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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung
zur Durchführung
von dynamischen Zugversuchen an Prüfkörpern, bei denen durch Impulseinleitung
einer von zwei massiven Körpern,
zwischen denen der Prüfkörper eingespannt
ist, gegenüber
dem anderen massiven Körper
beschleunigt wird, um eine dynamische Zugbeanspruchung des Prüfkörpers zu
erreichen.
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Dynamische
Zugversuche, wie sie mit dem vorliegenden Verfahren sowie der zugehörigen Einrichtung durchführbar sind,
werden vor allem im Bereich der Werkstoffprüfung eingesetzt. Sie liefern
vielfältige
Informationen, die insbesondere zur Ableitung prognosefähiger Werkstoffgesetze
für die
Simulation des Werkstoffeinsatzes unter realistischen Einsatzbedingungen
Verwendung finden.
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In
der Werkstoffprüfung
ist die Erzeugung hoher Verformungsraten für Zugversuche technisch sehr aufwendig.
Während
hohe Verformungsraten für
Druckbelastungen beispielsweise durch den Taylor-Test sowie bei
sehr hohen Raten durch den Planar-Platten-Impakt-Test zu erzeugen sind, werden Zugversuche
heutzutage noch mit dem Fallhammer oder mit einer hydraulischen
Schnellzerreissmaschine durchgeführt.
Die mit diesen Techniken erreichbaren Abzugsgeschwindigkeiten liegen im
Maximum bei etwa 20 m/s. Die Dehnrate errechnet sich dann aus dem
Verhältnis
von Abzugsgeschwindigkeit zur Länge
des verformbaren Teils des Prüfkörpers.
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Ein
Nachteil von Zugversuchen an Normprüfkörpern mit dieser herkömmlichen
Technik ist die Begrenzung der Abzugsgeschwindigkeit auf ca. 20
m/s. Weiterhin muss der Prüfeinrichtung
ein erheblicher Vorlaufweg zur Verfügung gestellt werden, damit
die gewünschte
Abzugsgeschwindigkeit erreicht ist, bevor der Prüfkörper belastet wird, um die
Verformung des Prüfkörpers mit
konstanter Geschwindigkeit vollziehen zu können. Daher sind aufwendige
mechanische Verfahren nötig,
damit der Aktuator nach Erreichen der Abzugsgeschwindigkeit den
Prüfkörper greift
und möglichst
schwingungsarm beschleunigt. Auch eine Durchführung derartiger Zugversuche
in verschiedenen Medien, wie beispielsweise Druckwasserstoff, ist
mit erheblichen Problemen verbunden, da eine bewegliche Durchführung in
den Prüfraum
erforderlich ist, die zur Umgebung hin abgedichtet werden muss.
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Aus
der
DE 101 44 416
A1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung
viskoelastischer Kenngrößen bekannt,
bei denen eine Probe zwischen einem Eingangsstab als Impulsübertragungskörper und einem
Ausgangsstab als Impulsaufnahmekörper
angeordnet wird. Nach einem Schlag auf ein vorderes Ende des Eingangsstabes
werden die erzeugte einlaufende und reflektierte mechanische Welle
im Eingangsstab und die sich vom Eingangsstab aus durch die Probe
hindurch in den Ausgangsstab ausbreitende transmittierte Welle im
Ausgangsstab gemessen.
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Die
US 2520979 beschreibt eine
Vorrichtung für
dynamische Zugversuche, bei der die Probe an einem Ende in einem
Gewichtskörper
eingeschraubt ist und am anderen Ende in einer Bohrung eines Impulsübertragungs körpers an
einer Haltestange befestigt ist. Die Haltestange ist bis zu einem
Anschlag innerhalb des Impulsübertragungskörpers beweglich
und weist eine Sollbruchstelle auf. Bei der Messung wird der Impulsübertragungskörper gegen
einen Amboss beschleunigt, so dass beim Auftreffen auf den Amboss
eine stoßartige Zugbelastung
der Probe resultiert.
