DE3334570C2 - Vorrichtung zur Erfassung des Rißstartes bei einer Bruchmechanik-Probe - Google Patents

Abstract

Bei bruchmechanischen Experimenten an ferromagnetischen Proben (7) wird der Zeitpunkt des beginnenden Bruches durch den Austritt eines Magnetfeldes aus dem Riß der magnetisierten Probe (7) mit Hilfe einer Magnetsonde (23) ermittelt. Bis zum Rißstart verläuft das Magnetfeld durch die magnetisierte Probe (7). Die zum Rißstartzeitpunkt in der Magnetsonde (23) induzierte Spannung stoppt einen Zeitmesser, der bei Beginn der Belastung der Probe (7) eingeschaltet wurde.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Rißstartes bei einer Bruchmechanik-Probe mit einer in der Nähe der Rißspitze der Probe angeordneten Sonde, durch deren Ausgangssignal ein am Anfang des Bruchversuches gestarteter Zeitmesser zum Rißstart-Zeitpunkt anhaltbar ist.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 30 44 841 bekannt und gestattet es, bei einem Schlagversuch durch Messen der Brucheinsatzzeit aufgrund vorher aufgestellter Schlagreaktionskurven die Schlagbruchzähigkeit von Werkstoffen zu bestimmen. Zur Bestimmung der Schlagreaktionskurve wird die schattenoptische Kaustikenmethode mit einem geeigneten Vergleichswerkstoff benutzt, um den Spannungsintensitätsfaktor als Funktion der Zeit zu ermitteln. Die bekannte Vorrichtung beruht auf der Erkenntnis, daß der zeitliche Verlauf des Spannungsintensitätsfaktors nur vom elastischen Verhalten des Systems Probe — Hammer abhängt und für Stähle unterschiedlicher Zähigkeit gilt, sofern die elastischen Eigenschaften der Stähle dieselben sind und die Bedingungen kleiner plastischer Zonen um die Rißspitze erfüllt sind.

Bei der bekannten Vorrichtung wird die Brucheinsatzzeit mit Hilfe eines elektronischen Zählers gemessen, der durch ein erstes Signal gestartet und durch ein zweites Signal gestoppt wird. Das erste Signal wird mit Hilfe eines an der Hammerfinne einer Schlagvorrichtung angeordneten Dehnungsmeßstreifens gewonnen, indem die Anstiegsflanke des Hammersignals als Beginn des Schlagvorgangs interpretiert wird. Das Signal zum Anhalten des Zählers, das beim Rißstart auftritt, wird mit Hilfe eines zweiten Dehnungsmeßstreifens erfaßt, der auf der Probe seitlich neben der Spitze einer in der

Probe eingebrachten Kerbe angeordnet ist.

Da die Proben zur Bestimmung der Brucheinsatzzeit vor dem eigentlichen Schlagvtrsuch mit einem Dehnungsmeßstreifen versehen werden müssen, ergeben sich neben den Kosten für die Dehnungsmeßstreifen noch Vorbereitungszeiten zum Aufkleben der Dehnungsmeßstreifen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Stoppsignal des Zeitmessers auf einfache Weise berührungslos erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine die Probe magnetisierende Magnetisierungseinrichtung vorgesehen ist und daß die Sonde eine Magnetsonde ist. Der Ri3start oder der Rißfortschrittbeginn beim beginnenden Bruch erzeugt einen Spalt in der Probe, der ein Austreten der magnetischen Feldlinien aus der Oberfläche der Probe verursacht. Diese Feldlinien werden mit Hilfe einer Magnetsonde erfaßt, um ein Stoppsignal für den Zeitmesser zu erzeugen.

Die Magnetisierungseinrichtung kann ein Gleichstromgenerator sein, mit dessen Hilfe ein Stromstoß durch die Probe geschickt wird, um eine Magnetisierung der gesamten Probe zu erreichen. Eine andere Möglichkeit zur Magnetisierung der Probe besteht darin, daß ein Magnet aufgesetzt wird. Dies kann bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein hufeisenförmiger Permanentmagnet sein, der auf der der Magnetsonde gegenüberliegenden Seite oder auf der Seite der Magnetsonde angeordnet ist und zumindest den Bereich des Risses magnetisiert. Die Magnetsonde kann als Hallsonde, Magnetdiode, Luftspule oder Eisenkernspule und insbesondere wie ein Tonkopf eines Tonbandgerätes ausgebildet sein.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Fallgewichtsapparatur mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung der Brucheinsatzzeit und

F i g. 2 die Probe der Fallgewichtsapparatur zusammen mit einem Permanentmagneten und einen Tonkopf in einer gegenüber Fig. 1 vergrößerten Darstellung in perspektivischer Ansicht.

In F i g. 1 ist eine Fallgewichtsapparatur 1 dargestellt, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung des Rißstartes ausgerüstet ist. Die Fallgewichtsapparatur 1 verfügt über einen Fallhammer 2 mit einer Hammerfinne 3. Der Fallhammer 2 mit der Hammerfinne 3 wird in vertikaler Richtung durch zwei Führungssäulen 4 geführt, die sich durch Buchsen 5 im Fallhammer 2 erstrecken.

