DE19540891A1 - Festigkeitsprüfverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Festigkeitsprüfverfahren zum Prüfen der Festigkeit von spröden oder brüchigen Materialstücken, mit dem genau die Festigkeit der spröden Materialstücke, wie aus Keramik oder Glas, bestimmt werden kann, und mit dem Stücke zugelassen werden können, welche einen Test auf Festigkeitsverschlechterung bestanden haben, und Stücke ausgeschieden werden können, welche niedrige Festigkeit haben.

Wenn spröde Materialstücke (einschließlich Produkten aus einem spröden Material), wie Keramik- oder Glasstücke, hoher Belastung ausgesetzt werden, wurde bisher vor dem Gebrauch ein Prüfversuch durchgeführt, um festzustellen, ob die spröden Materialstücke durch Aufbringen einer vorbestimmten Belastung zerbrochen wurden.

Bei dem Prüfversuch wurden nicht zerbrochene Materialstücke als "überlebende" Stücke bestimmt, während Stücke geringer Festigkeit, die zu Bruch gegangen waren, als "nicht bestanden" ausgeschieden wurden. Da jedoch in dem Prüfversuch die spröden Materialstücke einer Belastung ausgesetzt wurden, umfaßten die überlebenden Stücke, welche nicht bei dem Versuch zerbrochen waren, solche Stücke, welche eine Akkumulierung von Schäden aufgrund beispiels­ weise von Rißwachstum erfahren haben. Bis zu welchem Ausmaß solche Festigkeitsverminderung variiert, hängt nicht nur von der Art des spröden Materials sondern auch von der Größe und der aufgebrachten Beanspruchung ab.

Im allgemeinen geht man davon aus, daß keine klassische Verformung in spröden Werkstoffen auftritt, daß eine Schadensakkumulierung an einer Rißspitze relativ klein ist und kein Bruch durch eine Scha­ densakkumulierung als Ergebnis des Aufbringens einer Beanspruchung stattfindet und daß spröde Werkstoffe lineare s Bruchverhalten ha­ ben, wobei elastische Verformung solange auftritt, bis eine gewis­ se Belastungsschwelle erreicht ist und unmittelbarer Bruch dann auftritt, wenn die Beanspruchung diese Schwelle überschreitet.

Da spröde Werkstoffe lineares Bruchverhalten haben, ist die Scha­ densakkumulierung in den "überlebenden" Stücken vergleichsweise klein, und eine Festigkeitsverminderung tritt nicht ein, wenn die auf das spröde Materialstück ausgeübte Belastung deutlich kleiner als die Werkstoffestigkeit des spröden Materialstückes ist. Wenn jedoch eine Beanspruchung nahe der Werkstoffestigkeit des spröden Materialstückes aufgebracht wird, kann eine Festigkeitsverminde­ rung stattfinden.

Aus diesen Gründen wurden mit einem konventionellen Festigkeits­ prüfverfahren für spröde Materialstücke nur solche Stücke mit si­ gnifikant kleiner Festigkeit ausgeschieden, welche den Versuch nicht bestanden hatten, indem ein sogenannter Prüftest durchge­ führt wurde, bei welchem die Beanspruchung deutlich unter der durchschnittlichen Nennfestigkeit einer Gruppe von spröden Materi­ alstücken lag und diese Beanspruchung während einer vorbestimmten Zeitdauer aufrechterhalten und danach wieder weggenommen wurde.

Von einem Produkt aus einem spröden Material wird jedoch bei eini­ gen Anwendungsfällen verlangt, daß es im Betrieb eine Belastung von einigen zehn Prozent bis über hundert Prozent der Nennfestig­ keit aushält. In solchen Fällen ist es erforderlich, die Festig­ keit dadurch zu bestimmen, daß auf das Produkt eine Beanspruchung nahe der Nennfestigkeit ausgeübt wird. Bei dem herkömmlichen Fe­ stigkeitsprüfverfahren nimmt der Anteil der spröden Materialstüc­ ke, welche bei dem Prüfversuch zu Bruch gehen, zu, und viele Stüc­ ke, welche eine Festigkeitsminderung erfahren haben, kommen unter denjenigen Stücken vor, welche als "überlebende" Stücke bestimmt wurden.

Da die meisten üblichen spröden Materialstücke, welche einem sol­ chen Prüfversuch unterzogen worden sind, aus "dichtem" (dense) und im wesentlichen homogenen Werkstoff bestehen (z. B. mechanische Bauteile) und außerordentlich lineares Bruchverhalten haben, ist das herkömmliche Bruchverfahren anwendbar. Ein lineares Bruchver­ halten kann jedoch nicht bei einem heterogenen spröden Material, wie bei porösem Keramikwerkstoff, wie er in einem Filter eines Filtergerätes eingesetzt wird, oder einem keramischen Com­ poundwerkstoff mit in einer keramischen Matrix verteilten Parti­ keln und Fasern, vorausgesetzt werden. Das Aufbringen einer Bela­ stung bei dem Prüfversuch führt zu einer Festigkeitsverminderung, und selbst die Anwendung einer kleineren Beanspruchung als der durchschnittlichen Werkstoffestigkeit entspricht, erzeugt eine Fe­ stigkeitsverminderung aufgrund einer Schadensakkumulierung. Das konventionelle Festigkeitsprüfverfahren bringt die Schwierigkeit mit sich, daß Produkte, welche eine Festigkeitsminderung erfahren haben, unter solchen Produkten vorhanden sind, welche als "über­ lebende" Produkte ermittelt worden sind.

