DE602004010264T2 - Vorrichtung zur verbesserten selbstwiderstandsheizung fur einen dynamische materialtest und ein darin anzuwendendes verfahren - Google Patents

Vorrichtung zur verbesserten selbstwiderstandsheizung fur einen dynamische materialtest und ein darin anzuwendendes verfahren Download PDF

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Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein begleitendes Verfahren zur Verwendung darin zur Verwendung in einer herkömmlichen dynamischen thermomechanischen Materialprüfanlage, um vorteilhaft eine verbesserte Selbstwiderstandserwärmung für eine Probe bereitzustellen, die eine größere Temperaturgleichmäßigkeit in einer zu prüfenden Probe hervorbringt als zuvor erreicht wurde.
  • Vorteilhaft findet die vorliegende Erfindung in einer herkömmlichen dynamischen mechanischen Materialprüfanlage Anwendung, um eine Prüfprobe über ihr gesamtes Volumen gleichmäßig mittels Selbstwiderstand zu erwärmen. Solch eine Erwärmung kann gesteuert und mit einem mechanischen Prüfprogramm synchronisiert werden, zum Beispiel mit einer vordefinierten Reihe von mechanischen Verformungen, um der Probe ein gewünschtes thermomechanisches Prüfprogramm zur Verwendung in einer physikalischen Simulation und/oder anderen Materialprüfanwendungen bereitzustellen.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Metallische Materialien spielen eine unverzichtbare Rolle als eine wesentliche Komponente einer großen Anzahl an
  • unterschiedlichen Produkten und nehmen somit einen äußerst bedeutenden Teil der Weltwirtschaft ein. Deshalb müssen während der Herstellung verschiedene Eigenschaften und Kosten dieser Materialien sorgfältig kontrolliert werden, um ihre Nutzbarkeit und ihren Wert in einer gegebenen Anwendung zu maximieren.
  • Unterschiedliche Metallmaterialien besitzen stark variierende mechanische, metallurgische und andere Eigenschaften. Unterschiedliche Anwendungen machen die Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften erforderlich. Die spezifischen Eigenschaften, die von einem Material zur Verwendung in einer gegebenen Anwendung erfordert werden, werden zunächst durch Auswahl eines spezifischen Materials, das angemessene Werte dieser Eigenschaften aufweist, bestimmt.
  • Während der anfänglichen Herstellung werden metallische Materialien im Allgemeinen in Platten oder Rohblöcke geformt und dann davon ausgehend mittels zum Beispiel herkömmlicher Walz-, Schmiede- und/oder Extrudiervorgänge in Bleche, Stäbe oder Rollen steuerbar verformt. Allerdings kann das korrekte Konfigurieren eines Walzwerks, einer Schmiede oder eines Extruders, um ein Herstellungsmaterial geeignet zu verformen und dem Material die gewünschten physikalischen und/oder metallurgischen Eigenschaften zu verleihen, ein langwieriger, zeitaufwendiger und kostenintensiver Prozeß sein, insbesondere weil eine Herstellungsmaschine für eine längere Zeit außer Betrieb genommen werden muß, um ihre Betriebsparameter geeignet einzustellen. Folglich lehrt der Stand der Technik zur Vermeidung solcher Ausfallzeiten das allgemeine Konzept des Bestimmens der fraglichen Eigenschaften durch Prüfen relativ kleiner Proben jedes solchen berücksichtigten Materials. Eine solche Technik dafür ist die so genannte "physikalische Simulation". Im Idealfall ermöglicht diese Technik durch die Verwendung einer dynamischen Materialprüfanlage, daß jede Probe eine angemessene mechanische Verformung und gegebenenfalls eine gleichzeitige thermische Verarbeitung durchmacht, die insgesamt und so genau wie möglich in einer Umgebung im kleinen Umfang Formänderungen und andere Phänomene nachahmen, die das gleiche Material (jedoch in einem weit größeren Umfang) durch einen tatsächlichen Herstellungsvorgang wie Walzen, Extrusion oder Schmieden durchmachen würde. Solche Simulationen ermöglichen, wenn sie genau ausgeführt werden, daß geeignete Betriebsparameter der entsprechenden Herstellungsmaschinerie ohne weiteres bestimmt werden und gleichzeitig unproduktive Ausfallzeiten und die verbundenen hohen Kosten minimiert werden.
  • Eine wesentliche Eigenschaft von metallischen Materialien ist ihre Fähigkeit zum Leiten von Elektrizität. Ohne den Betrieb bei superleitenden Temperaturen besitzt ein metallisches Objekt einen Widerstand gegen einen Stromfluß proportional zu seiner Länge und seinem Widerstand und umgekehrt proportional zu seiner Querschnittsfläche. Auf Grund seines Widerstands erzeugt das Objekt Wärme, immer wenn ein elektrischer Strom dort hindurch geleitet wird. Diese Form von Erwärmung, das heißt, die so genannte „Selbstwiderstandserwärmung", findet in einem breiten Spektrum an unterschiedlichen Anwendungen Verwendung. In dem hier relevanten Maße können dynamische thermomechanische Materialprüfanlagen die Selbstwiderstandserwärmung anwenden, um jeder Probe vor ihrer Verformung ein gewünschtes Wärmeprofil zu verleihen, um Materialtemperaturen, die während eines Herstellungsvorgangs erfahren werden, genauer zu simulieren.
  • Im allgemeinen wird in einer herkömmlichen dynamischen thermomechanischen Materialprüfanlage eine Druckprobe zwischen zwei Ambossen gehalten oder, im Falle einer Zugprobe, an jedem ihrer Enden in ein Klemmbackensystem gefaßt. Da die folgende Erörterung gleichermaßen sowohl für Druck- als auch Zugprüfungen gilt, wird diese Erörterung der Einfachheit halber auf die Druckprüfung begrenzt.
  • Für die Druckprüfung liegt die Probe in der Regel in Form zum Beispiel eines kleinen Zylinders eines gegebenen Materials vor und weist eine im wesentlichen gleichmäßige kreisförmige Querschnittsfläche auf. Solche Proben können in der Ordnung von zum Beispiel 10 mm Durchmesser und 15 mm Länge liegen; nichtsdestotrotz werden ohne weiteres auch andere Größen benutzt. Ein elektrischer Strom wird von einem Amboß zu einem anderen seriell und somit im allgemeinen quer von einem Ende zum anderen Ende durch die Probe geleitet, um eine schnelle, jedoch gesteuerte Erwärmungsrate in der gesamten Probe zu erzeugen. Gleichzeitig werden verschiedene Messungen an der Probe vorgenommen. In Abhängigkeit von den spezifischen vorgenommenen Messungen kann die Probe eine gesteuerte Druckverformung durchmachen oder nicht, während sie erwärmt wird. Wenn die Probe verformt werden soll, dann kann diese Verformung durch Bewegen einer der zwei Ambosse bei einer gesteuerten Geschwindigkeit in bezug auf den anderen erreicht werden, um die Probe zusammenzudrücken, indem der Probe eine Druckkraft verliehen wird. Dieser Prozeß kann bei verschiedenen Verformungsmengen und -raten mehrere Male wiederholt werden, um der Probe eine Abfolge unterschiedlicher Verformungen zu verleihen, wodurch sich unterschiedliche und zunehmende Formänderungsmengen in der Probe ergeben. Physikalische Messungen wie zum Beispiel Probenerweiterung und -temperatur werden in der Regel vorgenommen, während Erwärmen oder Abkühlen und Verformung gleichzeitig stattfinden. Diese Prüfung offenbart nicht nur verschiedene statische Eigenschaften des Probenmaterials selbst, wie seine kontinuierliche Erwärmungstransformationskurve, sondern auch verschiedene dynamische Eigenschaften wie zum Beispiel Wärmebelastung gegenüber Formänderungsraten und Wärmedehnbarkeit, wobei die dynamischen Eigenschaften bei der Quantifizierung des Verhaltens des Materials besonders nützlich sind, das während der Walz-, Schmiede-, Extrusions- oder anderer Materialformungs- und/oder Verbindungsvorgänge wahrscheinlich auftreten. Eine Anlage, die eine ausgezeichnete dynamische thermomechanische Prüfung bereitstellt, ist die GLEEBLE-3500-Anlage, die von Dynamic Systems, Inc. of Poestenkill, New York, hergestellt wird (die auch Inhaberin der eingetragenen Marke „GLEEBLE" ist und die vorliegende Bevollmächtigte ist). Vorteilhaft erwärmt diese Anlage die Probe mittels Selbstwiderstand, um quer verlaufende, im wesentlichen isotherme Ebenen entlang der gesamten Probe zu erzeugen, das heißt, das Probenmaterial in jeder Ebene wird gleichmäßig erwärmt, während Strom der Länge nach durch diese Ebene der Probe strömt. Folglich ist die Dichte des elektrischen Heizstroms in diesem Querschnitt relativ gleichmäßig und bewirkt als solche eine im wesentlichen gleichmäßige Erwärmung über diesen gesamten Querschnitt. Beispiele solcher Anlagen sind in den folgenden US-Patentschriften beschrieben, die alle durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden: 6,422,090 (erteilt an H. S. Ferguson am 23. Juli 2002); 5,195,378 (erteilt an H. S. Ferguson am 23. März 1993) und 5,092,179 (erteilt an H. S. Ferguson am 3. März 1992). Siehe auch US 5315085 (erteilt an H.S Ferguson am 24. Mai 1994).
