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Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Prüfung der Belastbarkeit von Verbindungen von mindestens zwei miteinander verbundenen Materialproben umfassend mindestens ein erstes und ein zweites Aufnahmemittel, wobei die mindestens zwei Aufnahmemittel jeweils einen Aufnahmebereich, welche baugleich ausgebildet sind, zur Aufnahme einer Materialprobe und eine Halterung aufweisen, wobei die Halterung Mittel zur Befestigung in einer Prüfeinrichtung aufweist und wobei die Halterung in der Prüfeinrichtung derart befestigt werden kann, dass die Prüfeinrichtung auf die mindestens zwei Aufnahmemittel eine Zugbelastung in entgegengesetzter Richtung ausüben kann. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Prüfeinrichtung umfassend eine Prüfvorrichtung, wobei die Prüfeinrichtung Mittel zur Zugbelastung der Halterungen der Prüfvorrichtung aufweist.
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Um zuverlässige Aussagen über das Versagensverhalten von Verbindungen von Materialien treffen zu können, ist es bekannt miteinander verbundene Proben des zu prüfenden Materials in einer Prüfeinrichtung verschiedenen Zugbelastungen, beispielsweise einer Scherzugbelastung oder einer Kopfzugbelastung, auszusetzen. Zur Beurteilung des Versagensverhaltens der Verbindung wird die Verformung der Materialproben in Abhängigkeit von der angelegten Zugkraft bestimmt.
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Die
DE 195 22 247 A1 offenbart eine Prüfeinrichtung umfassend eine Prüfvorrichtung zur Aufnahme von Materialproben, wobei die Materialproben über Stifte und eine Spannringeinheit sowohl form- als auch kraftschlüssig mit der Prüfvorrichtung verbunden sind. Nachteilig an dieser Prüfvorrichtung ist, dass sie viele einzelne Komponenten aufweist, die notwendig sind, um die Materialproben aufnehmen und belasten zu können. Darüber hinaus weist die Probe eine spezielle Form auf, die durch Umformen oder Abkanten eines flächigen Materialstücks hergestellt wird. Insbesondere bei Proben höchstfester Stahlsorten ist die Fertigung dieser Proben aufgrund ihrer geringen Bruchdehnung sehr aufwendig wenn nicht sogar unmöglich.
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Die
EP 1742 033 A1 beschreibt die Prüfung der Verbindung von zwei kreuzförmig verbundenen Materialproben, wobei jedoch lediglich eine Belastungsrichtung geprüft wird. In der Praxis kann die Belastung einer Verbindungsstelle jedoch aus verschiedenen Richtungen erfolgen. Demnach kann durch die Prüfung lediglich einer Belastungsrichtung keine für die Praxis ausreichende Erkenntnis über die Belastbarkeit einer Verbindung gewonnen werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Prüfvorrichtung anzugeben, die zum einen eine flexible Prüfung der Belastbarkeit von Verbindungen mindestens zweier Materialproben ermöglicht und zum anderen einfach herzustellen ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung eine Prüfeinrichtung anzugeben, mit der das Versagensverhalten der Verbindung zweier Materialproben flexibel und zuverlässig geprüft werden kann.
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Gemäß einer ersten Lehre der Erfindung wird der erste Teil der obigen Aufgabe durch die eingangs genannte Prüfvorrichtung gelöst, wobei der Aufnahmebereich der Aufnahmemittel lediglich Mittel zur formschlüssigen Befestigung der Materialprobe an dem Aufnahmebereich aufweist.
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Es wurde erkannt, dass der Belastungstest einer Verbindung von zwei Materialproben auch dann zuverlässig und aussagekräftig durchgeführt werden kann, wenn die Materialproben lediglich formschlüssig mit den Aufnahmemitteln verbunden sind. Eine zusätzliche kraftschlüssige Verbindung, so wie sie im Stand der Technik der
DE 195 22 247 A1 beschrieben wird, wird demnach überflüssig. In der Folge kann die Prüfvorrichtung besonders einfach ausgestaltet werden.
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Vorzugsweise bilden die Halterung und der Aufnahmebereich der Aufnahmemittel jeweils ein Werkstück. Die Halterung kann beispielsweise als Arm ausgebildet sein, der aus einem Stück oder zwei gefügten Einzelteilen besteht. Denkbar ist auch, dass die Halterung und der Aufnahmebereich aus einem Stück gefertigt sind. In jedem Fall ist die Halterung mit dem Aufnahmebereich fest verbunden, so dass sie insgesamt ein Werkstück ausbilden. Besonders bevorzugt weisen die Halterung und der Aufnahmebereich möglichst wenige Einzelteile auf.
