DE3149986C2

DE3149986C2 - Prüfverfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Bruchkennwerten von stoßartig beanspruchten Werkstoffen bzw. Konstruktionselementen

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Publication number: DE3149986C2
Application number: DE19813149986
Authority: DE
Inventors: Ortwin Prof. Dr.-Ing. Hahn; Franz Josef 4790 Paderborn Lange; Reinhard 3491 Bad Driburg Voß
Original assignee: Hahn Ortwin Profdr-Ing 4790 Paderborn De
Current assignee: Hahn Ortwin Profdr-Ing 4790 Paderborn De
Priority date: 1981-12-17
Filing date: 1981-12-17
Publication date: 1985-05-23
Also published as: DE3149986A1

Abstract

Um das Schlagzugverhalten von Werkstoffen oder Konstruktionselementen beurteilen zu können, werden Schlagversuche bei hohen Deformationsgeschwindigkeiten durchgeführt. Es wird die Brucharbeit ermittelt. Dies jedoch unter Berücksichtigung von Korrekturkurven, weil die Bewegungsenergie der beim Bruch wegfliegenden Teilmasse noch berücksichtigt werden muß. Ungenauigkeiten sind nicht zu vermeiden. Durch die Erfindung wird auf experimentiellem Wege in ein und demselben Versuch sensorisch die Schlagarbeit und die in der weggeschleuderten Masse enthaltene Bewegungsenergie ermittelt. Die insgesamt aufgewendete Schlagarbeit wird anschließend selbständig auf die tatsächliche Brucharbeit korrigiert. Über eine automatische Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung wird dann die wahre Brucharbeit sofort angezeigt oder weiter ausgewertet bzw. verarbeitet. Auf diese Weise sind genaue Kennwerte für das Zähigkeitsverhalten von Werkstoffen und Konstruktionselementen bei Stoßbeanspruchung erreichbar. Die spezifischen Bedingungen jedes Versuchs werden korrekt berücksichtigt.

Description

Werkstoffen, ζ. B. Stahl oder Kunststoff, oder von Konstruktionselementen, z.B. Fügeverbindungen, beurteilen zu können, ist es bekannt, Schlagversuche bei relativ hohen Deformationsgeschwindigkeiten in Größenordnungen von etwa 1 m/s bis 50 m/s durchzuführen. Ermittelt werden hierbei die sogenannte Brucharbeit, gekennzeichnet durch die bis zum Bruch eines Prüflings aufzuwendende Arbeit, die bleibende Bruchdehnung sowie gegebenenfalls das Kraft-Verformungs-Verhalten.

Da die bekannten Einrichtungen zur Bestimmung des Kraft-Verfonirungs-Verhaltens einen hohen gerätetechnischen Aufwand erfordern und damit wenig wirtschaftlich sind und die Auswertung von elektronisch aufgezeichneten Krafi-Verformungs-Diagrammen außerdem zeitaufwendig und schwierig ist, beschränkt man sich bislang in der Praxis darauf, die Schlagarbeit über den Energieverlust der zur Kraftaufbringung verwendeten Schlagmasse zu ermitteln. In diesem Zusammenhang gelangen zwecks Erzeugung von Zug-, Biegeoder Torsionsbeanspruchungen Fallweme, Pendelschlagwerke und Rotationsschlagwerke zur Anwendung.

Hierbei treten jedoch ebenfalls Probleme auf, weil z. B. bei Schlagzug-, Schlagzugseher- und Schlagtorsionsbeanspruchungen der jeweilige Prüfling festgelegt und die zur Festlegung verwendete Spanneinheit bei der Krafteinleitung zumindest teilweise mit beschleunigt werden muß. Nach dem Bruch des Prüflings wird ein Teil der Spanneinheit zusammen mit einem Teil des Prüflings weggeschleudert Die in dieser wegfliegenden Masse enthaltene Bewegungsenergie muß folglich hei der Bestimmung der tatsächlichen Brucharbeit von der Gesamtschlagarbeit abgezogen werden.

Die Bewegungsenergie der wegfliegenden Masse (Teile der Spanneinheit zuzüglich Teile des Prüflings) hat aber keine konstante Größe. Sie ist unter anderem von der Masse der wegfliegenden Teile der Spanneinheit sowie von der Stoßmechanik und der Geschwindigkeit abhängig. Ihre Bestimmung ist daher schwierig.

Man hat nun gemäß der Norm DIN 53 448 zur Bestimmung der tatsächlichen Brucharbeit Korrekturkurven vorgesehen, aus denen die Schleuderarbeit ermittelt und von der über Schleppzeiger angezeigten Schlagarbeit abgezogen werden kann. Auf diese Weise erhält man die reine Brucharbeit (korrigierte Schlagarbeit), welche zum Dehnen und Zerreißen des Prüflings aufgewendet wird. Die Korrekturkurven sind dabei für verschiedene Massen der Spanneinheit usw. angegeben und basieren auf den Erkenntnissen der Stoßmechanik (Zeitschrift »Materialprüfung« 5. (1963) Nr. 6, Juni, Seiten 243 bis 245 sowie ASTM Designation: D 1822-68, Seiten 545 bis 553). Dieser Stand der Technik gibt mathematische Gleichungen an, mit denen die Schleuderarbeit-Korrektur bestimmt werden kann, wobei einmal von rein unelastischen und einmal von rein elastischen Stoßverhältnissen ausgegangen wird. Demzufolge geht die Norm DIN 53 448 davon aus, daß das tatsächliche Stoßverhalten zwischen dem unelastischen und dem elastischen Stoß liegt und als tatsächliche Korrekturgröße der arithmetische Mittelwert zwischen dem unelastischen und dem elastischen Stoß heranzuziehen ist.

