DE565467C - Verfahren und Einrichtung zur Messung der inneren Energieaufnahme von Materialien - Google Patents

Description

• Verfahren und Einrichtung zur Messung der inneren Energieaufnahme von Materialien Bei der Beanspruchung von Materialien durch beliebige Kräfte und bei den hierdurch erzeugten Deformationen wird ein bestimmter Teil der aufgewendeten Arbeit im Material vernichtet. Diese Erscheinung macht sich durch eine Erhöhung der Temperatur des Materials besonders bemerkbar, wenn -das Material wiederholten Belastungen ausgesetzt wird.
• Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Temperatur eines Probekörpers aus dem zu untersuchenden Material in Abhängigkeit von der Beanspruchung zu messen, um auf diese Weise einen Rückschluß auf die inneren Vorgänge zu gewinnen, und zwar insbesondere dadurch, daß die von dem belasteten Probekörper abgegebene, Wärmemenge mit der Wärmemenge verglichen wird, die bei unbelastetem Probekörper von einer Wärmequelle in dem Probekörper erzeugt wird, oder dadurch, daß der Temperaturanstieg des den Probestab umgebenden Kühlmittels gemessen wird. Um zu einer genauen Messung der im Probekörper verbrauchten inneren Energieaufnahme zu gelangen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die von dem belasteten Probekörper abgegebene Wärmemenge mit der Wärmemenge zu vergleichen, die bei belastetem Probekörper in einem besonderen Vergleichskörper erzeugt wird. Am einfachsten ist hierbei, in an sich bekannter Weise die leicht meßbare Leistung des elektrischen Stromes zum Vergleich zu wählen. Die Ausführung der Messungen ist in verschiedenen Anordnungen möglich. In Abb. z ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, während sich die Abb. i und 3 auf bekannte Anordnungen beziehen.
• In dem in Abb. i dargestellten bekannten Vorschlag bedeutet i einen Probekörper, hier beispielsweise einen Stab, der, um die Vorstellung zu fixieren, am oberen Ende fest eingespannt sei und am unteren Ende in periodischem Wechsel tordiert werde. Der Probestab erwärmt sich infolgedessen so lange, bis ein Temperaturgleichgewicht mit der Umgebung eintritt, bis also die erzeugte Wärme durch Wärmeverluste infolge Leitung, Strahlung usw. verlorengeht. Um das Temperatursystem genau zu fixieren, wird der Probestab vorteilhaft mit einem möglichst wärmeundurchlässigen Gefäß (Kalorimeter) z umgeben, wobei dieses Gefäß mit einer Flüssigkeit gefüllt werden kann. Sind T1 und T= die Temperaturen am Anfang und Ende des Versuches, bedeutet W ferner den Wasserwert des Kalorimeters und t die Versuchsdauer, so ist: W (T2-Tl)-K. h. T.
• Hierauf wird der ruhende Probestab durch einen elektrischen Strom erwärmt. Bedeutet i hierbei die Stromstärke und e die Spannung am Probestab, so gilt die Gleichung-W (T2 -T1) - 0,24 # e. i. t..
• Aus diesen beiden Gleichungen kann W eliminiert und K in e und i ausgedrückt werden. Die Elimination von W ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil der Probestab nicht völlig im Kalorimeter untergebracht werden kann, da er an den beiden Enden in die Prüfmaschine eingespannt ist, so daß sich unkontrollierbare Einflüsse ergeben, die durch die Vergleichsmessung herausfallen.: - --Der Widerstand des Probekörpers ist im allgemeinen sehr niedrig, so daß hohe Stromstärken zur Erwärmung nötig werden. Um diese Unbequemlichkeit zu umgehen, kann im Kalorimeter eine besondere Heizspule angebracht werden, durch welche eine meßbare Energiemenge dem Kalorimeter zugeführt wird. In Abb. i bedeutet beispielsweise 3 eine solche Heizspule, die aus der Stromquelle 4. gespeist wird. Mit Hilfe des Widerstandes 5 wird die Stromstärke reguliert. 6 und y sind Instrumente zur Messung von Stromstärke und Spannung. Besteht die Heizspule aus einem Material, das eine kleine Temperaturabhängigkeit des Widerstandes zeigt, so kann auch zur Berechnung der Leistung der Widerstand der Heizspule mit der Stromstärke kombiniert werden.
