DE102016124085A1

DE102016124085A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Hochtemperaturprüfung von Werkstoffproben

Info

Publication number: DE102016124085A1
Application number: DE102016124085.0A
Authority: DE
Inventors: Patrick Gutmann; Robert Horny; Markus Sause; Siegfried Horn; Judith Moosburger-Will
Original assignee: Universitaet Augsburg
Current assignee: Universitaet Augsburg
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2036-12-13
Also published as: DE102016124085B4

Abstract

Wärmebeständige Halteanordnung (10, 10') zur Aufhängung einer länglichen Probe an einem Ende der Probe, wobei die Halteanordnung (10, 10') folgendes umfasst: ein Halteelement (12), an dem ein Ende der Probe befestigt werden kann; ein zylinderförmiges Wickelelement (14), um das ein Abschnitt der Probe, der an das am Halteelement (12) befestigte Ende der Probe anschließt, wickelbar ist; ein Trägerelement (16), das folgendes umfasst: eine Öffnung (18), durch die die Probe hindurchführbar ist; einen Sockel (20); und einen Auflageabschnitt (24) neben dem Sockel (20); wobei das Wickelelement (14) auf dem Auflageabschnitt (24) horizontal aufliegen kann, und eine Höhe des Sockels (20) sich von einem Außendurchmesser des Wickelelements (14) maximal um 30%, vorzugsweise maximal um 10%, unterscheidet; wobei das Halteelement (12) so bemessen ist, dass es gleichzeitig auf einer Oberseite des Sockels (20) und auf der Mantelfläche (26) des Wickelelements (14) aufliegen kann.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Untersuchung von thermomechanischen Eigenschaften von Werkstoffproben, insbesondere von länglichen Proben, bei Hochtemperaturen, und insbesondere eine wärmebeständige Halteanordnung zur Aufhängung einer Probe, eine Spannvorrichtung zum Einspannen und Halten einer Probe und ein Verfahren zur Hochtemperaturprüfung einer Probe.
STAND DER TECHNIK
Zugversuche zählen zu den wichtigen mechanischen Prüfverfahren, aus denen Kennwerte eines Materials bestimmt werden können. Dazu wird eine typischerweise längliche Probe des zu prüfenden Materials üblicherweise in eine Zugprüfmaschine eingespannt und einer einachsigen Zugbelastung entlang der Längsrichtung der Probe unterzogen. Dabei werden kennzeichnende Parameter wie die Zugspannung bzw. Zugkraft und die sich daraus ergebende Dehnung der Probe erfasst. Hieraus können werkstoffspezifische mechanische Eigenschaften der Probe, beispielsweise die Zugfestigkeit, die Bruchdehnung und die Streckgrenze, bestimmt werden, mitunter in Form eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms.
Im Falle von Materialien, die bei sehr hohen Temperaturen zum Einsatz kommen, ist eine Prüfung des Materials im entsprechenden Temperaturbereich ein wesentlicher Teil ihrer Entwicklungsphase. Des Weiteren kann bei der Herstellung eines Produkts aus einem Material eine Hochtemperaturbehandlung des Materials technisch sinnvoll sein. In diesen Fällen kann sich die Kenntnis von thermomechanischen Eigenschaften des Materials als vorteilhaft im Hinblick auf eine Optimierung des Herstellungsverfahrens erweisen.
Bei der Werkstoffprüfung bei hohen Temperaturen tritt das Problem auf, dass die Wärmebeständigkeit der Materialien, aus denen die Prüfvorrichtungen hergestellt werden, häufig deutlich geringer als jene des zu prüfenden Materials ist. Deshalb müssen die Bestandteile der Prüfvorrichtungen in der Regel vor den hohen Temperaturen geschützt werden, denen das Prüfmaterial im Laufe des Zugversuchs ausgesetzt wird. Aus diesem Grund wird häufig versucht, bei der Verwendung von Wärmequellen zur Steuerung der Probentemperatur, beispielsweise von einem Ofen, jedwede Teile der Prüfvorrichtung von einem um die Wärmequelle entstehenden warmen Bereich fernzuhalten. Besonders problematisch sind dabei die Anschluss- bzw. Aufhängungselemente, die eine Verbindung der Probe mit der Zugprüfmaschine ermöglichen, weil diese notwendigerweise nahe an dem warmen Bereich liegen müssen, jedoch nicht direkt darin angeordnet werden sollten. Dies führt dazu, dass die Probe während eines Zugversuches nicht vollständig im warmen Bereich angeordnet werden kann. Vielmehr müssen die Enden der Probe, an denen die Probe an den Aufhängungselementen der Zugprüfmaschine befestigt wird, möglicherweise außerhalb des warmen Bereiches liegen. Folglich kann die Temperatur in den Übergangsbereichen der Probe nicht genau auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden. Vielmehr entstehen in diesen Übergangsbereichen unkontrollierte Temperaturgradienten. Messungen von Kennwerten, die diese Übergangsbereiche betreffen, beispielsweise der Längenänderung, dürfen somit nicht zur Charakterisierung des Probenmaterials berücksichtigt werden. Infolgedessen kann eine vollständige Erfassung der thermodynamischen Eigenschaften des Probenmaterials nicht erfolgen, was die Aussagekraft der Zugprüfung deutlich beeinträchtigt.
