DE3321541A1 - Verfahren zum bestimmen mechanischer werkstoffkennwerte und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Verfahren zum Bestimmen mechanischer

Werkstoffkennwerte und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen ί mechanischer Werkstoffkennwerte unter hoher Belastungsgeschwindigkeit, insbesondere der dynamischen Schlagbruchzähigkeit, von gekerbten Biegeproben, bei dem etwa j mittig eine die Biegeprobe zerbrechende Schlagbelastung auf der der Kerbe gegenüberliegenden Seite der Biegeprobe eingeleitet und eine dem Probenbruch zugeordnete Meßgröße erfaßt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens«

Bei dem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art werden instrumentierte Kerbschlagbiegeversuche in der Weise vorgenommen, daß die Schlagbelastung auf die Mitte einer Biegeprobe aufgebracht wird, die mit ihren Enden gegen zwei Widerlager anliegt und auf der Zugseite mit einem Anfangsriß versehen ist. Bei einer derartigen Versuchsanordnung, die auch als "Drei-Punkt-Biegeversuch" bezeichnet werden kann, ergeben sich bei hohen Schlaggeschwindigkeiten dynamische Effekte infolge der Massenträgheit der Probe. Die Probenenden reagieren auf den Schlagvorgang anfänglich durch Abheben vom Widerlager, wobei der mittlere Bereich der Biegeprobe mit der Hammerfinne bewegt wird. In einer zweiten Phase schlagen die Probenenden auf die Widerlager auf, so daß sich während des Biegeversuches mehrere verschiedene Belastungsbedingungen einstellen, die die Auswertung der Messungen und die Bestimmung der mechanischen Werkstoffkennwerte erschweren.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei der eindeutige Testbedingungen vorliegen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Biegeprobe in Schlagrichtung im wesentlichen reaktionsfrei gelagert wird und unter Ausnutzung der bei der Schlagbelastung auftretenden Trägheitskräfte während der Durchbiegungsphase zu Beginn einer ersten Eigenschwingung der Biegeprobe zerbrochen wird.

Durch das reaktionskräftefreie Lagern der Biegeprobe unter Weglassen der Widerlager ergeben sich definierte Testbedingungen weil die Eigenschwingungen der Biegeprobe nicht mehr zu einem Wechsel zwischen einer Drei-Punkt-Biegeanordnung und einer Ein-Punkt-Biegeanordnung, bei der die Biegeprobe lediglich gegen das Schlagstück anliegt, führen.

Als Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können herkömmliche Prüfmaschinen nach einem Umbau der Auflageranordnung verwendet werden. Gemäß einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Auflager bzw. Widerlager einer Fallgewichtsapparatur durch nachgiebige Auflager aus Polystyrolschaum ersetzt. Diese nachgiebigen Auflager sind nicht imstande, Reaktionskräfte auf die Probenenden auszuüben. Es ist auch möglich, Auflager mit mehreren Stützen vorzusehen, die paarweise über Glasstäbe miteinander verbunden sind, auf denen die Biegeprobe aufliegt. Beim Kerbschlagbiegeversuch zerbrechen

die Glasstäbe, so daß über den Tisch und die Auflager keine Reaktionskräfte auf die Probenenden übertragen werden können.

Bei einem Pendelschlagwerk zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Auflager als ebene Fläche möglichst in oder nahe dem unteren Totpunkt des Pendels ausgebildet. In Pendelschlagrichtung sind auf dem erfindungsgemäßen Auflager keine Widerlager vorgesehen, gegen die sich die Probenenden abstützen. Infolge der Massenträgheit hat die Biegeprobe das Bestreben, die Lage des Probenschwerpunktes beizuhalten. Aus diesem Grunde führen die Probenarme, da der Mittelbereich der Probe mit der Hammerfinne mitbewegt wird, eine zur Schlagrichtung entgegengesetzte Bewegung aus. Die hierbei durch die Biegung verursachte Spannungskonzentration an der Kerbspitze führt bei hinreichender Schlagenergie und ausreichender Massenträgheit zum Probenbruch.

Das Auflager einer z. B. mit Druckgas betriebenen Hochgeschwindigkeitsschlagvorrichtung kann entsprechend dem oben erörterten Auflager für ein Pendelschlagwerk als ebene Fläche ausgebildet sein.

