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Mikro-Zerreißmaschlne Bei der Festigkeitsuntersuchung von haar- oder
bandförmigen Körpern, insbesondere sogenannte Whiskers, besteht das Hauptproblem
darin, diese Körper, die selten über ihre Länge gleichen Querschnitt aufweisen,
so einzuspannen, daß der Bruch an einer vorher bestimmbaren Stelle erfolgt, da sonst
der Querschnitt an der Bruchstelle nicht mit ausreichender Genauigkeit festgestellt
werden kann.
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Bei bekannten Mikro-Zerreißmaschinen für Whiskers werden die Enden
des Whiskers an die Backen der Zerreißmaschine durch ein Kunstharz angeklebt. Dieses
Ankleben der außerordentlich feinen Whiskers, deren Durchmesser in der Größenordnung
von 1 Mikron liegt, bereitet erhebliche Schwierigkeiten. Insbesondere gelingt es
kaum, den Whisker genau in der Richtung der Zugkraft zu orientieren, so daß der
Whisker beim Zerreißversuch nahe der Befestigungsstellen geknickt wird und dort
bevorzugt reißt, so daß die ermittelten Festigkeitswerte durch die Knickbelastung
an den Befestigungsstellen verfälscht werden. Hinzu kommt, daß es sowohl vor dem
Ankitten als auch nach dem Bruch des Whiskers sehr schwierig ist, den Querschnitt
mit einiger Genauigkeit festzustellen, da man auf eine mikroskopische Messung oder
auf eine Projektionsmessung, also auf eine Messung von Kante zu Kante angewiesen
ist, mit der der tatsächliche Querschnitt aber nicht erfaßt werden kann, da dieser
selten eine kreisförmige Fläche darstellt.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Mikro-Zerreißmaschine
mit einer Bingpannvorrichtung zu sohaffen, die ein einfaches Befestigen des zu untersuchenden
Körpers, ine Verherbentiseung der Bruchstelle und eine genaue Bestimmung
des
Querschnitts des Körpers an der Bruchstelle ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß an den Backen der Zerreißmaschine
eine Einspannvorrichtung befestigt, die aus zwei planen Platten besteht, zwischen
denen der zu untersuchende Körper festgehalten ist und die kurz vor dem Zerreißversuch
im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Zugkraft geteilt werden.
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Die beiden Platten können im wesentlichen gleiche Länge haben und
- beispielsweise durch ihre Befestigung an den Backen der Zerreßmaschine - zusaminengeklemmt
werden, so daß der zu untersuchende Körper zwischen ihnen festgeklemmt, also durch
Reibung festgehalten wird. Zwischen den Platten kann eine Schicht aus einem zunächst
flüssigen, nach seiner Verfestigung jedoch spröden Kunststoff vorgesehen werden,
der den Körper bis zum Zusammenklesfien der Platten in seiner Lage hält und der
beim Teilen der Platten mit reißt. Dieser zunächst flüssige Kunststoff verteilt
sich kapillar zwischen den Platten und ermöglicht somit auch die Verwendung von
Platten, die nicht vollkommen eben und deshalb billiger sind.
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Es ist auch möglich, eine der Platten durch einen Tropfen diles zunächst
flüssigen, nach seiner Verfestigung jedoch spröden Kunststoffes zu bilden, der den
Körper auf der anderen, an den Backen der Zerreißmaschine befestigten Platte die
kurz vor dem Zerreißversuch geteilt wird, festklebt.
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Beim Teilen dieser Platte wird der erstarrte Kunststofftropfen mit
geteilt.
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Die Platten bestehen aus einem spröden Werkstoff mit großem Wärmeausdehnungskoeffizienten,
z.B. Glas, Keramik oder geeignetem Kunststoff wie Polystyrol, Diphenylcarbyzid oder
dergl.. Das Sprengen der zu teilenden Platten kann dadurch erfolgen, daß die Platten
in wesentlichen senkrecht zur Zugrichtung einen Ritz, beispielsweise ait Hilfe eines
Diamanten
erhalten und im Bereich des Ritzes, vorzugsweisean einer oder beiden Längskanten
der Platte, kurzzeitig erwärmt werden Die dadurch auftretenden Spannungen bewirken
ein Springen der Platten entlang des Ritzes. Die Erwärmung kann dadurch erfolgen,daß
an mindestens einer Längskante der Platte eine Heizquelle in Form eines Heizleiters
angeordnet wird, der an eine Stromquelle angeschlossen wird. Der Heizleiter kann
in einer nahe der Längskante der Platte vorgesehenen, parallel zur Längskante verlaufenden
Nut angeordnet und z.B. dadurch gebildet werden, daß die Nut mit einer Metallauflage
versehen wird, die kurz vor dem Zerreißversuch an eine Stromquelle angeschlossen
wird.