Diese Schwierigkeit ist deshalb von Bedeutung, weil dann, wenn nur ein Filterrohr in einer Filteranlage für ein heißes Gas mit einer großen Anzahl von porösen Keramik-Filterrohren bricht, ein großes System, wie ein Kraftwerk, insgesamt lahmgelegt werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Festigkeitsprüfverfahren für spröde Materialstücke anzugeben, mit dem genau und zuverlässig die Festigkeit von spröden Materialstücken bestimmt werden kann, indem die Festigkeitsverminderung der spröden Materialstücke im Lichte der oben geschilderten Umstände minimiert wird.

Die Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst.

Die Festigkeitsverminderung eines spröden Materials wird normaler­ weise durch eine Zugbeanspruchung bewirkt. Gemäß der Erfindung werden zuerst wiederholt Kurzzeitbelastungen ausgeübt, um wieder­ holt momentane Zugbeanspruchungen in dem zu prüfenden Material­ stück zu erzeugen. Die Spitzenwerte der Beanspruchungen aufgrund der wiederholten kurzzeitigen Belastungen werden vorzugsweise ent­ sprechend der Nennfestigkeit des spröden Materials eingestellt. Spröde Materialstücke, welche keine ausreichende Festigkeit zum Oberstehen der ersten Kurzzeitbelastung haben, gehen zu Bruch. Auf diese Weise können Stücke, die in der Prüfung versagt haben, aus­ geschieden werden. Momentane bzw. kurzzeitige Ausübung der Bela­ stung erzeugt nur geringfügige Festigkeitsverminderung in spröden Materialstücken, welche eine ausreichende Festigkeit zum Überste­ hen der Zugbeanspruchung haben.

Anschließend wird eine zweite momentane bzw. kurzzeitige Belastung auf das zu prüfende spröde Materialstück ausgeübt, das nicht auf­ grund der ersten Kurzzeitbelastung zu Bruch gegangen ist. Der Spitzenwert der zweiten Kurzzeitbelastung ist niedriger angesetzt als derjenige der ersten Kurzzeitbelastung. Vorzugsweise ist der Spitzenwert der zweiten Kurzzeitbelastung entsprechend einer Zug­ beanspruchung eingestellt, welche einer gewünschten Bruchwahr­ scheinlichkeit, z. B. der Bruchwahrscheinlichkeit von 5% basierend auf einer Weibull′schen-Festigkeitsverteilung, entspricht. Die Weibull′sche Festigkeitsverteilung sollte im voraus durch Unter­ suchen der Festigkeitsverteilung einer Gruppe von Stücken des gleichen spröden Materials gewonnen werden, die nicht bei der er­ sten Kurzzeitbelastung zu Bruch gegangen sind, und die gewünschte Festigkeitsverteilung sollte entsprechend der Weibull′schen stati­ stischen Analyse verarbeitet werden. Ein sprödes Materialstück, welches eine Festigkeitsminderung durch die erste Kurzzeitbe­ lastung in einem Ausmaß erfahren hat, daß es der durch die zweite Kurzzeitbelastung ausgeübten Zugbeanspruchung nicht standhält, geht durch die zweite Kurzzeitbelastung zu Bruch. Wenn also ein Stück durch die erste Kurzzeitbelastung eine Festigkeitsminderung erfahren hat, wird ein solches Stück mit Sicherheit ausgeschieden. Somit kann eine Festigkeitsminderung der spröden Materialstücke durch Ausüben mehrerer aufeinander folgender Kurzzeitbelastungen auf "überlebende" Stücke minimiert werden.

Da die Möglichkeit besteht, daß eine Festigkeitsminderung aufgrund der zweiten Kurzzeitbelastung stattfindet, wird eine dritte Kurz­ zeitbelastung mit einer kleineren Spitzenlast ausgeübt als dieje­ nige, welche die Zugbeanspruchung der zweiten Kurzzeitbelastung erzeugt. Falls erforderlich, werden anschließend in ähnlicher Wei­ se weitere Kurzzeitbelastungen aufgebracht. Um ein sprödes Materi­ alstück mit verläßlicherer Nennfestigkeit zu erhalten, wird die Spitzenlast bei der nachfolgenden Kurzzeitbelastung auf eine Zug­ beanspruchung eingestellt, welche der gewünschten Bruchwahr­ scheinlichkeit basierend auf einer Weibull′schen Festigkeitsver­ teilung entspricht. Die Weibull′sche Festigkeitsverteilung sollte durch vorherige s Feststellen der Festigkeitsverteilung einer Grup­ pe von Stücken gleichen spröden Materials gefunden werden, welche nicht durch die unmittelbar vorher ausgeübte Kurzzeitbelastung zu Bruch gegangen sind, sowie durch Verarbeiten der gesuchten Festig­ keitsverteilung entsprechend der Weibull′schen statistischen Ana­ lyse.

Wenn ein Festigkeitsnachweis mit hoher Zuverlässigkeit erforder­ lich ist, wird anschließend an die letzte Kurzzeitbelastung zumin­ dest einmal über eine vorbestimmte Zeitdauer eine konstante Bela­ stung zur Erzeugung einer Zugbeanspruchung ausgeübt, die einen kleineren Spitzenwert als die letzte Kurzzeitbelastung hat. Das Aufbringen der konstanten Belastung gewährleistet das Ausscheiden von spröden Materialstücken, welche durch die vorherigen Kurzzeit­ belastungen eine Festigkeitsminderung erfahren haben.