  • In solchen Anlagen müssen die Ambosse den relativ großen Kräften standhalten, die der Probe verliehen werden, ohne sich selbst nennenswert zu verformen. Somit sind diese Ambosse physikalisch viel größer und bedeutend massiver als die Proben. Folglich erreichen die Ambosse für eine gegebene Menge an Selbstwiderstands-Heizstrom, der seriell sowohl durch die Ambosse als auch die Probe strömt, eine viel niedrigere Temperatur als die Probe. Demzufolge erscheinen von einem Ende zum anderen Ende entlang der Probe längs verlaufende Temperaturgradienten, wobei ein zentraler Arbeitsbereich der Probe am heißesten ist und die Probentemperatur zu jedem Amboß abfällt – selbst wenn die Selbstwiderstands-Heizströme das Auftreten von im wesentlichen isothermen Ebenen quer verlaufend über die Probe bewirken. Diese Gradienten begrenzen den Arbeitsbereich der Probe tendenziell auf ihren zentralen Bereich, wodurch die effektive Länge der Probe vermindert wird, und zwar aus dem einfachen Grunde, daß der heißere Arbeitsbereich tendenziell zunehmend weich wird und sich verformt, bevor dies die kühleren Bereich nahe der Probenenden tun. Dies wiederum schränkt tendenziell die maximale Menge, um welche die Probe während jeder Verformung zusammengedrückt werden kann, und somit die maximale Formänderung und Formänderungsrate ein, die der Probe verliehen werden könnte.
  • Um diese längs verlaufenden Gradienten zu beseitigen, können herkömmliche Amboßanordnungen selbst erwärmt oder getrennt erwärmt werden. Leider wäre die Erwärmungszeit der Ambosse auf Grund der relativ großen Masse der Ambosse im Vergleich zu der Probe bedeutend länger als diejenige der Probe, was wiederum eine maximale Rate einschränkt, bei welcher die Probe erwärmt werden könnte. Dies wiederum verlangsamt die thermische Reaktion der gesamten Anlage und ist insbesondere problematisch, wenn für ein gegebenes thermomechanisches Programm mehr als eine Prüftemperatur erforderlich ist, das heißt, jede aufeinanderfolgende Verformung („Stoß") bei einer unterschiedlichen Probentemperatur ausgeführt wird. Spezifisch erfordert dies, daß die Ambosse bei jeder dieser aufeinanderfolgenden programmierten Temperaturen ein thermisches Gleichgewicht erreichen, bevor jeder Stoß stattfindet. Je nach den beteiligten Temperaturabweichungen könnten die erforderlichen Amboßerwärmungs- oder -abkühlzeiten die Gesamtreaktion der Anlage drastisch verlangsamen. Ein modernes Materialherstellungsgerät wie mehrstufige Walzwerke verformen Materialien häufig dynamisch bei relativ hohen Geschwindigkeiten. Folglich könnte jegliche nennenswerte Verminderung hinsichtlich der Reaktion der Prüfanlage wie diejenigen, die durch Einschränkungen auferlegt werden, die mit den Amboßerwärmungs- und -abkühlraten verbunden sind, die Herstellungsprozesse, die durch solche Anlagen genau simuliert werden könnten, schwerwiegend und nachteilig einschränken, wodurch die Attraktivität und Kosteneffizienz, die durch die Verwendung solcher Anlagen anderenfalls erreicht werden könnte, potentiell verringert werden.
  • Da derzeit zunehmend Hochgeschwindigkeits-Herstellungsprozesse in der Industrie eingesetzt werden, ist in jüngerer Zeit ein begleitender Bedarf dahingehend entstanden, daß herkömmliche Materialprüfanlagen den Proben zunehmend höhere Mengen an Formänderung und Formänderungsraten verleihen. Aus diesem Grund besteht im Stand der Technik ein Bedarf an einem anderen Ansatz, der in solchen Anlagen angewendet werden kann, um das Auftreten von längs verlaufenden Temperaturgradienten in mittels Selbstwiderstand erwärmten Prüfproben, die in Ambossen (und Klemmbackenanordnungen) gehalten werden, im wesentlichen, wenn nicht sogar vollkommen zu beseitigen. Im Idealfall sollte solch ein Ansatz die Reaktion der Anlage nicht nennenswert verlangsamen, sondern noch immer isotherme Ebenen in den Proben hervorbringen.
  • Um diesen Bedarf zu erfüllen, lehrt der Stand der Technik einen Ansatz, um diese Temperaturgradienten im wesentlichen zu beseitigen; nämlich durch Erzeugen von ausreichend Selbstwiderstandswärme innerhalb jedes Ambosses, um sich ungefähr an diejenige anzugleichen, die anderenfalls aus der Probe in den Amboß fließen würde. Dies würde wiederum einen großen Teil, wenn nicht sogar im wesentlichen die gesamte Temperaturdifferenz beseitigen, die anderenfalls zwischen einer oberen Oberfläche des Ambosses und dem Probenvolumen auftreten würde, und somit das Auftreten sämtlicher längs verlaufender Temperaturgradienten in der Probe ausschließen.
  • Zur Ausführung dieses Ansatzes lehrt der Stand der Technik, daß jeder Amboß aus einem Amboßstapel gebildet sein kann, der zylindrisch geformte obere und untere Glieder aufweist, die durch ein Folienzwischenstück getrennt sind, das im Vergleich zu dem Amboß einen relativ hohen Widerstand hat. Die Seiten des Amboßstapels sind elektrisch und thermisch von ihrer Stützstruktur durch ein geeignetes Isolierglied, in der Regel ein Keramikgeweberohr oder eine steife Keramikhülse, isoliert. Als Folge und während eines halben Zyklus angelegten Stroms fließt der Selbstwiderstands-Heizstrom von dem Stützelement nach oben durch eine Basis des Amboßstapels, durch das Folienzwischenstück mit hohem Widerstand, durch einen Amboßoberteil und in das Probenende (und in eine entgegengesetzte Richtung während eines nachfolgenden Halbzyklus angelegten Stroms). Da der Widerstand des Folienzwischenstücks im Vergleich zu dem Amboß relativ hoch ist, bewirkt der Durchfluß des Heizstroms durch das Folienzwischenstück, daß es sich mittels Selbstwiderstand erwärmt, wobei sich die Wärme durch den gesamten Amboß, einschließlich des Amboßoberteils, ausbreitet. Das Folienzwischenstück ist in der Regel aus einem Stapel gebildet, der eine vordefinierte Anzahl an Graphitscheiben aufweist, wobei jede Scheibe einen ungefähren Durchmesser des Ambosses und eine gegebene Dicke aufweist, um einen gewünschten Widerstand bereitzustellen. Leider sind die Graphitscheiben, wenn sie den recht hohen Aufschlagkräften ausgesetzt werden, die während jedes Stoßes auf den Amboßstapel übertragen werden, recht nachgiebig und neigen dazu, sich von einer Scheibe zur nächsten mit jedem Schlag ungleichmäßig zu verformen. Hieraus folgt, daß sich der angrenzende elektrische Kontakt zwischen den Graphitscheiben sowie der Widerstand jeder Scheibe mit jedem Stoß verändern, was wiederum den Durchfluß des Heizstroms und somit die Erwärmung der Probe nachteilig beeinflußt.
  • Aus diesem Grund besteht im Stand der Technik noch immer ein Bedarf an einem Ansatz zur Anwendung in einer dynamischen thermomechanischen Materialprüfanlage, der das Auftreten von Temperaturgradienten in einer zu prüfenden Probe effektiv und im wesentlichen, wenn nicht sogar vollständig beseitigen kann und gleichzeitig noch immer ermöglicht, daß isotherme Ebenen in der Probe auftreten, jedoch, wenn überhaupt, ohne eine nennenswerte Verformung unter der hohen Aufprallkraft, die während jedes Stoßes erzeugt wird.
  • Darüber hinaus stellt eine bedeutende Anzahl an herkömmlichen, im Handel erhältlichen, dynamischen Materialprüfanlagen nur eine mechanische Verformung der Probe bereit, ohne irgendeine Fähigkeit zur Wärmeverarbeitung der Probe. Im Grund drücken diese Anlagen lediglich eine Probe zusammen, die an einem Ende und am anderen Ende zwischen zwei Ambossen gehalten wird, die sich selbst durch servohydraulische oder durch Schrauben angetriebene Betätigungselemente bewegen, um die Probe steuerbar zusammenzudrücken. Jedoch muß die zu prüfende Probe zur genauen Simulation der Herstellungsprozesse einer gesteuerten gleichmäßigen Wärmeverarbeitung unterzogen werden, die mit dem Auftreten der mechanischen Verformungen synchronisiert ist. Als solche müssen diese Anlagen durch die Hinzufügung einer geeigneten Vorrichtung derart modifiziert werden, daß sie die Fähigkeit zur Bereitstellung einer genauen Probenerwärmung mittels Selbstwiderstand besitzen, die über die zu prüfende Probe isotherme Ebenen erstellt, ohne jedoch zu bewirken, daß entlang dieser Probe nennenswerte, falls überhaupt, längs verlaufende Temperaturgradienten auftreten. Auch hier sollte sich diese Vorrichtung in keinem nennenswerten Maße, falls überhaupt, unter der hohen Aufprallkraft, die während jedes Stoßes erzeugt wird, verformen. Folglich besteht im Stand der Technik auch ein Bedarf an der Bereitstellung dieser Fähigkeiten in solchen herkömmlichen mechanischen Prüfanlagen.
  • Sollten diese Bedürfnisse erfüllt werden, dann könnte die Attraktivität von physikalisch simulierten Hochgeschwindigkeits-Herstellungsprozessen durch eine dynamische Materialprüfanlage sehr wohl zunehmen, und zwar mit vorteilhaft wesentlichen Kosteneinsparungen, die ihren Benutzern daraus zukommen.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung überwindet die Mängel des Standes der Technik vorteilhaft durch Aufnehmen, in jede Amboßanordnung zwischen einer Amboßbasis und einem Amboßoberteil, eines Folienzwischenstücks, das mindestens eine Mehrkomponenten-Verbundschicht aufweist, wobei jede Bestandteilkomponente darin spezifische, jedoch sich voneinander unterscheidende, thermische, elektrische und mechanische Eigenschaften aufweist.
