DE2118327A1

DE2118327A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von mechanischen Spannungen

Info

Publication number: DE2118327A1
Application number: DE19712118327
Authority: DE
Inventors: der Anmelder. GOIn 23-04 ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-04-15
Filing date: 1971-04-15
Publication date: 1971-10-28
Also published as: GB1335763A; US3763697A; CA956139A; NL7105088A

Description

Telogrcm-jft: lacynnlh München

ϊοίί.'οη; 5J 15 10
Poitsd-.cikkor.'o; Mf.nrJi3n 1170/3

Rolland George Sturm, 1320 Forbes Drive,

Hun-fcevillo, Alabama 35802/7,at.A.

Oj? Zeichen: S 2624

Verfahren und Vorrichtung zur "Bestimmung von mechanischen Spannungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von mechanischen Spannungen, Bisher war es zur Messung der Gesamtspannungen (Vor- oder Restspannungen plua "Belastung) in einojn Werkstück, beispielsweise aus Metall, Kunststoff od. dgl. erforderlich, zuerst die Spannungen zu bestimmen, die durch eine Belastung erzeugt werden und zwar mittels geeigneter Spannungemeßgeräte,wie beispielsweise Dehnungsmeßstreifen,und daxin mußte daa Werkstück in kleinere Teile zerschnitten werden und aus diesen kleineren Teilen mußten die Vorspannungen oder Restspannungen bestimmt werden, die vor dem Zerschneiden dea ursprünglichen Werkstückes vorhanden waren. Dadurch wurde selbstverständlich das Materialstück zerstört und aus diesem Grund ist dies kein wünschenswertes Verfahren. Ein derartiges Verfahren ist ferner teuer und zeitraubend. Bisher gab es kein geeignetes Verfahren,mit dem in einer zerstörungsfreien V/eise die Gesamtapannungen in einem Bauteil gemessen werden konnten, während sich dieses unter der Einwirkung einer last befand. Im günstigsten Falle wurden lediglich Vorhersage über Spannungszustände erzielt und zwar mittels einer Nachbildung de3 Bauteiles unter Verwendung d^rir sogenannten fotoelastiaohen Techniken, Mit

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diesen Techniken konnten aelbatverständl.ich nicht die tatsächlichen Spannungzustände 3inul.le.ft worden und zwar auch insbesondere in dem Pail, in dem hohe Spannungen austreten.

Diene und andere Probleme der bisher bekannten Techniken der SpannungsbeStimmung v/erden durch die Erfindung dadurch überwunden, daß eine Arbeitsmethode geschaffen wird, mit der es möglich ist, in einer zerstörungsfreien V/eise die gesamten mechanischen Spannungen in einem Vferkstück zu bestimmen, welches sich unter einer Belastung befinden kann oder -welches nicht belastet ist. Durch die Erfindung wird eine Arbeitstechnik geschaffen, mit der sowohl die Größe als auch die Orientierung der Spannungen im Material bestimmt werden kann«

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, die einen Kolben aufweist, der an einem Ende mit einem präzis geformten harten Instrument oder mit einer präzis geformten harten Spitze ausgerüstet ist, die vorzugsv/eise die Form eines glatten gleichförmigen konischen Bauteiles hat> der eine acharfe Spitze aufweist. Die Spitze kann andere For« men haben, wie beispielsweise eine sphärische Forn, eine ellipsoidale Form, eine hypobolische Form, eine polyearische Form usv/, Es ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der dieser Kolben in einer Stellung senkrecht oder tangentia.1 zum zu prüfenden Materialstück angeordnet werden kann und mit der es möglich ist, wiederholt oder nacheinander genau die gleiche, vorbestimmte Last auf den Kolben auszuüben. Die Vorrichtung weist ferner ein Profilometer auf, welches eine Füllvorrichtung zusammen mit einem Aufzeichnungs- oder Anzeigeinstrument umfaßt, wobei mit diesem Profilometer die Kontur abgetastet wird, die sich durch eine vorbestimmte Belastung ergibt. Mit diesem Gerät wird diese

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Kontur aufgezeichnet und rait einer Kontur verglichen, dio unter gleichen Bedingungen in einer nicht vorgespannten Probe erzeugt wird. Durch die J? a erbst ellung den Xonturunteroohiederj zwischen dem vorgespannten Material und den nicht vorgespannten. Material kon.ien sehr genaue Ergebniase erzielt werden lind die Spannungen lconmn sowohl"hinsichtlich der Größe als auch hinsichtlich der Orientierung bestin.mt ν erden.

Έν. ist demzufolge ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Messung von mechanischen Spannungen in einem Material zu schaffen, ohne daß das Material Gelbst zerstört oder erhablich "beschädigt wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Messung der Geaamtapanmmgen in einem Material zu a chaff en, wobei diese Spannungen gemessen werden können, während eine Last auf das Material aufgebracht wird, so daß diese Spannungen unter tatsachlichen Belastung«bedingungen gemessen werden können.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem nicht nur die Größe von Spannungen innerhalb eines vorgegebenen Materials bestimmt werden können, sondern auch die Richtung dieser Spannungen.

Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der nacheinander im wesentlichen die gleiche Kraft über ein Kerb- oder Einschneidwerkzeug auf eine Katerialoberflache, die gemessen werden soll, aufgebracht. werden kann und zwar unabhängig von der Oberflächenorientierung.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ganz genau die Charakteristiken der

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Einkerbungen oder der Einschnitte gemessen v/erden können, die in der Materialoberfläche durch das Einkerbwarkzeug oder Einschneidwerkzeug erzeugt werden,

Ferner ist es Ziel der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, mit der die Stellung des Einkerbwerkzeuges derart eingestellt wird, daß der sich ergebende Einschnitt in fluchtender Lage mit der Torrichtung liegt, mit der die Charakteristiken der Einkerbung gemessen werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist darin zu sehen, eine Einrichtung zu schaffen, mit der alternierend und wahlweise das Einkerbwerkzeug und die Meßvorrichtung, mit der die Charakteristiken der Einkerbung gemessen werden, eingestellt werden können*

Ferner ist es Ziel der Erfindung, eine Einrichtung zu ächaffen, mit der alternierend und wahlweise do.s Einkerbwerkzeug und die Vorrichtung zur Messung der Charakteristiken der Einkerbung in Beziehung zur Oberfläche des zu prüfenden Materials eingestellt werden können«

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung der C-esamtspannungeii in einem Körper, wobei eine Einkerbung in der Oberfläche des Pestkörpers ausgebildet wird und die inneren Spannungen die Kontur der sich ergebenden permanenten Einkerbung bestimmen und zwar entgegengesetzt zu dem Fall, in dem die Kontur der Einkerbung verbleibt, wenn koine Spannungen im Körper vorhanden sind. Die Unterschiede dieser Konturen werden analysiert, um die Größe der Spannungen und die Orientierung der Spannungen zu bestimmen, ohne daß der Festkörper zerstört wird. Das Material seibat zeigt die Gesanitapannungon und zwar die Vorspannungen

plus der Belastungsspannungen in der Oberfläche des Material? an und zwar durch die Charakteristiken der Deformationen des Materials oder des Materialflusse3 unter einem im wesentlichen senkrecht z\\:c Oberfläche aufgebrachten Druck, Die Vorrichtung weist ein Einkerbwerkzeug auf, welches einen Schlitten und einen Kolben umfaßt, der beweglich von dem Schlitten geträgem wird. Der Kolben v/eist eine in vorbestimmter Weise kontur!erte Spitze auf, und es i3t ein Hauptantrieb vorgesehen, mit der die gleiche Kraft nacheinander auf den Kolben aufgebracht v/erden kann, um diesen Kolben anzutreiben. Ferner ist ein Profilometer vorgesehen, welches an den Schlitten montiert werden kann und welches alternierend mit dem Kolben verwendet werden kann. Dieses Profilometer gibt die Kontur an, die mit der Spitze erzeugt wird und vergleicht ferner diese Kontur mit ähnlichen Einkerbungen, die in einer nicht vorgespannten Probe erzeugt werden*

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es aeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der erfindung3gemäßen Vorrichtung, wobei sich das Einkerbwerkzeug in seiner Betriebsstellung befindet,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Fig. 1, wobei sich.das Mikroskop und die Kamera in der Betriebsstellung befinden,

Fig. 3 eine vergrößerte senkrechte Schnittansicht dea Einkerbwerkzeugea,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Werkzeuges,

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Pig. 5 eine Draufsicht auf das Werkzeug,

Fig. 6 eine schomatiöche Ansicht, die ein infinitesimal kleines Ootaeder-Modell £-eigt, welches ir. der Oberfläche eines Festkörpers liegt,

Fig, 7 eine Ansicht eines Modelles, welches die Octaederflachen in einem Körper veranschaulicht,

Pig, 8 eine andere Ansicht des in Pig. 7 dargestellten Modellea,

Pig. 9 eine schematisohe Ansicht, die die Rückfederung

in einer eingekerbten Oberfläche veranschaulicht,

Pig,IO eine perspektivische Ansicht einer Schablone oder Lehre, die zur Bestimmung der Zugspannungen verwendet -wird,

Pig,11 eine perspektivische Ansicht einer Schablone oder Lehre, die sur Bestimmung der Koinpr es si ons spannungen verwendet wird,

Pig.12 eine grafische Darstellung der Spannungs- und

Dehnungskurven in einem Calibrierungastab,

Pig.13 eine grafische Darstellung, in der der Durchmesser der Einkerbung in einem Körper mit den Spannungen in diesem Körper in Beziehungen gesetzt wird und

Pig.14 Ms 22 fotografische Darstellungen vergrößerter Einkerbungen, die zur Bestimmung der Gesamtspannungen in einem Körper erzeugt v/urden.

