DE3041704C2 - Vorrichtung zur Einleitung von überlagerter Normal- und Scherbeanspruchung in Proben - Google Patents

Vorrichtung zur Einleitung von überlagerter Normal- und Scherbeanspruchung in Proben

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DE3041704C2 DE19803041704 DE3041704A DE3041704C2 DE 3041704 C2 DE3041704 C2 DE 3041704C2 DE 19803041704 DE19803041704 DE 19803041704 DE 3041704 A DE3041704 A DE 3041704A DE 3041704 C2 DE3041704 C2 DE 3041704C2
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Description

außerdem gleichzeitig durch den Probenmittel- Die Maschinen sind hierbei sehr aufwendig. Die
Maschinen und auch die Vorrichtungen ermöglichen nicht die gleichzeitige Einleitung von Normal- und Schubbeanspruchung in ebene Bauteile.
In der Bruchmechanik wird die ebene Rißbeanspruchung in die Rißbelastungsarten I und II (Mode 1, Mode II) und die gemischte Rißbelastungsart (Mixed Mode, gleichzeitiges Auftreten von Mode-I- und Mode !!-Beanspruchung) eingeteilt. Die Spannungen in der
Die Vorrichtung besteht aus zwei Krafteinleitungselementen (1, 2\ mit denen die Probe (3) entweder unmittelbar oder über zusätzliche Befestigungselemente (Γ, 2') verbindbar ist,
liegen in einer gemeinsamen Ebene, über die Krafteinleitungselemente (1,2) ist eine statische oder dynamische Kraft (F) in die Probe (3) einleitbar,
die Wirkungslinie der Kraft (F) liegt in der gemeinsamen Mittelebene der Krafteinleitungselemente (1, 2) und Probe (3) und geht unter einem Winkel « von 0—90° zu einer
punkt
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung eines stufenweisen oder stufenlosen Übergangs von reiner Normalbeanspruchung zur reinen Scherbeanspruchung im Querschnitt (AB)
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Beanspruchung der Vor- 35 Umgebung der RißspiTze werden befder"lineäre'lasürichtung durch eine Kraft Runter einem beliebigen sehen Bruchmechanik im wesentlichen durch die Winkel («) prinzipiell die Normalkraft (N), die Spannungsintensitätsfaktoren K\ und K» gekennzeich-Querkraft (Q) und das Biegemoment (M) in die net. Diesen stehen bei reiner Mode I bzw. reiner Mode II Probe einleitbar sind, während im Querschnitt (AB) die Materialgrenzwerte K\c bzw. K\lc gegenüber. Bei lediglich die Normalkraft (N) und die Querkraft (Q) «o gemischter Rißbelastungsart existieren die Spannungswirken das Moment aber verschwindet intenitätfkt K d K lihii Di
wirken, das Moment aber verschwindet
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitung in die Probe durch Bolzen, durch Klemmung oder Klebung erfolgt
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß ungekerbte Proben und/oder abgesetzte Proben und Proben, die mit Kerbe(n) oder mit Riß (Rissen) versehen sind, aufnehmbar sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die Werkstoffkennwerte von festen Werkstoffen, z. B. Metallen, Kunststoffen usw. ermittelt und/oder bei Proben mit Anriß ζ. Β.
intensitätsfaktoren K, und Ku gleichzeitig. Diese Faktoren können nun aber nicht ohne weiteres den Kti- und Kiic-Werten gegenübergestellt werden. Daher wurden kompliziertere Bruchkriterien entwickelt. Diese wieder-
« um liefern sehr unterschiedliche Aussagen, insbesondere wenn der Schubanteil (Mode II-Anteil) überwiegt (siehe z. B. Tagungsband »8. Sitzung des DVM Arbeitskreises Bruchvorgänge« 1976, Seiten 42 bis 47; DFG-Abschlußbericht W 6/77 - S. 104/2, 4, 1978). Es ist deshalb von
Bedeutung, die Bruchkriterien experimentell zu überprüfen oder den Brucheinsatz bzw. den Rißablenkungswinkel experimentell z. B. an Materialproben zu bestimmen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine
Aussagen über Brucheintritt und Bruchablenkungs- 55 geeignete Vorrichtung zu finden, mit der die Einleitung
winkel getroffen, bruchmechanische Kennwerte für verschiedene Rißbelastungsarten bestimmt, sowie Spannungen und Dehnungen in Proben unter überlagerter Normal- und Scherbeanspruchung experimentell gewonnen werden können.
