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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur mechanischen oder thermomechanischen und überlagerten thermischen Belastung metallischer Prüfkörper mit wenigstens einer Zug- und Druckvorrichtung, die eine Spanneinrichtung für die Aufnahme eines Prüfkörpers aufweist und mit der ein eingespannter Prüfkörper mit Zug- und/oder Druckkräften beaufschlagbar ist, sowie mit einer Heizeinrichtung zur Aufheizung eines eingespannten Prüfkörpers auf eine Prüftemperatur.
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Durch thermische Mischungsvorgänge kann es in Rohrleitungen zu lokalen, turbulenten Strömungsvorgängen kommen, die mit hochfrequenten Temperaturschwankungen des Fluids an der Rohrinnenwand verbunden sind. Die dadurch in der Rohrwand induzierten thermischen Wechselbeanspruchungen können Werkstoffschädigungen bis hin zu makroskopischen Rissbildungen verursachen. Diese Rissbildungen sind in der Regel auf einen begrenzten Tiefenbereich in der Rohrwand beschränkt. Dabei kann sich ein Netzwerk von Rissen mit geringer Tiefenerstreckung bilden. Abhängig von den globalen Randbedingungen und Zusatzbelastungen, z.B. örtlichen Temperaturunterschieden, sind auch deutlich größere Rissbildungen bis hin zum Wanddurchriss möglich.
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Neben hochfrequenten thermischen Wechselbeanspruchungen spielen in Kraftwerken für die Lebensdauer von Kraftwerkkomponenten auch niederfrequente Thermozyklen eine Rolle, insbesondere wenn sie mit großen Temperaturamplituden verbunden sind, wie sie z.B. beim An- und Abfahren von Kraftwerken auftreten.
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Eine quantitative Berechnung und Vorhersage der Schädigungsentwicklung in Werkstoffen, insbesondere in Rohrleitungen, unter hochfrequenten thermischen Belastungen (TF: thermal fatigue) wie auch unter niederfrequenten thermisch-mechanischen Belastungen (TMF: thermomechanical fatigue) mit überlagerten TF-Belastungen ist heute noch nicht zuverlässig möglich. Auch die Schädigungsentwicklung bei mechanischen Belastungen (LCF: low cycle fatigue oder HCF: high cycle fatigue) mit überlagerter TF-Belastung ist von Interesse. Hierzu werden in der Regel Simulationsrechnungen auf Basis von Lebensdauermodellen durchgeführt, mit denen die kombinierte TMF-TF-, LCF-TF- oder HCF-TF-Belastung simuliert wird. Für die experimentelle Validierung der zugrunde liegenden Lebensdauermodelle sind jedoch Versuchsaufbauten erforderlich, mit denen eine entsprechende Belastung an Prüfkörpern erzeugt werden kann.
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Stand der Technik
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Zur experimentellen Validierung von Lebensdauermodellen sind unterschiedliche Versuchsaufbauten bekannt. So wird bspw. in C. Robertson et al., „Dislocation substructures in 316L stainless steel under thermal fatigue up to 650 K", Materials Science and Engineering A 315 (2001), Seiten 47 bis 57, eine Versuchstechnik vorgestellt, bei welcher eine Rohrprobe für 60 Sekunden induktiv auf 380° C erwärmt wird. Im Inneren wird das Rohr kontinuierlich mit Wasser durchströmt. Durch periodisches An- und Abschalten der Induktionsheizung sind bspw. Temperaturzyklen mit einer Frequenz von 0,08 Hz und einer Temperaturdifferenz von ca. 300° C möglich.
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N. Haddar et al., „2D simulation of the initiation and propagation of crack array under thermal fatigue", Nuclear Engineering and Design 235 (2005), Seiten 945-964, zeigen einen Versuchsaufbau zur Erzeugung von rein thermischer Ermüdung, bei dem ein Prüfkörper kontinuierlich induktiv erwärmt und mit zwei gepulst betriebenen Wasserdüsen zyklisch abgekühlt wird. Hierbei werden bspw. Temperaturzyklen mit einer Frequenz von 0,1 Hz und einer Temperaturdifferenz von ca. 200° C erreicht.