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In den Figuren der Zeichnung und in der .folgenden, ina einseine gehende Beschreibung worden spezielle Auaführungs~ forir.cn der Erfindung beschrieben. Es sei jedoch bemerkt, daß die Erfindung nicht auf dieae Ausführungformen beschränkt ist, da sie in anderer Weise durchgeführt werden kann ·

Es sei auf die Fig« 1 bi3 5 Bezug genommen« Die erfindungogemäße Vorrichtung v/eist eine Basis 10 auf, an der eine Einlcerbvorrichtung 14 und ein Profilometer 13 befestigt ist, Das Profi lone te r 13 v/eist ein Mikroskop 11 mit einer Kamera 12 auf. Die Einkerbvorrichtung 14 und das Mikroskop 11 können abwechselnd verwendet werden, um zuerst die Einkerbung in dem nicht dargestellten, zu prüfenden Bauteil durchzuführen und um dann die so hergestellte Einkerbung zu fotografieren und zwar zu Vergleichszwecken, um die Gesamtspannungen in dem Bauteil zu bestimmen.

Die Basis 10 ist am vorderen Ende gegabelt und es sind dort swei parallele Schenkel 15 und 16 ausgebildet, zwischen denen sich eine Werkzeugaufnahmeaussparung 18 befindet. Am hinteren Ende 10 der Basis ist ein üblicher Fiikroskopständer 19 montiert und es sind Einstellvorrichtung on 20 vorgesehen, mit denen das Mikroskop 11 um die neigbaren Verbindungsstellen und um die Schwenkverbindungsstellen herum eingestellt werden kann und um ferner die Schieber des Ständers 19 einzustellen.

Das Mikroskop 11 ist von üblicher Bauart und kann beispielsweise ein Stereozoom sein, welches von der Firma Bausch & Loinb in Rochester, !Tew York hergestellt wird. Dieses Mikroskop weist einen Kameraanschluß 21 und Steuerungen 22 auf, mit denen wahlweise die Betrachtungsokulare 24 oder die Kamera 12 mit dem Mikroskop verbunden wird. Die Kamera 12 hat ebenfalls einen üblichen Aufbau und

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kann "beispielsweise eine Kamera sein, die von der Firma Polaroid Corporation in Cambridge, Massachusetts hergestellt wird. Diese Kamera weist den Auslöser 25 auf, der in Pig« 2 dargestellt ist.

Es sei nunmehr auf die Pig. 3 bis 5 Bezug genommen* Das Einkerbwerkzeug 14 ist an den Schenkeln 15 und 16 der Basis 10 mittels Zapfen 30 und 31 montiert. Jeder Zapfen 30 und 31 v/eist einen Gewindeabachnitt 32 am unteren Ende auf und dieser Gewinde ab schnitt ist in G ewinde bohrung en 34· in· den Schenkein 15 und 16 eingescharubt. Die Zapfen 30 und 31 erstrecken sich senkrecht zur Lageroberfläche 35 der Basis 10 und diese Oberfläche stützt sich auf dem Werkstück ab, welches geprüft v/erden soll«

Die Einkerbvorrichtung 14 weist einen Rahmen 40 mit einer oberen Tragplatte 41 und einer unteren Tragplatte 42 auf. Die Platten 41 und 42 sind schwenkbar am Zapfen 31 mittels einer exzentrischen Hülse 44 gelagert, die drehbar um den Zapfen 31 herum mittels ihrer versetzten Bohrung 45 gelagert ist, die sich parallel zur Achse der Hülse 44 erstreckt. Die gegenüberliegenden Seiten der Platten 41 und 42 sind bei 46 (Fig. 2) ausgespart und nehmen den Zapfen 30 auf, wenn sie in eine Betriebsstellung verschwenkt sind, wie ea in den Pig. 1 und 3 bis 5 gezeigt ist. Die Aussparungen 46 ermöglichen es, daß der Rahmen 40 in eine Ruhestellung verschwenkt wird, die in Pig. 2 dargestellt ist. Danach kann das Mikroskop. 11 in eine Betriebsstellung abgesenkt und auf die Einkerbung fokusiert werden, die durch die Einkerbungsvorrichtung 14 erzeugt wurde.

Die Platten 41 und 42 werden durch Distanzstücke 48 und 49 im Abstand voneinander gehalten, so daß die Platten 41 und 42 zueinander parallel und senkrecht zu den Zapfen 30 und 31 verlaufen. Das Distanzstück 48 ist um die Hülse 44

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und um den Zapfen 31 herum angeordnet und das Distanz-3tück 4-9 ist bei 50 ähnlich wie die Platten #1 und 42 ausgespart, um den Zapfen 30 aufnehmen zu können,

Zwei im senkrechten Abstand voneinander angeordnete Plattenlager 51 und 52 sind, wie Fig. 3 zeigt, unterhalb dea Rahmens angeordnet und sind derart montiert, daß sie sich mit dem Rahmen 40 an den Zapfen 30 und 31 bewegen. Wie an sich bekannt, kann jedes Plattenlager 51 oder 52 in einer senkrechten Richtung au3gelenkt werden, jedoch nicht in einer horizontalen Querrichtung, Die Plattenlager 51 und 52 sind im Abstand voneinander mittels Distanzzylinderfo 54 und 55 gehalten, Der Zylinder 54 ist drehbar an der Hülse 44 und ara Zapfen 31 angeordnet und der Zylinder 55 ist, wie in Pig. 2 bei 56 gezeigt, ausgespart, um ähnlich wie die Platten 41 und 42 den Zapfen 30 aufzunehmen. Beilagscheiben 58 und 59 sind oberhalb und unterhalb der Lagerplatten 51 und 52 angeordnet und ermöglichen eine freie Verschwenkung dieser Bauteile. Die Beilagscheiben 58 umgeben die Hülse 44 zwischen der Platte 42 und der lagerplatte 51 und zwischen der Platte 52 und dem Schenkel 16 der Baaia 10. Die Beilagscheiben 59 sind ähnlich wie die Platten 41 und 42 ausgespart Lind sind zwischen der Platte 42 und der Lagerplatte 51 um den Zapfen 30 herum,sowie zwischen der Lagerplatte 52 und dem Schenkel 15 der Basis 10 angeordnet. Die Lagerplatten 51 und 52 weisen Öffnungen auf, die drehbar die Hülse 44 aufnehmen und diese Lagerplatten sind ferner zur Aufnahme des Zapfens 30 ausgespart. Ein Verbindungsbauteil 61, der Öffnungen aufweist, durch den hindurch sich Schrauben 62 erstrecken, verbindet die Enden der Platten 41 und 42 sowie das Distanzstück 49 und den Zylinder 55,um diese Bauteile zusammen mit den Lagerplatten 51 und 52 und den Beilagscheiben 59 am Zapfen 30 festzuhalten. Schrauben 63 halten die Beilagscheibe 59 und die Lagerplatten 51 und 52 am Zylinder 55.

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Der Rahmen 40 und die Lagerplatten 51 und 52 v/erden in ihror Lage durch Schrauben 64 gehalten, die in die oberen Enden dar Zapfen 30 und 31 eingeschraubt sind. Scheiben 65j die von den Sohraul-jn 64 gehalten wer-dei·., halten den !lahmen 40 und die La^erpli'tten 51 und 52 und zwar zusammen mit den Scheiben 66, Durch diesen Aufbau .wird eine freie Verschwenkung des Rahmens 40 und der Lagerplatte!! 51 und 52 um den Zapfen 31 herum ermöglicht.

Von den Lagerplatten 51 und 52 wird in der Mitte eine Einkerbvorrichtung 1*00 getragen. Diese Vorrichtung lOO weist einen zylindrischen Kolben 101 mit einem Anschlagflansch 102 auf, der am oberen Ende des Kolbens ausgebildet ist, wie es Fig. 3 zeigt, Der Körper 104 des Kolbens 101 wird gleitbar durch die Lagerplatten 51 und. 52 hindurch aufgenommen. Öffnungen 63 und 69 sind in senkrecht fluchtender Lage vorgesehen, derart, daß die Achse des Kolbens 101 senkrecht zur Oberfläche 35 der Basis 10 verläuft. Ein hohles zylindrisches Gehäuse 105 ist um den Kolben herum angeordnet und dieses Gehäuse ist - zwischen den Lagerplatten 51 und 52 angeordnet und hält diese im Abstand voneinander. Eine Mutter 106 ist auf das unter« Snde des Kolbens 101 aufgeschraubt, um die Lagerplatten 51 und 52 mit dein Gehäuse 105 zwischen dem Plansch 102 und der Mutter I06 einzuspannen. Dadurch wird der Kolben 101 zwangsläufig für eine senkrechte Bewegung geführt, wenn sich die Lagerplatten 51 und 52 verbiegen. Eine Bewegung des Kolbens in horizontaler Querrichtung wird verhindert.

