DE1573671B2 - Vorrichtung zur ausuebung von zug- und druckversuchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausübung von Zug- und Druckversuchen unter definierten Verformungsbedingungen mit Probeneinspann-

65 gliedern, zwischen denen eine Kraft zur Belastung einer dazwischen eingespannten Probe erzeugbar ist.

Um über die mechanischen Werkstoffeigenschaften detailliertere Informationen zu erhalten als es mit konventionellen Versuchen, d. h. Versuchen in hydraulischen Zerreißmaschinen und mit Martensspiegelgeräten, möglich ist, werden in zunehmendem Maße vollelektrisch ausgestattete, »mechanische«, auf dem Prinzip des Spindelantriebs beruhende Zerreißmaschinen zur Werkstoffprüfung eingesetzt. Diese recht kostspieligen, mechanischen Zerreißmaschinen gestatten vor allem in mehr oder weniger gutem Maße die Aufrechterhaltung einer konstanten Verformungsgeschwindigkeit έ, wohingegen die hydraulischen Prüfmaschinen nur eine näherungsweise Konstanthaltung der Belastungsgeschwindigkeit σ erlauben, und auch das meist nur mit Hilfe von Zusatzgeräten. Wenngleich Versuche mit konstanten σ durchaus Ergebnisse liefern können, die nicht weniger wichtig sind als solche aus Versuchen mit konstanten έ, so dürfen aber nach dem heutigen Stand der Metallphysik Versuche mit έ=const, nicht durch solche mit σ=const, ersetzt werden, und es darf ferner nicht übersehen werden, daß Versuche mit konstanter Belastungsgeschwindigkeit prinzipielle Nachteile haben. Zum einen lassen nämlich Verfestigungskurven mit σ=const, keine sprunghaften Änderungen des Werkstoffverhaltens, die ja von besonderem Interesse sind, erkennen, wie sie beispielsweise bei ausgeprägten Streckgrenzen und im Bruchbereich auftreten. Zum anderen können bei dieser Versuchsführung sehr störende Maschinenschwingungen und so große Verformungsgeschwindigkeiten auftreten, daß eine hinreichend genaue Dehnungsmessung nicht möglich ist. Darüber hinaus haben die hydraulischen Zerreißmaschinen den Nachteil, daß sich vor allem im Zugversuch bei unerwartet eintretendem Probenbruch die Bruchflächen der Probe so weit voneinander entfernen, daß der Dehnungsaufnehmer beschädigt werden kann, weswegen vor allem die modernen induktiven Dehnungsaufnehmer bei hydraulischen Maschinen nicht risikolos benutzt werden können. Selbst mechanische Zerreißmaschinen sind oft noch so »weich«, daß z.B. ausgeprägte Streckgrenzen und Bruchvorgänge nur sehr verfälscht gemessen werden können.

Es ist eine mechanische Zerreißmaschine bekannt, bei welcher in Einspanngliedern eine relativ steife, rohrförmige Probe eingespannt ist. Innerhalb dieser rohrförmigen äußeren Probe ist eine stabförmige innere Probe mit einer Einschnürung angeordnet. Diese stabförmige innere Probe ragt innerhalb der topfförmigen, mit Innengewinde versehenen Einspannglieder über die darin eingeschraubten Enden der rohrförmigen äußeren Probe hinaus, und Muttern die auf die Enden der inneren Probe geschraubt sind, sind gegen die Stirnflächen der äußeren Probe festgezogen (Transactions of the Metallurgical Society of AIME, 230 [1964], S. 438 und 439).

Bei der bekannten Anordnung ist die rohrförmige äußere Probe unmittelbar in den Einspanngliedern gehalten. Die innere Probe, deren Verhalten eigentlich interessiert, ist nicht sichtbar und ist außerdem nicht unmittelbar in Einspanngliedern gehalten, sondern nur über die Muttern mit der äußeren Probe verspannt. Es kann dabei nicht eine genaue Zentrierung und genau axiale Krafteinleitung gewährleistet werden. Es sind außerdem zwei Gewinde kraftmäßig hintereinandergeschaltet.

