DE10018608C2 - Spannbacke für Flachproben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannbacke für Flachproben mit rechteckigem Querschnitt nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1, wie sie aus der DE 862 379 C bekannt ist.

Zur experimentellen Ermittlung von mechanischen Matrialkenn­ werten wie Bruchspannung und -dehnung eines Werkstoffes wird in der Materialprüfung der Zugversuch durchgeführt. Dazu wird das zu untersuchende Material an seinen beiden Enden fixiert. In Fig. 1 ist das Beispiel einer Spannbacke 1, in der das zu prüfende Material in Form einer rechteckigen Probe 2 einge­ klemmt ist, dargestellt. Der obere und der untere Teil der Spannbacke wird miteinander verschraubt. Am anderen Ende wird die Probe entsprechend auf die selbe Art und Weise einge­ klemmt. Diese Form der Einspannung ist für Flachproben mit rechteckigem Querschnitt vorgesehen. Die gesamte Anordnung wird anschließend in die Prüfmaschine eingehängt. Die Probe wird bis zum Bruch kraft- oder weggesteuert auseinandergezo­ gen.

Am Eintritt der Probe in die Spannbacke überlagern sich zwei Spannungen, zum einen die Druckspannung durch die Einspan­ nugskräfte und zum anderen die Zugspannungen durch das Aus­ einanderziehen. Um diese Spannungsüberhöhung zu vermeiden, werden die Probenkörper im Falle eines isotropen Materials im Einspannbereich verdickt und im Falle eines anisotropen Mate­ rials entweder in der Breite bzw. in der Dicke tailliert oder, wie in Fig. 2, mit Aufdopplern 3 beklebt.

Die Fig. 2 zeigt die Explosionszeichnung einer halben Probe 2 mit Aufdopplern 3. Die andere Hälfte mit den entsprechenden Aufdopplern ist nicht dargestellt.

Glasfaserverstärkte Kunststoffe im Zugversuch

Das Besondere an glasfaserverstärkten Kunststoffen ist ihre hohe Zugfestigkeit gepaart mit einer sehr hohen Bruchdehnung, siehe nachfolgende Tabelle.

Aufgrund der anisotropen Eigenschaften der glasfaserverstärk­ ten Kunststoffe ist es nicht möglich die Probenkörper im Be­ reich der Einspannung zu verdicken, d. h. sie müssen mit Auf­ dopplern beklebt werden. Die gesamte Zugkraft muss über Scherspannungen im Klebstoff vom Aufdoppler in die Probe übertragen werden. Diese Anforderung erfüllt kein Klebstoff bei -196°C.

Da die Aufdoppler-Methode nicht anwendbar ist, wird zwischen die Spannbacke und die Probe Schmirgelgewebe gelegt. Im Ver­ such, insbesondere bei -196°C, kommt es im Bereich des Ein­ tritts der Probe in die Spannbacke aufgrund der hohen Bruch­ dehnung der Probe zu einer Relativbewegung zwischen Probe und Schmirgelgewebe. Dies hat zur Folge, dass von der Probenober­ fläche Material abgetragen wird. Insbesondere bei dynamischen Schwingversuchen zur Ermittlung des Dauerfestigkeitsniveaus, wofür zehn Millionen Lastwechsel erforderlich sind, ist die­ ser Abtrag nicht tolerierbar. Die Relativbewegung ist nur durch eine erhöhte Einspannungskraft in der Spannbackenver­ schraubung zu unterbinden, was jedoch ein vorzeitiges Versa­ gen des Prüfmaterials zur Folge hätte.

Aus der US 1 872 047 sind Spannelemente mit sägezahnähnlichen Oberflächen bekannt, bei denen die Strukturhöhe vom einen Ende zum anderen zunimmt.

Des weiteren sind aus der EP 0 480 498 A1 Spannelemente be­ kannt, die zur Verbesserung der Traktion pyramidenstumpfähn­ liche Erhebungen aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spannbacke bereitzustel­ len, bei der es nicht zu vorzeitigem Versagen des Prüfmateri­ als kommt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte aus­ gestaltungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Spannbacke eignet sich besonders für Zugversuche für anisotrope Werkstoffe mit einer hohen Deh­ nung.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels mit Hilfe der Fig. 3 und 4 näher erläutert.