Im unteren Ende des Kolbens 101 befindet sich eine zylindrische, zentral angeordnete Bohrung 108, in der gleitbar der Führungszapfen 109 einer Spitze 110 angeordnet ist. Die Spitze 110 hängt unter dem Ende des Kolbens 101 und weist eine konische Spitze 111 auf, welche die Einkerbung

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in clem zu untertauchenden Teil herstellt. "Die dargestellte Spitze Ho ißt ein Diamant, Es können jedoch auch andere Kalp.rialien verwendet werden* Der eingeschlossene V/inkel der i-pitze 111 beträgt beim dargestellten Ausführungsbeinpiel 135°« Es sei jedoch bemerkt, daß auch andere eingeschlossene V,^rinkel verwendet werden können, wobei größere eingeschlossene Winkel zu größeren Kefienpfinälichl-ieiten führen. Die Spitze 111 kann auch eine andere ΐΌπη haben, sie kann beispielsweise sphärisch, elliptisch ode:: polyedrinch sein.

In der unteren Tragplatte 42 ist eine Aussparung 70 vorgesehen, die in senkrechter Richtung mit den Öffnungen 68 und 69 in den Lagerplatten 51 und 52 fluchtet und die einen ausreichend großen Durchmesser hat, damit sich der Flansch 10? frei durch diese Öffnung hindurchbev;ege:i kann. Wenn der Kolben 101 aufwärts und abwärts bewegt wird, tritt der flansch 102 in die öffnung 70 ein und aus dieser heraus, so daß die Scheitelpunktspitse 111 der Spitze 110 in Anlage gegen den Keil bewegt werden kann, der geprüft werden soll, um in diesen Keil eine Einkerbung auszubilden.

Eine Einstell- und Anzeigebaugruppe 200 wird in der Mitte von der oberen Tragplatte 41 getragen und diese Baugruppe gelangt mit dem Kolben 101 in Eingriff, um diesen einzustellen. Die Baugruppe 200 v/eist einen ringförmigen Träger 201 auf, der in einer nach oben offenen Aussparung 71 der Platte 41 angeordnet ist. Dieser Ring 201 weist eine mittlere Bohrung 2^2 auf, die in senkrechter Richtung mit der Öffnung 70 in der Platte 42 fluchtet. Ein Durchlaß 72 von gleichem Durchmesser ist in der Platte 41 vorgesehen und fluchtet mit der Bohrung 202. Im Ring 201 ist eine nach oben offene Einsenkung 204 vorgesehen, die das obere Ende der Bohrung 202 umgibt. Schraubenbolzen 205 erstrecken sich von der Unterseite der Platte 41 und sind in den Ring 201

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eingeschraubt, um diesen Ring in der Aussparung 71 festzuhalten. In der Bohrung 202 ist gleitbar eine Antriebshülse 206 angeordnety die einen Ringabschnitt 208 und einen nach außen sich erstreckenden Flansch 209 am oberen Ende des Ringabschnittes 208 aufweist. Der Eingabschnitt 208 wird gleitbar von der Bohrung 202 aufgenommen, während der Plansch 209 in der Einsenkung 204 gleitet, Dadurch kann die Abwärtsbewegung der Antriebshülse 206 bei einer Anlage des Flansches 209 gegen die Schulter 207 abgestoppt werden, die an der Verbindungsstelle der Bohrung 202 und der Einsenkung 204 ausgebildet ist. Die Antriebshülse 206 v/eist ein na,ch oben sich erstreckendes Auge 210 am unteren Ende auf, welches mit dein Ringabschnitt 208 über einen Steg 211 verbunden ist. Das Auge 210, der Steg 211 und das untere Ende des Ringes 206 begr/anzen ein ringförmiges Federwiderlager 212. Ein Ring 214 wird vom Tragring 200 getragen und erstreckt sich in den Ring 208 der Antriebshülse 206 hinein, um diese Antriebahülse bei ihrer Hin- und Herbewegung in der Bohrung 202 de3 Tragringes 200 zu führen. Der Ring 214 weist eine ringförmige Lippe 215 auf, die sich auf der Oberseite des Tragringes 200 abstützt und eine konische Aussparung 216 begrenzt. Eine Schulter 218 sitzt im oberen Ende der Einseäikuiig'".ßO4·» um diese abzuschließen und um zusammen mit einer Schulter 220 des Ringes 214 und zusammen mit dem Ringträger 200 eine Kammer 219 2U bilden, in der gleitbar die Schulter 209 angeordnet ist. Unterhalb der Schulter 220 erstreckt sich ein Führungsabschnitt 221, der den gleichen Durchmesser hat wie das Auge 210. Eine Kompressionsfeder 222 ist um den Vorsprung 221 herum und um das Auge 210 herum angeordnet. Die Feder 222 liegt zwischen der Schulter 220 und dem Steg 211, ao daß sie dauernd die Antriebshülse 206 nach unten drückt.

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Ein Amboss 224 ist in eine Mitte !"bohrung 225 im Auge eingeschraubt und erstreckt aioh unter der Antriebshülse 206, Ein Antriebs glied 226 ist zv/iachen dem Amboss 224 und dem Kolben 101 angeordnet und verbindet: diese Teile. Das Antriebsglied 226 v/eist einen nach unten sich erstreckenden Gewindezapfen 228 auf, der in eine Mittelbohrung 229 im oberen Ende'des Kolbens 101 eingeschraubt ist. Ferner v/eist dieses Glied ein Antriebsrad 230 auf, v/elche3 einen Durchmesser hat, der größer ist als die Öffnung 70 in der Platte 42 und dieses Antriebsrad ist integral mit dem Gewindezapfen 228 ausgebildet. Eine Ansahl von Werkzeugschlüsseltaachen 231 sind um den Umfang des Rades 230 herum ausgebildet und ein Sitz 232 ist in der Oberseite des Rades 230 ausgebildet und dient zur Aufnahme dea Amboss 224» Das Rad 230 ist zwischen den Platten 41 und 42 angeordnet, derart, daß ein nicht dargestellter Werkzeugsohlüssei in die Taschen 231 eingesetzt worden kann. Dadurch können das Rad 230 und der Gewindezapfen 228 in die Gewindebohrung 229 hineinr-und aus dieser herausgeschraubt v/erden.

Wenn die Einkerbungsvorrichtung 14 gebrauchsfertig ist, wird das Rad 230 gedreht, um den Gewindezapfen 228 in die Bohrung 229 hineinzuachrauben. Dadurch kann sich die Unterseite des Rades 230 gegen die Oberfläche der Platte 42 anlegen und den Kolben 101 und die Spitze 110 anheben, da sich die Lagerplatten 51 und 52 nach oben verbiegen, Sobald wie sich die Spitze 110 über das Niveau der Oberfläche 35 angehoben hat, kann die Vorrichtung auf den zu messenden Körper aufgesetzt werden.

Wenn die Vorrichtung auf den zu messenden Körper aufgesetzt und in ihrer Lage featgespannt wird, wird das Rad 230 entgegengesetzt gedreht, um den Gewindezapfen 228 zurückzuziehen und um den Versuch zu machen, daa Antriebsglied

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anzuheben. Oa der Amboss 224 durch die Feder 222 nach unten gedrückt v/ird, bewirkt das Heraueschrauben dea Gewindezapfena 223, daß dor Kolben 101 nach, vnten bewegt wird, Vieira die Drehung dea Rade a 230 .fortgesetzt wird, kann die Spitze 111 den zu prüfenden Körper berühren, wonach die Feder 222 die Spitze in den Bauteil eindrückt, um eine Einkerbung I zu erzeugen, die gestrichelt in Pig. gezeigt ist. Wenn die federkraft durch die Reaktionskraft dea geprüften KÖrper3 überwunden wird, v/ird die Antriebshülse 206 angehoben.

Um die Größe der Bewegung der Antriebshülse 206 anzuzeigen, ist eine Meßskala 240 im Ring 214 montiert. Dieses Heßgerät 240 v/eist ein sich nach unten erstreckendes Tragrohr 241 auf, welches gleitbar in einer Bohrung 242 dea Vorsprungea 221 sitzt. Der bewegliche Zeigerstößel 244 des Heßgerätes 240 erstreckt sich unter das Rohr 241 und stützt sich am oberen Ende dss Gewindesapfens 223 des Amboss ab, derart, daß irgendeine Bewegung des Htößela 244 eine entsprechende Bewegung des Zeigers 245 erzeugt. Das Meßgerät 240 wird durch eineMadensehraube 24b gehalten, die in den Vorsprung 221 eingeschraubt ist. Das Rad 230 wird jedesmal, wenn die Vorrichtung verwendet wird, gedreht, bis der Zeiger 245 in die nullstellung bewegt wurde, um sicherzustellen, daß die gleiche Kraft auf den Körper jedesmal aufgebracht wird, wenn dieser geprüft wird, wobei die Vorrichtung durch an sich bekannte Einrichtungen an diesen Körper festgespannt ist.