3 4

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zu- werden kann. Probe 1, Lastzelle 4 und Verbindungsgrunde, unter Vermeidung der geschilderten Nach- stück la sind kraftmäßig in Serie geschaltet. Das teile eine Vorrichtung zur Materialprüfung zu Verbindungsstück 2a verbindet die Probe 1 mit Block schaffen, welche einen Versuch mit einem wohldefi- 3 b und ist in diesem, wie die Lastzelle, zur Vermeinierten Verlauf der Probendehnung έ zu fahren ge- 5 dung von Biegemomenten kugelig gelagert. Um stattet, beispielsweise mit konstanter Belastungs- Proben verschiedener Geometrie einsetzen zu können, geschwindigkeit έ. kann das Verbindungsstück 2 α ausgewechselt und in

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- die Lastzelle 4 ein geeignetes Übergangsstück eingelöst, daß die Probeneinspannglieder durch im ela- setzt werden. Die Parallelstäbe laufen durch Bohstisch defonnierbaren Bereich arbeitende, der io rungen des Blocks 3 b, Dehnungen der Parallelstäbe Probe kraftmäßig parallelgeschaltete Stäbe verbunden werden also nicht auf den Block 3 b übertragen, sind. Block 3 b kann bei der Montage des Zusatzgerätes

Die Vorrichtung besteht also in einem Hilfsprüf- und beim Einbau der Proben in einfacher Weise rahmen, in welchen die zu verformende Probe ein- gegen die Parallelstäbe zentriert werden, und zwar gesetzt wird, der zwischen den Einspannköpfen der 15 durch an ihm angebrachte Führungen 8 b, die mittels Prüfmaschine angeordnet wird und dessen Kraftüber- Flügelschrauben leicht gelöst bzw. festgestellt werden tragungselemente in Form von Stäben so dimensio- können. Durch das Gewindestück 3 c wird Block 3 b niert sind, daß sie bis in den plastischen Bereich der mit Block 3 α verbunden. Dieses Gewindestück hat in Probe hinein ausschließlich reversible Deformationen seinen beiden Hälften gegenläufiges Gewinde. Durch erleiden und stets den größeren Teil der von der Zer- 20 eine Drehung dieses Gewindestücks können die reißmaschine aufgebrachten Last aufnehmen. Bei Blöcke gegeneinander bewegt werden, wodurch der einer solchen Anordnung wird die Dehnung im we- Probe eine gewisse, mit der Lastzelle meßbare Vorsentlichen durch die elastische Verformung bestimmt, spannung gegeben werden kann. Die Dehnung des welche die Stäbe unter dem Einfluß der von der Zer- Gewindestücks geschieht durch Stahlstifte, die in reißmaschine aufgebrachten Last erfahren. Dadurch 25 radiale Bohrungen 9 des Gewindestücks eingesetzt wird bewirkt, daß man mit einer ziemlich genau defi- werden. Die Probendehnung wird mit einem Extensonierten Dehnung έ arbeitet. Beim Bruch der Probe meter, beispielsweise einem induktiven Dehnungsentfernen sich die Bruchflächen nur wenig vonein- aufnehmer, der auf die Probe aufgesetzt wird, geander, und die aufgenommenen Verformungskurven messen.

geben das wahre Werkstoffverhalten weitgehend un- 30 Die Ermittlung der Spannungs-Dehnungs-Kurven verfälscht wieder. Die Stäbe sind zweckmäßigerweise der Proben geschieht so, daß die Probe zunächst in Stahlstäbe relativ großen Querschnitts und mit einer das Verbindungsstück 2 a und die Lastzelle 4 eingeim Vergleich zur Probe großen Länge. Durch den setzt wird. Dabei wird zweckmäßigerweise eine gegroßen Querschnitt wird trotz der Länge eine aus- ringe Vorlast der Zerreißmaschine eingestellt, weil reichende Steifigkeit erzielt, während die relativ große 35 dann kein Wackeln oder Verrutschen auftreten kann. Länge der Stäbe sicherstellt, daß sie bei der ge- Danach wird die Probe in geschilderter Weise durch wünschten Dehnung immer noch im elastischen Be- das Gewindestück 3 c um eine geringe, definierte Last reich arbeiten. Wenn hierbei die Last der Zerreiß- vorgespannt, ohne daß der Extensometer dabei einmaschine mit konstanter Geschwindigkeit geändert geschaltet wird. Auf diese Weise werden die bei der wird, dann ergibt sich an der Probe eine konstante 40 Selbstzentrierung der Probe auftretenden Einspiel-Verformungsgeschwindigkeit. effekte nicht registriert. Wird danach die Zusatzein-