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Die
DE 19 53 455 C beschreibt eine Vorrichtung zur thermischen und/oder mechanischen Untersuchung der Eigenschaften metallischer Werkstoffe, bei der die Prüfkörper einer mechanischen Zugbelastung ausgesetzt werden. Die Vorrichtung weist eine Heiz- und Abkühleinrichtung auf, mit der insbesondere die Bedingungen simuliert werden, denen aus einem Walzwerk austretende Drähte ausgesetzt sind.
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Die
GB 2 220 270 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Metalleigenschaften während einer Phasentransformation. Der Prüfkörper wird hierbei einer thermischen Wechselbelastung aus Aufheizen und Abkühlen unterzogen und mit einer Torsionskraft beaufschlagt. Für das Abkühlen wird eine Sprüheinrichtung mit einer Düse eingesetzt, über die ein Kühlmedium auf den Prüfkörper gesprüht wird. Die
US 5 209 568 A befasst sich ebenfalls mit der Bestimmung der Materialeigenschaften während einer Phasentransformation. Auch bei dieser Druckschrift wird eine Sprühdüse als Sprüheinrichtung eingesetzt, um den Prüfkörper abzukühlen.
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Alle bisher den Erfindern bekannten Versuchsaufbauten sind dafür geeignet, durch thermische Ermüdung Rissnetzwerke auf metallischen Prüfkörpern zu erzeugen. Allerdings kann mit den bisher bekannten Versuchsaufbauten keine kombinierte Schädigung durch eine Überlagerung von TMF oder LCF mit TF unter definierten Bedingungen erreicht werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Belastung bzw. Ermüdung metallischer Prüfkörper anzugeben, mit denen Lebensdauermodelle zur mechanischen oder thermomechanischen Belastung mit einer überlagerten hochfrequenten thermischen Belastung von Bauteilen kalibriert werden können.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zur mechanischen oder thermomechanischen und überlagerten thermischen Belastung metallischer Prüfkörper umfasst wenigstens eine Zug- und Druckvorrichtung, die eine Spanneinrichtung für die Aufnahme eines Prüfkörpers aufweist und mit der ein eingespannter Prüfkörper mit Zug- und/oder Druckkräften beaufschlagbar ist, eine Heizeinrichtung, mit der ein eingespannter Prüfkörper auf eine Prüftemperatur aufheizbar ist, und eine gepulst betreibbare Sprüheinrichtung, mit der ein Bereich eines eingespannten Prüfkörpers gepulst mit einem Kühlmedium besprüht werden kann. Die Sprüheinrichtung weist bei der vorgeschlagenen Vorrichtung eine Sprühblende mit einer Blendenöffnung auf, durch die eine geometrische Form und Größe des besprühten Bereiches des Prüfkörpers festlegbar ist.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur mechanischen oder thermomechanischen Prüfung und überlagerten thermischen Belastung metallischer Prüfkörper mit einer derartigen Vorrichtung wird der Prüfkörper in die Spanneinrichtung der Zug- und Druckvorrichtung eingespannt, mit der Heizeinrichtung auf eine Prüftemperatur aufgeheizt, während er sich in der Spanneinrichtung noch frei ausdehnen kann, und mit der Zug- und Druckvorrichtung anschließend entweder zyklisch gedehnt und/oder gestaucht oder ohne Dehnung- und Stauchung durch die Spanneinrichtung fixiert. Gleichzeitig wird während wenigstens eines Zeitintervalls jedes Zyklus der Dehnung- und/oder Stauchung - oder während der Fixierung ohne Dehnung- und Stauchung - ein durch die Sprühblende festgelegter Bereich des Prüfkörpers gepulst mit dem Kühlmedium besprüht.