Die Schenkel 15 und 16 sind wie bei 17 gezeigt, abgeschrägt, damit sie leichter an PrüfObjekten befestigt werden können.

Wenn einmal eine Einkerbung I hergestellt ist, wird die Spitze 110 zurückgezogen und die Einkerbungsvorrichtung 14 wird in ihre Ruhelage verschwenkt, wie es in Fig. 2

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dargestellt ist. Das Mikroskop 11 und die Kamera 12 v/erden so 'weit abgesenkt, daß das Mikroskop 11 auf die Einkerbung I folcusiei't werden kann und zwar durch eine Betätigung der iHnuerkiiöpfe 20, wobei eine Botraolitu.Ho dünn, die OkvJ.sre ?A erfolgt. Uenn das Mikroskop 11 richtig fokuaiert ist, werden die Gteuerknöpfe 22 betätigt, um die Kamera 12 derart anzuordnen, daß diese hinter dem Mikroskop liegt. Der Auslöser 25 v/ird dann betätigt, um ein fotografisches Bild der Einkerbung I herzustellen.

Um die Spitze 110 im Betrachtungsfeld des Mikroakopes 11 auszufluchten, kann die exzentrische Hülse 44 durch ein nicht dargestelltes Werkzeug gedreht werden. Dieses Werkzeug wird durch eine öffnung 53 im Zylinder 54 eingesetzt und zwar in einer Aussparung 43 in der exzentrischen Hülse 44 hinein. Das Werkzeug wird dann gedreht, um die exzentrische Hülse 44 zu. verdrehen,

Pestkörper "bestehen au3 einer Zusammenfügung von Atomen und/oder Molekülen und zwar entweder in der Form von Verbindungen oder Gemischen. Wenn die Atome oder Moleküle geordnet sind, d. h. wenn diese in einem speziellen G-ittermuster angeordnet sind, so werden diese Feststoffe im allgemeinen als Kristalle bezeichnet. Manchmal sind die Moleküle in langen Ketten angeordnet, wie es bei den Polymeren der Fall ist.

V/enn die ineisten der Kristallmoleküle oder der langkettig'en Moleküle in einer vorgegebenen Richtung orientiert sind, wie es der Pail ist, wenn sie beispielsweise in einer Richtung gestreckt oder gewalzt sind, so kann man sagen, daß die Struktur des Materials eine bevorzugte Orientierung aufweist. Wenn die Atome oder Moleküle nicht geordnet sind, so wird das Material als amorph bezeichnet.

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Die meisten Metalle bestellen aus kleinen Kristallen, die willkürlich orientiert sind. Diese Kristalle werden als Korn bezeichnet. Die Größe der Kristalle oder des Korna beeinflußt die mechanischen Eigenschaften doa Materials. Zwischen diesen Körnern befinden sich geringe Mengen eines amorphen Materials, v/elches in der Zusammensetzung von den Kristallen sehr verschieden sein kann. Die Zusammensetzung dieses amorphen Materials beeinflußt ebenfalls die Eigenschaften des Pestkörpers.

Wenn die Schärspannungen in einem Einkristall anwachsen, kann die Gitteranordnung der Atome und Moleküle zerstört werden-, bis ein Gleiten auftritt. Da die meisten Metalle aus zahlreichen willkürlich orientierten unvollständigen Kristalliten mit amorphen Materialien in den Zwischenschichten zwischen den Körnern bestehen, ist die Start-Stop-V/irkung der plastischen Deformation im allgemeinen gestreut und ein Gleiten tritt mehr oder weniger allmählich auf. In dem Fall, in dem eine bevorzugte Orientierung vorliegt oder große Körner oder Einkristall, kann daa Gleiten plötzlich auftreten.

Pur geringe Spannungen zeigt die Theorie, daß die Richtung des Schärgleitens in einer Ebene die gleiche ist wie die Richtung der maximalen Schärspannung in dieser Ebena. Bei größeren Spannungen tritt manchmal eine kristalline Rotation auf, was zu einer Änderung der Orientierung durch eine Verschiebung führt, ohne daß eine Zerstörung stattfindet. Da gefunden wurde, daß das Auftreten von Fehlstellen oder Diskontinuitäten in und zwischen den Körnern im allgemeinen eine willkürliche Orientierung aufweist, führt da3 Auftreten einer Schürung in einer Ebene an einer Stelle in einem Körper wie beispielsweise einer Octaoder-iibene zu einer Schärspannung, von der erwartet werden kann, daß

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diese in Richtung der maximalen Sohärsparimmg in dieser Ebene auftritt. Materialien, deren Kristallite eine große Orientierung aufweisen, können Ausnahmen bilden, müssen es jedoch nicht,

Tiine Betrachtung der Spannungen in Ootaeder-Ebenen, die so orientiert sind, daß die Richtungen der Eauptspannungen die Hauptachsen des Ootaeders sind, ergibt die Möglichkeit, die Richtung eines Deformationsgleitens für einen gegebenen Spannungszustand zu bestimmen. Wenn jedoch die Diskontinuitäten innerhalb der Körner oder zwischen den Körnern groß genug sind, gleitet das Material nicht, sondern es findet ein Bruch statt, ehe erhebliche Spannungen auftreten. Die Bestimmung der Größe dieser Diskontinuitäten, die einen Bruch bewirken, ist das Ziel;der Bruohuntersuchungen in der technischen Mechanik.

Die Größe der Schärspannungen, die erforderlich ist, um ein Gleiten in den Octaeder-Ebenen zu bewirken, hängt von der normalspannung in diesen Ebenen auf. Erfahrungen zeigen, daß der Grad der Abhängigkeit der Schärspannung (die den Beginn des Gleitens bewirkt), von der normalspannung für verschiedene Matemalien verschieden sein kann.

Eine einfache Art, die Einwirkung des Druckes auf eine Schäroberfläche in Rechnung zu setzen, ist die Verwendung einer linearen Beziehung. Dieses Verfahren mag nicht immer zufriedenstellend sein, erfüllt jedoch seinen Zweck. Die Beziehung ist:

in der

"Tq = die Octaeder-Sohärspannung ist, die ein.

Gleiten in irgendeinem Spannungszustand bewirkt,

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Tq = die Ootaeder-Soliarapa.ri.nung ist, die ein Gleiten in einer Octaeder-Sbene bewirkt, wenn der Spannungszustand derart ist, daß die normalspannung <r -- O ist,

K = ein Koeffizient ist, der von dem betrachteten Material abhängt,

Die Werte von K und T₀ können aus Daten von Spannungsprüfungen und Konpressionsprüfungen bestimmt werden.

Die Vierte von T ₀ und#-_n für irgendeinen Spannungazustand, der durch die drei Hauptspannungencr-^, a~2 und ö"~ gegeben wird, können aus der Festkörper-Geometrie abgeleitet werden. Diese Werte sind:.

und

JL 3

(οι

+ (Cr₂ - Cr₃)² + (Cr₃

Der Winkel, den die Octaeder-Schärspannung Tq mit der horizontalen Basis des Grund-Ootaeders einschließt, ist gegeben durch:

Erfahrungen haben gezeigt, daß die Gesamtspannungen die Festigkeit oder die Lebensdauer einer Maschine oder eines Bauteiles bestimmen. Die Anwesenheit von Eestspannungen oder Vorspannungen in Maschinenteilen oder Bauteilen an Stellen, an denen erhebliche Belastungsspannungen auftreten, kann außerordentlich gefährlich sein. Dies gilt insbeaon-

1098 4 4 /01 7 A *·O OFHG₁NAL

(lere für hochbeaiispruchte Teile, die wiederholten oder pulsierenden Lasten ausgesetzt sind«

Wogen dieror durch Vorspannungen oder Restspannungen gebildeten möglichen Gefahr besteht der Wunsch, die Größe und Richtung von Vorspannungen oder Restspannungen zu bestimmen* Die Geaaratspannungeii messen zu können, ohne die Teile su entlasten oder ohne diese zu zerschneiden, ist seit langen ein großer Wunsch.

Restspannungen oder Vorspannungen sind nicht immer schädlich. Diese Restspannungen oder Vorspannungen können sogar sehr nützlich sein, wenn es sich um Kompressionsspannungen an kritischen Stellen handelt. Restapannungen, die sich aus dem Aufschrumpfen ergeben oder aus dem Kaltrecken oder aus einer Kugelstrahlbehandlung sind Beispiele für günstige und nützliche Restspannungen. Zahlreiche Teile oder Baugruppen können große Bet:?iebslasten oder große Betriebsdrücke aufnehmen und ?\var deshalb, v/eil Re st spannung en oder Vorspannungen vorhanden sind. Die Emüdungslebensdauör von Gev;inden kann dadurch ganz beträchtlich erhöht werden, daß die Oberflächen kugelgestrahlt werden, um Kompressionsspannungen in den Gev/indeböden zu erzielen. Glas wird wärmebehandelt, um Kompressionsrestspannungen in der Oberfläche der Teile zu erzeugen und dies führt zu einer Gesaintfestigkeit, die mehrmals größer ist als die bei Teilen, die nicht so behandelt sind.