  • Diese Verbundschicht, die im allgemeinen und in ihrer bevorzugten Ausführungsform in Form einer Scheibe vorliegt, ist vorzugsweise konzentrisch ausgerichtet und beispielhaft- aus zwei Scheiben aus unterschiedlichen Materialien, jedoch der gleichen Dicke gebildet, wobei eine in die andere paßt. Eine Scheibe, die ein thermischer und elektrischer Isolator, jedoch mit einer hohen Druckkraft ist, bildet einen zentralen Abschnitt der Verbundschicht; indessen bildet die andere Scheibe, die einen elektrischen Widerstand aufweist, einen äußeren Ringabschnitt, der sich konzentrisch um und bezüglich des Umfangs angrenzend an die äußere Oberfläche des zentralen Abschnitts befindet. Elektrischer Strom fließt nur durch den äußeren Ringabschnitt und bewirkt, daß sich dieser Abschnitt mittels Selbstwiderstand erwärmt, während der zentrale Abschnitt eine hohe Stoßfestigkeit und somit einen wesentlichen Widerstand gegen Verformung bereitstellt, wodurch verhindert wird, daß sich der äußere Ringabschnitt als Folge eines Stoßes verformt. Erläuternd ist der zentrale Abschnitt aus einer Mikascheibe gebildet und der äußere Ringabschnitt ist aus einem Graphitring gebildet. Bei der Herstellung des Folienzwischenstücks mit dem geeigneten Widerstand und somit den geeigneten Erwärmungseigenschaften kann die Verbundschicht so oft wie nötig mit einer geeigneten leitfähigen Scheibe, in der Regel aus Tantal (oder einem anderen geeigneten leitfähigen Material), die zwischen aufeinanderfolgenden Verbundschichten (in Form von Scheiben) angeordnet ist, zur Verwendung innerhalb eines gegebenen Amboßstapels repliziert werden. Darüber hinaus müssen nicht alle Schichten innerhalb des Stapels die gleiche Dicke aufweisen, da eine oder mehrere sich unterscheidende Dicken aufweisen können, um den Widerstand des gesamten Folienzwischenstücks angemessen festzulegen. Auch können die Materialien, die für den zentralen Abschnitt und den äußeren Ringabschnitt verwendet werden, umgekehrt verwendet werden, so daß der zentrale Abschnitt leitfähig ist, zum Beispiel aus Graphit gebildet ist, während der äußere ringförmige Abschnitt aus einem Isoliermaterial mit hoher Festigkeit, zum Beispiel Mika gebildet ist. Die Seiten des Amboßstapels sind elektrisch und thermisch von ihrer Stützstruktur durch ein geeignetes Isolierglied, in der Regel ein Keramikgeweberohr oder eine steife Keramikhülse, isoliert.
  • Die erfinderische Amboßanordnung kann existierende Amboßanordnungen, die in herkömmlichen dynamischen thermomechanischen Materialprüfanlagen benutzt werden, einfach ersetzen, um in dem gesamten Probenvolumen eine im wesentlichen gleichmäßige Erwärmung mittels Selbstwiderstand nutzbringend und vorteilhaft bereitzustellen, die isotherme Ebenen aufweist, jedoch ohne das Auftreten von nennenswerten längs verlaufenden Temperaturgradienten und ohne eine nennenswerte Verformung, falls überhaupt, als Folge jedes Stoßes.
  • Darüber hinaus kann die erfinderische Amboßanordnung auch ohne weiteres in herkömmliche mechanische Prüfanlagen integriert werden, die keine Fähigkeit zur Wärmeverarbeitung der Probe haben, um die gleichen Vorteile bereitzustellen, die durch die Verwendung dieser Amboßanordnungen in einer dynamischen thermomechanischen Materialprüfanlage entstehen würden.
  • Hierzu wird eine getrennte Vorrichtung, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zu diesen mechanischen Prüfanlagen hinzugefügt. Die Vorrichtung weist zwei entgegengesetzte erfinderische koaxial ausgerichtete Amboßanordnungen auf, welche die Probe gemeinsam halten und durch die Ambosse eine ausreichende Kraft auf die Probe ausüben, um zu ermöglichen, daß ein Selbstwiderstands-Heizstrom seriell durch die Ambosse und die Probe zur Erwärmung der Probe fließt. Diese Vorrichtung benutzt getrennte Stützarme, von denen jeder eine entsprechende der Amboßanordnungen hält, die auf entgegengesetzten Seiten der Probe angeordnet sind. Die Vorrichtung wendet durch die Wirkung von Federn, pneumatischen Zylindern oder einer Kombination davon eine Kraft auf jeden Arm an, die ausreicht, um die Probe zwischen den entgegengesetzten Amboßanordnungen in Position zu halten und einen guten angrenzenden elektrischen Kontakt dazwischen zu erstellen, was ermöglicht, daß der Strom durch die Probe fließt, ohne im wesentlichen eine Bogenbildung zu verursachen, jedoch mit einer unzureichenden Kraft, um die Probe zu verformen, während sie erwärmt wird. Getrennte entgegengesetzte koaxial ausgerichtete Schäfte (Stossheber), die innerhalb dieser Anlagen existieren und die bislang ausgefahren wurden, um einfach die Probe selbst zusammenzudrücken, werden statt dessen steuerbar ausgefahren, um die Arme zu erfassen und sie zusammenzudrücken, wodurch die Ambosse zusammengedrückt werden, um wiederum jeden Verformungs-„Stoß” in der Probe zu erzeugen. Bei Beendigung jedes Stoßes werden diese Schäfte geeignet zurückgezogen und für den nächsten Stoß auf die Vorrichtung und somit auf die Probe vorzubereiten. Die Schäfte sind elektrisch von der Vorrichtung derart isoliert, daß der Selbstwiderstands-Heizstrom nur durch die Vorrichtungsarme, die Amboßanordnungen und die Probe steuerbar und seriell angelegt werden kann. Ein gesteuerter Stromfluß kann vor, während oder nach jedem Stoß auftreten, um das Probenvolumen zu dem geeigneten Zeitpunkt in dem Prüfverfahren angemessen und gleichmäßig auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen.
  • Die Vorrichtung, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, kann ohne weiteres in nahezu jedem beliebigen im Handel erhältlichen mechanischen Prüfsystem nachgerüstet werden, indem sie einfach, zum Beispiel innerhalb eines geeigneten Vakuumbehälters/atmosphärischen Behälters, an existierenden Stützsäulen in diesen Anlagen und vorzugsweise innerhalb eines zentralen Arbeitsbereichs der Anlage befestigt wird, um eine gleichmäßige Arbeitsverlängerung der existierenden Schäfte zu ermöglichen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Lehren der vorliegenden Erfindung sind durch Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich. Es zeigen:
  • 1 in Seitenansicht eine herkömmliche, im Handel erhältliche, servohydraulische mechanische Doppelstoßheber-Prüfanlage 100;
  • 2 in Schnittansicht entlang der Linien 2-2, die in 4 dargestellt sind, die mittels Selbstwiderstand erwärmte Amboßanordnung 200, welche die Lehren der vorliegenden Erfindung integriert;
  • 3 gemäß der vorliegenden Erfindung und in auseinandergezogener Ansicht einen beispielhaften Amboßstapel 300, der Teil der Amboßanordnung 200 ist, der in 2 dargestellt ist; und
  • 4, ebenfalls in Seitenansicht, die Vorrichtung 400, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist und die Amboßanordnung 200 aus 2 integriert und die in die herkömmliche, in 1 dargestellte Anlage integriert würde.
  • Zur Erleichterung des Verständnisses sind, wo möglich, identische Bezugszeichen verwendet worden, um identische Elemente zu bezeichnen, die den Figuren gemeinsam sind.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Nach Betrachtung der folgenden Beschreibung wird der Fachmann eindeutig feststellen, daß die allgemeinen Lehren der Erfindung ohne weiteres in Verbindung mit einer großen Vielfalt an Materialprüfanlagen benutzt werden können, einschließlich sowohl dynamischer mechanischer als auch thermomechanischer Materialprüfanlagen, die eine Prüfprobe steuerbar verformen, um zu ermöglichen, daß solche Anlagen komplexe thermische und mechanische Programme zur Verwendung bei der Simulation einer großen Vielfalt an Herstellungsverfahren und Materialanwendungen umsetzen. Der Einfachheit halber wird die vorliegende Erfindung im Kontext ihrer Integration und Verwendung in einer relativ einfachen und allgemeinen dynamischen mechanischen Materialprüfanlage erläutert. Auf der Grundlage dieser Beschreibung kann der Fachmann ohne weiteres und leicht feststellen, wie die Lehren der vorliegenden Erfindung vorteilhaft in jede beliebige einer großen Vielfalt an existierenden thermomechanischen Materialprüfanlagen integriert werden können.
  • 1 zeigt in Seitenansicht eine herkömmliche, im Handel erhältliche, servohydraulische mechanische Materialprüfanlage 100.
  • Wie dargestellt, besteht die Anlage 100 aus einem Gestell, das beispielhaft aus der Basis 101, den Säulen 102 und 102a, dem oberen Kreuzkopf 103 und dem unteren Kreuzkopf 104 gebildet ist. Die Anlage enthält auch einen unteren hydraulischen Zylinder 105 und seinen Schaft 106, einen oberen hydraulischen Zylinder 107 und seinen Schaft 108. Die Kreuzköpfe 103 und 104 sind vertikal an ihren horizontalen Enden, die nach innen zu den Säulen verlaufen, gespalten. Die Bolzen 119 und 119a und 120 und 120a, die durch ihre entsprechenden Kreuzköpfe verlaufen, befestigen den entsprechenden Kreuzkopf 103 und 104 an den Säulen.
