DE19754129C1

DE19754129C1 - Vorrichtung zur Erfassung der Konturänderung von Zugproben bei verschiedenen Temperaturen

Info

Publication number: DE19754129C1
Application number: DE1997154129
Authority: DE
Inventors: Mario Walter; Jarir Dr Aktaa; Marco Klotz
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2017-12-06
Also published as: EP0921369A2; EP0921369B1; EP0921369A3; DE59813514D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Kon turänderung von Zugproben bei verschiedenen Temperaturen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bewertungen von Bauteilen bezüglich ihrer Haltbarkeit bei den unterschiedlichsten Belastungsarten erfolgen heutzutage aufgrund der immer größer werdenden Rechnerkapazitäten überwiegend anhand von FEM- (Finite-Elemente-Methode) Berechnungen. Um auch zuge lassene Verformungen der Bauteile und die daraus resultierenden inhomogenen Spannungszustände richtig beurteilen zu körnen, ist es notwendig Modelle zu entwickeln, die präzise Vorhersagen über das Verhalten des verwendeten Werkstoffs unter Last zulassen. Voraussetzung hierfür ist eine genaue Kenntnis der Materialkenn werte, welche u. a. durch spezielle bruchmechanische Versuchsrei hen wie z. B. Zugversuche an gekerbten oder nicht gekerbten Pro ben oder Kerbschlagbiegeversuche ermittelt werden. Mit den dar aus gewonnenen Ergebnissen erfolgt dann eine Modellanpassung für das gleiche Bauteil (Probe) um durch eine anschließende Verifi zierung ein allgemeingültiges Werkstoffmodell erstellen zu kön nen.

Um ein tiefes Verständnis für Versprödungsmechanismen zu erzie len und sie bei einer Modellbildung zu berücksichtigen, sind Zugversuche an gekerbten Proben im Tieftemperaturbereich der Versprödung - spröd-duktiler Übergangsbereich genannt - durchzu führen.

Aus der US 3,370,155 ist eine Meßkammer zur Durchführung von Zugversuchen bei hö heren Temperaturen bekannt, Schlierenbildung und Störungen durch Streulicht werden jedoch nicht verhindert.

Aus der DE 196 01 788 C1 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Er fassung von Bruchparametern bei höheren Temperaturen bekannt, bei der Laserlicht verwendet wird.

Aus der JP 2-103441 (A); Pat. Abstr. of Japan, P-1073, 1990, Vol. 14, Nr. 317 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die Riß entwicklung einer Probe in flüssigem Helium mit Hilfe einer Fernsehkamera erfaßt wird.

Aus der JP 6-241967 (A); Pat. Abstr. of Japan, P-1834, 1994, Vol. 18, Nr. 627 ist ein Verfahren bekannt mit dessen Hilfe die Genauigkeit von Streckversuchen verbessert wird.

Aus der JP 2-226041 (A); Pat. Abstr. of Japan, P-1134, 1990, Vol. 14, Nr. 530 ist eine Anordnung bekannt, bei der Zugproben in Draufsicht untersucht werden.

Des weiteren ist aus der JP 3-144343; Pat. Abstr. of Japan, P- 1253, 1991, Vol. 15, Nr. 368 eine ähnliche Anordnung für Messung bei höheren Temperaturen bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der e. g. Art so auszugestalten, daß damit Zugversuche in einem weiten Tempera turbereich durchgeführt und dokumentiert werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Ein besonderer Vorteil der Messapparatur besteht darin, daß we gen des minimierten Streulichts und durch Verminderung von Schlierenbildung durch das Temperiermedium die Kontur der Ein kerbung mit ihrer Änderung beim Zugversuch mit hoher Auflösung erfaßt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels mit Hilfe der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt dabei den schematischen Aufbau einer Vorrich tung.

Um ein Objekt mit einem optischen System anhand seiner Konturen zu vermessen ist es notwendig, seine Außenkanten so genau und scharf wie möglich auf dem vom System verwendeten Sensor abzu bilden. Entscheidend hierfür sind die Licht- und Strömungsver hältnisse des umgebenden Mediums im Bereich des optischen Wegs. Im vorliegenden Fall werden mit einer Hochgeschwindigkeits-CCD- Kamera temperaturabhängige Versuche an Zugproben aufgezeichnet und ausgewertet.