von überlagerter Normal- und Scherbeanspruchung und gleichzeitig die Einleitung von reiner Normal- oder reiner Scherbeanspruchung in ebene und/oder räumliche Proben mit einer Zug- oder Druck-Prüfmaschine möglich ist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Vorrichtung zur Einleitung von überlagerter
Normal- und Scherbeanspruchung in Proben mit einer Zug- oder Druck-Prüfmaschine gekennzeichnet ist
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einleitung 65 durch die Kombination folgender Merkmale: von überlagerter Normal- und Scherbeanspruchung in
Proben, insbesondere für die Werkstoffprüfung und/ a) die Vorrichtung besteht aus zwei Krafteinleitungsoder die Bruchmechanik und/oder die experimentelle elementen (1, 2) mit denen die Probe entweder
unmittelbar oder über zusätzliche Befestigungselemente (1', 2') verbindbar ist;
b) die Mittelebenen der beiden Krafteinleitungselemente (l, 2) und die Mittelebene der Probe (3) liegen in einer gemeinsamen Ebene;
c) über die Krafteinleitungselemente (1, 2) ist eine statische oder dynamische Kraft (F) in die Probe (3) einleitbar;
d) die Wirkungslinie der Kraft (F) liegt in der gemeinsamen Mittelebene der Krafteinleitungsele- ι ο mente (!, 2) und Probe (3) und geht unter einem Winkel « von 0—90° zu einer Senkrechten der Achse (AB) der Probe (3) außerdem gleichzeitig durch den Probeiunittelpunkt
15
Mit dieser Vorrichtung ist der stufenweise oder stufenlose Übergang von reiner Zugbelastung zur reinen Scherbelastung z. B. in Proben für die Werkstoffprüfung oder in spannungs-optischen Proben möglich. Die Vorrichtung erlaubt die Ermittlung von Werkstoffkennwerten von festen Stoffen anhand ungekerbter Proben und Proben mit Kerbe oder Riß. Bei bruchmechanischen Proben können neben den bruchmechanischen Werkstoffkennwerten auch der Brucheintritt und der Bruchablenkungswinkel bestimmt werden.
Die Vorrichtung ist auch geeignet, Proben aufzunehmen, die mittels der experimentellen Spannungsanalyse, z. B. mittels der Spannungsoptik oder der Dehnungsmeßstreifentechnik, untersucht werden sollen.
Alle Untersuchungen sind bei statischer oder wechselnder Belastung möglich.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dall man bei Verwendung der erfundenen Vorrichtung auf relativ einfache Weise z. B. mit einer Zug- oder Druck-Prüfmaschine bzw. einer Zug- oder Druck-Einrichtung reine Normal-, reine Scher- ferner überlagerter Normal- und Scherbcanspruchung in Proben (z. B. Werkstoffproben, bruchmechanische Proben, spannungsoptische Modeile usw.) einleiten kann. Damit sind insbesondere Werkstoffuntersuchungen und bruchmechanische Untersuchungen sowie Spannungs- und Dehnungsmessungen bei komplizierten Belastungszuständen möglich. Aufwendige Prüfmaschinen (wie z. B. Zug-Torsionsmaschinen) sind zur Aufbringung der Lasten nicht erforderlich, da durch die Vorrichtung allein die überlagerten Belastungszustände realisiert werden können. Außerdem lassen sich Probe und Vorrichtung leicht miteinander verbinden und lösen. Auch kann die Probe leicht justiert werden.
Besonders hervorzuheben ist auch, daß in ebenen Proben die genannten Beanspruchungszustände (reine Normal-, reine Scher-, überlagerte Normal- und Scherbeanspruchung) nur mit dieser Vorrichtung auf derart einfache Weise erzeugt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine Schemazeichnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
F i g. 2 die prinzipielle Lasteinleitung in die Probe bei überlagerter Beanspruchung,
F i g. 3 die auf die Probe wirkenden Kräfte z. B. bei der in F i g. 1 dargestellten Lasteinleitung,
F i g. 4 schematisch die Lage der Belastungsvorrichtung und Probe bei der Belastung mit einer Zug- oder Druck-Prüfmaschine bzw. £ug- oder Druck-Einrichtung bei unterschiedlichen LastfÜllen:
a) bei überlagerter Belastung
b) bei reinem Zug
c) bei reinem Schub.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei Krafteinleitungselementen (1, 2) mit denen die Probe über zusätzliche Befestigungselemente (1', 2') verbunden ist Bei diesem doppelhakenförmigen Gebilde liegen die Mittelebenen der beiden Krafteinleitungselemente (1,2) und die Mittelebene der Probe (3) in einer gemeinsamen Ebene. Ober die Krafteinleitungselemente (1, 2) ist eine statische oder dynamische Kraft (F) in die Probe (3) einleitbar. Die Wirkungslinie der Kraft (F) liegt in der gemeinsamen Mittelebene der Krafteinleitungselemente (1, 2) und Probe (3) und geht unter einem Winkel« von 0—90° zu einer Senkrechten der Achse (AB) der Probe (3), außerdem gleichzeitig durch den Probenmittelpunkt Die Krafteinleitungselemente (1, 2) weisen an ihrem äußeren Umfang Bohrungen für den Anschluß an eine Prüfeinrichtung auf. Die Bohrungen sind so angeordnet, daß die Verbindungslinien zwischen zwei zusammengehörenden Bohrungen an den beiden an der Probe (3) befestigten Krafteinleitungselementen (1, 2) durch die Mitte des zu prüfenden Querschnitts an der Probe (3) geht
Vorrichtung und Probe werden bei diesem Ausführungsbeispiel durch sechs Bolzen (4—9) verbunden. Bei dem gezeichneten Beispiel können die Befestigungselemente Γ und 2' ausgetauscht werden, so daß die Lastübertragung z. B. auch durch vier oder acht Bolzen oder durch Klemmung oder Klebung möglich ist Die gewählte Lastübertragung durch sechs Bolzen und die gezeigte Anordnung der Langlöcher in der Belastungsvorrichtung ermöglicht eine genau definierte Lasteinleitung, wobei die mittleren Bolzen 5 und 8 im wesentlichen die Kräfte Fs = Fe und die übrigen Bolzen die Kräfte F4 = F9 bzw. F6 = F7 (F i g. 3) übertragen; Diese Lasteinleitung wird auch nicht wesentlich gestört bei kleinen fertigungstechnisch bedingten Veränderungen der Probengeometrie. Prinzipiell werden bei überlagerter Beanspruchung (0 < α < 90°) an den Probenenden die Normalkraft N, die Querkraft Q und das Biegemoment M (F i g. 2) übertragen, während im Querschnitt AB(Fig. 1) lediglich die Normalkraft und die Querkraft wirken (das Biegemoment ist im Querschnitt AB Null).
Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung können die Anteile von Normal- und Scherbeanspruchung stufenweise (hier in sieben Stufen) verändert werden. Darin enthalten ist auch reine Zugbeanspruchung (« — 0) und reine Schubbeanspruchung im Querschnitt AB(oc = 90°). Prinzipiell kann der Übergang von reiner Zugbeanspruchung nach reiner Schubbeanspruchung auch in anderen Stufen oder stufenlos erfolgen. Fig.4 zeigt schematisch die Lage von Belastungsvorrichtung und Probe bei der Belastung mit einer Zugmaschine oder Zugvorrichtung:
a) bei überlagerter Belastung
b) bei reinem Zug
c) bei reinem Schub.
Eine auf diesem Prinzip beruhende Vorrichtung und Probe für reinen Schub wurde von den Erfindern zur experimentellen Spannungs- und Dehnungsanalyse bei Kerb- und Rißproblemen sowie zur Ermittlung von Kur-Werten iKritische
bei Rißbelastungsart II) benutzt (Dr.-Dissertation D 368, Universität Kaiserslautern 1979; Zeitschrift »Forschung im Ingenieurwesen« Jahrgang 45/1979, Heft 6, Seiten 188 bis 199; »VDI-Berichte-Nr. 366«, 1980, Seiten 1 bis 6; »12. Sitzung des DVM-Arbeitskreises Bruchvorgänge« 1980).
Die beschrriebene Erfindung wurde bereits bei spannungsoptischen Untersuchungen von ungestörten, gekerbten und gerissenen Proben erfolgreich angewendet.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Einleitung von überlagerter Normal- und Scherbeanspruchung in Proben, insbesondere für die Werkstoffprüfung und/oder die Bruchmechanik und/oder die Spannungs- und Dehnungsanalyse mit einer Zug- oder Druck-Prüfmaschine, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
Spannungs- und Dehnungsanalyse, mit einer Zug- oder Druck-Prüfmaschine.
In technischen Bauteilen treten in vielen Fällen überlagerte Beanspruchungszustände auf. Kennt man z. B. die auftretenden Normal- und Schubspannungen, so kann man bei Anwendung der Festigkeitslehre mit Hilfe einer Festigkeitshypothese eine Vergleichsspannung errechnen und diese z.B. mit einem aus dem Zugversuch ermittelten Festigkeitswert vergleichen. Da die einzelnen Festigkeitshypothesen z.T. sehr unterschiedliche Aussagen liefern und außerdem die grundsätzliche Vorgehensweise Unsicherheiten in sich birgt, ist es in vielen Fällen ratsam, z.B. das Fließ- und Bruchverhalten von Bauteilen, die unter überlagerter
die Mittelebenen der beiden Krafteinleitungsele- 15 Belastung stehen, durch Versuche an Materialproben
mente (1, 2) und die Mittelebene der Probe (3) mit ebensolcher Belastung zu untersuchen.
Für solche Untersuchungen stehen verschiedene Maschinen und Vorrichtungen zur Verfügung (deutsche Patentschriften 27 57 541, 7 25 620, 9 00 023; Zeitschrift »Journal of Strain Analysis« Jahrgang 15/1980, Heft 3, Seiten 151 bis 157, Seiten 159 bis 173). Diese Maschinen und Vorrichtungen ermöglichen z. B. die gleichzeitige Belastung eines Prüflings mit Längskräften und Torsionsmomenten bzw. mit Biege- und Torsionsmo-
Senkrechten der Achse (AB) der Probe (3), 25 menten.
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