  • Wie dargestellt, weist diese Anlage im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Anlagen, die nur einen Zylinder aufweisen, der sich gewöhnlich auf dem unteren Kreuzkopf 104 befindet, zwei hydraulische Zylinder 105 und 107 auf. Der untere Zylinder 105 ist auf einer unteren Oberfläche des unteren Kreuzkopfes 104 derart befestigt, daß der zugehörige Schaft 106 von dem Zylinder durch ein Loch (nicht spezifisch dargestellt) in diesem Kreuzkopf nach oben verläuft. Der obere Zylinder 107 ist an einer oberen Oberfläche des oberen Kreuzkopfes 103 derart befestigt, daß sein zugehöriger Schaft von diesem Zylinder durch ein Loch (ebenfalls nicht dargestellt) in dem oberen Kreuzkopf nach unten verläuft. Die hydraulischen Verbindungen 109 und 110, 111 und 112 mit geeigneten hydraulischen Schläuchen (nicht spezifisch dargestellt) verbinden jeweils die Zylinder 105 und 107 mit getrennten entsprechenden servohydraulischen Steuersystemen (ebenfalls nicht dargestellt). Diese zwei servohydraulischen Steuersysteme sind einer Art, die gewöhnlich bei der Steuerung von servohydraulischen Prüfmaschinen verwendet wird, und sind im Stand der Technik sehr gut bekannt; folglich werden sie nicht weiter im Detail beschrieben. Rückkopplungswandler 113 und 114, die jeweils an den Zylindern 105 und 107 befestigt sind, stellen den servohydraulischen Systemen zur Verwendung bei der Steuerung der Bewegung der Schäfte Schaftpositionsinformation bereit. Wenngleich diese Figur die Verwendung der servohydraulischen gesteuerten Zylinder 105 und 107 zum Positionieren der Schäfte 106 und 108 berücksichtigt, könnten diese Zylinder durch andere geeignete mechanische Betätigungselemente wie Kugelgewindespindel mit angemessenen Positionswandlern und Servosteuerystemen ersetzt werden, die zusammen eine geeignete Betätigungsgliedbewegung bereitstellen und geeignete Kräfte dadurch auf die entsprechenden Ambosse zum Verformen der Probe anwenden können.
  • Der Bereich 306, der im allgemeinen zentral angeordnet ist und sich zwischen den Säulen 102 und 102a befindet, könnte einen Vakuumbehälter/atmosphärischen Behälter (nicht spezifisch dargestellt) enthalten, wobei die erfinderische Vorrichtung innerhalb des Behälters angeordnet wäre. Als Alternative nimmt der Bereich 306a, der größer als der Bereich 306 ist, einen Teil der Säulen 102 und 102a auf und bietet Raum innerhalb des Behälters, um die erfinderische Vorrichtung an den Säulen zu befestigen. In beiden Fällen ist die Vorrichtung vertikal zwischen den Schäften 106 und 108 zentriert (das heißt, in einem ungefähr zentralen Arbeitsbereich der Anlage) und an den Säulen (entweder von innen, wie im Falle von Bereich 306a, oder von außen, wie im Falle von Bereich 306) befestigt. Eine mechanische Anlage, die nur einen hydraulischen Zylinder wie den Zylinder 105 einsetzt, würde erfordern, daß die Vorrichtung innerhalb des Bereichs 306 oder 306a vertikal versetzt ausgerichtet ist, so daß eine Amboßbefestigungsbasis, die sich gegenüber einem Ende des Schafts 106 befindet, an einem starren Schaft (der nicht spezifisch dargestellt, jedoch gut bekannt ist) und nicht an einem Stossheber, der sich auf einem Ende eines Schafts befindet, befestigt würde. In diesem Fall würde der Schaft 106 seinen Stoßheber einfach zu dem Amboß treiben, der an dem starren Schaft befestigt ist, wodurch beide Ambosse näher zueinander bewegt werden. Die Schaftkappen 115 und 116 sind jeweils an den Enden der Schäfte 108 und 106 bereitgestellt, um geeignete und entsprechende Amboßbefestigungsbasen (in dieser Figur nicht spezifisch dargestellt) anliegend in Eingriff zu bringen. Die Kappen 115 und 116 sind auf den Schäften 108 und 106 angeordnet, jedoch von diesen durch die entsprechenden Isolatoren 117 und 118 isoliert. Jeder der Schäfte 106 und 108 ist aus vorzugsweise austenitischem Edelstahl oder wärmebehandeltem 17-4-Ph-Edelstahl gebildet. Die Kappen 115 und 116 sind vorzugsweise aus wärmebehandeltem 17-4-Ph-Edelstahl gebildet. Die Isolatoren 117 und 118 sind vorzugsweise aus Glasfasern wie der Klasse G-10 gebildet, die eine angemessene Druckfestigkeit aufweisen, um einer maximalen Kraft standzuhalten, die von den servohydraulisch gesteuerten Zylindern 105 und 107 bereitgestellt wird, die an entfernten Enden der Schäfte angebracht sind.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Selbstwiderstands-Amboßanordnung 200 gemäß den erfinderischen Lehren entlang der Linien 2-2, die in 4 dargestellt und entlang einer Mittellinie der Anordnung angeordnet sind, wobei das Auftreten von fast allen, wenn nicht sämtlichen längs verlaufenden Temperaturgradienten in einer Probe verhindert wird, die von den Ambossen gehalten wird, während diese Probe einer Selbstwiderstandserwärmung ausgesetzt wird. Eine dynamische Materialprüfanlage, welche die vorliegende Erfindung benutzt, würde zwei solche Amboßanordnungen einsetzen. Da beide Anordnungen identisch sind, wird nur eine von ihnen erläutert.
  • Wie dargestellt, ist die Amboßanordnung 200 in dem Stützarm 201 befestigt. Das Amboßoberteil 240 ist auf der Amboßbasis 241 mit mindestens einem Folienzwischenstück 242 mit relativ hohem Widerstand befestigt, das sich dazwischen befindet. Das Folienzwischenstück 242 (das zur Erläuterung in 3 ausführlicher dargestellt ist und nachstehend kurz im Detail beschrieben werden wird) kann aus einer beliebigen Anzahl von unterschiedlichen Substanzen wie Graphit , Tantal, Mika oder anderen gut bekannten Materialien gebildet sein, die einen geeigneten elektrischen Widerstand und andere elektrische Eigenschaften sowie angemessene mechanische Eigenschaften aufweisen. Das genaue für das Folienzwischenstück verwendete Material sowie die Anzahl von Schichten, die das Folienzwischenstück 242 herstellen, sind nicht entscheidend. Das Amboßoberteil und die Amboßbasis sind in der Regel aus einem Material von hoher Festigkeit wie Wolframkarbid mit einem Kobaltbindemittel gebildet. Das Kobaltbindemittel ist hinsichtlich seiner Menge angemessen variiert, um die Eigenschaften des Amboßmaterials zu verändern, und liegt gewöhnlich im Bereich von 6 bis 12 Prozent eines resultierenden Verbundstoffs. Ein Verbundstoff in diesem Bereich erzeugt ein Hochtemperaturmaterial, das seine hohe Festigkeit bei relativ hohen Temperaturen bewahrt.
  • Ein resultierender Amboßstapel, der aus dem Amboßoberteil 240, der Amboßbasis 241 und dem Folienzwischenstück 242 besteht, ist mit einer sich im wesentlichen nach oben neigenden konischen Verjüngung verjüngt, um eine vertikale Befestigung, wie dargestellt, sowie eine umgekehrte Befestigung (der dargestellten entgegengesetzt) zu ermöglichen. Die im wesentlichen konische Form verleiht dem Stapel eine verbesserte mechanische Stabilität. Der Stapel wird durch einen Halter 243, vorzugsweise entweder ein Keramikgeweberohr oder eine steife Keramikhülse, zusammengehalten und weist diesen auf. Der Amboßstapel ist innerhalb eines Hohlraums 244 in dem Stützarm angeordnet. Die verjüngte Klemme 245, die eine Verjüngung aufweist, welche diejenige des Halters ergänzt, sichert den Stapel einschließlich seines Halters an dem Arm. Der Halter, sei es ein Keramikgeweberohr oder eine steife Keramikhülse, isoliert den Amboßstapel von der Klemme 245 im wesentlichen thermisch und elektrisch. Die Klemme 245 ist durch Befestigungsmittel (im allgemeinen geeignete Bolzen) 246 selbst an dem Arm 201 befestigt.
  • Der Amboßstapel wird durch serielles Durchleiten eines elektrischen Heizstroms durch die Bestandteilkomponenten des Amboßstapels und der Probe erwärmt. Um zu verhindern, daß sich das Folienzwischenstück 242, spezifisch irgendeine seiner Schichten, unter den Kräften, auf die es während jedes Stoßes trifft, verformt, ist das Folienzwischenstück 242 aus Materialien gefertigt, die hart genug sind, um einer Verformung standzuhalten, sowie in einem ausreichenden Maße der Selbstwiderstandswärme einen ausreichenden Widerstand bereitstellen, um eine, wenn überhaupt vorhanden, nennenswerte Wärmeleitung aus einem Ende der zu prüfenden Probe in den oberen Amboß zu verhindern. Die von dem Halter 243 bereitgestellte Keramikisolierung auf den Seiten des Amboßstapels ermöglicht einen Stromfluß nur durch den Arm 201, durch die Unterseite der Amboßbasis 241 und nach oben durch den Amboßstapel zu der Probe 466 (spezifisch in 4 dargestellt). Zur Verbesserung des angrenzenden elektrischen Kontakts zwischen dem Amboßstapel und der Stütze 201 befindet sich eine einzelne weiche dünne Scheibe 247, in der Regel aus Kupfer, zwischen der Amboßbasis und einer unteren Oberfläche des Hohlraums 244.