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Die mindestens zwei Aufnahmebereiche der Aufnahmemittel sind erfindungsgemäß baugleich ausgebildet.
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Zur Durchführung eines Belastungstests wird an den mindestens zwei Aufnahmemitteln der Prüfvorrichtung jeweils eine Materialprobe befestigt. Die Materialproben sind an einer Verbindungsstelle miteinander verbunden, wobei sowohl die Materialprobe und damit auch die Aufnahmemittel im verbundenen Zustand vorzugsweise kreuzförmig aufeinander stehen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Aufnahmebereich mindestens eines Aufnahmemittels eine rechteckige Oberfläche auf. Der Aufnahmebereich ist demnach besonders einfach ausgestaltet und eignet sich für die Aufnahme einer einfachen Flachprobe, die vorzugsweise eine rechteckige Grundfläche besitzt. Eine einfache Ausgestaltung der Materialprobe ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mindestens eine Materialprobe aus höchstfestem Stahl besteht. Zudem können die Materialproben aber auch aus einem Verbundwerkstoff, bevorzugt aus einem Sandwichblech, besonders bevorzugt aus einem Leichtblech bestehen. Die Materialproben können aus dem gleichen Material bestehen oder sie können unterschiedliche Materialien aufweisen.
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Die zu prüfende Verbindung der mindestens zwei Materialproben kann eine stoffschlüssige Verbindung sein, die punktförmig, insbesondere durch Punktschweißen, linienförmig, insbesondere durch Laserstrahlschweißen oder flächig, insbesondere durch Kleben, ausgebildet sein kann. Denkbar ist aber auch, dass die zu prüfende Verbindung der Materialproben über einen Kraftschluss und/oder einen Formschluss erfolgt.
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In bevorzugter Weise weist die Oberfläche mindestens eines Aufnahmebereiches eines Aufnahmemittels in der Mitte eine Aussparung auf, wobei die Breite der Aussparung bevorzugt der Breite der Materialprobe entspricht. Diese Aussparung ermöglicht eine einfache Prüfung einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung der Materialproben beispielsweise im Scherversuch, da eventuell vorhandene aus dem Aufnahmebereich herausragende Formschlussmittel, beispielsweise Schraubenköpfe, die Bewegung der Halterungen im Zugversuch nicht behindern.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Mittel zur Befestigung einer Materialprobe an dem Aufnahmebereich symmetrisch um die Aussparung angeordnet. Auf diese Weise kann eine für den Belastungstest optimale Befestigung der Materialprobe an dem Aufnahmebereich gewährleistet werden.
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Besonders bevorzugt weist der Aufnahmebereich mindestens eines Aufnahmemittels Löcher auf. Auf einfache Weise kann so die Materialprobe mittels Stiften oder Schrauben-Mutter-Verbindungen an dem Aufnahmebereich über einen Formschluss befestigt werden.
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Alternativ kann der Aufnahmebereich mindestens eines Aufnahmemittels Gewindebohrungen aufweisen. Die Materialprobe kann dann durch Schrauben an dem Aufnahmebereich besonders einfach befestigt werden.
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Denkbar ist aber auch jede weitere gängige Methode zur formschlüssigen Befestigung der Materialprobe an dem Aufnahmebereich.
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Bei einer hohen Krafteinwirkung können beispielsweise die Schraubenköpfe aufgrund einer großen Verformung der Materialprobe mit dem Aufnahmemittel kollidieren, so dass in der Folge das Aufnahmemittel beschädigt wird. Um dies zu vermeiden, weist die Oberfläche mindestens eines Aufnahmebereiches gemäß einer nächsten Ausführungsform eine Grundfläche und zwei zu der Grundfläche abgewinkelte Seitenflächen auf. Werden Materialproben, die eine dem Aufnahmebereich entsprechende Form aufweisen, mittels Schrauben oder anderen Befestigungsmitteln an den abgewinkelten Seitenwänden befestigt, so kann es auch bei einer großen Verformung der Materialprobe nicht zu einer Kollision der Schraubenköpfe oder der anderen Befestigungsmittel mit dem Aufnahmemittel kommen. Die Verbindung der mindestens zwei Materialproben erfolgt gemäß dieser Ausführungsform über ihre Grundfläche.