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Der beim Springen der Platte entstehende Spalt, der der Einspannlänge
des zu untersuchenden Körpers entspricht, ist außerordnetlich eng und in der Größenordnung
von Bruchteilen eines Mikrons. Nach Teilung der Platten bildet der Körper die einzige
Verbidung zwischen den Plattenteilen und den Backen der Zerreißmaschine, wobei Jeweils
im wesentlichen die Hälfte des Körpers zwischen den einen und den anderen Plattenteilen
festgehalten ist. Wenn der zu untersuchende Körper ein Whisker von 1 Mikron Durchmesser
und 2 Millimetern Länge ist, so ist die Länge der festgehaltenen Hälften jeweils
etwa 1000 mal so groß wie der Durchmesser, woraus sich ergibt, daß der Whisker ohne
weiteres auch allein durch Reibung festgehalten werden kann, zumal es zum Zerreißen
eines derartig dünnen Körpers nur einer Zugkraft von einigen Gramm bedarf.
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Bei der erfindungsgemäßen Art der Befestigung des Körpers hat dieser
keine andere Möglichkeit, als nur im Teilungsspalt der Platten zu reißen, da nur
diese freitragende Stelle in der Länge eines Bruchteiles eines Mikrons, nicht aber
irgend eine Stelle in den beiden festgehaltenen Hälften des Körpers mechanisch auf
Zug beansprucht werden kann.
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Die Bestimmung des Querschnitts gestaltet sich sehr einfach, indem
nach dem Zerreißversuch die die Whiskerhälften enthaltenden Plattenpakete an ihren
Trennflächen anpoliert werden. Auch wenn der Körper unmittelbar an der Bruchstelle
mehr oder weniger stark eingeschnürt wurde, ist mit großer Sicherheit anzunehmen,
daß in den festgehaltenen, beispielsweise eingeklemmten Abschnitten des Körpers
keine Einschnürung erfolgte. Durch das Abpolieren wird die eingeschnürte Stelle
entfernt und der tatsächliche, für den Zerreißversuch maßgebliche Querschnitt freigelegt,
denn es ist selbst bei Whiskers, die unterschiedlichen Querschnitt über ihre Länge
aufweisen, nicht festgestellt worden, daß dieser Querschnitt in einem kleinen Bereich
von z.B. 50 Mikron größere Schwankungen aufweist. Die Querschnittsfläche kann dann
unter dem Mikroskop bestimmt werden.
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Durch die Verwendung von zwei Platten, die beide erst unmittelbar
vor dem Zerreißversuch geteilt werden, wird die kleinste praktisch mögliche Einspannlänge
für den zu untersuchenden Kdrper erzielt. Kann man eine etwas größere Einspannlänge
zulassen, so ist es möglich, eine der Platten von vorneherein und nur die andere
Platte unmittelbar vor dem Zerreißversuch zu teilen. Mit Ausnahme der etwas größerer
Einspannlänge, die durch den Spalt zwischen den teilen der bereits vorher geteilten
Platte bestimmt ist, werden in bezug auf die einfache Befestigung des Körpers, die
einfache Querschnittsbestimmung und die Vorherbestimmbarkeit der Bruchstelle die
gleichen Vorteile erreicht, wie bei einer Einspannvorrichtung, bei der beide Platten
erst unmittelbar vor dem Zerreißversuch geteilt werden.
