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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialprüfung mit den Schritten: (a)
Bereitstellen eines Probekörpers,
der in einer Versagenszone im Wesentlichen symmetrisch zu einer
Symmetrieebene aufgebaut ist, und (b) Aufbringen einer Prüfkraft auf den
Probekörper.
Gemäß einem
zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Probenhalter zur Verwendung
in einem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Materialprüfung
mit einer ersten Probenaufnahme zum Befestigen eines ersten Endes
eines mindestens eine Symmetrieebene aufweisenden Probenkörpers und
einer zweiten Probenaufnahme zum Befestigen eines zweiten Endes
des Probenkörpers, wobei
die Probenaufnahme ausgebildet ist, um den Probekörper zwischen
sich zu befestigen.
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Im
Stand der Technik sind eine Vielzahl von Versuchsaufbauten und -Prozeduren
bekannt, um Kennwerte für
die mechanische Belastbarkeit eines Materials zu ermitteln. Beispielsweise
werden durch Zug-, Druck-, Kerbschlag- oder Scherversuche Materialproben
mechanisch belastet und Kraft-Weg-Kurven aufgenommen. Aus derartigen
Kraft-Weg-Kurven werden Kennwerte für die mechanischen Eigenschaften
des verwendeten Materials abgeleitet. Derartige Verfahren stellen
jeweils zweidimensionale Spannungszustände in den Probekörpern ein.
Für reale
Bauteile sind aber dreidimensionale Spannungszustände charakteristisch
und oft versagensbestimmend. Es ist daher ein Verfahren wünschenswert,
mit dessen Hilfe Aussagen über
die Festigkeit eines Materials unter dreidimensionalen Spannungszuständen gemacht
werden können.
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Ein
derartiges Verfahren wird insbesondere bei ansiotropen Materialien
benötigt,
bei denen die mechanischen Eigenschaften raumrichtungsabhängig sind.
Anisotrope Materialien sind beispielsweise Holz, faserverstärkte Kunststoffe
oder whiskerverstärkte
Materialien.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik
zu überwinden.
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Die
Erfindung löst
das Problem durch ein gattungsgemäßes Verfahren zur Materialprüfung, bei dem
die Prüfkraft
unter einem Angriffswinkel zu der Symmetrieebene des Probenkörpers aufgebracht
ist, der größer als
0° und kleiner
als 90° ist.
Gemäß einem
zweiten Aspekt löst
die Erfindung das Problem durch einen gattungsgemäßen Probenhalter,
bei dem der Probenhalter eine Koppelvorrichtung zum Koppeln mit
einer Uniaxial-Prüfmaschine
umfasst, wobei die Koppelvorrichtung so angeordnet ist, dass eine
Prüfkraft
unter einem Angriffswinkel zu der mindestens einen Symmetrieebene
des Probekörpers aufbringbar
ist, der größer als
0° und kleiner
als 90° ist.
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Vorteilhaft
an der Erfindung ist, dass sie auch bei einer begrenzten Plattendicke
des Probekörpers eine
Aussage über
dreidimensionale Materialeigenschaften erlaubt. Die Plattendicke
kann beispielsweise deshalb begrenzt sein, weil eine zur Durchführung des
Verfahrens verwendete Prüfmaschine
nur eine begrenzte Prüfkraft
auf den Probekörper
aufbringen kann. Eine begrenzte Plattendicke kann auch daraus resultieren,
dass dickere Probenkörper
nicht herstellbar sind oder nicht zur Verfügung stehen.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass kombinierte Druck-Schub- oder Zug-Schub-Belastungen
leicht und definiert realisierbar sind. Beispielsweise sind bei
faserverstärkten
Kunststoffen interlaminare Schubkennwerte präzise ermittelbar.
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Vorteilhaft
ist zudem die einfache Präparation
von Probenkörpern.
Für ein
erfindungsgemäßes Verfahren
sind nämlich
insbesondere keine Kerben oder andere aufwändig zu fertigende geometrische Strukturen
im Probekörper
notwendig.
