DE102010023727A1

DE102010023727A1 - Verfahren zur schwingungsarmen optischen Kraftmessung, insbesondere auch bei hohen Temperaturen

Info

Publication number: DE102010023727A1
Application number: DE102010023727A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Böhme
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2011-12-15
Also published as: WO2011157261A3; WO2011157261A2; EP2580563A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Kraftmessung, bei dem ein elastisch verformbarer und/oder ein sich elastisch verformender Bereich (2) eines Festkörpers (1) durch Einwirkung einer Kraft einer Änderung seiner Geometrie unterworfen wird, die durch die Einwirkung der Kraft bewirkte Änderung der Geometrie des Bereichs (2) optisch erfasst wird und die die Änderung der Geometrie bewirkende Kraft anhand eines vorbestimmten, bevorzugt eineindeutigen Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs aus der optisch erfassten Änderung der Geometrie berechnet wird. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Description

Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Kraftmessung, beispielsweise im Bereich von Hochgeschwindigkeitsversuchen und/oder bei hohen oder niedrigen Temperaturen. Unter einem Hochgeschwindigkeitsversuch wird hierbei ein Versuch, bei dem eine Werkstoffprobe einer schnellen, plötzlichen Belastung (schnelle dynamische Belastung) unterworfen wird, die zu einer Geometrieänderung, insbesondere einer Längenänderung, der Werkstoffprobe führt, verstanden. Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Anordnung, die zum Durchführen eines Verfahrens zur optischen Kraftmessung ausgebildet ist.
Stand der Technik und Nachteile bekannter Lösungen:
Im Allgemeinen wird zur Charakterisierung von Festkörpern (d. h. Werkstoffproben) und zur Gewinnung von Werkstoffkennwerten und/oder Werkstoffkennkurven (beispielsweise: Kraft-Verlängerungs- oder Kraft-Stauchungskurven und/oder daraus abgeleitete technische und wahre Spannungs-Dehnungskurven oder Kennwerte wie Streckgrenze und Zugfestigkeit) bei statischen oder hinreichend langsamen Versuchen, wie z. B. bei genormten Zugversuchen, die Kraftmessung mit einer Kraftmesszelle der zum entsprechenden Zugversuch eingesetzten Prüfmaschine durchgeführt.
Beispielsweise in der Automobilindustrie werden jedoch als Eingangsdaten für Fahrzeug-Crashsimulationen für die eingesetzten Werkstoffe Kennwerte und Fließkurven zur Beschreibung des Verformungs- und Versagensverhaltens bei crashrelevanten äußeren Belastungsgeschwindigkeiten bis etwa 20 m/s benötigt, die in den belasteten Komponenten/Bauteilen lokal hohe Dehnraten bis etwa 500 s^–1 Bei entsprechenden Hochgeschwindigkeitsversuchen mit Werkstoffproben zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften unter Crashbelastungen treten jedoch die folgenden Schwierigkeiten auf: Die Kraftmesszellen der Prüfmaschine reagieren entweder zu langsam oder haben zu geringe Verstärkerbandbreiten, um die schnellen Vorgänge detektieren zu können. Zudem werden die Kraftmesszellen durch die notwendigen schnellen, meist schlagartigen Krafteinleitungen in die zu prüfenden Festkörper aufgrund von Trägheitskräften zu starken Schwingungen angeregt. Aufgrund dieser Schwingungen entstehen stark oszillierende ”globale” Kraftsignale, aus denen das tatsächliche Werkstoffverhalten nicht mehr sinnvoll ableitbar ist.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Empfehlungen bekannt, wie dennoch, auch bei Hochgeschwindigkeitsversuchen, eine Kraftmessung erfolgen kann: So kann eine ”quasi-lokale” Kraftmessung mit speziellen Kraftmessgliedern, die schwingungsärmere Ergebnisse als die ”globale” Kraftmessung liefern, erfolgen (s. beispielsweise EP 1 466 157 B1 ). Eine noch genauere Kraftmessung lässt sich mit Dehnungsmessstreifen erzielen: Bei dieser ”lokalen” Kraftmessung werden Dehnungsmessstreifen im Dynamometerteil der zu prüfenden Festkörper bzw. Werkstoffproben eingesetzt, deren Dehnungssignal in statischen Vorversuchen im Vergleich zu einer konventionellen Kraftmessung mit der Kraftmesszelle kalibriert werden kann.
Letztgenannte Messtechnik wird bei hohen Dehnraten von den aktuellen Richtlinien (W. Böhme: FAT-Richtlinie "Dynamische Werkstoffkennwerte für die Crashsimulation", Zeitschrift Materialprüfung, Materials Testing, Carl Hanser Verlag, München, Vol. 50 (4), S. 199–205, 2008; Stahl-Eisen-Prüfblatt 1230 "Ermittlung von mechanischen Eigenschaften an Blechwerkstoffen bei hohen Dehnraten im Hochgeschwindigkeitszugversuch", Stahlinstitut VDEh, Düsseldorf, erste Ausgabe, 2007; DIN EN ISO 26203-2: 2009) als beste Möglichkeit empfohlen.
Insbesondere letztgenannte Messtechnik ist jedoch wegen der Instrumentierung jeder Werkstoffprobe mit je einem Dehnungsmessstreifen auf der Vorder- und Rückseite und der erforderlichen Kalibrierung sehr aufwendig. Zudem ist eine Grundvoraussetzung, dass der Elastizitätsmodul des zu untersuchenden Werkstoffs nicht von der Dehnrate abhängig ist, so dass die Anwendung z. B. bei Kunststoffen nicht direkt möglich ist (diese Einschränkung gilt nicht für das Verfahren nach EP 1 466 157 B1 ). Zudem basieren die vorgenannten Messtechniken jeweils auf der Verwendung von Dehnungsmessstreifen, die auf der Werkstoffprobe (oder auf dem speziellen Kraftmessglied) zu applizieren sind. Damit ist der Anwendungsbereich auf den Einsatzbereich von Dehnungsmessstreifen beschränkt, also bei konventionellen, geklebten Folien-Dehnungsmessstreifen etwa auf einen Temperaturbereich von –60°C bis +200°C. (Für Versuche bei höheren Temperaturen ist es grundsätzlich, beispielsweise bei metallischen Werkstoffen, möglich, Hochtemperaturdehnungsmessstreifen auf jeder Werkstoffprobe durch Löten oder Schweißen zu applizieren, dies ist jedoch eine äußerst aufwendige und kostenintensive Lösung.)