Eine Möglichkeit, die oben aufgeführten Probleme umzugehen, besteht darin, die Probe nicht durch direkte Einstellung ihrer Umgebungstemperatur zu erwärmen, sondern stattdessen durch einen durch die Probe fließenden elektrischen Strom. Diese Alternative setzt jedoch die Leitfähigkeit des zu prüfenden Materials voraus und eignet sich deswegen nicht für die Prüfung von elektrisch isolierenden Materialien. Die Erwärmung und Prüfung elektrisch isolierender Materialien ist jedoch, beispielsweise für die Herstellung von Carbonfasern, von Bedeutung. Dabei werden elektrisch isolierende Polymerfasern durch eine Hochtemperaturbehandlung zu Carbonfasern umgewandelt. Carbonfasern gewinnen in der heutigen Industrie zunehmend an Bedeutung, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im Fahrzeugbau, im Bereich der Windenergie, der Sportindustrie und des Bauwesens. Insofern stellt die Möglichkeit, längliche Werkstoffproben durch einen elektrischen Strom zu erwärmen, keine allgemein befriedigende Lösung dar.
Alternativ könnten diejenigen Teile einer Prüfvorrichtung, die im Laufe eines Zugversuches in unmittelbarer Nähe einer Wärmequelle angeordnet werden, aus wärmebeständigen Materialien, beispielsweise aus Keramik, hergestellt werden. Jedoch ist die Bearbeitung solcher Materialien in der Regel so kompliziert, dass komplexe Formen und Konfigurationen nur mit großem Fertigungsaufwand realisiert werden können. Die genaue Form der Aufhängungselemente einer Zugprüfmaschine ist allerdings im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Zugskraftverteilung über den gesamten Querschnitt der Probe, beispielsweise über eine Vielzahl von Fasern, aus denen die Probe bestehen kann, von Bedeutung. Des Weiteren soll die Form der gesagten Teile vermeiden, dass die Probe an den Befestigungspunkten beschädigt wird, beispielsweise aufgrund von Kräften in radialer Richtung, wie sie beim Einklemmen einer Probe auftreten können, die zu Rissen und Brüchen der Probe bzw. einiger der Fasern der Probe führen können. Carbonfasern weisen zum Beispiel eine hohe axiale Zugfestigkeit in Längsrichtung auf, während sie bei radialen Kräften senkrecht zur Längsrichtung, die durch Klemmen, Knoten oder Knicken entstehen können, sehr bruchanfällig sind.
In Anbetracht der obigen Ausführungen besteht der Bedarf nach verbesserten Vorrichtungen und Verfahren zur Zugprüfung von Materialien, insbesondere von elektrisch isolierenden Materialien, bei hohen Temperaturen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die genaue Untersuchung von thermomechanischen Eigenschaften einer länglichen Probe im Rahmen von Zugversuchen im Hochtemperaturbereich, insbesondere bei Temperaturen über 700°C, zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch eine wärmebeständige Halteanordnung nach Anspruch 1, eine Spannvorrichtung nach Anspruch 5 und ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft eine wärmebeständige Halteanordnung zur Aufhängung einer länglichen Probe an einem Ende der Probe. Die Halteanordnung umfasst ein Halteelement, an dem ein Ende der Probe befestigt werden kann, ein zylinderförmiges Wickelelement, um das ein Abschnitt der Probe, der an das am Halteelement befestigte Ende der Probe anschließt, wickelbar ist, und ein Trägerelement. Das Trägerelement umfasst eine Öffnung, durch die die Probe hindurchführbar ist, einen Sockel und einen Auflageabschnitt neben dem Sockel. Das Wickelelement kann auf dem Auflageabschnitt horizontal aufliegen. Eine Höhe des Sockels unterscheidet sich von einem Außendurchmesser des Wickelelements maximal um 30%, vorzugsweise maximal um 10%. Das Halteelement ist so bemessen, dass es gleichzeitig auf einer Oberseite des Sockels und auf der Mantelfläche des Wickelelements aufliegen kann.
Der Begriff „Probe“ ist in der vorliegenden Offenbarung weit zu verstehen. Die Erfindung eignet sich zur Aufhängung von länglichen bzw. faserförmigen Werkstoffproben aus beliebigen Materialien, die nicht unbedingt einteilig sein müssen. Insbesondere kann eine Probe im Sinne der vorliegenden Offenbarung beispielsweise aus mehreren Fasern oder Fäden bestehen. Der Begriff „wärmebeständig“ weist in der vorliegenden Offenbarung auf die Beständigkeit der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Halteanordnung und/oder deren Bestandteile bei hohen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen über 700°C hin.
Die Beschaffenheit der erfindungsgemäßen Halteanordnung ermöglicht eine konstruktiv einfache Aufhängung der Probe, die sich trotzdem als besonders vorteilhaft erweist. Zunächst kann ein Ende der Probe an dem Halteelement befestigt werden. Ein Abschnitt der Probe, der an das am Halteelement befestigte Ende der Probe anschließt, kann dann um das Wickelelement gewickelt werden. Dabei wird vorzugsweise eine parallele Führung der um das Wickelelement gewickelten Probenabschnitte eingehalten. Anschließend kann die Probe durch die Öffnung des Trägerelements hindurchführt werden, bis das Wickelelement auf dem Auflageabschnitt des Trägerelements neben dem Sockel horizontal aufliegt und das Halteelement auf einer Oberseite des Sockels und auf der Mantelfläche des Wickelelements aufliegt. Somit kann die Probe durch eine besonders einfache Operation aufgehängt werden, ohne geknickt, geklemmt oder geknotet zu werden. Wenn die Probe aus mehreren Bestandteilen, beispielsweise aus mehreren Fasern besteht, gewährleistet dies außerdem eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Zugspannung auf alle Bestandteile bzw. Fasern der Probe.