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Besonders bevorzugt beträgt der Winkel zwischen den abgewinkelten Seitenflächen und der Grundfläche der Oberfläche des Aufnahmebereichs zwischen 15° und 45°. Hierdurch kann zum einen gewährleistet werden, dass auch bei einer hohen Krafteinwirkung keine Kollision zwischen dem Aufnahmemittel und dem Befestigungsmittel der Materialproben stattfindet, zum anderen muss die Materialprobe während ihrer Fertigung nicht zu stark umgeformt werden. Insbesondere bei höchstfesten Stahlproben ist ein Umformen der Probe sehr aufwendig.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Halterung mindestens eines Aufnahmemittels Löcher zur Befestigung der Halterung in einer Prüfeinrichtung auf. Die Halterung kann demnach beispielsweise mittels Schrauben oder Stiften an der Prüfeinrichtung befestigt werden. Auch jedes weitere gängige Befestigungsmittel ist zur Befestigung der Prüfvorrichtung an der Prüfeinrichtung geeignet.
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Besonders bevorzugt sind die Mittel zur Befestigung der Halterung derart ausgestaltet, dass die Halterungen in verschiedenen diskreten oder kontinuierlichen Winkeln bezüglich der Richtung der Zugbelastung der Prüfeinrichtung, vorzugsweise in einem Winkel von 0°, 30°, 60° oder 90° zur genannten Richtung, angeordnet werden können. Die Verbindung der Materialproben kann auf diese Weise aus unterschiedlichen Richtungen belastet werden.
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Werden die Halterungen in einem Winkel von 0° bezüglich der Richtung der Zugbelastung an der Prüfeinrichtung befestigt, so befinden sich die Materialproben in einer im Wesentlichen horizontalen Stellung. Die Zugbelastung wirkt in diesem Fall senkrecht auf die Ebene, die durch die Materialproben aufgespannt wird. Diese Art der Belastung wird als reine Kopfzugbelastung bezeichnet. Werden die Halterungen in einem Winkel von 90° bezüglich der Richtung der Zugbelastung an der Prüfeinrichtung befestigt, so befinden sich die Materialproben in einer im Wesentlichen vertikalen Stellung. Die Zugbelastung wirkt in diesem Fall in der Ebene, die durch die Materialproben aufgespannt wird. Diese Art der Belastung wird als reine Scherzugbelastung bezeichnet.
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Darüber hinaus ist es auch möglich eine Kombination aus einer Scherzug- und einer Kopfzugbelastung auf die Verbindung der Materialproben wirken zu lassen. Dazu können an der Halterung Befestigungsmittel in diskreten Winkeln bezüglich der Richtung der Zugbelastung, bevorzugt in einem Winkel von 30° oder 60°, angeordnet sein. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass die Halterung ein Langloch aufweist, so dass es möglich ist, den Winkel bezüglich der Richtung der Zugbelastung, unter dem die Halterung an der Prüfeinrichtung befestigt ist, kontinuierlich zu variieren. Die Verbindung der Materialproben kann auf diese Weise aus jedem beliebigen Winkel belastet werden. Hierdurch kann die Verbindung der Materialproben besonders flexibel geprüft werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Halterung mindestens eines Aufnahmemittels halb- oder viertelkreisförmig ausgebildet. Hierdurch kann eine maximale Steifigkeit der Halterung gewährleistet werden. Darüber hinaus kann durch eine viertelkreisförmige Halterung Material eingespart werden. Denkbar ist jedoch auch jede andere geometrische Form der Halterung. Um eine weitere Erhöhung der Steifigkeit zu erwirken, kann die Halterung mindestens ein Verstärkungsschubfeld aufweisen, das eine zusätzliche Kraftaufnahme bewirkt.
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Gemäß einer zweiten Lehre der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe durch eine Prüfeinrichtung umfassend eine zuvor beschriebene Prüfvorrichtung gelöst, wobei die Prüfeinrichtung Mittel zur Zugbelastung der Halterungen der Prüfvorrichtung aufweist. Mit der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung ist es möglich auf die Verbindung von zwei Materialproben, die an der Prüfvorrichtung befestigt sind, eine Zugbelastung auszuüben, wobei vorzugsweise die miteinander verbundenen Materialproben bezüglich der Richtung der Zugkraft verschiedene Winkel einnehmen können. Im Ergebnis ermöglicht diese Anordnung eine flexible aussagekräftige Prüfung des Versagensverhaltens der Verbindung zweier miteinander verbundenen Materialproben. Bezüglich der jeweiligen Vorteile der Prüfeinrichtung in Kombination mit den einzelnen Ausführungsformen der Prüfvorrichtung wird auf die entsprechende Beschreibung der Prüfvorrichtung verwiesen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird.