Aufgabe der Erfindung:
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur optischen Kraftmessung (das insbesondere im Bereich von Hochgeschwindigkeitsversuchen eingesetzt werden kann) zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, eine auf einen Festkörper (Werkstoffprobe) einwirkende Kraft mit hoher Genauigkeit und in einem breiten Einsatzbereich (insbesondere: Temperaturbereich, ggf. aber auch Druckbereich) zu bestimmen. Dieses Kraftmessverfahren soll darüber hinaus insbesondere auch dazu geeignet sein, den zeitabhängigen Kraftverlauf bei schnellen, dynamischen Belastungen hochgenau zu bestimmen.
Aufgabe der Erfindung ist es darüber hinaus, eine Anordnung, mit der das vorgenannte optische Kraftmessverfahren durchgeführt werden kann, zur Verfügung zu stellen.
Vorgeschlagene Lösung:
Die vorliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur optischen Kraftmessung gemäß Anspruch 1 sowie durch eine entsprechende Anordnung gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen lassen sich dabei jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung des Kraftmessverfahrens erfolgt dabei primär an einem Verfahren zum Durchführen eines Hochgeschwindigkeitsversuchs und den im Rahmen eines solchen Versuchs an einem Festkörper bestimmten Geometrieänderungen beispielsweise in Form von Längenänderungen. Die vorliegende Erfindung lässt sich jedoch ebenso außerhalb des Bereichs von Hochgeschwindigkeitsversuchen einsetzen, wobei sich dann jeweils aus der verwendeten Versuchsart die hierfür spezifische Geometrieänderung, die erfindungsgemäß ausgewertet wird (s. nachfolgend) ergibt.
Auch müssen die beim konkreten Ausführungsbeispiel in einer speziellen Kombination gezeigten Einzelmerkmale der Anordnung und der durchgeführten einzelnen Verfahrensschritte im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht in der gezeigten Form verwirklicht werden, sondern können im Rahmen des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzumfangs auch andersartig realisiert sein: Insbesondere können einzelne der gezeigten Verfahrensschritte und/oder Merkmale auch anders gestaltet oder weggelassen werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch andere Kombinationen der beschriebenen Einzelschritte und/oder Einzelmerkmale im Rahmen der vorliegenden Erfindung miteinander verwirklichbar.
Grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung:
Diese Idee basiert darauf, die sich durch die Einwirkung einer Kraft in einem elastisch verformbaren Bereich eines Festkörpers ergebende Änderung der Geometrie dieses Festkörpers in diesem Bereich optisch zu erfassen und aus der so erfassten Geometrieänderung anhand eines vorbestimmten Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs die die Geometrieänderung bewirkende Kraft zu berechnen. Bei dem vorbestimmten (bevorzugt eineindeutigen) Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhang kann es sich insbesondere um das Hooke'sche Gesetz handeln. Grundsätzlich sind jedoch auch andere, z. B. nichtlineare Zusammenhänge zur Bestimmung der einwirkenden Kraft im Rahmen der vorliegenden Erfindung auswertbar.
Mit der Erfindung lässt sich somit insbesondere folgendes Verhalten von Werkstoffproben ausnutzen: Bei kleinen technischen Spannungen bis zum Erreichen der sogenannten Streckgrenze ist die Dehnung in der Werkstoffprobe reversibel, und die technische Spannung hängt linear von der Dehnung ab; die Verformung der Werkstoffprobe ist somit elastisch (Hooke'sches Gesetz: σ = E × ε, wobei σ die technische Spannung, ε die Dehnung und E der Elastizitätsmodul ist). Bei Spannungen oberhalb der Streckgrenze verliert das Hooke'sche Gesetz seine Gültigkeit, es kommt zur plastischen Verformung der Werkstoffprobe. Wie nachfolgend noch im Einzelnen beschrieben, kann jedoch der elastische Bereich aufgrund des im Hooke'schen Gesetz beschriebenen Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs dazu ausgenutzt werden, aus einer Dehnung (nach geeigneter Kalibrierung bzw. Bestimmung des Elastizitätsmoduls) die zugehörige technische Spannung und daraus mit dem entsprechenden Ausgangsquerschnitt an der Messstelle auf der Probe die zugehörige Kraft, die diese Dehnung verursacht, zu ermitteln. Dies geschieht wie vorbeschrieben erfindungsgemäß auf optischem Weg.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Geometrieänderung in einem elastischen Probenabschnitt (insbesondere: eine Dehnungsmessung in einem sich ausschließlich elastisch verformenden Dynamometerteil der Probe) optisch aufzunehmen und auszuwerten. Die optische Erfassung kann speziell bei Hochgeschwindigkeitsversuchen z. B. mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera mit hoher Orts- und Zeitauflösung und die Auswertung mit einer entsprechenden Bildanalysesoftware, wie nachfolgend noch im Einzelnen beschrieben, mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieser grundlegenden Idee im Rahmen der vorliegenden Erfindung:
In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform wird eine reversible Längenänderung, insbesondere eine Verlängerung oder eine Verkürzung, des elastischen Bereiches optisch erfasst. Bei dem vorbestimmten Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhang kann es sich somit um einen Zusammenhang zwischen einer Krafteinwirkung und einer durch diese Krafteinwirkung bewirkten, reversiblen Längenänderung im elastischen Bereich handeln (z. B. Hooke'sches Gesetz). Es müssen jedoch nicht Längenänderungen erfasst werden, die optische Erfassung kann auch z. B. bei Hochgeschwindigkeitsversuchen (wie beispielsweise Scherversuchen) eingesetzt werden, die zu einer Verdrehung, Verzerrung und/oder Scherung im sich elastisch verformenden Bereich führen, die dann entsprechend optisch erfasst und ausgewertet werden kann.