Die Ermittlung der Brucharbeit aus der insgesamt aufgewendeten Schlagarbeit unter Verwendung von Korrekturfaktoren oder Korrekturdiagrammen ist jedoch mit sehr großen Ungenauigkeiten verbunden. Diese beruhen zum einen darauf, daß in den Korrekturkurven die beim Aufeinandertreffen unvollkommen elastischer Körper umgesetzten Verlustenergien keine Berücksichtigung finden (siehe hierzu auch Dubbels's Taschenbuch für den Maschinenbau, Band I, 13. Auflage, Seite 279). Ferner wird nicht berücksichtigt, daß in aller Regel der Stoßvorgang nicht in Form eines Einzelimpulses abläuft Darüber hinaus ist die kinetische Energie der wegfliegenden Masse in einem hohen Maße davon abhängig, in welcher Phase des Impulses an der Stoßsteile der Bruch des Prüflings eintritt Außerdem gelten die Korrekturkurven jeweils nur für ganz bestimmte Prüfbedingungen, die von der Schlagmasse sowie den Massen der weggeschleuderten Teile der Spanneinheit und des Prüflings abhängig sind. Dabei wird die Korrektur umso ungenauer, je geringer die Schlagarbeit bezogen auf die gesamte Bewegungsenergie der Schlagmasse ist Schließlich sind die Ergebnisse aus Versuchen mit verschiedenen Prüfvorrichtungen nur bedingt vergleichbar. Es sind große Streuungen vorhanden, und die schlechte Reproduzierbarkeit erschwert die Interpretation der Ergebnisse.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, sowohi ein Prüfverfahren als auch eine Vorrichtung zur Bestimmung von Bruchkennwerten von stoßartig beanspruchten Werkstoffen bzw. Konstruktionselementen zu schaffen, welche den Anforderungen der Praxis in bezug auf Einfachheit und Genauigkeit unter Ausschluß von menschlichen Unzulänglichkeiten besser entgegenkommen.

Was zunächst die Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe anlangt, so wird diese nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen gesehen.

Kerngedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die auf experimentellem Wege in ein und demselben Versuch erfolgende sensorische Ermittlung der aufgewendeten Schlagarbeit einerseits und der in der weggeschleuderten Masse enthaltenen Bewegungsenergie andererseits, ferner die sich daran anschließende automatische Korrektur der insgesamt aufgewendeten Schlagarbeit auf die tatsächliche Brucharbeit nach bekannten mathematisch-physikalischen Beziehungen mittels einer automatischen Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung und die dadurch geschaffene Möglichkeit, die wahre Brucharbeit sofort anzeigen und/oder zwecks einer weitergehenden Beurteilung des Schlagzugverhaltens, gegebenfalls unter Einbeziehung der Versuchsbsdingungen, weiter auswerten und/oder verarbeiten zu können.

Hierdurch sind zunächst genauere Kennwerte für das Zähigkeitsverhalten von Werkstoffen und Konstruktionselementen bei Stoßbeanspruchung erreichbar. Die spezifischen Bedingungen jedes Versuchs werden korrekt berücksichtigt und zwar unabhängig davon, in welcher Phase des Impulses an der Stoßstelle der Bruch des Prüflings eintritt und ob der Stoßvorgang in Form eines einzigen Impulses abläuft oder nicht. Infolge der einfacheren Kennwertermittlung bei sofort vorliegenden Ergebnissen wird insbesondere bei längeren Versuchsreihen eine erhebliche Zeitersparnis erzielt. Ein wesentlicher Faktor ist in diesem Zusammenhang, daß die bislang nicht zu vermeidenden menschlichen Unzulänglichkeiten beim Ablesen des Schleppzeigers und bei der Korrektur der Schlagarbeit völlig eliminiert werden. Das Verfahren erfordert auch nur einen vergleichsweise geringen gerätetechnischen Aufwand, wenn man einmal die Vorrichtungen zur Ermitilung von Bruchkennwerten über ein elektronisch aufgezeichnetes Kraft-Verformungs-Diagramm hierzu in Vergleich setzt. Die Prüfbzw. Versuchsergebnisse sind besser vergleichbar und

somit die Einsatzmöglichkeiten der Schlagprüfung universeller. Besonders vorteilhaft ist die weitgehende Ausschaltung der durch die Geometrie der Stoßflächen sowie ihrer Härte- und Beschaffenheit gegebenen Einflüsse der Stoßmechanik auf die Bestimmung der Schleuderarbeit.

Die sowohl bei der Ermittlung der Schlagarbeit als auch bei der Feststellung der Schleuderarbeit verwendeten Sensoren können optischer, elektrischer, elektromagnetischer, pneumatischer oder akustischer Natur sein. Sie erlauben die einwandfreie Feststellung der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, der Drehzahl oder des Drehwinkels, so daß den jeweiligen Versuchsbedingungen optimal Rechnung getragen werden kann.

Das Verfahren nach der Erfindung ist gleichermaßen für Pendelschlagwerke wie für Rotationsschlagwerke zur Durchführung von Schlagzugversuchen, Schlagtorsionsversuchen und Schlagbiegeversuchen mit Vorteil anwendbar. Ferner ist es für Fallwerke sowie für Schlagwerke mit horizontal bewegten Schlagmassen geeignet.

