DE2723555A1

DE2723555A1 - Crack propagation measurement machine for brittle materials - has specimen load points which can be symmetrically moved relative to central notch

Info

Publication number: DE2723555A1
Application number: DE19772723555
Authority: DE
Inventors: Reinhard Ing Grad Koenneker; Herbert Dr Ing Richter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1977-05-25
Filing date: 1977-05-25
Publication date: 1978-12-07

Abstract

The specimen rests on two supports and a force is applied to two widely sepd. load points, with supporting and load points lying in a plane parallel and near to the front edge. The specimen has in the front edge a surface crack for controlled crack propagation (double torsion method). The load points (5a, 6a) are symmetrically adjustable with respect to the central double notch (4), and consist of easily rotatable balls (5, 6). The support consists of two balls (2, 3) lying in the double notch (4).

Description

Vorrichtung zur Messung der Rißausbreitung in sprödenDevice for measuring crack propagation in brittle areas

Werkstoffen rin bekanntes Verfahren zur Bestimmung der Rißausbreitung in spröden Werkstoffen besteht darin, daß eine flache Probe, die mindestens 4-mal so lang wie breit ist, an einer Schmalseite mit einer Kerbe versehen wird und an dieser Seite wie eine 4-Punkt-Biege-Probe belastet wird (Doppel Torsion-Probe). Eine Besonderheit dieser Proben- und Belastungsgeometrie besteht darin, daß der Krwert unabhängig von der Rißlänge ist; dies ist besonders vorteilhaft bei der Untersuchung der langsamen Rißausbreitung. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Bruchgeschwindigkeit indirekt, nämlich aus der Zunahme der Probendurchbiegung an den Lastangriffspunkten bei Rißverlängerung bestimmt werden kann. Das macht diese Proben- und Belastungskonfiguration besonders wertvoll zur Untersuchung der Bruchgeschwindigkeit an Werkstoffen, bei denen die Bruchgeschwindigkeit mit für andere Werkstoffe üblichen und erprobten Verfahren nicht gemessen werden kann, so z.B. für keramische Werkstoffe wie A1203, Si3g4 u. a.Materials in a known method for determining the crack propagation in brittle materials is that a flat sample that is at least 4 times as long as it is wide, is provided with a notch on one narrow side and on this side how a 4-point bending test is loaded (double torsion test). A special feature of this sample and load geometry is that the Krwert is independent of the crack length; this is particularly advantageous in the investigation slow crack propagation. Another advantage is that the breaking speed indirectly, namely from the increase in specimen deflection at the load application points can be determined at crack extension. That is what makes this sample and load configuration particularly valuable for investigating the breaking speed of materials which the breaking speed is common and tested for other materials Process cannot be measured, e.g. for ceramic materials such as A1203, Si3g4 and others

Ein Nachteil der bisher bekannten Vorrichtungen zur Bestimmung der Bruchgeschwindigkeit nach der Doppel-Tors ion-Methode ist darin zu sehen, daß die Proben mit Pührungsfurchen versehen werden müssen, um die Rißausbreitungsrichtung parallel zu den Längskanten der Proben zu stabilisieren.A disadvantage of the previously known devices for determining the Breaking speed according to the double torsion method can be seen in the fact that the Specimens must be provided with guiding furrows to allow for the direction of crack propagation to stabilize parallel to the longitudinal edges of the samples.

Diese Führungsfurchen verfälschen das Spannungsfeld, in dem sich der Riß ausbreiten soll; das Herstellen der Führungsfurchen ist zudem, gerade auch bei keramischen Werkstoffen, aufwenig~ Es ist Ziel der Erfindung, eine zu den Längskanten der Probe parallele Rißverlängerung ohne Führungsfurchen zu erreichen.These guiding furrows distort the field of tension in which the Crack should spread; the production of the guide grooves is also, especially at ceramic materials, costly ~ It is the aim of the invention to provide a to achieve crack elongation parallel to the longitudinal edges of the specimen without guide furrows.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch eine präzise örtliche Justierung der Lastangriffspunkte ein so symmetrisches Spannungsfeld in der Probeerzeugt wird, daß der Riß auch ohne Führungsfurchen genügend weit symmetrisch durch die Probe verlängert werden kann, und daß parasitäre Kräfte auf die Probe aufgrund von Reibung zwischen Probe und den Belastungspunkten dadurch verhindert werden, daß die Belastung der Probe durch Kugeln erfolgt, die so leichtgängig drehbar gelagert sind, daß bei Relativbewegungen zwischen den Belastungspunkten und der Probe, wie sie bei Durchbiegung der Probe bei Rißverlängerung zustandekommen, keine zusätzlichen Kräfte aufgrund von Reibung auftreten können.This object is achieved in that by a precise local adjustment of the load application points such a symmetrical field of tension it is produced in the specimen that the crack is sufficiently symmetrical even without guide furrows can be extended through the sample, and that parasitic forces on the sample prevented due to friction between the sample and the stress points that the load on the sample is carried out by balls, which can be rotated so easily are stored that with relative movements between the load points and the Specimen, as it is produced when the specimen is bent when the crack is elongated, none additional forces due to friction can occur.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.