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Die
DD 71389 beschreibt eine Vorrichtung
zur Befestigung von Zugproben in einer Schlagprüfmaschine. Hierbei wird ein
Stößel als
Beschleunigungskörper
mittels Gasdruck in einem senkrecht angeordneten Lauf nach unten
bewegt und trifft dort auf den Kopf einer Zugprobe, die an ihrem
anderen Ende in eine Rundstahlseele eingeschraubt ist.
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Aus
der
JP 04065651 A ist
eine Prüfvorrichtung
bekannt, bei der die Zugbelastung der Probe durch Reflexion einer
Stoßwelle
erfolgt, die durch einen Beschleunigungskörper an einem mit der Probe
verschweißten
Impulsübertragungskörper ausgelöst wird.
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Weiterhin
kann der
US 5677694
A eine Einrichtung für
dynamische Zugversuche entnommen werden, bei der die Probe zwischen
zwei Platten eingespannt ist und die Impulsübertragung durch eine spindelbetriebene
Prüfmaschine
beim Reißen
einer geschwächten
Starterprobe erfolgt.
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Eine
weitere Technik zur Durchführung
von dynamischen Zugversuchen ist aus den Veröffentlichungen von Y. Wang
et al.: Strain rate sensitivity of tensile properties in Ti-47Al-2Mn-2Nb-0.8TiB2 alloy, Materials Letters 40 (1999) 140–145; L.G.
Melin et al.: Effects of strain rate on transverse tension properties
of a carbon/epoxy composite: studied by moiré photography, Composites:
Part A 30 (1999) 305–316,
und W. Chen et al.: Tension and compression tests of two polymers
under quasi-static and dynamic loading, Polymer Testing 21 (2002)
113–121,
bekannt. Diese Technik beruht auf dem Einsatz von so genannten SHPB's (Split Hopkins Pressure
Bars), die aus der Durchführung
von Druckversuchen bekannt sind. In den genannten Veröffentlichungen
wird die Versuchseinrichtung derart abgewandelt, dass mit diesen
SHPB's auch Zug-
und Torsionsversuche durchgeführt
werden können.
Für die
Durchführung
der Zugversuche wird der Prüfkörper zwischen zwei
massiven Stäben
eingespannt. Einer der Stäbe
ist auf einer der Einspannungsseite gegenüber liegenden Stirnseite fixiert.
Der andere Stab weist auf der gegenüber liegenden Seite ein Querhaupt
auf, gegen das ein die Stäbe
umschließender
Ring geschossen wird. Auf diese Weise wird der mit dem Querhaupt
verbundene Stab gegenüber
dem anderen Stab beschleunigt, so dass eine dynamische Zugbeanspruchung
des Prüfkörpers resultiert.
An beiden Stäben
sind Dehnungsmessstreifen befestigt, mit denen die über das
Querhaupt eingeleitete, über
die beiden Stäbe
und den Prüfkörper übertragene
und am Ende der Versuchseinrichtung reflektierte Stoßwelle gemessen
wird. Zur besseren Erfassbarkeit der Stoßwellen weisen die Stäbe dabei
in der Regel die gleiche Länge
auf. Aus den aufgezeichneten Messdaten lässt sich dann das Dehnverhalten
des Prüfkörpers ableiten.
Diese indirekte Bestimmung des Dehnverhaltens ist jedoch aufwendig
und aufgrund der Nutzung der übertragenen
und reflektierten Stoßwelle,
die sich nicht immer ideal eben ausbreitet, auch störanfällig. Eine
Durchführung
des Zugversuchs in einem druckbeaufschlagten Medium stößt jedoch
auch bei dieser Technik auf erhebliche Probleme und erfordert einen
hohen technischen Aufwand.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Durchführung von
dynamischen Zugversuchen an Prüfkörpern anzugeben,
die hohe Abzugsgeschwindigkeiten zur Erzielung höchster Dehnraten ermöglichen
und eine einfache Durchführung
der Zugversuche in unterschiedlichen Medien zulassen.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der zugehörigen Einrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw.