  • Das Folienzwischenstück 242, das als ein Zwischenstück zwischen dem Amboßoberteil 240 und der Amboßbasis 241 des Stapels dient, weist einen ausreichend hohen elektrischen Widerstand auf, um an dem Zwischenstück eine im wesentlichen Selbstwiderstandserwärmung zu bewirken. Bei der Erwärmung fließt Strom seriell durch den Amboß und die Probe, wobei im Idealfall genügend Wärme durch das Folienzwischenstück erzeugt wird und sich durch das Amboßoberteil 242 ausbreitet, um zu bewirken, daß sich die Temperatur des Amboßoberteils bei oder sehr nahe bei der Temperatur des Probenvolumens befindet, wodurch eine Wärmeübertragung von der Probe auf das Amboßoberteil ausgeschlossen wird. Die Temperatur des Amboßoberteils kann durch Verändern des Folienzwischenstücks 242 ohne weiteres eingestellt werden, indem einzelne Folienzwischenstückschichten hinzugefügt oder abgezogen werden und/oder das Material der Folienzwischenstückschichten verändert wird, um den Gesamtwiderstand des Folienzwischenstücks einzustellen und somit das Wärmeprofil einzustellen, das in dem Amboßoberteil erzeugt wird. Wenn der Widerstand und folglich die Konfiguration und die Materialien des Folienzwischenstücks geeignet eingestellt sind, ist das Wärmeprofil entlang der Probe relativ flach oder bei einer konstanten Temperatur, wenn die Enden der Probe mit den Ambossen (sowohl dem Amboßstapel, der sich auf einer Seite der Probe befindet, als auch seinem zugehörigen Stapel, der an ein entgegengesetztes Ende der Probe grenzt) bei der gleichen Temperatur in Kontakt stehen. Folglich beseitigt dies im wesentlichen, wenn nicht vollständig, das Auftreten jeglicher Temperaturgradienten in dem Probenvolumen und insbesondere in dem Bereich zwischen dem Arbeitsbereich einer Probe und ihrem Ende, das an eine obere Oberfläche eines entsprechenden Amboßoberteils grenzt.
  • 3 zeigt gemäß der vorliegenden Erfindung eine beispielhafte Ausführungsform des Amboßstapels 300, der Teil der Amboßanordnung 200 aus 2 ist, mit dem Folienzwischenstück 242 in auseinandergezogener Ansicht. Wie dargestellt, ist der Amboßstapel 300, wie derjenige aus 2, aus der Amboßbasis 241, dem Folienzwischenstück 242 und dem Amboßoberteil 240 gebildet, die alle innerhalb des Halters 243, der hier ein Hülsenisolator ist, enthalten sind. Diese Hülse ist beispielhaft eine Nextel-Hülse, die ein Hochtemperatur-Fasergewebeisolator ist, der den Temperaturverlust für die Klemme 245 (siehe 2) verringert und auf den Seiten des Ambosses eine elektrische Isolierung bereitstellt.
  • Gemäß den erfinderischen Lehren wurde herausgefunden und empirisch bestätigt, daß mit einer konzentrisch ausgerichteten Mehrkomponentenanordnung eine ausgezeichnete und gleichmäßige Probenerwärmung und eine hohe Stoßfestigkeit durch die Verwendung mindestens einer Verbundschicht in dem Folienzwischenstück 242 erreicht werden kann. Spezifisch ist diese Verbundschicht aus zwei Scheiben unterschiedlicher Materialien, jedoch der gleichen Dicke gebildet, wobei eine in die andere paßt. Eine Scheibe, die ein thermischer und elektrischer Isolator, jedoch mit einer hohen Druckkraft ist, bildet einen zentralen Abschnitt der Verbundschicht; indessen ist die andere Scheibe, die einen elektrischen Widerstand aufweist, angemessen geformt, um einen äußeren Ringabschnitt zu bilden, und ist konzentrisch um und bezüglich des Umfangs angrenzend an die äußere Oberfläche des zentralen Abschnitts angeordnet. Die resultierende Verbundschicht ist eine einzige massive Scheibe, die aus zwei angrenzenden konzentrisch ausgerichteten Abschnitten gebildet ist, die zusammen bedeutend unterschiedliche mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften zwischen ihren äußeren Ringabschnitten und zentralen Abschnitten aufweisen. Elektrischer Strom fließt nur durch den äußeren Ringabschnitt und bewirkt, daß sich dieser Abschnitt mittels Selbstwiderstand erwärmt, während der zentrale Abschnitt eine hohe Stoßfestigkeit und somit einen wesentlichen Widerstand gegen Verformung bereitstellt, wodurch verhindert wird, daß sich der ringförmige Abschnitt und die gesamte Verbundschicht als Folge eines Stoßes verformt und sich der Widerstand des leitenden Wegs durch den äußeren Ringabschnitt verändert. Als Alternative können die Materialien, die für den zentralen Abschnitt und den äußeren Ringabschnitt verwendet werden, ausgetauscht werden, so daß der zentrale Abschnitt einen Widerstand aufweist, zum Beispiel aus Graphit gefertigt ist, während der äußere ringförmige Abschnitt aus einem Isoliermaterial mit hoher Festigkeit, zum Beispiel Mika gebildet ist. In diesem Fall verhindert der äußere Ringabschnitt die Verformung des zentralen leitfähigen Abschnitts während jedes Stoßes. In jedem Fall sind die Größe des äußeren Rings und der Durchmesser des zentralen Abschnitts angemessen ausgewählt, um auf der Grundlage der spezifischen Materialien, die diese Abschnitte bilden, geeignete thermische, mechanische und elektrische Eigenschaften für diese Abschnitte zu erhalten
  • Wie spezifisch in 3 dargestellt, ist das Folienzwischenstück 242 aus dreischichtigen Folienzwischenstückgruppierungen 310A , 310B und 310C gebildet, von denen die Folienzwischenstückgruppierungen 310A and 310B identisch sind. Der Einfachheit halber wird spezifisch die Folienzwischenstückgruppierung 310A erläutert. Die Gruppierung 310A enthält den Ringabschnitt 313, den zentralen Abschnitt 315, die beide eine einzige Verbundschicht 320A bilden, und die Scheibe 317, die sich darüber befindet. Der zentrale Abschnitt 315, der einen Durchmesser in der Ordnung von 0,75 Zoll (ungefähr 1,9 cm) aufweist, ist beispielhaft eine massive Mikascheibe, die sowohl als thermischer als auch als elektrischer Isolator fungiert, und kann sehr hohen Druckkräften ohne Verformen standhalten. Diese Mikascheibe ist ungefähr 0,004 Zoll dick (ungefähr 0,01 cm). Der äußere Ringabschnitt 313, der die gleiche Dicke aufweist, ist aus Graphit gebildet, das einen Innendurchmesser von 0,75 Zoll und einen Außendurchmesser von ungefähr 1 Zoll (ungefähr 2,5 cm) aufweist. Die Scheibe 317 ist vorzugsweise eine massive Tantalfolienscheibe mit einem Außendurchmesser von 1 Zoll und einer Dicke von 0,004 Zoll. Die Folienzwischenstückgruppierung 310 B ist aus dem äußeren Ringabschnitt 323 und dem zentralen Abschnitt 325 (die zusammen die Verbundschicht 320B bilden) und der Scheibe 327 gebildet – die mit dem Ringabschnitt 313 und dem zentralen Abschnitt 315 (und der Verbundschicht 320A ) und der Scheibe 317 identisch sind. Die Folienzwischenstückgruppierung 310C ist mit den Folienzwischenstückgruppierungen 310 B und 310A identisch, jedoch ohne eine obere Tantalscheibe, zum Beispiel die Scheibe 327. Die resultierende Verbundschicht 320C , die als die Oberseite des Folienzwischenstücks 242 lediglich aus dem äußeren Ringabschnitt 333 und dem zentralen Abschnitt 335 gebildet ist, grenzt an eine Unterseite des Amboßoberteils 240. Die Verwendung einer Vielzahl von Folienzwischenstückgruppierungen zur Bildung des Folienzwischenstücks 242 schafft zusätzlichen Widertand und somit Erwärmung in dem Amboß. Die Dimensionen und Materialien und Anzahl einzelner Folienzwischenstückgruppierungen und die Anzahl einzelner Schichten in jeder von ihnen ist nicht entscheidend, solange das gesamte resultierende Folienzwischenstück, hier das Folienzwischenstück 242, einen ausreichenden elektrischen Widerstand aufweist, um einen angemessenen Wärmegrad innerhalb des Amboßstapels zu erzeugen, um Selbstwiderstandswärme zu versetzen, die anderenfalls von einem Ende der zu prüfenden Probe. in ihr oberes angrenzendes Amboßoberteil fließen würde. Wenngleich hier spezifisch Mika, Graphit und Tantal verwendet werden, könnten statt dessen andere Materialien mit ähnlichen elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften verwendet werden, wenngleich diese bezüglich der Größe entsprechend angepaßt werden müßten.
  • Wenngleich die Verbundschicht erläuternd als bestehend aus einer konzentrisch ausgerichteten zentralen Scheibe und äußeren Ringabschnitten dargestellt ist, die nur aus zwei Scheiben, zum Beispiel jeweils aus den Scheiben 315 und 313 gebildet sind, können darüber hinaus eindeutig auch andere Anordnungen für die Verbundschicht berücksichtigt werden, die andere Geometrien aufweisen. Eine solche Geometrie kann eine relativ große einzelne Scheibe aus leitfähigem Material wie Graphit in Betracht ziehen, die entweder kreisförmige, dreieckige und/oder geradlinige Ausschnitte dadurch aufweist, in denen Stücke von ergänzender und entsprechender Größe eines Isoliermaterials von hoher Festigkeit wie Mika angeordnet sind. Darüber hinaus können unterschiedliche Materialien in unterschiedlichen Ausschnitten angeordnet sein, um die gewünschten Eigenschaften der gesamten Verbundschicht geeignet zu verändern. Wenngleich empirisch herausgefunden wurde, daß konzentrische Anordnungen der oben beschriebenen Art für die Verbundschicht sehr zufriedenstellende Ergebnisse bereitstellen und relativ einfach herzustellen sind, wird anerkannt, daß aus anderen Verbundschichtgeometrien, seien sie konzentrisch oder nicht, die gleiche Leistung erhalten werden kann. Nichtsdestotrotz muß die wie auch immer konfigurierte resultierende Verbundschicht die notwendigen thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften im Hinblick auf elektrischen Widerstand/Isolation und/oder hohe Festigkeit besitzen, so daß der gesamte Amboßstapel die gewünschte Erwärmung, Leitfähigkeit und hohe Festigkeit gegen Stoßkräfte erbringt.