Die wärmebeständigen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Halteanordnung gestatten es, die Halteanordnung den gleichen Hochtemperaturen auszusetzen wie die Probe. Somit kann die Probe vollständig, d.h. in ihrer gesamten Länge, einer Hochtemperaturprüfung unterzogen werden, ohne dass ungewünschte Temperaturgradienten innerhalb der Probe entstehen. Dies ermöglicht eine genauere Messung der zu prüfenden Eigenschaften, der Probe, z.B. der Längenänderung, bei der angesetzten Hochtemperatur. Ferner kann die Probe vollständig und direkt einer Wärmequelle, beispielsweise einem Ofen, ausgesetzt werden, so dass die Probe unabhängig von ihren physikalischen Eigenschaften, insbesondere unabhängig davon, ob die Probe elektrisch leitfähig oder elektrisch isolierend ist, erhitzt werden kann. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Halteanordnung auch für die Hochtemperaturuntersuchung von Proben aus nicht elektrisch leitfähigen Materialien, zum Beispiel aus Polymeren, , aus Textilmaterialien, oder aus Keramik. Besonders relevant dürfte der Fall von Polymerfasern sein, die im Rahmen eines Carbonisierungsprozesses zu Carbonfasern umgewandelt werden.
Ferner trägt die einfache Geometrie der Halteanordnung dazu bei, deren Herstellung aus wärmebeständigen Materialien sowie deren weitere Bearbeitung zu vereinfachen. Zudem erzielt die erfindungsgemäße Halteanordnung durch das Wickelelement eine Verteilung der zur Befestigung der Probe nötigen, radial wirkenden Kräfte auf eine gewisse Länge der Probe. Dies bewirkt, dass die Bruchanfälligkeit der Probe in der Umgebung einer Befestigungsstelle, an der die Probe an der Halteanordnung befestigt wird, verringert wird. Das genaue Ausmaß der genannten Länge kann durch Wahl des Außendurchmessers des Wickelelements und/oder der Anzahl der Windungen an die Eigenschaften einer bestimmten Probe angepasst werden, damit diese bei Beaufschlagung mit einer Zugspannung in axialer Richtung nicht aufgrund radial wirkender Kräfte an der Befestigungsstelle reißt.
Des Weiteren verhindert die Reibung zwischen der Probe und dem Wickelelement und gegebenenfalls die Reibung zwischen den Fasern, aus denen die Probe gegebenenfalls besteht, dass innenliegende Fasern der Probe bei Ausübung einer Zugspannung auf die Probe aus derselben gezogen werden. Durch den gekrümmten Verlauf der Probe um das Wickelelement werden die einzelnen Fasern, aus denen die Probe gegebenenfalls besteht, gegeneinander gedrückt, so dass sämtliche Fasern sicher gehalten und mit der gleichen Zugspannung belastet werden.
Eine Höhe des Sockels unterscheidet sich von einem Außendurchmesser des Wickelelements maximal um 30%, vorzugsweise maximal um 10%. Die Höhe des Sockels übertrifft vorzugsweise den Außendurchmesser des Wickelelementes, so dass das Halteelement auf einer Oberseite des Sockels und auf einem Abschnitt der Probe, der um das Wickelelement gewickelt ist und auf dessen Mantelfläche liegt, horizontal aufliegen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist bzw. sind das Halteelement, das Wickelelement und/oder das Trägerelement aus Keramik ausgebildet. Eine Konstruktion der Bauteile der Halteanordnung aus Keramik gestattet den Einsatz derselben bei Zugversuchen bei sehr hohen Temperaturen bis zu 1600°C in oxidierender Atmosphäre bzw. ca. 2000°C unter Inertgas. Eine Konstruktion des Halteelementes, des Wickelelementes und oder des Trägerelementes aus anderen wärmebeständigen Materialien, wie beispielsweise aus einem geeigneten Metall, ist ebenfalls möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Halteelement zwei Teilelemente, insbesondere zwei Plättchen, zwischen denen das genannte Ende der Probe zur Befestigung angeordnet werden kann. Dies ermöglicht eine einfache Befestigung eines Endes der Probe durch die Anordnung der Probe zwischen den Teilelementen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Halteanordnung ferner einen Klebstoff zum Einkleben des genannten Endes der Probe zwischen den Teilelementen. Wenn die Teilelemente des Halteelementes aus Keramik ausgebildet sind, ist der Klebstoff vorzugsweise ein Keramikkleber. Der Einsatz eines Klebstoffes ermöglicht eine einfache stoffschlüssige Anordnung der Probe zwischen den Teilelementen zur Befestigung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Einspannen und Halten einer länglichen Probe, wobei die Spannvorrichtung mindestens eine Halteanordnung gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen umfasst, die zur Aufhängung der länglichen Probe an einem Ende der Probe eingerichtet ist. Die Spannvorrichtung umfasst ferner mindestens ein Spannelement, das mit der mindestens einen Halteanordnung verbindbar ist, wobei die Spannvorrichtung dazu eingerichtet ist, mit einer Zugprüfmaschine funktionell verbunden zu werden, so dass die Probe durch eine von der Zugprüfmaschine gesteuerte Bewegung des mindestens einen Spannelementes entlang der Längsrichtung der Probe mit einer von der Zugprüfmaschine erzeugten Zugspannung beaufschlagt werden kann.
Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung ermöglicht die Verbindung der erfindungsgemäßen Halteanordnung mit einer Zugprüfmaschine. Eine Zugprüfmaschine ist im Sinne der vorliegenden Offenbarung eine Vorrichtung, die dazu geeignet ist, eine kontrollierte Zuglast bzw. Zugspannung zu erzeugen, sei es hydraulisch, pneumatisch, mechanisch, elektrisch oder durch andere Mittel. Dabei fungiert das mindestens eine Spannelement als Verbindungselement, das die Übertragung der von der Zugprüfmaschine ausgeübten Zugspannung auf die Halteanordnung, und dadurch auf die Probe, ermöglicht. Somit gestattet die Spannvorrichtung eine genaue und kontrollierte Steuerung der Zugspannung, die an der Probe angelegt wird, durch eine Zugprüfmaschine. Insbesondere ermöglicht es die erfindungsgemäße Spannvorrichtung, eine vorbestimmte Zugspannung und/oder ein vorbestimmtes Zugspannungs-Zeitprofil auf die Probe auszuüben.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Spannvorrichtung eine erste und eine zweite Halteanordnung gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen, die zur Aufhängung der länglichen Probe an jeweils einem Ende der Probe eingerichtet sind. Die Spannvorrichtung umfasst ein erstes und ein zweites Spannelement, die mit der ersten bzw. zweiten Halteanordnung verbindbar sind. Die Spannvorrichtung ist dazu eingerichtet, mit einer Zugprüfmaschine funktionell verbunden zu werden, so dass die Probe durch eine von der Zugprüfmaschine gesteuerte Bewegung des ersten Spannelementes und des zweiten Spannelementes relativ zueinander entlang der Längsrichtung der Probe mit einer von der Zugprüfmaschine erzeugten Zugspannung beaufschlagt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Spannelement stabförmig oder rohrförmig, und das zweite Spannelement ist rohrförmig. Das erste Spannelement liegt koaxial innerhalb des zweiten Spannelementes und ist entlang einer gemeinsamen Längsrichtung verschiebbar. Die stabförmige Geometrie des ersten Spannelementes und die rohrförmige Geometrie des zweiten Spannelementes ermöglichen es, dass die Spannvorrichtung unter einem definierten Gasfluss betrieben werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise eine inerte Atmosphäre gewährleistet werden, wie sie für die meisten Prüfungen notwendig ist, um die Oxidation der Probe bei hohen Temperaturen zu verhindern. Auch Versuche zum Einfluss der Gasart auf das Verhalten der Probe sind möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst mindestens ein Spannelement eine Aufnahme zur Verbindung des Spannelements mit der Halteanordnung, wobei die Aufnahme vorzugsweise eine Aussparung an einem Ende des Spannelementes ist. Die Aussparung weist vorzugsweise eine Breite auf, die größer als oder gleich breit wie eine maximale Breite der Halteanordnung ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Verbindung der Halteanordnung mit der Spannvorrichtung zum Einspannen und Halten der Probe.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Spannvorrichtung ferner einen Ofen zum Aufheizen der Probe, wobei der Ofen so bemessen und angeordnet ist, dass im Betrieb die mindestens eine Halteanordnung und die Probe vollständig innerhalb des Ofens angeordnet sind. Der Ofen ist vorzugsweise ein Rohrofen, durch den die Spannvorrichtung hindurchführbar ist, und der dazu eingerichtet ist, entlang der Längsrichtung der Probe verschoben zu werden. Der Ofen ermöglicht eine kontrollierte Steuerung der Temperatur, bei der die Eigenschaften der Probe untersucht werden. Des Weiteren kann die Temperatur, bei der die Eigenschaften der Probe untersucht werden, durch Betrieb des Ofens zeitabhängig gesteuert werden. Somit ermöglicht die Spannvorrichtung der Erfindung unter anderem die Untersuchung des Stabilisierungs- und Carbonisierungsprozesses von Carbonfasern
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ofen dazu eingerichtet, die Probe auf eine Temperatur zwischen 700 °C und 2000 °C, vorzugsweise zwischen 1000 °C und 1500 °C, aufzuheizen, vorzugsweise mit einer vorgebbaren Heizrate.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Spannvorrichtung ferner eine Erfassungseinheit, die geeignet ist, Eigenschaften der Probe, insbesondere eine Dehnung, eine Zugspannung und/oder eine Temperatur der Probe, zu erfassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hochtemperaturprüfung einer länglichen Probe in eine Spannvorrichtung. Die Spannvorrichtung umfasst mindestens eine wärmebeständige Halteanordnung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen zur Aufhängung der Probe an einem ihrer Ende und mindestens ein Spannelement gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen, das mit der mindestens einen Halteanordnung verbindbar ist, wobei die Spannvorrichtung mit einer Zugprüfmaschine funktionell verbunden wird, so dass die Probe durch eine von der Zugprüfmaschine gesteuerte Bewegung des mindestens einen Spannelementes entlang der Längsrichtung der Probe mit einer von der Zugprüfmaschine erzeugten Zugspannung beaufschlagt wird. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Befestigen des mindestens einen Endes der Probe an dem Halteelement;
- Wickeln eines Abschnittes der Probe, der an das am Halteelement befestigte Ende der Probe anschließt, um das Wickelelement;
- Hindurchführen der Probe durch die Öffnung des Trägerelements;
- Einspannen der Probe, so dass das Halteelement gleichzeitig bündig auf einer Oberseite des Sockels und auf einer Mantelfläche des Wickelelements aufliegt;
- Beaufschlagen der Probe durch eine Bewegung des mindestens einen Spannelementes entlang der Längsrichtung der Probe mit einer Zugspannung; und
- - Erfassen von thermomechanischen Eigenschaften der Probe, vorzugsweise einer Dehnung, einer Zugspannung und/oder einer Temperatur.

