DE2533313A1

DE2533313A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des verformungs- und dehnungsverhaltens von werkstoffen

Info

Publication number: DE2533313A1
Application number: DE19752533313
Authority: DE
Inventors: Harald A Dipl Ing Solmitz
Original assignee: MFL PRUEF MESSYST GmbH; MFL PRUEF- und MESSSYSTEME GmbH
Current assignee: SOLMITZ, HARALD A., DIPL.-ING., 6800 MANNHEIM, DE
Priority date: 1975-07-25
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1977-02-10
Also published as: DE2533313C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Verformungs-und Dehnungsverhaltens von Werkstoffen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Verformungs- und Dehnungsverhaltens von Werkstoffen, wobei die Verlängerung der Probe über die gesamte Einspannlänge ermittel, wird und die Messung erst bei einer entsprechenden Bezugslast beginnt.
Der Anwendungsbereich von Werkstoffen wird u. a. durch ihre Verformungsfähigkeit und ihr Dehnungsverhalten bestimmt.
Für die Verformungsfähigkeit wird als Kennwert das Bruchdehnungsverhalten herangezogen. Unter der Bruchdehnung wird im allgemeinen die gesamte plastische Verlängerung der Probe bis zu ihrem Versagen verstanden.
Ein übliches Verfahren zu ihrer Bestimmung besteht darin, auf der Probe eine Meßstrecke zu markieren und nach dem Bruch der Probe durch Zusammenlegen der beiden Probenteile festzustellen, wie sich diese Meßstrecke verlängert hat.
Dieses Verfahren ist umständlich und zeitraubend durch das notwendige Anbringen der Meßmarken auf der Probe und das Zusammenlegen der Probenteile nach dem Versuch, und schließlich subjektiv und ungenau wegen der zerklüfteten Bruchflächen. Zur Berücksichtigung der zufälligen Lage der Brucheinschnürung innerhalb der Meßlänge müssen zudem meistens weitere Markierungen über die Meßlänge hinaus auf den Probestab angebracht werden und eine zeitaufwendigere Auswertmethode benutzt werden.
Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren und Vorrichtung zu schaffen, das eine schnelle und selbsttätige, damit objektivere Bestimmung des Bruchdehnungsverhaltens ermöglicht, sowohl als absoluten wie relativen Kennwert.
Nach der Erfindung wird die gesamte Probenverlängerung über die ganze oder fast ganze Einspannlänge ermittelt, wobei die Dehnungsmessung erst bei einer Prüflast beginnt, bei der einerseits die Maschine selbst so hoch belastet ist, daß eine Verfälschung der Messung durch Maschinenverformungen, Versetzen der Spannköpfe und der Keile oder dergleichen vernachlässigbar ist, die Maschineneinflüsse annähernd die gleichen sind, wie bei dem Abschluß der Dehnungsmessung, und andererseits der elastische Dehnungsbereich der Probe durchfahren ist.
Zweckmässig für den Meßbeginn werden Prüflastwerte benutzt die ohnehin als Kennwert von Interesse sind, wie z.B. die obere Streckgrenze oder die 0,2- Grenze, die der obigen Forderung weitgehend entsprechen. Diese Last ist im folgenden mit Bezugslast bezeichnet. Die Dehnungsmessung endet nach dem Verfahren im Augenblick des Bruches der Probe und erfaßt damit die gesamte plastische Probendehnung.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht erfindungsgemäss z.B. aus einem Verläng-.erungsaufnehmer, der die Abstandsänderung der Spannköpfe mißt und der mit der Anzeige erst beginnt, wenn er bei Erreichen der ezugslast einen Startbefehl erhält, und dessen Anzeige Am Augenblick des Probenbruches blockiert wird.
Beispielsweise kann hier zweckmässig eine elektrische Dehnungsmesseinrichtung verwendet werden, b--ei der an einam Zpsnnkopf die induktie Spule befestigt ist und deren Kern uber eine geeignete Verlängerungsstange mit dem anderen Spannkopf verbunden ISti wobei die Anzeige der Dehnung an einem Digital-Voltmeter erfolgt. Mit Versuchsbeginn tritt eine relative Bewegung zwischen Spule und Kern ein, wodurch die Meßspannung am Ausgang der Spule ansteigt.
Gleichzeitig wird jedoch eine gleichgroße entgegengesetzte Spannung erzeugt, die die Meßspannung kompensiert, sodaß keine Anzeige erfolgt. Ist die Bezugslast erreicht, so wird von Hand oder durch einen Spitzen-Wertgeber der elektrischen Kraftmessung oder von einem Rechner ein Schaltsignal gegeben, demzufolge die Gegenspannung auf dem erreichten Wert konstant gehalten wird und die der Dehnung proportionale Spannungszunahme von diesem Schaltpunkt an fortlaufend angezeigt wird. Im Augenblick des Probenbruches wird die Dehnungsanzeige blockiert, in der Weise, daß das Anzeigeinstrument als Spitzenwertinstrument ausgebildet ist und ein Schaltsignal dadurch gegeben wird, daß die Probe selbst als Leiter in einem Stromkreis liegt, der durch den Bruch der Probe unterbrochen wird.