  • 4 zeigt eine Amboßanordnung 200, die in 2 zusammen mit der begleitenden Vorrichtung, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, dargestellt ist und in eine herkömmliche mechanische Prüfanlage 100, dargestellt in 1, integriert würde.
  • Die Probe wird in einer getrennten Stützvorrichtung gehalten, welche die Amboßanordnung enthält und durch die Ambosse auf die Probe eine ausreichende Kraft (in entgegengesetzte Richtungen) ausübt, um zu ermöglichen, daß ein Selbstwiderstands-Heizstrom seriell durch die Ambosse und die Probe zur Erwärmung der Probe fließt. Diese Vorrichtung benutzt getrennte Stützarme, von denen jeder eine Amboßanordnung hält, die auf gegenüberliegenden Seiten der Probe angeordnet sind. Die Vorrichtung wendet Kraft auf jeden Arm an, um die Probe zwischen den entgegengesetzten Amboßanordnungen ausreichend in Position zu halten und zu ermöglichen, daß der Heizstrom durch die Probe fließt, ohne im wesentlichen eine Lichtbogenbildung zu verursachen, jedoch mit einer unzureichenden Kraft, um die Probe zu verformen, während sie erwärmt wird. Getrennte entgegengesetzte koaxial ausgerichtete Schäfte werden dann steuerbar ausgefahren, um die Arme steuerbar zu erfassen und sie zueinander zu bewegen, um die Probe zusammenzudrücken, und erzeugen als solche jeden Verformungs-„Stoß” in der Probe. Bei Beendigung jedes Stoßes werden diese Schäfte geeignet zurückgezogen, um sich für den nächsten Stoß vorzubereiten. Da die Schäfte von der Vorrichtung elektrisch isoliert sind, kann ein Selbstwiderstands-Heizstrom steuerbar und seriell vor, während oder nach jedem Stoß durch die Vorrichtungsarme, die Amboßanordnungen und die Probe angelegt werden, um das Probenvolumen auf eine gewünschte Temperatur angemessen und gleichmäßig zu erwärmen. Da solch eine Vorrichtung in nahezu jeder beliebigen im Handel erhältlichen mechanischen Prüfanlage ohne weiteres nachgerüstet werden kann, stellt die vorliegende Erfindung solchen Anlagen einzig eine Selbstwiderstands-Erwärmungsfähigkeit bereit und erwärmt die Probe insbesondere durch die Verwendung der erfinderischen Amboßanordnung gleichmäßig, um isotherme Ebenen darin zu erzeugen, und ohne das Auftreten von, wenn überhaupt, nennenswerten Temperaturgradienten entlang der Probenlänge. Diese Vorrichtung wird in einer dynamischen Materialprüfanlage, die bereits eine Selbstwiderstands-Erwärmungsfähigkeit bereitstellt, nicht benötigt. In diesem Fall reicht die Verwendung nur der erfinderischen Amboßanordnung aus, um eine gleichmäßige Probenerwärmung zusammen mit isothermen Ebenen und ohne längs verlaufende Temperaturgradienten in dem gesamten Probenvolumen bereitzustellen.
  • Spezifisch und wie dargestellt ist die Vorrichtung 400, einschließlich der Amboßanordnung, fest, vertikal und zentral zwischen dem unteren Schaft 406 mit der Schaftkappe 416 und dem oberen Schaft 408 mit der Schaftkappe 415 befestigt. Die Schäfte 406 und 408 bewegen sich unter der servohydraulischen Steuerung in die Richtungen, die jeweils durch die Pfeile 407 und 409 dargestellt sind. Um zu verhindern, daß der Heizstrom durch die Schäfte fließt, sind die Schaftkappen 415 und 416 durch die Isolatoren 417 und 418 von den zugehörigen Schäften 408 und 406 elektrisch isoliert.
  • Diese Vorrichtung ist aus Stützarmen 201 und 451 gebildet, deren Bewegung vertikal nach oben oder unten, jedoch unabhängig voneinander, eingeschränkt ist. Der Heizstrom fließt durch jeden der Arme. Die Stützarme 201 und 451 weisen Amboßanordnungen 200 und 453 auf, die in jeweiligen Hohlräumen (siehe 2 für Hohlraum 244 in Arm 201) befestigt sind und mit jeweiligen Befestigungsmitteln 455 und 246 gesichert sind. Die Amboßanordnungen sind koaxial ausgerichtet. Jeder der Stützarme ist aus einem ausreichend starken Material hergestellt, das die wiederholten Stöße bei hoher Kraft ohne Verformen aushält. In der Regel sind diese Stützarme aus einem Edelstahl der Serie 303 oder 304 oder wärmebehandeltem 17-Ph-Edelstahl gefertigt. Beide Stützarme 201 und 451 werden wassergekühlt, um ein übermäßiges Erwärmen der Arme und Komponenten, mit denen sie physikalisch verbunden sind, auf Grund der Selbstwiderstandserwärmung der Amboßstapel und der Probe sowie jeglicher Selbstwiderstandserwärmung, die auf Grund der Durchflusses von Heizstrom dadurch innerhalb der Arme selbst auftreten kann, zu verhindern. Die Wasseranschlüsse 456 und 457 stellen Verbindungen mit den Wasserkühldurchgängen (nicht spezifisch dargestellt) in den Armen 201 bereit, während die Wasseranschlüsse 458 und 459 Verbindungen mit Wasserkühldurchgängen (ebenfalls nicht spezifisch dargestellt) in Arm 451 bereitstellen.
  • Die Stützarme 201 und 451 sind mittels herkömmlicher isolierter Befestigungsmittel (nicht dargestellt) an den Gleitplatten 460 und 461 durch jeweilige Isolationsplatten 462 und 463 befestigt. Die Gleitplatten 460 und 461 können sich entlang der Anlagenbefestigungsschienen 464 und 465 vertikal nach oben und unten frei bewegen und sind dazwischen durch geeignete Paare (herkömmlicher und nicht dargestellter) linearer Lager verbunden, welche diese vertikale Bewegung lenken. Die Schienen und Gleitplatten bilden zusammen eine Befestigung für die Stützarme. Als solche bewegen sich die Arme 201 und 451 in vertikalen Richtungen, die jeweils durch die Pfeile 432 und 452 dargestellt sind. Die Gleitplatten sind an den Schienen 464 und 465 durch jeden beliebigen der vielen linearen Gleitmechanismen befestigt, die im Handel erhältlich sind und die Bewegung der Gleitplatten auf nur eine vertikale Bewegung einschränken würden. Die linearen Lager werden in nebeneinander liegenden Paaren verwendet, um diese Bewegung auf eine einzige Ebene einzuschränken. Die Anordnung ermöglicht auch, daß sich die Stützarme 201 und 451, die Amboßanordnungen 200 und 453 und die Probe 466, die sich dazwischen befindet, als eine einzige Einheit zusammen und frei vertikal nach oben und nach unten bewegen. Außerdem ermöglichen die Arme 201 und 451 durch voneinander unabhängiges Bewegen, daß die Probe 466 dazwischen angemessen positioniert und danach zusammengedrückt wird. Die Befestigungsschienen 464 und 465 können an der Innenseite eines Vakuumbehälters/atmosphärischen Behälters oder an den Säulen 102 und 102a (siehe 1) befestigt werden. Wie in 4 dargestellt, sind die Schienen 464 und 465 selbst starr an entsprechenden Befestigungsklammern 492 und 493 bzw. 494 und 495 befestigt. Die Klammern sind geeignet gestaltet, um die Schienen an den Behälterwänden oder Säulen 102 und 102a (siehe 1) zu befestigen.
  • Elektrischer Heizstrom zum Selbstwiderstandserwärmen der Probe 466 wird durch Transformatoren 477 geliefert und fließt in einen einfachen Serienweg. Wenngleich dies nicht entscheidend ist, sollte der Transformator eine Primärspannung von 440 Volt, Einphase 75 kVA, mit einer Sekundärspannung von 5,7 bis 10 Volt, die vorzugsweise durch einen Stufenschalter gesteuert wird, und eine Betriebsfrequenz von 50 oder 60 Hz aufweisen. Der Kurzschluß-Ausgangsstrom sollte in einer Größenordnung von 50 kA oder mehr liegen. Die sekundäre Wicklung des Transformators ist in der Regel aus einer oder zwei Umwickelungen eines schweren Kupfergusses gebildet. Durch Variieren des Wickelungsverhältnisses des Transformators in endlichen Erhöhungen durch den Stufenschalter können Proben unterschiedlicher Größen und Formen ohne weiteres erwärmt werden. Solch ein Transformator ist das Modell G4475NS61S, hergestellt von Kirkhof Transformer of Grand Rapids, Michigan. Der Transformator 477 ist mit einer geeigneten und herkömmlichen servogesteuerten Leistungsquelle (nicht dargestellt) über Leitungen 478 und 479 verbunden.