• Ein Nachteil der bekannten Anordnung nach Abb. i besteht darin, daß, die eigentliche Materialprüfung und die.Messung der inneren Energieaufnahmefähigkeit nicht gleichzeitig, sondern -hintereinander ausgeführt werden müssen. In Abb. 2 ist die Anordnung nach der Erfindung dargestellt, die diesen Nachteil vermeidet, Es können mit ihr gleichzeitig die üblichen :Belastungsversuche und Energieaufnahmemessungen gemacht werden. Es bedeuten 2 und 8 zwei Kalorimeter von genau abgeglichenem Wasserwert, Wärmeverlusten usw. Das Kalorimeter 2 enthält,den Prüfkörper i, der den Belastungen ausgesetzt wird. Das Kalorimeter 8 enthält einen Heizkörper 3. dessen Strom durch den Widerstand 5 reguliert wird. Die Temperatur ' in den beiden Kalorimetern 'bei Minium wird durch zwei Thermoelementeg und io gemessen, deren Spannungen in bekannter Weise über das Galvanometer i i gegenein , ander geschaltet sind. Der Widerstand 5 wird nun so einreguliert, daß der Ausschlag des Galvanometers verschwindet. Die in der Spule 3 verbrauchte Leistung z2 w kann dann -der inneren Energieaufnahmefähigkeit des Probestabes i gleichgesetzt werden.
• Die beschriebenen Anordnungen, besonders diejenigen mit besonderem Kalorimeter, haben den Vorteil, daß die im Probestab erzeugte Wärme zur Erhöhung der Temperatur im Kalorimeter benutzt wird und nur zum geringen Teil durch Wärmeverluste verlorengeht. Hierdurch ist die Möglichkeit gegegeben, sehr kleine Wärmemengen mit ger ügender Genauigkeit zu messen. Bei sehr schnellen oder sehr starken Belastungswechseln dagegen würde die Temperatur des Probestabes auf Werte steigen, bei denen die Eigenschaften des Materials sich merklich verändern.
• Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt nun darin, daß die innere Energieaufnahme in an sich bekannter Weise auch bei stark künstlich gekühltem Probestab gemessen werden kann. In Abb. 3 ist die entsprechende bekannte Einrichtung gezeichnet. Es bedeutet i den Probestab, der von einem engen Rohr i :z umgeben ist. Durch dieses Rohr wird eine Kühlflüssigkeit, die bei 13 ein- und bei 1q. austritt, geleitet. Wird nun der Probestab Belastungen ausgesetzt, so erwärmt sich die Kühlflüssigkeit und weist im Beharrungszustand bestimmte Ein- und Ausgangstemperaturen auf. Hierauf wird der ruhende Probestab durch elektrischen Strom erwärmt, bis die Erwärmung der Kühlflüssigkeit denselben Wert annimmt. Die im Probestab durch die Belastungen erzeugte Wärmemenge ist der elektrischen Energie gleichzusetzen, wobei unkontrollierbare Wärmeverluste keine Rolle spielen. Um einen eventuellen Einfluß der Reibungsarbeit der Flüssigkeit am Probestab zu eliminieren, werden Flüssigkeiten mit verschiedenen Reibungskoeffizienten gebraucht: Ferner kann zur elektrischen Erwärmung ein besonderer Heizwiderstand im Rohr-i2 vorgesehen werden.
• Um gleichzeitig während. des Belastungsversuches die innere Energieaufnahmefähigkeit messen zu können,. kann ähnlich wie in Abb.2 ein besonderes Heizrohr vorgesehen werden, so daß wieder eine bequeme Differentialmessung möglich ist.
• Mit einer derartigen Anordnung ist es also möglich, die innere Energieaufnahmefähigkeit eines Materials bei annähernd gleichbleibender Temperatur und gleichbleibenden Belastungsverhältnissen festzustellen. Es ist dies deshalb von besonderer Wichtigkeit, da die innere Energieaufnahmefähigkeit sowohl von der Temperatur als auch von den Belastungsverhältnissen in sehr staikem Maße abhängig ist:

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Messung der inneren Energieaufnahme von Werkstoffen bei periodischer Belastung, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem belasteten Probekörper abgegebene Wärmemenge mit der Würmemenge verglichen wird, die eine Wärmequelle, z. B. ein elektrischer Strom, in einem besonderen Vergleichskörper erzeugt.
2. 2. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daB der Probekörper und der Vergleichskörper in gesonderten Kalorimetern angeordnet sind und die in cliesen entweder an den Körpern selbst oder innerhalb der diese Körper umgebenden Gasatmosphäre oder strömenden Flüssigkeit - vorgesehenen Temperaturmeßgeräte in an sich bekannter Weise in Differentialschaltung zueinander geschaltet sind.