Darüber hinaus kann das Verfahren unabhängig davon durchgeführt werden, ob der Prüfling fest eingespannt und von der sich relativ zum Prüfling bewegenden Schlagmasse beaufschlagt wird oder ob der Prüfling sich mit der Schlagmasse bewegt und gegen einen ortsfesten Widerstand geschleudert wird.

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht insbesondere für die automatische Auswertung und/oder Verarbeitung der Kennwerte die Vorabspeicherung oder momentane Eingabe von beliebigen Prüfparametern, wie die Probennummer, Prüftemperatur und das Datum. Jedes Experiment ist damit bezüglich aller Prüfbedingungen protokollierbar und aufzeichnungsfähig. Die unterschiedlichsten Werkstoffe können geprüft werden. Hierunter werden z. B. Gummi, Kunststoff, Verbundwerkstoff, Holz, Stahl, Leichtmetall sowie geschrumpfte, gemietete, geschraubte, geklebte, geschweißte oder gebördelte Fügeverbindungen aller Art verstanden.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgernäßen Grundgedankens wird parallel zur Ermittlung der tatsächlichen Brucharbeit in an sich bekannter Weise der Kraftverlauf über den Bruchweg während des Bruchvorgangs sensorisch erfaßt und optisch sichtbar gemacht und/oder einer automatischen Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung zugeleitet. Die aufgezeichneten Kraft-Weg-Diagramme erlauben zusätzliche Aussagen über die Brucharbeit.

Darüber hinaus ist eine Nachprüfung der über die korrigierte Schlagarheit ermittelten tatsächlichen Brucharbeit möglich. Dies wird nach der Erfindung dadurch ermöglicht, daß parallel zur Ermittlung der tatsächlichen Brucharbeit zu dem Zeitpunkt, da der Prüfling mit der Schlagkraft beaufschlagt wird, die Schlagkräfte an den Schlagfinnen sensorisch erfaßt und optisch sichtbar gemacht und/oder einer automatischen Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung zugeleitet werden. Diese Kennwerte geben Aufschluß darüber, ob die Schlagfinnen den Prüfling gleichzeitig angeschlagen haben oder ob der Versuch ungültig ist

Die Schlagarbeit kann nach der Erfindung auf verschiedene Art und Weise ermittelt werden. Eine Lösungsmöglichkeit besteht darin, daß die Schlagarbeit über den Energieverlust bzw. den Geschwindigkeitsabfall der Schlagmasse während des Bruchvorgangs ermittelt wird.
Eine weitere Variante kennzeichnet sich dadurch, daß der Geschwindigkeitsabfall der Schlagmasse während des Schlagvorgangs über die Beschleunigung ermittelt wird.

Besonders vorteilhaft ist ein dritter Lösungsweg, die Schlagarbeit über die potentielle Energie der Schlagmasse vor und nach dem Schlag durch Winkelmessung festzustellen.

Die Schleuderarbeit kann sowohl über die Geschwindigkeit als auch über die Beschleunigung der sich aus ίο Teilen der Spanneinheit und aus Teilen des Prüflings zusammensetzenden wegfliegenden Masse bestimmt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schleuderarbeit über die kinetische Energie der wegfliegenden Masse bestimmt wird. Hierbei ist die Masse entweder is bekannt oder sie kann auf einfache Weise vor oder nach dem Experiment bestimmt werden.

Für die Erfassung der Meßwerte und die Auswertung sowie Protokollierung wird bevorzugt ein programmierbarer Mikroprozessor mit Ausgabeeinheit und/ oder Anzeigeeinheit verwendet.

Was den baulichen Teil der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe anlangt, so besteht dessen Lösung in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 8.

Die Zuordnung von Sensoren der verschiedenartigsten Ausbildung erlaubt nicht nur eine präzise Ermittlung der gewünschten Kennwerte in Abhängigkeit von den jeweiligen Versuchsbedingungen, sondern auch deren Weitergabe an eine entsprechend vorprogrammierte Recheneinheit, die dann mit der geforderten Präzision die selbständige Korrektur der Schlagarbeit vornimmt und letztlich die tatsächliche Brucharbeit zur Anzeige bringt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung zur Ermittlung der Schleuderarbeit besteht darin, daß die Sensoren aus in Bewegungsrichtung der Schlagmasse im Abstand voneinander der Spanneinheit zugeordneten, durch die nach dem Bruch des Prüflings wegfliegenden Teile der Spanneinheit mindestens mittelbar beeinflußbaren Fotozellen gebildet sind.
Es findet hier also ein indirektes Zusammenspiel zwischen der photometrischen Meßeinheit und z. B. einem Bestandteil eines Pendelschlagwerks bildenden Querhaupt statt. In einem definierten axialen Abstand sind in der Spanneinheit des Pendelschlagwerks zwei Fotozellen vorgesehen. Überfliegen nach dem Bruch des Prüflings das Querhaupt oder ihm zugeordnete Teile die photometrische Meßeinheit, so kann durch den zeitlichen Abstand beim Überfliegen der voneinander distanzierten Fotozellen die Geschwindigkeit der wegfliegenden Masse und folglich die Schleuderarbeit mittels einer entsprechenden Elektronik und einer automatischen Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung bestimmt wgrder..

Es handelt sich insbesondere um Fotozellen, die jede für sich einen gebündelten Lichtstrahl aussenden und empfangen können. Das Querhaupt oder mit ihm verbundene Teile sind dann so gestaltet, daß sie ein empfangenes Lichtsignal einwandfrei reflektieren können. Die Fotozellen sind über eine Elektronik, eine Triggerschaltung, eine Zeitmeßeinrichtung und einen Analog-Digital-Wandler an eine automatische Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung angeschlossen.