  • Der Stromweg für einen halben Zyklus eines Wechselstromflusses beginnt bei dem Transformatorausgangsstab 475 und geht von dort aus weiter in den Bus 471. Dieser Bus ist über Befestigungsmittel 473 mit dem Stab verbunden. Von dem Bus 471 fließt der Strom in ein Ende eines flexiblen Leiters 467, der selbst physikalisch und elektrisch durch die Befestigungsmittel 470a mit dem Bus verbunden ist. Der Bus 467 ist über die Befestigungsmittel 468 mit dem Arm 451 verbunden, und somit wird der Heizstrom in diesen Arm geleitet. Aus diesem Arm wird der Heizstrom durch die Amboßanordnung 453 und in die Probe 466 geleitet. Nachdem der Strom durch die Probe gegangen ist, durchquert er die Amboßanordnung 200 in den Stützarm 201. Dieser Arm ist selbst durch den flexiblen Leiter 469 mit dem Bus 472 elektrisch verbunden: Der Bus 472 ist über die Befestigungsmittel 470b selbst mit dem Leiter 469 und über die Befestigungsmittel 474 mit dem Ausgangsstab 476 des Transformators verbunden. Folglich fließt der Heizstrom von Arm 201 durch den flexiblen Leiter 469 in den Bus 472 und schließlich über den Stab 476 zurück in den Transformator. Der Stromfluß kehrt für den anderen Halbzyklus des Stromflusses einfach seine Richtung um. Der Bus, die flexiblen Leiter, Stützarme, Amboßbasen und Amboßoberteile haben alle einen äußerst niedrigen elektrischen Widerstand. Aus diesem Grund findet der Großteil der Erwärmung in der Probe 466 und in dem Amboßstapel statt, spezifisch innerhalb des Folienzwischenstücks 242, das sich innerhalb jedes Stapels befindet. Die Wasserkühlung entfernt wärme, die in den anderen Komponenten der Vorrichtung 400 auftritt, die physikalisch und thermisch mit den Amboßanordnungen verbunden sind.
  • Die Selbstwiderstandserwärmung wird durch ein herkömmliches servogesteuertes System gesteuert, das eine Rückkopplung aus einem Thermopaar mit Ausgangsleitungen 498 benutzt und das an einem Arbeitsbereich der Probe 466 angebracht ist. Ein geeignetes Pyrometer kann statt des Thermopaars benutzt werden. Ausgaberückkopplungssignale, die entweder von dem Thermopaar oder dem Pyrometer (welches auch immer benutzt wird) bereitgestellt werden, werden als Eingabe durch eine angemessene herkömmliche Signalaufbereitungsschaltung einer Eingabe des Servosteuersystems bereitgestellt. Allgemein weist das Servosteuersystem ein vordefiniertes Programm von Temperatur gegenüber Zeit auf. Die Thermopaarausgabe wird kontinuierlich mit dem Programm verglichen und die Leistung für den Transformator wird dann eingestellt, um die Probentemperatur so nahe wie möglich bei der in dem Temperaturprogramm gewünschten und angegebenen Temperatur zu halten. Das Temperaturprogramm ist in der Regel mit einem mechanischen Programm synchronisiert, um eine vollständige thermische/mechanische Steuerung über die Probe bereitzustellen. Das Servosteuersystem ist demjenigen sehr ähnlich, das in den "GLEEBLE"-Materialprüfanlagen benutzt wird, die von dem vorliegenden Bevollmächtigten hergestellt und in den US-Patentschriften 6,442,090 (erteilt an H. S. Ferguson am 23. Juli 2002); 5,195,378 (erteilt an H. S. Ferguson am 23. März 1993) und 5,092,179 (erteilt an H. S. Ferguson am 3. März 1992) erläuternd beschrieben sind. Auf Grund der herkömmlichen Natur dieser Steuersysteme werden sie nicht weiter im Detail erläutert.
  • Damit die Probe 466 in Position gehalten und mit einer angemessenen Kraft zusammengedrückt wird, um einen guten elektrischen Weg für den Heizstrom durch die Amboßanordnungen und die Probe bereitzustellen, sind vier Federn bereitgestellt, um Kräfte auf die Oberseite und Unterseite der Gleitplatten 460 und 461 anzuwenden. Zwei Federn werden benutzt, um für die Platte 461 eine Druckkraft bereitzustellen, und die anderen zwei stellen eine Druckkraft für die Platte 460 bereit.
  • Die Druckfeder 480 ist zwischen der Platte 460 und der Einstellschraube 482 befestigt, die in die Innengewindeklammer 481 geschraubt ist. Das Einstellen der Schraube nach innen oder nach oben bewirkt, daß sich die Feder 480 zunehmend zusammendrückt und somit eine erhöhte Kraft auf die Gleitplatte 460 ausübt, wodurch die Platte nach oben getrieben wird. Jede der drei anderen Federn 483, 486 und 489 ist durch Einstellschrauben 485, 488 und 491, die jeweils in die Innengewindeklammern 484, 487 und 490 geschraubt sind, in einer ähnlichen Weise befestigt und eingestellt. Da die Federn 480 und 489 eine zusätzliche Kraft (Vorbelastung) bereitstellen, um die Probe zu halten und den elektrischen Widerstand für den Heizstrom niedrig genug zu halten, können diese Federn stärker als die Federn 483 und 486 sein. Die Vorbelastung, die aus den Kräften der Federn 480 und 489 erhalten wird, abzüglich jeglicher Gegengewichtskräfte aus den Federn 483 und 486 (Nettokraft) liegt je nach der Probengröße in einer Größenordnung von 200 bis 600 N (Newton). Wenngleich die Nettokraft auf die Probe nicht entscheidend ist, wird sie derart gewählt, daß sie groß genug ist, um elektrischen Strom ohne das Auftreten einer Bogenbildung durch die Probe zu leiten, jedoch klein genug ist, um die Probe nicht zu verformen, während diese bei einer erhöhten Temperatur verbleibt. Eine Zentrierkraft, die von allen Federn zusammen erzeugt wird, sollte ausreichen, um das Gewicht der Gleitplatten, Stützarme, der Amboßanordnungen und der Probe derart auszugleichen, daß diese Komponenten in einer ungefähr mittleren Position entlang der Befestigungsschienen 464 und 465 in der Tat „schweben". Der Bereich der gewünschten Zentrierkraft liegt je nach der Probengröße in einer Größenordnung von 50 bis 100 N.
  • Als Alternative können geeignete herkömmliche pneumatische Zylinder (zusammen mit geeigneten Reglern und Werten), jeweils einer für jede Gleitplatte, statt der Federn 480 und 483 und der Einstellschrauben 482, 485, 488 und 491 benutzt werden. Die Verwendung der Zylinder kann insofern bevorzugt sein, als sich die Federkraft mit der Durchbiegung (sofern nicht eine äußerst lange Feder benutzt wird) schnell verändert und Federn im allgemeinen mehr Wartung erfordern und mechanisch eingestellt werden müssen, um die angemessenen Kräfte hervorzubringen. Darüber hinaus können die Kräfte, die zum Betreiben der Vorrichtung 400 erforderlich sind, durch einfaches und angemessenes Einstellen des Drucks innerhalb jedes Zylinders ohne weiteres auf eine gewünschte Menge eingestellt werden, wie auch die Bewegung der Stützarme und Ambosse, um ohne weiteres ein Laden und Entladen der Probe zu ermöglichen. Da die Kraft, die von den Schäften 406 und 408 während jedes Stoßes auf die Stützarme 201 und 451 bereitgestellt wird, die Probenhaltekraft, die von der Vorrichtung zum steuerbaren Verformen der Probe bereitgestellt wird, im wesentlichen überschreitet, muß die Vorrichtung elastisch sein und ermöglichen, daß sich die Stützarme zueinander bewegen, selbst während sie die Probe halten. Aus diesem Grund werden Federn, pneumatische Zylinder oder andere geeignete Kraft erzeugende Vorrichtungen, die eine inhärente Elastizität aufweisen, anderen Vorrichtungen wie Kugelgewindespindeln, welche die Stützarme positionieren und die erforderliche Probehaltekraft bereitstellen könnten, jedoch im wesentlichen keine Elastizität aufweisen, bevorzugt.
  • Zwei Luftregler würden den korrekten pneumatischen Druck ungeachtet der Bewegung der Zylinderstangen, die auf die Gleitplatten 460 und 461 drücken, zu jeder Zeit beibehalten. Eine atypische Installation würde die Verwendung von zwei Luftreglern, zwei pneumatischen Zylindern und zwei pneumatischen 4-Wege-, 3-Positions-Steuerventilen mit gesperrtem Mittelanschluß einbeziehen. Jede beliebige andere Art pneumatischer Ventile kann in Abhängigkeit der Art und Weise, auf welche die Ventile verbunden und betrieben wird, benutzt werden. Eine typische Installation betrifft das Befestigen eines Zylinders an der Klammer 484 und des anderen Zylinders an der Klammer 490. Ein Ende der Zylinderstange der Zylinder drückt auf die Platten 460 und 461. Ein Luftregler ist eingestellt, um die gewünschte Druckkraft bereitzustellen, um den elektrischen Kontakt zwischen den Ambossen und der Probe während der Selbstwiderstandserwärmung zu bewahren. Der andere Luftregler ist eingestellt, um das Gewicht der Anordnung derart auszugleichen, daß die Stützarme während des Betriebs auf den Befestigungsschienen relativ gut zentriert bleiben.
  • Zur Einsetzung oder Entfernung der Probe zwischen den Amboßanordnungen müssen diese Anordnungen, das heißt, die Arme 201 und 451, ausreichend auseinander bewegt werden, um den angemessenen Raum zwischen ihnen für einen Benutzer bereitzustellen, um die Probe geeignet zu manipulieren. Wenn nur Federkraft benutzt wird, um die Bewegung der Gleitplatten 460 und 461 zu steuern, dann müssen die Arme 201 und 451 manuell mittels einer geeigneten Stange getrennt werden, um die Kraft, die von den Federn erzeugt wird, zu überwinden und folglich ausreichend Raum zwischen den Amboßanordnungen zu schaffen, um die Probe einzusetzen, zu positionieren und zu entfernen.
  • Wenn die pneumatischen Zylinder statt Federn benutzt werden, dann können die pneumatischen Steuerventile einfach eingestellt werden, um zu bewirken, daß sich die Stützarme und somit die Amboßanordnungen ohne weiteres voneinander trennen, wodurch ermöglicht wird, daß die Probe leicht eingesetzt, positioniert und danach entfernt wird. Wenn die Probe geeignet eingesetzt ist, werden die pneumatischen Steuerventile einfach in ihre ursprüngliche Position zurückgeführt. Die Verwendung von pneumatischen Zylindern erleichtert den Prozeß des Ladens und Entladens der Probe gegenüber demjenigen, der mit Federn erforderlich ist, eindeutig und in großem Maße.