Die Probe 1 wird so auf die Auflagepunkte 2a und 3a gelegt, daß die Symmetrieebene 4 der Probe genau über dem Mittelpunkt zwischen den Auflagepunkten 2a und 3a liegt, an denen Kugeln 2 und 3 angreifen, liegt. Die Probe ist an der Schmalseite in der Symmetrieebene 4 mit einem künstlichen Anriß 4a von 2 bis 10 mm zur definierten Rißauslösung versehen9 Der Anriß wird z.B. durch thermisch induzierte Spannungen, durch Anritzen mit Diamantwerkzeugen erzeugt. Die Symmetrieebene 4 und die Ebene durch die Mittelpunkte der beiden als Auflagepunkte dienenden Kugeln 2 und 3 stehen senkrecht aufeinander. An den beiden Belastungspunkten 5a und 6a greifen ebenfalls zwei Kugeln 5,6 an. In der beschriebenen Ausführungsform ist jede der beiden Kugeln 5,6 jeweils am Ende eines um die Achsen 7 bzw. 8 drehbaren Hebels 9 bzw. 10 angebracht. Die Lagerböcke il, bzw. 12, in denen die Achsen 7, bzw. 8 befestigt sind, sind in SchwalbenschwanzftShrungen 13, bzw.The sample 1 is placed on the support points 2a and 3a that the Symmetry plane 4 of the sample exactly above the midpoint between the support points 2a and 3a, on which balls 2 and 3 attack, is located. The rehearsal is on Narrow side in the plane of symmetry 4 with an artificial crack 4a from 2 to 10 mm for defined crack initiation9 The crack is e.g. by thermally induced Stresses generated by scratching with diamond tools. The plane of symmetry 4 and the plane through the centers of the two balls serving as support points 2 and 3 are perpendicular to each other. Grab at the two load points 5a and 6a also two balls 5,6. In the described embodiment, each is the two balls 5, 6 each at the end of one around the axes 7 or 8 rotatable Lever 9 or 10 attached. The bearing blocks il, or 12, in which the axes 7, or 8 are fastened in dovetail holes 13 or

