DE1573671A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialpruefung - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Materialprüfung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialprüfung einer Probe mittels einer Zerreißmaschine. Ui über die mechanischen Werkstoffeigenschaften detailliertere Informationen zu erhalten, als es mit konventionellen Versuchen, d.h. Versuchen in hydraulisohej Zerreißmaachinen und mit MbrtenasplegelgerEten, mbglich ist, werden in zunehmendem Masse vollelektrisoh ausgestattet, "mechanische", auf dem Prinzip des Spindelantriebs beruhende Zerreißmaschinen zur Werkstoffprüfung eingesetzt0 Diese recht kostspieligen mechanischen Zerreißmaschinen gestatten vor allem in mehr oder weniger guten Maße die Aufrechterhaltung einer konstanten Verformungsgeschwindigkeit #, wohingegen die hydraulischen Prüfmaschinen nur eine häherungoweise Konstanthaltung der Belastungsgeschwindigkeit #erlauben-und auch das meist nur mit Hilfe von Zusatzgeräten. Wenngleich Versuche mit konstanten &durchaus Ergbenisee liefern können, die nicht weniger wichtig sind als solche aus Versuchen mit konstanten es es dürfen aber nach dem heutigen Stand der Xetallphysik Versuche mit S = const. nicht durch solche mit #- const. ersetzt werden,und es darf ferner nicht übersehen werden, daß Versuche mit konstanter Belastungsgaschwindigkeit prinzipielle Nachteile haben.
• Zum einen lassen nämlich Verfestigungskurven mit # = const. keine eprunghaften Änderungen des-Werkstoffverhaltens, die Ja von besonderem Interesse sind, erkennen, wie sie beispielsweise bei ausge@rägten Streckgrenzen und im Bruchbereich auftreten. Zum anderen können bei dieser Verauchsführung sehr störende Kaschirenschwingungen und so große Verformungsgeschwindigkeiten auftreten, daß eine hinreichend genaue Dehnungsmessung nicht möglich ist. Darüber hinaus haben die hydraulischen Zerreßmaschinen den Nachteil, daß sich vor allem im Zugversuch bei unerwartet intretendezt Probenbruch die Bruchflächen der Probe so weit voneinander entfernen, daß der Dehnungsaufnehmer beschädigt werden kann, weswegen vor allem die modernen induktiven Dehnungsaufnehmer bei hydraulischen Masehinerl nicht risikolos benutzt werden können. Selbst mechanische Zerreißmaschinen sind oft noch so " weich", daß 2 Bo ausgeprägte Streckgrenzen und Bruchvorgäng nur sehr verfälscht gemessen werden können.
• Der Erfindling liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Materialprüfung zu schaffen, welches einen Versuch mit einem wchldefinierten Verlauf der Probendehnung # zu fahren gestattet, beispielsweise mit konstanter Belastungsgeschwindigkeit #.
• Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß der zu verformenden Probe, Stäbe kraftmäßig parallelgeschaltet werden, die so dimensioniert sind, daß sie bis in den Bereich der plastischen Verformung hinein @ ausschließlich reversible Deformationen erleiden, Vorzugsweise nehmen dabei die Staäbe stets den größeren Teil der von der Zerreißmaschine aufgebrachten Last auf, Bei einer solchen Anordnung wird die Dehnung im wesentlichen durch die elastische Verformung bestimmt, welche die Stäbe unter dem Einfluß der von der Zerreißmaschine aufgebrachten Last erfahren. Man arbeitet also mit einer ziemlich genau definierten Dehnung #. Beim Bruch der Probe entfernen sich die Bruchflächen nur wenig voneinander, und die aufgenommenen Verformungskurven geben das wahre Werkstoffverhalten weitgehend unverfälscht wieder. Die Stäbe sind zweckmäßigerweise Stahlstäbe relativ großen Querschnitts und mit einer im Vergleich zur Grobe großen Länge, Durch den großen Querschnitt wird trotz der lange eine ausreichende Steifigkeit erzielt, während die relativ große Länge der Stäbe sicherstellt, daß sie bei der gewünschten Dehnung immer noch im elsstischen Bereich arbeiten Wenn hierbei die Last der Zerreifimaschine mit konstanter Geschwindigkeit geänder wird, dann ergibt sich an der Probe eine konstante Verformungsgeschwindigkeit.
