DE102006012962B4 - Device for carrying out a cyclic fatigue test on a material sample - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Durchführung eines zyklischen Ermüdungsversuches an einer Werkstoffprobe (3), die zwischen wenigstens zwei Einspannelementen (1, 2) einer Probenbelastungseinrichtung einspannbar und einem durch die Probe (3) gerichteten dynamischen Kraftfluss aussetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Werkstoffprobe (3) umhüllendes Element (4) vorgesehen ist, das an den wenigstens zwei Einspannelementen (1, 2) fluiddicht und fest gefügt ist und ein hermetisch abgeschlossenes, die Werkstoffprobe (3) enthaltendes Volumen (5) umschließt und dass das die Werkstoffprobe (3) umhüllende Element (4) unterschiedliche Steifigkeiten in unterschiedliche Raumrichtungen aufweist.contraption to carry out a cyclic fatigue test on a material sample (3) between at least two clamping elements (1, 2) of a sample loading device clamped and a through the sample (3) directed dynamic force flow is exposable, characterized in that a material sample (3) enveloping Element (4) is provided on the at least two clamping elements (1, 2) fluid-tight and firmly joined is and a hermetically sealed, the material sample (3) containing Encloses volume (5) and that the material sample (3) enveloping element (4) different Having stiffness in different directions in space.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines zyklischen Ermüdungsversuches an einer Werkstoffprobe.The The invention relates to a device for carrying out a cyclic fatigue test on a material sample.
Stand der TechnikState of the art
Ermüdungsversuche an Werkstoffproben stellen mechanische Belastungsuntersuchungen dar, um Beanspruchungsgrenzen von unterschiedlichen Werkstoffen und Probengeometrien zu ermitteln. Zyklische an Werkstoffproben bspw. dienen zur Ermittlung zyklischer 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.fatigue tests on material samples provide mechanical load tests to stress limits of different materials and to determine sample geometries. Cyclic on material samples, for example. are used to determine cyclic material parameters, both a specific material as well as a specific sample geometry can be assigned whose basis is predictable Material laws for the simulation of material use under realistic conditions of use can be derived.
Für die Durchführung derartiger zyklischer 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 zyklischen Zugbelastungsuntersuchung wird die Werkstoffprobe unter Vorgabe einer bestimmten Prüffrequenz belastet. 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.For the implementation of such cyclic investigations on material samples are very different Sample loading devices are known, of which without any limitation of the totality All load units at this point are representative of servo-hydraulic quick tearing in which a sample of material to be examined in the Usually over two clamping jaws is firmly clamped. For cyclic tensile loading investigation is the material sample under specification of a certain test frequency loaded. Here you can the strain rate from the ratio of Pulling speed to the length of the deformed part of the material sample and investigations to the influence of surrounding media.
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.Stands fatigue behavior during cyclic material testing (cyclic tests) of material samples in the presence of certain media in the center of interest, with the selected medium not one negligible influence on the material strength has, as for example in the case corrosive media acting on the material sample, it is valid Such stress studies in the environment of such media perform, ultimately reliable Statements about the load capacity and life of certain material samples under Action of an additional To meet the medium.
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 servohydraulischen Prüfmaschine 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.to cyclic load or fatigue test of Material samples under relevant loads in the presence of the Material properties adversely affecting media are after Previous practice complex sample chambers required in which the entire material sample, for example, in a servohydraulic testing machine is clamped, are to be accommodated. However, this is technical Problems with the sealing of the sample chamber for the cyclic introduction of force into the sample. Furthermore, such require Sample chambers significant amounts of the selected medium, whereby the danger potential, for example by explosion or impurities, the cost, when using expensive media, as well as the apparative Effort considerably are. In particular, the use of toxic or explosive Media makes accordingly far-reaching protection zones around the appropriate Sample chamber required, which is a considerable additional Requires space.
In
Patent Abstracts of
Aus
der
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der Werkstoffproben zyklischen Ermüdungsversuchen 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.Of the Invention has for its object to provide a way with The material samples are subjected to cyclic fatigue tests can, under which the material samples directly belong to a liquid, solid or gaseous medium can be exposed around their capacity and life limits under realistic To be able to investigate conditions of use, without the above sketched, technical elaborate sealing and protection requirements to have to meet. The one for this necessary measures should be technically simple and possible Be cost-saving feasible.
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.The solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1. The concept of the invention advantageously further features are the subject of the dependent claims and the description, in particular with reference to the embodiment.
Lösungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines zyklischen Ermüdungsversuches an einer Werkstoffprobe, die zwischen wenigstens zwei Einspannelementen einer Probenbelastungseinrichtung einspannbar und einem durch die Probe gerichteten dynamischen Kraftfluss aussetzbar ist, dadurch weitergebildet, dass ein die Werkstoffprobe umhüllendes Element vorgesehen ist, das an den wenigstens zwei Einspannelementen fluiddicht und fest gefügt ist und ein hermetisch abgeschlossenes, die Werkstoffprobe enthaltendes Volumen umschließt und dass das die Werkstoffprobe umhüllende Element unterschiedliche Steifigkeiten in unterschiedliche Raumrichtungen aufweist.Solution is a Apparatus for carrying out a cyclic fatigue test on a material sample between at least two clamping elements a Probenbelastungseinrichtung clamped and one through the sample Directed dynamic force flow is exposable, thereby educated, that enveloping the material sample Element is provided on the at least two clamping elements fluid-tight and firmly joined is and a hermetically sealed, containing the material sample Enclosing volume and that the element enveloping the material sample is different Having stiffness in different directions in space.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee sieht mit möglichst einfachen Mitteln die Schaffung eines die Werkstoffprobe einschließenden Volumens vor, wobei die hierfür zu ergreifenden Maßnahmen keinerlei Einfluß auf das Steifigkeitsverhalten der zu untersuchenden Werkstoffprobe selbst haben. Bei der Materialwahl des die Werkstoffprobe umhüllenden Elementes sowie bei dessen geometrischen Ausgestaltung es darauf zu achten, dass die Dehnbarkeit des die Werkstoffprobe umhüllendes Elementes zumindest in Wirkrichtung des auf die Werkstoffprobe während der Durchführung des zyklischen Ermüdungsversuches gerichteten Kraftflusses größer ist als die Dehnfähigkeit der Werkstoffprobe selbst. Zugleich sollte jedoch das die Werkstoffprobe umhüllende Element den gleichen Belastungen und Verformungen durch die Probenbelastungseinrichtung ausgesetzt sein, wie die Werkstoffprobe, um auf diese Weise durch Vorsehen geeigneter Sensoren repräsentierende Informationen über die auf bzw. in die Werkstoffprobe einwirkenden Belastungen zu erhalten. Auf diese Weise kann eine definierte Beanspruchung der Werkstoffprobe kontrolliert und entsprechend garantiert werden.The The idea underlying the invention provides the simplest possible means Creation of a material sample enclosing volume before, where the one for this none to be taken Influence on the stiffness behavior of the material sample to be examined itself to have. In the choice of material of the material sample enveloping Elementes as well as its geometric design on it to pay attention that the extensibility of the material sample enveloping Elementes at least in the effective direction of the material sample during the execution of the cyclic fatigue test directed force flow is greater as the elasticity At the same time, however, this should be the material sample enveloping Element the same loads and deformations by the sample loading device be exposed as the material sample to get through this way Provide suitable sensors representing information about the to obtain on or in the material sample acting loads. In this way, a defined stress of the material sample controlled and guaranteed accordingly.
Als bevorzugtes Material zur Ausbildung des die Werkstoffprobe umhüllenden Elementes eignet sich Faserverbundwerkstoff, der durch geeignete Herstellung und Gewebeorientierung bezüglich der Verbundeigensteifigkeit individuell konfektioniert werden kann.When preferred material for forming the material sample enveloping Elementes is fiber composite, by suitable production and tissue orientation the composite stiffness can be tailored individually.
Aufgrund der durch die Probenbelastungseinrichtung und der mit dieser verbundenen Einspannelemente vorgegebenen Prüfgeometrie ist das die Werkstoffprobe umhüllende Element rohr- bzw. schlauchförmig ausgebildet und verfügt über einen Innendurchmesser, der an die jeweilige Außenkontur der Einspannelemente angepasst ist, zwischen denen die Werkstoffprobe eingespannt wird. Das in Art einer Hülse ausgebildete Element ist mit den Einspannelementen fluiddicht, vorzugsweise im Wege einer Klebung verbunden.by virtue of the through the sample loading device and connected to this Clamping elements given test geometry this is the material sample enveloping Element tubular or tubular formed and has an inner diameter, to the respective outer contour of Clamping elements is adjusted, between which the material sample is clamped. The trained in the manner of a sleeve element with the clamping elements fluid-tight, preferably by way of a Bonding connected.
Alternativ zur Verwendung von Faserverbundwerkstoffen für die Ausbildung eines die Werkstoffprobe umhüllenden Elementes eignen sich auch anderweitige Materialien, die den eingangs erläuterten Dehnbarkeitsbedingungen entsprechen, so beispielsweise Formgedächtnislegierungen, die über superelastische Materialeigenschaften verfügen. Derartige Materialien können in geeigneter Weise hinsichtlich ihres Dehnungs- bzw. Dämpfungsverhalten durch entsprechende Bestromung aktiv beeinflußt werden.alternative on the use of fiber composites for the formation of a Enveloping material sample Elementes are also suitable for other materials, the beginning explained Stretchability conditions, such as shape memory alloys, the super elastic Have material properties. such Materials can in a suitable manner with regard to their expansion or damping behavior be actively influenced by appropriate energization.
