DE102009034188A1

DE102009034188A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Riss-Wiederstandskurven

Info

Publication number: DE102009034188A1
Application number: DE102009034188A
Authority: DE
Inventors: Hans Jelitto; Felix Hackbarth; Gerold A. Schneider
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2029-07-21
Also published as: DE102009034188B4

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Bestimmung von Risswiderstandskurven von Werkstoff-Proben. Die Probe wird in eine Messeinrichtung eingesetzt und mit einer Biegekraft beaufschlagt. Sowohl die Biegekraft als auch mindestens ein rissabhängiger Parameter werden gemessen. Anschließend werden die Messwerte in die Risswiderstandskurve transformiert. Die Durchbiegung wird in der Art geregelt, dass ein stabiles Risswachstum erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Riss-Widerstandskurven von Werkstoff-Proben, bei dem die Probe in eine Messeinrichtung eingesetzt und mit einer Biegekraft beaufschlagt wird, sowie bei dem sowohl die Biegekraft als auch mindestens ein rissabhängiger Parameter gemessen und die Messwerte in die Riss-Widerstandskurve transformiert werden.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Bestimmung von Risswiderstandskurven von Werkstoff-Proben, die eine Messeinrichtung zur Aufnahme der Probe und einen Aktor zur Beaufschlagung der Probe mit einer Biegekraft aufweist und bei der die Messeinrichtung sowohl zur Erfassung der Biegekraft als auch zur Erfassung mindestens eines rissabhängigen Parameters ausgebildet ist.
Ein Beispiel für die zu untersuchenden Werkstoff-Proben sind Keramiken. Keramiken, besonders piezo- und ferroelektrische Keramiken, stellen für die Industrie wichtige Werkstoffe dar. Es stehen damit elektrisch aktive Werkstoffe für Aktoren und Sensoren zur Verfügung, die zum Beispiel in der Automobilbranche, der Medizintechnik oder für Linear-Motoren in der Kamera-Technik Anwendung finden. Ein großer Nachteil von Keramiken ist ihre Sprödigkeit, also das Versagen ohne vorangegangene plastische Verformung. Ebenso stellt ein langsames Risswachstum, z. B. in den Grenzflächen der inneren Elektroden von Aktoren, ein Problem dar. Aus diesem Grund ist das Bruchverhalten für eine angestrebte lange Lebensdauer von besonderem Interesse. Fortlaufend werden neue Hochleistungskeramiken entwickelt und dabei deren Materialeigenschaften überprüft.
Bei Hochleistungskeramiken ist der Bruchwiderstand bzw. die Bruchzähigkeit ein wichtiger Materialparameter. Die Bruchzähigkeit ist bei einem stabil wachsenden Riss meist abhängig von der Risslänge. Sie nimmt aufgrund von Rissbrückenbildung, dem Aufbau einer Prozesszone bzw. weiterer Faktoren mit wachsender Risslänge zu. Diesen Zusammenhang nennt man Risswiderstandskurve oder kurz R-Kurve. In der Industrie ist es gängige Praxis, diese R-Kurve aufzunehmen, indem für jeden Punkt dieser Kurve eine komplette Probe durch den Bruchversuch zerstört wird. Es sind somit viele Versuche nötig.
In der 10 2004 053 404.7 wird bereits eine Vorrichtung zur Compliance-Messung beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart zu verbessern, dass eine zumindest teilweise automatisierte Aufnahme der Risswiderstandskurve unterstützt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Biegekraft, genauer gesagt die Durchbiegung, derart gesteuert wird, dass ein stabiles Risswachstum erzeugt wird. Insbesondere wird bei einsetzendem Risswachstum dieses durch Computerkontrolle automatisch wieder gestoppt.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, dass eine zumindest teilweise automatisierte Aufnahme der Risswiderstandskurve unterstützt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Aktor in einem Regelkreis zur Generierung eines stabilen Risswachstums angeordnet ist.
Die Erfindung ermöglicht es erstmals, die Aufnahme einer R-Kurve mit einer Probe automatisiert durchzuführen und so den Messaufwand erheblich zu reduzieren. Das Risswachstum in der gekerbten Probe wird dabei Weg-gesteuert kontrolliert und es werden zyklisch Messungen des Risswiderstandes (und anderer Werte) aufgenommen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können Riss-Widerstandskurven unterschiedlicher Materialien aufgenommen werden. Neben entsprechenden Kurven der bereits erwähnten Keramiken ist es möglich, generell Kurven von spröden Werkstoffen zu erfassen. Ebenfalls ist es möglich, entsprechen de Kurvenverläufe für metallische Werkstoffe, insbesondere für Werkstoffe aus Hartmetall zu generieren.
Es stehen verschiedene Messverfahren zur Auswahl:

a) Manuelle Messung: Der Rissfortschritt wird von Hand gesteuert, die Risslänge wird manuell optisch gemessen. Dies entspricht der herkömmlichen Methode.
b) Halbautomatische Messung: Der Rissfortschritt wird vom Regler kontrolliert, die Risslänge wird manuell optisch gemessen. Der ”Regler” ist ein Unterprogramm des Computerprogramms, das das Kraft-Durchbiegungs-Diagramm auswertet und die Probe entsprechend be- und entlastet.
c) Automatische Messung: Der Rissfortschritt wird vom Regler kontrolliert, die Risslänge wird automatisch über die gemessene Compliance berechnet.

Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist insbesondere die automatische Regelung des Risswachstums über die Durchbiegung der Probe, beziehungsweise die Regelung der Durchbiegung in Kombination mit der Kraft und deren beiden Änderungen. Eine Idee, die sich hier anschließt, ist die kontinuierliche Bestimmung der R-Kurve. Anstelle der diskreten Messpunktaufnahme kann die mechanische Compliance wegen der durchgängigen Modulation auch ununterbrochen über den gesamten Versuchsdurchlauf bestimmt werden. Wenn es möglich ist, durch entsprechende Regelung der Durchbiegung kontrolliert ein langsames stetiges Risswachstum aufrecht zu erhalten, dann können mit der Risslängenbestimmung über die mechanische Compliance in sehr kurzer Messzeit kontinuier liche R-Kurven aufgenommen werden. Damit wird auch eine eventuelle Beeinflussung des Rissfortschritts durch die bisher erforderlichen Teilentlastungen der Probe entfallen.
Über die Regelung wird die Rissinitiierung erkannt und der anschließende Rissfortschritt gestoppt. Die Kraft als alleinige Regeleingangsgröße ist nicht ausreichend, da nur in Zusammenhang mit der Durchbiegung ausreichende Rückschlüsse auf das Rissverhalten möglich sind. Außer der Durchbiegung wird auch die Verfahrgeschwindigkeit, d. h. die Belastungsgeschwindigkeit, der Steigung im Kraft-Durchbiegungs-Diagramm angepasst. Grundlage der gefundenen Lösung zur Regelung des Rissfortschritts ist folglich das Kraft-Durchbiegungs-Diagramm.
Eine automatische R-Kurven-Messung bietet folgende Vorteile gegenüber einer manuellen Messung:

a) Personeller Aufwand deutlich geringer.
b) Lange Messung bei spröden Proben über Nacht möglich.
c) Weniger qualifiziertes Personal ausreichend.
d) Probenoberfläche braucht nicht poliert zu werden (da die Risslänge aus der Compliance berechnet wird).
e) Weder Mikroskop noch CCD-Kamera erforderlich.
f) Risslängenbestimmung eventuell genauer, da nicht opt. Messung an Oberfläche. (Bei Rissinitiierung ist Risswachstum auch im Innern der Probe möglich.)
g) Bessere Reproduzierbarkeit, d. h. kein menschlicher Einfluss auf Ergebnis.

Ein typisches Kraft-Durchbiegungs-Diagramm wird in 1 veranschaulicht. Theoretisch folgt der Verlauf zunächst dem hookeschen Gesetz und besitzt einen Anstieg proportional zur Verschiebung des oberen Auflagers. Nähert sich die auf tretende Spannung der Grenzspannung, biegt die Kurve ab und wird flacher. Dies ist meist der Zeitpunkt, ab dem das Risswachstum einsetzt. Je nachdem, wie spröde die Probe ist und wie stark die Probe belastet ist, wird dieses Risswachstum schnell instabil und es muss teilentlastet werden, um die Rissausbreitung zu stoppen. Instabil bedeutet in diesem Fall, dass die Probe ohne weiteren Eingriff brechen würde. Dieses Verhalten zeigt sich bei erneuter Belastung wieder, bevor wieder das Risswachstum einsetzt. Dabei kann, falls das Risswachstum noch nicht zu weit fortgeschritten ist, aufgrund des R-Kurven-Effekts eine größere Kraft erreicht werden als im Zyklus zuvor. Ist der anfängliche Anstieg der Bruchzähigkeit durchfahren, sinken stetig die Werte der Maximalkraft. wird diesem Prinzip folgend das gesamte Experiment durchgeführt, ergibt sich eine wie in 1 gezeigte Einhüllende der Kraft-Durchbiegungs-Kurve.
Für unterschiedliche Materialien, Kerbtiefen und Vorgeschichten in der Belastung variiert diese Kurve sowohl im Verlauf als auch in der Skalierung. Der fast senkrecht fallende Verlauf kann für kritischeres Materialverhalten die Kurve unterschneiden oder für unkritischeres Verhalten flacher abfallen. Der Anfangsbereich bei kleinen Kräften ist außerdem stark von Setzungseffekten in der Apparatur beeinflusst, sodass erst nach einer gewissen Grundbelastung meist ein störungsfreier Kurvenverlauf erreicht wird.
In dem Kraft-Durchbiegungs-Diagramm (1) werden für die Umsetzung drei Bereiche I bis III unterschieden.

a) Belastungsphase I: Während dieser Phase ist noch kein Risswachstum vorhanden. Es werden in konstanten Abständen Messpunkte aufgenommen. Die Aufnahme eines Messpunktes dauert zwei Sekunden, für diese Zeit wird die Erhöhung der Durchbiegung ausgesetzt. Die erste Belastungsphase endet mit der ersten Rissinitiierung. Die Messungen in der ersten Phase sind für die Aufnahme einer R-Kurve nicht erforderlich, werden jedoch durchgeführt, um die Kraft-Durchbiegungskurve vollständig zu erhalten. Letztere liefert Informationen über die insgesamt verrichtete mechanische Arbeit. Durch diese Messungen wird außerdem die Anfangscompliance C_m,0 bestimmt.
b) Regelungszyklen II: Es wird die Risslänge stückweise und immer in ähnlicher Weise zyklisch vorangetrieben. Diese Zyklen können dabei wieder in drei Teile gegliedert werden:
b1) Belastungsphase: Diese Phase ist die kritische Phase, da hier der Rissfortschritt initiiert wird und das Ende dieser Phase das Stoppen des Risswachstums einleitet. Für diese Phase ist eine Regelung nötig, alle anderen Phasen kommen mit einer Steuerung (ohne Regelung) aus. Die erste Belastungsphase (I) ist eine Abwandlung dieser Phase mit dem oben beschriebenen erweiterten Verhalten.
b2) Entlastungsphase: Diese Phase entlastet die Probe so weit, dass die Ausbreitung des Risses gestoppt wird. Die Entlastung muss dabei möglichst schnell erfolgen und darf aus Zeitgründen nicht zu weit gehen.
b3) Messpunkt: Wie in der ersten Belastungsphase wird während der Aufnahme eines Messpunktes die Änderung der Durchbiegung für zwei Sekunden gestoppt. während dieser Zeit werden zehn Perioden der mechanischen 5 Hz-Modulation aufgenommen und anschließend aus den Am plituden der Durchbiegung und der Kraft die mechanische Compliance bestimmt. Nach Beendigung dieser Phase beginnt ein neuer Zyklus mit der Belastungsphase. Das Ende der Regelungszyklen ist erreicht, wenn aufgrund der steigenden mechanischen Compliance kein kritisches Risswachstum mehr auftritt. Dies ist bei PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) erfahrungsgemäß dann der Fall, wenn sich der Messwert der mechanischen Compliance auf ein Dreifaches der Anfangscompliance C_m,0 erhöht hat.

