DE3101151C2 - Material testing device - Google Patents
Material testing deviceInfo
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- G01N33/38—Concrete; ceramics; glass; bricks
- G01N33/388—Ceramics
Description
Die Erfindung betrifft eine Werkstoffprüfvorrichtung für die dynamische Prüfung von Proben aus spröden Werkstoffen, insbesondere aus keramischen Materialien, mit einem Rahmen, der einen Probenhalter abstützt, und einem aus der Gegenrichtung zum Probenhalter auf die Probe einwirkenden Belastungsstab, an dem eine Schwingvorrichtung angreift.The invention relates to a material testing device for the dynamic testing of samples from brittle Materials, in particular made of ceramic materials, with a frame that has a sample holder and a loading bar acting on the specimen from the opposite direction to the specimen holder, on which an oscillating device engages.
Bei Belastung keramischer Werkstoffe sind die auftretenden elastischen bzw. plastischen Verformungen bis zur Bruchgrenze außerordentlich gering. Voraussetzung für verwertbare Messungen der Probenbelastbarkeit ist, daß die Eigenverformung der Werkstoffprüfvorrichtung sehr klein und vor allem spielfrei ist. Eine Verformung der Belastungsapparatur sowie mechanisches Spiel oder thermische Ausdehnung würde die wirkliche Beanspruchung der Probe um einige Größenordnungen verfälschen.When ceramic materials are loaded, the elastic or plastic deformations that occur are extremely low up to the breaking point. Prerequisite for usable measurements of the sample load capacity is that the inherent deformation of the material testing device is very small and, above all, free of play is. A deformation of the loading equipment as well as mechanical play or thermal expansion would occur falsify the actual stress on the sample by several orders of magnitude.
Versuche mit monoton steigender Belastung (Zugoder Druckversuche) werden auf spindelgetriebenen Prüfmaschinen mit sehr langsamen Belastungsgeschwindigkeiten durchgeführt. Werkstoffprüfvorrichtungen, mit denen Dauerschwingversuche an keramischen Werkstoffen mit hinreichender Genauigkeit durchgeführt werden könnten, existieren jedoch nicht.Tests with monotonically increasing loads (tensile or compressive tests) are carried out on spindle-driven Testing machines carried out at very slow loading speeds. Material testing devices, with which fatigue tests on ceramic materials with sufficient accuracy could be carried out, but do not exist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkstoffprüfvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Durchführung von Dauerschwingversuchen bei spröden Werkstoffen ermöglicht und relativ genaue Meßergebnisse mit hoher ReproduzierThe invention is based on the object of providing a material testing device of the type mentioned at the beginning to create that enables fatigue tests to be carried out on brittle materials and relatively accurate measurement results with high reproducibility
barkeit liefertavailability supplies
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Belastungsstab über einen Verformungskörper, dessen Steifigkeit um ein Mehrfaches geringer ist als diejenige der Probe, an dem Rahmen abgestützt ist.To solve this problem, the invention provides that the loading rod via a deformation body, whose rigidity is several times lower than that of the specimen on the frame is supported.
