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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Werkstoffprobe für einen zyklischen Ermüdungsversuch, bei
dem zumindest ein Teilbereich der Werkstoffprobe einem Medium und/oder
einem Energieeintrag aussetzbar ist.
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Stand der Technik
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Ermüdungsversuche
an Werkstoffproben stellen mechanische Belastungsuntersuchungen
dar, um Beanspruchungsgrenzen von unterschiedlichen Werkstoffen
und Probengeometrien zu ermitteln. Dynamische Zugversuche an Werkstoffproben
bspw. dienen zur Ermittlung dynamischer Werkstoffkennwerte, die
sowohl einem bestimmten Werkstoff als auch einer bestimmten Probengeometrie
zugeordnet werden können,
auf deren Grundlage prognosefähige
Werkstoffgesetze für
die Simulation des Werkstoffeinsatzes unter realistischen Einsatzbedingungen abgeleitet
werden können.
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Für die Durchführung derartiger
statischer oder dynamischer Untersuchungen an Werkstoffproben sind
unterschiedlichste Probenbelastungseinrichtungen bekannt, von denen
ohne jegliche Einschränkung
der Gesamtheit aller Belastungseinheiten an dieser Stelle repräsentativ
auf servo-hydraulische Schnellzerreißmaschinen verwiesen sei, in
die eine zu untersuchende Werkstoffprobe in der Regel über zwei
Einspannbacken fest eingespannt wird. Zur dynamischen Zugbelastungsuntersuchung
wird die Werkstoffprobe unter Vorgabe einer bestimmten Abzugsgeschwindigkeit
gedehnt. Hierbei können
die Dehnrate aus dem Verhältnis
von Abzugsgeschwindigkeit zur Länge
des verformten Teils der Werkstoffprobe berechnet und Untersuchungen
zum Einfluss von umgebenden Medien durchgeführt werden.
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Steht
bei der Werkstoffprobenuntersuchung das Ermüdungsverhalten (zyklische Versuche)
von Werkstoffproben in Gegenwart bestimmter Medien im Mittelpunkt
des Interesses, wobei das jeweils ausgewählte Medium einen nicht zu
vernachlässigenden Einfluss
auf die Werkstoffbeanspruchbarkeit hat, wie beispielsweise im Falle
korrosiv auf die Werkstoffprobe einwirkende Medien, so gilt es,
derartige Belastungsuntersuchungen in Umgebung derartiger Medien
durchzuführen,
um letztlich zuverlässige
Aussagen über
die Belastbarkeit und Lebensdauer bestimmter Werkstoffproben unter
Einwirkung eines zusätzlichen
Mediums treffen zu können.
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Zur
zyklischen Belastungs- bzw. Ermüdungsprüfung von
Werkstoffproben unter relevanten Belastungen in Gegenwart von die
Werkstoffeigenschaften nachteilhaft beeinflussenden Medien, sind nach
bisheriger Praxis aufwendige Probenkammern erforderlich, in denen
die gesamte Werkstoffprobe, die beispielsweise in einer dynamischen
Schnellzerreißmaschine
eingespannt ist, unterzubringen sind. Hierbei treten jedoch technische
Probleme hinsichtlich der Abdichtung der Probenkammer für die zyklische
Krafteinleitung in die Probe auf. Weiterhin benötigen derartige Probenkammern
erhebliche Mengen an dem jeweils gewählten Medium, wodurch das Gefahrenpotential,
bspw. durch Explosion oder Verunreinigungen, die Kosten, bei Verwendung
teuerer Medien, sowie der apparative Aufwand beträchtlich sind.
Insbesondere der Einsatz von giftigen oder explosionsgefährlichen
Medien macht entsprechend weit reichende Schutzzonen um die entsprechende Probenkammer
erforderlich, was einen erheblichen zusätzlichen Raumbedarf erfordert.