Das Festigkeitsprüfverfahren gemäß der Erfindung erlaubt das Prü­ fen eines spröden Materiales, welches eine Festigkeitsminderung durch Aufbringen einer Zugbeanspruchung erfährt, wie eines Kera­ mikwerkstoffes, eines daraus hergestellten Produktes, eines Com­ poundwerkstoffes umfassend eine Keramik-Matrix und darin eingebet­ tete Partikel oder Fasern, ein aus solch einem Compoundwerkstoff hergestelltes Produkt, Glas und ein Glasprodukt. Insbesondere eig­ net sich das Verfahren gemäß der Erfindung als ein Prüfverfahren für einen heterogenen spröden Werkstoff, wie einen Keramikwerk­ stoff und ein daraus hergestelltes Produkt, und als Prüfverfahren für ein Produkt aus einem porösen, spröden Werkstoff, wie ein Fil­ terrohr aus einem porösen Keramikwerkstoff. Wenn ein Rohr aus ei­ nem solchen spröden Werkstoff gebildet ist, ist es einfach, ver­ läßlich und wirkungsvoll, ein Festigkeitsprüfverfahren gemäß der Erfindung anzuwenden, bei dem ein Hohl-Elastomer in dem Rohr an­ geordnet wird und ein Fluid, wie Wasser, in das Hohl-Elastomer eingebracht wird, um das Hohl-Elastomer zu expandieren und so ei­ nen Innendruck zu schaffen, wodurch eine Zugbeanspruchung auf das Rohr in Umfangsrichtung ausgeübt wird.

Die Erfindung und viele mit ihr erzielte Vorteile sind im folgen­ den anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1(A) und (B) in einer Seitenansicht und einer Stirnansicht schematisch eine Dreipunkt-Biegefestigkeits-Versuchsanordnung, mit der ein Festigkeitsprüfverfahren nach der Erfindung ausgeübt werden kann;

Fig. 2 ein Diagramm, welches ein Belastungsmuster als Beispiel für eine Belastungsfolge darstellt, welche mit einem Fe­ stigkeitsprüfverfahren nach der Erfindung auf spröde Mate­ rialstücke aufgebracht werden kann;

Fig. 3 ein Diagramm eines Belastungsmusters, wie es mit einem Festigkeitsprüfverfahren nach dem Stand der Technik auf ein sprödes Materialstück aufgebracht wird;

Fig. 4 ein Weibull′sches Festigkeitsverteilungs-Diagramm der Bruchfestigkeit von spröden Materialstücken für ein Bei­ spiel von Versuchsergebnissen mit einem Festigkeitsprüf­ verfahren zum Prüfen der Festigkeit von spröden Material­ stücken gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein Weibull′sches Festigkeitsverteilungsdiagramm der Bruchfestigkeit von spröden Materialstücken mit einem Bei­ spiel von Versuchsergebnissen eines herkömmlichen Festig­ keitsprüfverfahrens für spröde Materialstücke;

Fig. 6 eine perspektivische schematische Ansicht eines Prüfgeräts für Filterrohre gemäß der Erfindung; und

Fig. 7 ein Leitungs-Blockschaltbild für ein Beispiel der Leitungsanordnung eines Prüfgerätes für Filterrohre gemäß der Erfindung.

Es seien nun bevorzugte Ausgestaltungen des Festigkeitsprüfverfah­ rens für ein sprödes Material gemäß der Erfindung im einzelnen anhand der Zeichnungen beschrieben.

Ein Beispiel für eine Prüfanordnung zum Ausüben eines Festigkeits­ prüfverfahrens gemäß der Erfindung bildet eine Dreipunkt-Biegefe­ stigkeits-Prüfanordnung, wie sie gewöhnlich als Anordnung zum Prü­ fen von spröden Materialstücken (einschließlich von aus sprödem Werkstoff hergestellten Produkten), wie aus Keramik, eingesetzt wird. Dreipunkt-Biegefestigkeits-Versuche ergeben nicht eine voll­ ständige Festigkeitsprüfung eines spröden Materialstückes, weil nur ein kleines Volumen des Stückes der maximalen Zugbeanspruchung ausgesetzt ist. Gleichwohl ist das Festigkeitsprüfverfahren nach der Erfindung in einer Dreipunkt-Biegefestigkeits-Prüfanordnung als Zugversuch anwendbar, in welchem die Zugbeanspruchung auf das spröde Materialstück in seiner Gänze ausgeübt wird.

In den Fig. 1(A) und (B) ist schematisch die Dreipunkt-Biege­ festigkeits-Prüfanordnung dargestellt. Die Fig. 1(A) zeigt eine Seitenansicht und die Fig. 1(B) eine Stirnansicht. Bei dem Biege­ versuch werden Probestücke 10 eingesetzt, die aus unbenutzten Fil­ terrohren (170 mm Außendurchmesser, 140 mm Innendurchmesser) ein­ gesetzt, die aus einem porösen Cordierit-Keramikwerkstoff bestan­ den und eine Stärke (T) von 11,5 mm, eine Breite (W) von 20 mm und eine Länge (L) von 50 mm hatten. Auf die Probenstücke wurde eine Last in der Mitte der Abstützlänge (D) von 40 mm ausgeübt. Die Filterrohre bestanden hauptsächlich aus dichtem Cordierit-Agglome­ rat, welches durch Kristallisieren von Glas erhalten wurde, und die Filterrohre wurden gemäß einem Verfahren nach US-PS 5,073,187 hergestellt.