Eine andere Ausführungsform gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Fotozellen durch je eine Lichtquelle beaufschlagt sind. Überfliegt in diesem Fall das Querhaupt zusammen mit dem Rest des Prüflings unmittelbar nach dem Bruch die Meßvorrichtung, so werden die Lichtschranken unterbrochen und es kann über

den zeitlichen Abstand der voneinander distanzierten Fotozellen die Geschwindigkeit und folglich die Schleuderarbeit mittels einer Elektronik und einer automatischen Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung bestimmt werden.

Eine besonders genaue und weitgehend von sämtlichen äußeren Einflüssen abgeschirmte Ermittlung der Geschwindigkeit kennzeichnet sich nach der Erfindung dadurch, daß an die trennbaren Teile der Spanneinheit ein sich parallel zur Bewegungsrichtung der Schlagmasse sowie in der gemeinsamen Ebene der Fotozellen erstreckender, begrenzt zwangsgeführter Draht mit am freien Ende befindlichem Reflektor bzw. Unterbrecher angeschlossen ist. Der Draht kann dabei in einen Kanal der Spanneinheit greifen. Er ist in diesem Kanal weitgehend berührungslos geführt. Das Zusammenspiei zwischen dem Reflektor oder dem Unterbrecher und der photometrischen Meßeinheit ist hierdurch nahezu vollständig allen das Meßergebnis beeinträchtigenden Einflüssen aus der Umgebung entzogen.

Zur Absicherung der Ergebnisse bei der Ermittlung der Schleuderarbeit kann es gemäß der Erfindung noch von Vorteil sein, daß entlang der Flugbahn der wegfliegenden Masse eine Filmkamera oder ein Fotoapparat und dieser bzw. diesem gegenüberliegend eine Meßfläche installiert sind, wobei die Filmkamera bzw. der Fotoapparat durch ein in der horizontalen Achse der Schlagmasse vorgesehenes Potentiometer mit nachgeordneter Triggerschaltung aktivierbar ist.

Auch kann es gegebenenfalls zweckmäßig sein, daß parallel zur Flugbahn der wegfliegenden Masse eine mit mehreren vertikal und horizontal gleichmäßig zueinander versetzter, lichtempfindlichen Fotozellen bestückte Meßfläche vorgesehen ist, die über eine Elektronik, die eine Triggerschaltung, eine Zeitmeßeinrichtung und einen Analog-Digital-Wandler beinhaltet, an eine automatische Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung angeschlossen ist

Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit der nach dem Bruch des Prüflings wegfliegenden Masse durch Auswertung der Flugbahn bestimmt und hieraus auf elektronischem Wege ihre Bewegungsenergie zwecks Feststellung der wahren Brucharbeit erfaßt werden. Die Geschwindigkeitsermittlung durch Auswertung der Flugbahn mittels Filmkamera, Fotoapparat oder Fotozellen ist bevorzugt als eine gewissermaßen flankierende Maßnahme gedacht, um die durch Sensoren ermittelten Bruchkennwerte überprüfen und damit absichern zu können.

An einen solchen Mikroprozessor kann auch der Digitalausgang sowie der Digitaleingang eines Vierkanal-Transientenspeichers angeschlossen werden, in den Speicher gehen z. B. die während des Schlagvorgangs an der festen Spanneinheit und an den Schlagfinnen über Dehnungsmeßstreifen und Verstärker erfaßten Bruchkräfte und Schlagkräfte ein, so daß dann bei gleichzeitiger Erfassung des Bruchwegs das Kraft-Verformungs-Diagramm bzw. für die Schlagfinnen Kraft-Zeit-Diagramme sowohl mitteis eines Oszilloskops als auch über einen nachgeschalteten X, V-Schreiber (Kraft-Weg-Verlauf an der Einspannung) und einen X, Yu VrSchreiber (Finnenkräfte über der Zeit) aufgezeichnet werden können. Über den Rechner ist auch ein direkter Vergleich mit der über die korrigierte Schlagarbeit ermittelten tatsächlichen Brucharbeit möglich.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Ansicht, teilweise im Schnitt, ein Pendelschlagwerk;

F i g. 2 eine Teilansicht auf den Pendelhammer gemäß der Linie 11-11 der F i g. 1;

F i g. 3 in schematischer Ansicht, teilweise im Schnitt, eine weitere Ausführungsform eines Pendelschlagwerks;

Fig.4 in vergrößerter schematischer Darstellung eine einem Pendelschlagwerk zugeordnete Einrichtung

ίο zur Messung der Geschwindigkeit der nach dem Bruch eines Prüflings wegfliegenden Masse, teilweise im Schnitt;

F i g. 5 eine weitere Ausführungsform einer Einrichtung zur Geschwindigkeitsmessung der wegfliegenden Masse, ebenfalls in vergrößerter schematischer Darstellung und teilweise im Schnitt;

F i g. 6 im Schema eine Einrichtung zur Geschwindigkeitsmessung der wegfliegenden Masse mit Hilfe einer Filmkamera;

F i g. 7 im Schema eine Einrichtung zur Geschwindigkeitsermittlung der wegfliegenden Masse mittels lichtempfindlicher Fotozellen und

Fig.8 den Meßaufbau einer Anlage zur Ermittlung von Bruchkennwerten.