Vorteilhafterweise ist eine solche Vorrichtung als richtung durch die Zerreißmaschine zunehmend unter eine wahlweise in eine übliche Materialprüfmaschine Last gesetzt, so verformen sich die Parallelstäbe elaeinsetzbare Zusatzeinrichtung ausgeführt, indem die stischi Auf die Probe wird dabei nur ein kleiner Teil, besagten Probeneinspannglieder ihrerseits in die 45 beispielsweise 10 bis 20%, der jeweiligen Last der Backen bzw. in die Einspannvorrichtung der Zerreiß- Zerreißmaschine übertragen, da die Parallelstäbe eine maschine einspannbar sind. weit größere Federkonstante haben als die Probe

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an selbst. Dagegen tritt in den Proben eine weit höhere Hand der Abbildungen erläutert und im folgenden relative Dehnung als in den Parallelstäben auf, da die beschrieben. 50 Parallelstäbe erheblich länger sind als die Probe. Ist

F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch eine als Zusatz- die Zerreißmaschine auf Vollast gefahren, ohne daß einrichtung zu einer üblichen Zerreißmaschine ausge- die Probe gebrochen ist, so hat die Probe eine geführte Vorrichtung nach der Erfindung; wisse plastische Verformung erfahren, während die

F i g. 2 ist eine zugehörige Seitenansicht. Parallelstäbe auf Grund ihrer Dimensionierung im-

Die beiden Blöcke 3 α, 5 der Zusatzeinrichtung 55 mer rein elastisch-reversibel verformt werden. Wird sind in die Einspannbacken 7 einer Zerreißmaschine die Zerreißmaschine jetzt von Vollast auf eine geeingespannt. Die Blöcke 3 σ, 5 dienen ihrerseits als ringe Vorlast zurückgestellt, so kann die Probe durch Halterung für die beiden der Probe 1 kraftmäßig par- das Gewindestück 3 c nachgespannt und in gleicher allel geschalteten Parallelstäbe 6 a, 6 b. Die Parallel- Weise erneut um ein weiteres Stück plastisch verformt stäbe sind derart mit den Blöcken 5, 3 a verbunden, 60 werden, und so fort. In der geschilderten Art kann daß bei etwaigen Exzentrizitäten in der Anordnung die Probe bis zum Bruch gefahren werden, das jeweiin den Parallelstäben keine Biegemomente auftreten lige Nachstellen nach Erreichen der Maschinen-Vollkönnen. In Block 5 ist zwischen den beiden Parallel- last nimmt nur wenig Zeit in Anspruch,
stäben die zur Kraftmessung dienende Lastzelle 4 Die große »Härte« der Zusatzeinrichtung wird ermitteis einer Kugelflächenlagerung so beweglich an- 65 kennbar, wenn die Probe bricht. Während sich in gebracht, daß sie herausgenommen, um ihre Achse einer weichen Maschine beim Probenbruch die gedreht und so bewegt werden kann, daß die Probe 1 Bruchflächen weit voneinander entfernen, tritt das biegemomentfrei eingeschraubt oder eingespannt beim Einsatz der Zusatzeinrichtung wegen der Stütz-

wirkung der Parallelstäbe nur in viel geringerem Maße auf.

Die Lastzelle ist im Prinzip nur ein Rohr aus hochfestem Stahl mit der bereits beschriebenen Kugelflächenlagerung; dieses Rohr besitzt eine geringförmige Nut, in der radiale Bohrungen angebracht sind. Lastzelle und Verbindungsstück la sind so stark dimensioniert, daß durch deren (elastische) Verformung keine nennenswerte Minderung der Härte der Zusatzeinrichtung eintritt. Trotzdem hat die Lastzelle eine hohe Meßgenauigkeit, da die Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen, die in der Nut gegen mechanische Beschädigung und Temperaturschwankungen geschützt angebracht sind, eine sehr hohe Empfindlichkeit haben. Die Zuleitungen zu den Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen werden durch die radialen Bohrungen in das Rohrinnere geleitet, wo notwendigenfalls auch die Temperatur-Kompensations-Dehnungsmeßstreifen für die Brückenschaltung der Dehnungsstreifen untergebracht werden. Eine derartige Korn- pensation wird nicht benötigt, wenn je zwei Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen positiven und negativen k-Faktors benutzt werden. Zwischen die Lastzelle bzw. den elektrischen Extensometer einerseits und einen X-F-Koordinatenschreiber andererseits, der zweckmäßigerweise zur Aufzeichnung der Spannungs-Dehnungs-Kurve eingesetzt wird, werden geeignete konventionelle Meßbrücken oder Verstärker geschaltet. Die Absoluteichung der Zusatzeinrichtung kann mit Hilfe einer geometrisch definierten Probe mit bekanntem Η-Modul geschehen.