Sine.mechanische Betrachtung zeigt, daß falls Kompressionsrostspannungen in einem Teil vorhanden sind, ebenfalls Zugspannungen existieren. Das Problem besteht darin, bekannte Restspannungen zu erzeugen, die in vorteilhafter Weise in den lasttrsgenden Teilen verteilt sind und ferner darin, zufällige Restspannungen zu bestimmen und zu kontrollieren. Zu diesen Zv/eck müssen die Vor- oder Restspannungen geme3-

1098 4 A/0174

sen, oder wenn möglich, berechnet werden.

In den meisten Fällen können Heat- oder Vorspannungen in ihrer G-röSe, in ihrem Verlauf und in ihrer Pachtung gemessen werden, ohne daß der geprüfte Bauteil zeratört oder ■beträchtlich geschwächt wird. Mit diesen Informationen kann eine Analyse der lastaufnähmekapazität des Bauteiles durchgeführt werden. Die Wirksamkeit von Korrekturmaßnahmen,durch die die Größe der Restspannungon erhöht oder vermindert wird, oder durch die die Richtungen der Restspannungen verändert v/erden, kann berechnet werden. Die Wirksamkeit einer Spannungsentlastung großer Teile oder großer Baugruppen kann quantitativ überwacht werden.

Das Verfahren der Messung der Gesamtspannungen (Rest- oder Vorspannungen plus J5elastungs spannungen) besteht darin, daß man daa unter Spannung stehende Material selbst die Spannungen anzeigen läßt, die in der Oberfläche des Teiles eingeschlossen sind. Durch eine wirksame Beobachtung des Ansprechena des Materials auf eine von außen senkrecht zur überprüften Oberfläche eingeführten Spannung kann eine quantitative Angabe der Gesamtspannungen gemacht werden. Insoweit als die Oberfläche des Teils zugänglich ist, kann diese Oberfläche geprüft werden, um ein Maß der Gesamtspannungen in dieser Oberfläche zu erhalten.

Man kann zeigen, daß falls eine Kompressionsspannung von ausreichender Größe auf einen kleinen Bereich der Oberfläche aufgebracht wird, eine kleine, jedoch echte plastische Deformation auftritt. Die Größe und die Richtung dieser plastischen Deformation hängt von den Spannungen in der Oberflächenschicht des Bauteiles ab, sowie von den Spannungen, die senkrecht zu dieser Oberfläche aufgebracht wurden·

109844/0174 bad original

fig. 6 zeigt ein infini'tesimalea Ootaedor, das an der Oberfläche eines Festkörpers liegt undcr*_o under-, sind die Eaui> te; pannungen in der Oberfläche des geprüften Bauteilen. Die Grüße (T₁ ist die Spannung, die auf den kleinen

!Bereich P aufgebracht wird, Falla CT-, ausreichend groß ist, uu ein plastisches Fließen in dem Material hervorzurufen, so wird die Fläche der sich ergebenden Einkerbung an der Stelle P eine endliche Größe haben, Durch eine genaue Steuerung der Kraft, die die Spannung tf\ erzeugt, kann die Größe der Einkerbung so klein wie gewünscht gehalten werden. Eine zu kleine Einkerbung kann auf oder zwiaclien einzelnen Körnern des Materials auftreten. Eine zu große Einkerbung kann eine unerwünschte Konzentrationsstelle für Spannungen im Betrieb sein und ferner kann durch eine 3olohe Einkerbung die Empfindlichkeit der Bestimmung verlorengehen.

E¹Ur diese Analyse sollen die maximalen Octaeder-Schärapannungen als Kriterium zur Bestimmung des Auftretens eines Fließens oder einer plastischen Deformation In Material verv/endet werden. Die Octaeder-Hormalapannungar , die sich aus den Hau ρ ts pannungen C ^, C-- ρ und CT^ ergibt, ist in Gleichung (2) angegeben und der entsprechende Wert für die Octaeder-Schärspannung CT wird durch die Gleichung (3) gegeben.

Die Octaeder~Schärspannungen yQ und die Dehnung e_Q, die sich aus den Hauptapannungen CT^, <5g und<5~ ergeben, werden durch die folgenden Gleichungen gegeben:

ο * 3

(5)

und

109844/0174

Aus der direkten Beziehung zwischen, der Dehnung e-, in Richtung von Cf^, dor Dehnung- e_? in Richtung vonöV, und der Dehnung e-, in Richtung i/onö% folgt, ae.Sy ~ in Richtung vonr_o verläuft.

Fig, 7 ist die V/iοdergehe einer ionografie eines Modells, welches die Octaeder-Ebeiien wiedergibt, die von der Stolle P ausgehen. Die Schärspannungen T'« werden durch Vektor3täbo wiedergegeben, die in den Ootaeder-Ebenen liegen und die Ilormalspannungen er v/erden durch Vektors täte wiedergegeben, die senkrecht zu den Ebenen verlaufen. Eine sorgfältige Untersuchung zeigt die Unterschiede zwischen einem Vektor und einem Schatten.

Fig. 8 ist auSj'einer Fotografie abgeleitet, die eine Seite des Octaeder-Modells zeigt, wodurch die Richtung der Schärspannungen sichtbar sind. Wenn ß den Viinkel zvjisohen den Schärspannungsvektor und der Basis des Octaeder-Ureiecks darstellt, so kann der Wert des Tangens von ß aua der Gleichung (4-) wie folgt berechnet v/erden:

tanqß

(O3 + (T₂) - 2

- cr₂

']■

(7)

Es sei wiederum auf Fig. 7 Bezug genommen, welche Vektoren darstellt, die für den Falltf*·* j> Cf^ berechnet worden sind, wobei beide Vektoren Zugspannungsvektoren sind. Die Schärspannungsvektoren zeigen, daß die Schärspannungen in einer Richtung ha.uptsach.lich zur Hauptzugspannung in dem geprüften Teil hinverlaufen.

Wenn eine Einkerbung ausgebildet wird, ist das Fließen des Materials unterhalb der konischen Spitze der Einker~

109844/0174 β« omoin«.

bungsvorrichtung an größten in Pachtung der naximalen Zugspannungen. V.'enn die Binkorbungsvorrichtung zurückgezogen wird, int die elastische Wiedererholung des Haterials in dieser iiichtung geringer als unter 90 211 dieser Richtung der naximlen Zugspannung an der Stelle P in der Oberfläche des Bauteiles.

i)or Wert von<f_lt der dieses plastische Fließen hervorruft, kann aus der Gleichung (3) in Thermen vonT₀-' ^z und Cf ^ bestimmt werden. Es ergibt sich die folgende Gleichung :

- (ö"o -

T IUJd(J", beide positiv sind (Zugespannungen), ist der Wert von(J₁, der zun Fließen des Ilaterials erforderlich ist, kleiner, als wenn 0%, und Cf^ Hull sind. Hit anderen Worten bedeutet dies, daß die Einkerbungsvorrichtung eine größere Einkerbung erzeugt. Die Fläche der Einkerbung. iat proportional sum Produkt der maximalen und minimalen !Durchmesser, Das Produkt dieser beiden Durchmesser kann deshalb als Punktion der Summe der beiden Hauptspannungen (T₂ und 0", calibriert werden.

Wenn der ^T;,"ert νοη<5*_Ί aus der Gleichung (8) in die Gleichung (4-) eingesetzt wird, so ergibt sich:

[(T₀)² - (er- Cr₂)]

tanqß = ^L ² ^-— (9a)

^ (er - CT₂)

tanaß - Γ ^ ^ £3 . (9b)

[^(cr3 - °2

1Q9844/017A

Aus ΓΙβ. 8 ergibt sich, daß falls der Tangens ß kleiner wird, die Richtung der Schär spannung und der Schärdehnung möhr in Richtung der maximalen Zugspannung geneigt wird und daß dementsprechend der maximale Durchmesser der Einkerbung um einen größeren Rand größer ist ala der minimale Durchmesser. Das Verhältnis des maximalen Durchmessers D zum minimalen Durchmesser d übersteigt die Einheit um einen größeren Betrag und dies kann ausgedrückt v/erden durch (D/d ~ 1).