In der F i g. 1 ist mit 1 die Schabotte eines Pendelschlagwerks 2 bezeichnet. Der U-förmige, aus der Pendelstange 3 und den Schlagfinnen 4 zusammengesetzte Pendelhammer 5 ist um eine horizontale Achse 6 in einer vertikalen Ebene schwenkbar. Die Fallhöhe des Pendelhammers 5 ist mit h\ und seine Durchschwinghöhe nach dem Bruch des Prüflings 7 mit Λ2 bezeichnet. Die Höhendifferenz Λ, — h₂ kann auch durch den Winkel φ ausgedrückt werden, der mit Hilfe eines Potentiometers 8 ermittelt wird. Das Potentiometer 8 ist über ein Kabel 9 an eine Elektronik 10 (vgl. F i g. 8) angeschlossen.

Der Schabotte 1 ist eine Spanneinheit 11,12 zugeordnet, die den Prüfling 7 an beiden Enden in Bewegungsrichtung des Pendelhammers 5 festlegt. Der Teil 11 der Spanneinheit besteht aus einem Dynamometerstab, der fest mit der Schabotte 1 verbunden ist. Der andere Teil 12 ist als Querhaupt gestaltet. Die Spanneinheit 11, 12 ist so ausgerichtet, daß der Pendelnammer 5 das am freien Ende des Prüflings 7 befindliche Querhaupt 12 gerade beim Durchgang durch die Nullage trifft und die Schlagfinnen 4 dabei die beiden Enden des Querhaupts 12 gleichzeitig berühren. Der Schlag muß dabei so ausgeführt werden, daß der physikalische Stoßmittelpunkt des Pendelhammers 5 mit der Mitte des Prüflings 7 zusammenfäilt.

Wie bei gemeinsamer Betrachtung der F i g. 1 und 2 erkennbar wird, ist im Bereich der Nullage des Pendelhammers 5 eine Vorrichtung 13,14 vorgesehen, mit der die zeitliche Wegänderung und über diese der Bruchweg und die Hammergeschwindigkeit ermittelt werden können. Die Vorrichtung 13, 14 stellt im wesentlichen einen induktiven Weggeber dar, bestehend aus einem am Pendelhammer 5 befestigten Blech 13 und einem in Längsrichtung an der Schabotte 1 befestigten, das Blech 13 mit Abstand U-förmig umgreifenden Kontaktelement 14, das zur Bruchwegermittlung über ein Kabel IS mit einem Verstärker 16 und zur Schlaggeschwindigkeitsermittlung zusätzlich mit der Elektronik 10 verbunden ist (vgl. auch F i g. 8). Da sich beim Durchgang durch das Kontaktelement 14 der Abstand des Bleches 13 von den Gegenflächen 17 aufgrund der Kreisbahn laufend ändert, kann folglich durch Erfassung der Abstände in Abhängigkeit von dem zurückgelegten Weg ohne wei-

teres der Bruchweg bzw. die Geschwindigkeit des Pendelhammers 5 ermittelt werden.

Des weiteren ist aus den F i g. 1 und 2 zu erkennen, daß an dem Pendelhammer 5 eine Einrichtung 18 zur Messung der Hammerbeschleunigung vorgesehen ist. Auch diese Einrichtung 18 ist über ein Kabel 19 mit der Elektronik 10 verbunden.

Außerdem zeigt die F i g. 1 eine Vorrichtung 20 zur Messung der Schleudergeschwindigkeit der sich aus dem Teil 12 der Spanneinheit U, 12 und dem mit diesem Teil 12 noch verbundenen Rest des Prüflings 7 nach seinem Bruch zusammensetzenden wegfliegenden Masse 21. Es ist zu erkennen, daß auch die Vorrichtung 20 über ein Kabel 22 mit einer Elektronik 23 verbunden ist.

Schließlich wird bei gemeinsamer Betrachtung der F i g. 1 und F i g. 2 erkennbar, daß Sensoren in Form von Dehnungsmeßstreifen 24, 25, 26 am Dynamometerstab U und an den beiden Schlagfinnen 4 angebracht sind. Dabei ist es für die Ermittlung der Bruchkraft vorteilhaft, wenn die Dehnungsmeßstreifen 24 in unmittelbarer Nähe des fest eingespannten Endes 27 des Prüfkörpers 7 angeordnet sind. Die Dehnungsmeßstreifen 25 und 26 sind seitlich an den Finnen 4 befestigt. Mit ihnen wird insbesondere das gleichzeitige Anschlagen der Finnen 4 an den beiden seitlichen Enden des Querhaupts 12 Überprüft. In Verbindung mit der Wegmeßvorrichtung 13,14 können mit den Dehnungsmeßstreifen 24; 25, 26 Kraft-Weg- bzw. Kraft-Zeit-Diagramme erstellt werden. Wie man in F i g. 1 erkennt, sind die Dehnungsmeßstreifen 24,25,26 über Kabel 28, 29,30 mit den jeweiligen Verstarkern 31,32,33 verbunden (vgl. auch F i g. 8).

Das in der F i g. 3 veranschaulichte Pendelschlagwerk 34 entspricht in seinem grundsätzlichen Aufbau und seiner Funktion dem Pendelschlagwerk 2 der Fig. 1. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß der Prüfling 35 nunmehr am Pendelhammer 36 befestigt ist und am freien Ende ein Querhaupt 37 trägt, das beim Durchgang durch die Nullage gegen ein an der Schabotte 38 befestigtes Widerlager 39 anschlägt. Der Pendelhammer 36 wird hier von der maximalen Fallgeschwindigkeit momentan auf die Geschwindigkeit Null bzw. unter Berücksichtigung der im Querhaupt 37 und Widerlager 39 beim Aufprall auftretenden elastischen Deformationen und deren Rückfederung sogar auf eine Geschwindigkeit entgegen der Hammerbewegung beschleunigt.