Es kann auch ein Prozeßrechner eingesetzt werden, der in einem Rechenvorgang bis zum Erreichen der Bezugslast einen gleichgroßen aber entgegengesetzten Betrag von der Dehnungsanzeige abzieht und bei Erreichen der Bezugslast, dem Dehnungsmessbeginn, von den fortlaufenden Dehnungsanzeigen einen konstanten Betrag abzieht.
Um aus dem nach der Erfindung ermittelten absoluten Bruchdehnungswert die relative Bruchdehnung zu erhalten, wird erstere auf eine Ausgangsmesslänge bezogen. Erfindungsgemäss wird als Bezugsmeßlänge die Einspannlänge bestimmt die beim Erreichen der gleichen Prüflast vorhanden ist, bei der mit der Dehnungsmessung begonnen wird, also der Bezugslast.
Dieses ist zulässig, da in diesem Punkt die Ursprungslänge nur um vernachlässigbare Beträge, etwa 0,2 % von der benutzten Bezugsmeßlänge, abweicht.
Erfindungsgemäss kann weiterhin zur Bestimmung der Bezugsmeßlänge die gleiche Vorrichtung benutzt werden wie für die Dehnungsmessung selbst. Hierzu werden vor dem Versuch die beiden Spannköpfe in eine Stellung gebracht, die dem Spannkopfabstand für die vorgesehenen Probenlängen in etwa entspricht. Dieser Abstand Sp-A wird ausgemessen und die Dehnungsmesseinrichtung in dieser Stellung auf Null einjustiert. Wird die Probe belastet, so bewegt sich der obere Spannkopf aufwärts und der jeweilige augenblickliche Spannkopfabstand ist gleich dem Anfangs-Abstand Sp-A plus dem Zuwachs Ä Sp der über den Dehnungsaufnehmer angezeigt wird.
Wird ein Prozeßrechner benutzt, so addiert er laufend dem als konstant eingegebenen Wert Sp-A die Abstandszunahme \ Sp hinzu. Im Augenblick des Erreichens der Bezugslast bildet der Rechner die Summe Sp-A plus n Sp und speichert sie als Sp-O der Bezugslänge für die Berechnung des relativen Bruchdehnungswertes. In diesem Zeitpunkt ist die Benutzung der Dehnungsmesseinrichtung für die Bestimmung von Sp-O beendet.
Die Anzeige wird vom Rechner auf Null gesetzt (z.B. durch Subtraktion des Anzeigewertes von sich selbst) und der Dehnungsgeber wird zur Anzeige der Probendehnung wie oben beschrieben weiter verwendet.
Die erfindungsgemässe Bestimmung des Bezugsspannkopfab standes hat den Vorteil, daß bei weiteren Versuchen der Ausgangsspannkopfabstand Sp-A nicht genau eingehalten zu werden braucht, da Abweichungen positiv und negativ vom Dehnungsaufnehmer erfasst und damit bei der Berechnung der 8ezugsmesslEnge berücksichtig werden. Wird bei der Versuchsdurchführung kein Prozeßrechner verwendet, so wird erfindungsgemäss zur Bestimmung der Bezugsmesslänge dem Anzeigegerät eine Verzdgerungseinrichtung z.B.
Zeitrelais vorgeschaltet, das beim Erreichen der Bezugslast bewirkt, daß die Anzeige \ Sp so lange stehen bleibt, wie es zum Ablesen notwendig ist, bevor sie auf Null kompensiert wird und anschließend am Anzeigegerät die Dehnung zunahme angezeigt wird. Eine andere Anordnung besteht erfindungsgemäss darin, daß zwei Anzeigegeräte an dem Dehnungsaufnehmer angeschlossen sind, wovon das eine beim Erreichen der Bezugslast durch ein Signal stehen bleibt und den Wert 1½ Sp anzeigt, wogegen das andere hier startet und nur die Dehnbeträge registriert. Am Ende des Versuches wird so G Sp und der Dehnbetrag gleichzeitig angezeigt.
Die relative Bruchdehnung A ist abhängig von dem Verhältnis der Meßlänge Lo zum Probenquerschnitt. Es sind daher in den Normen bestimmte Verhältnisse vorgeschrieben (z.B. für Rundstäbe Meßlänge Lo = 5 x D).
Nach dem Verfahren und der Vorrichtung wird mit einer beliebigen Bezugsmesslänge gearbeitet und der Bezug zu einer bestimmten, genormten Meßlänge rechnerisch hergestellt, z.B. durch einen empirisch zu bestimmenden Kooffizlenten.
Ein weiteres Verfahren besteht darin, daß mehrere das Dehnverhalten und den Verlauf der Spannungsdehnungslinie kennzeichnenden Werkstoffkennwerte getrennt erfaßt werden damit ihr unterschiedlicher Einfluß auf den relativen Bruchdehnungswert getrennt bewertet werden kann.
Es können z.B. die Hauptkomponenten des Bruchdehnungswertes, die Gleichmaßdehnung und die Einschnürdehnung getrennt erfaßt werden, wobei unterschiedliche Meßlängen vorwiegend durch die Einschnürdehnung den Bruchdehnungswert beeinflussen. Bezeichnet man den auf die Bezugsfläche bezogenen relativen Bruchdehnungswert mit Ax und den auf eine Normlänge bezogenen Wert mit AN, so gibt für bestimmte Stähle woraus sich die Beziehung ergibt, Unter Benutzung des beschriebenen Verfahrens und Vorrichtun lädt sich mit einer solchen Beziehung die bei beliebiger Meßlänge Lx bestimmten relativen Bruchdehnungswerte Ax auf die Bruchdehnungswerte AN mit einer festgelegten Meßlänge LN umrechnen.