c) Endphase III: In dieser Phase wird der Rest des Kraft-Durchbiegungs-Diagramms durch abwechselnd konstante Durchbiegungserhöhung und Messpunktaufnahme bis zum Ende abgefahren. Letzteres ist erreicht, wenn der Riss vollständig durch die Probe gelaufen ist.
Es wird nachfolgend eine Regelung für die Belastungsphase erläutert. Aus den Beobachtungen des vorigen Abschnittes folgt, dass sich als sicheres Erkennungsmerkmal für die Rissinitiierung der Vorzeichenwechsel der Steigung im Kraft-Durchbiegungs-Diagramm eignet. Aufgrund der zentralen Bedeutung ist die Steigung mit s bezeichnet: s = dF/dx. Hierbei ist F die Kraft und x die Durchbiegung bzw. Verschiebung. Um die statistischen Schwankungen in der Steigung zu reduzieren, wird diese über ein Intervall gemittelt.
Aufgrund der Sprödigkeit des Materials und der Zeitverzögerung der Entlastung ist es jedoch sinnvoll, eine Rissinitiierung schon dann zu vermuten, wenn die Steigung einen bestimmten positiven Wert unterschreitet. Ein so realisierter Regler würde im einfachsten Fall die Durchbiegung stetig erhöhen und beim Unterschreiten dieser minimal zulässigen Grenzsteigung s_min die Durchbiegung schnell verringern.
Die Reaktionszeit und die Empfindlichkeit des Reglers ist über die Grenzsteigung und die derzeitige Größe der Durchbiegungsänderung und die Verfahrgeschwindigkeit bei Entlastung bestimmt.
Aufgrund der Proportionalität der Durchbiegungsänderung bei Belastung zur Motorgeschwindigkeit, wird die Belastungsgeschwindigkeit mit v bezeichnet. Wird die Grenzsteigung erhöht, erhöht sich auch die Empfindlichkeit und der Regler reagiert schneller. Gleichzeitig steigt aber auch das Risiko, fälschlicherweise ein Risswachstum erkannt zu haben. In diesem Fall würde der Regler entlasten, obwohl noch gar kein Risswachstum stattgefunden hat. Der Regler wird somit weniger robust. Wird die Belastungs-Geschwindigkeit reduziert, so verringert sich die Reaktionszeit, da der Motor nicht so lange abgebremst werden muss. Somit wird auch die Empfindlichkeit erhöht. Um Erschütterungen durch abruptes Starten oder Bremsen des Schrittmotors zu vermeiden, wird der Motor weich gebremst und beschleunigt. Bei konstant niedriger Geschwindigkeit ergibt sich der Nachteil, dass dadurch die Gesamt-Versuchsdauer zunimmt.
Zum Vergleich dazu wird in der manuellen Messung in einem vermuteten kritischen Bereich sehr vorsichtig die Durchbiegung erhöht. In einem Regler könnte dies durch eine Proportionalität der Belastungs-Geschwindigkeit v zur gemessenen Steigung s umgesetzt werden:
wobei P den Proportionalitätsfaktor, v_entl die Geschwindigkeit für das Entlasten und v₀ die Geschwindigkeit bei Grenzsteigung s_min bezeichnen. Die Geschwindigkeit ist nach oben durch v_bel,max begrenzt. Während der Belastungsphase befindet sich die gestellte Geschwindigkeit in dem Intervall v₀ ≤ v ≤ v_bel,max.
Die mechanische Compliance steigt mit zunehmender Risslänge immer stärker an, womit die Rissinitiierung immer unempfindlicher wird. Ein Regler, in dem dies nicht berücksichtigt würde, könnte den Riss nach kurzer Zeit kaum noch weiter treiben und würde zu viele Messpunkte für kaum veränderte Risslängen aufnehmen. Die Versuchsdauer würde rapide ansteigen oder zu unbefriedigenden Ergebnissen führen.
Um dies im Regler zu berücksichtigen, wird in dem Regelgesetz eine zusätzliche Funktion eingeführt, welche für steigende Compliance den Regler sowohl in der Grenzsteigung s_min als auch in der Belastungsgeschwindigkeit v unempfindlicher macht. Diese Korrektur entspricht der gemessenen mechanischen Compliance normiert auf einen Verlauf, der zum Zeitpunkt der Rissinitiierung Null und bei der dreifachen Anfangscompliance C_m _,0 Eins ist.
Bei einer dreifachen Anfangscompliance wurde der Versuch bereits über den interessanten Bereich hinaus durchgeführt und der Rest der Messpunkte kann in größeren Abständen abgefahren werden. Mit dieser Funktion P(C_m), integriert in die Berechnung der Grenzsteigung und der Geschwindigkeit, ist das Regelgesetz für die Belastungsphase vollständig beschrieben durch:

smin = smin,0 – P(Cm)·(smin,0 – smin,end) (Gl. 4)
Wie schon erwähnt, ist die Geschwindigkeit während der Belastungsphase auf v_bel,max begrenzt. Bei Belastung wird der Schrittmotor also umso langsamer, je mehr er sich dem kritischen Punkt, d. h. dem Beginn des Risswachstums, nähert. Eine anschauliche Vorstellung der Parameter ist im folgenden Abschnitt gegeben.
Die Regelparameter aus den Gleichungen (2) bis (4) sind anschaulich in 2 gezeigt. Für die verschiedenen Phasen müssen dabei unterschiedliche Parameter berücksichtigt werden.
a) Belastungsphase I:
Die Belastungsphase wird über den Messpunktabstand in der Durchbiegung (horizontal) Δ_xbel,0 und eine Steigung s_bel parametrisiert. Der Parameter s_bel gibt an, bis zu welcher minimalen Steigung Messpunkte aufgenommen werden dürfen. Aus Sicherheitsgründen ist dies nötig, damit nicht kurz vor Erreichen der eigentlichen Grenzsteigung (bei der entlastet wird) ein Messpunkt aufgenommen wird und durch das Ausbleiben der Entlastung die Probe bricht. Ein guter Anhaltswert ist mit 1 μm/N unter der ”Anfangs-Steigung” gefunden worden. Die ”Anfangs-Steigung” ist dabei die Steigung, unter der die Messpunkte während der ersten Belastungsphase aufgenommenen wurden. Anfängliche Setzungseffekte bei sehr niedrigen Kräften müssen hierbei überwunden sein. Dies er folgt durch den Benutzer, indem dieser den Regler erst ab einer stabilen Steigung (>s_bel) startet.
b) Regelungszyklus II
Belastungsphase:
In der Belastungsphase stehen die folgenden Parameter zur Verfügung:
ν_max: Maximalgeschwindigkeit während der Belastungsphase,
ν_min: Minimalgeschwindigkeit während der Belastungsphase,
Δx_s: Durchbiegungsintervall, über welches die aktuelle Steigung ermittelt wird (durch lineare Regression).
s_min,0: Grenzsteigung bei Anriss der Probe C V / m = C_m,0
s_min,end: Grenzsteigung bei C V / m = 3C_m,0,
k₀: Proportionalitätsfaktor bei Anriss der Probe C V / m = C_m,0 und
k_end: Gewichtungsfaktor bei C V / m = 3C_m,0
Die Funktion P(C_m) in den Gleichungen (2) bis (4) ist eine Größe, mit der sich die Parameter während des Versuches ändern können. Die Änderung betrifft zum einen die lineare Abhängigkeit zwischen Steigung und Geschwindigkeit und zum anderen die Grenzsteigung, ab welcher der Regler entlastet. Eingestellt werden kann diese Änderung über den Anfangswert bei Rissbeginn (s_min,0 und k₀ bei C V / m = C_m,0) und über den Wert bei der dreifachen mechanischen Anfangscompliance (s_min,end und k_end bei C V / m = 3C_m,0). Der Verlauf dazwischen entspricht aufgrund der linearen Abhängigkeit von P zu C_m dem Verlauf der mechanischen Compliance.
Wenn Proben also zunehmend nachgiebiger werden und dadurch die aufgenommenen Messpunkte zu dicht aufeinan der folgen würden, kann dies über eine Verringerung der Grenzsteigung vermindert werden. Die Empfindlichkeit des Reglers kann durch Erhöhung der Geschwindigkeit verringert werden.
Zusätzlich können die Parameter Δx_n und ΔF_n (siehe
2) eingesetzt werden, damit der Rissfortschritt in einem Zyklus gewährleistet werden kann. Durch diese zwei Parameter wird im Kraft-Durchbiegungs-Diagramm ein Rechteck um den letzten Messpunkt definiert, in dessen Mitte die zuletzt gemessene Maximalkraft und die zugehörige Durchbiegung stehen. Befindet sich der aktuell gemessene Wert innerhalb dieses Rechtecks, darf der Regler nicht entlasten, auch wenn die Steigung bereits die Grenzsteigung unterschritten hat. Es wird dann mit der definierten Mindestgeschwindigkeit ν_min weiter belastet, bis der aktuelle Messwert dieses Rechteck verlassen hat.
Entlastungsphase:
Die Entlastungsphase ist eine gesteuerte Phase (im Gegensatz zur geregelten). Hier ist die Geschwindigkeit ν_entl vorzugeben, mit welcher die Regeleinheit entlastet. Außerdem kann die Durchbiegungsdifferenz Δx_entl vorgegeben werden, um die entlastet wird. Das tatsächliche Entlastungsintervall weicht von der vorgegebenen Differenz ab, da der Regler erst den Motor bremst, wenn eine größere Differenz gemessen wird als angegeben. Die Zeitverzögerung bei der Messung, deren Verarbeitung und das folgende sanfte Abbremsen des Motors erhöhen dann die Strecke, um die entlastet wird.
d) Endphase:
Für die Endphase kann nur ein Parameter verändert wer den. Der Parameter Δx_bel,end bezeichnet eine Durchbiegungsdifferenz und gibt an, wie weit der nächste Messpunkt vom vorigen entfernt sein soll.
Das praktische vorgehen bei der Bestimmung der Risslänge ist in der folgenden Gliederung dargestellt:

– Bestimmung von C V / m,gemessen mit der Gleichung CVm,gemessen = dx/dF mittels der gemessenen Modulationsamplituden dx und dF für jeden Messpunkt während des Versuches.
– Bestimmung des Anrisszeitpunktes. Der vorhergehende Messpunkt wird als Risslverlängerung gleich Null mit der Anfangs-Compliance C_m,0 definiert. Um Messschwankungen auszugleichen, berechnet sich die Anfangs-Compliance als Mittelwert über die Compliance am Messpunkt der Rissverlängerung Null sowie dessen Vorgänger und Nachfolger.
– Korrektur von C V / m,gemessen und somit Bestimmung von C. (Diese Korrektur dient dazu, die apparative Compliance zu berücksichtigen und wird in [1] näher erläutert.)
– Mittelung von C V / m über eine vorzugebende Anzahl an Intervallen und Zuweisung der Mittelwerte, die die Stützpunkte zur späteren Risslängen-Bestimmung darstellen, zu den Intervallmitten. Die letzten Messpunkte können ignoriert werden, wobei deren Anzahl vorgegeben werden kann.
– Ermittlung der Risslängen a zu den Stützpunkten anhand der mechanischen Compliance durch eine analytische Gleichung für a(C_m). Diese Gleichung ist die Umkehrfunktion von C_m(a), wobei letztere wiederum vorher durch Messung an einer Referenzprobe und analytischen Fit bestimmt wurde.
– Bestimmung der einzelnen Risslängen zwischen den Stützpunkten durch Interpolation über die im vorherigen Schritt ermittelten Risslängen. Es kann dabei zwischen linearer, kubischer und Spline-Interpolation gewählt werden.

