DE20012911U1 - Device for determining the contact strength under roller loading - Google Patents
Device for determining the contact strength under roller loadingInfo
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Description
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH ANR 5661498Research Center Karlsruhe GmbH ANR 5661498
Karlsruhe, den 25. Juli 2000 PLA 0038 We/heKarlsruhe, July 25, 2000 PLA 0038 We/he
Vorrichtung zur Bestimmung der Kontaktfestigkeit: unter RollenbelastungDevice for determining contact strength: under roller load
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Vorrichtung zur Bestimmung der Kontaktfestigkeit unter RollenbelastungDevice for determining the contact strength under roller load
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Kontaktfestigkeit einer ebenen, spröden Probeoberfläche bei linienförmiger Krafteinleitung zum Einsetzen in eine Universal- oder
Druckprüfmaschine gemäss des ersten Schutzanspruchs.The invention relates to a device for determining the contact strength of a flat, brittle sample surface when linear force is applied for insertion into a universal or
Pressure testing machine according to the first claim.
Eine Beanspruchung keramischer Werkstoffe und Bauteile erfolgt
in der Praxis durch Einleitung äußerer Kräfte. Oft werden diese auf relativ kleine Kontaktflächen auf das keramische Bauteil
eingeleitet, wobei sich diese in Extremfällen auf reine punkt-
oder linienförmige Lasteinleitungsflächen reduzieren. Keramik
ist bekanntermaßen spröde und verformt sich bis zu einem Versagen durch Bruch ohne nennenswerte plastische Deformationsanteile. In Folge dessen lassen sich Spannungssingularitäten auch
nicht einfach durch plastische Deformationen abbauen. Ferner
liegt hier eine Ursache in den relativ weit streuenden Festigkeitswerten
keramischer Bauteile, welche einen zuverlässigen
Einsatz von keramischen Werkstoffen als Konstruktionswerkstoff
erheblich einschränken. Die kontaktflächennahen Bereiche weisen zudem mehrachsige Spannungszustände mit extremen Spannungsgradienten auf, welche sich über geeignete Berechnungsmethoden, beispielsweise mit Finite-Element-Methoden (FEM) abschätzen lassen.Ceramic materials and components are subjected to stress
in practice by introducing external forces. These are often applied to relatively small contact surfaces on the ceramic component
initiated, whereby in extreme cases these are limited to purely point-
or reduce linear load introduction surfaces. Ceramic
is known to be brittle and deforms until failure by fracture without significant plastic deformation. As a result, stress singularities can also
not simply degrade through plastic deformation. Furthermore,
One reason for this is the relatively wide scattering of strength values
ceramic components, which provide a reliable
Use of ceramic materials as construction materials
The areas close to the contact surface also exhibit multiaxial stress states with extreme stress gradients, which can be estimated using suitable calculation methods, for example with finite element methods (FEM).
Eine Verifikation der analytisch ermittelten FEM-Ergebnisse
durch praktische Versuche ist aufgrund der hierfür sehr komplexen Erfassung des Spannungszustandes im keramischen Bauteil nur an sehr einfachen Modellkonstellationen möglich. Bisherige quantitative Untersuchungen beschränken sich daher nur auf den im
Idealfall punktförmigen Kontakt einer Kugel auf einer ebenen Keramikplatte (vgl. [I]). Gezielte experimentelle Untersuchungen
zum Einfluss einer linienförmigen Krafteinleitung in einen keramischen Körper, wie sie beim Kontakt der Belastungsrolle auf eine Biegeprobe während eines Dreipunkt- oder Vierpunktbiegever-A verification of the analytically determined FEM results
Due to the complexity of the stress state in the ceramic component, practical tests can only be carried out using very simple model configurations. Quantitative investigations to date have therefore been limited to the
Ideally, point contact of a ball on a flat ceramic plate (see [I]). Targeted experimental investigations
on the influence of a linear force introduction into a ceramic body, as it occurs when the load roller contacts a bending specimen during a three-point or four-point bending test.