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren ermöglichen damit die mechanische (LCF, HCF) oder thermomechanische Ermüdung (TMF) eines Prüfkörpers mit überlagerter thermischer Ermüdung (TF), um bspw. hierdurch Lebensdauermodelle für eine Simulation der Werkstoffermüdung validieren oder kalibrieren zu können. Durch Untersuchung der mit der Vorrichtung und dem Verfahren beanspruchten Prüfkörper lassen sich werkstoffabhängige Daten gewinnen. Diese Daten können dann in einem Lebensdauermodell eingesetzt werden, um eine quantitative (örtliche und zeitliche) Vorhersage der Auswirkung von Thermoschock auf entsprechende thermomechanisch belastete Bauteile zu treffen. Selbstverständlich lassen sich die Vorrichtung und das Verfahren auch direkt zur Ermüdungsprüfung von Werkstoffen oder Bauteilen einsetzen. Durch die Nutzung der Sprühblende lassen sich unterschiedliche Blendenöffnungen einsetzen, durch die die Ausrichtung der durch die TF-Belastung hervorgerufenen Spannungen variiert werden kann. Dies ist für die Erzielung definierter Versuchsbedingungen zur Validierung entsprechender Lebensdauermodelle von großem Vorteil, da durch die geometrische Form und Ausrichtung der Blende die Ausbreitungsrichtung der Risse auf der Oberfläche des Prüfkörpers gesteuert werden kann.
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Vorzugsweise weist hierbei die Sprühblende eine in der geometrischen Form und/oder Größe verstellbare Blendenöffnung auf. Alternativ oder zusätzlich ist es von Vorteil, wenn die Sprühblende in der Ebene der Blendenöffnung drehbar gelagert ist. Damit kann insbesondere bei einer Blende mit länglichem Öffnungsquerschnitt die Längsachse der Blendenöffnung in unterschiedlicher Orientierung zur Richtung der mechanischen Beanspruchung des Prüfkörpers über die Zug- und Druckvorrichtung orientiert werden. Die Vorrichtung ermöglicht dabei eine schnelle Durchführung unterschiedlicher Ermüdungsversuche nur durch Drehung der Blende.
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Die Heizeinrichtung kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung hierzu eine induktive Heizeinrichtung, mit der sich die Prüfkörper schnell und effektiv auf die entsprechende Prüftemperatur aufheizen und auf dieser Temperatur halten lassen.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Steuereinrichtung, die in einem von vorzugsweise mehreren Betriebsmodi die Heizeinrichtung zur Aufheizung eines eingespannten Prüfkörpers auf eine Prüftemperatur, nach Erreichen der Prüftemperatur die Zug- und Druckvorrichtung zur zyklischen Beaufschlagung des Prüfkörpers mit Zug- und/oder Druckkräften und gleichzeitig während jeweils eines Zeitintervalls jedes Zyklus der Zug- und Druckvorrichtung die Sprüheinrichtung zum gepulsten Besprühen des durch die Sprühblende festgelegten Bereiches des Prüfkörpers mit dem Kühlmedium ansteuert. Mit dieser Steuereinrichtung lässt sich damit eine Prüfung unter festgelegten Bedingungen automatisiert durchführen. Die Steuereinrichtung verfügt vorzugsweise noch über andere Betriebsmodi, mit denen auch andere Prüfungen des Prüfkörpers, bspw. nur Zug- und/oder Druckbelastung mit oder ohne vorherige Aufheizung oder LCF oder HCF mit überlagerter thermischer Ermüdung (TF), durchgeführt werden können. Die Steuereinrichtung ist hierbei jeweils vorzugsweise so ausgestaltet, dass je nach Betriebsmodus die Prüftemperatur, die Größe der Zug- und/oder Druckbelastung, die Dauer oder Frequenz der einzelnen Zyklen sowie die Pulsfrequenz oder der Pulsabstand der Sprühpulse der Sprüheinrichtung durch einen Bediener eingegeben werden können.