Der Verformungskörper bildet hierbei ein Element, das bei einer Verformung der Probe verhindert, daß die Prüfkraft zu stark abfällt Die Prüfkraft wird also gewissermaßen »nachgeschoben«. Auf diese Weise wird vermieden, daß bei einer geringen Steifigkeitsänderung der Probe, wie sie z. B. Dei Rißbeginn stattfindet, die Prüfkraft zu stark verringert wird. Auf diese Weise wird erreicht daß sich trotz gewisser Verformungen der Probe die Prüfkraft nur geringfügig ändertThe deformation body here forms an element that prevents the deformation of the sample that the Test force drops too much The test force is, so to speak, "pushed up". That way will avoided that with a small change in stiffness of the sample, as z. B. The beginning of the crack takes place, the Test force is reduced too much. In this way it is achieved that despite certain deformations of the Sample changes the test force only slightly
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verformungskörper mit einer an dem Rahmen befestigten Spannvorrichtung in Richtung auf die Probe vorspannbar ist Auf diese Weise kann mit relativ einfachen mechanischen Mitteln eine Vorlast eingestellt werden, um die herum die Schwingungen erfolgen. Der Verformungskörper erlaubt eine große Feinheit bzw. Genauigkeit bei der Verstellung der Vorlast. Ohne Verformungskörper würde eine ganz geringfügige Bewegung der Spannvorrichtung bereits zu einer erheblichen Belastungsänderung an der Probe führen. Der Verformungskörper, der wirkungsmäßig mit der Probe in Reihe geschaltet ist, nimmt jedoch den größten Teil der durch die Spannvorrichtung aufgebrachten Änderung der Mittellast auf, so daß die resultierende Änderung der auf die Probe einwirkenden Kraft viel kleiner ist als bei einer Verstellung der Spannvorrichtung um das gleiche Maß ohne zwischengeschalteten Verformungskörper. Da die Steifigkeit des Verformungskörpers um ein Mehrfaches geringer ist als diejenige der Probe, ist die Genauigkeit, mit der die Mittellast durch Verstellen der Spannvorrichtung verändert werden kann, um ein Mehrfaches größer als ohne Verformungskörper.In an advantageous development of the invention it is provided that the deformation body with a The clamping device attached to the frame can be prestressed in the direction of the sample relatively simple mechanical means a preload can be set around which the vibrations take place. The deformation body allows great fineness or accuracy when adjusting the Preload. Without the deformation body, a very slight movement of the clamping device would already be lead to a considerable change in the load on the sample. The deformation body, which in terms of effect is in series with the sample but takes up most of that applied by the fixture Change the mean load on, so that the resulting change in acting on the sample Force is much smaller than when the clamping device is adjusted by the same amount without an intermediary Deformation body. Since the rigidity of the deformation body is several times less than that of the sample is the accuracy with which the mean load is achieved by adjusting the clamping device can be changed, several times larger than without deformation body.
Die Schwingvorrichtung sollte so ausgebildet und befestigt sein, daß sie eine möglichst reine Sinusschwingung auf die Probe überträgt Der Antrieb der Schwingvorrichtung verursacht in der Regel Vibrationen und Erschütterungen, die den sinusförmigen Belastungsverlauf verfälschen. Um derartige Störerscheinungen zu eliminieren ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Schwingvorrichtung über eine berührungslose Magnetkupplung mit einer Antriebseinrichtung gekuppelt. Die Magnetkupplung überträgt zwar das Drehmoment der Antriebseinrichtung auf die Schwingvorrichtung, filtert aber andere Bewegungskomponenten heraus, so daß von der Antriebsseite her praktisch keine Störungskräfte auf die Schwingvorrichtung übertragen werden.The oscillating device should be designed and fastened in such a way that it produces as pure a sinusoidal oscillation as possible transfers to the sample The drive of the vibrating device usually causes vibrations and vibrations that falsify the sinusoidal load curve. To such disturbances in an advantageous embodiment of the invention, the oscillating device is to be eliminated coupled to a drive device via a contactless magnetic coupling. The magnetic coupling Although it transmits the torque of the drive device to the oscillating device, it filters others Movement components out, so that practically no disruptive forces on the drive side Vibrating device are transmitted.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung greifen an dem Belastungsstab Spannbänder an, die rechtwinklig zur Achse des Belastungsstabes verspannt sind. Diese Spannbänder bewirken eine spielfreie Führung des Belastungsstabes. Im Falle des Probenbruchs verhindern sie außerdem das Herabfallen des Belastungsstabes auf die Probenreste, so daß die Probenreste nicht noch einmal zerschlagen werden. Dadurch, daß die Probenreste in der Form erhalten bleiben, wie die Probe zu Bruch gegangen ist, bleibt die Bruchstelle unverändert, so daß sie später genau untersucht werden kann.According to a preferred embodiment of the invention, tensioning straps grip the loading bar which are braced at right angles to the axis of the loading rod. These straps cause a play-free guidance of the loading bar. If the sample breaks, they also prevent it from falling of the loading rod on the sample residue so that the sample residue is not smashed again. Because the sample remains in the form in which the sample was broken, the remains Break point unchanged so that it can be examined in detail later.
