DE10221488B4

DE10221488B4 - Verwendung einer Vorrichtung sowie Verfahren zur Bestimmung der Kontaktfestigkeit einer Probe mit zwei planparallel zueinander ausgerichteten Oberflächen

Info

Publication number: DE10221488B4
Application number: DE2002121488
Authority: DE
Inventors: Theo Dr. Fett; Gerhard Thun; Valentin Licht; Ewald Ernst
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: DE10221488A1

Abstract

Verwendung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Kontaktfestigkeit einer Probe (6) mit einer ersten und einer zweiten planparallel zueinander ausgerichteten Oberfläche, umfassend
a) einen ersten Lasteinleitungskörper (2) mit einer ersten kugelförmigen Auflagerfläche, welche auf der ersten Oberflächen der Probe, (6) aufliegt,
b) ein Auflager, auf dem die Probe mit der zweiten Oberfläche aufliegt, sowie
c) eine Belastungsvorrichtung zum Andrücken des ersten Lasteinleitungskörpers (2) auf die Probe, wobei eine Krafteinleitung über die erste Auflagerfläche orthogonal auf die erste Oberfläche erfolgt und das Auflager als Gegenlager der Belastungsvorrichtung dient, wobei
d) das Auflager ein zweiter Lasteinleitungskörper (3) mit einer zweiten kugelförmigen Auflagerfläche ist, welche orthogonal auf der zweiten Oberfläche gegenüber der ersten kugelförmigen Auflagerfläche positioniert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Kontaktfestigkeit einer Probe mit zwei planparallel zueinander ausgerichteten Oberflächen gemäss des ersten und zehnten Patentanspruchs.
Festigkeitsprüfungen an spröden Werkstoffproben oder Bauteilen erfolgen in der Praxis durch Einleitung äußerer Kräfte. Oft werden diese auf relativ kleine Kontaktflächen auf das keramische Bauteil eingeleitet, wobei sich diese in Extremfällen auf reine punkt- oder linienförmige Lasteinleitungsflächen reduzieren. Werkstoffversagen tritt bei spröden Werstoffen durch Bruch ohne nennenswerte plastische Deformationsanteile auf. Spannungssingularitäten lassen sich im Gegensatz zu duktilen Werkstoffen nicht einfach durch plastische Deformationen abbauen.
Ein sprödes Werkstoffverhalten ist die Ursache relativ weit streuende Festigkeitswerte, welche einen zuverlässigen Einsatz von allem von Keramik als Konstruktionswerkstoff erheblich einschränkt.
Lokal begrenzte, wie z. B. punktförmige Lasteinleitungsbereiche weisen mehrachsige Spannungszustände mit extremen Spannungsgradienten auf, welche sich über geeignete Berechnungsmethoden, beispielsweise mit Finite-Element-Methoden (FEM) abschätzen lassen.

In [1] sind im Rahmen einer wissenschaftlichen Veröffentlichung derartige Festigkeitsversuche an Aluminiumoxid beschrieben, bei denen Proben mit einer Abmessung von 20 × 2,5 × 2,5 mm, d. h. mit einer ersten und einer zweiten planparallel zueinander ausgerichteten Oberfläche, mit einer Kugel aus Wolframkarbid als Lasteinleitungskörper mit einer Universalprüfmaschine belastet wurden. Die Probe liegt dabei auf einem nicht näher spezifizierten Auflager. Demzufolge erfolgte die eine definierte Lasteinbringung der Probe nur einseitig mit der Kugel, was in der Probe eine unsymmetrische Belastungsverteilung hervorruft. Eine Verifikation von analytisch ermittelten FEM-Berechungungen durch den genanten praktischen Versuch ist aufgrund der hierfür sehr komplexen Erfassung des Spannungszustandes im keramischen Bauteil äußerst problematisch.

Ferner offenbart [2] eine Vorrichtung zur Bestimmung der Festigkeit einer Probe, umfassend zwei Auflager mit kugelförmigen Auflagerflächen, zwischen der eine weiche Probe in Form eines gasgefüllten Balls eingesetzt ist. Durch ein Zusammendrücken der Auflager in den zu prüfenden Ball wird die Nachgiebigkeit des Balls gemessen. Ferner umfasst die Vorrichtung ein elastisches Federelement, welches beim Zusammendrücken vorgespannt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Verwendung einer Vorrichtung sowie ein Verfahren zur experimentellen Bestimmung der Kontaktfestigkeit einer ebenen keramischen Probe unter punktförmiger Krafteinleitung vorzuschlagen, womit eine zuverlässige Erfassung des mehrachsigen Spannungszustands um die Lasteinleitungsbereiche verbessert wird.