Vorteilhafterweise kann über ein vordefiniertes Zeitintervall der durch eine zeitlich variierende einwirkende Kraft jeweils bewirkte momentane Zustand der Geometrie des elastischen Bereichs optisch erfasst werden. Die jeweils diesen momentanen Zustand der Geometrie bewirkende momentan einwirkende Kraft kann dann aus dem momentanen Geometriezustand mittels des vorbestimmten Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs berechnet werden. Erfindungsgemäß ist somit eine Bestimmung des zeitabhängigen Kraftsignals möglich.
Beispielsweise können im elastischen Bereich mindestens zwei Markierungen beabstandet voneinander angebracht werden. Alternativ dazu lassen sich jedoch auch zwei beabstandet voneinander angeordnete, vorgegebene Strukturen (z. B. Vorsprünge oder Gräben oder auch hervortretende Oberflächentexturen in diesem Bereich) als Markierungen verwenden. Diese Markierungen werden dann bei verschiedenen einwirkenden Kräften jeweils optisch abgebildet. In diesen verschiedene geometrische Zustände wie beispielsweise Längen des elastischen Bereichs widerspiegelnden optischen Abbildungen werden Positionen und/oder Abstände dieser Markierungen ausgewertet, d. h. es werden Positionen und/oder Abstände dieser Markierungen in den einzelnen optischen Abbildungen bestimmt und zum Berechnen von Geometrieänderungen im elastischen Bereich bewirkenden Kräften ausgewertet.
Der Festkörper (Werkstoffprobe) kann einen inelastisch verformbaren Prüfbereich und einen materialschlüssig damit verbundenen und/oder einen zusammen mit dem Prüfbereich einstückig ausgebildeten Dynamometerbereich aufweisen. Der Dynamometerbereich ist dann derjenige Bereich des Festkörpers, der sich unter der Krafteinwirkung rein elastisch verformt und der erfindungsgemäß optisch erfasst wird.
Erfindungsgemäß können somit zwei (oder auch mehr) temperaturbeständige Markierungen im Dynamometerteil der Probe aufgebracht werden. Diese Markierungen können je nach dem verwendeten optischen Auswerteverfahren (Bildanalyseverfahren) Linien, Punkte, Kreise oder Kreuze sein, oder auch stochastisch verteilte Speckle-Muster beinhalten, wie sie beispielsweise bei den als optische Auswerteverfahren einsetzbaren Grauwertkorrelationsanalysen verwendet werden.
Die Breite des Dynamometerbereichs ist dabei in der Regel deutlich größer zu wählen als die Breite des vorbeschriebenen Prüfbereichs, um im Dynamometerbereich bis zum Bruch der Probe im Prüfbereich ausschließlich linear-elastische Verformungen zu erhalten.
Für die Aufzeichnung können Videokameras, bei Hochgeschwindigkeitsversuchen insbesondere Hochgeschwindigkeits-Videokameras als optische Messgeräte eingesetzt werden, alternativ dazu sind jedoch auch optische Extensometer einsetzbar. Bei Zugversuchen (insbesondere: Hochgeschwindigkeits-Zugversuchen) kann somit erfindungsgemäß eine Verlängerung als Funktion der Belastungszeit aufgezeichnet werden. Aus diesen Aufzeichnungen können nach der Belastung Verlängerungskurven erstellt werden, die die zeitabhängige Verlängerung über das Belastungsintervall darstellen. Wesentlich hierbei ist, dass die entsprechenden Geometrieänderungen in hoher örtlicher- und/oder zeitlicher Auflösung erfasst werden; dies ist insbesondere bei Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Videokameras mit Bildaufnahmeraten von mindestens 10.000 Bildern pro Sekunde, bevorzugt mit mindestens 100.000 Bilden pro Sekunde, sichergestellt, wobei in der Regel gleichzeitig eine hinreichend große Ortsauflösung bzw. eine hinreichend grosse Anzahl von Bildpunkten (Pixeln) erforderlich ist (von z. B. 100 Pixeln in Messrichtung), um eine ausreichende Messgenauigkeit zu erzielen. Auch andere optische Messverfahren wie beispielsweise laseroptische Verfahren sind bei ausreichender Orts- und Zeitauflösung geeignet.
Erfindungsgemäß können somit die durch ein dynamisches und/oder schnelles Belasten der Werkstoffprobe (z. B. mit äußeren Belastungsgeschwindigkeiten bis etwa 100 m/s) bewirkten Kräfte lokal gemessen werden, wobei während dieser Belastung optische Abbilder des elastischen Dynamometer-Bereichs (also beispielsweise der Markierungen in diesem Bereich) mittels einer Kamera erzeugt werden können, die dann mittels eines Bildanalyseverfahrens, wie beispielsweise einer Grauwertkorrelationsanalyse, ausgewertet werden können. Anhand dieser Auswertung erfolgt das Berechnen der die Änderung der Geometrie im elastischen Bereich bewirkenden Kraft, in der Regel unter Verwendung eines Kalibrierfaktors, der mit wenigstens einem quasistatischen Vorversuch zu bestimmen ist.
Die dynamischen und/oder schnellen Belastungen können in Form von Hochgeschwindigkeitsversuchen, insbesondere Hochgeschwindigkeitszugversuchen, Kerbzugversuchen, Scherversuchen und/oder Druckversuchen aufgebracht werden. Die hierfür verwendbaren Prüfeinrichtungen wie Schnellzerreissmaschinen oder Schlagwerke sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
Wird in quasistatischen Vorversuchen bzw. in Vorversuchen bei moderaten Belastungsgeschwindigkeiten (etwa < 0,1 m/s) zuvor an mindestens einer vergleichbar instrumentierten und belasteten Werkstoffprobe mittels konventioneller Kraftmessung (beispielsweise mit einer Kraftmesszelle der eingesetzten Prüfvorrichtung) die Geometrieänderung im Dynamometerteil gegen die eingesetzte Kraft kalibriert, also ein statischer Kalibrierfaktor ermittelt, so kann damit dann bei den eigentlichen Versuchen anhand der aufgenommenen optischen Abbilder der zeitabhängige (”lokale”) Kraftverlauf bestimmt werden. Die Kalibrierung geschieht hierbei im elastischen Dynamometerteil der Probe. Alternativ zur Bestimmung des Kalibrierfaktors ist jedoch auch die Berechnung des Kalibrierfaktors bei Kenntnis oder unter Annahme eines konstanten Elastizitätsmoduls unter Verwendung des Hooke'schen Gesetzes möglich.