Zweckmäßige Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Pendelschlagwerk mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Auflager in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2 das Auflager des Pendelschlagwerks gemäß Fig. 1 in einer vergrößerten Ansicht,

Fig. 3 eine mit einem Druckgas betriebene Hochgeschwindigkeits-Schlagvorrichtung in einer schematischen perspektivischen Ansicht,

Fig. 4 die Auflageranordnung für eine Schlagvorrichtung gemäß Fig. 3 in einer vergrößerten Ansicht und

Fig. 5 eine Fallgewichtsapparatur mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Auflager in einer perspektivischen Ansicht.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Pendelschlagwerk 1 verwendet, das über einen Schlaghammer in Gestalt einer Hammerscheibe 2 verfügt. Die Hammerscheibe 2 ist über eine Pendelstange 3 pendelartig an einer Pendelachse 4 gelagert.

Bei Versuchsbeginn wird die Hammerscheibe 2 angehoben, so daß sie nach dem Loslassen entlang einer Kreisbahn durch den Zwischenraum zwischen zwei Gestellteilen 5 hindurch bis zu einer gekerbten Biegeprobe 6 durchschwingt. Die Biegeprobe 6 ist, wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, auf ein Auflager 7 aufgelegt, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die am Ende einer Ausnehmung 8 in der Hammerscheibe 2 angeordnete Hammerfirme 9 genau auf die gekerbte Biegeprobe 6 gegenüber der Kerbe 10 auf die Biegeprobe 6 aufschlägt.

Zwei Positionierungsstifte 11 dienen zur Positionierung der Biegeprobe 6. Die Positionierungsstifte 11 weisen voneinander einen Abstand auf, der kleiner als die halbe Probenlänge ist. Wie man in Fig. 2 ebenfalls erkennt, ist das Auflager 7 in der Mitte unterbrochen, um einen Durchgang für die eine große Masse aufweisende Hammerscheibe 2 freizulassen.

Um eine möglichst hohe Schlaggeschwindigkeit und damit eine hohe Schlagenergie zu erreichen, ist das Auflager 7 vorzugsweise am tiefsten Punkt der Bahn der Hammerfinne 9, d.h. vertikal unter der Pendelachse 4 angeordnet. Es ist aber auch möglich, das Auflager 7 etwas weiter in Schlagrichtung und nach oben schräg versetzt so anzuordnen, daß die Auflagefläche 12 des Auflagers 7 tangential zur Bahn der Hammerfinne 9 verläuft.

Ein Dehnungsmeßstreifen 13 ist auf der gekerbten Biegeprobe 6 seitlich der Rißspitze 14 angeordnet. Mit Hilfe des Dehnungsmeßstreifens 13 können die bis zum Bruch der Biegeprobe auftretenden Spannungen in an sich bekannter Weise erfaßt werden, um die gesuchten mechanischen Werkstoffkennwerte zu bestimmen. Dabei ist es möglich, sowohl mit kalibrierten Dehnungsmeßstreifen 13 zu arbeiten als auch unkalibrierte Dehnungsmeßstreifen 13 zur Bestimmung der Brucheinsatzzeit nach dem in der Patentanmeldung P 30 44 841.0-52 beschriebenen Verfahren zu verwenden. Eine weitere Methode zur Erfassung der gesuchten mechanischen Werkstoffkennwerte besteht darin, unter Einsatz des schattenoptischen Kaustiken-Verfahrens nach Manogg die Spannungsintensitätsfaktoren im Bereich der Rißspitze auf optische Weise unter Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera zu bestimmen.

Wie man in Fig. 1 und 2 deutlich erkennt, verfügt das Auflager 7 über keinerlei Widerlager, gegen die sich die Biegeprobe 6 in Belastungsrichtung abstützen könnte. Gemäß dem bei der Erfindung verwirklichten Verfahren wird entgegen dem weit verbreiteten Kerbschlagbiegeversuch mit zwei Widerlagern völlig auf Widerlager verzichtet, so daß statt eines "Drei-Punkt-Biegeversuches" ein "Ein-Punkt-Biegeversuch" durchgeführt wird. Infolge der Massenträgheit der Biegeprobe 6 ergeben sich bei entsprechender Dimensionierung der Biegeprobe 6 und einer ausreichenden Schlaggeschwindigkeit der Hammerfinne 9 hinreichend große Kräfte, um die Kerbe 10 mit dem durch Ermüdungsbelastung verlängerten Anfangsriß (natürlicher Anriß) bis zum Brechen der Biegeprobe 6 zu verlängern.