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Aus
DE 196 16 137 C2 ist
ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Prüfung eines Hohlkörperabschnittes
zu entnehmen, bei dem zum Nachweis der Sprödbruchsicherheit nach Füllen des
Abschnittes mit einem Fluid der Hohlkörperabschnitt einem einmaligen
Berstversuch unterworfen wird. Ein Hohlkörperabschnitt wird hierzu beidseitig
von axialbeweglichen Kolben begrenzt, wobei beide Kolben den inneren
Hohlraum des Hohlkörpers
jeweils über
einen Dichtring einzuschließen
vermögen.
Zur Durchführung
des Berstversuches fällt
ein Fallgewicht auf die jeweiligen axialbeweglich angeordneten Kolben, wodurch
das im Inneren des Hohlkörperabschnittes enthaltene
Medium schlagartig komprimiert wird. Hierdurch erfahren die Wandflächen des
Hohlkörpers ein
durch das Medium vermittelte nach außen gerichtete Kraft, die letztlich
den Hohlkörper
im Bereich einer vorgesehenen Kerbe zu zerstören vermag.
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Die
DE 692 02 602 , beschreibt
eine Vorrichtung zum Prüfen
der Innendruckfestigkeit einer Röhre
in die zur Druckbelastung ein inflatierbarer hohler Elastomerkörper
5 eingebracht
ist.
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Die
DE 199 03 476 A1 beschreibt
eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Prüfung von Gefäßimplantaten.
Hierbei ist das zu untersuchende Implantat innerhalb eines Schlauches
eingebracht, der wiederum in einer mit einem Fluid gefüllten geschlossenen
Kammer vorgesehen ist. Durch entsprechende Druckvariation innerhalb
der Kammer wird das sich innerhalb des Schlauches befindliche Implantat mit
einer gleich verteilten Belastung beansprucht.
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Die
in
SU 1576857 A1 und
SU 1193523 A beschriebenen
Werkstoffprobe stellen an sich klassische Werkstoffproben dar, die über entsprechende Anschlussflansche
in eine an sich bekannte Probenbelastungseinrichtung, bspw. in eine
Schnellzerreißmaschine,
eingesetzt wird. Zusätzlich
sehen die Werkstoffprobe eine die Außenkontur fluiddicht umgebende
Manschette vor, die mit der Außenwand
der Werkstoffprobe einen Zwischenraum einschließt, der mit einem entsprechend
gewählten
Medium gefüllt werden
kann.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mit
der Werkstoffproben zyklischer Ermüdungsversuchen, vorzugsweise im
Rahmen zyklischer Belastungsversuche, unterzogen werden können, unter
denen die Werkstoffproben unmittelbar einem flüssigen, festen oder gasförmigen Medium
ausgesetzt werden können,
um deren Belastbarkeits- und Lebensdauergrenzen unter realitätsnahen
Einsatzbedingungen untersuchen zu können, ohne dabei die vorstehend
skizzierten, technischen aufwendigen Abdichtungs- und Schutzanforderungen
treffen zu müssen.
Die hierfür
erforderlichen Maßnahmen
sollen technisch einfach und möglichst
Kosten sparend realisierbar sein.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind
Gegenstand der Unteransprüche
sowie der Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel
zu entnehmen.
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Das
lösungsgemäße Werkstoffprobenkonzept
eröffnet
grundsätzlich
die Möglichkeit
vollständig auf
eine hermetisch abdichtende Probenkammer zu verzichten, in der die
Probenbelastungseinrichtung nebst Werkstoffprobe in Gegenwart eines
die Werkstoffprobe belastenden Mediums oder eines auf die Werkstoffprobe
gerichteten Energieeintrages üblicherweise
eingebracht ist. Darüber
hinaus werden bei der lösungsgemäß vorgeschlagenen
Werkstoffprobe die zumeist großbauenden
Probenbelastungseinrichtungen, wie bspw. Schnellzereißmaschinen, überflüssig, da
das neuartige Werkstoffprobenkonzept eine statische, zyklische oder
dynamische Werkstoffprobenbelastung ermöglicht, die auf Basis hydrostatischer
Kräfte
beruht, die in einem, in der Werkstoffprobe innenliegenden Hohlraum
generiert werden, so dass gleichsam herkömmlicher Ermüdungstechniken
die Werkstoffprobe Druck-, Zug- und Biegebeanspruchungen kontrolliert
ausgesetzt werden kann.