Zur Anwendung des Verfahrens bei Maschinen mit Probeneinspannungen die eine Relativ-Bewegung zum Spannkopf ausführen wird die Relativ-Bewegung berücksichtigt oder ausgeglichen z.B. durch eine Korrekturskala am Spannkopf zur Anzeige der Relativ-Bewegung der Keile gegenüber dem Spannkopf selbst oder dadurch, daß die Messanordnung so getroffen wird, daß die Relativ-Bewegung selbsttätig kompensiert wird z.B. durch Anordnung der Dehnungsaufnehmer an Bauteilen, die der Keilbewegung folgen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen und den Ansprüchen.
Es zeigen in schematischen Skizzen: Fig. 1. Beispiel einer Zugprüfmaschine mit angebauter Verlängerungsmeßeinrichtung.
Fig. 2. Beispiel einer mechanischen Verlängerungsmeßeinrichtung.
Fig. 3. Korrekturskala an einem Spannkopf.
Fig. 4. Anordnung einer Verlängerungsmeßeinrichtung mit selbsttätigem Ausgleich von Relativ-Bewegungen Die Fig. 1. zeigt eine Zugprüfmaschine 1 bei der die beiden Spannköpfe 2 und 3 vor dem Versuch in eine Stellung gebracht wurden, wobei der Spannkopfabstand etwa der vorgesehenen Probenlänge entspricht. Dieser Abstand Sp-A wird über den Verlängerungsmesser 4 ausgemessen und die Anzeigevorrichtung 5 auf Null einjustiert. Bei Belastung der Probe 6 bewegt sich der obere Spannkopf 2 aufwärts. Der Abstand LE Sp wird über den Verlängerungsmesser 4 auf der Anzeigevorrichtung 5 entsprechend angezeigt.
Eine Verlängerungseinrichtung nach der Erfindung kann auch mechanischer Art sein, wie z.B. in Fig. 2. dargestellt. Auf der linken Seite der Spannköpfe 2 und 3 ist die Meßeinrichtung zur Bestimmung der Bezugsmeßlänge Sp-O angeordnet.
Zur Festlegung der Ausgangsstellung Sp-A wird die Anzeige einrichtung 7 durch Anheben der Taststange 8 auf Null gesetzt und diese Lage durch Verschieben des Gewichtes 9 gegen den Anschlag 10 und blockieren des ersteren gegenüber der Taststange 8 gesichert.
Die Anzeigevorrichtung 7 zeigt die Relativ-Bewegung der beiden Spannköpfen 2 und 3 an, bis bei Erreichen der Bezugslast die Magnetkupplung 11 geschlossen wird, die Taststange 8 blockiert ist und der Wert L Sp angezeigt bleibt.
Auf der rechten Seite der Spannköpfe 2 und 3 ist beispielsweise eine Anordnung zur Bestimmung der Verlängerung gezeigt. Das Anzeigegerät 12 ist so ajustiert, daß es stets Null anzeigt, solange sich die Taststange 13 in der Führung 14 frei bewegt. Bei Erreichen der Bezugslast wird durch ein Signal die Magnetkupplung 15 geschlossen, sodaß die Verlängerungen solange fortlaufend angezeigt werden, bis bei Erreichen der Bruchlast die Kupplung 15 wieder öffnet, die Taststange 13 in die Ausgangslage zurückkehrt und der erreichte Verlängerungswert durch einen nicht dargestellten Schleppzeiger festgehalten wird.
In Fig. 3. ist ein Spannkopf 2 dargestellt, wie bei Maschinen mit Probeneinspannungen die eine Relativ-Bewegung zum Spannkopf ausführen. Diese Relativ-Bewegung der Keile 16 gegenüber dem Spannkopf 2 zeigt eine Korrekturskala 17 an.
Der festgestellte Wert muß entsprechend berücksichtigt oder ausgeglichen werden.
Die Relativ-Bewegung kann auch selbsttätig kompensiert werden wie in Fig. 4. dargestellt. Hierbei wird die Vermessungseinrichtung 18 mit den Spannkolben 19, 19' verbunden, die wiederum mit den Keilen 20, 20'zum hydraulischen Spannen verbunden sind. Die Einstellung der Verlängerungseinrichtung 18 erfolgt über die Einstellkupplung 21.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Ver--formungs- und Dehnungsverhaltens von Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung der Probe über die ganze oder fast ganze Einspannlänge ermittelt wird, wobei die Messung erst bei einer Bezugslast beginnt, bei der die Prüfeinrlchtung so hoch belastet ist, um so einerseits Verfälschungen des Meßergebnisses durch Verformungen oder Versetzungen der Prüfeinrichtung selbst zu vernachlässigen, sodaß diese Maschineneinflüsse annähernd die gleichen sind, wie bei dem Abschluß der Dehnungsmessung und außerdem der elastische Dehnungsbereich der Probe durchfahren ist.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugslast ein entsprechender Werkstoffkennwert benutzt wird, wie z.B.