Das Beaufschlagen der Probe mit Zugspannung kann gemäß einem vorbestimmten mechanischen Programm ablaufen, das die physikalischen Eigenschaften der Zugspannung, beispielsweise die Kraft, die Dehnung oder die Dauer, festlegt. Die Zugspannung kann von der Zugprüfmaschine gesteuert werden, mit der die Spannvorrichtung funktionell verbunden wird. Die Zugprüfmaschine ermöglicht eine vereinfachte kontrollierte Steuerung der Zugspannung, die auf die Probe ausgeübt wird.
Das Erfassen kann die Bestimmung von mechanischen und thermischen Eigenschaften der Probe sowie des dynamischen Verhaltens derselben beim Aufheizen umfassen. Die Bestimmung der genannten Eigenschaften erfolgt vorzugsweise zeitaufgelöst. Somit ist eine genaue Charakterisierung des Verhaltens der Probe unter der vom vorbestimmten mechanischen Programm festgelegten Zugspannung bei hohen Temperaturen möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Halteelement zwei Teilelemente, insbesondere zwei Plättchen, zwischen denen das genannte Ende der Probe zur Befestigung angeordnet werden kann, und der Schritt des Befestigens umfasst das Einkleben des genannten Endes der Probe zwischen den Teilelementen, vorzugsweise unter Verwendung eines Klebstoffes.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden der Schritt des Beaufschlagens mit Zugspannung und/oder der Schritt des Erfassens bei einer Temperatur zwischen 700 °C und 2000 °C, vorzugsweise zwischen 1000 °C und 1500 °C, ausgeführt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt des Aufwärmens der Probe auf eine vorbestimmte Temperatur zwischen 700 °C und 2000 °C, vorzugsweise zwischen 1000 °C und 1500 °C. Insbesondere kann das Aufwärmen mit einer vorgebbaren Heizrate erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren bei kontinuierlicher Steuerung der Zugspannung ausgeführt. Somit können die Eigenschaften der Probe sowie deren Temperaturverhalten in Abhängigkeit der Zugspannung erfasst werden, die an der Probe angelegt wird.
Figurenliste

1 zeigt eine Übersichtsdarstellung des Aufbaus einer Halteanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
2 zeigt eine Übersichtsdarstellung des Aufbaus einer Spannvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
3 zeigt eine Übersichtsdarstellung des Spannelementes einer Spannvorrichtung, das eine Aussparung aufweist.
4 zeigt eine Übersichtsdarstellung der Verbindung zwischen einer Halteanordnung und einer Spannvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
5 zeigt eine Übersichtsdarstellung der Verbindung zwischen einer Halteanordnung und einer Spannvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
6 zeigt eine Zugprüfeinrichtung, die eine Spannvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wird.
Die 1 zeigt eine wärmebeständige Halteanordnung 10, die zur Aufhängung einer länglichen Probe an einem Ende der Probe geeignet ist. Die Halteanordnung 10 umfasst ein Halteelement 12, ein zylinderförmiges Wickelelement 14, und ein Trägerelement 16, die in der gezeigten Ausführungsform sämtlich aus Keramik ausgebildet sind. Das Halteelement 12 ist dazu geeignet, ein Ende einer länglichen Probe (nicht gezeigt) daran zu befestigen. Das Halteelement 12 besteht aus zwei Teilelementen 22, zwischen denen ein Ende der Probe zur Befestigung angeordnet werden kann. Dazu wird ein Klebstoff zum Einkleben eines Endes der Probe zwischen den Teilelementen 22 verwendet.
Das Wickelelement 14 ist dazu bestimmt, dass ein Abschnitt der Probe, der an das am Halteelement 12 befestigte Ende der Probe anschließt, um das Wickelelement 14 gewickelt werden kann. Das Trägerelement 16 umfasst eine Öffnung 18, einen Sockel 20 und einen Auflageabschnitt 24 neben dem Sockel 20. Eine Probe, die an dem Halteelement 12 befestigt ist und um das Wickelelement 14 gewickelt ist, kann durch die Öffnung 18 des Trägerelements 16 hindurchführt werden, bis das Wickelelement 14 auf dem Auflageabschnitt 24 des Trägerelements 16 neben dem Sockel 20 horizontal aufliegt und das Halteelement 12 auf einer Oberseite 28 des Sockels 20 und auf der Mantelfläche 26 des Wickelelements 14 aufliegt. Die Höhe des Sockels 20 entspricht in der dargestellten Ausführungsform dem Außendurchmesser des Wickelelements 14, und das Halteelement 12 ist so bemessen, dass es gleichzeitig auf der Oberseite 28 des Sockels 20 und auf der Mantelfläche 26 des Wickelelements 14 horizontal aufliegen kann, wenn die Probe an der Halteanordnung 10 aufgehängt ist und eingespannt wird.