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In der Zeichnung zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung sowie zwei verbundene Materialproben,
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2 das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung und die in 1 gezeigten Materialproben im verbundenen Zustand,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung und zwei weitere miteinander verbundene Materialproben in schematischer Ansicht,
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit zwei miteinander verbundenen Materialproben in schematischer Ansicht,
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5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung zusammen mit den möglichen Richtungen der Zugbelastung, die durch die Prüfeinrichtung auf die Prüfvorrichtung wirkt,
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6 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung und zwei miteinander verbundene Materialproben.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 2 zur Prüfung der Belastbarkeit von Verbindungen zusammen mit zwei miteinander verbundenen Materialproben 4. Die Prüfvorrichtung 2 umfasst zwei Aufnahmemittel 6, die jeweils einen Aufnahmebereich 8 zur Aufnahme einer Materialprobe 4 und eine Halterung 10 aufweisen. Die Halterung 10 weist Mittel 12 zur Befestigung der Halterung 10 in einer Prüfeinrichtung auf. Dabei kann die Halterung 10 in der Prüfeinrichtung derart befestigt werden, dass die Prüfeinrichtung auf die Aufnahmemittel 6 eine Zugbelastung in entgegengesetzter Richtung ausüben kann. Die Mittel 12 sind derart angeordnet, dass die Prüfvorrichtung 2 in verschiedenen Winkeln an der Prüfeinrichtung befestigt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Zugbelastung der Prüfeinrichtung aus verschiedenen Winkeln auf die Prüfvorrichtung und damit auf die zu prüfende Verbindung zweier Materialproben 4 wirken kann. Der Aufnahmebereich 8 weist lediglich Mittel, im dargestellten Ausführungsbeispiel Löcher 14, zur formschlüssigen Befestigung der Materialprobe 4 an dem Aufnahmebereich 8 auf. Eine zusätzliche kraftschlüssige Verbindung zwischen der Materialprobe 4 und dem Aufnahmebereich 8 ist erfindungsgemäß für einen aussagekräftigen Belastungstest der Verbindung zweier Materialproben nicht notwendig. Die Halterung 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Stück gefertigt und als Arm 16 ausgestaltet. Folglich ist die Halterung 10 besonders einfach ausgestaltet. Darüber hinaus ist die Halterung 10 mit dem Aufnahmebereich 8 fest verbunden, so dass die Halterung 10 und der Aufnahmebereich 8 zusammen ein Werkstück bilden. Der Aufnahmebereich 8 weist eine rechteckige Oberfläche 18 auf, die zur Aufnahme einer einfachen Flachprobe geeignet ist. Insofern sind auch der Aufnahmebereich und die Materialprobe besonders einfach ausgestaltet. Eine einfache Ausgestaltung der Materialprobe ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mindestens eine Materialprobe aus höchstfestem Stahl besteht. Denn die Umformung von höchstfestem Stahl ist aufgrund der geringen Bruchdehnung häufig problematisch.
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Des Weiteren weist der Aufnahmebereich 8 in der Mitte eine Aussparung 20 auf, wobei die Breite der Aussparung 20 der Breite der Materialprobe 4 entspricht.
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Die dargestellten Materialproben 4 sind an einer Verbindungsstelle 22 kreuzförmig miteinander verbunden. Sie weisen jeweils Löcher 24 zur formschlüssigen Befestigung an dem Aufnahmebereich 18 der Prüfvorrichtung auf.