14 verschiebbar angeordnet; mittels Schrauben 15, bzw. 16 lassen sich somit die Hebel mit den Belastungspunkten 5a,6a so justieren, daß die letzteren symmetrisch zu den Auflagepunkten 2a und 3a und zu der Symmetrieebene 4 der Probe zu liegen kommen . Außerdem können die IIebel 9 bzw. 10 in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene einzeln so justiert werden, daß die Kugeln 2, 3, 5 und 6 in einer senkrechten Ebene zu liegen kommen. Jeweils in genau gleichem senkrechtem Abstand von den Belastungspunkten 5a und 6a ist ein Seilzug 17 an den Hebeln 9,10 befestigt, wodurch über eine Rolle 18, an denen Belastungsgewichte 19 hängen, die Belastung gleichmäßig auf die Hebelarme 9,10 verteilt wird. Erfindungsgemäß sind die Kugeln 5, bzw. 6 in Axialkugellagern 35 gelagert; Hülsen 20 hindern die Kugeln am Herausfallen, ohne deren sonstige Bewegungsmöglichkeit einzuengen.14 slidably arranged; by means of screws 15 or 16 can thus adjust the lever with the loading points 5a, 6a so that the latter symmetrical to the points of support 2a and 3a and to the plane of symmetry 4 of the sample come to rest. In addition, the IIebel 9 and 10 can be perpendicular in the direction to the plane of the drawing individually adjusted so that the balls 2, 3, 5 and 6 in one come to rest in the vertical plane. Each at exactly the same vertical distance From the loading points 5a and 6a a cable 17 is attached to the levers 9,10, whereby a roller 18 on which load weights 19 hang, the load is evenly distributed on the lever arms 9,10. According to the invention are the balls 5 or 6 mounted in axial ball bearings 35; Sleeves 20 prevent the balls from falling out, without restricting their other possibilities of movement.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Belastung durch einen Hubmagneten (Elektromagneten) erzeugt, der genau senkrecht und unter der Rolle 18 angeordnet ist und dessen Zuganker mit dieser Rolle verbunden ist.In another embodiment of the invention, the load generated by a lifting magnet (electromagnet) that is exactly vertical and below the roller 18 is arranged and the tie rod is connected to this role.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, durch die die Probe in die nötige, zu den Auflagepunkten 2 und 3 symmetrische Lage gebracht werden kann und die anhand der Figur 2 im folgenden beschrieben wird: Eine Probe wird ungefähr symmetrisch in die oben beschriebene Prüfeinrichtung gelegt. Durch Bewegen des Hebels 21 nach unten werden die Exzenter 22 und 23 gedreht, wobei durch Zahnräder 24 und 25 die Bewegung der Exzenter gegenläufig und synchron abläuft. Durch die Drehung der Exzenter drehen sich die 4 Zentriearme 26 27, 28 und 29 um die Achsen 33 und 34 und bewegen sich dabei symmetrisch auf die Mittellinie 4 zu und bringen so die aufgelegte Probe 1 ebenfalls in eine zur Mittellinie symmetrische Lage. Beim Ioslessen des Hebels 21 wird durch die Hückzugfedern 31 und 32 der Bewegungsablauf umgekehrt und dadurch die Probe in der justierten Lage freigegeben. Alle erwähnten Teile werden von dem Rahmen 30 aufgenommen, der mit Hilfe eines Iiteamikroskops und eines Probekörpers mittig auf die Prtifeinrichtung montiert wird.In another embodiment of the invention is an apparatus provided, through which the sample in the necessary, symmetrical to the support points 2 and 3 Position can be brought and which is described with reference to Figure 2 in the following: A sample is placed approximately symmetrically in the test device described above. By moving the lever 21 down, the eccentrics 22 and 23 are rotated, wherein by means of gears 24 and 25 the movement of the eccentrics runs in opposite directions and synchronously. Through the When the eccentrics rotate, the 4 center arms 26 rotate 27, 28 and 29 about the axes 33 and 34 and move symmetrically on the Center line 4 and thus bring the placed sample 1 also into a center line symmetrical position. When the lever 21 is released, the return springs 31 and 32 the sequence of movements reversed and thereby the sample in the adjusted position Approved. All parts mentioned are received by the frame 30, which is with With the help of a team microscope and a specimen in the middle of the test device is mounted.

Die Durchbiegung der Probe 1 an den Belastungspunkten 5a, 6a wird vorzugsweise folgendermaßen bestimmt: An einem der beiden Hebelarme ist über dem Belastungspunkt 5a oder 6a eine Differential-Fotodiode vorgesehen, auf die ein beleuchteter, feststehender Spalt abgebildet wird. Die Abbildung erfolgt so, daß die beiden Fotodioden jeweils nur teilweise beleuchtet sind.The deflection of the sample 1 at the loading points 5a, 6a is preferably determined as follows: On one of the two lever arms is above the Load point 5a or 6a a differential photodiode is provided on which an illuminated, fixed gap is mapped. The mapping is done so that the two photodiodes are only partially illuminated.

Der Zusammenhang zwischen dem an der Fotodiode gemessenen Signal und der Durchbiegung wird aus einer Eichkurve ermittelt.The relationship between the signal measured at the photodiode and the deflection is determined from a calibration curve.

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Claims

Claims device for measuring the propagation of cracks in spräden Materials, whereby the sample rests on two points of support, the force at two load points attacks, the support points and the load points in a plane parallel and lie near the front edge, and the specimen to the defined crack propagation in the front edge has a crack 4a (double torsion method) d a d u r 0 h it is noted that the loading points are symmetrical (5a, 6a) to the center (4) attached notch are adjustable and from easily rotatable balls (5,6) can be formed.

2) Device according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c It should be noted that the loading points (5a, 6a) can be adjusted mechanically separately.

3) Device according to claim 1 and 2, d a d u r c h e k e n n z E i c h n e t that the loading of the loading points (5a, 6a) on one side Lever arms (9,10) are provided which can be adjusted via guide elements (13,14) and that the load is released by weights (19) attached to the lever arms (9, 10) is, whereby a silver roller (18) distributes the load evenly on the lever arms will.

4) Device according to claim 1 to 3, characterized in that g e k e n n z e i c h n e t that the deflection of the specimen (1) at one of the two load points (5a, 6a) is measured without contact, with a lever arm above the load point (5a or 6a) a differential photodiode is provided on which an illuminated, fixed gap is mapped, the relationship between the at the Photodiode measured signal and the deflection is determined from a calibration curve.

5) Device according to claim 1, d a by c h g e k e n n z e i c h n e t that a device (21, 34) for automatic symmetrical alignment the sample (1) is provided.