Beim Auftreffen der Finne 9 der Hammerscheibe 2 führen die Probenarme 15 und 16 eine zur Schlagrichtung der Hammerfinne 9 entgegengesetzte Bewegung aus. Die durch die Massenträgheit verursachte Biegung der Biegeprobe 6 verursacht ihrerseits eine Spannungskonzentration an der Kerbspitze, welche bei hinreichender Schlagenergie zum Probenbruch führt.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens dargestellt und zeigt eine mit Druckgas betriebene Hochgeschwindigkeits-Schlagvorrichtung. Diese verfügt im wesentlichen über eine Preßluftkammer 18, die mit einem Lauf 19 verbunden ist, um ein Projektil 20 auf eine gekerbte Biegeprobe 6 zu schießen.

In Fig. 4 ist die Anordnung vor der Laufmündung 21 vergrößert dargestellt und man erkennt, daß die Biegeprobe

6 ebenfalls auf einem Auflager 7 ruht, das über keiner-¹ lei Widerlager verfügt, gegen die sich die Biegeprobe 6 bei einer Belastung in der Art eines "Drei-Punkt-Biegeversuches" abstützen kann. Beim Auftreffen des Projektils 20 auf die mit einer Kerbe 10 versehene Biegeprobe 6 führen die Probenarme 15, 16 eine zur Flugrichtung des Projektils 20 entgegengesetzte Bewegung aus, so daß die durch die Biegung verursachte Spannungskonzentration an der Kerbspitze bei hinreichender Schlagenergie zum Probenbruch führt.

Der Probenbruch kann mit einem der im Zusammenhang mit Fig. 2 erwähnten Meßverfahren erfaßt werden. Insbesondere kann ein Dehnmeßstreifen 13 zur Bestimmung der Brucheinsatzzeit in Rißnähe aufgeklebt sein.

In Fig. 4 erkennt man weiterhin zwei Positionierungsstifte 11, die nicht als Widerlager sondern lediglich zum definierten Orientieren der Biegeprobe 6 auf dem Auflager 7 dienen. Der Abstand dieser Positionierungsstifte 11 ist wie oben erwähnt kleiner als die halbe Probenlänge.

Da die Biegeprobe 6 bei der in den Figuren 3 und 4 genannten Anordnung lediglich durch das Projektil 20 und nicht durch Widerlager beansprucht wird, kann die in den Figuren 3 und 4 dargestellte Versuchstechnik als "Ein-Punkt-Biegeversuch" bezeichnet werden.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Fallgewichtsapparatur 25 verwendet. Die Fallgewichtsapparatur 25 verfügt über einen Fallhammer 26 mit einer Hammerfinne 27. Der Fallhammer 26 wird in

Al

üblicher Weise in vertikaler Richtung durch Führungssäulen 28 geführt. Nach dem Hochheben des massiven Fallhammers 26 wird dieser ausgeklinkt und schlägt aufgrund seines Eigengewichtes mit seiner Hammerfinne 2? auf die vertikal aufgestellte Biegeprobe 6.

Während bei einer Fallgewichtsapparatur üblichen Aufbaus zwei stabile Widerlager verwendet werden, so daß die Biegeprobe 6 vom Fallhammer 26 als "Drei-Punkt-Biegeversuch" gegen zwei Widerlager gedrückt wird, ist bei der in Fig. 5 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Auflager 29 vorgesehen, das keine Reaktionskräfte aufnehmen kann. Aus diesem Grund besteht das Auflager 29 aus paarweise auf einem Tisch 32 symmetrisch zur Mittelebene des Fallhammers 26 angeordneten Stützen 30 und 31, die jeweils über Glasstäbe 33 miteinander verbunden sind. Die Glasstäbe 33 dienen als Biegeprobenträger und sind so dimensioniert, daß sie die Biegeprobe 6 tragen können, jedoch bei einer das Gewicht der Biegeprobe 6 übersteigenden Kraft zerbrechen, so daß der Probenbruch ähnlich wie bei den beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen lediglich aufgrund der Trägheitskräfte und nicht unter Einwirkung von Widerlagerkräften erfolgt.