Die 2 zeigt eine Spannvorrichtung 30 zum Einspannen und Halten einer länglichen Probe (nicht gezeigt), die zwei Halteanordnungen 10, 10' (in 2 nicht gezeigt) gemäß einer der erfindungsgemäßen Ausführungsformen aufnehmen kann, die zur Aufhängung der länglichen Probe jeweils an einem Ende der Probe eingerichtet sind. Die Spannvorrichtung 30 umfasst ein erstes Spannelement 32 und ein zweites Spannelement 34, die mit der ersten bzw. zweiten Halteanordnung 10, 10' (in 2 nicht gezeigt) verbindbar sind. Die Spannvorrichtung 30 ist dazu eingerichtet, mit einer Zugprüfmaschine funktionell verbunden zu werden, sodass die Probe durch eine von der Zugprüfmaschine gesteuerte Bewegung des ersten Spannelementes 32 und des zweiten Spannelementes 34 relativ zueinander entlang der Längsrichtung der Probe mit einer von der Zugprüfmaschine erzeugten Zugspannung beaufschlagt werden kann. Das eine Ende eines jeden Spannelementes 32, 34 kann über die jeweilige Halteanordnung 10, 10' mit der Probe verbunden werden, während das andere Ende mit der Zugprüfmaschine verbunden werden kann.
Das erste Spannelement 32 und das zweite Spannelement 34 sind in der gezeigten Ausführungsform rohrförmig. Das erste Spannelement 32 liegt koaxial innerhalb des zweiten Spannelementes 34 und kann entlang einer gemeinsamen Längsrichtung verschoben werden.
Die 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines unteren Abschnittes des ersten Spannelementes 32 einer Spannvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das erste Spannelement 32 umfasst eine Aufnahme 36 die zur Verbindung des ersten Spannelementes 32 mit einer Halteanordnung 10 (in der Figur nicht gezeigt) geeignet ist. Die Aufnahme 36 ist als Aussparung ausgebildet, die an einem unteren Ende des ersten Spannelementes 32 vorgesehen ist. In der gezeigten Ausführungsform ist ein oberes Ende (in der Figur nicht gezeigt) des ersten Spannelementes 32 dazu geeignet, das erste Spannelement 32 mit einer Zugprüfmaschine zu verbinden.
Die Breite der Aussparung 36 ist, wie in der 4 gezeigt, leicht größer als die maximale Breite der Halteanordnung 10, die in der gezeigten Ausführungsform der Breite des Trägerelements 16 entspricht. Somit bleibt die Halteanordnung 10 in der Aussparung 36 kraftschlüssig befestigt, wenn die Halteanordnung 10 zur Verbindung mit dem ersten Spannelement 32 in die Aufnahme 36 eingesetzt wird und die Probe (in der Figur nicht gezeigt) eingespannt wird. Das erste Spannelement 32 weist einen Schlitz 38 auf, durch den die Probe geführt werden kann, wenn die Probe an der Halteanordnung 10 aufgehängt ist, so dass die Halteanordnung 10 auf einfache Weise in die Aufnahme 36 eingesetzt werden kann.
Die 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines unteren Abschnittes des zweiten Spannelementes 34 einer Spannvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Innendurchmesser des zweiten Spannelementes 34 ist kleiner als eine maximale Breite einer zweiten Halteanordnung 10', die zur Aufhängung der Probe am unteren Ende des zweiten Spannelementes 34 verwendet wird. In der gezeigten Ausführungsform entspricht die maximale Breite der zweiten Halteanordnung 10' der Breite des Trägerelements 16' der zweiten Halteanordnung 10'. Somit stützt sich die zweite Halteanordnung 10' bei Zug der Probe nach oben am unteren Rand des zweiten Spannelementes 34 ab und bleibt daran befestigt.
Die 6 zeigt eine erweiterte Spannvorrichtung 30 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die neben einem ersten Spannelement 32 und einem zweiten Spannelement 34 ferner ein T-Stück 46, ein Doppelgewinde-Anschlusselement 48 und ein Schutzgasrohr 50 umfasst. Das T-Stück 46 umfasst eine Entlüftungsöffnung 42. Das Doppelgewinde-Anschlusselement 48 weist zwei Gewinde auf, die dazu geeignet sind, in der Bodenplatte einer Zugprüfmaschine zur Befestigung gegeneinander verschraubt zu werden. Das T-Stück 46 ist gasdicht an das zweite Spannelement 34 und an das Doppelgewinde-Anschlusselement 48 angeschlossen. Das Schutzgasrohr 50 weist an seinem unteren Ende einen Gaseinlass 52 und an seinem oberen Ende eine Quetschverschraubung 54 auf. Das Schutzgasrohr 50 wird über das zweite Spannelement 34 geschoben und durch die Quetschverschraubung 54, an das zweite Spannelement 34 gasdicht angeschlossen. Das zweite Spannelement 34 ist über einen Rohrflansch gasdicht an das T-Stück 46 angeschlossen. Somit ist ein Innenraum der Spannvorrichtung 30, in dem die Probe durch Aufhängung an den Halteanordnungen 10 und 10' anordbar ist, gasdicht. Dies ermöglicht es, die Luft innerhalb der der Spannvorrichtung 30 vor dem Betrieb zu entfernen, zum Bespiel mithilfe einer Vakuumpumpe, und danach den Innenraum der Spannvorrichtung 30 zur Schaffung einer Schutzatmosphäre mit einem Gas zu befüllen, vorzugsweise mit einem inerten Gas, das zwischen dem Gaseinlass 52 und der Entlüftungsöffnung 42 kontrolliert fließt. Hierfür wird ferner ein frei bleibender Bereich des ersten Spannelementes 32 mit einem Faltenbag 60 gasdicht verschlossen . Das obere Ende des ersten Spannelementes 32 kann durch das Anschlusselement 70 an die Zugprüfmaschine angeschlossen werden.