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Lösungsgemäß zeichnet
sich die Werkstoffprobe für
einen zyklischen Ermüdungsversuch,
bei dem zumindest ein Teilbereich der Werkstoffprobe einem Medium
und/oder einem Energieeintrag aussetzbar ist, dadurch aus, dass
wenigstens ein von der Werkstoffprobe umschlossener Hohlraum vorgesehen
ist, in dem oder aus dem ein Mittel zur Erzeugung eines auf die
den Hohlraum umschließende Werkstoffprobe
gerichteten Druck einbringbar bzw. ausleitbar ist. Die Werkstoffprobe
weist eine dem Hohlraum abgewandte frei zugängliche Außenoberfläche auf, die dem in einem Behältnis bevorratetem Medium
und/oder dem Energieeintrag aussetzbar ist. Darüber hinaus ist im Bereich des
Hohlraums wenigstens eine die Werkstoffprobe gezielt schwächende Kerbstruktur
eingebracht, die an der Außenoberfläche der
Werkstoffprobe vorgesehen ist, die dem Medium und/oder dem Energieeintrag
aussetzbar ist.
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Die
lösungsgemäße Werkstoffprobe
grenzt sich somit von den bisher üblichen Konzepten für Ermüdungsversuche
ab, bei denen Werkstoffproben von außen mittels geeigneter Prüfeinrichtungen Druck-,
Zug- oder Biegespannungen induziert werden, vielmehr erfolgt die
zyklische Belastung der Werkstoffprobe durch statische oder dynamische druckbeaufschlagte
Einleitung eines Mittels in den Hohlraum zur Erzeugung eines innerhalb
des Hohlraumes vorherrschenden hydrostatischen Druckes, der von
innen auf die Werkstoffprobe wirkt. Auch ist es denkbar und möglich innerhalb
des Hohlraumes gezielt Unterdruck anzulegen, indem das innerhalb des
Hohlraumes vorhandene Mittel, vorzugsweise in Form von Gas oder
Flüssigkeit,
aus dem Hohlraum abgesaugt oder abgepumpt wird. Auf diese Weise können zum
Hohlraum zugewandte Druck-, Zug- oder Biegekräfte in die Werkstoffprobe eingeleitet werden.
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Grundsätzlich stehen
beliebige Mittel für
die auf die Werkstoffprobe einwirkende Druckbelastung zur Verfügung, vorzugsweise
eignen sich jedoch Fluide bzw. Flüssigkeiten, die über keine
oder nur geringe Kompressibilität
verfügen
und aufgrund dessen eine wirkungsvolle hydrostatische Druckbelastung
im Inneren des Hohlraumes zu generieren vermögen.
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Zur
Aussetzung der Werkstoffprobe eines die Werkstoffprobeneigenschaften
beeinträchtigenden
Mediums oder eines entsprechenden Energieeintrages wird die Werkstoffprobe
in Kontakt mit einem Medium gebracht, das seinerseits vorzugsweise in
einem Behältnis
bevorratet ist, das ein einseitiges Eintauchen der Werkstoffprobe
in das jeweilige Medium ermöglicht.
Gilt es bspw. einen statischen oder zyklischen Ermüdungsversuch
an einer Werkstoffprobe in Gegenwart einer aggressiven bspw. korrosiv wirkenden
Flüssigkeit
durchzuführen,
die im einfachsten Fall in einem einseitig offen zugänglichen Behältnis bevorratet
ist, so wird die Werkstoffprobe wenigstens einseitig in die Säure eingetaucht,
während über geeignete
Zuleitungen unter Zugrundelegung eines vorgegebenen Prüfschemas
zur Druckvariation innerhalb der Werkstoffprobe ein Mittel, es sei
im folgenden Arbeitsmittel, in den Hohlraumes eingeführt wird
oder aus diesem ausgeleitet wird. Die entsprechende Zu- bzw. Abführung zur
Generierung des statisch oder dynamisch wirkenden hydrostatischen
Druckes innerhalb der Werkstoffprobe erfolgt in geeigneter Weise
außerhalb
des aggressiven Mediums, in das die Werkstoffprobe einseitig eintaucht, so
dass auf aparativ aufwendige und zum Teil kostspielige Abdichtvorkehrungen
vollkommen verzichtet werden können.