Die Stelle, an der eine große Zugbeanspruchung bei dem Biegever­ such erzeugt wurde, lag im Gebiet einer Oberfläche gegenüber dem Belastungspunkt des Probenstückes 10.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für ein zeitliches Belastungsmuster ge­ mäß dem Festigkeitsprüfverfahren für spröde Materialstücke nach der Erfindung beim Biegeversuch. Wie in Fig. 2 gezeigt, wurde eine Momentan- bzw. Kurzzeitbelastung mit momentanem Aufbringen einer Biegelast auf das Probenstück 10 zweimal wiederholt, worauf eine konstante Belastung kleinerer Größe als der Spitzenwert der Kurz­ zeitbelastungen viermal ohne Pause nach der zweiten Kurzzeitbela­ stung aufgebracht wurde. Das Belastungsmuster dieses Beispiels sei nun erklärt. Bei der ersten Kurzzeitbelastung wird eine Belastung aufgebracht, die 100% der durchschnittlichen Anfangsfestigkeit der Probenstücke 10 (42 Stücke) entsprach (die relative Beanspruchung ist 1), und zwar mit einer Belastungsgeschwindigkeit der Lastauf­ bringkante von 0,5 mm/min, wonach die Belastung unmittelbar weg­ genommen wurde. Im Ergebnis traten Fehler in etwa der Hälfte der Probenstücke auf.

Darauf wurde eine zweite Kurzzeitbelastung auf diejenigen Proben­ stücke aufgebracht, welche die erste Kurzzeitbelastung fehlerlos "überlebt" hatten. Es wurde eine Biegelast aufgebracht, deren Spitzenwert etwa 85% der durchschnittlichen anfänglichen Festig­ keit (die relative Beanspruchung ist 0,85) entsprach, und zwar mit einer Belastungsgeschwindigkeit von 0,5 mm/min, worauf die Momen­ tanbelastung unmittelbar weggenommen wurde. Bei der ersten und zweiten Kurzzeit- bzw. Momentanbelastung wurde die Biegebelastung unmittelbar weggenommen (innerhalb von 0,5 Sekunden auf Null ge­ bracht) nachdem der Spitzenlastwert innerhalb 1 Sekunde erreicht worden war. Darauf wurden konstante Lasten nachfolgend auf die zweite Kurzzeitbelastung auf diejenigen Probenstücke 10 aufge­ bracht, welche die zweite Momentanbelastung ohne Bruch überlebt hatten. Dabei wurde eine konstante Last entsprechend 0,7 der rela­ tiven Beanspruchung 2 Minuten lang viermal wiederholt aufgebracht. Um die Festigkeitsverteilung der "überlebenden" Probenstücke nach dem Prüfversuch festzustellen, wurde die Festigkeit dieser Proben­ stücke 10 durch Brechen der Probenstücke mit einer Belastungsge­ schwindigkeit von 0,5 mm/min gemessen.

In Fig. 4 sind die Prüfergebnisse bei einem Prüfverfahren für sprödes Material gemäß der Erfindung dargestellt. In Fig. 4 bedeu­ ten mit einem "○" gekennzeichnete Meßpunkte die anfängliche Weib­ ull′sche Festigkeitsverteilung einer Gruppe von Probenstücken, und Meßpunkte mit einem Symbol "" bezeichnen die Weibull′sche Festig­ keitsverteilung, welche durch Brechen derjenigen Probenstücke 10 erhalten wurde, welche den Prüfversuch mit einer Biegebelastung entsprechend 100% der durchschnittlichen Festigkeit (die zugehöri­ ge relative Festigkeit beträgt 1) bei der ersten Kurzzeit- bzw. Momentanbelastung überlebt hatten. Werte mit dem Symbol "∆", Werte mit dem Symbol "∇" und Werte mit dem Symbol "" bezeichnen die "überlebenden" Probenstücke 10 und die gebrochenen Probenstücke 10 nach der ersten, zweiten und dritten (konstante Last) Biegebela­ stung. Die dicken vertikalen Geraden bezeichnen während des Prüf­ versuches ausgeübte Belastungen, und die längs der dicken vertika­ len Geraden aufgetragenen Werte gehören zu denjenigen Probenstük­ ken, welche jede Belastung überlebt haben.

Wie aus Fig. 4 erkennbar ist, ist der Gradient der Festigkeitsver­ teilung der überlebenden Probenstücke 10 (mit dem Symbol "○" be­ zeichnet) deutlich steiler als der Gradient der Festigkeitsvertei­ lung der Probenstücke 10 vor dem Prüfversuch (mit dem Symbol "O" bezeichnet). Dies bedeutet, daß Probenstücke, welche die verlangte Festigkeit hatten, leicht aus der Gruppe von spröden Probenstücken mit größerer Festigkeitsstreuung zuverlässig ausgewählt werden konnten. Die geringste Festigkeit von Probenstücken nach dem Prüf­ versuch betrug 95% der durchschnittlichen Festigkeit der Proben­ stücke vor dem Prüfversuch, was erwies, daß die Probenstücke 10, welche den Prüfversuch überlebt hatten, fast keine Tendenz zur Festigkeitsminderung hatten.