  • Nachdem die Probe zwischen den Amboßanordnungen geladen und ihr Thermopaar mit dem thermischen Servosteuersystem verbunden worden ist, werden geeignete thermische und mechanische Programme in dem Steuersystem angeordnet. Die Prüfung wird dann initiiert und die gewünschten Probenmessungen werden begonnen. Dadurch wird die Probe bei einer programmierten Geschwindigkeit und durch gesteuertes Selbstwiderstandserwärmen auf ihre erste Verformungstemperatur gebracht. Das mechanische System bewegt dann steuerbar die Schäfte 406 und 408, um die Stützarme zu erfassen, und drückt die Probe durch die Bewegung von gegenüberliegenden Amboßanordnungen 201 und 453 bei einer programmierten Geschwindigkeit und Menge zusammen und verformt sie unter Druck. Nachdem diese Verformung vollendet ist, werden die Schäfte 406 und 408 geeignet zurückgezogen. Die Probe wird dann bei einer programmierten Geschwindigkeit geeignet erwärmt oder abgekühlt und danach werden die Schäfte zur Ausführung einer nächsten nachfolgenden Verformung noch einmal steuerbar bewegt, um die Stützarme zu erfassen, und so fort.
  • Wenngleich die erfinderische Amboßanordnung zur Verwendung mit Proben beschrieben worden ist, die Druckverformungen durchmachen, könnte die erfinderische Mehrkomponenten-Folienzwischenstückschicht ohne weiteres in Klemmbackenanordnungen zur Verwendung mit durch Selbstwiderstand erwärmten Proben, die Zugverformungen durchmachen müssen, integriert werden, um in ähnlicher Weise wie bei durch Druck verformten Proben eine gleichmäßige Erwärmung in dem gesamten Probenvolumen bereitzustellen. Jedoch liegen bei der Zugprüfung keine Aufschlagkräfte vor, die der Probe verliehen werden, da die Klemmbacken gesteuert sind, um die Probe an ihren Enden durch Zugspannung auseinanderzudehnen und nicht zusammendrücken. Als solches besteht kein Bedarf an der Verwendung einer Komponente von hoher Festigkeit innerhalb jeder beliebigen Verbundschicht, die sich innerhalb des Folienzwischenstücks befindet, um Aufschlagkräften standzuhalten.
  • Wenngleich die Nachrüstung einer dynamischen mechanischen Materialprüfanlage mit einer Vorrichtung beschrieben wurde, welche die erfinderische Amboßanordnung benutzt, um dieser Anlage durch eine Selbstwiderstands-Probenerwärmung verbunden mit den oben beschriebenen Vorteilen, die durch die Verwendung dieser Anordnung erzielt werden können, eine thermische Verarbeitungsfähigkeit zu verleihen, könnte die Vorrichtung alternativ, falls gewünscht, darüber hinaus statt dessen mit herkömmlichen leitfähigen Ambossen ausgestattet sein. In diesem Fall findet die Selbstwiderstands-Probenerwärmung noch immer mit isothermen Ebenen statt, die sich in der Probe entwickeln. Leider ist es gut möglich, daß längs verlaufende Temperaturgradienten in der Probe und nahe ihren Enden auftreten.
  • Schließlich, wenngleich die erfinderische Amboßanordnung und Vorrichtung als vertikal ausgerichtet beschrieben worden ist, könnten sie alternativ zur Verwendung mit horizontal ausgerichteten Materialprüfanlagen horizontal positioniert sein, wobei die Richtung einfach durch die Bewegungsrichtung der Kolbenschäfte (spezifisch Stoßheber), die in diesen Anlagen zur Verformung der Probe verwendet werden, bestimmt wird. Folglich versteht der Fachmann vollkommen, daß, wenn hierin der Ausdruck „vertikal" verwendet wird, dieser Ausdruck bloß in einem relativen Sinne verwendet wird und, wo angemessen, horizontale Ausrichtungen umfassen würde, wenn die gesamte Prüfanlage derart ausgerichtet sein sollte.
  • Wenngleich verschiedene Ausführungsformen, welche die Lehren der vorliegenden Erfindung integrieren, hierin ausführlich dargestellt und beschrieben worden sind, kann der Fachmann ohne weiteres viele verschiedene andere Ausführungsformen ersinnen, welche diese Lehren dennoch integrieren.

Claims (25)

  1. Vorrichtung für eine Amboßanordnung (200) zur Verwendung in einer Materialprüfanlage (100), die steuerbar eine Probe verformt, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Amboßbasis (241); ein Amboßoberteil (240); und ein Folienzwischenstück (242), das sich zwischen der Amboßbasis und dem Amboßoberteil befindet, wobei das Folienzwischenstück mindestens eine Verbundschicht (320A , 320B , 320C ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Verbundschicht erste und zweite sich unterscheidende Komponenten (313, 315; 323, 325; 333, 335) aufweist, die sich in unterschiedlichen entsprechenden jeweiligen ersten und zweiten Bereichen in der Schicht oder umgekehrt befinden, wobei der erste Bereich mindestens einen vordefinierten Raum für den zweiten Bereich enthält, wie einen Raum mit einer kreisförmigen, dreieckigen oder geradlinigen Form, wobei die erste Komponente aus einem leitfähigen Material besteht, das einen vordefinierten Widerstand gegen einen Stromfluß dort hindurch bereitstellt, um für einen gegebenen Heizstrombetrag, der durch den ersten Bereich geht, eine erwünschte Menge an Selbstwiderstandswärme in der Amboßanordnung zu erzeugen, und wobei die zweite Komponente aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, das eine ausreichende physikalische Festigkeit aufweist, so daß es während jeder Verformung der Probe nicht nennenswert verformt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten und zweiten Bereiche dieselbe Dicke aufweist, sich jedoch ein Durchmesser des ersten Bereichs von jenem des zweiten Bereichs unterscheidet, so daß die Komponente in jedem der Bereiche erwünschte physikalische, elektrische und thermische Eigenschaften aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Folienzwischenstück ferner mehrere getrennte der Verbundschichten aufweist, um mehrere Verbundschichten zu definieren, die in einem Amboßstapel (300) angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei jede der Verbundschichten eine vorgegebene Dicke aufweist, so daß der Widerstand, der durch alle Verbundschichten durch ihre entsprechenden ersten Komponenten bereitgestellt wird, ausreicht, um für den gegebenen Heizstrombetrag die erwünschte Menge der Wärme in der Amboßanordnung zu erzeugen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei sich eine leitfähige Scheibe (317, 327) zwischen aufeinanderfolgenden der Verbundschichten im Stapel befindet.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die leitfähige Scheibe eine Tantalscheibe aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste (oder zweite) Komponente aus Mika besteht und die zweite (oder erste) Komponente aus Graphit besteht.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5, die ferner einen isolierenden Halter aufweist, der in Umfangsrichtung um alle Seiten des Amboßstapel angeordnet ist, um im wesentlichen zu verhin dern, daß die Wärme und der Heizstrom aus den Seiten des Amboßstapels herausfließen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Amboßstapel in seiner Form im wesentlichen konisch ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Orientierung im wesentlichen konzentrisch ist, wobei der erste Bereich eine massive, zentral angeordnete Scheibe in der Verbundschicht bildet und eine vordefinierte Dicke und Durchmesser aufweist, wobei der zweite Bereich eine Ringform mit derselben Dicke wie der erste Bereich aufweist, wobei der zweite Bereich am Umfang um den ersten Bereich angeordnet ist, um eine massive Scheibe für die Verbundschicht zu ergeben.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Folienzwischenstück ferner mehrere getrennte der Verbundschichten aufweist, um mehrere Verbundschichten zu definieren, die in einem Amboßstapel (300) angeordnet sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei jede der Verbundschichten eine vorgegebene Dicke aufweist, so daß der Widerstand, der durch alle Verbundschichten durch ihre entsprechenden ersten Komponenten bereitgestellt wird, ausreicht, um für den gegebenen Heizstrombetrag die erwünschte Menge der Wärme in der Amboßanordnung zu erzeugen.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei sich eine leitfähige Scheibe zwischen aufeinanderfolgenden der Verbundschichten im Stapel befindet.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die leitfähige Scheibe eine Tantalscheibe aufweist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die erste (oder zweite) Komponente aus Mika besteht und die zweite (oder erste) Komponente aus Graphit besteht.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 13, die ferner einen isolierenden Halter aufweist, der in Umfangsrichtung um alle Seiten des Amboßstapel angeordnet ist, um im wesentlichen zu verhindern, daß die Wärme und der Heizstrom aus den Seiten des Amboßstapels herausfließen.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der Amboßstapel in seiner Form im wesentlichen konisch ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Raum eine kreisförmige, dreieckige oder geradlinige Form aufweist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Folienzwischenstück ferner mehrere getrennte der Verbundschichten aufweist, um mehrere Verbundschichten zu definieren, die in einem Amboßstapel angeordnet sind.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei jede der Verbundschichten eine vorgegebene Dicke aufweist, so daß der Widerstand, der durch alle Verbundschichten durch ihre entsprechenden ersten Komponenten bereitgestellt wird, ausreicht, um für den gegebenen Heizstrombetrag die erwünschte Menge der Wärme in der Amboßanordnung zu erzeugen.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei sich eine leitfähige Scheibe zwischen aufeinanderfolgenden der Verbundschichten im Stapel befindet.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die leitfähige Scheibe eine Tantalscheibe aufweist.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die erste (oder zweite) Komponente aus Mika besteht und die zweite (oder erste) Komponente aus Graphit besteht.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 21, die ferner einen isolierenden Halter aufweist, der in Umfangsrichtung um alle Seiten des Amboßstapel angeordnet ist, um im wesentlichen zu verhindern, daß die Wärme und der Heizstrom aus den Seiten des Amboßstapels herausfließen.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei der Amboßstapel in seiner Form im wesentlichen konisch ist.
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