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Ein
vorrangiges Ziel bei der Durchführung von
Werkstoffermüdungsversuchen
an Werkstoffproben ist es, die Belastbarkeit und/oder voraussichtliche
Lebensdauer bestimmter Komponenten und Bauteile, wie sie in Anlagen
und Systemen unterschiedlichster Art eingesetzt werden und systembedingt
bestimmten Arbeitsmedien ausgesetzt sind, die ebenfalls Einfluss
auf die Lebensdauer der Komponenten haben, zu bestimmen. Unabhängig von
Größe und Form
der jeweiligen Komponenten wird die maximale Betriebslebensdauer
durch jene Komponentenbereiche begrenzt, die am schwächsten ausgebildet
sind oder über kritische
Formgebungen hinsichtlich möglicher
Initialrissbildungen verfügen. Eben
jene Bereiche gilt es im Rahmen eines Ermüdungsversuches gezielt zu untersuchen,
die mit einer geeignet geformten Werkstoffprobe nachzubilden oder
in Abhängigkeit
der Komponentengröße in reduzierter
Baugröße auszubilden
bzw. nachzubilden sind.
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Somit
weist die Werkstoffprobe wenigstens eine die Werkstoffprobe im Bereich
des Hohlraumes gezielt schwächende
Kerbstruktur auf, an der sich unter realistischen Einsatzbedingungen
für gewöhnlich Materialschwächungen
bevorzugt einstellen. Der Begriff „Kerbstruktur" umfasst all jene
Strukturen, die entweder gezielte Materialausnehmungen oder entsprechende
Materialverdickungen umfassen. Selbst das Einbringen von Kanten
oder Haarrissen längs der
Werkstoffprobenoberfläche,
die den innen liegenden Hohlraum begrenzt, stellen die Werkstoffprobe gezielt
schwächende
Kerbstrukturen dar. Je nach Wahl der geometrisch ausgewählten Kerbstruktur können unterschiedliche
Spannungsgradienten innerhalb der Werkstoffprobe während der
Durchführung
der jeweiligen Ermüdungsversuche
eingestellt und hervorgerufen werden. So können durch entsprechende Wahl
der Kerbstruktur unterschiedliche Bauteilbereiche simuliert werden
können.
Neben der geometrischen Ausbildung der Kerbstruktur und die sich
im Wege der Ermüdungsversuche
einstellenden Spannungsgradienten innerhalb der Werkstoffprobe im
Bereich der Kerbstruktur, wirkt zudem auch von Außen auf
die Werkstoffoberfläche
das jeweilige Medium belastend auf die Werkstoffprobebeschaffenheit
ein, so dass die Werkstoffprobe in Abhängigkeit des Mediums, des innerhalb
des Hohlraumes vorherrschenden Druckes sowie ggf. zusätzlicher
auf die Werkstoffprobe einwirkender Energien, bspw. in Form thermischer
und/oder elektromagnetischer Energie, einer zusätzlichen die Lebensdauer der
Werkstoffprobe begrenzenden Belastung unterworfen ist, die geeignet
berücksichtig
werden können.
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Die örtliche
Beanspruchung durch den zyklisch innerhalb des Hohlraumes auf die
Werkstoffprobe lastenden hydrostatischen Druck kann durch eine einfache
finite Element-Analyse bestimmt und auf Bauteile und Komponenten unter
Berücksichtigung
der jeweiligen Spannungsgradienten übertragen werden. Somit ist
es möglich
anhand der im Rahmen der Ermüdungsversuche
gewonnenen Kenntnisse Design- und Materialvorschläge für Werkstücke und
Werkstückgeometrien
mit optimierten Belastungseigenschaften vorzunehmen.