Die Spannvorrichtung 30 der 6 umfasst ferner einen Ofen 80, um die Probe aufzuheizen und/oder um die Temperatur der Probe zu steuern. Dafür weist der Ofen 80 einen Hohlraum auf, durch den die Spannvorrichtung 30 hindurchführt wird. Der Ofen 80 ist so bemessen und angeordnet, dass im Betrieb der Spannvorrichtung 30 die Halteanordnungen 10, 10' und die Probe vollständig innerhalb des Ofens 80 liegen. Der Ofen 80 ist dazu eingerichtet, die Probe auf eine Temperatur zwischen bis zu ca. 1500 °C aufzuheizen und diese Temperatur zu halten.
Der Ofen 80 kann beweglich sein, beispielsweise indem er an einer Lineareinheit (nicht gezeigt) aufgehängt wird, damit er entlang der Längsrichtung der Spannvorrichtung 30 verschoben werden kann.
Die Spannvorrichtung 30 umfasst ferner eine Erfassungseinheit (nicht gezeigt), die dazu geeignet ist, Eigenschaften der Probe, insbesondere eine Dehnung, eine Zugspannung und oder eine Temperatur der Probe zu erfassen. In der gezeigten Ausführungsform ist die Erfassungseinheit in den Ofen 80 integriert. Des Weiteren ist es möglich, die Temperatur der Probe durch direkte Messung zu erfassen. Hierfür kann die Entlüftungsöffnung 42 auch dazu verwendet werden, Thermoelemente in die Spannvorrichtung 30 in Kontakt mit der Probe einzuführen, um die Temperatur derselben direkt zu erfassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der vorangehenden Beschreibung sowie in den beigefügten Figuren erläutert worden. Man beachte, dass diese Beispiele in keiner Weise als Einschränkung der vorliegenden Erfindung gemeint sind. Vielmehr werden hiermit sämtliche Modifikationen derselben beansprucht, die gegenwärtig oder zukünftig im Schutzumfang der Ansprüche umfasst sind.
Bezugszeichenliste

10, 10': Halteanordnung
12: Halteelement
14: Wickelelement
16: Trägerelement
18: Öffnung
20: Sockel
22: Teilelemente
24: Auflageabschnitt des Trägerelements
26: Mantelfläche des Wickelelements
28: Oberseite des Sockels
30: Spannvorrichtung
32: erstes Spannelement
34: zweites Spannelement
36: Aufnahme
38: Schlitz
42: Entlüftungsöffnung
46: T-Stück
48: Doppelgewinde-Anschlusselement
50: Schutzgasrohr
52: Gaseinlass
54: Quetschverschraubung
60: Faltenbag
70: Anschlusselement
80: Ofen

Claims

Wärmebeständige Halteanordnung (10, 10') zur Aufhängung einer länglichen Probe an einem Ende der Probe, wobei die Halteanordnung (10, 10') folgendes umfasst: ein Halteelement (12), an dem ein Ende der Probe befestigt werden kann; ein zylinderförmiges Wickelelement (14), um das ein Abschnitt der Probe, der an das am Halteelement (12) befestigte Ende der Probe anschließt, wickelbar ist; ein Trägerelement (16), das folgendes umfasst: eine Öffnung (18), durch die die Probe hindurchführbar ist; einen Sockel (20); und einen Auflageabschnitt (24) neben dem Sockel (20); wobei das Wickelelement (14) auf dem Auflageabschnitt (24) horizontal aufliegen kann, und eine Höhe des Sockels (20) sich von einem Außendurchmesser des Wickelelements (14) maximal um 30%, vorzugsweise maximal um 10%, unterscheidet; wobei das Halteelement (12) so bemessen ist, dass es gleichzeitig auf einer Oberseite des Sockels (20) und auf der Mantelfläche (26) des Wickelelements (14) aufliegen kann.
Halteanordnung (10, 10') nach Anspruch 1, wobei das Halteelement (12), das Wickelelement (14) und/oder das Trägerelement (16) aus Keramik ausgebildet ist bzw. sind.
Halteanordnung (10, 10') nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Halteelement (12) zwei Teilelemente (22), insbesondere zwei Plättchen, umfasst, zwischen denen das genannte Ende der Probe zur Befestigung angeordnet werden kann.
Halteanordnung (10, 10') nach Anspruch 3, die ferner einen Klebstoff zum Einkleben des genannten Endes der Probe zwischen den Teilelementen (22) umfasst.
Spannvorrichtung (30) zum Einspannen und Halten einer länglichen Probe, wobei die Spannvorrichtung (30) mindestens eine Halteanordnung (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst, die zur Aufhängung der länglichen Probe an einem Ende der Probe eingerichtet ist, wobei die Spannvorrichtung (30) ferner mindestens ein Spannelement umfasst, das mit der mindestens einen Halteanordnung (10, 10') verbindbar ist, wobei die Spannvorrichtung (30) dazu eingerichtet ist, mit einer Zugprüfmaschine funktionell verbunden zu werden, so dass die Probe durch eine von der Zugprüfmaschine gesteuerte Bewegung des mindestens einen Spannelementes entlang der Längsrichtung der Probe mit einer von der Zugprüfmaschine erzeugten Zugspannung beaufschlagt werden kann.