Die Spannbänder sind vorzugsweise an einem parallel zu dem Belastungsstab verstellbaren QuerbalkenThe tensioning straps are preferably on a transverse beam that can be adjusted parallel to the loading rod
31 Ol 15131 Ol 151
verankert, der eine öffnung für den Durchtritt des Belastungsstabes aufweist Auf diese Weise kann die Höhe des Belastungsstabes durch Verstellen des Querbalkens genau eingestellt werden. Der Querbalken bildet außerdem eine Versteifung des Rahmens.anchored, which has an opening for the passage of the Has loading rod In this way, the height of the loading rod can be adjusted by adjusting the Crossbar can be precisely adjusted. The crossbar also stiffeners the frame.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiei der Erfindung näher erläutertIn the following, with reference to the drawings, an embodiment of the invention explained in more detail
Es zeigtIt shows
F i g. 1 einen Längsschnitt durch die Werkstoffpräfvorrichtung, F i g. 1 a longitudinal section through the material testing device,
Fig.2 ei.'.un Querschnitt entlang der Linie 11-11 von F i g. 1 undFig. 2 ei. '. A cross-section along line 11-11 of F i g. 1 and
F i g. 3 eine graphische Darstellung der Steifigkeiten von Proben und Verformungskörper sowie der Steifigkeit des gesamten Prüf aufbaus.F i g. 3 is a graph of the stiffnesses of specimens and deformation bodies as well as the rigidity of the entire test setup.
Die in F i g. 1 dargestellte Werkstoffprüfvorrichtung besteht aus einem starren Rahmen 10, der eine Grundplatte 11 und eine obere Platte 12 aufweist weiche durch zwei stabile Säulen 13, 14 miteinander verbunden sind. Die Platten 11 und 12 sind mit Muttern an den Enden der Säulen 13 und 14 befestigt und stützen sich jeweils an einer Ringschulter 16 dieser Säulen ab.The in F i g. 1 shown material testing device consists of a rigid frame 10, the one The base plate 11 and an upper plate 12 are soft with one another thanks to two stable columns 13, 14 are connected. The plates 11 and 12 are fastened with nuts at the ends of the columns 13 and 14 and support each on a ring shoulder 16 of these pillars.
In der Mitte der Basisplatte 11 befindet sich eine öffnung 17, durch die der vertikale Stab 18 hindurchragt. Das untere Ende des Stabes 18 stützt sich auf einer Kraftmeßdose 19 ab, die in einem an der Unterseite der Basisplatte 11 befestigten Käfig 20 angeordnet ist Auf dem oberen Ende des Stabes ruht auf Kugeln oder Rollen 19 ein Probenhalter 20, auf dessen Oberseite weitere, die Probe 21 tragende Rollen oder Walzen aufliegen.In the middle of the base plate 11 there is an opening 17 through which the vertical rod 18 protrudes. The lower end of the rod 18 is supported on a load cell 19, which is in one at the bottom of the Base plate 11 attached cage 20 is arranged on the upper end of the rod rests on balls or rollers 19, a sample holder 20, on the upper side further rollers or rollers carrying the sample 21 rest thereon.
Der vertikale Belastungsstab 23 wirkt über Kugeln oder Rollen 24 von oben her auf die Probe ein. Da die Rollen 22 einen größeren Abstand voneinander haben als die Rollen 24, wird bei einer Druckbelastung des Belastungsstabes 23 die Probe 21 auf Biegung beansprucht.The vertical loading rod 23 acts on the sample from above via balls or rollers 24. Since the Rollers 22 have a greater distance from one another than the rollers 24, when the pressure is applied to the Load bar 23, the specimen 21 stressed in bending.
Am oberen Ende des Belastungsstabes 23 ist ein Käfig 25 angebracht, der eine rotierende Unwucht 26 enthält. Die Drehachse der Unwucht 26 verläuft horizontal durch die verlängerte Längsachse des Belastungsstabes 23. Am oberen Ende des Käfigs 25 ist ein Ring 27 mit horizontaler Ringachse angebracht. Der Ring weist an seiner Umfangsfläche oben und unten Abflachungen 28 auf, von denen die untere Abflachung 28 an der Oberseite des Käfigs 25 anliegt, während an der oberen horizontalen Abflachung 28 eine vertikal wirkende Spannvorrichtung 29 angreiftA cage 25, which contains a rotating unbalance 26, is attached to the upper end of the loading rod 23. The axis of rotation of the unbalance 26 runs horizontally through the elongated longitudinal axis of the loading rod 23. A ring 27 with a horizontal ring axis is attached to the upper end of the cage 25. The ring instructs its peripheral surface on top and bottom flats 28, of which the lower flat 28 on the Upper side of the cage 25 rests, while on the upper horizontal flat 28 a vertically acting Clamping device 29 engages
Der Ring 27 bildet den Verformungskörper. Bei einer auf den Ring 27 ausgeübten vertikalen Kraft verformt sich der Ring elastisch, wobei seine Seiten sich auseinanderbewegen. Die Steifigkeit des Ringes 27 in vertikaler Richtung beträgt nur etwa ein Fünftel der Steifigkeit der Probe 21.The ring 27 forms the deformation body. Deformed when a vertical force is exerted on the ring 27 the ring becomes elastic, with its sides moving apart. The stiffness of the ring is 27 in vertical direction is only about a fifth of the stiffness of sample 21.