Vergleichbar mit der Ausführungsform der F i g. 1 ist die Fallhöhe Λ, des Pendelhammers 36 und die Durchschwinghöhe fc nach der Zerstörung des Prüflings 35. Der Pendelhammer 36 ist um die Achse 40 in der vertikalen Ebene schwenkbar. Die Höhendifferenz Λι —Λ2 wird wieder mit Hilfe einer Winkelmeßeinrichtung in Form eines Potentiometers 8 festgestellt, das über ein Kabel 9 mit der Elektronik 10 verbunden ist Ferner sind die Vorrichtungen 13, 14 zur Messung des Bruchwegs bzw. der Hammergeschwindigkeit eine Vorrichtung 18 zur Messung der Hammerbeschleunigung sowie die Vorrichtung 20 zur Messung der Geschwindigkeit der wegfliegenden Masse 41 (Querhaupt 37 plus Teile des Prüflings 35) angeschlossen. Diese Vorrichtungen sind über die Kabel 15,19,22 mit der entsprechenden Elektronik 16,10,23 verbunden (siehe auch F i g. 8).

Mit der Vorrichtung 20 läßt sich die Bewegung des Querhaupts 37 und die evtl. in ihm und Teilen des Prüflings 35 nach dem Stoß noch enthaltene Bewegungsenergie ebenfalls meßtechnisch erfassen und bei der Ermittlung der Brucharbeit berücksichtigen.

Schließlich sind auch in F i g. 3 Sensoren in Form von Dehnungsmeßstreifen 24, 25, 26 im Bereich der festen Einspannung 42 und an den beiden seitlichen Enden des Widerlagers 39 angebracht die über Kabel 28; 29, 30 mit den Verstärkern 31, 32, 33 verbunden sind und mit denen die Bruchkraft ermittelt bzw. das gleichzeitige Anschlagen des Querhaupts 37 an das Widerlager 39 überprüft werden kann.

In der F i g. 4 ist eine Ausführungsform einer Einrichtung 20 zur Messung der Geschwindigkeit der wegfliegenden Masse 21 dargestellt Diese Einrichtung 20 ist

z. B. bei dem Pendelschlagwerk 2 der F i g. 1 anwendbar.

Es ist zu erkennen, daß der Prüfling 7 mit seinem Ende

27 in einer Spanneinheit 11 befestigt ist Zur Festlegung des Prüflings 7 dient beispielsweise ein Bolzen 43. Das andere Ende 44 des Prüflings 7 ist ebenfalls mit Hilfe eines Bolzens 43 in einem Querhaupt 12 befestigt, das von dem Pendeihammer 5 beim Durchgang durch die Nullage mitgenommen wird.

Am Querhaupt 12 ist ein Draht 45 lösbar befestigt der in einen Kanal 46 unterhalb der Spanneinheit 11 greift und am Ende einen Reflexionskörper 47 trägt.

Ferner zeigt die F i g. 4 zwei in einem definierten Abstand in Bewegungsrichtung des Pendelhammers 5 in die Vorrichtung 20 integrierte Fotozellen 48,49, die jede für sich einen gebündelten Lichtstrahl aussenden und empfangen können.

Überquert nun nach dem Bruch des Prüflings 7 der Reflektor 47 die Fotozellen 48,49, so werden die ausgesandten Lichtsignale nacheinander von dem Reflektor 47 zurückgespiegelt

Über die Elektronik 23, die unter anderem eine Triggerschaltung 50 und eine Zeitmeßeinrichtung 51 beinhaltet, wird die Zeitablenkung ermittelt und somit exakt die Zeit festgestellt, die der Reflektor 47 und damit auch die wegfliegende Masse 21 (Querhaupt 12 plus Teile des Prüflings 7) braucht um den Weg zwischen den beiden Fotozellen 48, 49 zurückzulegen. Über einen Analog-Digital-Wandler 52 werden die Daten einem Rechner 53 zugeleitet. Da der Abstand der Fotozellen 48 und 49 voneinander bekannt ist läßt sich über die ermittelte Flugzeit die Geschwindigkeit ermitteln und folglich, da die Masse bekannt ist, die Schleuderarbeit feststellen. Deren Kennwert wird dann verwendet, um die gleichzeitig ermittelte Schlagarbeit auf die tatsächliche Brucharbeit zu korrigieren.

Die Meßvorrichtung 20 der Fig. 5 entspricht im Grundaufbau derjenigen der F i g. 4. Es sind jetzt lediglich anstelle der selbst ein üchtbündei aussendenden und empfangenden Fotozellen 48, 49 lichtempfindliche Fotozellen 54,55 vorgesehen, die jeweils Licht von einer Lichtquelle 56,57 erhalten.

