DE3914966C2 - Kreuzförmige, ebene Probe, insbesondere aus Blech für eine zweiachsige Materialprüfung im Bereich großer Dehnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kreuzförmige, ebene Probe, aus Blech, für eine zweiachsige Materialprüfung im Bereich großer Dehnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur experimentellen Erfassung des inelastischen Verhaltens z.B. metallischer Werkstoffe ist die Ermittlung der im allge­ meinen (großen) zweiachsigen Dehnungen unter zweiachsiger Spannungsbeanspruchung erforderlich. Es werden homogene Spannungs- und Verzerrungszustände in Materialproben be­ nötigt, um Stoffgleichungen der sogenannten einfachen Stoffe im Sinne von Noll (W. Noll "A new mathematical theory of simple materials" Archive for Rational Mechanics and Analysis 48.1 (1972)) zu bestimmen. Zweiachsige Spannungszustände in Versuchsproben aus Blech lassen sich entweder durch Ver­ wendung von kreuzförmigen Proben oder von dünnwandigen rohr­ förmigen Proben unter Längskraft, Innendruck und Torsion verwirklichen. Eine Anordnung der letztgenannten Art ist jedoch nur bei kleinen Dehnungen brauchbar.

Bekannt ist eine ebene Kreuzprobe nach Shiratori/Ikegami (J. Meck. Phys. Solids, 1968, Vol. 16 pp 373 bis 394, Pergamon Press, Großbritannien) und Kreissig (Dissertationsschrift 2.7.1982) gemäß Fig. 1 der Zeichnung, die zum Zwecke der Materialprüfung unter zweiachsiger Beanspruchung in einer bekannten Prüfvorrichtung nach Kreissig Verwendung gefunden hat. Wegen der statischen Unbestimmtheit dieser bekannten Kreuzprobe 1 (Kontinuumsproblem) lassen sich die Spannungen nicht aus den über Zugglieder 2 in die Kreuzprobe 1 einge­ leiteten Kräften bestimmen. Im vorgesehenen Meßgebiet 3, dem Zentrum dieser Kreuzprobe, sind keine homogenen Spannungs- und Verzerrungszustände zu erzielen.

Bekannt ist ferner eine kreuzförmige, ebene Probe der ein­ gangs erwähnten Art (DE 32 25 381, Fig. 5a und b), die zur Materialprüfung unter zweiachsiger Beanspruchung Verwendung findet und im Mittenbereich durch beiderseitige Muldenbildung geschwächt ist, um sicherzustellen, daß Belastungsfolgen sich zuerst in dem interessierenden Bereich zeigen, in dem sich die Prüfkräfte überlagern. Versuche mit entsprechenden Kreuz­ proben 1, deren Mittenbereich 3 jedoch nicht durch beider­ seitige Muldenbildung geschwächt ist, ergeben ein Ausweichen der Spannungstrajektorien 4 unter einachsiger Zugkraft F, wie Fig. 2 der Zeichnung verdeutlicht. Die Spannungstrajektorien 4 spreizen sich, so daß die Spannungen in Kraftrichtung über die Breite nicht konstant verlaufen. Durch die Umlenkung der Spannungstrajektorien 4 entstehen Querspannungen, die zum unerwünschten Ausbeulen des Meßbereiches 3 führen können.

Bekannt ist weiterhin (DE 36 17 455), bei der Materialprüfung von flächenhaften Bauteilen mittels einer Untersuchungsvor­ richtung zur zweiachsigen statischen und/oder dynamischen Zug- und/oder Druckbelastung in Zuordnung zu den Bauteil­ seiten Kraftübertragungselemente vorzusehen, von denen jedes mit mehreren, über die gesamte jeweilige Bauteilseite ange­ ordnete und Einzellasten erzeugenden Krafteinleitungs­ elementen verbunden ist.

Diese Untersuchungen enthalten aber keine eindeutigen Angaben hinsichtlich einer besonderen Probenform.

Bekannt ist schließlich eine in einer Versuchseinrichtung nach Rivlin und Saunders verwendete rechteckige ebene Probe für gummiartige Materialien (Rivlin, R.S., and D.W. Saunders: Large elastic deformations of isotropic materials, VII. Experiments on the deformation of rubber. Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A 243, 251 bis 288 (53, 55, 57, 67, 93, 95)). Wie Fig. 3 der Zeichnung zeigt, erfolgt am Rande der rechteckigen ebenen Probe an diskreten Punkten die Krafteinleitung. Diese Versuchsanordnung ist nur bei Materialien sinnvoll, die in der Lage sind, die an den Lasteinleitungselementen auftreten­ den Spannungsspitzen auszuhalten, z.B. gummiartige Materia­ lien. Bei Tiefziehblechen ist diese Versuchsanordnung nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kreuzförmige, ebene Probe aus Blech gemäß der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, daß bei einer zweiachsigen Beanspruchung der Probe homogene Spannungs- und Verzerrungs­ zustände im Meßbereich erzielt werden, um Stoffgleichungen der sogenannten einfachen Stoffe zu klassifizieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.