11 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Einrichtung
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Beim
vorliegenden Verfahren werden zumindest ein Impulsübertragungskörper, ein
Impulsaufnahmekörper
und ein Beschleunigungskörper
bereitgestellt, um den dynamischen Zugversuch am Prüfkörper durchzuführen. Der
Impulsübertragungskörper weist
auf einer Impulseingangsseite eine erste Stoßfläche und an einer der Impulseingangsseite
gegenüber
liegenden Impulsausgangsseite eine zweite Stoßfläche sowie zentrale Befestigungsmittel
für den
Prüfkörper auf.
Der Impulsaufnahmekörper
weist an einer Impulseingangsseite eine dritte Stoßfläche sowie
ebenfalls zentrale Befestigungsmittel für den Prüfkörper auf. Impulsübertragungskörper und/oder
Impulsaufnahmekörper
sind derart ausgebildet, dass der Impulsübertragungskörper an
der Impulsausgangsseite und/oder der Impulsaufnahmekörper an
der Impulseingangsseite eine zentrale Ausnehmung für die Aufnahme
des Prüfkörpers bilden.
Der Prüfkörper wird
in dieser Ausnehmung derart mit den Befestigungsmitteln zwischen
dem Impulsübertragungs körper und
dem Impulsaufnahmekörper
eingespannt, dass die zweite und die dritte Stoßfläche nach der Befestigung des
Prüfkörpers flächig aneinander
stoßen.
Zur Durchführung
des Zugversuches wird der Beschleunigungskörper gegen die erste Stoßfläche des
Impulsübertragungskörpers oder
einen auf dieser Stoßfläche aufliegenden
Hilfskörper
beschleunigt, so dass ein durch Impulsübertragung vom Impulsaufnahmekörper aufgenommener
Impuls zu einer dynamischen Zugbeanspruchung des Prüfkörpers führt. Das
aus der Zugbeanspruchung resultierende Dehnverhalten des Prüfkörpers wird
während
der Durchführung
des Zugversuches messtechnisch erfasst.
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Die
zugehörige
Einrichtung für
die Durchführung
des vorliegenden Verfahrens umfasst demnach zumindest den Impulsübertragungskörper, den
Impulsaufnahmekörper
sowie den Beschleunigungskörper
in der für
das Verfahren erforderlichen Ausgestaltung. Vorzugsweise sind alle
drei Körper
in Anlehnung an die Versuchseinrichtungen zur Durchführung von
Druckversuchen mit SHBP's
stabförmig
ausgebildet, wobei die Stoßflächen durch
die jeweiligen Stirnflächen
gebildet werden.
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Das
vorliegende Verfahren und die zugehörige Einrichtung beruhen somit
auf der Nutzung der Impulserhaltung beim Stoß. Der vorzugsweise stabförmige Beschleunigungskörper wird
auf den Impulsübertragungskörper geschossen,
der anschließend
den Impulsaufnahmekörper
beschleunigt. Am Ende des Impulsübertragungskörpers ist
der Prüfkörper befestigt
und in der Ausnehmung mit dem Impulsaufnahmekörper verbunden. Um den Prüfkörper herum
besteht flächiger
Kontakt zwischen den Stoßflächen des
Impulsübertragungskörpers und
des Impulsaufnahmekörpers.
Ein den Prüfkörper umschließender Kontakt
ist hierbei von Vorteil, jedoch nicht in jedem Falle erforderlich.
Der durch das Auftreffen des Beschleunigungskörpers in den Impulsübertragungskörper eingeleitete
Stoß wird
an den Impulsaufnahmekörper
weitergegeben und dieser dadurch beschleunigt. Die Geschwindigkeit,
die der Impulsaufnahmekörper
erreicht, hängt
von der Länge,
der Masse und dem Werkstoff des Beschleunigungskörpers, dem Werkstoff des Impulsübertragungskörpers und
der Länge,
der Masse und dem Werkstoff des Impulsaufnahmekörpers sowie selbstverständlich der
Geschwindigkeit des Beschleunigungskörpers ab. Durch geeignete Wahl
dieser Parameter können
daher nahezu beliebige Abzugsgeschwindigkeiten beim Zugversuch erreicht
werden, die mehr als 100 m/s betragen können. Geringere Abzugsgeschwindigkeiten
sind hierbei stufenlos einstellbar.