• Eine Vorrichtung zur Ausnützung des beschriebenen Verfahren. mit Probeneinspanngliedern, zwischen denen eine Kraft zur Beiastung einer dazwischen eingespannten Probe erzeugbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, da2 zwischen den Probeneinspanngliedern elastisch deformierbare, der Probe kraftmäßig parallelgeschaltete Stäbe vorgeaehen sind0 Vorteilhafterweise ist eine solche Vorrichtung als eine wahlweise in eine übliche Materialprüfmasschine einsetzbare Zusatzeinrichtung ausgeführt, indem die beaagten Probeneinspannglieder ihrerseits in die Backen bzw. in die Einspannvorrichtung der Zerreißmaschine einspannbar sind.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Abbildungen dargestellt und im folgenden beschrieben: Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine als Zusatzeinrichtung zu einer üblichen Zerreißmaschine ausgefuhrte Vorrichtung nach der Erfindung Fig. 2 ist eine zugehörige Seitenansicht Die beiden Blöcke (3a), 5 der Zusatzeinrichtung sind in, die Einspannbacken 7, einer Zerreißmaschine eingespannt. Die Blöcke 3a, 5 dienen ihrerseits als Halterung für die beiden der probe 1, kraftmäßig parallelgesPhalteten Parallelstäbe 6a, 6b. Die Parallelstäbe sind derart mit den Blöcken 5, 3a verbunden, daß bei etwaigen Exzentritäten in der Anordnung in den Parallelstäben keine Biegemonente auftreten können. In Block 5 ist zwischen den beiden Parallelstäben die zur Kraftmessung dienende Lastzelle 4 mitt l@ einer Kugelflächenlagerung so beweglich angebracht, daß sie herauagenommen, um ihre Achse gedreht und so bewegt werden kann, daß die Probe 1 biegemomentfrei eingeschraubt oder eingespanntwerden kann. probe 1, Lastzelle 4 und Verbindungsstück 2a sind kraftmäßig in Serie geschaltet0 Das Verbindungssttick 2a verbindet die Probe 1 mit Block 3b und ist in diesem, wie die Lastzelle, zur Vermeidung von Biegemomenten kugelig gelagert, Um Proben verschiedener Geometrie einsehen zu können, kann das Verbindungsstuck'2a ausgewechselt und in die Lastzelle 4 ein geeignetes Übergangsstück eingesetzt werden0 Die Parallelstäbe laufen durch Bohrungen des Blokkes 3b, Dehnungen der Parallelstäbe werden also nicht auf den Block 3b übertragen. Block 3b kann bei der Montage des Zusatzgerätea und beim Einbau der Proben in einfacher Weise gegen die Parallelstäbe zentriert werden, und zwar durch an ihm angebrachte Führungen 8b, die mittels Flügelschrauben leicht gelöst bzwO festgestellt werden können. Durch das Gewindestück 3c wird Block 3b mit Block 3a verbunden. Dieses Gewindestück hat in seinen beiden Hälften gegenläufiges Gewinde, durch eine Drehung dieses Gewindestücks können die Blöcke geaneinander bewegt werden, wodurch der probe eine gewisse, mit. der Lastzelle meßbare Vorspannung gegeben werden kann0 Die Dehnung des Gewindestücks geschieht durch Stahlstifte, die in radiale Bohrungen 9 des Gewindestücks eingesetzt werden, Die Probendehnung wird mit einem Extensometer, beispielweise einem induktiven Dehnungsaufnehmer, der auf die Probe auf gesetzt wird, gemessen.
• Die Ermittlung der Spannungs-Dehnungs-Kurven der Proben geschieht so, daß die Probe zunächst in das Verbindungsstück 2a und die Lastzelle 4 eingesetzt wird0 Dabei wird zweckmäßigerweise eine geringe Vorlast der Zerreißmaschine eingestellt, weil dann kein Wackeln oder Venatachen auftreten kann0 Danach wird die Grobe in geschilderter Weise durch das Gewindestück 3c um eine geringe, definierte Last vorgespannt, ohne daß der Extensometer dabei eingeschaltet wird. Auf diese Weise werden die bei der Selbstzentrierung der Probe auftretenden Einspiel-Effekte nicht registriert0 Wird danach die Zusatzeinrichtung durch die Zerreßmaschine zunehmend unter Last gesetzt, so verformen sich die Parallelstäbe elastisch.
• Auf die Probe wird dabei nur kleiner Tell, beispielsweise 10 bia So ç der Jeweiligen Last d4r @erreißmaschine übertragen, da die Parallelstäbe eine weit größere Pederkonstante haben als die Probe selbst. Dagegen tritt in den Proben eine weit höhere relative Dehnung als in den Pa'rallelstäben auf, da die Parallelstäbe erheblich länger sind als die Probe. Ist die Ze@@eißmaschine auf Vollast gefahren, ohne daß die Probe gebrochen ist, ao hat die Probe eine gewisse plastische Verformung erfahren, während die Parallelstäbe auf Grund ihrer Dimensionierung immer reiti slastisch-reversibel verformt werden. Wird die Zerreißmaschine jetzt von Vollast auf eine geringe Vorlast zurückgestellt, so, kann die Probe durch das Gewindestück 3c nachgespann@ und in gleicher Weise erneut um ein weiteres Stuck plastisch, verformt werden, und so fort,. In der geschilderten Art kann die Probe bis zum Bruch gefahren werden, das jeweilige Nachstellen nach Erreichen der Maschinen-Vollast nimmt n,iir wenig Zeit in Anspruch.