Die Kalibrierung (bzw. die Ermittlung des vorbestimmten Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs durch statisches oder quasi-statisches Kraftbelasten des Festkörpers) erfolgt dabei vorteilhafterweise bei äußeren Belastungsgeschwindigkeiten von < 0,1 m/s.
Beispiel: Beim Hochgeschwindigkeitszugversuch können die Positionen der optisch erfassten Markierungen mit Bildanalyseverfahren ausgewertet werden, daraus kann Bild für Bild der zeitliche Verlauf der lokalen Verlängerung im Dynamometerteil dL_D(t) und mithilfe des zuvor ermittelten Kalibrierfaktors Λ der gesuchte, lokale Kraftverlauf F(t) = Λ × dL_D(t) bestimmt werden. Aus der wie vorbeschrieben optisch erfassten Verlängerungskurve dL_D(t) im elastischen Bereich (bei Druckversuchen: Stauchungskurve) erhält man somit das für weitere Auswertungen zur Werkstoffcharakterisierung erforderliche zeitabhängige Kraftsignal F(t). (Da diese Kraft auf den Prüfquerschnitt A im dünneren Prüfteil der Probe wirkt, ergibt sich der Verlauf der technischen Spannung im Prüfteil zu σ(t) = F(t)/A.) Wegen der erfindungsgemäß durchgeführten lokalen (optischen) Messung im Dynamometerbereich des Festkörpers wird ein besonders schwingungsarmes Kraftsignal erhalten.
Neben dem Ermitteln eines schwingungsarmen Kraftsignals hat die vorliegende Erfindung insbesondere den Vorteil, dass das Verfahren auch bei stark von der Raumtemperatur abweichenden Temperaturen des Festkörpers (z. B. von deutlich oberhalb 200°C) durchgeführt werden kann. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch bei Raumtemperatur, d. h. bei 20°C, einsetzbar.
Um während der Belastung zusätzlich auch das Verformungsverhalten des dünneren Prüfteils der Probe bis zum Bruch zu erfassen, kann mit einem optischen Messgerät die durch die äußere Belastung bewirkte Veränderung des Abstands von im Prüfteil applizierten Markierungen aufgezeichnet werden.
Um (insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsversuchen) zu einer umfassenden Werkstoffcharakterisierung der Werkstoffprobe unter schnellen, dynamischen Belastungen zu kommen, kann zusätzlich noch eine Messung einer Geometrieänderung, insbesondere einer Verlängerung dL_P(t) oder Stauchung, im Prüfbereich der Probe erfolgen. Diese Messung im Prüfbereich der Probe kann vorteilhafterweise ebenfalls optisch, das heißt z. B. unter Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras, erfolgen.
Die erfindungsgemäße Kraftmessung kann somit mit einer Verlängerungs- oder Stauchungsmessung im Prüfbereich der Probe gekoppelt werden, um eine umfassende Werkstoffcharakterisierung zu ermöglichen, beispielsweise, um eine Kraft-Verlängerungskurve zu erhalten. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass nicht nur der elastische Bereich der Probe optisch erfasst und ausgewertet wird, sondern gleichzeitig und bevorzugt mit derselben Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahme auch der zeitliche Verlauf der technischen Dehnung ε(t) der Probe im Prüfbereich der Probe optisch erfasst und ausgewertet wird, indem die ermittelte Verlängerung dL_P(t) auf die Prüflänge L_o bezogen wird: ε(t) = dL_P(t)/L_o. Hierzu sind dann auch im Prüfbereich der Probe entsprechende (d. h. voneinander um L_o beabstandete) Markierungen anzubringen bzw. vorhandene Markierungen auszuwerten.
Vorteilhafterweise wird somit ein sich verjüngender, nicht-reversibel verformender Prüfbereich des Festkörpers (der derselben Krafteinwirkung wie der elastische Bereich dieses Prüfkörpers unterworfen ist) ebenfalls messtechnisch erfasst, wobei dieses Erfassen vorteilhafterweise ebenso optisch erfolgt. Dann kann mit einem einzigen Hochgeschwindigkeits-Videofilm sowohl der Kraftverlauf bzw. der Spannungsverlauf σ(t) als auch der Dehnungsverlauf im Prüfbereich der Probe ε(t) gleichzeitig gemessen werden, so dass daraus beispielsweise die technischen Spannungs-Dehnungskurven σ(ε) zu einer crashrelevanten Werkstoffcharakterisierung und als Eingangsdaten für Crashberechnungen bestimmt werden können (ggfs. auch die wahren Spannungs-Dehnungskurven bei Umrechnung unter Annahme von Volumenkonstanz im Bereich der Gleichmassdehnung). Hierbei wird die Kraft auf den Ausgangsquerschnitt im Prüfbereich der Probe und die Verlängerung auf die Ausgangsmesslänge im Prüfbereich der Probe bezogen. Mit Hochgeschwindigkeitskameras mit über 100.000 Bildern pro Sekunde bei noch hinreichender Anzahl von Pixeln lassen sich hierdurch selbst bei hohen, crashrelevanten Dehnraten bzw. bei entsprechenden hohen, crashartigen Belastungsgeschwindigkeiten, beispielsweise im Bereich 20 m/s (ggf. auch darüber hinaus), hinreichend viele Abbildungen pro Sekunde als Stützpunkte zur Auswertung verlässlicher dynamischer Spannungs-Dehnungskurven gewinnen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei bei Flachzug- und Rundzugproben anwendbar; je nach Probengröße sind die Markierungen und die optischen Strahlengänge der Situation anzupassen.