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Schließlich ist
vorteilhaft, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit herkömmlichen
Zugprüfmaschinen
realisierbar ist und nur einen geringen apparativen Aufwand erfordert.
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Unter
dem Merkmal, dass der Probekörper
in einer Versagenszone im Wesentlichen symmetrisch zu einer Symmetrieebene
aufgebaut ist, ist zu verstehen, dass es zwar wünschenswert, nicht aber zwingend
notwendig ist, dass der Probekörper
in der Versagenszone streng symmetrisch zu der Symmetrieachse ist.
Es ist insbesondere ausreichend, dass der Probekörper in der Versagenszone so
symmetrisch aufgebaut ist, dass aus einer Asymmetrie resultierende
Abweichungen im Vergleich zu einem in der Versagenszone symmetrisch
aufgebauten Probekörper vernachlässigt werden
können.
Unter der Versagenszone wird dabei insbesondere der Bereich des
Probekörpers
verstanden, der bei Durchführung
des Verfahrens inelastisch verformt wird. In der Regel tritt in der
Versagenszone bei der Durchführung
des Verfahrens Materialversagen ein, das heißt, dass der Probekörper reißt oder
bricht. Eine solche Versagenszone ist beispielsweise die Umgebung
einer Materialverjüngung
oder eine Sollbruchstelle des Probeköpers.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist in der Regel zerstörend,
es ist jedoch auch denkbar, das Verfahren zur zerstörungsfreien
Materialprüfung
einzusetzen, indem der Probekörper
beispielsweise ausschließlich
elastisch verformt wird.
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Wenn
der Probekörper
mehr als eine Symmetrieebene aufweist, so ist der Angriffswinkel
bezüglich
einer, zweier oder mehr Symmetrieebenen größer als 0° und kleiner als 90°. Wenn eine
Symmetrieachse existiert, ist der Angriffswinkel entsprechend bezüglich dieser
Symmetrieachse größer als 0° und kleiner
als 90°.
Der Angriffswinkel liegt beispielsweise über 5° und unter 85°.
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In
einem bevorzugten Verfahren werden die Schritte (a), (b) unter mindestens
zwei unterschiedlichen Angriffswinkeln, insbesondere an mindestens zwei
unterschiedlichen Probekörpern
durchgeführt. Um
belastbare Aussagen über
die Materialfestigkeit unter dreidimensionaler Belastung zu erhalten,
ist es vorteilhaft, das Verfahren an einer Vielzahl von Probekörpern unter
jeweils variierenden Zug-Schub- und Druck-Schub-Belastungen durchzuführen. Günstig ist
es, das Verfahren unter drei, vier, fünf oder mehr Angriffswinkeln
durchzuführen.
Dabei werden die einzelnen Angriffswinkel bevorzugt in äquidistanten Winkelschritten
oder äquidistant
im Sinus, im Kosinus, im Quadrat des Sinus oder im Quadrat des Kosinus
gewählt.
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Bevorzugt
wird die Prüfkraft
unter einem stets gleich bleibenden Angriffswinkel auf den Probekörper aufgebracht.
Hierunter ist zu verstehen, dass die Prüfkraft im Verlauf des Verfahrens
beispielsweise mit der Zeit monoton zunimmt, jedoch stets unter dem
gleichen Angriffswinkel zur Symmetrieebene des Probekörpers aufgebracht
wird. Insbesondere wird der Angriffswinkel konstant gehalten, auch
wenn sich der Probekörper
verformt. In diesem Fall wird der Angriffswinkel während des
ganzen Verfahrens zur Symmetrieebene des unverformten Probekörpers konstant
gehalten.
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In
einem bevorzugten Verfahren wird die Prüfkraft so aufgebracht, dass
sie den Probekörper
in der Versagenszone biegemomentfrei, insbesondere uniaxial, belastet.