Dies bedeutet nicht nur, daß die Probenstücke 10, welche eine Fe­ stigkeitsminderung durch die erste Kurzzeitbelastung erfahren hat­ ten, zuverlässig durch die nachfolgenden Belastungen ausgeschieden werden konnten, sondern daß auch fast keine Festigkeitsminderung bei den nachfolgenden Belastungen stattfand. Bei dem Prüfversuch mit dem oben beschriebenen Belastungsmuster gingen etwa die Hälfte der Probenstücke 10 zu Bruch, weil die Spitzenbelastung der ersten Kurzzeit- bzw. Momentanbelastung auf die durchschnittliche Festig­ keit der Probenstücke 10 eingestellt war. Der Spitzenwert der er­ sten Kurzzeitbelastung wird abhängig davon bestimmt, eine wie gro­ ße Festigkeit im Betrieb erforderlich ist, mit anderen Worten, unter welchen Bedingungen die spröden Materialstücke eingesetzt werden. Wenn die Prüffestigkeit abgesenkt werden kann, kann der Spitzenwert der ersten Kurzzeitbelastung verkleinert werden, um die Ausbeute an überlebenden Stücken zu vergrößern.

Es seien nun die Versuchsergebnisse des Festigkeitsprüfverfahrens nach der Erfindung im oben beschriebenen Belastungsmuster vergli­ chen mit den Versuchsergebnissen eines herkömmlichen Festigkeits­ prüfverfahrens für sprödes Material.

Fig. 3 zeigt ein Belastungsmuster eines herkömmlichen Prüfverfah­ rens, welches in ähnlicher Weise bei einem Dreipunkt-Biegebe­ lastungsversuch angewendet wurde. Eine Belastung, welche 90% der durchschnittlichen Festigkeit von Probenstücken 10 (42 Stücke) entsprach, wurde bei einer Belastungsgeschwindigkeit von 0,5 mm/min eine Sekunde lang aufrechterhalten und wurde mit glei­ cher Geschwindigkeit wieder weggenommen. Die Probenstücke 10, wel­ che den Prüfversuch überlebt hatten, wurden mit einer Belastungs­ geschwindigkeit von 0,5 mm/min gebrochen, um die Festigkeit der überlebenden Stücke zu ermitteln. So wurde die Festigkeitsvertei­ lung der überlebenden Stücke 10 gewonnen.

In Fig. 5 sind die Prüfergebnisse des herkömmlichen Prüfverfahrens aufgezeichnet. In Fig. 5 bedeuten mit einem "O" bezeichnete Meß­ werte die anfängliche Weibull′sche Festigkeitsverteilung der Pro­ benstücke 10 vor dem Versuch. Mit einem Symbol "○" bezeichnete Werte bedeuten die Weibull′sche Festigkeitsverteilung der Proben­ stücke 10, welche nicht in dem Prüfversuch mit einer Belastung entsprechend 90% der durchschnittlichen Festigkeit (die relative Festigkeit beträgt 0,9) zerbrochen waren. Mit einem "∆" bezeichne­ te Werte bedeuten die überlebenden Probestücke 10 und die nach der Belastung gebrochenen Probenstücke 10. Eine dicke vertikale Gerade bezeichnet eine bei dem Versuch aufgebrachte Zugbeanspruchung, und die auf dieser dicken vertikalen Geraden aufgezeichneten Werte bezeichnen die Probenstücke, welche nicht zerbrochen wurden.

Wie aus Fig. 5 zu erkennen ist, ist der Gradient der Weibull′schen Festigkeitsverteilung der überlebenden Probenstücke 10 nach dem Prüfversuch niedriger (große Variation) als der Gradient der Weibull′schen Festigkeitsverteilung der Probenstücke 10 vor dem Prüfversuch, was erweist, daß der Prüfversuch die Festigkeitsver­ teilung verschlechtert hat. Dies bedeutet nicht nur, daß diejeni­ gen Probenstücke 10, welche die verlangte Festigkeit hatten, nicht zuverlässig von der Gruppe von spröden Probenstücken 10 mit einer Festigkeitstreuung getrennt wurden, also kein wirksamer Prüfver­ such durchgeführt wurde, sondern auch, daß der Festigkeitsversuch zu einer signifikanten Festigkeitsverminderung geführt hat.

Bei dem herkömmlichen Festigkeitsversuch, bei dem eine Biegelast mit einer Belastungsgeschwindigkeit von 0,5 mm/min aufgebracht, eine Sekunde lang aufrechterhalten und mit gleicher Entlastungsge­ schwindigkeit wieder weggenommen wurde, zerbrachen zehn Proben­ stücke 10 nach Erreichen der vorbestimmten Beanspruchung, und es wurde ein nicht vernachlässigbares verzögertes Bruchverhalten festgestellt. Bei dem konventionellen Prüfverfahren betrug die Zeitdauer, welche zum Erreichen von 85% der vorbestimmten Beanspruchung eine Sekunde, die Zeit zum Halten der vorbestimmten Festigkeit ebenfalls eine Sekunde und die Zeit zum Entlasten um 85% der vorbestimmten Beanspruchung wiederum eine Sekunde, woraus folgt, daß die insgesamt erforderliche Zeit drei Sekunden betrug. Hieraus ergibt sich, daß eine Festigkeitsverschlechterung in den Probenstücken stattfand und daß eine derart lange Zeitdauer der Belastung unter hoher Beanspruchung zu verzögertem Bruchverhalten führte.