Da aus Halbzeugen oder Bauteilen entnommene Proben häufig leicht gekrümmt sind, kann es zu Biegeanteilen bei der Messung und zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen, je nachdem, auf welcher Probenseite die Messung durchgeführt wird. Demgemäß ist es in einer weiteren vorteilhaften Variante empfehlenswert, die optische(n) Erfassung(en) der Geometrieänderung des elastischen Bereiches und/oder des Prüfbereiches der Probe auf beiden Seiten der Probe durchzuführen. Hierzu können entweder zwei Hochgeschwindigkeitskameras eingesetzt werden oder auch nur eine Hochgeschwindigkeitskamera, beispielsweise unter Verwendung von Spiegeln optischer Qualität. Im letzteren Fall werden die unterschiedlichen Seiten der Werkstoffprobe über eine bevorzugt mindestens zwei Spiegel umfassende Abbildungsoptik auf ein und dieselbe Hochgeschwindigkeitskamera abgebildet.
Schließlich umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Prüfeinrichtung zum dynamischen Belasten der Werkstoffprobe und eine bevorzugt mindestens eine Kamera (Hochgeschwindigkeitskamera) aufweisende, zum Durchführen der optischen Erfassungen und der anschließenden Berechnungen ausgebildete und angeordnete optische Erfassungs- und Auswertevorrichtung.
Vorteile der Erfindung:
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Kraftmessung bietet das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere die folgenden Vorteile:

– Das Verfahren ist auch bei hohen und bei tiefen Temperaturen (insbesondere auch bei Temperaturen oberhalb von 200°C) einsetzbar.
– Das Verfahren bietet eine trägheitskraftfreie Kraftmessung aufgrund der „lokalen” optischen Dehnungsbestimmung im Dynamometerteil der Probe. Es sind somit schwingungsarme Kraftmessungen auch bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten möglich.
– Wird auch die Vermessung des Prüfbereichs optisch durchgeführt, so erfolgt eine gleichzeitige Messung der Kraft- und der Prüfteildehnung direkt auf der Probe mit nur einer einzigen Hochgeschwindigkeitsvideoaufzeichnung. Dabei lässt sich das Verfahren auch auf beiden Probenseiten einsetzen, wenn entsprechend ausgerichtete Spiegel optischer Qualität verwendet werden.
– Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist somit keine Kraftmesszelle (außer ggf. zur Kalibrierung in einem statischen Vorversuch) erforderlich und der Aufwand zur Aufbringung von Markierungen oder Speckle-Mustern auf die Probe ist sehr viel geringer als der Aufwand zur Aufbringung von Dehnungsmessstreifen.

Ausführungsbeispiele:
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels (1 und 2) sowie anhand einer Variante desselben (3) im Detail anhand von Zugversuchen beschrieben.
Dabei zeigt:
1 eine erfindungsgemäß verwendbare Werkstoffprobe samt aufgebrachter Markierungen.
2 das Prinzip der Abtastung dieser Werkstoffprobe durch eine Hochgeschwindigkeits-Videokamera sowie die aus der Auswertung der abgetasteten Bilddaten ermittelbaren Zusammenhänge.
3 eine Variante des in den 1 und 2 gezeigten Verfahrens, bei der eine beidseitige Probenabtastung erfolgt.
1 zeigt eine zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Werkstoffprobe 1, hier beispielsweise aus Aluminium. Die Werkstoffprobe 1 ist einstückig und als länglicher Probenkörper ausgebildet und weist an ihren beiden gegenüberliegenden Längsenden 1a und 1b zwei verdickte Abschnitte auf, die zur Einspannung in eine Hochgeschwindigkeits-Zugprüfvorrichtung ausgebildet sind. Das hier oben liegende Ende 1a ist dabei zum Einspannen in die feststehende Probeneinspannung 8a (2) der Prüfvorrichtung ausgebildet (feststehender Einspannbereich 1a), das hier unten abgebildete, gegenüberliegende Ende des Probenkörpers 1 (beschleunigter Einspannbereich 1b der Probe) zum Einspannen in die beschleunigte Probeneinspannung 8b der Prüfvorrichtung.
Zwischen den beiden Enden 1a, 1b liegen zwei weitere Bereiche der Werkstoffprobe 1, der mit demselben Querschnitt wie der feststehende Einspannbereich 1a ausgebildete und an letzteren unmittelbar angrenzende Dynamometerbereich 2 der Werkstoffprobe 1 und der sich daran (also auf der gegenüberliegenden Seite des feststehenden Einspannbereichs 1a an den Dynamometerbereich 2) unmittelbar anschließende Prüfbereich 3 bzw. der Prüfteil der Werkstoffprobe 1. Alle Abschnitte 1a, 2, 3 und 1b der Probe 1 sind hier zusammen als einstückiger Körper ausgebildet, also stoffschlüssig verbunden. Am dem Dynamometerbereich abgewandten Ende des Prüfteils 3 schließt sich somit der beschleunigte Einspannbereich 1b der Probe an, der wiederum mit demselben Querschnitt wie die Bereiche 1a, 2 der Probe ausgebildet ist. Demgegenüber verjüngt sich der Prüfbereich 3 zur Mitte zwischen den beiden angrenzenden Bereichen 1b, 2 hin, weist dort also einen deutlich verringerten Querschnitt auf. Durch diesen deutlich verringerten Querschnitt kann der Prüfbereich 3 der Probe auch über das Erreichen der Streckgrenze hinaus verformt werden (plastische Verformung), ohne dass es im Dynamometerbereich 2 zu einer plastischen Verformung der Probe kommt.
Mit anderen Worten bleibt auch bei einer plastischen Verformung der Probe im Prüfbereich 3 die elastische Verformung der Probe im Dynamometerbereich erhalten.