die obere Streckgrenze oder eine Dehngrenze.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Bruchdehnungsverhaltens die Dehnungsmessung im Augenblick des Probenbruches endet und damit die gesamte plastische Verformung erfaßt wird.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verlängerungsaufnehmer, z.B. die Abstandsänderung der Spannköpfe mißt, wobei die Anzeige bei Erreichen der Bezugslast durch ein Startsignal beginnt und im Augenblick des Bruches der Probe endet.

5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Dehnungsmeßsystem verwendet wird, bei dem der bei der Verlängerung ansteigenden Meßspannung eine gleichgroße jedoch entgegengesetzte Spannung solange gegengeschaltet ist bis ein Signal von Hand oder automatisch bei Erreichen der Bezugslast die Gegenspannung konstant bleibt und die Differenz 'augenblickliche Meßspannung minus konstante Gegenspannung' nunmehr die anschließende Längenänderung der Probe bis zum Bruch angibt.

6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß bei Probenbruch die Dehnungsanzeige beendet wird, indem die Probe selbst im elektrischen Meßkreis als Leiter liegt und bei Bruch diesen unterbricht.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der relativen Bruchdehnung die Ausgangsmeßlänge bestimmt wird, wobei als Bezugsmeßlänge die Einspannlänge dient, die bei der gleichen Prüflast vorhanden ist, bei der mit der Verlängerungsmessung begonnen wird.