Der Ausdruck (D/d - 1) kann deshalb als Funktion des Unterschiedes der Hauptspannungen geeicht werden, ausgedrückt in Termen vonTq für das Material, d.h. in Termen von (cTj - <5₂)/t_0#

Der Mittelwerirvon ff-, kann aus der aufgebrachten Last W und der Fläche der Einkerbung (τί~Ώα)/Α ermittelt "werden und zvar zu

Wenn keine Spannungen in der Oberfläche des iintersuchten Materials vorhanden sind, sind die Anfangsdurchmesser im wesentlichen gleich oder es gilt D = d . Daraus ergibt sich

-4W ' -π D₀ CT₁₀

⁼ 2 ^{oder w β} 4

π D₀

Wenn keine Spannung in der Oberfläche des untersuchten Ma terials vorhanden ist, d. h. wenn (To = 6■* = 0 ist, ergibt sich aus Gleichung (8)

_(1Oa)

1098 k 4/0174 BAD

Wenn Q"p und"et-, nicht Hull sind, 3ο gilt:

rf

Dd

(10b)

Setzt raan den Wert «5-| aiis der Gleichung (1Ob) in die Gleichung (8) ein, so ergibt sich:

3 _

Dd

[6(r_o)² -

hieraus -3 V

στ, + σ- -2

τ_ο ) (2)*

Ba „ JCD.¹

riJ

- cr;\ 2

(11)

Wenn
zu

= ρ iat, so vereinfacht sich die Gleichung (11)

² ±3

σ,

3 ^Do

oder

-3 /"o

2 τ,

Für unsere Zwecke gilt das Minuszeichen und ea ergibt sich:

-3 rilfi— -

.Dd

(12)

109844/0174

Vie im rl in Gleichung (1) iliill ist, so folzrt da.rauo, daß ψ -T₀ ist, Wenn K nicht iiull ist, «o kann der Viert von Y dadurch berechnet werden,· daß der 'Jert von K - O verwendet v/ird und daß die ".vsrte für Yi korrigiert worden und ζv/ar unter Benutzung der Gleichungen (1) und (12), Viie 38 nc cht erläutert v; erde η soll.

Palis tf ^- <S j dann ergibt sich durch Aufrechnung der Klarrxer werte in Gleichung (11) mittels des binomischen Lehrsatzes und durch Verwendung von lediglich zwei Termen die folgende Gleichung

da)

2τ_{ο (2)}t V ^/ 4 (2)

Durch eine geeignete Berechnung kann der ^T,fert von

auf den Wert von (1 - D /Dd) bezogen v/erden.

Hier ist D der Durchmesser der Einkerbung, die an einer Stelle des Bauteiles erzielt wird, an der die Spannung ITuIl iat und Dd sind die maximalen und minmalen Durchmesser der Einkerbung in dem unter Spannung stehenden Material. Falls keine Stelle des geprüften Bauteiles eine bekannte Hull— spannung aufweist, kann ein nicht unter Spannung belastetes Stück des gleichen Materials getestet werden, um D_Q zu bestimmen«

Durch eine geeignete Calibriening oder Eichung, die entsprechenden Berechnungen augeordnet ist, kann der V/ert von (<f, ~^2^o ^<iirek"^{b in} Beziehung zur Größe (D/d - 1) gesetzt werden»

Die Richtung der maximalen positiven Spannung, /5"-*, wird direkt als Richtung des maximalen Durchmessers der Einkerbung erhalten. Untersuchungen zeigen, daß das Verhält-

. .1098Uk /017 4

rv.Ls Co χ. 0₉)i\_Q y±_e folfit axiagedrüokt werden kann:

Aus Gleichung (13) folgt,dass

£3_L^2 _β _3_ ([ _ D_Q2\_ Ml^fD - ή " (15)

Dor V/ert von Ii kann direkt aus der Prüfung berechnet v/erden.

Eine analytische Uäherung für eine Berechnung von H ergibt sich durch die Boussinesq'sehe Analyse eines örtlich belasteten, halbinfiniten Körpers. Die Auslenkung A an der Grenze eines kreisförmigen. Bereiches unter einer gleichförmigen Belastung ist die folgende

In dieser Gleichung ist

q. die Intensität der Belastung, a der Radius des belasteten Bereiches, E der Elastizitätsmodul des belasteten Materials _p

Bei dieser Betrachtung ist jedoch die elastische Wiedererholung bei entfernter Last von Bedeutung.

Es wurde gefunden, daß in der Richtung der maximalen Hauptspannung, <5",, welche die allgemeine Gleitrichtung in den Octaeder-Ebenen unter der kombinierten Einwirkung der Restspannungen und des aufgebrachten Druckes ist,

SAD

die elastische Wiedererholung bei Entfernung des aufgebrachten Druckes praktisch vernachlässigbar ist. Es verbleibt ein Kraterrand in dieser Richtung, Es wurde gefunden, daß die elastische !Rückfederung im Durchmesser senkrecht zu dieser Richtung größer ist als der Mittelwert der elastischen Rückfederung, -wie im Fall einea überspannten Trägers, Die gleichen Eigenschaften können für die radiale Auslenkung erwartet v/erden. Der elastische Rückfederungsunterschied in Richtung von 6' kann beträchtlich größer sein als die mittlere elastische Auslenkung, jedoch noch wesentlich geringer als die gesamte elastische Deformation plus die gesamte plastische Deformation, Quantitativ wurde eine Abhängigkeit von der Form der Spannungs-Dehnungskurve des Materials im untersuchten Körper gefunden.

Um die Konstante M in Gleichung (14) zu berechnen, kann man irgendeinen speziellen Fall annehmen, wie beispielsweise den Fall c5 .* = -(J₂* Aus dem Umstand, daß ein Fließen nicht stattfinden kann, ehe der Druck der Einkerbvorrichtung aufgebracht wird, folgt, daß der Wert von<5".,, der notwendig ist, um ein Fließen zu bewirken, aus der Gleichung (8) ermittelt werden kann.

Dieser Wert beträgt für den betrachteten Fall

(8a)

r₃

Wenn ein Wert von -τ—- = 0,5 gewählt wird, so ergibt sich

' ο

- ί.. — -ι <->^— —L.9 4τ Q ·

somit' <r_n = σι + σ2 + σ₃ ₌ -1.94 - 0.50 4- 0.50 _ ₌ -1.94τ_ο

3 3 ι

10984WQ174

8AÜ ORIGINAL

Die Werte von 6"., und <$ können in T er men der Material- Invarianten,Ψ und K durch Verwendung der Gleichung (1) ausgedrückt werden, die in Termeη der obigen Werte wie folgt geschrieben v/erden kann

T₀ ^e Tf) - ^κσ~η = % "Κ {■—* το) . (la)

Ea._gilt_ft!r diesen Pall

τ_ο (1 - -647K) « T₀

^το⁼ (1 - .647K) * <^lb)

Unter Verwendung dieses v/ertea ergibt sich

~ - .647T_rt

" - -(I - .647K) """ ^wn - ₍₁ _ ._647K)

Wenn der Druck abgelassen ist, sollte die mittlere Rückfederung, nenkrecht zur Oberfläche, die eingekerbt wurde, den Wert Δ für einen mittleren Druck, q. = <f -^ entsprechen und der Radiua, über den hinweg eine Rückfederung auftritt, kann zu D/2 bestimmt werden, wie es in Pig# 9 gezeigt ist.

Wie oben dargelegt, kann die Rückfederung am kleineren Durohmesser berechnet werden als ein Faktor N multipliziert mit 2\# H verändert sich ohne Zweifel mit der Größe

Aua der Gleichung (16) folgt, daß

_a (I - u²) _:: ^^o _t ^ . (18) π ^Ä ε (1 - .647KT ²

1098AA/0174

Aus der Geometrie der .Diamana-EinlcerTbspitze, die einen spitzen Winkel von 2<*-hat, ergibt sich aua Fig. 4, daß die elastische Wiedererholung, ITA, bewirkt, daß d kleiner ist als D um eine Größe:

D ~■ d * 2ΙΙΔ cot. (90° - cc ) . · (19)

Durch Einsetzen dea V/ertea N &, aus der Gleichung (18) in die Gleichung (19) folgt

4M ^¹ - V?) 1-94 T₀D

D - ti β -^- —— —r ■ -'

π E(I- .647K)

D - d _a4H (1 - μ²) 1.94 T₀ cotJn^QO -<>*) D d ~ff E (1 - .647kF d

β - ι « q£

d d (2Oa)

oder 2

4H (1*-μ ) 1,94 T_ocötfit^90-«)

^Q " TT X E (1-.647K)

k -1 * _£_ (20b)

AUa (14) folgt -

m("§- l) ^tt— - 2 x 0.5 - I.. V. *s T₀

-JL. (14a)

1-Q

1098A4/0174

V/enn diea in die Gleichung (20) eingesetzt wird, co folgt

tf

Dar V/erfc von M oder der Viert Ύοη IT kann aus einer Eichung "bestimmt werden«

Diese Gleichung zeigt,

daß M die Eigenschaften des geprüften Materials umfaßt,

d. h_e den

ElaatxKxtätsmodul E,

den Koeffizienten der inneren Reibung K und T, wie es in Gleichung (1) definiert ist.

M enthält ferner den Spitzenwinkel (2<*<) der konischen Einkerbspitze.

Der numerische Viert von ΙΊ kann durch Eichungsprüfungen für ein gegebenes Material festgestellt werden.

Es wurden zwei Gleichungen entwickelt, die die Durchmesser der Einkerbungen enthalten, die in der polierten ebenen Oberfläche des Bauteiles erzeugt wurden, das auf Spannungen in seiner Oberfläche geprüft wird und den Hauptdurchmesser von Einkerbungen, die in polierten ebenen Oberflächen de3 gleichen Materials hergestellt wurden, -welche keine Spannungen enthalten. Eine Konstante ' M, die vom Elastizitätsmodul des Materials abhängt, vom Spitzenwinkel des Einkerbungskonus und von der Last, die auf die Einkerbungsvorrichtung aufgebracht wird, tritt ebenfalls in diesen Gleichungen auf.