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Die Prüfung kann auch so durchgeführt werden, dass der Prüfkörper durch die Spanneinrichtung fest eingespannt wird, so dass er sich entlang seiner Längserstreckung zwischen den Einspannungen nicht ausdehnen oder zusammenziehen kann, während er mit der Sprüheinrichtung gepulst mit dem Kühlmittel besprüht wird, um die überlagerte TF-Belastung zu erzeugen.
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Die Vorrichtung und das zugehörige Verfahren können für Untersuchungen von metallischen Werkstoffen verwendet werden, die im Betrieb hochfrequenten thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Beispielhafte Anwendungsgebiete sind Rohrleitungen und Sammlerbauteile in Kraftwerksanlagen oder die thermischen Belastungen von Kurbeln oder Zylindern durch Verbrennung und hochfrequente Einspritzvorgänge im Brennraum von Verbrennungsmotoren. Selbstverständlich ist dies keine abschließende Aufzählung. Das Verfahren eignet sich für jede Art von Prüfkörpern, insbesondere sowohl für Massivproben als auch für Hohlproben. Die Verwendung von Hohlproben ermöglicht bspw. auch die Untersuchung des Verhaltens unter Innendruck. Damit lässt sich die Mehrachsigkeit der Belastung variieren und die Rissentstehung kann auf der Innenseite erzeugt werden. Weiterhin kann bei Hohlproben mit Hilfe von Wassermedium auch das Verhalten von mit Wasser beaufschlagten Oberflächen untersucht werden und damit bspw. das Verhalten von Magnetitschichten unter TMF-TF-Belastungen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, Hohlproben mit Schweißnähten zu verwenden, bspw mit Längsnähten - im Sinne eines aufgewickelten Blechstreifens mit Längsnaht - oder mit einer Umfangsschweißnaht. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen jeweils die Überlagerung von thermomechanischer (TMF) oder mechanischer (LCF, HCF) Ermüdung und hochfrequenter thermischer (TF) Ermüdung in einem Versuch.
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Figurenliste
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Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine Vorderansicht eines beispielhaften Aufbaus der vorgeschlagenen Vorrichtung;
- 2 eine Seitenansicht des beispielhaften Aufbaus der vorgeschlagenen Vorrichtung;
- 3 ein Beispiel für die thermomechanische Belastung des Prüfkörpers in einem Prüfversuch;
- 4 ein Beispiel für die überlagerte thermische Belastung in einem Prüfversuch; und
- 5 Beispiele für unterschiedliche Blendengeometrien der vorgeschlagenen Vorrichtung.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen eine Vorderansicht und eine Seitenansicht eines beispielhaften Aufbaus der vorgeschlagenen Vorrichtung, im Folgenden auch als Prüfstand bezeichnet. Der Prüfstand umfasst in diesem Beispiel ein in einem Schutzgehäuse 1 angeordnetes unteres Spannzeug 2, das mit der Maschinenspindel bzw. dem Maschinenzylinder 3 einer Universalprüfmaschine verbunden ist. Das obere Spannzeug 4 ist hierbei fixiert. Die elektromechanische Universalprüfmaschine kann in diesem Beispiel Kräfte von bis zu 50 kN in Zug- oder Druckrichtung auf einen eingespannten Prüfkörper 5 ausüben. Der Prüfkörper 5 wird hierzu an beiden Enden in die Spannzangen bzw. das Spannzeug 2, 4 der Universalprüfmaschine geklemmt. Der Prüfstand umfasst weiterhin Induktoren 6, die mit einer entsprechenden Induktionsheizeinrichtung verbunden sind. Über diese Induktoren 6 kann der metallische Prüfkörper 5 auf eine Prüftemperatur aufgeheizt und auf dieser Prüftemperatur gehalten werden.