Das Ende des am Querhaupt 12 befestigten Drahts 45 dient jetzt als Unterbrecher 58, der beim Überqueren der Fotozellen 54, 55 die Lichtschranken unterbricht Die beiden Fotozellen 54, 55 sind mit einer von einer Triggerschaltung 50 angesteuerten Zeitmeßeinrichtung 51 verbunden, welche direkt die Zeit des Überquerens der beiden Fotozellen 54, 55 ermittelt und über einen Analog-Digital-Wandler 52 an den Rechner 53 zur Ermittlung der Schleuderarbeit weiterleitet

In der F i g. 6 ist eine Einrichtung 59 veranschaulicht welche die Geschwindigkeitsmessung eines wegfliegenden Querhaupts 12 mit dem Rest des Prüflings 7 durch Auswertung der Flugbahn der wegfliegenden Masse 21 mittels einer Filmkamera 60 ermöglicht Durch ein Potentiometer 8 an der Achse 6 z. B. des Pendelhammers 5 wird mit der Winkelstellung eine Triggerschaltung 61 angesprochen. Diese schaltet einen Kontakt in der Stromversorgung der Filmkamera 60 und löst damit den

Verschluß der Kamera 60 gerade zu dem Zeitpunkt aus, da der Prüfling 7 zerstört und das Querhaupt 12 gemeinsam mit einem Rest des Prüflings 7 aus dem Prüfbereich geschleudert wird. Die Flugbahn der Masse 21 wird auf der gegenüberliegenden Maßstabsfläche 62 festgehalten, so daß bei Kenntnis der Belichtungszeit die Geschwindigkeit für jeden Punkt der Flugbahn bestimmt werden kann.

Im Falle der Ausführungsform der Fig. 7 erfolgt die Geschwindigkeitsermittlung einer wegfliegenden Masse durch Auswertung ihrer Flugbahn 63 mittels Fotozel- ^]tn 64. Die auf einer Meßebene 65 angeordneten Fotozellen 64 werden durch eine Lichtquelle 66 beaufschlagt. Eine wegfliegende Masse 21 unterbricht auf ihrer Flugbahn 63 die Lichtschranken. Die Fotozellen 64 sind mit einer Elektronik 23 verbunden, die eine von einer Triggcrschaltung 50 angesteuerte Zeiimeßeinrichiung 5i aufweist, mit welcher die Zeit des Vorbeifliegens an den Fotozellen 64 erfaßt wird. Über einen Analog-Digital-Wandler 52 wird die Zeit an den Rechner 53 zur Ermittlung der Schleuderarbeit weitergeleitet.

In der Fig.8 ist in einem schematisch gehaltenen Blockschaltbild eine Anlage zur Ermittlung von Bruchkennwerten von stoßartig beanspruchten Werkstoffen bzw. Konstruktionselementen dargestellt. Mit 24 und 25 sind hierbei die Dehnungsmeßstreifen an den Schlagfinnen 4 des U-förmigen Pendelhammers 5 eines Pendelschlagwerks 2 bezeichnet. 26 bezeichnet Dehnungsmeßstreifen an einem Dynamometerstab 11, wie er auch aus F i g. 1 im Schema hervorgeht 13, 14 umfaßt sehematisch die Einrichtung zur Messung des Bruchwegs bzw. der Hammergeschwindigkeit. Die von diesen Einrichtungen ausgehenden Kennwerte werden über Verstärker 31,32,33,16 einem Vierkanal-Transientenspeieher 67 mit Digitalschnittstellen zugeleitet Das Kraft-Verformungs-Diagramm bzw. die Kraft-Zeit-Diagramme werden dann direkt auf einem Oszilloskop 68 angezeigt und/oder mittels eines X, V-Schreibers 69 bzw. eines X, Y\, VrSchreibers 70 protokolliert

Der Digitalausgang 71 des Vierkanal-Transienten-Speichers 67 ist mit dem Rechner 53 gekoppelt, an den sowohl ein Drucker 72 als auch ein Magnetband 73 angeschlossen sind. Mit Hilfe des Rechners 53 ist es folglich möglich, Bruchkennwerte aus einem Kraft-Verformungs-Diagramm heraus zu ermitteln. Der Digitaleingang des Vierkanal-Transientenspeichers 67 vom Rechner 53 aus ist dabei mit 74 bezeichnet.

Ferner ist an den Rechner 53 über die Elektronik 10 das Potentiometer 8 zur Feststellung der Höhendifferenz h\ — Λ2 angeschlossen, die über den Winkel φ ausgedrückt werden kann. Sie dient zur Ermittlung der Schlagarbeit. Die Schlagarbeit kann ferner über die Geschwindigkeit ermittelt werden, indem entweder die Einrichtung 13, 14 über Kabel 15, Verstärker 16 und Elektronik 10 mit dem Rechner 53 oder ein Beschleunigungsaufnehmer 18 über Kabel 19 und Elektronik 10 mit dem Rechner 53 verbunden sind. Außerdem ist an den Rechner 53 über eine Elektronik 23 eine Vorrichtung 20 angeschlossen, welche die Geschwindigkeit der wegfliegenden Masse 21 anzeigt

Durch entsprechende Programmierung des Rechners 53 kann also über die von vornherein feststehenden Daten getrennt jedoch gleichzeitig die Schlagarbeit und die Schleuderarbeit ermittelt die Gesamtarbeit durch Korrektur der Schlagarbeit um den Betrag der Schleuderarbeit in Form der tatsächlichen Brucharbeit festgestellt und über den Drucker 72 ausgegeben bzw. auf einem Magnetband 73 gespeichert werden. Gleichzeitig kann die über das Kraft-Verformungs-Diagramrn ermittelte Brucharbeit über den Rechner 53 mit der über die korrigierte Schlagarbeit ermittelten tatsächlichen Brucharbeit verglichen und können somit Überprüfungen zwecks Absicherung der über die Vorrichtungen 8 und 20 ermittelten Bruchkennwerte durchgeführt werden.