1 zeigt zwei strichförmige Markierungen 4a, 4b, die entlang der Längsachse der Probe 1 im Dynamometerbereich 2 der Probe beabstandet voneinander angeordnet sind. Da sich die Probe 1 im Dynamometerbereich 2 rein elastisch verformt, können diese beiden Markierungen 4a, 4b bzw. deren sich bei veränderter Zugbelastung verändernde Positionen, insbesondere deren sich verändernder Abstand dazu verwendet werden, wie vorbeschrieben erfindungsgemäß auf optischem Weg die Längen- bzw. Geometrieänderung im Bereich 2 zu erfassen und daraus anhand des Kraft-Längenänderungs-Zusammenhangs die gesuchte Kraft zu berechnen.
Ebenso sind auf derselben Seite der Probe, jedoch zentral im Verjüngungsabschnitt des Prüfbereichs 3 der Probe, zwei weitere Markierungen 5a, 5b beabstandet voneinander und entlang der Längsachse der Probe 1 auf den Probenkörper aufgebracht. Diese beiden Markierungen 5a, 5b werden zur weiteren optischen Dehnungsbestimmung (Verlängerungsmessung) im Prüfungsbereich 3 der Probe ebenfalls optisch erfasst.
Um die Veränderungen der Positionen und/oder der Abstände der Markierungen 4a, 4b, 5a, 5b zu erfassen und auszuwerten, wird eine Hochgeschwindigkeitskamera 6 (in 1 nicht gezeigt, vergleiche 2) so angeordnet und auf die Probe 1 ausgerichtet, dass deren Bildfeld sowohl den Dynamometerbereich 2 (also die Markierungen 4a, 4b) als auch den Prüfbereich 3 (also die Markierungen 5a, 5b) erfasst. Wie vorbeschrieben wird der mit möglichst hoher Bildrate (> 10.000 Bilder pro Sekunde) bei noch hinreichend hoher Pixelanzahl aufgenommene Hochgeschwindigkeits-Videofilm dann mittels eines Bildanalyseverfahrens, bzw. bei Verwendung von Speckle-Markierungen auf Basis der Grauwertkorrelationsanalyse ausgewertet.
Die insbesondere bei Speckle-Markierungen vorteilhaft einsetzbare und hier beispielhaft beschriebene Grauwertkorrelationsanalyse als optisches Messverfahren, mit dem lokale Veränderungen beispielsweise einer Oberfläche, die durch mechanische Beanspruchung verursacht wurden, anhand der Grauwertverteilung von Bildaufnahmen der Oberfläche zu unterschiedlichen Beanspruchungszuständen verfolgt, gespeichert und qualitativ und quantitativ ausgewertet werden können, ist dabei dem Fachmann bekannt: Für (digitalisierte) Bilder verschiedener Zustände lässt sich mit einem Algorithmus, der auf der Anwendung der Kreuzkorrelationsfunktion beruht, ein zwischen den Zuständen bzw. Bildern aufgetretenes Verschiebungsfeld ermitteln. Als Ergebnis der Korrelation erhält man eine grafische Abbildung des Verschiebungsfeldes, dargestellt als Vektorbild oder als Überlagerungsgitter; ein zugehöriges Protokoll liefert quantitative Angaben für jeden ausgewerteten Punkt (Positionen, Verschiebungen und maximale Korrelationskoeffizienten). Die Daten des Protokolls können u. a. zur quantitativen Bestimmung von Komponenten des Verzerrungssensors verwendet werden, woraus sich die gesuchten Werkstoffkennwerte wie zum Beispiel die Dehnung ableiten lassen.
Im vorgestellten Beispiel beträgt die Längsausdehnung L_k des Dynamometerbereichs 2 ca. 30 mm und die Querschnittsausdehnung b_k dieses Bereichs ca. 35 mm. Der Abstand der Markierungen 4a, 4b beträgt z. B. 20 mm. Der Abstand a der beiden Markierungen 5a, 5b im Prüfbereich 3 beträgt hier 20 mm. Die gesamte Länge L_t der Probe beträgt hier ca. 150 mm.
1 zeigt somit, wie erfindungsgemäß eine Flachzug-Probe für Hochgeschwindigkeitszugversuche auf Basis von im Dynamometerteil 2 aufgebrachten Markierungen 4a, 4b, verwendet werden, also zur lokalen optischen Kraftmessung eingesetzt werden kann, wobei hier auch die Dehnungsmessung im Prüfbereich 3 der Probe 1 optisch erfolgt.
2 skizziert eine erfindungsgemäße Anordnung, die zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, also beispielsweise zur in 1 skizzierten optischen Abbildung ausgebildet ist. Die Anordnung umfasst zunächst eine hier lediglich angedeutete Prüfeinrichtung mit einer feststehenden Probeneinspannung 8a, in der der Abschnitt 1a der in 1 gezeigten Probe nahezu unbeweglich fixiert wird (2, Mitte oben). Die Prüfeinrichtung umfasst darüber hinaus eine hier ebenfalls lediglich angedeutete beschleunigte Probeneinspannung 8b (2, Mitte unten), in der der Abschnitt 1b der Probe 1 beweglich fixiert wird und wo die dynamischen Belastungen durch eine geeignete Belastungsvorrichtung eingeleitet werden.
Des weiteren umfasst die Anordnung eine Hochgeschwindigkeits-Videokamera 6, die so ausgebildet und angeordnet ist (ggf. mit zusätzlichen, hier nicht im Einzelnen beschriebenen Optiken), dass sowohl der Prüfbereich 3, als auch der Dynamometerbereich 2 der Probe 1 gleichzeitig und mit sehr hoher Zeitauflösung bzw. Bildrate bei hinreichender Pixelanzahl optisch erfasst werden kann. Die Anordnung umfasst schließlich eine mit der Hochgeschwindigkeits-Videokamera zum bidirektionalen Datenaustausch verbundene Auswertevorrichtung 9 (beispielsweise ein Rechnersystem), mit der die vorbeschriebene Grauwertkorrelationsanalyse der mit der Kamera 6 erfassten Positionen 4a, 4b, 5a, 5b möglich ist. Die Elemente 6 und 9 der Prüfeinrichtung bilden (ggf. samt weiterer zur mehrseitigen Abbildung verwendeter optischer Elemente 7a, 7b, vergleiche 3) die Erfassungs- und Auswertevorrichtung der Anordnung.