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Die thermomechanische Ermüdung (TMF) des Prüfkörpers 5 erfolgt durch thermisches Zyklieren des Prüfkörpers zwischen einer Minimal- und einer Maximaltemperatur, wobei gleichzeitig die thermische Ausdehnung des Prüfkörpers (5) mit Hilfe der Universalprüfmaschine im gewünschten Maß behindert oder geregelt wird. Dadurch entstehen im Messbereich des Prüfkörpers 5 Spannungen, welche nach einer Zeit zum Versagen des Prüfkörpers 5 führen. Eine isotherme mechanische Ermüdung (LCF) des Prüfkörpers erfolgt durch dehnungsgeregelte Belastung mit Hilfe der Universalprüfmaschine.
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Für die überlagerte thermische Ermüdung (TF) verfügt die Vorrichtung bzw. der Prüfstand über eine seitlich positionierte Zweistoffdüse als Sprüheinrichtung 7 mit einer vorgeschalteten Sprühblende 8. Über diese Düse wird ein definiertes Fluid oder Fluidgemisch auf die Oberfläche des Prüfkörpers 5 gesprüht, um dadurch lokale Temperaturgradienten (lokale Abkühlung) und somit lokale Spannungen zu erzeugen. Das Kühlfluid wird hierbei gepulst auf die Oberfläche des Prüfkörpers 5 gesprüht, um schnelle Temperaturwechsel zu erzeugen. Die Sprühimpulse werden mit Hilfe entsprechender Ventile an der Sprüheinrichtung 7 erzeugt. Die Düse ist hierbei über einen Tubus 9 mit der Blende 8 verbunden. Der Tubus 9 besteht im vorliegenden Beispiel aus einem Keramikrohr, die Sprühblende 8 aus einem Glimmerwerkstoff. Die Sprüheinrichtung 7 ist an einer Verstelleinrichtung 10 befestigt, die eine Verschiebung der Sprüheinrichtung 7 in drei Achsen (x, y, z) ermöglicht. In der Figur sind auch die drei Anschlüsse 11 der Sprüheinrichtung 7 für Druckluft zur gepulsten Steuerung der Düsenöffnung, für Druckluft als erstes Kühlmedium und für Wasser als zweites Kühlmedium zu erkennen. Durch die Ansteuerung der Ventile sind unterschiedliche Belastungsfrequenzen möglich. Die Größe und Form des besprühten Bereichs der Oberfläche des Prüfkörpers kann über die Verwendung unterschiedlicher Sprühblenden 8 oder die Verstellung einer entsprechend verstellbar ausgebildeten Spühblende 8 variiert werden.
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Durch die Variation der TF-Temperaturamplitude, der TF-Frequenz und der Anzahl der TF-Zyklen je TMF/LCF-Zyklus kann der Einfluss auf die Lebensdauer des Prüfkörpers untersucht und zur Validierung von Modellen für die Lebensdauer unter TMF-TF bzw. LCF-TF Belastung herangezogen werden.
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Die Vorrichtung bzw. der Prüfstand umfasst im vorliegenden Beispiel auch eine Messanordnung zur Messung bzw. Überwachung der Dehnung des Prüfkörpers. Dieser Dehnungsaufnehmer 12 ist in der Seitenansicht der 2 zu erkennen. Der Dehnungsaufnehmer 12 umfasst zwei Extensometerstäbe 13, die an dem Prüfkörper 5 anliegen. Über diese Extensometerstäbe 13 kann die mechanische Ausdehnung oder Stauchung des Prüfkörpers 5 in Längsrichtung, d.h. in Richtung zwischen oberem und unterem Spannzeug der Universalprüfmaschine gemessen werden, um gewünschte Dehnungen exakt einstellen zu können.