Nach dem Hochheben des massiven Fallhammers 2 wird dieser durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung ausgeklinkt. Er bewegt sich dann aufgrund seines Eigengewichtes mit größer werdender Geschwindigkeit ν in Richtung des Pfeiles 6, bis die Hammerfinne 3 auf die Probe 7 aus einem ferromagnetischen Material, dessen Bruchzähigkeitskennwerte bestimmt werden sollen, aufschlägt.

Die Probe 7 ruht auf zwei Stützen 8, die wie die Führungssäulen 4 auf einem Tisch 9 abgestützt sind.

Zur Bestimmung der Zeitdauer zwischen dem Auftreffen der Hammerfinne 3 auf der Probe 7 und dem Bruchbeginn, bei dem an der Spitze einer Kerbe ein Rißstart auftritt, ist eine in Fig. 1 schematisch darge-

stellte Zeitmeßeinrichtung vorgesehen.

Ein Zeitmesser 11 mit digitaler Anzeige verfügt über einen Starteingang 12 und einen Stoppeingang 13. Ein Signal am Starteingang 12 bewirkt, daß der Zeitmesser zurückgesetzt wird und die Zeitmessung beginnt. Der Zeitmesser kann beispielsweise aus einem Digitalzähler bestehen, der nach Auftreten eines Impulses am Starteingang zurückgesetzt wird und die Takte eines Taktgenerators zählt, bis am Stoppeingang 13 ein Signal auftritt. Der Zählwert bzw. die zwischen dem Startsignal ι ο am Starteingang 12 und dem Stoppsignal am Stoppeingang 13 verflossene Zeit wird über eine digitale Anzeige ausgegeben. Selbstverständlich ist es auch möglich, statt der unmittelbaren digitalen Anzeige den Ausdruck mit Hilfe eines Druckers oder die Verarbeitung der gemessenen Zeiten mit Hilfe eines Computers durchzuführen.

Der Starteingang 12 ist mit dem Ausgang eines ersten Schwellenwert-Diskriminators 14 verbunden, dessen Eingang 15 über einen Umschalter 16 wahlweise mit der Probe 7 oder mit dem Ausgang 17 eines Verstärkers 18 verbunden ist. Je nach der Stellung des Urnschalters 16 wird das Startsignal für die Bestimmung der Zeit zwischen dem Auftreffen der Hammerfinne 3 auf der Probe 7 und dem Rißstart an der Spitze der Kerbe 10, d. h. die Brucheinsatzzeit der Probe, mit Hilfe eines durch die Hammerfinne 3 schließbaren Stromkreises oder mit Hilfe eines unkalibrierten Dehnungsmeßstreifens 19 erzeugt, der auf der Hammerfinne 3 aufgeklebt ist.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Position des Umschalters 16 liegt am Eingang 15 des Schwellenwert-Diskriminators 14 eine über einen Vorwiderstand 20 zugeführte Spannung +U an. Über eine Leitung 21 und einen Kontakt 22 gelangt die Spannung zur Probe 7. Der Kontakt 22 kann unmittelbar an der Probe 7 oder an einer der Stützen 8 angebracht sein. Beim Auftreffen der Hammerfinne 3, die über den Fallhammer 2, die Führungssäulen 4 und den Tisch 9 mit dem geerdeten Pol der Spannur.gsquelle verbunden ist, entsteht am Vorwiderstand 20 ein Spannungsabfall, der vom Schwellenwert-Diskriminator 14 erfaßt wird und den Standes Zeitmessers 11 auslöst.

Wenn sich der Umschalter 16 in der in F i g. 1 nicht dargestellten Stellung befindet, ist der Ausgang des Verstärkers 18 mit dem Eingang 15 des Schwellenwert-Diskriminators 14 verbunden. Der Verstärker 18 verstärkt das Ausgangssignal des Dehnungsmeßstreifens 19, das ein Maß für die an der Hammerfinne 3 auftretenden Kräfte darstellt. Die Anstiegsflanke des mit Hilfe des Dehnungsmeßstreifens 19 gewonnenen Hammersignals wird vom Schwellenwert-Diskriminator 14 als Beginn des Schlagvorgangs erkannt und zum Starten des Zeitmessers 11 verwendet.

Nach dem Starten des Zeitmessers 11 steigt der dynamische Spannungsintensitätsfaktor im Verlauf des Schlagexperiments entsprechend der individuellen Schlagreaktionskurve als Funktion der Zeit an. Die Kurve des dynamischen Spannungsintensitätsfaktors gibt quantitativ die Probenreaktion auf den Schlagvorgang wieder. Sie hängt nur von dem elastischen Verhalten des Systems Probe — Hammer ab und stellt eine eindeutige Beziehung für dieses System dar. Sie ist insbesondere gültig für alle Stahlproben einer gleichen Größe, die unter den gleichen Bedingungen getestet werden. Die Kurve ist beispielsweise für Stähle unterschiedlicher Zähigkeit gleich, sofern diese die gleichen elastischen Eigenschaften aufweisen und die Bedingungen kleiner plastischer Zonen um die Rißspitze erfüllt sind.