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Wenn es sich um die Festigkeitsuntersuchung eines magnetisierbaren
Körpers, beispielsweise eines Metalihaares, handelt, kann der Körper auf einfache
Weise durch einen
Magneten in Richtung der Zugkraft ausgerichtet
werden. Er kann dann in seiner Lage durch einen Klebstoffstropfen fixiert werden,
um ein Verrutschen zu verhindern, solange der Körper nicht zwischen den Platten
festgehalten ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 und 2 eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Einspannvorrichtung, Fig. 3 und 4 Seitenansichten weiterer Einspannvorrichtungen,
Fig. 5 und 6 eine Draufsicht und eine Stirnansicht einer vierten Einspannvorrichtung,
Fig. 7 eine Seitenansicht einer fünften Einspannvorrichtung, und Fig. b eine schematische
Ansicht einer Mikro-Zerreißmaschine mit der in Fig. 1 und 2 gezeigten Einspannvorrichtung
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Einspannvorrichtung 1 besteht aus zwei rechteckigen,
planparallelen dünnen Glaspättchen la und 1b, die aufeinander gelegt sind und an
ihren Enden übereinstimmende Bohrungen 2 aufweisen, durch welche Schrauben gesteckt
werden könnten, mit denen die Plättchen unter gleichzeitigem Zusammenklemmen an
den Backen der Zerreißmaschine befestigt werden. Bevor sie auf diese Weise befestigt
werden, wird zwischen die Plättchen la, ib ein Whisker 3 gelegt, der mittels eines
Magneten in Richtung der Zugkraft, also geradlinig zwischen den Bohrungen 2, ausgerichtet
wird. Die Plättchen sind an ihren Außenflächen mit einem im wesentlichen senkrecht
zur Zugrichtung verlaufenden Ritz 4 versehen. Nach Befestigung des Plättchenpaketes
la, ib mit dem dazwischenliegenden Whisker 3 auf der Zerreißmaschine werden die
Plättchen durch einen Glühdraht 5 an einer oder beiden Längskanten im Bereich des
Ritzes 4 lokal erhitzt, so daß sie entlang des Ritzes 4 springen. Dadurch entstehen
zwei Pakete von
Glasplättchen, die durch einen außerordentlich feinen
Spalt voneinander getrennt und nur durch den Whisker 3 miteinander verbunden sind.
Bei dem nun beginnenden Zerreißversuch wird also nur der Whisker 3 im Bereich des
genannten feinen Spaltes mechanisch auf Zug beansprucht.
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Die in Fig. 3 gezeigte Einspannvorrichtung unterscheidet sich von
derJenigen gemäß Fig. 1 und 2 nur dadurch, daß zwischen den Plättchen la und lb
eine Schicht 30 aus einem zunächst flüssigen, nach seiner Verfestigung jedoch spröden
Kunststoff wie Diphenylcarbazid vorgesehen ist, in die der Whisker 3 eingebettet
wird. Der Kunststoff gleicht etwaige Unebenheiten in den einander zugewandten Flächen
der Plättchen la und lb aus. Da er nach seiner Verfestigung spröde wird, springt
er zusammen mit den Plättchen la, Ib entlang des Ritzes 4.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 ist anstelle des Plättchens la in
Fig. 1 ein Kunststofftropfen 31 verwendet, der den Whisker an dem mit dem Rivz 4
versehenen und an den Backen er Zerreißmaschine befestigten Plättchen lb anklebt.
Der nach seiner Erhärtung S+JrÖda Kunststofftropfen 31 springt mit dem Plättchen
Ib entlang des Ritzes 4, wenn das Plättchen Ib im Bereich dieses Ritzes erhitzt
wird.
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In Fig. 5 und 6 sind zwei Plättchen la und lb entsprechend Fig. 1
und 2 vorgesehen, die je einen Ritz 4 aufweisen. Nahe der Längskante lb des Plättchens
lb ist in einer parallel zu dieser Längskante verlaufenden Nut ein Heizdraht 32
eingebettet, der an einer Stromquelle angeschlossen wird, sich dadurch erhitzt und
die Plättchen zWm Springen bringt. Anstelle des Heizdrahtes könnte diese Nut metallisiert
werden. Diese Metallauflage bildet einen Heizleiter, der kurz vor dem Zerreißversuch
an eine Stromquelle angeschlossen wird.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. 7 ist das Plättchen la bereits von vorneherein
geteilt, während das Plättchen lb wIe bei Fig. 2 mit einem Ritz 4 versehen ist und
erst unmittelbar vor dem Zerreißversuch geteilt wird.
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Fig- 8 zeigt eine Mikro-Zerreißmaschine, bei der die in den Fig. 1
bis 6 dargestellten Einspannvorrichtungen verwendet werden können. Diese Zerreßmaschine
besteht im wesentlichen aus einem Zylinder 6, der auf einem Fuß 7 befestigt ist
und in dem ein Kolben 8 engpassend geführt ist.