Bei der Messung der Festigkeitsverteilung der überlebenden Probe­ stücke 10 nach dem Prüfversuch ergab sich, daß zwei der überleben­ den Probenstücke bei einer niedrigeren Beanspruchung zu Bruch gin­ gen, als sie während des Prüfversuchs aufgebracht wurde. Insbeson­ dere verminderte sich die Festigkeit in einem der Probestücke auf einen Wert nicht höher als 70% der durchschnittlichen Festigkeit, was eine signifikante Festigkeitsverminderung darstellt. Nach den Ergebnissen gemäß Fig. 5 wird angenommen, daß die Festigkeit jedes Probestückes 10 ohne Festigkeitsverminderung (die anfängliche Fe­ stigkeit, die bezüglich der Bruchwahrscheinlichkeit unter Aus­ schluß der 22 gebrochenen Probestücke von den insgesamt 42 Probe­ stücken gefunden wurde) oberhalb von etwa 1,0 liegt (die relative Festigkeit 1,0 entspricht der anfänglichen durchschnittlichen Fe­ stigkeit; die gleiche Definition wird im folgenden verwendet). Dies bedeutet, daß bei einer Belastung entsprechend 0,9 der rela­ tiven Festigkeit eine Festigkeitsverminderung aufgrund der Bela­ stung sich sogar auf diejenigen Probestücke erstreckte, welche eine um 10% oder höher liegende Festigkeit hatten.

Wie erläutert, kann bei Anwendung des Festigkeitsprüfverfahrens nach der Erfindung die Weibull′sche Festigkeitsverteilung der überlebenden Probestücke nach dem Prüfversuch im Vergleich zum herkömmlichen Festigkeitsprüfverfahren signifikant verbessert wer­ den. Gemäß der Erfindung können Produkte mit der verlangten Festigkeit zuverlässig aus einer Gruppe von spröden Materialstüc­ ken mit einer großen Streubreite der Festigkeit ausgesondert wer­ den.

Es seien nun bevorzugte Einstellungen der Belastungswerte bei der zweiten Kurzzeit- bzw. Momentanbelastung und bei den folgenden Momentanbelastungen bei einem Prüfverfahren nach der Erfindung be­ schrieben. Es ist wichtig, bis zu welchem Ausmaß die bei der zwei­ ten Kurzzeitbelastung erzeugte Beanspruchung bezüglich der bei der ersten Kurzzeitbelastung erzeugten Beanspruchung abgesenkt wird. Es ist notwendig, das Ausmaß der Absenkung so einzurichten, daß die meisten der überlebenden Probestücke nach der ersten Kurzzeit­ belastung ebenfalls überleben können, ohne bei der zweiten Kurz­ zeitbelastung eine Festigkeitsminderung zu erfahren.

Bevorzugt wird ein Vorversuch durchgeführt, um den Belastungswert der zweiten Kurzzeitbelastung und diejenigen der nachfolgenden Kurzzeitbelastungen zu ermitteln. Im einzelnen wird eine weitere Gruppe von Probenstücken aus gleichem Material wie die zu prüfen­ den Probestücke im Vorversuch einer ersten Kurzzeitbelastung un­ terzogen. Daraus wird die Weibull′sche Festigkeitsverteilung der Probenstücke, welche die erste Kurzzeitbelastung überlebt haben, erhalten. Eine Beanspruchung, welche der gewünschten Bruchwahr­ scheinlichkeit basierend auf der Weibull′schen Festigkeitsvertei­ lung entspricht, wird als der Belastungswert für die zweite Kurz­ zeitbelastung eingestellt. Wenn beispielsweise der Belastungswert für die zweite Kurzzeitbelastung auf 85% der bei der ersten Kurz­ zeitbelastung erzeugten Beanspruchung gesetzt wird und der Bela­ stungswert für die dritte Kurzzeitbelastung auf 72% des Beanspru­ chungswertes der ersten Kurzzeitbelastung (=85% der ersten Bela­ stung × 85% der zweiten Belastung) gesetzt wird, wird die endgül­ tige Bruchwahrscheinlichkeit bezüglich des endgültigen Belastungs­ wertes des überlebenden Stückes, auf welches mehrere Kurzzeitbela­ stungen aufgebracht wurden, durch das Produkt der Bruchwahrschein­ lichkeiten bei jeder Kurzzeitbelastung repräsentiert.

Wenn z. B. die Bruchwahrscheinlichkeit der Probenstücke bei jeder Kurzzeitbelastung 1/100 (1%) beträgt (siehe Fig. 4 bezüglich des Verhältnisses zwischen der Bruchwahrscheinlichkeit und der ausge­ übten Beanspruchung), kann die Bruchwahrscheinlichkeit der überle­ benden Probenstücke nach der letzten Belastung bei drei Kurzzeit­ belastungen auf (1/100)³ = 1/1000000 abgesenkt werden. Dies zeigt, daß die Überlebens-Wahrscheinlichkeit der zuletzt überlebenden spröden Materialstücke bezüglich der zuletzt durchgeführten Kurz­ zeitbelastung drastisch durch wiederholtes mehrfaches Aufbringen von Kurzzeitbelastungen erhöht werden kann, wobei der Spitzenwert der Kurzzeitbelastung fortschreitend vermindert wird.