Wie 2 rechts oben zeigt, lässt sich mit hier im Einzelnen nicht beschriebenen Bildanalyseverfahren, ggfs. der Grauwertkorrelationsanalyse, aus den optisch erfassten Positionen der Markierungen 4a, 4b die Veränderung der technischen Zugspannung σ(t) während der Zugbelastung mit hoher zeitlicher Auflösung bestimmen. Ebenso lässt sich anhand der mit den einzelnen Kamerabildern aufgenommenen Positionen der Markierungen 5a, 5b mit Bildanalyseverfahren, ggfs. mit der Grauwertkorrelationsanalyse, die zeitliche Veränderung der Dehnung ε(t) der Werkstoffprobe 1 im Prüfbereich 3 mit hoher zeitlicher Auflösung bebestimmen. 2 rechts unten skizziert dann die aus diesen beiden Kurven σ(t) und ε(t) gewonnene Spannungs-Dehnungskurve σ(ε).
2 zeigt somit das erfindungsgemäße Prinzip der Messtechnik für Hochgeschwindigkeits-Zugversuche mit schwingungsarmer lokaler optischer Kraft- und Dehnungsmessung.
3 zeigt eine Variante der vorliegenden Erfindung, bei der das Ermitteln der vorgenannten Größen ε, σ auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Probe 1 erfolgt. Vorgehensweise und Anordnung sind hier grundsätzlich wie vorstehend zu den 1 und 2 beschrieben, so dass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden.
Um auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Probe 1 jeweils sowohl Dehnungswerte ε, als auch technische Zugspannungswerte σ bestimmen zu können, sind hier auf diesen beiden Seiten der Probe jeweils Spiegelanordnungen 7a, 7b angeordnet, die so ausgerichtet werden, dass von beiden gegenüberliegenden Seiten der Probe jeweils ein Prüfbereich und ein Dynamometerbereich der Probe von der einzigen Hochgeschwindigkeitskamera 6 erfasst werden können. So werden der Prüfbereich und der darüberliegende Dynamometerbereich der ersten Seite S1 der Probe 1 über die Spiegelanordnung 7a in den Aufnahmebereich der Kamera 6 abgebildet und der Prüfbereich samt des benachbarten Dynamometerbereichs der gegenüberliegenden, zweiten Probenseite S2 über die Spiegelanordnung 7b. Die Abbildung muss dabei so erfolgen, dass die beiden gegenüberliegenden Seiten der Probe auf getrennte Bildabschnitte der Bilderfassungseinheit der Kamera 6 abgebildet werden, so dass bei der Auswertung die Lage der einzelnen Markierungen getrennt werden kann. Bei hinreichender Übereinstimmung der Ergebnisse beider Seiten (innerhalb von etwa ±10%) können die Signale gemittelt und als Ergebnis verwendet werden. Bei stärkeren Abweichungen beider Signale ist die Ursache (z. B. überlagerte Biegeanteile) zu lokalisieren und zu beheben.
3 zeigt somit eine erfindungsgemäße Anordnung für eine zweiseitige optische Kraft- und Dehnungsmessung bei Hochgeschwindigkeitszugversuchen, mit deren Hilfe auch Biegeanteile mit nur einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasst werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1466157 B1 [0004, 0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

W. Böhme: FAT-Richtlinie ”Dynamische Werkstoffkennwerte für die Crashsimulation”, Zeitschrift Materialprüfung, Materials Testing, Carl Hanser Verlag, München, Vol. 50 (4), S. 199–205, 2008 [0005]
Stahl-Eisen-Prüfblatt 1230 ”Ermittlung von mechanischen Eigenschaften an Blechwerkstoffen bei hohen Dehnraten im Hochgeschwindigkeitszugversuch”, Stahlinstitut VDEh, Düsseldorf, erste Ausgabe, 2007; DIN EN ISO 26203-2: 2009 [0005]

Claims

Verfahren zur optischen Kraftmessung, wobei ein elastisch verformbarer und/oder ein sich elastisch verformender Bereich (2) eines Festkörpers (1) durch Einwirkung einer Kraft einer Änderung seiner Geometrie unterworfen wird, wobei die durch die Einwirkung der Kraft bewirkte Änderung der Geometrie des Bereichs (2) optisch erfasst wird und wobei die die Änderung der Geometrie bewirkende Kraft anhand eines vorbestimmten, bevorzugt eineindeutigen Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs aus der optisch erfassten Änderung der Geometrie berechnet wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch erfasste Geometrieänderung eine reversible Längenänderung, insbesondere eine Verlängerung oder eine Verkürzung, des Bereichs (2) ist und/oder dass der vorbestimmte Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhang ein Zusammenhang zwischen einer Krafteinwirkung und einer durch diese Krafteinwirkung bewirkten, reversiblen Längenänderung des elastisch verformbaren und/oder sich elastisch verformenden Bereichs (2) ist und/oder dem Hookeschen Gesetz entspricht, oder dass die optisch erfasste Geometrieänderung eine reversible Verdrehung, Verzerrung und/oder Scherung des Bereichs (2) ist.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über ein vordefiniertes Zeitintervall der durch eine zeitlich variierende, einwirkende Kraft jeweils bewirkte momentane Zustand der Geometrie des Bereichs (2) optisch erfasst wird und dass jeweils die diesen momentanen Zustand der Geometrie bewirkende momentan einwirkende Kraft anhand des vorbestimmten Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs aus dem optisch erfassten momentanen Zustand der Geometrie berechnet wird (Berechnung des zeitabhängigen Kraftsignals).