Die Aufgabe wird mit der in Anspruch 1 beschriebene Verwendung einer Vorrichtung sowie mit dem in Anspruch 10 beschriebenen Verfahren gelöst. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtung an.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Gestaltung des Auflagers zum Auflegen der Probe mit einer der planparallelen Oberflächen als zweiten Lasteinleitungskörper mit einer zweiten kugelförmigen Auflagerfläche, welche auf der auf der Oberfläche orthogonal gegenüber zu der ersten kugelförmigen Auflagerfläche des ersten Lasteinleitungskörper positioniert ist. Die Zentren der beiden idealisiert punktförmigen Berührungsflächen von erstem und zweitem Lasteinleitungskörper auf den beiden planparallelen Oberflächen der Probe, über die auch die Prüfkraft auf die Probe übertragen werden, liegen also beide auf einer und derselben Orthogonalen zu den beiden planparallelen Oberflächen.

Werden Kugeln als Lasteinleitungskörper vorgesehen, kann in vorteilhafter Weise auf kommerziell im Kugellagerbereich eingeführte Lagerkugeln aus Hartmetall, Hartstoff, Metall oder Keramik zurückgegriffen werden. Derartige Kugeln weisen bei gleichzeitiger kostengünstiger industrieller Fertigung eine hohe Fertigungsgenauigkeit und Oberflächengüte auf. Zudem sind Kugeln als Lasteinleitungskörper mit einer partiell beschädigten Kugeloberfläche durch Verdrehen der Kugel weiterhin verwendbar.

Es bietet sich zudem an, die Vorrichtung als eigenständige Apparatur zu gestalten, beispielsweise mit einem Grundkörper, welcher Führungselemente für die Lasteinleitungskörper sowie einen ausreichenden Raum zum Positionieren der Probe zwischen den Lasteinleitungskörpern aufweist.

Eine verbesserte Ausrichtung der Probe zwischen den Lasteinleitungskörpern erreicht man durch Führungsmittel zur Positionierung der Probe in der Vorrichtung. Die Führungsmittel können sowohl Unterlagen für eine Ausrichtung der planparallelen Oberflächen auf dem Lasteinleitungskörper als auch seitliche Führungen zum wiederkehrenden Einschieben von Proben mit ähnlicher Gestalt umfassen.