Die weitgehende Konstanthaltung der Verformungsgeschwindigkeit έ kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß in die Kraftmeßeinrichtung der jeweiligen Zerreißmaschine ein frei drehbarer Zusatzzeiger eingebaut wird, dem mittels eines geeigneten Uhrwerks eine vorgegebene Umlaufgeschwindigkeit erteilt wird. Während des Versuchs wird die Belastungsgeschwindigkeit der Zerreißmaschine dann so geregelt, daß der die Last anzeigende Zeiger mit derselben Geschwindigkeit umläuft wie der Zusatzzeiger. Die Verformungsgeschwindigkeit έ der Probe ist dann weitgehend konstant, weil bei dieser Anordnung die Verformungsgeschwindigkeit έ 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 Parallelstäbe 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 Versuchen mit stark erhöhten oder erniedrigten Temperaturen muß durch geeignete konstrutive Ausbildung des Zusatzgerätes dafür gesorgt werden, daß die Lastzelle auf konstanter Temperatur, die nicht zu stark von der Raumtemperatur abweichen darf, gehalten wird. Notwendigenfalls müssen die Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen durch konventionelle Dehnungsmeßstreifen ersetzt werden.

Das der Zusatzeinrichtung zugrundeliegende Prinzip kann auch für Druckversuche ausgenutzt werden. Dazu muß nur dafür gesorgt werden, daß die Parallelstäbe nicht ausknicken können. Die konstruktive Durchbildung einer solchen Zusatzeinrichtung für Druckversuche ist analog zu dem Geschilderten für Zugversuche möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Ausübung von Zug- und Druckversuchen unter definierten Verformungsbedingungen mit Probeneinspanngliedern, zwi- sehen denen eine Kraft zur Belastung einer dazwischen eingespannten Probe erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Probeneinspannglieder durch im elastisch deformierbaren Bereich arbeitende, der Probe (1) kraftmäßig parabgeschaltete Stäbe (6 a, 6 b) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als wahlweise in eine übliche Materialprüfmaschine einsetzbare Zusatzeinrichtung ausgeführt ist, indem die besagten Probeneinspannglieder (5, 3 a) ihrerseits in die Backen bzw. in die Einspannvorrichtung (7) der Zerreißmaschine einspannbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probeneinspannglieder von zwei Blöcken (5, 3 a, 3 b) gebildet werden, zwischen denen die Probe (1) über auf kugeligen Lagerflächen beweglich gelagerten Verbindungsstücken (4, 2 a) einspannbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der besagten Verbindungsstücke ein Lastmeßglied (4) kraftmäßig mit der Probe (1) in Reihe liegend enthält.

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

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Probe kraftmäßig parallelgeschalteten Stäbe {6 a, 6 b) in symmetrischer Anordnung zu besagten Verbindungsgliedern (4, 2 a) an den Blöcken (5, 3 a) angebracht sind.

7. Vorrichtung nach einem der Anspüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Blöcke zweigeteilt ist und die beiden Teile durch eine Spannvorrichtung miteinander verbunden sind und daß der innere Teil (3 b) das Verbindungsstück (2 a) trägt, während der äußere Teil (3 a) in die Einspannvorrichtung (7) der Zerreißmaschine einspannbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil (3 b) des geteilten Blocks 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 (2 b) versehene und durch den Durchbruch hindurchragende Verbindungsstück (2 a) abstützt, und daß in dem erweiterten Stück des Durchbruchs und in ..eine gegenüberliegende Bohrung des äußeren Teils (3 α) des Blocks ein Gewindestück (3 c) mit Links- bzw. Rechtsgewinde eingeschraubt und durch Nachstellmittel (9) verdrehbar ist. · - ■■