Diese Gleichungen sind:

1098U/0174

(14)

2 τ

(15)

Die Konstante M ist gegeben durch

~ .647K) (21)

7.7 6 Tan «(l-μ²)(T₀)N

wobei ό"_ν = algebraische maximale Spannung in der

Oberfläche des Materials ist, (D-, - Spannung unter einem rechten Winkel ^

in der Oberfläche des Materials, D = maximaler Einice r bungs durchmesser, d = minimaler Einkerbungsdurchmesser, Ξ = Elastizitätsmodul des Materials, -γ = Octaeder-Schärfließspannung für das Material,

v/enn keine Normalspannung auf die Ootaeder-

ebenen einwirkt (durch Prüfung bestimmt), K = Koeffizient der inneren Reibung für daa

Material (durch Prüfung bestimmt), O^ - halber Spitzenwinkel des Einkerbwerkzeuges, Ή - ein Koeffizient,der experimentell bestimmt

v/ird, wenn M nicht direkt bestimmt ist.

Beim folgenden Eichvorgang wird der Wert von M direkt aus Unterauchungsdaten bestimmt.

Der Eichvorgang bestand darin, D für nicht unter Spannung stehendes Material zu bestimmen und dann D und d für einen Spannungs- und Kompressionszustand oder für mehrere solche Zustände zu bestimmen. Nach Durchführung dieser Messungen wurden die Eigenschaften des Materials unter Zug und Kompression bestimmt.

1098U/0174

^Vt" ' SAD ORIGINAL

Das Materialstüok war ein Stahlstab mit Abmessungen von 3/8 χ 3/8 χ 8 1/4 Zoll.

Die Einkerbspitze aus Diamant wurde zu einem Konus geschliffen und poliert, der einen spitzen Yfinkel γon 135° aufweist.

Einkerbungen wurden in polierten Flächen des Stabes in einem nicht belasteten Zustand durchgeführt und die Einkerbungen wurden durch ein Mikroskop mittels einer Kamera fotografiert.

Der Stab wurde dann, wie in Pig. IO gezeigt, belastet, um seine Oberseite in einen Spannungszustand zu bringen und Einkerbungen wurden in der polierten Fläche in der Nähe der Mitte der eingespannten Länge ausgebildet. Die Einkerbungen in dem unter Spannung stehenden Material wurden durch das gleiche Mikroskop fotografiert, wobei die gleiche Kamera verwendet wurde wie zuvor. Es wurde gefunden, daß eine große Sorgfalt erforderlich war, um sicher zu sein, daß sich keine Änderungen bei den Fotografien in dem nicht unter Spannung stehenden Werkstück und bei den Fotografien des eingespannten Werkstückes ergeben.

Die Z^agspannung in der Oberfläche des Werkstückes in der Mitte wurde au3 der Auslenkung des mittleren Abschnittes relativ zu seinen Enden berechnet, v/obei in Rechnung gesetzt wurde, daß ea sich hierbei um die Auslenkung eines Stabes handelte, der einen Querschnitt von 1/2 χ 2 3/4 Zoll und eine Länge von 16 Zoll hat.

Wenn die Auslenkung als Änderung des Spaltes Δ bestimmt wird, wie es in Fig. 10 gezeigt ist, so wird die Zugspannung berechnet zu

_E _m _{12 Δ£ (22)}

1/(1+IZi)

1098U/01U

In dieser G-Ie ic hung ist

L - Stützweite, ö Zoll

I^ = Trägheitsmoment des PrüfStabes Ip =· Trägheitsmoment des üalterunssstabes Cn, = halbe Dicke des Prüfatabea

Worm E angenommen wird zu 30 χ 10° Pfund pro Quadrat Zoll, so gilt

S_T = 1.00 Δ_τ x 10⁶ .

Die Kompressionspannung in der Oberseite des Trägers wurde, wie in Fig. 11 gezeigt, ermittelt. In diesem Pail ist der Viert von L= 7*5 und es gilt jetzt S_n = 1,13 Λx 10^β,

wobei Δ so bestimmt wurde, v/ie es in Pig. Il gezeigt ist.

Zwei Zugspannungswerte und zwei Kompressionsspannungswerte wurden verwendet,

Eine Spannungs-Dehnungskurve für das Material ist in Pig. 12 dargestellt. Pur eine schnelle Überprüfung kann die in Pig. 13 dargestellte G-rafik verv/endet werden.

Gemessene Werte A. Zugspannung

Im spannungslosen Zustand wurden die Einkerbungen mit der gleichen Mikroskop-Kameraanlage fotografiert wie die Einkerbungen im Stab, der auf eine Spannung von 22 000 Pfund pro Quadrat Zoll vorgespannt war (berechnet aus Biegungsmessungen) . Die Durchmesser der Fotografien der Einkerbungen wurden mit Mikrometern gemessen, die eine Genauigkeit bis zu - 0,0Dl Zoll hatten. Die Kanten der Bilder der Einkerbungen in den Fotografien waren jedoch nicht scharf genug, um Ablesungen genauer als - 0,005 Zoll zu ermöglichen.

109844/0174

Die Vergrößerung der Kikroskop-Kaneraanordrung betrug etwa 100 zu 1* Da jedoch die gleiche Eamera-Kikroakopanordnung verwendet wurde, um die-Einkerbungen im geacamiten Material und im nicht gespannten I-'aterial zu fotografieren, spielte die tatsächliche Vergrößerung koine Rolle.

Die Durchmesser, die für eine nominale Zugspannung Ton 22 000 gemessen v/urde, waren D₀ =( 1,880 und 1,905) 1,892 im Mittel

Wie Pig» 14 zeigt, waren die Unifänge der Einkerbungen im sparaumgslosen Zustand nicht perfekt rund. Die Fotografien, der Einkerbungen für den Spannungszustand sind in Fig, Ib dargestellt.

D = 2,075 Zoll und

d = 1,985 Zoll.

Daraus ergibt sich D₀ ² = 3,581 Zoll² D.d = 4,118 Zoll² D/_d = 1,045 ν ²

¹O = 0,869 Zoll

"⁰O = 0,912 Zoll

^D = 0,953 Zoll

Da die querverlaufende Spannung im Stab praktisch gleich Hull ist, ergibt die Gleichung (14)

3 = 0,045 M

/0174

und Gleichung (15) ergibt

(0.131.) - #-- (0.45)

Ά. . ^X . ,·?. /r, ii-.\ M /η λ er \

Aus diesen Gleichungen vmrde H zu 10,5 ermittelt und

^ ⁼ 0,473.
¹ ο

Um dieae Vierte zu überprüfen, haben andere Personen die Durchmesser gemessen und die unten dargestellten Werte erhalten. Die Fotografie der Einkerbung im nicht vorgespannten Stab ist in Fig. 15 dargestellt und die Fotografie der Einkerbung im vorgespannten Stab ist in Fig. gezeigt.

D₀ = (1,905 und 1,920) 1,912 im Mittel D = 2,085+ d = 2,000

Daraus folgt D₀ ² = 3,658 Dd = 4,170

— ⁼ 0,877 und/ l! = 0,043

-£ = 0,917

^o = 0,956, d
ferner

Zr- = 0,043 M 3 = 2x3 (0,123) - Mf (0,043)'

und ^ ο ο

109844/0174. _BAD original

Für II wurde 10,5 gefunden und ferner

= 0,451.
^To

Aus den Zug- und Kompressionsprüfungen v/urde der Viert von γ , wie in Pig, 12 dargestellt, zu 53 000 Pfund pro Quadrat Zoll bestimmt.

Der Beobachter Hr. 1 fand

M = 10,5 und die Spannung gemessen mit dem

G-esamtspannungsme ßgerät (f = 0,473 x 53 000 = 25 000 psi.

Der Beobachter Nr. 2 fand
M = 10,5 und
g = 0,451 x 53 000 = 24 000 psi.

Der Stab v/urde dann auf eine Zugspannung von 24 000 psi gespannt und die Durchmesser wurden gemessen.

Es v/urde geflinden, daß die Sinkerbungen in dem Material, welches auf diese Werte vorgespannt war, so groß wa3?en, daß sie den polierten Abschnitt des Diamanten überstiegen und es konnten deshalb keine zuverlässigen Messungen erzielt werden.

B Kompression

Es wurden zwei Kompressionsspannungswerte verwendet. Als Auslenkungen ergaben sich diese Spannungen zu

Pail 1-29 600 pfundupro^Quadrat Zoll und Pail II= 48 800 Pfund pro Quadrat Zoll.

109844/017«

Fall I

Die Werte der gemessenen Durchmesser für eine Spannung iiull und für das gespannte.Material wurden mit dem gleichen Mikroskop und der gleichen Kamera duroligefllhrt,, Die Vergrößerung war jedoch für diese Meiireiho anders als für die Zugspannungen. Die Vergrößerung spielte wiederum . -keine Rolle.

Die für den Pall I gemessenen Werte waren nominale Kompres si ons spannung <5p = -29 600 psi

Die Fotografie der Einkerbung im nicht vorgespannten Stab ist in Fig. 18 dargestellt und die Fotografie der Einkerbung im vorgespannten Stab ist in Fig. 19 gezeigt.