• Die große Härte" der Zusatzeinricht,ung wird erkennbar, wenn die Probe bricht. Während sich in einer weichen Maschine beim Probenbruch die Brüchflächen weit voneinander entfernen tritt das beim Einsatz der Zusatzeinrichtung wegen der Stütz wirkung der Parallelstäbe n in viel geringerem Maße auf, Die Lastzelle ist im Prinzip nur ein Rohr aue hoehfestem Stahl, mit der bereits beschriebenen Kugelflächenlagerung, dieses Rohr besitzt eine geringförmige Nut, in der radiale Bohrungen angebracht sind. Lastzelle und Verbindungsstück 2a sind eo stark dimensioniert daß durch deren (elastische) Verformung keine nennenswerte MinderuE der Härte der Zusatzeinrichtung eintritt, Trotzdem hat die Lastzell eine hohe Meßgenauigkeit, da die Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen, die in der Nut, gegen mechanische Beschädigung und Temperaturechwankungen geschützt, angebracht sind, eine sehr hohe Empfindlichkeit haben. Die Zuleitungen zu den Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen werden durch die radialen Bohrungen in das Rohrinnere geleitet, wo notwendigenfall s auch die Temperatur-Kompensations-Dehungsmeßstreifen für de Brückenschaltung der Dehnungsstreifen untergebracht werden.
• 1J;'ine derartige Kompensation wird nicht benötigt, wenn Je zwei Halt. leiter-Dehnungemeßstreifen positiven und negativen k-Faktors benutzt werden. Zwischen die Last zelle bzw. den elektrischen Extensometer einerseits und einem X-X-Koordinatenschreiber andererseits7 der zweckmäßigerweise zur Aufzeichnung der Spannungs-Dehnungs-Kurve eingesetzt wird werden geeignete, konventionelle Meßbrücken oder Verstärker geschalteto Die Absoluteichung der Zusatzeinrichtung kann mit Hilfe einer geometrisch,definterten Probe mit bekannten H-Modul geschehen.
• Pie weitgehende Konstanthaltung der Verformungsgeschwindigkeit # kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß in die K,raftmeßeinrichtung der jeweiligen Zerreißmaschine ein frei drehbarer Zusatzzeiger eingebaut wird, dem mittels eines geeigneten Uhrwerks eine vorgegebene Umlaufgeschwindigkeit erteilt wird. Während des Versuches wird die BelastungsgeschwindigkeiX der Zerreißmaschine dann so geregelt, daß der die Last anzeigende Zeiger mit derselben Geschwindigkeit umläuft wie der Zusatzzeiger. Die Verformungsgeschwindigkeit # der Probe ist dann weitgehend konstant, weil bei dieser Anordnung die Verformungsgeschwindigkeit 6 der Probe etwa proportional der Belastungsgeschwindigkeit der Zerreißmaschine ist, während üblicherweise die Belastungsgeschwindigkeit # der Probe der Belastungsgeschwindigkeit der Zerreißmaschine proportional ist, Für Versuche bei Raumtemperatur kann die Zusatzeinrichtung verhältnismäßig klein gehalten werden Für Versuche bei hohen oder niedrigen Temperaturen muß genügend Raum für die Heiz- und Kühleinrichtung geschaffen werden. Dabei kann die Länge der Parallel stäbe ohne Minderung der Härte der Zusatzeinrichtung beliebig erhöht werden, wenn nur das Verhältnis Parallelstablänge zu Parallelstab- Querschnittsfläche konstant gehalten und die übrigen Teile der Zusatzeinrichtung starr genug ausgebildet werden. Bei Ver suchen mit stark erhöhten oder erniedrigten Temperaturen muß durch geeignete konstruktive Ausbildung des Zusatzgerätes dafür gesorgt werden, daß die Last zelle auf konstanter Temepratur, die nicht zu stark von der Raumtemperatur abweichen darf, gehalten wird. Notwendigenfalls müssen die Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen durch konventionelle Dehnungsmeßstreifen ersetzt werden.
• Das der Zusatzeinrichtung zugrunde liegende Prinzip kann auch für Druekversuche ausgenutzt werden. Dazu muß nur dafür gesorgt werden, daß die Parallelstäbe nicht ausknicken können. Die konstruktive Durchbildung einer solchen Zusatzeinrichtung für Druckverscuheist analog ru dem Geschilderten für Zugversuche möglich0 In Betracht gesogene Druckachriften : lo Dirk J. Boerman Ehe influence of the deflection of an electromachanically operated tensile machine on the stress-strain diagram Materialprüfung 7 (1965) SO 159/64 20 F.E. Buresch Die wahre Verformungsgeschwindigkeit beim Zugversuch Materialprüfung 6 (1964) Nr. 9 3. W. G. Johnston Yield Point@@ and Delay Times in Single Orystals Journal of Applied Physics, Vol. 33,No. 9, 2716-273o, Sept.
• 1962 4. W.+ T. Avery Ltd. , Soho Foundry, Birmingham ,40 Stiffness compensator for hydraulic testing machines Materialprüfung 7 (1965), Nr9 3