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2 zeigt das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 2 und der miteinander verbundenen Materialproben 4, wobei die Materialproben 4 formschlüssig mittels Schrauben 26 an den Aufnahmebereichen 8 befestigt sind. Die Zugbelastung die durch die Prüfeinrichtung auf die Aufnahmemittel 6 ausgeübt wird, kann beispielsweise eine Kopfzugbelastung, die durch die Pfeile 31 angedeutet wird, oder eine Scherzugbelastung in Richtung der Pfeile 33 sein. Die Materialproben 4 sind stoffschlüssig, beispielsweise durch Schweißen oder Kleben miteinander verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Aufnahmebereiche 8, wie oben bereits beschrieben Aussparungen 20 auf. Vorteilhafterweise können so die am Aufnahmebereich 8 angeordneten herausragenden Schraubenköpfe 26 die Bewegung der Halterungen 10 im Zugversuch nicht behindern.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 2 und zwei miteinander verbundene Materialproben 4. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist der Aufnahmebereich 8 eine Grundfläche 32 und zwei zu der Grundfläche 32 abgewinkelte Seitenflächen 34 auf. Der Winkel α zwischen der Grundfläche 32 und einer Seitenfläche 34 beträgt zwischen 15° und 45°. Die Materialproben 4 weisen die gleiche Form wie der Aufnahmebereich 8 auf. Über die Seitenflächen 34 sind die Materialproben 4 an dem Aufnahmenbereich 8 mittels Schrauben 26 befestigt. Die Form des Aufnahmebereichs 8 und der Materialproben 4 gewährleistet, dass auch im Fall einer großen Verformung der Materialproben 4 aufgrund einer hohen Krafteinwirkung die Schrauben 26 nicht mit den Aufnahmemitteln 6 kollidieren können.
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4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 2 sowie zwei miteinander verbundene Materialproben 4. Die Halterungen 10 weisen Löcher 12 in verschiedenen Winkeln bezüglich der Richtung der Zugbelastung durch die Prüfeinrichtung auf. Dies hat den Vorteil, dass das dargestellte Ausführungsbeispiel in verschiedenen Winkeln an einer Prüfeinrichtung befestigt werden kann, so dass in der Folge eine Zugbelastung auf die Verbindung der Materialproben 4 aus unterschiedlichen Richtungen erfolgen kann. Darüber hinaus weist das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel Verstärkungsschubfelder 36 auf, die die Steifigkeit der Halterungen 10 verstärken.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 2 sowie die möglichen Zugbelastungen, die durch eine Prüfeinrichtung, die hier durch die Darstellung der Zugbelastung nur angedeutet werden soll, auf die Verbindung 22 der Materialproben 4 ausgeübt werden können.
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Ist die Prüfvorrichtung 2 in einem Winkel von 0° bezüglich der Richtung der Zugbelastung an der Prüfeinrichtung befestigt, so wirkt eine reine Kopfzugbelastung 38 auf die Verbindung 22 der Materialproben 4. Ist die Prüfvorrichtung 2 in einem Winkel von 90° bezüglich der Richtung der Zugbelastung an der Prüfeinrichtung befestigt, so wirkt eine reine Scherzugbelastung 40 auf die Verbindung 22 der Materialproben 4. Darüber hinaus kann das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung aber auch in einem Winkel von 30° oder 60° gegenüber der Richtung der Zugbelastung an der Prüfeinrichtung befestigt werden. Dann wirken jeweils kombinierte Scher- und Kopfzugbelastungen 42, 44 auf die Verbindung 22 der Materialproben 4. Denkbar ist weiterhin, dass die Prüfvorrichtung 2 in jedem anderen Winkel an der Prüfeinrichtung befestigt werden kann. Vorteilhafterweise kann mit der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 2 das Versagensverhalten von Verbindungen zweier Materialproben mit einer besonders hohen Flexibilität geprüft werden.
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Schließlich zeigt 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 2 und zwei miteinander verbundene Materialproben 4 im verbundenen Zustand. Ebenso wie das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel weist das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel Aufnahmebereiche 8 auf, wobei die Oberflächen der Aufnahmebereiche 8 eine Grundfläche 32 und zwei zu der Grundfläche 32 abgewinkelte Seitenflächen 34 aufweisen. Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung weist das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel Halterungen 10 in Form eines Viertelkreises auf. Vorteilhafterweise kann hierdurch eine Materialersparnis gegenüber den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erreicht werden. Darüber hinaus weisen auch die Halterungen 10 des in 6 dargestellten Ausführungsbeispiels Löcher 12 auf, die in Kombination beispielsweise mit Stiften der Befestigung der Prüfvorrichtung 2 an einer Prüfeinrichtung dienen, wobei die Löcher 12 derart angeordnet sind, dass die Prüfvorrichtung 2 in verschiedenen Winkeln an der Prüfeinrichtung befestigt werden kann. Vorteilhafterweise kann so eine Zugbelastung aus verschiedenen Winkeln auf die Verbindung zweier Materialproben ausgeübt werden.