1.785) 1.790 Mittelwert

Do	= (1.795
D	= 1.750
d	β 1,670
2 Do	β 3.204
Dd D² Dd	«* 2.919 « 1.098
D d	«= 1.048

-° = 1.023
D

E° = 1.072
d

Hieraus ergibt sich M = 10,5 und —=■ = 0,505. Die Spannungen, die mit dem Gesamtspannungs-Meßgerät gemessen viurden, betrugen -0,505 x 53 000 = -26,800 Pfund pro Quadrat Zoll.

Fall II
Die gemessenenWerte 3ind

Nominale Kompressionsspannung <T_p = 48 800 psi.

1 0 9 8 A k I 0 1 7 4

üiino neue JjOtoyrafie der Einkerbung in nicht vorgespanntem Stab ist in Fig. 20 gezeigt. .Yofcografien von zwei getrennten Einkerbungen im eingespannten Stab sind in den Fig. 21 und 22 ^seigt.

1.720) 1.730 H:\Utelwert

D ^t;	(1.740
D «=	1.675
d «=	1.545
	* 2.99
Dd = 2 Dd"	: 2.60 *= 1.150
d	i 1.084

^Do

Hieraus ergibt sich für H = 10,7 und ^₂ = 0₀ Die Spannungen, die mit dein Gesamtspannungs-Meßgerät gemessen wurden, betrugen -0,907 x 53 000 = -48 100 Pfund pro Quadrat Zoll.

Zusammenfassung der Ergebnisse

Aus diesen Untersuchungen, bei denen ein konischer Diamant mit einem Spitzenwinkel von 135° verwendet wurde, ergaben sich die vierte für die Konstante M im Bereich von 10,5 bis au 10,7.

Die V/er te der gemessenen Spannungen waren

gemessen durch Auslenkung geinessen durch Ge-

des Teststabes samtspannungs-

Me ßgerät

bei Beobachter 1

22 000 Pfund pro Quadrat Zoll Spannung 25 000 Pf.p.Qu.Zoll

bei Beobachter 2 Spannung

22 000 " " η « 24 000 « " " "

Spannung Spannung

109844/0174

BAD ORIGINAL

bei Beobachter 1

-29 600 Pf.p.Qu.Z, Kompression -26,800 Pf«p.Qu.Z.Kompression

-43 800 " " " " " H8,100 " " " " "

Eine Analyse"zeigt, daß mit einem Diamant-Einkerbgerät mit einem Spitzenwinkel von 160° der Wert von M lediglich in der Größenordnung von 6 bis 7 liegt und dies bedeutet eine größere Empfindlichkeit.

Obwohl das Brofilometer 1-3 als Mikroskop 11 und Kamera dargestellt i3t, sei bemerkt, daß das Profilometer ein optisches oder elektronisches Abtastgerät sein kann, welches automatisch die maximalen und minimalen Durchmesser und die Größen (D/d-1) und (1-D ²/^Dd) mißt. Eine Skala oder ein Gitter (Radien und konzentrische-Kreise) können in der Objektivlinse der Okulare 24 angeordnet sein, und diese können über die Einkerbungen I gebracht werden,, um schnell D und d berechnen zu können,

Es wurden spezielle Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung dargestellt und erläutert, und es sei bemerkt, daß Abän~ derungen gemacht werden können, die im Rahmen der Erfindung liegen.

SAD ORIGINAL

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Claims

P a t e η t a η s ρ r ü ο h e

Verfahren zur Bestimmung der Spannungen, :die in der Uahe ^c1-^eI' Oberfläche einea ersten Featkorpora vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Instrument von der Oberfläche in den ersten Festkörper mit einer auereichenden Kraft eingedrückt v/ird, um diesen Festkörper dauernd zu deformieren und um dadurch einen ersten Krater in der Oberfläche des ersten Festkörpers zu erzeugen und daß

b) die Eigenschaft des sich ergebenden ersten Kraters nach der elastischen Rückfederung des Materials und dessen Orientierung festgestellt v/erden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften und Orientierungen des ersten Kraters dadurch bestimmt werden, daß dieser erste Krater mit einem zweiten Krater verglichen wird, der unter gleichen Bedingungen in der Oberfläche eines zweiten Festkörpers erzeugt wird, der dem ersten Festkörper ähnlich ist und in dem die Spannungen bestimmt wurden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument anfangs einen kreisförmigen Krater erzeugt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument anfangs einen rechteckigen Krater erzeugt,.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument anfangs einen halbkugelförmigen Krater erzeugt»
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

das Instrument anfangs einen konisch geformten Krater erzeugt«

109844/0174 bad
7« Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Große und der Orientieru?ig des ersten Kraters das Fotografieren·der Krater umfaßt und. das Ue s-SGii der unterschiede zwischen den maximalen uni minimalen Durchmessern der Händer dieser Krater*
8, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument ein in wesentlichen syinrnetri3Gh.es Ende aufweist, welches sich in den ersten Festkörper hineinerstreckt und den ersten Krater in diesem erzeugt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Oberfläche in wesentlichen flach ist und daß der erste Krater dadurch erzeugt wird', daß das Instrument längs einer Bahn senkrecht zu dieser Oberfläche bewegt wird,
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hauptspannungen gemäß den folgenden Gleichungen best immt werden:

■ °3 ⁺ °2 3 f - £ο_Λ M

4|T

(D _ Λ .

Die Konstante ist gegeben durch:

j π E(I - .647Kj.

^{M te} 7.7 6 Tan « (1-μ2(?"_ο;Ν

v;obei

6^ = algebraische maximale Spannung in der Oberfläche

des Materials ist,

6^ = Spannung unter rechtem Y/lnkel zu ß^ in der Oberfläche des Materials,

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D = maximaler Durchmesser der Einkerbung, d - minimaler Durchmesser der Einkerbung, E = Elastizitätsmodul dos Materials, ^ = Octaedör-o-ohäriließspar.nung für das Material, wenn keine Kormalspannung auf die Octaeder-Eber.en einwirkt Cbestinmt durch Prüfung), K = innerer Reibungskoeffizient für das Material (bestimmt durch Prüfung),

<λ» = halber Spitztmv/inkel der Einkerbvorrichtung, N = ein Koeffizient, der durch experimentelle

Eichung bsstinmbar ist, wenn M nicht direkt bestimmt ist.
11. Vorrichtung zur Piessung von Spannungen, gekennzeichnet durch eine Einkerbvorrichtung und ein Profilometer, die derart zueinander orientiert sind, daß sie wahlweise in eine fluchtende Lage mit einer Stelle an der Oberfläche eines Pestkörpers gebracht werden können.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkerbvorrichtung einen Kolben aufweist, der eine Spitze hat und. Vorrichtungen, mit denen der Kolben in Eingriff mit dem Festkörper gebracht wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Basis, die die Einkerbvorrichtung und das Profilometer trägt, wobei die Einkerbvorrichtung schwenkbar an dieser Basis montiert ist und sich in einer gebogenen Bahn in die fluchtende Lage mit dieser Stelle hinein- und aua dieser fluchtenden Lage herausbewegt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11·, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilometer ein Mikroskop aufweist, eine Kamera, die am Mikroskop montiert ist, um die Stelle durch das Mikroskop hindurch zu fotografieren.

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15« Vorrichtung nach Anspruch. 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkerbungsvorrichtung einen Rahmen aufv/oist, zviel parallele Lagerplatte*]., die von dem Rahmen getragen werden, einon Korben, der von diesen Platten getragen wird und Einrichtungen, um eine vorhestimmte Kraft auf den Kolben aufzubringen«
16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkerbungsvorrichtung eine Basia aufweint, einen Ständer, der an dieser Basis montiert ist, einen Rahmen, der schwenkbar von diesem Ständer getragen wird, zwei Plattenlager, die vom Rahmen getragen werden, einen Kolben, der cn den Platten befestigt ist und ewar in einer Stellung parallel zu dem Ständer., ein Anzeigegerät, mit dem die Bewegung der Einkerbvorrichtung angezeigt, wird uxid Einrichtungen, um den Kolben gegenüber der Basis su bewegen,
17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilometer ein Mikroskop und eine Kamera aufweist, die derart montiert sind, daß Fotografien durch das Mikroskop gemacht werden können, wobei die Einkerbungsvorrichtung einen Rahmen und einen beweglichen Kolben aufweisen, der von dem Rahmen getragen wird, wobei die Vorrichtung ferner eine Basis hat, die sowohl das Mikroskop als auch die Einkerbvorrichtung trägt und wobei die Einkerbvorrichtung gegenüber dem Mikroskop beweglich ist, damit das Mikroskop in der Stellung der Einkerbvorrichtung verwendet werden kann und damit das Mikroskop in einer anderen Stellung der Einkerbvorrichtung über der besagten Stelle angeordnet werden kann.

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18. Vorrichtung nach Anspruch 17? gekennzeichnet durch ein vom Ilainnen getragenes Anaeigegerät, eine Vorspannung ~ einrichtung, mit der der Kolben vorgespannt wird, v/obei das Anzeigegerät die Bewegung des Kolbens gegenüber dem nahmen anzeigt.

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