Claims (1)

1. Patentansprüche 1,) Verfahren zur Materialprüfung einer Probe mittels einer Zerreiß" maschine, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verformenden Probe (1) Stäbe (6a,6b) kraftmäßig parallelges,chaltet -werden, die so dimensioniert sind, daß sie bis in den Bereich der plastischen Verformung hinein, ausschließlich reversible Deformationen erleiden, 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe ( 6a,6b) stets den größeren Teil der von der Zerreiß maschine aufgebrachten Last aufnehmen.

   3.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Last der zerreißma. schine mit konstanter Geschwindigkeit geändert wird4 4.) Vorrich ng zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit Probeneinspanngliedern, zwischen denen eine Kraft zur Belastung einer dazwischen eingespaneten Probe erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Probeneinspanngliedern (5,3a, 3b,2a) elastisch deformierbare, der probe (1) kraftmäßig parallelgeschaltete Stäbe (6a,6b) vorgesehen sind0 5M) Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als wahlweise in eine übliche Materialprüfmaschine einsetzbare Zu satzeinrichtung ausgeführt ist, indem die besagten Probeneinspannglieder (5,3a) ihrerseits in die Backen bzwO in die Einspannvorrichtung (7) der Zerreißmaschine einspannbar sind.

   6.) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probeneinspannglieder von zwei Blöcken (5,3a,3b) gebildet werden9 Zwischen denen die Probe (1) über auf kugeligen Lsgerflächen beweglich gelagerte. Verbindungsstücke (4,2s) einspannbar ist.

   7.) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eines der besagten Verbindungsstücke ein Lastmeßg,lied(4), kraftmäßig mit der probe (1) in Reihe liegend, enthält.

   8.) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lastmeßglied ein unter dem Einfluß der Last proportional zu dieser elastisch deformierbarer Körper (4) ist , dessen Dehnung mit. teils Dehnungsmeßstreifen gemessen wird.

   9.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Probe kraftmäßig parallelgeschalteten Stäbe (6a,6b) in symme-trischer Anordnung zu besagten Yerbinungsgliedern (4,2a) an den Blöcken (5,3a) angebracht sind.

   10.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis q, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Blöcke zweigeteilt ist und die beiden Teile durch eine Spannvorrichtung miteinander verbunden sind, und daß der innere Teil (3b). das Verbindungsstück (2a) trägt, während der. äußere Teil (3a) in die Einspannvorrichtung (7) der Zerreißmaschine einspannbar ist, 11,) Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil (3b) des geteilten Blocke einen Durchbruch mit einer Schulter aufweist, wobei sich an der Schulter ein ringförmiger Lagerteil mit einer hohlkugeligen Lagerfläche für das mit einer entsprechend kugeligen Fläche (2b) versehene und durch den Durchbruch hindurchragende Verbindungstück (2a) abstützt, und daß in dem erweiterten Stück des Durchbruches und in eine gegenüberliegende Bohrung des äußeren Teiles (3a) des Blockes ein Gewindestück (3c) mit Linke- bzw. Rechtsgewinde eingeschraubt und durch Nachstellmittel (9) verdrehbar ist.