Das Ausbilden von Schlitzen in den die Lasteinleitungselemente bildenden Probenarmen macht das Erreichen eines homogenen Spannungszustandes im Meßgebiet möglich, da durch die Anordnung der Schlitze in den Lastein­ leitungselementen ein Ausweichen der Spannungstrajektorien im Mittelbereich der Probe verhindert wird. Das erfindungsgemäße Verstärken der Probenarme macht es möglich, daß auch bei Kreuzproben aus Tiefziehstählen große plastische Ver­ formungen im Meßbereich erzielbar sind. Ohne Zusatzmaßnahmen zur Verstärkung der Probenarme würden bei Tiefziehstählen bei annähernd gleichen Zugkräften in beiden Richtungen die Probenarme große plastische Dehnungen erleiden, ehe das Meßgebiet plastizieren würde.

Zur Verstärkung der Probenarme können Arme aus höherfestem Material angeschweißt, Zusatz­ materialien zur geometrischen Verstärkung der Probenarme auf diese aufgebracht oder die Probenarme durch Abwalzen zur Anhebung der Fließgrenze kaltverfestigt werden.

Es zeigt

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine geschlitzte schematische Kreuzprobe,

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Kreuzprobe nach Fig. 4, wobei der Verlauf der Spannungstrajektorien bei einachsiger Zugbelastung parallel zur X-Koordinate gezeigt ist,

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine geschlitzte Kreuzprobe mit angeschweißten Armen aus höherfestem Material,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine geschlitzte Kreuzprobe mit geometrischer Verstärkung der Probenarme,

Fig. 8 eine Stirnansicht der Ausführungsform der Kreuzprobe nach Fig. 7,

Fig. 9 eine Stirnansicht einer Kreuzprobe mit abgewalzten Probenarmen.

Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf die Kreuzprobe 1 in schematischer Darstellung, deren Probenarme 5 Lasteinleitungselemente mit der Länge l und der Breite a bilden. Die Lasteinleitungselemente 5 weisen Schlitze 6 auf, die sich bis an den Meßbereich 3 der Kreuz­ probe 1 erstrecken. Wie Fig. 5 verdeutlicht, verlaufen die Spannungstrajektorien 4 in der geschlitzen Kreuzprobe 1 unter einachsiger Zugkraft F parallel zur X-Koordinate im Meß­ bereich 3 der Kreuzprobe 1.

Fig. 6 zeigt die Draufsicht einer Ausführungsform der Kreuz­ probe 1, deren die Lasteinleitungselemente bildende Proben­ arme 5 an das Meßgebiet 3 der Kreuzprobe 1 angeschweißt sind, und aus höherfestem Material als der Mittenbereich 3 der Kreuz­ probe 1 bestehen, wodurch eine Versteifung der Probenarme 5 gegeben ist, die jeweils zu ihrer Längsrichtung parallel verlaufende Schlitze 6 aufweisen. Die Schlitze 6 erstrecken sich von einem Teil 7, der in die Spannbacke einer Prüfein­ richtung einspannbar ist, bis an den Meßbereich 3 der Kreuz­ probe 1 und sind somit kürzer als die Länge des Probenarms 5. Die Schlitze 6 sind über die Breite (a) jedes Probenarms 5 im gleichen Abstand voneinander angeordnet, wobei die zu den Längskanten 8 des Probenarms benachbarten Schlitze 6 eben­ falls den Abstand c von den Längskanten 8 aufweisen.

Aus den Fig. 7 und 8 geht eine andere Ausführungsform der Kreuzprobe 1 hervor, bei der die Probenarme 5 durch aufge­ brachtes Zusatzmaterial verstärkt sind. Das Zusatzmaterial ist in Form von Stegen 9 beidseitig der Probenarme 5 aufge­ bracht, wobei die Stege 9 parallel zu den Schlitzen 6 zwischen diesen sowie zwischen den Längskanten 8 der Proben­ arme 5 und den benachbarten Schlitzen 6 verlaufen. Die Breite der Stege 9 aus Zusatzmaterial ist geringer als der Abstand c zwischen den Schlitzen 6. Im Meßgebiet 3 dieser Kreuzprobe 1 sind bei einer zweiachsigen Materialprüfung ebenfalls homo­ gene Spannungs- und Dehnungszustände gegeben.