: r 5 *■: r 5 *■
such auftritt und die hieraus ermittelten Festigkeitswerte beeinflussen, sind dagegen nicht bekannt. Folglich sind auch keine Versuchsvorrichtungen für eine kontrollierte linienförmige Krafteinleitung in eine ebene keramische Bauteiloberfläche zur Bestimmung der Kontaktfestigkeit unter Rollenbelastung bekannt.However, the factors that influence the strength values determined from this are not known. Consequently, no test devices are known for a controlled linear force introduction into a flat ceramic component surface to determine the contact strength under roller load.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur experimentellen Bestimmung der Kontaktfestigkeit einer ebenen keramischen Probe unter linienförmiger Krafteinleitung, zu schaffen.The object of the invention is to provide a device for the experimental determination of the contact strength of a flat ceramic sample under linear force application.
Die Aufgabe wird mit der in Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung gelöst. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtung an.The object is achieved with the device described in claim 1. The further claims specify preferred embodiments of the device.
Die neuheitsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigenThe novel device is explained below using drawings of an embodiment. They show
Fig. 1 a und b die Vorrichtung mit zwei Lasteinleitungsrollen und keramischer Probe in zwei verschiedenen Ansichten.Fig. 1 a and b the device with two load introduction rollers and ceramic sample in two different views.
Die neuheitsgemäße Vorrichtung setzt sich, wie in den Figuren dargestellt, im wesentlichen aus einem Grundkörper 1, je einer unteren und oberen Lasteinleitungsrolle 2 und 3, einem Zwischenelement 4 sowie einer Platte 5 zusammen. Untere und obere Lasteinleitungsrollen 2 und 3 weisen identischen Durchmesser auf. Sie bestehen, wie auch die Platte 5 und das Zwischenelement 4, aus einem Hartstoff, einem Hartmetall, einer Keramik oder einem gehärtetem Metall.The novel device is essentially made up of a base body 1, a lower and upper load introduction roller 2 and 3, an intermediate element 4 and a plate 5, as shown in the figures. The lower and upper load introduction rollers 2 and 3 have identical diameters. Like the plate 5 and the intermediate element 4, they consist of a hard material, a hard metal, a ceramic or a hardened metal.
Der Grundkörper 1 besteht aus einem U-Profil aus Messing, welches mit der äußeren Bodenfläche plan und mittig auf die untere Druckplatte 6 einer Universal- oder Druckprüfmaschine aufgesetzt wird. Die auf der inneren Bodenfläche des Grundkörpers eingelegte Platte 5 dient als formstabiles und verschleißfestes Auflager für die untere Lasteinleitungsrolle 2, welche wiederum inThe base body 1 consists of a U-profile made of brass, which is placed with the outer base surface flat and centrally on the lower pressure plate 6 of a universal or pressure testing machine. The plate 5 inserted on the inner base surface of the base body serves as a dimensionally stable and wear-resistant support for the lower load introduction roller 2, which in turn is placed in
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zwei, in die U-Profilwangen 7 eingearbeiteten vertikalen Führungsschlitzen, geführt wird.two vertical guide slots incorporated into the U-profile cheeks 7.
Auf der unteren Lasteinleitungsrolle 2 liegt horizontal eine quaderförmige, spröde Probe 8 auf und wird durch die U-Profilwangen 7 senkrecht zu dieser geführt. Soll die Vorrichtung universell für verschiedene Probengeometrien einsetzbar sein, ist eine einstellbare, in Fig. 1 a und 1 b nicht dargestellte Zentriervorrichtung vorzusehen, welche eine mittige Führung zugunsten einer gleichmäßigen Belastung der Probe zwischen den Lasteinleitungsrollen sicherstellt. Eine derartige Probenführung erfolgt beispielsweise über Zustellschrauben in den U-Profilwangen 7 oder durch Einsetzen spezieller Probenlehren, Abstandshalter oder Führungsrahmen zur Führung der Probe 8 im Grundkörper 1.A cuboid-shaped, brittle sample 8 rests horizontally on the lower load introduction roller 2 and is guided perpendicularly to it by the U-profile cheeks 7. If the device is to be universally usable for different sample geometries, an adjustable centering device (not shown in Fig. 1 a and 1 b) must be provided, which ensures central guidance in favor of an even load on the sample between the load introduction rollers. Such sample guidance is carried out, for example, via feed screws in the U-profile cheeks 7 or by inserting special sample gauges, spacers or guide frames to guide the sample 8 in the base body 1.