Schließlich läßt sich über die Schlagfinnen 4 die Gültigkeit des Schlagversuchs überprüfen.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Prüfverfahren zur Bestimmung von Bruchkennwerten von stoßartig beanspruchten Werkstoffen bzw. Konstruktionselementen, bei welchem an einem Prüfling die Schlagarbeit gemessen und diese Schlagarbiet zwecks Ermittlung der tatsächlichen Brucharbeit um den Betrag der Schleuderarbeit korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schlagvorgangs die zur Ermittlung der Schlagarbeit erforderlichen Zustandsgrößen und in demselben Versuch die Geschwindigkeit der weggeschleuderten Masse sensorisch erfaßt und anschließend unter Berücksichtigung der bekannten oder ermittelten Masse die Werte einer automatischen Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung zwecks selbständiger Korrektur der Schlagarbeit um den Betrag der Schleuderarbeit auf die tatsächliche Brucharbeit zugeleitet werden und dieser Kennwert bei Bedarf einer weiteren Auswertung und/ oder Verarbeitung zur Verfügung gestellt wird.

2. Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Ermittlung der tatsächlichen Brucharbeit in an sich bekannter Weise der Kraftverlauf über dem Bruchweg während des Bruchvorgangs sensorisch erfaßt und optisch sichtbar gemacht und/oder einer automatischen Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung zugeleitet wird.

3. Prüfverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Ermittlung der tatsächlichen Brucharbeit zu dem Zeitpunkt, da der Prüfling mit der Schlagkraft beaufschalgt wird, die Schlagkräfte an den Schlagfinnen sensorisch erfaßt und optisch sichtbar gemacht und/oder einer automatischen Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung zugeleitet werden.

4. Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagarbeit über den Energieverlust bzw. den Geschwindigkeitsabfall der Schlagmasse während des Bruchvorgangs ermittelt wird.

5. Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsabfall der Schlagmasse während des Schlagvorgangs über die Beschleunigung ermittelt wird.

6. Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagarbeit über die potentielle Energie der Schlagmasse vor und nach dem Schlag durch Winkelmessung ermittelt wird.

7. Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleuderarbeit über die kinetische Energie der wegfliegenden Masse bestimmt wird.

8. Vorrichtung zur Bestimmung von Bruchkennwerten von stoßartig beanspruchten Werkstoffen bzw. Konstruktionselemente^ welche eine zwangsgeführte Schlagmasse und eine teilbare Spanneinheit zur Festlegung des Prüflings aufweist, gekennzeichnet durch die Anordnung von Sensoren (13,14; 18) entlang des Wegs der Schlagmasse (5,36) und die Zuordnung eines Sensors (8) zur horizontalen Achse (6, 40) der Schlagmasse (5, 36) zwecks Ermittlung ihrer Geschwindigkeit bzw. ihrer Beschleunigung sowie ihrer Eingliederung in die Spanneinheit (11, 12; 39) bzw. der Anordnung entlang des Wegs der wegfliegenden Masse (21, 41) zur berührungslosen

Messung der Geschwindigkeit der wegfliegendea Masse(21.31).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren aus in Bewegungsrichtung der Schlagmasse (5) im Abstand voneinander der Spanneinheit (11, 12) zugeordneten, durch die nach dem Bruch des Prüflings (7) wegfliegenden Teile (12) der Spanneinheit (11, 12) mindestens mittelbar beeinflußbaren Fotozellen (48,49; 54,55) gebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß die Fotozellen (48, 49) über eine Elektronik (23), die eine Triggerschaltung (50), eine Zeitmeßeinrichtung (51) und einen Analog-Digital-Wandler (52) beinhaltet, an eine automatische Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung (53) angeschlossen sind.

11. Vorrich'.ung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die durch je eine Lichtquelle (56, 57) beaufschlagten Fotozellen (54, 55) über eine Elektronik (23), die eine Triggerschaltung (50), eine Zeitmeßeinrichtung (51) und einen Analog-Digital-Wandler (52) beinhaltet, an eine automatische Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung (53) angeschlossen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß an die trennbaren Teile (12, 17) der Spanneinheit (H, 12; 37,42) ein sich parallel zur Bewegungsrichtung der Schlagmasse (5,36) sowie in der gemeinsamen Ebene der Fotozellen (48, 49; 54, 55) erstreckender, begrenzt zwangsgeführter Draht (45) mit am freien Ende befindlichem Reflektor (47) bzw. Unterbrecher (58) angeschlossen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Flugbahn der wegfliegenden Masse (21, 41) eine Filmkamera (60) oder ein Fotoapparat und dieser bzw. diesem gegenüberliegend eine Meßfläche (62) installiert sind, wobei die Filmkamera (60) bzw. der Fotoapparat durch ein in der horizontalen Achse (6, 40) der Schlagmasse (5, 36) vorgesehenes Potentiometer (8) mit nachgeordneter Triggerschaltung (61) aktivierbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Flugbahn (63) der wegfliegenden Masse (21, 41) eine mit mehreren vertikal und horizontal gleichmäßig zueinander versetzten lichtempfindlichen Fotozellen (64) bestückte Meßfläche (65) vorgesehen ist, die über eine Elektronik (23), die eine Triggerschaltung (50), eine Zeitmeßeinrichtung (51) und einen Analog-Digital-Wandler (52) beinhaltet, an eine automatische Meßwertauswertung und/oder -verarbeitung (53) angeschlossen ist.

Die Erfindung betrifft einerseits ein Prüfverfahren zur Bestimmung von Bruchkennwerten von stoßartig beanspruchten Werkstoffen bzw. Konstruktionselementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Andererseits richtet sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung von Bruchkennwerten von stoßartig beanspruchten Werkstoffen bzw. Konstruktionselementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Um das Schlagzugverhalten bzw. die Zähigkeit von