Bei einer in der Zeichnung nicht dargestellten Abwandlung bestehen die Auflager aus Polystyrolschaumklötzen, deren Reaktionskräfte beim Probenbruch wegen der hohen Schlaggeschwindigkeit unberücksichtigt bleiben können.

Wie bei den beiden vorherstehenden Ausführungsbeispielen kann eine Messung der Schlagbruchzähigkeit unter Einsatz einer Schlagreaktionskurve und Bestimmung der Brucheinsatzzeit mit Hilfe eines Dehnungsmeßstreifens erfolgen. Die zur Bestimmung der Schlagreaktionskurve benötigten dynamischen Spannungsintensitätsfaktoren können in üblicher Weise mittels der schattenoptischen Kaustiken-Methode bestimmt werden.

- Leerseite -

Claims (10)

1. FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG

   DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.

   Leonrodstraße 54

   8000 München 19

   Verfahren zum Bestimmen mechanischer

   Werkstoffkennwerte und
   Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

   PATENTANSPRÜCHE

   Verfahren zum Bestimmen mechanischer Werkstoffkennwerte unter hoher Belastungsgeschwindigkeit, insbesondere der dynamischen Schlagbruchzahicjkeit, von gekerbten Biegeproben, bei dem etwa mittig eine die Biegeprobe zerbrechende Schlagbelastung auf der der Kerbe gegenüberliegenden Seite der Biegeprobe eingeleitet und eine dem Probenbruch zugeordnete Meßgröße erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet , daß die Biegeprobe in Schlagrichtung im wesentlichen reaktionskraftefrei

   3321

   gelagert wird und unter Ausnutzung der bei der Schlagbelastung auftretenden Trägheitskräfte während der Durchbiegungsphase zu Beginn einer ersten Eigenschwingung der Biegeprobe zerbrochen wird.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem entlang einer vorherbestimmten Bahn geführten Schlagstück und mit einem im Bereich der Bahn angeordneten Auflager für die gekerbte Biegeprobe, dadurch gekennzeichnet , daß das Auflager (7) als ebene Fläche (12) ausgebildet ist, auf der die Biegeprobe in Bewegungsbahnrichtung des Schlagstückes (9, 20) hindernisfrei verschiebbar ist.
3. 3. Fallgewichtsapparatur zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem entlang von Führungssäulen vertikal geführten, eine Hammerfinne aufweisenden Fallhammer und mit auf dem Tisch der Fallgewichtsapparatur gegenüber der Hammerfinne seitlich versetzt angeordneten Auflagern für eine gekerbte Biegeprobe, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflager (33) bei einer das Gewicht der Biegeprobe (6) übersteigenden Belastung nachgeben.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Auflager aus Polystyrolschaum oder einem sonstigen nachgiebigen Material hergestellt sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Auflager paarweise angeordnete Stützen (30, 31) aufweisen, zwischen denen jeweils ein zerbrechbarer Glasstab (33) als Biegeprobenträger angeordnet ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Schlagstück die Hammerfinne (9) einer an einer Pendelstange (3) befestigten Hammerscheibe (2) eines Pendelschlagwerkes mit einem in der Mitte über eine Ausnehmung für den Durchlaß der Hammerscheibe (2) verfügenden Auflager (7) ist, dessen Auflagefläche (12) sich tangential zur Bahn der Hammerfinne (9) erstreckt.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d ad u r c h gekennzeichnet , daß das Auflager (7) vertikal unter der Pendelachse (4) parallel zur Schabotte des Pendelschlagwerkes (1) in einer Ausnehmung des Gesteilst 5) angeordnet ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Auflager (7) in Bewegungsrichtung der Hammerscheibe (2) hinter dem Gestell (5) mit gegenüber der Horizontalen geneigten Auflageflächen (12) angeordnet ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Schlagstück ein Projektil (2Ö) ist, das über einen mit einer Preßluftkammer (18) verbundenen Lauf bis in die Nähe eines Auflagers (7) für die Biegeprobe führbar ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schlagseite des Auflagers (7) zwei Positionierungsstifte (1) symmetrisch zur Bahn des Schlagstückes (9, 20) angeordnet sind, deren Abstand voneinander kleiner als die halbe Probenlänge ist.