Mit einer einmal gemessenen Schlagreaktionskurve ist es daher möglich, die dynamische Bruchziihigkdt eines gegebenen Stahls nur durch die Messung der Brucheinsatzzeit in einem Schlagversuch mit Hilfe der Fallgewichtsapparatur 1 zu bestimmen.

Wenn entsprechend der jeweiligen Schlagbruchzähigkeit der Probe 7 nach der Brucheinsatzzeit an der Spitze der Kerbe 10 ein Rißstart oder ein Rißfortschritt auftritt, wird dies mit Hilfe einer Magnetsonde, beispielsweise einem Tonkopf 23 festgestellt, dessen Ausgangssignal über einen Verstärker 24 und einen zweiten Schwellenwert-Diskriminator 25 dem Stoppeingang 13 des Zeitmessers 11 zugeführt wird. Auf diese Weise erfaßt der Zeitmesser 11 die Zeit zwischen dem Beginn des Schlagvorgangs und dem Rißstart, d. h. die Brucheinsatzzeit.

In Pig.2 ist der Tonkopf 23 schematisch zusammen mit der Probe 7 und einem Permanentmagneten 26 dargestellt. Während die in F i g. 1 dargestellte Probe 7 bereits durch einen Stromstoß oder ein zeitweise angelegtes äußeres Magnetfeld magnetisiert ist, wird die Probe 7 in Fig. 2 mit Hilfe des Permanentmagneten 26 im Bereich der Kerbe 10 magnetisiert. Der Abstand des oberhalb der Spitze der Kerbe 10 angeordneten Tonkopfes 23 von der Probe 7 beträgt etwa 1 mm. Die Spaltbreite des Tonkopfes kann beispielsweise 3 μπι, seine Impedanz 35 Ohm und seine Induktivität 120 mH betragen.

Wenn beim Erreichen der Brucheinsatzzeit infolge des Rißstartes das bis zu diesem Zeitpunkt durch den Werkstoff der Probe 7 verlaufende Magnetfeld infolge des beginnenden Bruches aus der Oberfläche der Probe 7 austritt, wird in der Spule 27 des Tonkopfes 23 eine Spannung induziert, die den Zeitmesser 11 über den Verstärker 24 und den Schwellenwert-Diskriminator 25 anhält.

Der Permanentmagnet 26 kann, wie in F i g. 2 dargestellt, entweder auf der Rückseite der Probe 7 oder aber auf der gleichen Seite wie der Tonkopf 23 angeordnet sein. Wesentlich ist lediglich, daß der Bereich der Spitze der Kerbe 10 einen magnetischen Fluß erfährt, so daß beim Auftreten eines Bruches in diesem Bereich in der umgebenden Luft eine Magnetfeldänderung erzeugt wird, die sich mit Hilfe des Tonkopfes 23, einer sonstigen Spule, eines Hallgenerators oder einer Magnetdiode erfassen läßt.

Die mit Hilfe der oben beschriebenen Vorrichtung gemessene Brucheinsatzzeit gestattet es, mit Hilfe der vorher bestimmten Schlagreaktionskurve, die für eine bestimmte Anordnung nur einmal durchgeführt werden zu braucht, die Schlagbruchzähigkeit zu messen, wobei auf eine Kalibrierung der Instrumentierung von Hammer und Probe verzichtet werden kann. Für unterschiedliche Schlaganordnungen kann zur Bestimmung der Bruchzähigkeitskennwerte ein Satz zugehöriger Schlagreaktionskurven mittels der schattenoptischen Kaustikenmethode für die jeweilige Belastungsanordnung und Probengeometrie bestimmt werden.

Die anhand der F i g. 1 und 2 beschriebene Rißstarterkennung mit Hilfe des Tonkopfes 23 oder einer anderen Magnetsonde kann auch bei langsam ablaufenden Zerreißversuchen, bei denen Spannungs-Dehnungs-Diagramme gemessen werden, Anwendung finden. Bei derartigen Bruchversuchen kann man mit Hilfe der oben beschriebenen Vorrichtung den Rißstartzeitpunkt genau erkennen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erfassung des Rißstartes bei einer Bruchmechanik-Probe mit einer in der Nähe der Rißspitze der Probe angeordneten Sonde, durch deren Ausgangssignal ein am Anfang des Bruchversuches gestarteter Zeitmesser zum Rißstartzeitpunkt anhaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Probe (7) magnetisierende Magnetisierungseinrichtung(26) vorgesehen ist und daß die Sonde eine Magnetsonde (23) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Magnetisierungseinrichtung ein Stromstoß durch die Probe auslösbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungseinrichtung ein auf die Probe aufgesetzter Magnet (26) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet ein Permanentmagnet (26) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet ein Elektromagnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetsonde (23) eine Hallsonde ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetsonde (23) eine Spule (27) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (27) die Gestalt eines Tonkopfes eines Tonbandgerätes hat.