Auch ist es vorteilhaft, das die Werkstoffprobe umhüllende Element mit geeigneten Sensoren zu bestücken, beispielsweise im Wege einer Applikation oder Integration, mit denen der Verformungszustand in das die Werkstoffprobe umhüllenden Elementes detektierbar ist. Auf diese Weise können exakt jene dynamischen Belastungen messtechnisch erfaßt werden, die gleichfalls die Werkstoffprobe belasten. So lassen sich mit Hilfe geeignet ausgewählter Sensoren, wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen, faseroptische Sensoren oder auf dem piezoelektrischen Effekt basierende Sensoren in besonders vorteilhafter Weise einsetzen um mehraxiale Belastungen, wie beispielsweise Zug-Torsionsbelastungen zu erfassen. Ebenso ist es möglich, durch Vorsehen geeigneter Aktoren an oder innerhalb des die Werkstoffprobe umhüllenden Elementes neben den durch die Probenbelastungseinrichtung hervorgerufene Probenbelastungen zusätzliche Belastungen zu generieren. So eignen sich hierfür Aktoren, die in oder an das die Werkstoffprobe umhüllende Element integriert oder applizierbar sind, wie bspw. piezoelektrisch aktivierbare Fasern, Folienaktoren oder Stapelaktoren oder auch aus Formgedächtnislegierungen bestehende Aktoren. Bei geeigneter Anbringung an das die Werkstoffprobe umhüllende Element vermögen derartige Aktoren mehraxiale Belastungen, wie beispielsweise Zug-Torsionskopplungen zu generieren. So ist die Zug-Torsionskopplung eine Verformungskopplung, bei der durch Einleiten einer Längsverformung entsprechend der Steifigkeit der zu untersuchenden Werkstoffprobe sowie der Drehbarkeit der Einspannungselemente zusätzliche Verdrehung und/oder Drehmomente erzeugt werden können.Also it is advantageous that the material sample enveloping element with suitable To equip sensors, for example, by means of an application or integration with which the state of deformation in the material sample enveloping Element is detectable. That way you can get exactly those dynamic ones Loads are detected metrologically, which also load the material sample. So you can join Help appropriately selected Sensors, such as strain gauges, fiber optic Sensors or sensors based on the piezoelectric effect use in a particularly advantageous manner to multi-axial loads, such as train torsional loads. Likewise is it is possible by providing suitable actuators on or within the material sample enveloping Element next to the caused by the sample loading device Sample loads additional Generate burdens. For this purpose, actuators are suitable in or on the Enveloping material sample Element integrated or applied, such as, piezoelectric activatable fibers, film actuators or stack actuators or else from shape memory alloys existing actors. With suitable attachment to the material sample enveloping Element assets such Actuators multi-axial loads, such as tensile torsion couplings to generate. Thus, the tensile torsional coupling is a deformation coupling, in by initiating a longitudinal deformation according to the rigidity of the material sample to be examined and the rotation of the clamping elements additional Twist and / or torques can be generated.
Ein weiterer sehr wichtiger Aspekt im Vorsehen eines die Werkstoffprobe lösungsgemäß umhüllenden Elementes ist die Schaffung eines die Werkstoffprobe hermetisch umschließenden, mit einem Medium befüllbaren Volumens, in dem Versuche zur Medienbeständigkeit der Werkstoffprobe unter dynamischen Belastungen durchgeführt werden können. So ist es möglich, bei geeigneter fluiddichter Materialwahl des die Werkstoffprobe umhüllenden Elementes, dass Belastungsversuche mit entsprechend vorgebbaren Innendruckverhältnissen durchgeführt werden können. Hierzu sieht wenigstens ein Einspannelement eine Zuleitung für das Befüllen des hermetisch umschlossenen Volumens mit einem Gas unter entsprechenden Druckbedingungen vor.Another very important aspect in providing an element enclosing the material sample by solution is the creation of a hermetically enclosing material volume which can be filled with a medium, in which tests for media resistance of the material sample under dynamic loads can be carried out. Thus, it is possible, with suitable fluid-tight material selection of the material sample enveloping element that load tests performed with appropriately predeterminable internal pressure conditions you can. For this purpose, at least one clamping element provides a supply line for filling the hermetically sealed volume with a gas under appropriate pressure conditions.
Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, das Volumen mit einer Flüssigkeit zu befüllen oder das Volumen entsprechend mit einer Flüssigkeit zu durchströmen. Hierzu sind an den jeweils gegenüberliegend angeordneten Einspannelementen entsprechende Zu- bzw. Ableitungen für ein flüssiges Medium vorzusehen.Of course it is it also possible that Volume with a liquid to fill or to flow through the volume corresponding to a liquid. For this are opposite each other arranged clamping elements corresponding supply and discharge lines for a liquid medium provided.
In
der einzigen Figur ist eine schematisierte Längsschnittdarstellung durch
die Einspannelemente
Bei
der in der einzigen Figur dargestellten Anordnung sei angenommen,
dass die Werkstoffprobe
Wie
bereits eingangs erwähnt
ist es zudem möglich,
an der Außenwand
Über innerhalb
der Einspannelemente
Das
Volumen
- 1, 21, 2
- Einspannelementejigs
- 33
- WerkstoffprobeMaterial sample
- 44
- das die Werkstoffprobe umhüllende Elementthe enveloping the material sample element
- 4a4a
- Außenwandouter wall
- 4i4i
- Innenwandinner wall
- 55
- Volumenvolume
- 66
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Patent Abstract of Japan & JP 60093941 A * |
Patent Abstract of Japan: JP 60-093 941 A |
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DE102006012962A1 (en) | 2007-10-04 |
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