Es sei nun ein Beispiel beschrieben, bei dem das Festigkeitsprüf­ verfahren nach der Erfindung auf poröse keramische Filterrohre angewendet wird, welche in einem Filtergerät zum Filtern heißer Gase enthaltend Stäube erläutert ist. In Fig. 6 ist eine schemati­ sche Ansicht eines Prüfgerätes 21 dargestellt, mit dem ein Festig­ keitsprüfverfahren nach der Erfindung auf ein Filterrohr 20 ange­ wendet wird. In Fig. 7 ist ein Rohrleitungs-Schaltbild des Prüfge­ rätes dargestellt. Wie in Fig. 6 gezeigt, stützt eine Grundplatte 24, welche auf einem rechteckigen Grundrahmen 22 gleitbar ange­ bracht ist, ein Speiserohr 26 freitragend ab, wobei das Speiserohr parallel zur Längsrichtung des Grundrahmens 22 angeordnet ist. Das Speiserohr 26 hat ein geschlossenes Frontende 26A und ein mit ei­ ner Öffnung 26B versehenes hinteres Ende zum Einführen von Druck­ wasser. Das Speiserohr 26 hat einen mit vielen Öffnungen (nicht gezeigt) versehenen Umfang. Das Speiserohr 26 hat ferner eine Ela­ stomerhülse (aus einem Hohl-Elastomer) 28, die mit einem offenen Ende von dem Frontende 26A des Speiserohres bis benachbart zur Öffnung 26B des hinteren Endes aufgeschoben ist, um darauf einen Druck auszuüben.

Das Filterrohr 20 (bestehend aus Cordierit und mit einer Gesamt­ länge von etwa 2400 mm) wird dem Prüfversuch mit darin eingescho­ bener Elastomerhülse 28 unterzogen. Das Filterrohr 20 wird von mehreren Haltern 32 getragen, die in einem schallisolierten Gehäu­ se 30 auf dem Grundrahmen 22 angeordnet sind. Wenn der Prüfversuch am Filterrohr 20 ausgeführt wird, wird die Stützplatte 24 in Rich­ tung des Pfeiles 34 verlagert, um die Elastomerhülse 28 in eine vorbestimmte Position zu bringen. Anschließend wird Druckwasser von der Öffnung 26B am rückwärtigen Ende des Speiserohres 26 in das Speiserohr eingeführt. Das Druckwasser strömt über die Öffnun­ gen am Umfang des Speiserohres aus, um die Elastomerhülse 28 gleichmäßig zu expandieren und dadurch einen Innendruck auf die Innenseite des Filterrohres 20 auszuüben, was zu einer Zugbean­ spruchung des Filterrohrs in Umfangsrichtung führt.

Benachbart den Haltern 32 zum Halten des Filterrohres 20 sind meh­ rere AE-Sensoren 36 zum Erfassen akustischer Emissionen angeord­ net, um das Fortschreiten einer Festigkeitsverschlechterung wäh­ rend des Prüfversuches zu überwachen. Die AE-Sensoren 36 messen die durch Wachstum oder Verformung eines Risses im Material bei Zugbeanspruchung erzeugten Schallwellen (akustische Emission). Da externe Geräusche möglichst vollständig auszuschließen sind, um die akustische Emission mittels der AE-Sensoren 36 erfassen zu können, ist das schallisolierte Gehäuse 30 zum Einschließen des Filterrohres vorgesehen. Um ferner zu vermeiden, daß bei dem Prüf­ versuch Schwingungen auftreten, sind schwingungssichere Abstützun­ gen 38 an den vier Ecken des Grundrahmens 22 angebracht.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Leitungsschaltbild für das Prüfge­ rät wird zunächst Wasser von einem Speisewassertank 40 in die Ela­ stomerhülse 28 eingegeben, um die Elastomerhülse 28 mit Wasser anzufüllen. Danach wird eine Balgpumpe 44 mittels Druckluft aus einem Kompressor 42 betätigt, um eine Druckwassereinspeisung zu bewirken. Bei der Kurzzeitbelastung, bei welcher momentan eine Belastung aufgebracht wird- wird ein Regelventil 46 für Druckluft zum abrupten Erhöhen des Druckes bis auf einen maximalen Wasser­ druck von n kp/cm² vollständig geöffnet, und ein Druckreduzierven­ til 48 wird zu einem abrupten Wegnehmen des Druckes (die Belastung wird zurückgenommen) zu demjenigen Zeitpunkt geöffnet, wenn der Sollwasserdruck erreicht ist. Im Ergebnis kann die Lastaufbringung in zwei Sekunden oder weniger auf n kp/cm² erhöht werden, und da­ nach kann die Last in 0,5 Sekunden oder weniger auf Null zu­ rückgenommen werden, was dem lastfreien Zustand entspricht. Um den Prüfversuch für einige hundert Filterrohre 20 wirksam durchführen zu können, werden Zyklen mit jeweils einer Wassereinspeisung, ei­ ner Druckerhöhung, einer Druckwegnahme und einer Wasserabfuhr halbautomatisch durchgeführt. In Fig. 7 bezeichnet Bezugszahl 50 einen Regler, Bezugszahl 52 einen Luftfilter, Bezugszahl 54 einen Feuchtigkeitsausscheider, Bezugszahl 56 einen Druckaufnehmer und Bezugszahl 58 einen Kran zum Anheben des Filterrohres 20.