Unter beigemomentfreier Belastung spielt ein Versagen des Probekörpers aufgrund von
Rissen, die vom Rand des Probekörpers
ausgehen, keine Rolle. Hierin unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren
beispielsweise von einem Vier-Punkt-Prüfverfahren,
bei dem an einem Rand des Probekörpers
stets die höchsten
Zugspannungen auftreten, so dass Eigenschaften einer Randzone des
Probekörpers
einen starken, unerwünschten Einfluss
auf das Prüfergebnis
haben. Wird die Versagenszone hingegen biegemomentfrei belastet,
so spielen derartige Eigenschaften der Randzone, wie beispielsweise
Eigenspannungen und Oberflächenimperfektionen,
nur eine untergeordnete Rolle.
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Bevorzugt
wird der Probekörper
in einem Probenhalter befestigt, der eine erste und eine zweite Probenaufnahme
umfasst. Es wird dabei eine unaxiale Kraft auf den Probenhalter
aufgebracht. Hierdurch ist das Verfahren besonders einfach und reproduzierbar
durchführbar.
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Bevorzugt
wird die Prüfkraft
dadurch aufgebracht, dass die erste Probenaufnahme relativ zu der zweiten
Probenaufnahme gradlinig bewegt wird. Dabei kann der zurückgelegte
Weg aufgenommen werden, so dass sich ein Kraft-Weg- oder Spannungs-Dehnungs-Diagramm
errechnen lässt.
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Um
Biegemomente zu vermeiden, wird die erste Probenaufnahme bevorzugt
geführt
relativ zu der zweiten Probenaufnahme bewegt. Das hat den Vorteil,
dass eine Verformung des Probekörpers
nicht zu einer Schwenkbewegung der beiden gegeneinander bewegten
Teile des Probekörpers
relativ zueinander führt.
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Bevorzugt
wird ein Probekörper
verwendet, der in der Versagenszone im Wesentlichen symmetrisch
zu genau zwei oder drei Symmetrieebenen aufgebaut ist, wobei die
Symmetrieebenen vorzugsweise senkrecht zueinander stehen. Es ist
insbesondere möglich,
dass der gesamte Probekörper
im Wesentlichen symmetrisch zu genau zwei oder drei Symmetrieebenen
aufgebaut ist. Ergebnisse, die unter Verwendung eines derartigen
Probekörpers
erhalten werden, lassen sich besonders einfach bei der Berechnung
von Kennwerten für
das Materialversagen unter dreidimensionaler Belastung verwenden.
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Es
ist bevorzugt, dass die Prüfkraft
unter einem Angriffswinkel zu genau nur einer Symmetrieachse größer als
0° und kleiner
als 90° ist.
Zu den anderen Symmetrieebenen verläuft die Prüfkraft entsprechend senkrecht
oder parallel. Auf diese Weise lassen sich besonders gut definierte
Zug-Schub- und Druck-Schub-Belastungen einstellen.
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Bevorzugt
ist der Probekörper
aus einem mechanisch anisotropen Material gebildet, insbesondere
aus faserverstärkten
Kunststoff, der Fasern umfasst, die im Wesentlichen in einer Faservorzugsrichtung
angeordnet sind, wobei die Symmetrieebene des Probekörpers mit
der Faservorzugsrichtung einen Winkel von ungefähr 0° oder 90° bildet. Es lassen sich so besonders
leicht interlaminare Schubkennwerte an faserverstärkten Kunststoffen
ermitteln.
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Ein
erfindungsgemäßer Probenhalter
hat bevorzugt eine kreisförmige
Außenkontur
und umfasst zwei baugleiche Probenaufnahmen. Auf diese Weise wird
eine besonders einfach herzustellende Geometrie für den Probenhalter
erhalten.
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Die
Koppelvorrichtung umfasst bevorzugt Löcher in den Probenaufnahmen.
Mit Hilfe dieser Löcher
kann eine Koppellasche an den Probenaufnahmen festgeschraubt werden,
so dass eine besonders einfach und schnell lösbare Verbindung der Probenaufnahmen
mit einer Prüfmaschine
zum Erzeugen der Prüfkraft
erreichbar ist.
