsicht auf eine geschlitzte Kreuzprobe mit geometrischer Verstärkung der Probenarme, Fig.8: eine Stirnansicht der Ausführungsform der Kreuzprobe nach Fig.7, Fig. 9: eine Stirnansicht einer Kreuzprobe mit abgewalzten Probenarmen.

Fig.4 zeigt die Draufsicht auf die Kreuzprobe 1, deren Probenarme 5 Lasteinteilungselemente mit der Länge I und der Breite a bilden. Die Lasteinteilungselemente 5 weisen Schlitze 6 auf, die sich an den Meßbereich 3 der Kreuzprobe 1 erstrecken. Wie Fig. 5 verdeutlicht, verlaufen die Spannungstrajektorien 4 in der geschlitzten Kreuzprobe 1 unter einachsiger Zugkraft F parallel zur X-Koordinate im Meßbereich 3 der Kreuzprobe 1.

Fig. β zeigt die Draufsicht einer Ausführungsform der Kreuzprobe 1, deren die Lasteinteilungselemente bildende Probenarme 5 an das Meßgebiet 3 der Kreuzprobe 1 angeschweißt sind, aus höherfestem Material als der Mittenbereich 3 der Kreuzprobe 1 bestehen, wodurch eine Versteifung der Probenarme 5 gegeben ist, und jeweils zu ihrer Längsrichtung parallel verlaufende Schlitze 6 aufweisen. Die Schlitze 6 erstrecken sich von einem Teil 7, der in die Spannbacke einer Prüfeinrichtung einspannbar ist, bis an den Meßbereich 3 der Kreuzprobe 1 und sind somit kürzer als die Länge des Probenarms 5. Die Schlitze 6 sind über die Breite (a) jedes Probenarms 5 im gleichen Abstand voneinander angeordnet, wobei die zu den Längskanten 8 des Probenarms benachbarten Schlitze 6 ebenfalls den Abstand c von den Längskanten 8 aufweisen.

Aus den Fig. 7 und 8 geht eine andere Ausiührungsform der Kreuzprobe 1 hervor, bei der die Probenarme 5 durch aufgebrachtes Zusatzmaterial verstärkt sind. Das Zusatzmaterial ist in Form von Stegen 9 beidseitig der Probenarme 5 aufgebracht, wobei die Stege 9 parallel zu den Schlitzen 6 zwischen diesen sowie zwischen den Längskanten 8 der Probenarme 5 und den benachbarten Schlitzen 7 verlaufen. Die Breite der Stege 9 aus Zusatzmaterial ist geringer als der Abstand c zwischen den Schlitzen 7. Im Meßgebiet 3 dieser Kreuzprobe 1 sind bei einer zweiachsigen Materialprüfung ebenfalls homogene Spannungs- und Dehnungszustände gegeben.

Bei der Ausführungsform der Kreuzprobe 1 nach Fig.9 sind die Probenarme 5zur Anhebung der Fließgrenze von der Dicke d₀ des Mittenbereichs 3 der Kreuzprobe 1 auf die Dicke (d < d_o) abgewalzt und somit zur Verstärkung kaltverfestigt worden. Auch bei dieser Ausführungsform der Kreuzprobe sind unter zweiachsiger Beanspruchung im Meßgebiet 4 homogen' Spannungs- und Verzerrungszustände erreichbar.

Claims (10)

1. Kreuzförmige, ebene Probe, insbesondere aus Blech, für eine zweiachsige Materialprüfung im Bereich großer Dehnung, mit vier Lasteinleitungselemente bildenden Armen, deren eines Ende jeweils einen ein Meßgebiet bildenden Mittelbereich der Probe begrenzt, deren anderes Ende jeweils in einer Spannbacke einer Prüfeinrichtung einspannbar ist und über die in der Ebene der Probe sowohl längs einer ersten Koordinate (X) als auch längs einer zu dieser senkrechten zweiten Koordinate (Y) jeweils einander entgegengesetzte Zugbelastungen einleitbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungselemente (5) parallel zur X- bzw. Y-Koordinate verlaufende Schlitze (6) aufweisen, die sich bis zum Meßgebiet (3) erstrecken (Fig.4).

2. Kreuzprobe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungselemente im Verhältnis zum Mittenbereich (3) der Probe (1) verstärkt sind.

3. Kreuzprobe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (6) über die . Breite (a) des Lasteinleitungselementes (5) gleichmäßig verteilt sind.

4. Kreuzprobe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung der Lasteinleitungselemente (5) dadurch gegeben ist, daß diese aus höherfestem Material als dem des Mittenbereichs (3) der Probe (1) bestehen.

5. Kreuzprobe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungselemente (5) an den Mittenbereich (3) der Probe (1) angeschweißt sind.

6. Kreuzprobe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungselemente (5) geometrisch verstärkt sind.

7. Kreuzprobe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Verstärkung durch auf die Lasteinleitungselemente (5) aufgebrachtes Zusatzmaterial gegeben ist.

8. Kreuzprobe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial zwischen den Schlitzen (6) sowie zwischen den Längskanten (8) der Lasteinleitungselemente (5) und den benachbarten Schlitzen (6) der Lasteinleitungselemente (5) in Form von über deren Länge verlaufenden Stegen (9) aufgebracht ist.

9. Kreuzprobe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Stege (9) aus dem Zusatzmaterial geringer als der Abstand zwischen den Schlitzen (c) der Lasteinleitungselemente (5) ist.

10. Kreuzprobe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungselemente (5) zur Verstärkung durch Abwälzen kaltverfestigt sind, wobei ihre Fließgrenze angehoben ist.