Spannvorrichtung (30) nach Anspruch 5, wobei die Spannvorrichtung (30) eine erste und eine zweite Halteanordnung (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst, die zur Aufhängung der länglichen Probe an jeweils einem Ende der Probe eingerichtet sind, wobei die Spannvorrichtung (30) ein erstes und ein zweites Spannelement (32, 34) umfasst, die mit der ersten bzw. zweiten Halteanordnung (10, 10') verbindbar sind, und wobei die Spannvorrichtung (30) dazu eingerichtet ist, mit einer Zugprüfmaschine funktionell verbunden zu werden, so dass die Probe durch eine von der Zugprüfmaschine gesteuerte Bewegung des ersten Spannelementes (32) und des zweiten Spannelementes (34) relativ zueinander entlang der Längsrichtung der Probe mit einer von der Zugprüfmaschine erzeugten Zugspannung beaufschlagt werden kann.
Spannvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei das erste Spannelement (32) stabförmig oder rohrförmig ist und das zweite Spannelement (34) rohrförmig ist, wobei das erste Spannelement (32) koaxial innerhalb des zweiten Spannelementes (34) liegt und entlang einer gemeinsamen Längsrichtung verschiebbar ist.
Spannvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei mindestens ein Spannelement (32, 34) eine Aufnahme (36) zur Verbindung des Spannelements (32, 34) mit der Halteanordnung (10, 10') umfasst, wobei die Aufnahme (36) vorzugsweise eine Aussparung an einem Ende des Spannelementes (32, 34) ist, wobei eine Breite der Aussparung vorzugsweise größer als oder gleich breit wie eine maximale Breite der Halteanordnung (10, 10') ist.
Spannvorrichtung (30) nach einem der Anspräche 5 bis 8, wobei die Spannvorrichtung (30) ferner einen Ofen (80) zum Aufheizen der Probe umfasst, wobei der Ofen (80) so bemessen und angeordnet ist, dass im Betrieb die mindestens eine Halteanordnung (10, 10') und die Probe vollständig innerhalb des Ofens (80) angeordnet sind.
Spannvorrichtung (30) nach Anspruch 9, wobei der Ofen (80) dazu eingerichtet ist, die Probe auf eine Temperatur zwischen 700°C und 2000°C, vorzugsweise zwischen 1000°C und 1500°C, aufzuheizen.
Spannvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei die Spannvorrichtung (30) ferner eine Erfassungseinheit umfasst, die geeignet ist, Eigenschaften der Probe, insbesondere eine Dehnung, eine Zugspannung und/oder eine Temperatur der Probe, zu erfassen.
Verfahren zur Hochtemperaturprüfung einer länglichen Probe in einer Spannvorrichtung (30), wobei die Spannvorrichtung (30) folgendes umfasst: mindestens eine wärmebeständige Halteanordnung (10, 10') zur Aufhängung der Probe an einem Ende der Probe, wobei die Halteanordnung (10, 10') folgendes umfasst: ein Halteelement (12), an dem ein Ende der Probe befestigt werden kann; ein zylinderförmiges Wickelelement (14), um das ein Abschnitt der Probe, der an das am Halteelement (12) befestigte Ende der Probe anschließt, wickelbar ist; ein Trägerelement (16), das folgendes umfasst: eine Öffnung (18), durch die die Probe hindurchführbar ist; einen Sockel (20); und einen Auflageabschnitt (24) neben dem Sockel (20); wobei das Wickelelement (14) auf dem Auflageabschnitt (24) horizontal aufliegen kann, und eine Höhe des Sockels (20) sich von einem Außendurchmesser des Wickelelements (14) maximal um 30%, vorzugsweise maximal um 10%, unterscheidet; wobei das Halteelement (12) so bemessen ist, dass es gleichzeitig auf einer Oberseite des Sockels (20) und auf einer Mantelfläche (26)des Wickelelements (14) aufliegen kann; und wobei die Spannvorrichtung (30) ferner mindestens ein Spannelement, umfasst, das mit der mindestens einen Halteanordnung (10, 10') verbunden wird, wobei die Spannvorrichtung (30) mit einer Zugprüfmaschine funktionell verbunden wird, so dass die Probe durch eine von der Zugprüfmaschine gesteuerte Bewegung des mindestens einen Spannelementes entlang der Längsrichtung der Probe mit einer von der Zugprüfmaschine erzeugten Zugspannung beaufschlagt wird; wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Befestigen des mindestens einen Endes der Probe an dem Halteelement (12); - Wickeln eines Abschnittes der Probe, der an das am Halteelement (12) befestigte Ende der Probe anschließt, um das Wickelelement (14) ; - Hindurchführen der Probe durch die Öffnung (18) des Trägerelements (16); - Einspannen der Probe, so dass das Halteelement (12) gleichzeitig bündig auf einer Oberseite des Sockels (20) und auf einer Mantelfläche (26)des Wickelelements (14) aufliegt; - Beaufschlagen der Probe durch eine Bewegung des mindestens einen Spannelementes entlang der Längsrichtung der Probe mit einer Zugspannung; und - Erfassen von thermomechanischen Eigenschaften der Probe, vorzugsweise einer Dehnung, einer Zugspannung und/oder einer Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Halteelement (12) zwei Teilelemente (22), insbesondere zwei Plättchen, umfasst und wobei der Schritt des Befestigens das Einkleben des genannten Endes der Probe zwischen den Teilelementen (22) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Schritt des Beaufschlagens mit der Zugspannung und/oder der Schritt des Erfassens bei einer Temperatur zwischen 700°C und 2000°C, vorzugsweise zwischen 1000°C und 1500°C, ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Verfahren das Aufwärmen der Probe auf eine vorbestimmte Temperatur zwischen 700°C und 2000°C, vorzugsweise zwischen 1000°C und 1500°C, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Verfahren bei kontinuierlicher Steuerung der Zugspannung ausgeführt wird.