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Wenn
die Löcher
in konstanten Winkelschritten auf einem Kreis angeordnet sind, kann
die Koppellasche vorteilhafterweise um die jeweiligen Winkelschritte
versetzt werden, so dass verschiedene Angriffswinkel für die Prüfkraft auf
den Prüfkörper einstellbar
sind.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei
zeigt
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1 eine
perspektivische, maßstabgerechte
Ansicht eines erfindungsgemäßen Probenhalters,
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2 eine
Draufsicht auf eine Koppellasche für den Probenhalter gemäß 1
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3 eine
Draufsicht auf einen Probekörper zur
Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren und
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4 einen
Einsatz einer Probenaufnahme des Probenhaltes nach 1.
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1 zeigt
einen Probenhalter 10 mit einer ersten Probenaufnahme 12 und
einer zweiten Probenaufnahme 14, die jeweils baugleich
sind. Die erste Probenaufnahme 12 umfasst eine erste Platte 16.1 und
eine zweite Platte 16.2 und die zweite Probenaufnahme 14 umfasst
eine dritte Platte 16.3 und eine vierte Platte 16.4,
die alle die gleiche Gestalt haben und aus Stahl gefertigt sind.
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Die
erste Platte 16.1 besitzt eine Frontseite 18.1,
die in der gleichen Ebene liegt wie eine Frontseite 18.2 der
dritten Platte 16.3. Auf gleiche Weise weist die Platte 16.2 eine
Rückseite 20.1 und
die Platte 16.4 eine Rückseite 20.2 auf,
die ebenfalls in einer Ebene liegen. Zwischen den Platten 16.1 und 16.2 befindet
sich ein Zwischenraum, in dem eine erste Koppellasche 21 angeordnet
ist. Die Koppellasche 21 ist mit vier Schrauben 22.1, 22.2, 22.3, 22.4 an
den Platten 16.1 und 16.2 lösbar befestigt. Dazu durchgreifen
die Schrauben 22.1 bis 22.4 Löcher 24.1, 24.2, 24.3 und 24.4 und
in 1 nicht eingezeichnete Löcher 26.1, 26.2, 26.3 und 26.4 in
der Koppellasche 21 (vgl. 2).
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Wie 1 zeigt,
sind die Löcher 24.1 bis 24.4 zusammen
mit Löchern 24.5 bis 24.10 in
Winkelschritten um einen Winkel α auf
einem gestrichelt eingezeichneten Kreis K angeordnet. Der Winkel α liegt beispielsweise
zwischen 5° und
25°. Der
Kreis K weist einen Mittelpunkt M auf, der gleichzeitig den Mittelpunkt
für eine
radial außen
liegende Berandung der Platten 16.1, 16.2, 16.3 und 16.4 darstellt.
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Zwischen
dem Mittelpunkt M von Kreis K und der Koppellasche 21 ist
in einer Ausnehmung 28 ein Probenadapter 30.1 angeordnet.
Der Probenadapter 30.1 weist eine schwalbenschwanzförmige Nut 32 auf,
die zwei Kontaktflächen 34.1 und 34.2 und
eine Grundfläche 36 besitzt
(vgl. 4).
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In
die Nut 32 ist ein Probekörper 38, wie er in 3 gezeigt
ist, einpassbar. Der Probekörper 38 ist zu
einer ersten Symmetrieebene E1, einer zweiten Symmetrieebene
E2 und zu einer dritten Symmetrieebene E3 symmetrisch aufgebaut, wobei die Symmetrieebene
E3 in 3 durch
die Papierebene gebildet ist.
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Der
Probekörper 38 besitzt,
wie 3 zeigt, vier Flanken 40.1, 40.2, 40.3 und 40.4,
wobei die Flanken 40.1 und 40.2 symmetrisch zu
der Symmetrieebene E2 sind und wobei die
Flanken 40.1 und 40.3 bzw. 40.2 und 40.4 symmetrisch
zu der Symmetrieebene E1 sind. Die Flanken 40.1 und 40.2 sind
zu einer Grundseite 42.1 um einen Winkel β von 45° geneigt.