8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Ausgangsmeßlänge die gleiche Vorrichtung benutzt wird, die für die Verlängerungsmessung selbst eingesetzt ist, indem bei einem geeigneten Spannkopfabstand 2, 3 Sp-A die Verlängerungsmeßeinrichtung 4 auf Null justiert wird, positive oder negative Abweichungen von dieser Lage werden am Meßgerät angezeigt und im Augenblick des Erreichens der Bezugslast wird die Bezugsmeßlänge Sp-A + \ Sp festgestellt, die Anzeige vorrichtung 5 wird z.B. durch eine Gegenspannung auf Null gesetzt und anschließend die Probenverlängerung angezeigt.

9. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Anzeigegerät verwendet wird, indem die bei Erreichen der Bezugslast angezeigte Spannkopfversohiebung Ä Sp-A als Maximalwertanzeige stehen bleibt bis über ein Zeitrelais nach einer zweckmässigen Zeit die der augenblicklichen Meßspannung entsprechenden Gegenspannung aufgeschaltet ist und mit der in diesem Zeitpunkt vorhandenen Verlängerung beginnend, die Zunahme der Verlängerung gemessen wird.

10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Verlängerungsanzeigegeräte benutzt werden, wovon das eine bei Erreichen der Bezugslast die Einspannlänge L Sp anzeigt, das andere im gleichen Zeitpunkt mit der Verlängerungsanzeige beginnt und am Versuchsende beide Werte angezeigt werden.

11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 - 4, 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungsmeßeinrichtung aus einer mechanischen Wegmesseinrichtung z.B. einer Meßuhr 12 besteht die an einen Spannkopf 2 befestigt über eine Taststange 13 und Elektrokupplung 15 mit dem Gegenspannkopf 3 verbunden ist wobei durch betätigen der Kupplung 15 nur vom Erreichen der Bezugslast bis zum Probenbruch eine Verlängerungsmessung erfolgt.

12. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 - 4, 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bestimmung der Bezugsmesslänge Sp-0 eine Wegmesseinrichtung z.B. eine Meßuhr 7 an einem Spannkopf 2 befestigt ist, die Spannkopfstellung Sp-A durch einen Anschlag 10 am Gegenspannkopf 3 und einem Stellgewicht 9 an der Taststange 8 festgelegt wird und so bei Erreichen der Bezugslast durch eine Magnetkupplung 11 die Taststange 8 und die damit erreichte Anzeige L Sp blockiert.

13. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, 4 - 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Relativ-Bewegung zwischen Spannkeilen 16 und Spannkopf 2 an einer Skale 17 angezeigt wird.

14. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, 4 - 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungsmeßeinrichtung solche Punkte der beiden Spannvorrichtungen 2, 3 verbindet die der Keilbewegung 20, 20' folgen, wie die Spannkolben 19, 19' einer hydraulischen Spanneinrichtung.

15. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der bei beliebiger Ausgangsmeßlänge ermittelte relative Bruchdehnungswert in einen Bruchdehnungswert vorgegebener Meßlänge umgerechnet wird durch einen empirisch zu bestimmenden Koeffizienten oder durch die Messung mehrerer das Dehnverhalten und den Verlauf der Spannungs-Dehnungslinien kennzeichnender Werkstoffkennwerte, die getrennt erfaßt und in ihrem unterschiedlichen Einfluß auf die Meßlänge bewertet werden, z.B. die Bestimmung der Bruchdehnungskomponenten, Brucheinsohnürdehnung und Gleichmaßdehnung (A ) und g deren rechnerische Bewertung mit der für bestimmte Werkstoffe gültigen Beziehung woraus sich der relative Bruchdehnungswert AN für bestimmte Meßlängen 9 aus dem Bruchdehnungswert Ax für beliebige Meßlänge Lx erhalten wird.

16. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung der Dehngrenzen eine Bezugslast verwendet wird, die einen beachtlichen Prozentsatz der zu erwartenden Dehngrenzenlast ausmacht, wobei für die Bestimmung der Dehngrenzen-Verfahren benutzt werden bei denen die Unterdrückung der Anfangswerte ohne wesentlichen Einfluß bleiben, und weiterhin bei der Bestimmung der Dehngrenzen und des Bruchdehnungswertes 2 Bezugslasten benutzt werden.