Bei der Ausführungsform der Kreuzprobe 1 nach Fig. 9 sind die Probenarme 5 zur Anhebung der Fließgrenze von der Dicke d₀ des Mittenbereichs 3 der Kreuzprobe 1 auf die Dicke d (d<d₀) abgewalzt und somit zur Verstärkung kaltverfestigt worden. Auch bei dieser Ausführungsform der Kreuzprobe sind unter zweiachsiger Beanspruchung im Meßgebiet 3 homogene Spannungs- und Verzerrungszustände erreichbar.

Liste der Bezugszeichen

1 Kreuzprobe
2 Zugglieder
3 Meßgebiet, Mittenbereich der Kreuzprobe
4 Spannungstrajektorien
5 Probenarme, Lasteinleitungselemente
6 Schlitze
7 einspannbarer Teil des Probenarms
8 Längskanten des Probenarms
9 Stege aus Zusatzmaterial
l Länge des Probenarms
a Breite des Probenarms
c Abstand der Schlitze
d Dicke des abgewalzten Probenarms
d₀ Dicke des Mittenbereichs
F₁, F₂ Kräfte

Claims (5)

1. Kreuzförmige, ebene Probe aus Blech, für eine zweiachsige Materialprüfung im Bereich großer Dehnung, mit vier Lasteinleitungselemente bildenden Armen, deren eines Ende jeweils einen ein Meßgebiet bildenden Mittenbereich der Probe begrenzt, deren anderes Ende jeweils in einer Spannbacke einer Prüfeinrichtung einspannbar ist und über die in der Ebene der Probe sowohl längs einer ersten Koordinate (X) als auch längs einer zu dieser senkrechten zweiten Koordinate (Y) jeweils einander entgegengesetzte Zugbelastungen einleitbar sind, und mit Schlitzen in den Lasteinleitungselementen, die parallel zur X- bzw. Y- Koordinate verlaufen und sich bis zum Meßgebiet erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungselemente (5) aus höherfestem Material als dem des Mittenbereichs (3) der Probe (1) bestehen.

2. Kreuzförmige, ebene Probe aus Blech, für eine zweiachsige Materialprüfung im Bereich großer Dehnung, mit vier Lasteinleitungselemente bildenden Armen, deren eines Ende jeweils einen ein Meßgebiet bildenden Mittenbereich der Probe begrenzt, deren anderes Ende jeweils in einer Spannbacke einer Prüfeinrichtung einspannbar ist und über die in der Ebene der Probe sowohl längs einer ersten Koordinate (X) als auch längs einer zu dieser senkrechten zweiten Koordinate (Y) jeweils einander entgegengesetzte Zugbelastungen einleitbar sind, und mit Schlitzen in den Lasteinleitungselementen, die parallel zur X- bzw. Y- Koordinate verlaufen und sich bis zum Meßgebiet erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungselemente (5) durch darauf aufgebrachtes Zusatzmaterial verstärkt sind.

3. Kreuzprobe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial zwischen den Schlitzen (6) sowie zwischen den Längskanten (8) der Lasteinleitungselemente (5) und den benachbarten Schlitzen (6) der Lasteinleitungselemente (5) in Form von über deren Länge verlaufenden Stegen (9) aufgebracht ist.

4. Kreuzprobe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Stege (9) aus dem Zusatzmaterial geringer als der Abstand (c) zwischen den Schlitzen (6) der Lasteinleitungs­ elemente (5) ist.

5. Kreuzförmige, ebene Probe aus Blech, für eine zweiachsige Materialprüfung im Bereich großer Dehnung, mit vier Lasteinleitungselemente bildenden Armen, deren eines Ende jeweils einen ein Meßgebiet bildenden Mittenbereich der Probe begrenzt, deren anderes Ende jeweils in einer Spannbacke einer Prüfeinrichtung einspannbar ist und über die in der Ebene der Probe sowohl längs einer ersten Koordinate (X) als auch längs einer zu dieser senkrechten zweiten Koordinate (Y) jeweils einander entgegengesetzte Zugbelastungen einleitbar sind, und mit Schlitzen in den Lasteinleitungselementen, die parallel zur X- bzw. Y- Koordinate verlaufen und sich bis zum Meßgebiet erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungselemente (5) zur Verstärkung durch Abwalzen kaltverfestigt sind, wobei ihre Fließgrenze angehoben ist.