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Werden
Ermüdungsversuche
an einer lösungsgemäß ausgebildeten
Werkstoffprobe unter druckbeaufschlagten Versuchsbedingungen durchgeführt, bei
der der Hohlraum der Werkstoffprobe beispielsweise mit einer Flüssigkeit
befüllt
wird, so bietet es sich an, den Hohlraum innerhalb der Werkstoffprobe
fluiddicht mit einem Einspeisungsventil abzudichten, über das
druckgeregelt das jeweilige Medium in den Hohlraum zugegeben werden
kann. Wie bereits erwähnt
ist es auch möglich
Gas als Arbeitsmittel in den Hohlraum der Werkstoffprobe einzuspeisen.
Da Gase jedoch über
eine verglichen zu Flüssigkeiten überaus hohe
Kompressibilität
verfügen,
bedarf es der Erzeugung eines erheblichen Überdruckes innerhalb der Werkstoffprobe,
um eine belastungsrelevante Druckwirkung innerhalb des Hohlraumes
auf die Werkstoffprobe zu schaffen. Im Versagensfalle, bspw. am
Ort der Kerbstruktur, würde
das komprimierte Gas explosionsartig nach außen treten und zu einem erhöhten Sicherheitsrisiko
führen,
insbesondere in jenen Fällen,
bei denen die Werkstoffprobe von einer Flüssigkeit zum mindest teilweise umgeben
wäre, die überdies
toxisch oder ähnlich
gefährlich
ist.
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Anhand
des nachfolgenden Ausführungsbeispiels
soll der lösungsgemäße Gedanke
weiter veranschaulicht werden.
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Aus
der einzigen Figur ist ein schematisierter Aufbau eines Ermüdungsversuches
an einer Werkstoffprobe 1 gezeigt.
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Die
Werkstoffprobe ist als rotationssymmetrischer, zylinderförmiger Körper ausgebildet,
bspw. in Form eines Metall- oder Kunststoffkörpers, dessen Probenwand 2 einen
inneren Hohlraum 3 umschließt, der an seinem oberen Ende
einen offenen Anschluss 4 für eine Zugabe bzw. Abführung eines
Arbeitsmittels in bzw. aus dem Hohlraum 3 ermöglicht.
Am Anschluss 4 kann zur druckbeaufschlagten Zuführung oder
Ableitung des Arbeitsmittels ein Druckventil (nicht dargestellt)
angebracht sein. Die Werkstoffprobe 1 weist überdies
eine an ihrer Außenoberfläche 5 vorgesehene
Kerbstruktur 6 auf, die als höchstbeanspruchter Werkstoffprobenbereich,
der dem Versagensort bei der Durchführung eines Ermüdungsversuches
entspricht, anzusehen ist. Die Werkstoffprobe 1 taucht
einseitig, wie aus der einzigen Figur entnehmbar ist, in ein Prüfmedium 7 ein,
das in einem nicht weiter dargestellten Behältnis bevorratet ist. Zur Befestigung
der Werkstoffprobe 1 gegenüber dem Prüfmedium 7 dient eine
Fixierhilfe 8, die zugleich auch in Art eines oberen Abdeckmittels
ausgebildet sein kann, insbesondere in Fällen, in denen das Prüfmedium 7 sicherheitstechnisch
gegenüber
der Umgebung zu verschließen
ist.
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Zur
Durchführung
eines Ermüdungsversuches
wird über
die Zuleitung 4 druckbeaufschlagt ein Arbeitsmittel, vorzugsweise
eine Flüssigkeit
wie Wasser druckbeaufschlagt in den Hohlraum 3 der Werkstoffprobe 1 eingebracht,
so dass der im Inneren des Holraumes 3 herrschende hydrostatische Druck
die Werkstoffprobe 1 in kontrolliert vorgebbaren Bereichen
zu deformieren vermag, wodurch die Werkstoffprobe insbesondere im
Bereich der Kerbstruktur 6 bevorzugt belastet wird.
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Durch
kontrollierte Abgabe des in den Hohlraum 3 über die
Zuleitung 4 einführbaren
Arbeitsmittels kann die Druck- und Zugbelastung eingestellt werden,
so dass die Belastbarkeit, der die Werkstückprobe während des Ermüdungsversuches
ausgesetzt ist, exakt vorgegeben werden kann. Jegliche bis anhin
im Einsatz befindliche Zerreiß-
oder Prüfmaschinen
werden somit überflüssig.