Die beschriebene und in Fig. 1 a und b dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung ist für die Prüfung keramischer Biegeproben mit einem Querschnitt von 3x4 mm konzipiert. Für die Bestimmung der Festigkeit unter Kontaktbelastung ist dabei eine Probenlänge von 10 mm ausreichend, womit für die Versuche auch einzelne, entsprechend lange Bruchstücke aus vorangegangenen Biegeversuchen eignen.The described embodiment of the device shown in Fig. 1 a and b is designed for testing ceramic bending specimens with a cross-section of 3x4 mm. A specimen length of 10 mm is sufficient for determining the strength under contact loading, which means that individual, correspondingly long fragments from previous bending tests are also suitable for the tests.
Nach Einlegen der Probe 8 in die Vorrichtung wird auf diese die obere Lasteinleitungsrolle 3 aufgelegt, wobei diese durch die beiden Führungsschlitze in den U-Profilwangen 7 exakt über der unteren Lasteinleitungsrolle 2 so geführt wird, dass sie gemeinsam mit dieser in einer vertikalen Ebene 9 liegt, während die Probe 8 senkrecht zu dieser Ebene ausgerichtet ist. Das auf der oberen Lasteinleitungsrolle 3 mittig aufgesetzte Zwischenstück gewährleistet eine Kippbewegung der oberen Lasteinleitungsrolle 3 im Führungsschlitz und damit eine Ausgleich kleinerer Winkelfehler bei der Planparallelität der beiden Auflagerflächen der Probe 8 mit den Lasteinleitungsrollen zueinander. In der Praxis hat sich ein Führungsspiel zwischen Führungsschlitzen und Last-After placing the sample 8 in the device, the upper load introduction roller 3 is placed on it, whereby the latter is guided by the two guide slots in the U-profile cheeks 7 exactly above the lower load introduction roller 2 so that it lies together with the latter in a vertical plane 9, while the sample 8 is aligned perpendicular to this plane. The intermediate piece placed centrally on the upper load introduction roller 3 ensures a tilting movement of the upper load introduction roller 3 in the guide slot and thus a compensation of small angular errors in the plane parallelism of the two support surfaces of the sample 8 with the load introduction rollers to each other. In practice, a guide play between the guide slots and the load
einleitungsrolle von 0,1 nun bewährt, welches auch im Falle einer geringen Ovalisierung der Lasteinleitungsrollen bei hoher Prüfkraft eine ausreichende Beweglichkeit dieser in den Führungsschlitzen sicherstellt. Als Zwischenstück 4 eignen sich senkrecht zur Ebene 9 ausgerichtete Zylinder, Halbzylinder oder, wie in Fig. 1 a und b dargestellt, ein Formkörper mit einer planen Auflagefläche 10 für die obere Lasteinleitungsrolle, einer gegenüberliegenden, senkrecht zur Ebene 9 ausgerichteten Zylinderfläche 11 und mit zwei Führungsstegen 12 zum Führen des Formkörpers auf der oberen Lasteinleitungsrolle 3.introduction roller of 0.1 has now proven itself, which ensures sufficient mobility in the guide slots even in the case of a slight ovalization of the load introduction rollers at high test force. Cylinders, half cylinders aligned perpendicular to the plane 9 or, as shown in Fig. 1 a and b, a molded body with a flat support surface 10 for the upper load introduction roller, an opposite cylinder surface 11 aligned perpendicular to the plane 9 and with two guide webs 12 for guiding the molded body on the upper load introduction roller 3 are suitable as intermediate pieces 4.