Die folgenden Erläuterungen geben eine Übersicht über einen Versuchsstand. Vorweg werden die Messgrößen und deren Zusammenhang kurz dargestellt, danach der mechanische Aufbau und schließlich der elektronische Aufbau.
Messgrößen
Es wird simultan die Bruchzähigkeit K_Ic und die Energiefreisetzungsrate G_c bestimmt. Es ist die Bruchzähigkeit für eine K_I-Belastung: KIC = σ√a·Y(a) (Gl. 5)wobei σ die charakteristische mechanische Spannung, a die Risslänge und Y(a) ein Probengeometrie-abhängiger Faktor ist. Für den allgemeinen Fall einer kombiniert mechanischen und elektrischen Belastung ist die totale Energiefreisetzungsrate (lineares Materialverhalten vorausgesetzt):
Hier ist F die Kraft auf die Probe, V die anliegende elektrische Spannung und A die Rissfläche. Letztere ist das Produkt aus Risslänge a und Probenbreite b, wobei a mit wachsendem Riss größer wird und b konstant bleibt. Wie vorher schon erwähnt, ist C_m die mechanische Compliance (Nachgiebigkeit), C_e die Kapazität und C_p die piezoelektrische Compliance der Probe. Der erste Summand auf der rechten Seite der Gleichung ist der mechanische Anteil der totalen Energiefreisetzungsrate, der zweite Summand der elektrische Anteil und der dritte Summand im Falle von piezoelektrischen Proben der piezoelekrische Anteil der Energiefreisetzungrate. Um die Energiefreisetzungsrate komplett zu bestimmen, müssen also C_m, C_e und C_p als Funktion der Risslänge bestimmt werden. Dies wird durch die vorhandene Apparatur in Kombination mit der Modulation ermöglicht, wobei die Automatik, d. h. der Gegenstand dieses Patents, eine wesentliche Verbesserung und Erleichterung der Messung darstellt. Im rein mechanischen Fall tritt nur der erste Summand auf der rechten Seite der Gleichung (6) auf. Dies stellt den Normalfall dar.
Die durch die Modulationstechnik bestimmte mechanische Compliance C_m erfüllt also zwei Zwecke. Zum einen dient sie zur Bestimmung des mechanischen Teils der Energiefreisetzungsrate und zum anderen der nachträglichen Bestimmung der Risslänge nach einer automatischen R-Kurven-Messung.
Für die konkrete Verwendung in Gleichung (6) und für die nachträgliche Bestimmung der Risslänge werden die gemessenen Compliancewerte C_m(a) durch eine analytische Formel folgender Form gefittet:
P₁, P₂ und P₃ sind Parameter, die anzupassen sind.
Mechanischer und elektrischer Aufbau
Der Großteil des mechanischen Aufbaus befindet sich in einem sehr steifen einteiligen Rahmen. Die hohe Steifigkeit ermöglicht das kontrollierte Treiben des Risses [1]. Die Proben werden über Keramikrollen oder Stahlrollen von einem 4-Punkt-Biegeauflager gehalten.
3 zeigt den mechanischen Aufbau der Apparatur anhand einer schematischen Zeichnung. Die Auflagerrollen sind frei gelagert, so dass sie sich bei zunehmender Probendurchbie gung nach außen bzw. nach innen bewegen können, wodurch Reibungskräfte und Scherspannungen minimiert werden. Außerdem wird bei Verwendung der Keramikrollen durch diese die Probe elektrisch isoliert. Torsionsmomente werden durch Abrundung der Auflagerflächen reduziert.
Ein Wegaufnehmer ist im unteren Querholm des Rahmens integriert und misst über eine spezielle mechanische Konstruktion direkt die Verschiebung der oberen Rollen des Auflagers, d. h. direkt am Punkt der Krafteinleitung. Das obere Biegeauflager und der darauf befindliche Quarz-Kraftsensor werden durch ein Parallelogrammgestänge nahezu spiel- und reibungsfrei geführt.
Das Aufbringen der Belastung erfolgt entweder durch das Handrad oder bei der automatischen Messung durch einen Schrittmotor, dessen Drehwinkel durch ein einstufiges Schneckengetriebe mit der Untersetzung 83:1 skaliert wird. Der Drehwinkel wird über eine Schraube und ein Gewinde der Steigung 1 mm im oberen Querholm des Rahmens in eine axiale Verschiebung umgewandelt. Die Belastung wird während des gesamten Versuchs durch einen Piezo-Aktor mit einer Frequenz von 5 Hz und einer Elongationsamplitude von ca. 30 nm sinusförmig moduliert. Bei stark belasteter Probe beträgt die Modulationsamplitude in der Kraft ca. 0,5 N. Durch eine zweite Schraube und die Biegeplatte ist es möglich, den oberen Teil der Apparatur vorzuspannen, um Setzungseffekte im Gewinde der ersten Schraube zu reduzieren und die Steifigkeit der Apparatur zusätzlich zu erhöhen.
Mit der Apparatur können automatisch die vier Größen Durchbiegung, Kraft, elektrische Ladung (bei piezoelektrischen Materialien) und Kapazität gemessen werden. Neben dem Absolutwert spielt die Modulation eine fast noch gewichtigere Rolle. Der Piezo-Aktor moduliert mit einer Frequenz von 5 Hz die Durchbiegung und damit die Kraft und bei piezoelektrischen Proben die Ladung. Diese stehen auch als Wechselgrößen im PC zur Verfügung.
Im Gegensatz dazu wird die Kapazität über eine schwache Modulation der Hochspannung (10 kHz, 1,5 V Amplitude) direkt elektronisch ermittelt. Die 10kHz-Variation des Stroms wird elektronisch gleichgerichtet, verstärkt, gefiltert und es wird daraus ein Gleichspannungssignal gebildet, das mit entsprechender Kalibrierung ein Maß für die Kapazität der Probe darstellt und direkt in den Computer eingelesen werden kann.
Das Blockschaltbild in 4 veranschaulicht schematisch den elektronischen und den damit zusammenhängenden mechanischen Aufbau der Apparatur. Der Signalfluss ab dem Blockelement Computer ist in 5 dargestellt. Darin ist auch die Schrittmotoransteuerung gezeigt.
Die Kraft wird ladungsbezogen über einen Kistler-Quarzsensor (Messbereich 22 kN) gemessen. Bestimmt wird die Ladung durch analytische Integration der Sinuskurve, die dem modulierten Stromsignal angepasst wurde. Sehr kleine Störströme können zu einer langsamen Kraftdrift führen, die nur schwer wegreguliert werden kann. Diese Drift wird bei der Auswertung eines Versuchsdurchlaufs nachträglich korrigiert. Die Wegmessung erfolgt über einen Wegsensor, dessen Messwert über den zweiten Kanal des Messverstärkers in den PC eingelesen wird. Insgesamt können neben einer eventuell optisch abgelesenen Risslänge folgende Parameter simultan gemessen werden:
F, ΔF, x, Δx, ΔQ (5Hz) sowie V. Aus ΔF, Δx und ΔQ werden C V / m und C F / p während der Messung im Programm ermittelt, während die Kapazität C x / e (bei quasi konstanter Durchbiegung x) elektronisch bestimmt wird. Die oberen Indizes 'V', 'F' und 'x' bedeuten konstante Spannung, konstante Kraft und konstante Verschiebung. Die Umrechnung von C x / e in C F / e, was für Gleichung (6) benötigt wird, ist gegeben durch [1]:
Der Stromlaufplan, der auch die Ansteuerung des Schrittmotors enthält, ist ebenfalls in 5 dargestellt. Die so genannte F-Box wird verwendet, um die Kanäle der NI-6014-Steuerkarte belegen zu können. Die vorherige Analogwertaufbereitung (Kraft, Kapazität, Durchbiegung und Spannung) ist hier nicht dargestellt, die 4 knüpft hier an.
Für die Versuche standen ein Hart-PZT (PIC181), ein Weich-PZT (PIC151), metallinfiltriertes Aluminiumoxid und reines Aluminiumoxid (Al₂O₃) zur Verfügung.
Während der Entwicklung des Reglers wurde Hart-PZT (PIC181) verwendet, um die Funktionsfähigkeit und Güte des Reglers zu testen. Einige Auszüge dieser ersten Versuche werden im Folgenden erläutert. Zur Kontrolle des Reglers wurde die Risslänge auch optisch per Mikroskop gemessen.
Ein beispielhaftes Kraft-Durchbiegungs-Diagramm dieser halbautomatischen Messungen ist in 6 dargestellt. Zu Beginn der Kurve sieht man einen gleichmäßigen Anstieg bis zur ersten Entlastung durch den Regler. Dort wurde die ein gestellte Grenzsteigung unterschritten. Der weitere Verlauf ist durch die Belastungsphasen der Regelzyklen gekennzeichnet. Die Entlastungsphasen sind hier nicht zu erkennen, da hier die gefahrene Geschwindigkeit zu hoch ist. Während einer Entlastungsphase sind höchstens zwei bis drei Messwerte auszumachen, die zwischen den Punkten der Belastungsphasen schwer zu erkennen sind. Die durchschnittliche Steigung während einer Belastungsphase sinkt zunehmend mit abfallender Kraft. Analog zum Sinken der Steigung steigt die gemessene Compliance an.
Es sind Entlastungszyklen zu erkennen, die über die restlichen Entlastungszyklen nach links herausragen. Hier ist nicht etwa das Entlastungsintervall länger, es wurde statt dessen früher entlastet. Dieses Entlasten ist durch ein Aussetzen des Messverstärkers für die Kraft zu erklären. Die kontinuierliche Messwertausgabe setzt aus nicht geklärter Ursache manchmal aus. Während dieses Aussetzens ist der ausgegebene Kraftwert konstant. Da sich gleichzeitig die Durchbiegung erhöht, fällt die gemittelte Steigung stark ab und führt zu dieser irregulären Entlastung. Die Störung durch den Messverstärker hat aufgrund ihrer Seltenheit einen vernachlässigbar kleinen Einfluss auf das Gesamtergebnis.
Weiterhin ist in 6 der Übergang von den Regelzyklen zur Endphase zu erkennen. Der Abstand der Messpunkte nimmt ab diesem Übergang (bei ca. 9,5 μm) stark zu.
Die nachfolgend erläuterten Versuche sind halbautomatisch durchgeführt worden, die Risslänge wurde also optisch ermittelt. In 7 sind von vier Versuchen die unkorrigierten Verläufe der Compliance über der Risslänge aufgetragen. Bei den vier Messungen ist deutlich zu erkennen, wie die Compliance zu Anfang langsam größer wird und gegen Ende immer stärker ansteigt.
Mit der nicht automatisierten Apparatur wurden bereits viele Proben aus weichem PZT (Blei-Zirkonat-Titanat), speziell PIC151, untersucht. Aus diesem Grund wurde ein vollautomatischer Versuch durchgeführt, um im Anschluss den Verlauf der automatisch aufgenommenen R-Kurve mit einer bereits früher manuell aufgenommenen R-Kurve (Probe 109) zu vergleichen. Der Kraft-Durchbiegungs-Verlauf der vollautomatischen Messung ist in 8 gezeigt.
Die Parameter der Gleichung (7) wurden für die Risslängenbestimmung in einem Auswertungsprogramm per Hand iterativ angepasst, wobei nur die Daten der früheren Messung verwendet wurden. Sie wurden so gewählt, dass sich die Verläufe beider Compliances (siehe 9) möglichst gut überdecken. Die mit einer ersten Messung bestimmten Parameter wurden nun für die neue Messung verwendet, sodass die neue Messung als vollautomatisch bezeichnet werden kann.
Die mit Hilfe dieser automatisch ermittelten Risslänge berechnete R-Kurve ist in 10 zusammen mit der der Vergleichsprobe gezeigt. Die beiden R-Kurven stimmen über einen weiten Bereich sehr gut überein.
Für Testmessungen stand metallinfiltriertes Aluminiumoxid mit zwei leicht unterschiedlichen Metallzusammensetzungen zur Verfügung (Material A und Material B). Es wurden drei Messreihen durchgeführt, die erste manuell mit Material A, die zweite halbautomatisch mit Material A und die dritte halbautomatisch mit Material B.
Die aufgenommenen Kurven der Kraft-Durchbiegungsdiagramme gemäß 11 und 12 zeigen deutlich den Unterschied zwischen der Rissfortschrittskontrolle durch den Regler und der Kontrolle im manuellen Betrieb durch den Benutzer. Die geregelte Risskontrolle ergibt einen viel gleichmäßigeren Verlauf. Aufgrund der Probenoberfläche ist es schwierig gewesen, den Riss schnell genug zu erkennen, weswegen im manuellen Betrieb nur wenige Punkte aufgenommen werden konnten. Dieses Problem entfällt im halbautomatischen Betrieb, weil der Riss automatisch kontrolliert wird und eine optische Kontrolle nicht erforderlich ist. Die Tatsache, dass die beiden Kurven in 11 und 12 nicht deckungsgleich sind, hängt damit zusammen, dass aus Zeitgründen die genauen Probenabmessungen und die apparativen Korrekturen nicht vollständig berücksichtigt wurden. Dies hat allerdings für das Messprinzip und dessen Genauigkeit keine Bedeutung.
Die Berechnung der R-Kurve hat für alle drei Messreihen ähnliche Ergebnisse geliefert. Jedoch ist der Punktabstand bei der halbautomatischen Durchführung sehr viel geringer. Die R-Kurve kann so in einer wesentlich höheren Auflösung gemessen werden.
Beispielhaft ist der Anfangsbereich der R-Kurve des zweiten Versuchs in 13 gezeigt. In dieser Abbildung ist zum Vergleich außerdem die R-Kurve für diesen Versuch mit automatisch ermittelter Risslänge dargestellt. Die Risslänge wurde dabei generiert, indem die Parameter nicht über den eigenen Compliance-Verlauf, sondern über den des dritten Versuchs angepasst wurden. Aufgrund der ähnlichen Verläufe ist dieses Vorgehen zulässig. Man sieht, dass die mit einer Probe ermittelten Parameter zur Umrechnung von Cm auf die Risslänge auf andere Proben übertragbar sind, d. h. unter gewissen Umständen sind vollautomatische Messungen möglich.
Die R-Kurve der automatisch generierten Risslangen zeigt im Gegensatz zur halbautomatisch gemessenen Kurve nicht den steilen Anstieg und die Erhöhung im Anfangsbereich. Diese Glättung ist das Resultat aus der Interpolation über die Stützpunkte. Dadurch werden die variierenden Rissfortschritte künstlich angeglichen, weswegen schnelle Änderungen in der R-Kurve nicht aufgenommen werden können. Bei kurzem R-Kurven-Anstieg ist deshalb zurzeit der halbautomatische Modus besser geeignet.
Die Erhöhung der R-Kurve im Anfangsbereich beruht höchstwahrscheinlich auf dem großen Kerbradius von ca. 50 μm. Dieser Kerbradius verringert die Kerbwirkung und erschwert den Anriss der Probe. Hat der Riss den Einflussbereich der groben Kerbspitze (ca. 80 μm bis 100 μm) verlassen, stellt sich der normale Plateauwert ein.
Die Versuchsdurchführung mit Aluminiumoxid bereitete Schwierigkeiten, da die Auflageflächen, an denen die Probe das Auflager berührt, nicht planparallel waren. Dadurch entstanden extreme Setzungseffekte. Dies führte zu einem links-gekrümmten Verlauf bei steigender Kraft (siehe 14). Zwischendurch musste der Versuch zweimal unterbrochen werden. Das hier gezeigte Diagramm zeigt den letzten Teil des Kraft-Durchbiegungs-Verlaufs bis zum Bruch der Probe.
Zu erkennen sind, wie schon erwähnt, die Auswirkungen der Setzungseffekte im Anfangsbereich der Kurve, die weiterhin im mittleren Bereich der Regelzyklen den Regler störten und dazu führten, dass der Regler schon vor der erneuten Rissinitiierung entlastete.
Gut erkennbar ist außerdem die relativ hohe Drift. Die Durchführung dieses dritten Teils des Versuches dauerte ungefähr eine dreiviertel Stunde. Der Bruch der Probe erfolgte bei einer sehr geringen Kraft von ca. 0,5 N. Wie in den nicht gezeigten Kraft-Durchbiegungs-Kurven der vorhergehenden Versuchsteile, wird auch in dem gezeigten Teil kaum eine höhere Durchbiegung beim Eintreten des Rissfortschrittes erreicht. Der Verlauf zeigt nicht wie in den bisher gezeigten Diagrammen einen auslaufenden Abfall. Dies ist wahrscheinlich aufgrund der weitgehend fehlenden Prozesszone der Fall.
Deuten lässt sich dieser Verlauf so, dass die zum Bruch benötigte Arbeit (die dem Integral über diesen Verlauf entspricht) allein aus der elastischen Energie stammt, die in der Probe gespeichert war. Aufgrund der Porosität und der relativ rauhen Probenoberfläche war keine optische Risslängenbestimmung möglich. Grob geschätzte Risslängen ergaben einen K_Ic in dem Bereich von ungefähr 1 bis 3 MPa√m. Auch wenn der Versuch mit Al₂O₃ keine günstigen Bedingungen hatte, zeigte er dennoch, dass automatisch kontrolliertes Risswachstum auch in sehr spröden Proben möglich ist. Bei fehlender Prozesszone, beziehungsweise linearem Materialverhalten, sollte der funktionale Zusammenhang zwischen der mechanischen Compliance Cm und der Risslänge a relativ genau sein.
Im Folgenden werden die Ergebnisse der Messungen kurz zusammengefasst. Mit beispielhaften Messergebnissen wurden die Versuche mit metallinfiltriertem Aluminiumoxid beendet. Hier konnte sogar für leicht unterschiedliche Keramiken mit Erfolg die automatische Risslängenbestimmung auf das jeweils andere Material übertragen werden. Gleiches gilt für die Messung mit PZT-PIC151. Generell ist diese Übertragbar keit allerdings nicht gegeben, da für PZT-PIC181 selbst bei dem gleichen Material und gleichen Probenabmessungen leicht verschiedene Verläufe in der Compliance gemessen wurden, sodass eine daraus berechnete Risslänge über Teilbereiche zu ungenau wäre.
Dies ist ein prinzipielles Problem, welches wahrscheinlich durch die Prozesszone um die Rissspitze und weitere dissipative Prozesse bedingt ist.
Bei allen neuen erstmals mit der neuen Apparatur getesteten Keramiken hat die automatische beziehungsweise halbautomatische Messung auf Anhieb funktioniert. Die Messung mit Aluminiumoxid wurde lediglich ein paar Mal zum Anpassen von Parametern unterbrochen. In keinem Fall gab es einen vorzeitigen Bruch der Probe.
Folgende technische Aspekte können als wesentlich für die Erfindung angesehen werden:

a) Parametersätze für verschiedene Materialien zur automatischen Risskontrolle und Bestimmung der Risslänge werden mit zunehmender Erfahrung nach und nach erstellt.
b) Probe und Wegaufnehmer müssen anfänglich justiert werden und die Drift des Quarz-Kraftsensors wird weitgehend abgeglichen.
c) Die Risslänge wird über die Compliance bestimmt.
d) Eine sofortige Compliance-Korrektur während der Messung (apparativer Effekt) ist möglich.
e) C t / m(a) ('t' entspricht 'theoretisch') ergibt sich aus den Ergebnissen vorher gemessener Proben (wie z. B. 109 und 112).
f) Gegebenenfalls erfolgt Anpassung von C t / m(a) an Probengeometrie und evtl. Material.
g) Abgleich C t / m(a) mit Messdaten: Kerbtiefe und erste 10 Messepunke →
Normierungsfaktor' für C t / m(a)
h) Aktuelle Berechnung der Bruchzähigkeit: Umkehrfunktion a(C_m) (neue Spalte in Excel) → F(a) → K_IC(a).
i) Aktuelle Berechnung der Energiefreisetzungsrate: F(a) und C ' / m (a) → G_m(a).
j) Optionaler Abbruch (evt. Voreinstellung) oder manuelle Unterbrechung der Messung.
k) Nachträgliche Driftkorrektur für F und evtl. Mittelung von a jeweils über einige Messpunkte.
l) → erneute Berechnung von K_R(a) und G_m(a) → Daten speichern → Ende.