Die Spannvorrichtung 29 besteht aus einer Spindel 30, deren Gewinde eine Steigung von 0,5 mm hat und in ein Innengewinde der oberen Platte 12 eingreift. Die Spindel 30 wird von einem mit nach unten ragender Achse auf der Platte 12 montierten Spindelmotor 31 angetrieben. Durch Erregung des Motors 31 kann die statische Mittellast, die auf die Probe 21 ausgeübt wird, verändert werden.The clamping device 29 consists of a spindle 30, the thread of which has a pitch of 0.5 mm and in a Internal thread of the top plate 12 engages. The spindle 30 is of a downwardly protruding Axis on the plate 12 mounted spindle motor 31 driven. By energizing the motor 31, the average static load applied to the sample 21 can be changed.
Aus F i g. 2 ist der Antrieb der Unwucht 26 zu ersehen. Ein Motor 32, dessen Drehzahl steuerbar ist, treibt eine Magnetkupplung 33, die aus zwei durch einen Luftspalt voneinander getrennten Scheiben besteht, weiche eine Vielzahl von Magneten tragen. Auf der Ausgangsweüe 34 der Magnetkupplung 33 ist die Unwucht 26 im Innern des Käfigs 25 zwischen den Säulen 13 und 14 gelagertFrom Fig. 2 the drive of the unbalance 26 can be seen. A motor 32, the speed of which is controllable, drives a Magnetic coupling 33, which consists of two disks separated from one another by an air gap, soft one Carry variety of magnets. On the output shaft 34 of the magnetic coupling 33, the imbalance 26 is inside of the cage 25 is supported between the columns 13 and 14
An den Säulen 13 und 14 ist ferner ein Querbalken 35 befestigt, der höhenverstellbar ist und eine Mittelboh-On the pillars 13 and 14, a cross beam 35 is also attached, which is adjustable in height and a Mittelboh-
rung 36 aufweist die den durch sie hindurchgehenden Belastungsstab 23 mit großem Abstand umgibt An dem Querbalken 35 sind Verankerungen 37 für horizontale Spannbänder 38 befestigt, deren andere Enden an dem Belastungsstab 23 angebracht sind. Die Spannbänder 38tion 36 has the load rod 23 passing through it surrounds at a large distance Crossbar 35 are anchors 37 for horizontal straps 38 attached, the other ends of which on the Load bar 23 are attached. The tightening straps 38
greifen an beiden Seiten des Belastungsstabes 23 an und zentrieren diesen somit in der Öffnung 36. Der Vorteil der Spannbänder 38 liegt in der spielfreien Führung des Belastungsstabes 23. Bei einem Bruch der Probe 21 halten die Spannbänder 38 den Belastungsstab 23 in seiner Mittellage und verhindern das Zentrümmern der Probenreste.engage on both sides of the loading rod 23 and thus center it in the opening 36. The advantage the tensioning straps 38 lie in the play-free guidance of the loading rod 23. If the sample 21 breaks hold the straps 38 the loading rod 23 in its central position and prevent the centrifugal Sample residues.
Die auf die Probe 21 wirkende Kraft wird mit Hilfe der Kraftmeßdose 19 gemessen und ein entsprechendes elektrisches Signal wird dem Regelgerät 40 zugeführt Dieses elektronische Regelgerät 40 ermittelt die Amplitude und den Mittelwert der Kraft und wirkt bei festgestellter Abweichung vom Sollwert entweder auf den Antrieb der Unwucht 26, um die Schwingungsweite zu ändern, oder auf den Motor 11 zur Veränderung der statischen Mittellast.The force acting on the sample 21 is measured with the aid of the load cell 19 and a corresponding one electrical signal is fed to the control device 40. This electronic control device 40 determines the Amplitude and the mean value of the force and acts if a deviation from the nominal value is determined either the drive of the unbalance 26 to change the oscillation amplitude, or to the motor 11 to change the static medium load.