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Das
Verfahren sowie die Einrichtung ermöglichen eine fast sofortige
Beschleunigung des Impulsaufnahmekörpers auf die gewünschte Endgeschwindigkeit
und lösen
damit einfach und kostengünstig
das Problem des trägen
Aktuators beim üblichen
Versuchsaufbau. Hierbei ist weder eine aufwendige Einrichtung noch eine
lange Vorlaufstrecke erforderlich. Der Beschleunigungskörper lässt sich
mit beliebigen bekannten Techniken auf die jeweiligen Endgeschwindigkeiten
beschleunigen, wie beispielsweise über Gasdruck, Treibladungen
oder mechanische Techniken.
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Ein
besonderer Vorteil des vorliegenden Verfahrens sowie der zugehörigen Einrichtung
besteht darin, dass die Zugversuche problemlos unter verschiedenen
Medien durchführbar
sind. Hierzu wird der Impulsaufnahmekörper in ein hermetisch abschließbares Behältnis eingebracht,
dessen eine Wandung als Impulsübertragungskörper dient.
Der Beschleunigungskörper
kann von außen
entweder direkt auf diese Wandung oder auf einen vorzugsweise stabförmigen Hilfskörper geschossen
werden, der an dieser Wandung anliegt. Bei diesem Aufbau sind somit
keinerlei Durchführungen
für bewegliche
Teile in den Prüfraum,
d.h. das Innere des Behältnisses,
erforderlich. Gerade Zugversuche unter druckbeaufschlagten Medien,
beispielsweise in Druckwasserstoff, sind mit dem Verfahren und der
zugehörigen
Einrichtung daher problemlos und kostengünstig möglich. Mit dem Verfahren und
der zugehörigen
Einrichtung lassen sich selbstverständlich auch Normprüfkörper ohne
weiteres prüfen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird
das Dehnverhalten des Prüfkörpers über Dehnungsmessstreifen
erfasst, die auf einem Teil des Prüfkörpers befestigt werden, der
sich nicht plastisch, aber hinreichend elastisch verformt. Über diese
Dehnungsmessstreifen wird die Kraft am Prüfkörper während des Zugversuches direkt
erfasst. Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin,
die Dehnrate des Prüfkörpers optisch
durch eine Hochgeschwindigkeitsaufnahme während des Zugversuches zu erfassen.
Hierzu sind der Impulsübertragungskörper und/oder
der Impulsaufnahmekörper
im Bereich der Ausnehmung so ausgebildet, dass der Prüfkörper zumindest
auf einer Seite über
eine Öffnung
oder ein Fenster während
des Zugversuches beobachtet werden kann. Durch die optische Vermessung
des Prüfkörpers mit einer
Hochgeschwindigkeitskamera wird die Umrechnung der durch den Versuch
gelieferten technischen Spannungs-Dehnungskurve in eine wahre Spannungs-
wahre Dehnungskurve ermöglicht,
da neben der Dehnung auch die Einschnürung des Prüfkörpers in den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen
erkenn- und auswertbar ist. Die Möglichkeit der Bestimmung der
lokalen Verformung des Prüfkörpers erhöht auch
die Qualität
der Messung. Für
die Bestimmung des dynamischen Dehnverhaltens des Prüfkörpers eignet
sich vor allem das bekannte Verfahren der so genannten Grauwert-Korrelationsanalyse.