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Im Folgenden wird ein Beispiel für eine Versuchsdurchführung aufgezeigt. Hierbei handelt es sich um einen niederzyklischen Ermüdungsversuch (LCF) mit überlagerter thermischer Ermüdung (TF). Der Prüfkörper ist hierbei in die vorgeschlagene Vorrichtung eingespannt und wird auf eine Prüftemperatur von 350° C aufgeheizt. Die Aufheizung erfolgt ohne Behinderung der thermischen Ausdehnung, d.h. die Universalprüfmaschine ermöglicht dem Prüfkörper diese Ausdehnung ohne Gegenkraft. Anschließend wird der Prüfkörper über die Universalprüfmaschine zyklisch mechanisch belastet. Aus der 3 ist hierbei zu erkennen, dass der Prüfkörper über einen Zeitraum von 600 Sekunden gedehnt, anschließend in sehr kurzer Zeit wieder gestaucht und danach wieder in gleicher Weise gedehnt wird. Die 3 zeigt hierbei nur einen Ausschnitt aus dieser sich fortsetzenden zyklischen Belastung. Während der Dehnungsphasen wird der Prüfkörper zusätzlich thermisch belastet. Ein Ausschnitt eines typischen Temperaturverlaufs dieser zusätzlichen thermischen Belastung ist in 4 dargestellt. Der Prüfkörper wird hierbei durch das entsprechend gepulste Besprühen mit einer Kühlflüssigkeit, bspw. Wasser, mit einer Frequenz von 0,5 Hz jeweils lokal um 250° C abgekühlt.
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Die lokale Abkühlung der Oberfläche des Prüfkörpers führt in radialer Richtung des Prüfkörpers zu einem Temperaturgradienten. Hierdurch entstehen Spannungen an der Oberfläche des Prüfkörpers, welche zu Entstehung eines Rissnetzwerks führen. Das entstandene Rissnetzwerk kann anschließend am Prüfkörper untersucht werden. Durch die Erstellung eines Längsschliffes können Rissverläufe horizontal zur Probenlängsachse (senkrecht zur Probenlängsachse) untersucht werden.
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Mit Hilfe der Sprühblende 8, die sich zwischen der Düse der Sprüheinrichtung 7 und der Oberfläche des Prüfkörpers 5 befindet, kann das Sprühprofil der Düse variiert werden. Damit ist es möglich, auch die Ausrichtung der durch die TF-Belastung hervorgerufenen Spannungen zu variieren. Hierdurch kann die Ausbreitungsrichtung der Risse auf der Oberfläche des Sprühkörpers gesteuert werden. In Kombination mit der mechanischen Belastung sind somit unterschiedliche Schädigungsniveaus möglich.
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5 zeigt hierzu beispielhaft unterschiedliche Blendengeometrien der Sprühblende 8, wie sie bei der vorgeschlagenen Vorrichtung bzw. dem zugehörigen Verfahren eingesetzt werden können. Bevorzugt werden hierbei längliche rechteckige Querschnitte als Blendenöffnungen genutzt, die bspw. vertikal, d.h. in Richtung der Längserstreckung des Prüfkörpers zwischen den beiden Spannzangen 2, 4, horizontal oder auch in einem Winkel von 45° angeordnet sein können. Auch andere Blendengeometrien sind möglich, wie bspw. die in 5 auch gezeigte quadratische oder runde Öffnung.
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Durch die Nutzung einer länglichen rechteckigen Blendenöffnung (Schlitzblende) in vertikaler Richtung (parallel zur Probenlängsachse) werden die Spannungen in axialer Richtung des Prüfkörpers größer als in Umfangsrichtung. Damit richten sich die entstandenen Risse im Prüfkörper im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Prüfkörpers aus. Durch entsprechend andere Anordnungen bzw. Orientierungen der Schlitzblende können wiederum andere Spannungsverteilungen erzeugt und mit dem jeweiligen Modell verglichen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schutzgehäuse
- 2
- unteres Spannzeug
- 3
- Maschinenspindel
- 4
- oberes Spannzeug
- 5
- Prüfkörper
- 6
- Induktoren
- 7
- Sprüheinrichtung
- 8
- Sprühblende
- 9
- Tubus
- 10
- Verstelleinrichtung
- 11
- Anschlüsse der Sprüheinrichtung
- 12
- Dehnungsaufnehmer
- 13
- Extensometerstäbe