Dabei zeigt die Fig. 3 eine Prinzip-Skizze einer Spannbacke zur Prüfung von hochelastischen Glasfaser Verbundwerkstoffen und die Fig. 4 die Druckentlastung durch die Verformung einer Lamelle.

Aufgrund der anisotropen Eigenschaften und der hohen Bruch­ dehnung der glasfaserverstärten Kunststoffe kommt nur eine Flachprobe mit rechteckigem Querschnitt als Probenkörper in Frage. Um eine Relativbewegung zwischen Probe 2 und Schmir­ gelgewebe zu vermeiden wurde eine neuartige Form der Spann­ backe 1 entwickelt.

Die Fig. 3 zeigt im oberen Teil eine Prinzip-Skizze (Längs­ schnitt) einer Spannbacke zur Prüfung von hochelastischen Glasfaser Verbundwerkstoffen als Probe 2 bei Raumtemperatur sowie Tieftemperatur (-196°C) ohne Schlupfbewegung zwischen der Probe und den Lamellen der Spannbacke.

Die Länge der Spannbacke beträgt 100 mm, die Höhe 30 mm und die Tiefe hängt von der Breite der Probe ab. Der Abstand zwi­ schen zwei Lamellen beträgt 0,5 mm und ihre Höhe variiert zwischen 7 und 20 mm.

Im unteren Teil der Fig. 3 ist die Dehnung der Probe, hier ein Verbundwerkstoff, dargestellt. Diese Dehnung ist der in der Spannbacke auf die Probe wirkenden Zugkraft proportional. Es ist zu erkennen, dass die Krafteinwirkung im Bereich der linken Lamellen aufhört. Der Verlauf der Lamellenhöhen kann an den Werkstoff angepasst werden.

Bei Zugbelastung der Probe werden die Lamellen 4 der Spann­ backe 1 entsprechend der Dehnung des Glasfaser-Verbundwerk­ stoffes 2 in Zugrichtung verformt. Zur Probenmitte hin er­ fährt der Verbund durch die Verformung der Lamellen eine Druckentlastung in der Einspannung, d. h. die Probe wird im Bereich des Eintritts in die Spannbacke 1 weniger stark auf Druck beansprucht.

Die Fig. 4 zeigt die Verformung der Lamellen bei Zugbelas­ tung der Probe. Dadurch wird eine Druckentlastung erzielt.

Die Spitzen 5 der Lamellen 4 sind abgerundet, um ein Abrollen auf dem eingespannten Werkstoff zu gewährleisten. Diese Ab­ rundung wird mit einem Bor-Silicat-Korn der Bezeichnung "CBN 181 Qualität ABN300 (Korngröße 800 µm mit scharfen Kanten)" beschichtet, um zwischen der Spannbacke und dem eingespannten Werkstoff eine bessere Haftreibung zu erzielen, als das mit einer sonst üblichen Kreuzrändelung der Fall ist. Durch oben genannte Beschichtung können die Einspannkräfte um bis zu 30% reduziert werden, was eine niedrigere Druckspannung durch die Einspannung zur Folge hat.

Claims (3)

1. Spannbacke für Flachproben mit rechteckigem Querschnitt, wobei die Spannbacke aus zwei Teilen mit im Wesentlichen quaderförmiger Gestalt besteht und wobei eine Anzahl von parallelen Nuten auf der der Flachprobe zugewandten Seite der beiden Teile der Spannbacke vorgesehen sind, die senkrecht zur Längsachse der Flachprobe verlaufen, wo­ durch Lamellen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nuten so gewählt ist, dass die Lamel­ lenhöhe von einem Ende der Spannbacke zum anderen hin ab­ nimmt und die Lamellen (4) oben an ihren Spitzen (5) ab­ gerundet sind, wodurch die Flachprobe über ihre ganze Breite auf jeder Lamelle (4) nur auf einer Linie auf­ liegt.

2. Spannback nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenhöhe monoton abnimmt.

3. Spannbacke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die abgerundeten Lamellenflächen mit Borsili­ kat-Korn beschichtet sind.