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassen erfolgt, indem im Bereich (2) mindestens zwei Markierungen (4a, 4b) beabstandet voneinander angebracht werden oder indem mindestens zwei beabstandet voneinander angeordnete Strukturen des Bereichs (2) als solche Markierungen (4a, 4b) verwendet werden, indem diese Markierungen (4a, 4b) jeweils bei verschiedenen einwirkenden Kräften optisch abgebildet werden und indem in solchen verschiedene geometrische Zustände, insbesondere Längen, des Bereichs (2) des Festkörpers (1) widerspiegelnden optischen Abbildungen Positionen und/oder Abstände dieser Markierungen (4a, 4b) ausgewertet werden zum Berechnen einer eine Änderung der Geometrie des Festkörpers (1) bewirkenden Kraft.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper (1) eine Werkstoffprobe ist, die einen Prüfbereich (3) und als elastisch verformbaren und/oder sich verformenden Bereich (2) einen mit diesem Prüfbereich (3) materialschlüssig verbundenen und/oder einstückig ausgebildeten Dynamometerbereich aufweist, wobei der Dynamometerbereich so ausgebildet ist, dass er unter der Einwirkung der Kraft rein elastisch verformbar ist und/oder sich rein elastisch verformt, und wobei der Dynamometerbereich optisch erfasst wird, bevorzugt optisch abgebildet wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassen und/oder Abbilden mit Hilfe einer Kamera (6), insbesondere einer Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Bildaufnehmrate von mindestens 10.000 Bildern/s, bevorzugt mit mindestens 100.000 Bildern/s, durchgeführt wird und/oder dass das optische Erfassen mit Hilfe eines laseroptischen Verfahrens und/oder eines optischen Extensometers, insbesondere eines Laserextensometers, durchgeführt wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische Abbilder vom elastisch verformbaren und/oder sich elastisch verformenden Bereich (2), insbesondere von in diesem Bereich (2) angebrachten Markierungen (4a, 4b), erzeugt werden, bevorzugt mittels einer Kamera (6) erzeugt werden, und mittels eines Bildanalyseverfahrens, insbesondere einer Grauwertkorrelationsanalyse, ausgewertet werden zum Berechnen der die Änderung der Geometrie des Festkörpers (1) bewirkenden Kraft und/oder dass die Markierungen (4a, 4b) Linien, Punkte, Kreise, Kreuze und/oder stochastisch verteilte Muster, bevorzugt Specklemuster, sind.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einwirken der Kraft durch ein dynamisches, schnelles Belasten des Festkörpers (1), insbesondere durch ein Belasten des Festkörpers (1) mit einer äußeren Belastungsgeschwindigkeit von größer 1 m/s, bevorzugt von größer 10 m/s, bevorzugt im Bereich von 10 m/s bis 100 m/s, realisiert wird und/oder realisiert wird, indem der Festkörper (1) einem Hochgeschwindigkeitsversuch, insbesondere einem Hochgeschwindigkeitszugversuch, einem Kerbzugversuch, einem Scherversuch und/oder einem Druckversuch ausgesetzt wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhang durch ein statisches oder quasistatisches Kraftbelasten des Festkörpers (1), insbesondere durch ein Belasten des Festkörpers (1) mit einer äußeren Belastungsgeschwindigkeit von kleiner 0,2 m/s, bevorzugt von kleiner 0,05 m/s, mit verschieden großen Kräften und durch Ermitteln der jeweils zugehörigen Änderung seiner Geometrie bestimmt wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Raumtemperatur oder bei einer Temperatur des Festkörpers (1) von oberhalb +200°C, insbesondere von oberhalb +400°C, durchgeführt wird und/oder dass das Einwirken der Kraft so erfolgt und der Festkörper (1) so ausgebildet ist, dass sich der Bereich (2) des Festkörpers (1) rein elastisch und vollständig reversibel verformt.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Bereich (3) des Festkörpers (1), bevorzugt ein sich verjüngender Prüfbereich des Festkörpers (1), ebenfalls dem Einwirken dieser Kraft unterworfen wird und dass ein durch dieses Krafteinwirken bewirktes Verformen, insbesondere ein Dehnen, ein Verlängern oder ein Verkürzen, des weiteren Bereichs (3) erfasst wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Bereich (3) so ausgebildet und ausgeformt ist, dass er sich unter dem Einwirken dieser Kraft nicht-elastisch, nicht-reversibel verformt, insbesondere dehnt, verlängert oder verkürzt, und/oder dass das Verformen des weiteren Bereichs (3) optisch erfasst wird, insbesondere auf dieselbe Art und Weise und/oder mit ein und derselben Kamera (6) wie beim elastisch verformbaren und/oder sich elastisch verformenden Bereich (2) optisch erfasst wird, oder mittels eines Dehnungsmessstreifens erfasst wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des Erfassens des elastisch verformbaren und/oder sich elastisch verformenden Bereichs (2) und des Erfassens des weiteren Bereichs (3) festkörperspezifische Kennwerte und/oder Fließkurven, insbesondere zur Beschreibung des Verformungs- und/oder Versagenverhaltens geeignete Kennwerte und/oder Fließkurven, und/oder Spannungs-Dehnungskurven des Festkörpers (1) bestimmt werden.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf zwei unterschiedlichen Seiten (S1, S2), insbesondere auf zwei gegenüberliegenden Seiten, des Festkörpers (1) jeweils eine durch das Einwirken einer Kraft, bevorzugt ein und derselben Kraft, bewirkte Änderung der Geometrie eines elastisch verformbaren und/oder sich elastisch verformenden Bereichs (2) optisch erfasst wird, wobei bevorzugt die unterschiedlichen Seiten (S1, S2) über eine bevorzugt mindestens zwei Spiegel (7a, 7b) umfassende Abbildungsoptik auf eine einzige Kamera (6), insbesondere eine Hochgeschwindigkeitskamera, abgebildet werden oder wobei bevorzugt die unterschiedlichen Seiten (S1, S2) jeweils auf eine separate Kamera, insbesondere jeweils eine separate Hochgeschwindigkeitskamera, abgebildet werden.
Anordnung ausgebildet zum Durchführen eines Verfahrens zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend eine Prüfeinrichtung (8a, 8b) zum dynamischen Belasten der Werkstoffprobe, insbesondere eine Vorrichtung zum Durchführen von Hochgeschwindigkeitsversuchen, und eine bevorzugt mindestens eine Kamera (6), insbesondere mindestens eine Hochgeschwindigkeitskamera, aufweisende, zum Durchführen der optischen Erfassung und der Berechnung ausgebildete und angeordnete optische Erfassungs- und Auswertevorrichtung (6, 7a, 7b, 9).