Wie vorstehend bereits erläutert, unterstützt die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl eine halbautomatische als auch eine vollautomatische Durchführung der Messung und der Auswertung. Bei einer halbautomatischen Durchführung der Messung wird die Risslänge optisch von einem Benutzer mit einem Mikroskop vermessen, während die Beaufschlagung mit der Biegekraft und die Entlastung der Probe automatisch erfolgt. Bei der automatischen Durchführung wird die Risslänge über die Nachgiebigkeit der Probe bestimmt. Dies kann insbesondere bei einer periodischen Beaufschlagung der Probe mit der Biegekraft jeweils nachträglich erfolgen. Es werden somit zyklisch Intervalle des Risswachstums und der Vermessung der Risslänge durchgeführt.
Die automatische Durchführung der Erfassung umfasst ein manuelles Einlegen der Probe in die Messvorrichtung, eine manuelle Positionierung und eine manuelle Festklemmung, wobei alle weiteren Schritte der Messung und Auswertung automatisch durchgeführt werden.
Grundsätzlich wird somit von der erfindungsgemäßen Idee ein automatisch geregelter Rissfortschritt sowohl verbunden mit einer optischen Erfassung der Risslänge durch den Benutzer als auch verbunden mit einer automatischen Bestimmung der Risslänge über die Compliance umfasst. Entsprechend dem vorherigen Stand der Technik ist zusätzlich auch ein rein manuell gesteuerter Rissfortschritt verbunden mit der optischen Risslängenerfassung möglich.
Das erfindungsgemäße gesteuerte Riss-Wachstum erfolgt gemäß einer praktischen Ausführungsvariante nicht kontinuierlich, sondern schrittweise. Insbesondere ist daran gedacht, die Probe so lange mit einer zunehmenden Kraftbeaufschlagung zu versehen, wie noch kein Riss-Wachstum detektierbar ist. Sowie ein beginnendes Riss-Wachstum messtechnisch erfasst wird, erfolgt eine Teilentlastung der Probe durch eine Reduzierung der Kraftbeaufschlagung, genauer gesagt durch eine vorgegebene Zurücknahme der Durchbiegung, beispielsweise um ein Mikrometer. Nachdem durch diese Teilentlastung der Probe das Riss-Wachstum unterbrochen wurde und die Messdaten aufgenommen wurden, erfolgt anschließend wieder eine zunehmende Kraftbeaufschlagung bzw. eine steigende Durchbiegung der Probe so lange, bis erneut ein Rissfortschritt messtechnisch erkannt wird. Das entsprechende Verfahren wird automatisiert zyklisch so lange durchlaufen, bis die Riss-Widerstandskurve aufgenommen wurde.
Referenz:

[1] H. Jelitto, F. Felten, M. V. Swain, H. Kalke, G. A. Schneider: Measurement of the total energy release rate for cracks in PZT under combined mechanical and electrical loading. Journal of Applied Mechanics 74 (2007) 1197–1211

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Risswiderstandskurven von Werkstoff-Proben, bei dem die Probe in eine Messeinrichtung eingesetzt und mit einer Biegekraft beaufschlagt wird, sowie bei dem sowohl die Biegekraft als auch mindestens ein rissabhängiger Parameter gemessen und die Messwerte in die Risswiderstandskurve transformiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbiegung bzw. Verschiebung derart gesteuert wird, dass ein stabiles Risswachstum erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zumindest im Wesentlichen stabiles Risswachstum durch eine Steifigkeit der Messeinrichtung unterstützt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische Kontrolle eines stabilen Risswachstums unter Verwendung einer Computersteuerung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Compliance der Probe gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Compliance durch eine Modulationstechnik bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung der Verschiebung der Probe unter Verwendung einer Schraube zum Aufbringen der Kraft, eines Getriebes sowie eines computergesteuerten Schrittmotors durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung der Verschiebung der Probe unter Verwendung einer Schraube zum Aufbringen der Kraft, eines Getriebes sowie eines computergesteuerten Servomotors durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Verschiebung der Probe unter Verwendung eines computergesteuerten Piezo-Aktors durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Verschiebung der Probe durch eine mechanische Verschiebungsvorgabe unter Verwendung mindestens eines Bauelementes ausgewählt aus der Gruppe Exzenterrad und Keilvorrichtung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Verschiebung der Probe unter Verwendung eines physikalischen Effekts ausgewählt aus der Gruppe der Wärmedehnung und der Querdehnung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Versuch ausgewählt aus der Gruppe Biegebruchversuch, CT-Versuch (compact tension) oder Druckversuch durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Piezo-Aktor ein Niedervolt-Multilager-Aktor verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Aktor ein Bauelement ausgewählt aus der Gruppe Quarz-Aktor, PZT-Aktor oder PMN-Aktor verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbiegung der Probe da durch bestimmt wird, dass mit einem Gestänge die Verschiebung des oberen oder unteren Auflagers direkt auf einen Wegsensor übertragen und hierdurch gemessen wird.
Vorrichtung zur Bestimmung von Risswiderstandskurven von Werkstoff-Proben, die eine Messeinrichtung zur Aufnahme der Probe und einen Aktor zur Beaufschlagung der Probe mit einer Biegekraft aufweist und bei der die Messeinrichtung sowohl zur Erfassung der Biegekraft als auch zur Erfassung mindestens eines rissabhängigen Parameters ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor in einem Regelkreis zur Generierung eines stabilen Risswachstums angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen geschlossenen steifen Rahmen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Lagereinrichtung für die Lagerung der Probe aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine auf die Probe einwirkende mechanische Belastungseinrichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Kraftmesseinrichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Wegaufnehmer zur Messung der Durchbiegung der belasteten Probe aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor als ein Piezo-Aktor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Aktor von einer Trageinrichtung positionierbar ist, wobei die Trageinrichtung mit einem Motor zur Positionierung des Piezo-Aktors versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor in einem Innenbereich des Rahmens innerhalb einer Kraftübertragungsstrecke angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem äußeren Rahmenteil eine Schraube zur Aufbringung einer Kraft auf die Probe aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube manuell und/oder motorisch angetrieben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube über ein untersetzendes mechanisches Getriebe mit dem Antrieb verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Parallelogrammge stänge zur Führung mindestens eines Teiles des Biegeauflagers aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Linearführung zur Führung mindestens eines Teiles des Biegeauflagers aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine mit einem äußeren Rahmen fixierte Platte aufweist, die zu einer Beseitigung des Gewindespiels der oberen Schraube durch Erzeugung einer Vorspannung bei der Kraftübertragung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindeloch in der Mitte der Platte zur Aufnahme einer weiteren Schraube ausgebildet ist, die zum Abstandsausgleich bei der Kraftübertragung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberes Auflager über ein Gestänge mit einem Wegsensor verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Auflager zur Messung der Verschiebung an den Krafteinleitungspunkten direkt mit dem Wegsensor gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestänge aus zwei V-förmig ausgebildeten Teilen besteht, die über eine Achse drehbeweglich miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Beaufschlagung der Probe mit einer elektrischen Last vorgesehene Elektroanschlüsse sowie ein Spannungsversorgungsgerät aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Messung eines über die Elektroden fließenden Stromes eine elektronische Verstärkerschaltung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass diese für eine Kapazitätsmessung und zur Modulation einer an der Probe anliegenden Spannung einen Frequenzgenerator aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Messung eines über die Probe fließenden Wechselstromes eine zweite elektronische Verstärkerschaltung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungseinrichtung aus einem Motor oder einem Aktor, wie z. B. einem Piezo-Aktor, oder einer Kombination Motor plus Aktor ausgebildet ist.