Der Winkel β entspricht
dem Winkel zwischen der Grundfläche 36 und
den Kontaktflächen 34.1 bzw. 34.2 der
Ausnehmung 32 (vgl. 4). Der
Probenkörper 38 (vgl. 3),
ist so dimensioniert, dass er mit Spiel von der Nut 32 aufgenommen
werden kann.
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Die
Flanken 40.1 und 40.3 bzw. 40.2. und 40.4 gehen
durch einen kreisbogenförmig
gebogenen Abschnitt 44.1 bzw. 44.2 ineinander über. Die Abschnitte 44.1, 44.2 haben
einen Krümmungsradius R,
der in einem Intervall von 2 bis 10 cm liegt und umschließen eine
Versagenszone 44 des Probekörpers 38. Größere oder
kleinere Krümmungsradien
sind jedoch möglich.
Der Probekörper 38 besitzt
eine Höhe H
von 15 bis 45 mm, insbesondere von 30 mm, einen Kerndurchmesser
d von 5 bis 20 mm, insbesondere von 10 mm, und einen Außendurchmesser
D von 20 bis 50 mm, insbesondere von 30 mm.
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Da
die zweite Probenaufnahme 14 zur ersten Probenaufnahme 12 symmetrisch
aufgebaut ist (vgl. 1) kann der Probekörper 38 in
der Nut 32 und einer Nut 45 eines zweiten Probeadapters
aufgenommen werden und stellt die einzige Verbindung zwischen der
ersten Probenaufnahme 12 und der zweiten Probenaufnahme 14 dar.
Der Probenadapter 30.1 ist durch zwei Fixierschrauben 46.1 und 46.2 an den
Platten 16.1 bzw. 16.2 befestigt.
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Zur
Durchführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zunächst
der Probekörper 38 aus
zu untersuchendem Material hergestellt. Wenn das Material anisotrop
ist, wird der Probekörper
so hergestellt, dass die Richtungen gleicher Materialeigenschaften
mit den Symmetrieebenen E1 bis E3 zusammenfallen. Anschließend wird
der Probekörper 38 in dem
Probenhalter 10 dadurch befestigt, dass er in die Nuten 32 bzw. 45 eingeschoben
und so über
die Probenadapter 30.1, 30.2 fixiert wird.
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Anschließend werden
die Koppellasche 21 und eine der Koppellasche 21 diametral
gegenüberliegende
Koppellasche 48 mit einer nicht eingezeichneten Krafterzeugungsvorrichtung
einer ebenfalls nicht eingezeichneten Materialprüfmaschine verbunden. Mittel
der Krafterzeugungsvorrichtung kann eine maximale Prüfkraft FP in Form einer Zugkraft FZ oder einer
Druckkraft FD auf die Koppellaschen 21 bzw. 48 aufgebracht
werden, die diese über
die Platten 16.1, 16.2, 16.3 und 16.4 und
die Probenadapter 30.1 und 30.2 auf den Probenkörper 38 übertragen.
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In
dem in 1 gezeigten Fall verläuft die Prüfkraft in der Symmetrieebene
E2 (vgl. 3) des Probekörpers 38,
so dass γ1 = 0° gilt.
Von der Materialprüfmaschine
wird nun eine monoton steigende, maximale Kraft FZ auf
den Probekörper 38 aufgebracht
und eine Längung
des Probekörpers 38 aufgezeichnet.
Es ergibt sich so ein Kraft-Weg-Diagramm, aus
dem mechanische Festigkeitswerte abgeleitet werden können. Schließlich reißt der Probekörper in der
Versagenszone 44, da der Probeköper dort den kleinsten Querschnitt
hat. Auch während
der Verformung des Probekörpers 38 ändert sich
der Angriffswinkel γ nicht.