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Alternativ
oder in Kombination zur Einwirkung des Prüfmediums 7 auf die
Werkstückprobe 1 können Energieflüsse, wie
bspw. Wärmestrahlung oder
elektromagnetische Felder von außen auf die Werkstückprobe,
insbesondere im Bereich der Kerbstruktur 6 appliziert werden.
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Die
Formgebung der Kerbstruktur 6 richtet sich vornehmlich
nach der jeweiligen zu untersuchenden Komponente, deren Ermüdungsverhalten zu
untersuchen ist. So können
die Ausnehmungstiefe sowie die gewählten Radien, durch die die
Ausnehmung 6 beschreibbar ist, individuell je nach Vorgabe durch
die zu untersuchende Komponente, gewählt werden. Ferner sind für die Kerbstruktur
weitere alternative Ausnehmungen denkbar, deren Konturen durch Radien,
Rechtecksformen, elliptischen Oberflächen, Parabelformen etc. beschreibbar
sind.
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Neben
der Ausbildung der Kerbstruktur 6 in Form einer Materialausnehmung
ist es jedoch auch denkbar, eine Materialverdickung innerhalb oder
außerhalb
des Bereiches des Hohlraumes 3 vorzusehen, durch die die
Werkstoffprobe gleichfalls lokal geschwächt werden kann.
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Für einen
erfolgreichen Einsatz der lösungsgemäß ausgebildeten
Werkstoffprobe ist es nicht erforderlich die Probenwanddicke längs des
Hohlraumes mit Ausnahme des Bereiches der Kerbstruktur konstant
auszubilden. Durchaus können
Werkstoffprobengeometrien gewählt
werden, deren Wanddicken variabel sind.
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Eine
weitere Ausführungsvariante
einer lösungsgemäß ausgebildeten
Werkstoffprobe sieht anstelle eines fluiddicht abschließbaren Hohlraumes, gemäß dem vorstehend
unter Bezugnahme auf die einzige Figur beschriebenen Ausführungsbeispiel,
einen Hohlraum vor, der in Art eines Durchströmungskanals ausgebildet ist
und die Möglichkeit
einer strömungsdynamischen
Beaufschlagung der Werkstoffprobe während der Durchführung eines
Ermüdungsversuches
bietet. So könnte
eine derartige Werkstoffprobe anstelle der zeichnerisch dargestellten
Werkstoffprobe vollständig
von dem Hohlraum 3 durchsetzt sein. An beiden offen ausgebildeten
Endabschnitten der Werkstoffprobe sind entsprechend fluiddicht mit
der Werkstoffprobe abschließende Flanschverbindungen
vorgesehen, über
die ein entsprechendes Arbeitsmittel, das entweder gasförmig, flüssig oder
als rieselförmiger
Feststoff (Pulver oder pulverartig) vorliegt, durch die Werkstoffprobe
hindurchgeleitet werden kann. In diesem Falle bedarf es jedoch einer
entsprechenden Abdichtung zwischen der Werkstoffprobe und dem Behältnis, in
dem sich das Medium bevorratet ist, das von außerhalb auf die Werkstoffprobe
einwirkt.
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Mit
Hilfe der lösungsgemäß ausgebildeten Werkstoffprobe
sind somit statische, dynamische oder zyklische Ermüdungsversuche
in Gegenwart giftiger, explosionsgefährlicher und/oder kostspieliger
Medien ohne weitere Sicherheitsmaßnahmen möglich. Durch entsprechende
Auswertung der im Rahmen der Ermüdungsversuche
gewonnenen Informationen können
Werkstoffkennwerte ermittelt werden, die zuverlässige Aussagen über das
Ermüdungsverhalten
und die maximale Lebensdauer jeweiliger mit entsprechenden Medien
in Kontakt tretenden Bauteile und Komponenten beinhalten.
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- 1
- Werkstoffprobe
- 2
- Probenwand
- 3
- Hohlraum
- 4
- Zuleitung
- 5
- Außenoberfläche
- 6
- Kerbstruktur
- 7
- Prüfmedium
- 8
- Fixiermittel