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Das
vorliegende Verfahren und die zugehörige Einrichtung ermöglichen
somit über
die direkte Messung der Kraft an der Probe und/oder des Abzugsweges
eine vereinfachte Auswertung für
die Bestimmung der Dehnrate. Die durch den Stoß erzeugte Druckwelle läuft hierbei
nur in einer Richtung durch die gesamte Einrichtung, so dass die
Einhaltung einer ebenen Stoßfront
gegenüber
den bekannten Verfahren des Standes der Technik erleichtert wird.
Die Einhaltung einer annähernd
gleichen Länge
von Impulsübertragungskörper und Impulsaufnahmekörper ist
beim vorliegenden Messprinzip nicht erforderlich. Vielmehr werden
vorzugsweise die Massen und Längen
von Beschleunigungskörper
und Impulsaufnahmekörper
annähernd
gleich gewählt.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Das
vorliegende Verfahren und die zugehörige Einrichtung werden nachfolgend
anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 ein Beispiel für den Aufbau
zur Durchführung
des vorliegenden Verfahrens;
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2 ein Beispiel für einen
Aufbau zur Durchführung
der Zugversuche unter einem druckbeaufschlagten Medium; sowie
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3 ein Beispiel für eine Hochgeschwindigkeitsaufnahme
bei der Durchführung
des vorliegenden Verfahrens.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau
der Einrichtung zur Durchführung
des vorliegenden Verfahrens. In der Figur ist der stabförmige Impulsübertragungskörper 1 zu
erkennen, der mit seiner zweiten Stoßfläche 12 an der dritten
Stoßfläche 13 eines
ebenfalls stabförmig
ausgebildeten Impulsaufnahmekörpers 2 anliegt.
Die Figur zeigt einen Zustand, bei der der Prüfkörper 4, eine Rundzugsprobe,
in einer im Impulsaufnahmekörper 2 ausgebildeten
Ausnehmung 5 zwischen dem Impulsübertragungskörper 1 und
dem Impulsaufnahmekörper 2 eingespannt
ist. Die Einspannung erfolgt über
in dieser Figur lediglich angedeutete Gewinde 7 als Befestigungsmittel.
Mittels Druckluft wird ein in der Figur ebenfalls stabförmig dargestellter
Beschleunigungskörper 3 auf
die erste Stoßfläche 11 des
Impulsübertragungskörpers 1 beschleunigt.
Durch Impulsübertragung über den
Impulsübertragungskörper 1 nimmt
der Impulsaufnahme körper 2 diesen
eingebrachten Impuls auf und wird ebenfalls in Pfeilrichtung beschleunigt.
Durch diese Beschleunigung wird der zwischen Impulsübertragungskörper 1 und
Impulsaufnahmekörper 2 eingespannte
Prüfkörper 4 gedehnt.
Die Dehnung lässt
sich über
das in der Figur ersichtliche Sichtfenster 6, im vorliegenden
Beispiel eine seitliche Öffnung
im Impulsaufnahmekörper 2,
mit einer Hochgeschwindigkeitskamera verfolgen, aus deren Bildern
die wahre Spannungs- wahre Dehnungskurve des Prüfkörpers 4 abgeleitet
werden kann.
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Die
Länge des
Beschleunigungskörpers 3 sowie
des Impulsaufnahmekörpers 2 sind
in diesem Beispiel annähernd
gleich, so dass schwingungsarme Messungen ermöglicht werden.
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Für die Auswertung
wird vorzugsweise eine Messung des Abzugsweges des Impulsaufnahmekörpers 2 vorgenommen.
Hierfür
können
gleichwertig berührende
sowie berührungsfreie
Messverfahren zur Anwendung kommen, insbesondere auch die Grauwert-Korrelationsanalyse.
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2 zeigt ein weiteres Beispiel
für eine
Ausgestaltung der vorliegenden Einrichtung sowie die Durchführung des
vorliegenden Verfahrens. Bei diesem Beispiel wird der Zugversuch
in einem geschlossenen Behälter 9 durchgeführt, dessen
eine Wandung 10 als Impulsübertragungskörper 1 dient.
In diesem Beispiel befindet sich der Impulsaufnahmekörper 2 innerhalb
des Behälters 9.