Die Zugproben 3 befinden sich dabei in einer klimatisierbaren Kammer 10 und werden von außen durch einen optischen Zugang, hier ein öffenbares Fenster 1 aufgenommen. Das Fenster ist mehr schichtig aufgebaut. Um die Konturen so scharf wie möglich abzu bilden, erfolgen die Aufnahmen im sogenannten Gegenlichtverfah ren - d. h. das Meßobjekt 3 befindet sich zwischen Lichtquelle 8 und Kamera. Die Kamera ist hier nicht dargestellt. Sie befindet sich zur Messung rechts vom Fenster 1. Die Zugprobe 3 wird so als schwarze Fläche mit weißem Hintergrund auf dem Sensor der Kamera abgebildet. Damit die Lichtverhältnisse konstant bleiben während eines Versuchs, wird eine 12 V Kaltspiegel-Halogenlampe als Lichtquelle 8 eingesetzt (bei der Verwendung von Wechsel strom kommt es zu einer Schwebung zwischen der Netzfrequenz und der Bildaufnahmefrequenz). Da überwiegend metallische Werkstoffe untersucht werden, ist es notwendig ein gezieltes, möglichst diffuses Licht zu erzeugen, um die Reflexionen an der Pro benoberfläche so gering wie möglich zu halten. Dazu wurde die Lampe 1 mit temperaturbeständigem Teflon im Bereich des Strah lungskegels verkleidet. Dies dient als Streuscheibe. Der gleiche Effekt kann prinzipiell auch mit einer Milchglasscheibe erzielt werden, Teflon hat jedoch den Vorteil daß es mechanisch leicht bearbeitbar ist und so auch gleichzeitig als Teil zur festen Fi xierung der Lampe 3 in der Kammer 10 eingesetzt wird. Zur Tempe rierung der Kammer 10 wird bei Hochtemperaturversuchen Luft er wärmt und zur gleichmäßigen Verteilung mit einem Umwälzventila tor 6 in die Kammer geblasen. Der Ventilator 6 befindet sich an der Rückwand der Kammer 10 in Höhe der Probe 3. Unmittelbar hin ter dem Ventilator 6 befindet sich die Zufuhr für das Temperier medium. Bei Tieftemperaturversuchen wird die Kammer mit z. B. Flüssiggas betrieben das ebenfalls durch den Ventilator verteilt wird. Aufgrund der Strömungsverhältnisse kommt es in beiden Fäl len zu einem Flimmern - es scheint optisch so, als wenn sich die Probe 3 bewegen würde. Um die dadurch verursachte Meßunge nauigkeit zu beseitigen, ist zur Strömungsumlenkung im Bereich des optischen Wegs direkt hinter der Probe ein Uhrglas als Strö mungsumlenkung 5 montiert. Zusätzlich ist am Fenster 1 ein Sichtrohr 2 angebracht welches bis kurz vor die Probe 3 reicht. Das Sichtrohr 2 ist in einer an der Kammer 10 verschraubten Hal terung geführt und wird mit Hilfe einer Feder gegen das Fenster 1 gedrückt, sodaß bei unterschiedlichen Temperaturen das Anlie gen des Sichtrohres 2 an das Fenster 1 gewährleistet ist. Das Sichtrohr 2 ist innen und außen mattschwarz lackiert um die Probe auch vor den leichten Reflexionen innerhalb der Kammer 10, die innen ebenfalls geschwärzt sein kann, abzuschirmen. Alle durchgeführten konstruktiven Modifikationen führen zu einer deutlich erhöhten Abbildungs- und damit Meßgenauigkeit über ei nen breiten Temperaturbereich hinweg.

Bezugszeichenliste

1

Sichtfenster

2

Sichtrohr

3

Zugprobe

4

Zuggestänge

5

Strömungsumlenkung

6

Ventilator

7

Zufuhr für Temperiermedium

8

Lichtquelle

9

Streuscheibe

10

Kammer

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung der Konturänderung von Zugproben bei verschiedenen Temperaturen bestehend aus einer die Zug probe umschließenden Kammer, in die das Zuggestänge einer Werkstoffprüfmaschine hineinragt, einem Sichtfenster und ei nem Ventilator zur Verteilung eines Temperiermedium, gekenn zeichnet durch:

a) eine Lichtquelle (8) mit einer Streuscheibe (9) auf einer Seite der Zugprobe (3),
b) ein Sichtrohr (2) zwischen Zugprobe (3) und Sichtfenster (1) auf der anderen Seite der Zugprobe (3),
c) eine Kamera zur Aufnahme der Zugprobe (3) durch das Sichtrohr (2) und
d) eine lichtdurchlässige Strömungsumlenkung (5) zwischen Lichtquelle (8) und Zugprobe (3).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (8) eine Halogen-Kaltlichtspiegel-Gleichstrom lampe ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuscheibe (9) eine Teflonscheibe ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Strömungsumlenkung (5) ein gegen die Licht quelle (8) gewölbtes Uhrglas ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Sichtrohr (2) innen geschwärzt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Innenseite der Kammer (10) geschwärzt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Sichtrohr (2) über die Zugprobe (3) hinaus reicht und im Bereich der Zugprobe (3) geschlitzt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ventilator (6) während der Messung ab schaltbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kamera eine CCD-Kamera ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Streuscheibe (9) in die Strömungsumlenkung (5) integriert ist.