Grundsätzlich sollte die Vorrichtung zwischen zwei Auflagern einer Prüfmaschine, insbesondere einer Universal- oder eine Druckprüfmaschine einsetzbar sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen
1a und b die Vorrichtung mit zwei Lasteinleitungskörpern und Probe in zwei verschiedenen Ansichten, sowie
2 eine quaderförmige Probe mit einem an der Seitenfläche applizierten Dehnungsmessstreifen (DMS) zwischen zwei Lasteinleitungskörpern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung in der beschriebenen Ausführungsform setzt sich, wie in den 1a und b dargestellt, im wesentlichen aus einem Grundkörper 1, je einer ersten oberen und einer zweiten unteren Lasteinleitungskörper, einem Stempel 4 sowie einer Aufnahme 5 zusammen. Die beiden Lastenleitungskörper 2, 3 sind als erste und zweite Kugel 2 bzw. 3 ausgeführt, welche in dem Stempel 4 und in der Aufnahme 5 in kegelförmigen Vertiefungen ausgerichtet sind, wobei die zweite Kugel 3 als Auflager für eine Probe 6 fungiert. Zudem ist der Stempel 4 horizontal im Grundkörper 1 durch geeignete Linearführungen oder eine Spielpassung geführt. Ferner ragt das obere Ende des Stempels 4 aus dem Grundkörper heraus und ist als Lastangriuffsfläche für die Einleitung einer Belastung 7 über eine nicht dargestellte Druckplatte einer Belastungsvorrichtung so gestaltet, dass die Belastung entlang der Symmetrielinie 8 des Stempels 4 und der Kugel 2 auf die Probe 6 eingeleitet wird und von dieser auf die zweite Kugel 3 übertragen wird, wobei das Zentrum der Kugeln 2 und 3 ebenso wie die Zentren der Berührungsflächen zwischen den Kugeln 2 und 3 mit der Probe ebenfalls auf der Symmetrielinie 8 liegen. Ferner ist der Grundkörper 1 auf seiner planen Unterseite 9 so gestaltet, dass er auf einer unteren Druckplatte einer Prüfmaschine positionierbar ist.
Die Kugeln 2 und 3 weisen identischen Durchmesser auf. Sie bestehen, wie auch zumindest der untere Bereich um die kegelförmigen Vertiefung des Stempels 4 und die Aufnahme 5, aus einem Hartstoff, einem Hartmetall, einer Keramik oder einem gehärtetem Metall.
Als Probe ist bei der in den 1a und b gezeigten Vorrichtung eine quaderförmige oder stabförmige Probe mit recheckigem Querschnitt vorgesehen, wobei die erste und die zweite Kugel 2 und 3 auf einer ersten und einer zweiten planparallel zueinander ausgerichtete Oberfläche der Probe 6 aufliegen. Die beschriebene und in 1a und b dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung ist speziell für die Prüfung keramischer Biegeproben mit einem Querschnitt von 3 × 4 mm konzipiert. Für die Bestimmung der Festigkeit unter Kontaktbelastung ist dabei eine Probenlänge von 10 mm ausreichend, womit sie für die Versuche auch einzelne, entsprechend lange Bruchstücke aus vorangegangenen Biegeversuchen eignen.
Der Grundkörper 1 in der beschriebenen Ausführungsform besteht aus einem Metall-Monoblock, welcher mit der planen Unterseite 9 plan und mittig auf eine nicht dargestellte untere Druckplatte einer Universal- oder Druckprüfmaschine aufgesetzt wird.
In den Grundkörper ist eine vertikale nach unten hin geschlossene Aussparung vorgesehen, welche einerseits als Führung für den Stempel 4 dient und dessen unteres Ende andererseits eine Auflage und eine Zentrierung für die Aufnahme darstellt. Diese vertikale Aussparung kann jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Es bietet sich jedoch an, vertikalen Aussparung als Sacklochbohrung mit kreisförmigen Querschnitt mit einem Spiralbohrer herzustellen. Das untere Ende der Aussparung kann dabei in einer möglichen Variante der Ausführungsform kegelförmig ausgebildet sein und ohne eine eingelegte separate Aufnahme 5 als Führung für die zweite Kugel 3 dienen.
Ferner ist im Grundkörper 1 der beschriebenen Ausführungsform eine horizontale Aussparung 10 vorgesehen, welche die zuvor beschriebene vertikale nach unten hin geschlossene Aussparung kreuzt (vgl. 1a) und gleichzeitig als seitliche Führungsmittel für eine Probe mit rechteckigem Querschnitt dient (vgl. 1b). Zusätzlich können. Weitere Ausführungsformen mit separaten Führungsmitteln, wie z. B. feste oder variabel einstellbare Führungselemente zur Positionierung der Probe vertikal und horizontal zwischen den Lasteinleitungskörpern sind denkbar. Ebenso kann die Aussparung als horizontaler Schlitz gestaltet sein, welche zum einen eine seitliche Zugänglichkeit der Probe zwischen den Lasteinleitungskörpern für Beobachtungs- oder Messzwecke ermöglicht, andererseits sich zum Einschieben auch plattenförmiger Proben mit zwei planparallel zueinander angeordneten Oberflächen zwischen die Lasteinleitungskörper eignet. Hierbei ist eine exakte Ausrichtung der genannten planparallelen Oberflächen Probe senkrecht zur Symmetrielinie über geeignete Führungsmittel sicherzustellen.
Nach Einlegen der Probe 6 in die horizontale Aussparung auf die zweite Kugel 3 der Vorrichtung wird auf diese die erste Kugel 2 aufgelegt. Der eigentliche Versuch zur Bestimmung der Kontaktfestigkeit erfolgt kraftgesteuert über einen Rampenversuch mit vorgegebener konstanten Kraftrate bis zum Versagen der Probe, wobei die Prüfkraft über die Zeit aufgenommen wird. Die Prüfkraft wird dabei von der Belastungseinrichtung auf den Stempel 4 und von diesem auf die erste Kugel 2 auf die Probe übertragen und von dieser auf die zweite Kugel 3 über die Auflage 5 auf den Grundkörper weitergeleitet. Die Bestimmung der Kontaktfestigkeit erfolgt dann bei Probenbruch, d. h. durch Messung der maximalen Kraft bzw. des ersten Krafteinbruchs im Prüfkraft-Zeit-Diagramm.
Die Bestimmung der Kontaktfestigkeit erfolgt durch Messung der Kraft im Moment des Probenbruchs bzw. des ersten Krafteinbruchs im Kraft-Zeit-Diagramm. Die als Kontaktfestigkeit zu definierende maximale Zugspannung in der Probe ergibt sich zu
worin E₁, ν₁ und E₂, ν₂ die elastischen Konstanten (E-Modul und Querkontraktionszahl) der Kugeln bzw. des Probenmaterials sind.
Interessiert als Maß für die Kontaktfestigkeit der zeitliche Verformungsverhalten bis zum Bruch, so kann die zugehörige Belastung durch einen seitlich aufgeklebten Dehnungsmessstreifen (DMS) 11 erfolgen (2). Durch die bei einer Rissformierung spontan erfolgende Änderung des Dehnungszustands, die zu einem plötzlichen Krafteinbruch („pop-in") in der Kraft-Verformungskurve führt, wird die charakteristische Kraft festgelegt.
Das Versagen der Probe tritt aufgrund des spröden Materialverhaltens und der daraus resultierenden elastisch gespeicherten Energie unkontrolliert, d. h. explosionsartig und ohne Vorwarnung auf. Um eine Verletzungsgefahr durch umhergeschleuderte Partikel deutlich zu reduzieren, ist ein Splitterschutz um die Vorrichtung vorzusehen oder die Probe als solche beispielsweise mit einer Folie oder Klebestreifen zu ummanteln. Eine Ummantelung würde ferner auf vorteilhafte Weise die Bruchstücke und Splitter in deren Lage fixieren und so für eine weitere licht- oder rasterelektronenmikroskopische Auswertung zurückhalten
Literatur:

[1] Guiberteau, F., Padture, N.P., Lawn, B.R.: Effect of grain size on Hertzian contact damage in alumina, J. Am. Ceram. Soc. 77 (1994) 1825 – 1831
[2] US 5 760 312 A

1.: Grundkörper
2.: erster Lasteinleitungskörper, erste Kugel
3.: zweiter Lasteinleitungskörper, zweite Kugel
4.: Stempel
5.: Aufnahme
6.: Probe
7.: Belastung
8.: Symmetrielinie
9.: Unterseite
10.: Aussparung
11.: Dehnungsmessstreifen (DMS)

Claims

Verwendung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Kontaktfestigkeit einer Probe (6) mit einer ersten und einer zweiten planparallel zueinander ausgerichteten Oberfläche, umfassend a) einen ersten Lasteinleitungskörper (2) mit einer ersten kugelförmigen Auflagerfläche, welche auf der ersten Oberflächen der Probe, (6) aufliegt, b) ein Auflager, auf dem die Probe mit der zweiten Oberfläche aufliegt, sowie c) eine Belastungsvorrichtung zum Andrücken des ersten Lasteinleitungskörpers (2) auf die Probe, wobei eine Krafteinleitung über die erste Auflagerfläche orthogonal auf die erste Oberfläche erfolgt und das Auflager als Gegenlager der Belastungsvorrichtung dient, wobei d) das Auflager ein zweiter Lasteinleitungskörper (3) mit einer zweiten kugelförmigen Auflagerfläche ist, welche orthogonal auf der zweiten Oberfläche gegenüber der ersten kugelförmigen Auflagerfläche positioniert ist.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasteinleitungskörper (2, 3) Kugeln sind.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die kugelförmigen Auflagerflächen der Lasteinleitungskörper (2, 3) aus einem Hartmetall, Hartstoff, einer Keramik oder aus einem gehärteten Metall bestehen.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundkörper (1) vorgesehen ist, welcher Führungselemente für die Lasteinleitungskörper (2, 3) sowie einen ausreichenden Raum zum Positionieren der Probe zwischen den Lasteinleitungskörpern (2, 3) aufweist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Führungsmittel zur Positionierung der Probe zwischen den Lasteinleitungskörpern (2, 3) vorgesehen sind.
Verwendung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungseinrichtung eine mit zwei Druckauflagern ausgerüstete Prüfmaschine ist.
Verwendung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe mindestens eine ebene Seitenfläche senkrecht zu den beiden Oberflächen aufweist.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe die Form eines Quaders oder einer Leiste mit rechteckigem Querschnitt aufweist.
Verwendung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seitenfläche der Probe im Bereich zwischen den Lasteinleitungskörpern ein Dehnungsmessstreifen (11) zur Messung der Dehnung parallel zu den beiden Oberflächen appliziert ist.
Verfahren zur Bestimmung der Kontaktfestigkeit einer Probe (6) mit zwei planparallel zueinander ausgerichteten Oberflächen, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellung einer Belastungsvorrichtung, umfassend zwei Lasteinleitungskörper mit kugelförmiger Auflagerfläche, b) Einsetzen der Probe zwischen die Lasteinleitungskörper, wobei die Auflagerflächen der beiden Lasteinleitungskörper auf den beiden Oberflächen aufliegen und die Verbindungslinie der beiden Auflagerflächen orthogonal zu den Oberflächen verläuft, c) Aufbringen einer Prüfkraft als Prüfbelastung in einem kraftgesteuerten Rampenversuch, wobei die Prüfkraft über die Zeit aufgenommen wird, d) Erfassung der maximalen Prüfkraft im Moment des Probenbruchs, sowie e) Berechnung der Kontaktfestigkeit aus der maximalen Prüfkraft, den elastischen Konstanten und Querkontraktionszahlen des Probenmaterials und der Lasteinleitungskörper.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe mindestens eine Seitenfläche aufweist, wobei auf dieser Seitenfläche im Bereich zwischen den Lasteinleitungskörpern ein Dehnungsmessstreifen (11) zur Messung der Dehnung parallel zu den beiden Oberflächen appliziert ist wird Prüfkraft über die Verformung aufgenommen wird.