Die dargestellte Werkstoffprüfvorrichtung kann in Verbindung mit einem Ofen benutzt werden, der die Probe 21 umgibt und öffnungen für den Durchtritt des Stabes 18 und des Belastungsstabes 23 aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, z. B. eine AL2O3-Probe bei Temperaturen von bis zu 1400°C zu prüfen. Der Frequenzbereich der von der Unwucht 26 aufgebrachten Druckschwingungen liegt bei 20 bis 40 Hz. Die Belastungsamplitude beträgt bei sinusförmigem BeIastungsverlauf bis zu 1 kN.The material testing device shown can be used in conjunction with a furnace that has the Surrounds sample 21 and has openings for the passage of the rod 18 and the loading rod 23. on in this way it is possible to e.g. B. an AL2O3 sample To test temperatures of up to 1400 ° C. The frequency range applied by the imbalance 26 Pressure fluctuations are at 20 to 40 Hz. The load amplitude is with a sinusoidal load profile up to 1 kN.
In Fig.3 sind die Steifigkeiten der Probe 21, des Verformungskörpers 27 und des gesamten Prüfaufbaus in einem Diagramm dargestellt, auf dessen Abszisse der Verformungsweg s in μηι und auf dessen Ordinate die Verformungskraft Fin Naufgetragen sind. Die Probe 21 hat eine Steifigkeit von 2,63 Ν/μΐη und der Verformungskörper 27 hat eine Steifigkeit in vertikaler Richtung von 0,53 Ν/μίτι. Die Gesamtsteifigkeit des Prüfaufbaus ist kleiner als diejenige des Verformungskörpers 27, da dessen Steifigkeit in die Gesamtsteifigkeit mit eingeht.In Figure 3, the stiffnesses of the sample 21, the deformation body 27 and the entire test set-up are shown in a diagram, on the abscissa of which the deformation path s in μηι and on the ordinate of the deformation force Fin N are plotted. The sample 21 has a rigidity of 2.63 Ν / μΐη and the deformation body 27 has a rigidity in the vertical direction of 0.53 Ν / μίτι. The overall rigidity of the test setup is smaller than that of the deformation body 27, since its rigidity is included in the overall rigidity.
Aus Fig.3 erkannt man, daß eine Verstellung der Spannvorrichtung 29 um 10 μηι ohne Verwendung des Verformungskörpers 26 eine Kraftdifferenz von ca.From Figure 3 it can be seen that an adjustment of the Clamping device 29 by 10 μm without using the deformation body 26, a force difference of approx.
25 N hervorrufen würde. Mit Verwendung des Verformungskörpers beträgt die Kraftdifferenz dagegen jedoch nur 5 N. Dadurch wird deutlich, daß der Verformungskörper das Verhalten des Gesamtsystems wesentlich beeinflußt.25 N would cause. With the use of the deformation body, however, the force difference is but only 5 N. This makes it clear that the deformation body has the behavior of the overall system significantly influenced.
Die Steifigkeit des Verformungskörpers 27 in vertikaler Richtung beträgt Mn der Steifigkeit der Probe 21, wobei π mindestens 3 beträgt, vorzugsweise aber 5 ist oder größer.The rigidity of the deformation body 27 in the vertical direction is Mn the rigidity of the sample 21, where π is at least 3, but is preferably 5 or greater.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19813101151 DE3101151C2 (en) | 1981-01-16 | 1981-01-16 | Material testing device |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE19813101151 DE3101151C2 (en) | 1981-01-16 | 1981-01-16 | Material testing device |
Publications (2)
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| DE3101151A1 DE3101151A1 (en) | 1982-10-14 |
| DE3101151C2 true DE3101151C2 (en) | 1983-04-07 |
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ID=6122700
Family Applications (1)
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| DE19813101151 Expired DE3101151C2 (en) | 1981-01-16 | 1981-01-16 | Material testing device |
Country Status (1)
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Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1981
- 1981-01-16 DE DE19813101151 patent/DE3101151C2/en not_active Expired
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| NICHTS-ERMITTELT |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3101151A1 (en) | 1982-10-14 |
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