Das Prüfgerät 21 für ein Filterrohr gemäß der oben beschriebenen Konstruktion wurde dazu eingesetzt, Prüfversuche an Filterrohren mit einem Belastungsmuster gemäß Fig. 2 durchzuführen. Bei dem Prüfversuch wurden Filterrohre 20, welche durch eine zweimalige Kurzzeitbelastung und eine viermalige Konstant-Belastung gebrochen waren, ausgeschieden. Ferner wurden nach der viermaligen Ausübung einer Konstantbelastung die AE-Sensoren 36 dazu eingesetzt, abzu­ schätzen, in welchem Ausmaß eine Festigkeitsminderung in jedem Filterrohr eingetreten war. Die Abschätzung wurde basierend auf der akustischen Emission getroffen, welche sich beim Erhöhen der abgeschwächten Belastung ergab. Auf diese Weise wurden einige we­ nige Filterrohre als defekt auch schon dann eingestuft, wenn sie nicht zu Bruch gegangen waren.

Die Ergebnisse des Prüfversuches zeigen, daß Filterrohre mit der erforderlichen Festigkeit zuverlässig aus einer Gruppe von Filter­ rohren ausgesondert werden konnten, welche große Festigkeitsstreu­ ung hatten, wie anhand der Ergebnisse von Prüfversuchen an den Probestücken mit dem oben beschriebenen Biegebelastungsmuster er­ läutert worden ist. Ferner konnte die Überlebenswahrscheinlichkeit der überprüften Filterrohre, welche schließlich den Versuch be­ standen, drastisch erhöht werden.

Wenngleich bei der beschriebenen Ausführung des Verfahrens eine Kombination einer zweimaligen Kurzzeitbelastung und einer vierma­ ligen Konstantbelastung stattfand, kann die Konstantbelastung ab­ hängig von der minimalen Überlebenswahrscheinlichkeit weggelassen werden.

Wie oben beschrieben, wird bei einem Festigkeitsprüfverfahren nach der Erfindung eine Kurzzeit- oder Momentanbelastung unter Erzeugen einer Zugbeanspruchung in einem spröden Materialstück momentan wiederholt mehrfach aufgebracht, wobei der Spitzenwert der Bela­ stung fortschreitend vermindert wird. Im Ergebnis wird die Festig­ keit des spröden Materialstückes exakt bewertbar, während das Auf­ treten einer Festigkeitsverminderung in den spröden Materialstüc­ ken minimiert und ermöglicht wird, diejenigen Materialstücke aus­ zusondern, welche eine geringe Streuung der Festigkeit aufweisen.

Zusätzlich ist es möglich, nicht nur zuverlässig die eine ge­ wünschte Nennfestigkeit aufweisenden spröden Materialstücke aus einer Gruppe von spröden Materialstücken mit einer großen Varia­ tionsbreite der Festigkeit auszusondern sondern auch drastisch die Überlebenswahrscheinlichkeit der den Versuch schließlich überste­ henden spröden Materialstücke zu vergrößern.

Die Anwendung einer Kurzzeitbelastung führt kaum zu einer Festig­ keitsminderung in den spröden Materialstücken, und zwar selbst dann nicht, wenn eine Beanspruchung entsprechend der durchschnitt­ lichen Festigkeit der spröden Materialstücke auf diese ausgeübt wird. Als Ergebnis kann die Ausbeute an den Prüfversuch überleben­ den Materialstücken erhöht werden.

Claims (8)

1. Festigkeitsprüfverfahren zum Prüfen der Festigkeit von sprö­ den Materialstücken, bei dem wiederholt mehrfache Momentan- bzw. Kurzzeitbelastungen aufgebracht werden, welche wieder­ holte momentane Zugbeanspruchungen des zu prüfenden spröden Materialstückes erzeugen, und fortschreitend die Spitzenwerte der aufeinander folgenden Kurzzeitbelastungen abgesenkt wer­ den.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zumindest einmal nach der letzten Kurzzeitbe­ lastung über eine vorbestimmte Zeitdauer eine konstante Be­ lastung zur Erzeugung einer Zugbeanspruchung aufgebracht wird, die kleiner als der Spitzenwert der letzten Kurz­ zeitbelastung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spitzenwert der Zugbeanspruchung bei den aufeinander folgenden Kurzzeitbelastungen auf die Größe der Nennfestigkeit einer Gruppe von zu prüfenden spröden Ma­ terialstücken eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spitzenwert der Zugbeanspruchung bei den aufeinander folgenden Kurzzeitbelastungen auf eine Zugbe­ anspruchung festgesetzt wird, die der vorher aufgrund einer Weibull-Festigkeitsverteilung gefundenen Bruchwahrscheinlich­ keit entspricht, wobei die Weibull-Festigkeitsverteilung durch Untersuchen der Festigkeitsverteilung einer Gruppe von spröden Materialstücken erhalten wird, die nicht durch die unmittelbar vorangegangene Kurzzeitbelastung zu Bruch gegan­ gen sind, und wobei die gesuchte Festigkeitsverteilung gemäß der statistischen Weibull-Analyse verarbeitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das spröde Material ein hetero­ genes Material ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das zu prüfende Material ein Keramikmaterial oder ein daraus hergestelltes Produkt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das spröde Material ein poröses Material ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das spröde Material ein Rohr bildet, und daß ein Hohl-Elastomer in dem Rohr angeordnet und ein Fluid in das Hohl-Elastomer eingebracht werden, um das Hohl-Elastomer zu expandieren und dadurch eine Zugspannung in Umfangsrichtung auf das Rohr zu erzeugen.