Der Prüfkörper 4 ist
zwischen dem Impulsaufnahmekörper 2 und
der Behälterwandung 10 eingespannt.
Auch hier weist der Impulsaufnahmekörper eine entsprechende Ausnehmung 5 mit
einem zugehörigen
Sichtfenster 6 auf, wie dies bereits im Zusammenhang mit
der 1 erläutert wurde.
Auch der Behälter 9 weist
ein entsprechendes Sichtfenster auf, um den Prüfkörper 4 während des
Zugversuches von außen
beobachten zu können.
In den Behälter 9 kann
im vorliegenden Beispiel ein Medium eingebracht werden, beispielsweise
Wasserstoffgas unter hohem Druck, um den Zugversuch innerhalb dieses
Mediums durchzuführen.
Da der mit dem Beschleunigungskörper 3 eingeleitete
Impuls durch die Behälterwand 10 auf
den Impulsaufnahmekörper 2 übertragen
wird, sind keine Durchfügungen
für bewegliche
Teile durch die Behälterwände erforderlich.
Der Aufwand für
die Durchführung
eines derartigen Versuches ist daher sehr gering.
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Vorzugsweise
wird hierbei zusätzlich
ein stabförmiger
Hilfskörper 8 eingesetzt,
der mit der als Impulsübertragungskörper 2 dienenden
Behälterwandung 10 in
flächigem
Kontakt steht und in dessen gegenüber liegende Stirnfläche der
Impuls über
den Beschleunigungskörper 3 eingebracht
wird. Die Messung des Dehnverhaltens des Prüfkörpers 4 selbst kann
in der gleichen Weise erfolgen, wie dies bereits im Zusammenhang
mit der 1 erläutert wurde.
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Die 3 zeigt ein Beispiel für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen,
die bei Durchführung
eines dynamischen Zugversuches mit einer Einrichtung gemäß 1 aufgezeichnet wurden.
Die Versuche wurden mit einer Rundzugprobe aus Stahl C45 als Prüfkörper 4 durchgeführt, die
einen Durchmesser von 4 mm und eine Messlänge von 20 mm aufwies. Die
Befestigung an dem Impulsübertragungskörper 1 sowie
dem Impulsaufnahme körper 2 erfolgte über ein
M10-Maschinengewinde. Impulsübertragungskörper 1,
Impulsaufnahmekörper 2 sowie
Beschleunigungskörper 3 wurden
aus gehärtetem
Stahl gefertigt und wiesen einen Durchmesser von 30 mm auf. Die
Länge des
Beschleunigungskörpers 3 sowie
des Impulsaufnahmekörpers 2 betrugen
100 mm, der Impulsübertragungskörper 1 wies
eine Länge
von 200 mm auf. In den Impulsaufnahmekörper 2 war das Sichtfenster 6 zur
Beobachtung des Prüfkörpers 4 gefräst. Der
Beschleunigungskörper 3 wurde
mittels Druckluft auf Geschwindigkeiten zwischen 30 und 70 m/s beschleunigt.
Die Geschwindigkeit des Impulsaufnahmekörpers 2 wurde mittels
einer Hochgeschwindigkeitskamera optisch vermessen.
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In
der 3 sind hierbei fünf Hochgeschwindigkeitsaufnahmen
ersichtlich, die jeweils einen Teil des Impulsübertragungskörpers 1,
des Impulsaufnahmekörpers 2 sowie
den dazwischen eingespannten Prüfkörper 4 in
unterschiedlichen Zeitabständen
nach dem Auftreffen des Beschleunigungskörpers 3 auf den Impulsübertragungskörper 1 zeigen.
Aus der Figur ist deutlich das zeitliche Dehnverhalten des Prüfkörpers 4 zu
erkennen. Durch Auswertung dieser Aufnahmen lässt sich das Spannungs-Dehnungsverhalten
des Prüfkörpermaterials
auf einfache Weise ableiten. Die Zusammenhänge hierfür sind dem Fachmann bekannt.
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