Für die Bestimmung der Kontaktfestigkeit wird die Vorrichtung mit der Probe zwischen oberer und unterer Druckplatte 13 bzw. einer Druck- oder Universalprüfmaschine eingeschoben. Der eigentliche Versuch zur Bestimmung der Kontaktfestigkeit erfolgt kraftgesteuert über einen Rampenversuch mit vorgegebener konstanten Kraftrate bis zum Versagen der Probe, wobei die Prüfkraft über die Zeit aufgenommen wird. Die Prüfkraft wird dabei von der oberen Druckplatte 13, über das Zwischenelement 4 und die obere Lasteinleitungsrolle 3 auf die Probe übertragen und von dieser auf die untere Druckplatte 6 über die untere Lasteinleitungsrolle 2, die Platte 5 und den Grundkörper weitergeleitet. Die Bestimmung der Kontaktfestigkeit erfolgt dann bei Probenbruch, d. h. durch Messung der maximalen Kraft bzw. des ersten Krafteinbruchs im Prüfkraft-Zeit-Diagramm.To determine the contact strength, the device with the sample is inserted between the upper and lower pressure plate 13 or a pressure or universal testing machine. The actual test to determine the contact strength is force-controlled using a ramp test with a specified constant force rate until the sample fails, with the test force being recorded over time. The test force is transferred from the upper pressure plate 13, via the intermediate element 4 and the upper load introduction roller 3 to the sample and from there to the lower pressure plate 6 via the lower load introduction roller 2, the plate 5 and the base body. The contact strength is then determined when the sample breaks, i.e. by measuring the maximum force or the first drop in force in the test force-time diagram.
Definiert man die Kontaktfestigkeit a c als die maximale Zugspannung in der Probe im Moment des Bruchs, dann gilt [2]If the contact strength a c is defined as the maximum tensile stress in the sample at the moment of fracture, then [2]
CT C = 0,98 * P/(H * t)
(P = Bruchkraft, H = Probenhöhe, t = Probenbreite). CT C = 0.98 * P/(H * t)
(P = breaking force, H = sample height, t = sample width).
Das Versagen der Probe tritt aufgrund des spröden Materialverhaltens und der daraus resultierenden elastisch gespeicherten Energie unkontrolliert, d. h. explosionsartig und ohne Vorwarnung auf. Um eine Verletzungsgefahr durch umhergeschleuderteThe failure of the sample occurs uncontrolled, i.e. explosively and without warning, due to the brittle material behavior and the resulting elastically stored energy. In order to avoid the risk of injury from flying
Partikel deutlich zu reduzieren, ist ein Splitterschutz um die Vorrichtung vorzusehen oder die Probe als solche beispielsweise mit einer Folie oder Klebestreifen zu ummanteln. Eine Ummantelung würde ferner auf vorteilhafte Weise die Bruchstücke und
Splitter in. deren Lage fixieren und so für eine weitere licht- oder rasterelektronenmikroskopische Auswertung zurückhaltenTo significantly reduce the number of particles, a splinter guard should be provided around the device or the sample itself should be covered with a film or adhesive strip, for example. A covering would also advantageously protect the fragments and
Fix the splinters in their position and retain them for further light or scanning electron microscopic analysis
Literatur:Literature:
[1] Guiberteau, F., Padture, N.P., Lawn, B.R.: Effect of grain size on Hertzian contact damage in alumina, J. Am. Ceram. Soc. 77 (1994) 1825 - 1831[1] Guiberteau, F., Padture, N.P., Lawn, B.R.: Effect of grain size on Hertzian contact damage in alumina, J. Am. Ceram. Soc. 77 (1994) 1825 - 1831
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