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Anschließend werden
die Schrauben 22.1, 22.2, 22.3 und 22.4 gelöst und den
Koppellasche 21 wird um einen Winkelschritt α im Uhrzeigersinn
weiter geschoben, so dass die Löcher 26.1 bis 26.4 (vgl. 2)
hinter den Löchern 24.2 bis 24.5 zu
liegen kommen (1). Anschließend wird die Koppellasche 21 mit
den Schrauben 22.1 bis 22.4 an den Platten 16.1 und 16.2 befestigt.
Das gleiche geschieht auf analoge Weise mit der Koppellasche 48.
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Anschließend wird
ein neuer Probenkörper 38 in
die Nuten 32 bzw. 45 eingeschoben und es wird erneut
eine Prüfkraft
FP angelegt. Die Prüfkraft wird auf den Probekörper 38 übertragen
und greift unter einem Angriffswinkel γ2 =
10° zur
Symmetrieebene E2 an.
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Mit
Hilfe der Krafterzeugungsvorrichtung wird entweder der zeitliche
Verlauf der Prüfkraft
FP auf die Koppellaschen 21 bzw. 48 aufgebracht
oder aber die Krafterzeugungsvorrichtung wird so betätigt, dass
sie in gleichen Zeitabschnitten jeweils den gleichen Weg zurücklegt,
wie es aus Prüfverfahren
nach dem Stand der Technik bekannt ist.
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Aus
den so für
eine Vielzahl von Angriffswinkeln γi aufgenommenen
Kraft-Weg-Diagrammen lässt sich
ein Kennwert für
das Versagen des Materials, aus dem die Probekörper 38 hergestellt
worden sind, berechnen. Der unter dem Angriffswinkel anliegende
Kraftvektor wird in die Komponenten, die den Richtungen der Probensymmetrie
entsprechen, aufgeteilt. Damit erhält man die Belastungskombination zum
Zeitpunkt des Versagens in den jeweiligen Symmetrierichtungen des
Probekörpers.
Eben diese mehrdimensionale Belastungskombination ist charakteristisch
für das
Werkstoffversagen. Somit kann mit diesen Prüfergebnissen das Versagensverhalten unter
dreidimensionalen Belastungskombinationen bewertet werden und es
können
insbesondere Versagenskriterien entwickelt und validiert werden,
die das Werkstoffversagen unter mehr dimensionalen Belastungskombinationen
beschreiben.
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Der
Probenhalter 10, der auch als Materialprüf-Probenhalter
bezeichnet werden kann, ist so konstruiert, das der Probenkörper 38 reißt, bevor
er sich plastisch verformt. So kann eine Kraft von mehr als 10 kN,
insbesondere von mehr als 50 kN an den Probenhalter angelegt werden,
ohne dass plastische Verformung eintritt.
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- 10
- Probenhalter
- 12
- erste
Probenaufnahme
- 14
- zweite
Probenaufnahme
- 16.1,
16.2, 16.3, 16.4
- Platte
- 18.1,
18.2
- Frontseite
- 20.1,
20.2
- Rückseite
- 21.1,
21.2
- Koppellasche
- 22.1,
22.2, 22.3, 22.4
- Schraube
- 24.1,
24.2, 24.3, 24.4
- Loch
- 26.1,
26.2, 26.3, 26.4
- Loch
- 28
- Ausnehmung
- 30.1,
30.2
- Probenadapter
- 32
- Nut
- 34.1,
34.2
- Kontaktfläche
- 36
- Grundfläche
- 38
- Probekörper
- 40.1,
40.2, 40.3, 40.4
- Flanke
- 42
- Grundseite
- 44
- Versagenszone
- 44.1,
44.2.
- Abschnitt
- 45
- Nut
- 46.1,
46.2
- Fixierschraube
- 48
- Koppellasche
- M
- Mittelpunkt
- K
- Kreis
- E1,2,3
- Symmetrieebene
- FP
- Prüfkraft
- FD
- Druckkraft
- FZ
- Zugkraft
- H
- Höhe
- R
- Krümmungsradius
- α
- Winkel
- β
- Winkel
- γ
- Angriffswinkel