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Auf dem Zylinder 6 und auf dem Kolben 8 sind Metallringe 9 befestigt,
auf denen die Einspannvorrichtung 1 in der vorher beschriebenen Weise durch Schrauben
10 befestigt ist. Der Kolben d ragt in ein Rohr 17 hinein, das von einem Fuß 12
getragen wird und einen einstellbaren Anschlag 13 aufweist, der verhindert, daß
der Kolben 8 nach Durchführung des Zerreißversuches durch das dem Zylinder zugeführte
Druckmedium aus dem Zylinder 6 herausgeschoben wird.
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Durch die Einpunktverbindung, die der Whisker 3 zwischen dem Zylinder
6 und dem Kolben 8 bildet, ist eine geradlinige Führung des Kolbens 8 an sich selbsttätig
gesichert.
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Vor der Befestigung der Einspannvorrichtung ist der Kolben 8 aber
frei beweglich und es können sich bei der Einspannung Schwierigkeiten ergeben, wenn
der Kolben die Möglichkeit hat, sich l zu verdrehen. Um eine mechanische Führung
mit ihren Reibungsverlusten zu vermeiden, ist am Zylinder 6 und am Kolben 8 je ein
bandförmiges Stück 14 Mu-Metall befestigt.
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Auf diese Teile wirkt ein Permanentmagnet 15, so daß sich der Kolben
8 unbehindert nur in seiner Längsrichtung verschieben kann, eine Verdrehung aber
durch die magnetische Rückstellkraft korrigiert wird.
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Mit 16 ist eine Pumpe bezeichnet, die mit dem Zylinder 6 durch eine
Leitung 17 in Verbindung steht und sowohl eine Druck- als auch eine Saugwirkung
auf den Kolben 8 ausüben kann, wobei die Saugwirkung dazu benutzt wird, die Teile
der Plättchen 1a, 1b während des Sprengens zusammenzuhalten, und eine Beanspruchung
des Whiskers zu verhüten. Die
Druckseite und die Saugseite der Pumpe
16 werden durch je ein Elektroventil 18 bzw. 19 eingeschaltet. Durch zwei hintereinander
geschaltete Regelventile 20 und 21 wird der Druckluftstrom feinreguliert über die
Leitung 17 dem Zylinder 6 und über eine Leitung 22 einer druckanzeigenden Fldssigkeitssäule
23 zugeführt, die in Gramm-Belastungen geeicht werden kann. Ein Überdruckventil
24 verhindert den Aufbau eines zu hohen Gasdruckes und ein Unterdruckventil 25 verhindert
das Entstehen eines zu großen Vakuums. Diese Ventile sind vorzugsweise Quecksilberventile,
da diese absolut störunempfindlich sind und sich weder verklemmen können noch verformbare
Ventilsitze haben. Zwischen der Saugseite und der Druckseite der Pumpe 16 ist ein
weiteres Ventil 26 vorgesehen, das von vorneherein einen gewissen Kurzschluß ermöglicht,
so daß sich bis auf den tatsächlich gebrauchten Druck oder Sog ein ständiger Ausgleich
des Überdrucks einstellen läßt. Dies ist nötig, weil die Pumpe überdimensioniert
sein soll, damit sie nicht Druckschwankungen bei Vollast unterworfen ist, welche
sofort die Drehzahl der Pumpe verändern würden.
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Wie ersichtlich, erfolgt die Anzeige der Zugkraft mittels des gleichen
Gasdruckes, mit dem der eingespannte Whisker belastet wird, da dieser Gasdruck einerseits
auf den Kolben 8 und andererseits auf die Flüssigkeitssäule 23 wirkt. Die Flüssigkeitssäule
23, die aus einem elektrisch leitenden Stoff, wie Quecksilber oder Gallium besteht,
steigt entsprechend dem auf sie wirkenden Gasdruck in der Röhre 27 hoch, in deren
Inneren ein elektrischer Widerstand 28 angeordnet ist, dessen Widerstandswert sich
je nach der Höhe der Säule mehr oder weniger verringert Diese Widerstandsänderung
kann von einem an den Klemmen 29 angeschlossenen Schreiber aufgezeichnet werden
und ist ein Maß für den Zerreißdruck.