DE69221293T2

DE69221293T2 - Dynamisches, thermisch-mechanisches materialprüfsystem mit kompensiertem magnetfeld

Info

Publication number: DE69221293T2
Application number: DE69221293T
Authority: DE
Inventors: Hugo Ferguson
Original assignee: Dynamic Systems International Inc USA
Current assignee: Dynamic Systems International Inc USA
Priority date: 1991-05-02
Filing date: 1992-04-28
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2012-04-29
Also published as: EP0582654A1; EP0582654B1; JPH06507246A; WO1992019953A1; DE69221293D1; US5195378A; JP2741794B2; CA2109422A1; CA2109422C

Description

Hintergrund der Beschreibung

1. Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein dynamisches, thermisch-mechanisches Materialprüfsystem, welches ein Spezimen nicht nur mit eigenem ohmschem Widerstand unter gesteuerten Bedingungen erwärmt und verformt, sondern auch ungünstige Beeinflussungen der Spezimenfunktion im wesentlichen verringert, wie z. B. magnetisch induzierte Bewegung oder ungleichmäßige Spezimen-Erwärmung, was andernfalls von Magnetfeldem herrühren würde, die auf das Spezimen einwirken, und durch hohe Erwärmungsströme verursacht werden, die in der Vorrichtung fließen. Diese Verringerung wird durch räumliche Lokalisierung großen Strom führender metallischer Leiter erreicht, die in der Vorrichtung verwendet werden, so daß diese Stromleiter gemeinsam im wesentlichen ausgeglichene, d. h. im wesentlichen gleiche, und gegensätzliche Magnetfelder generieren, welche sich in einem volumetrischen Bereich der Vorrichtung, die das Spezimen und besonders dessen Arbeitsbereich einschließt, gegenseitig wirksam kompensieren.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Metallische Materialien spielen als wesentliche Komponente aus einer riesigen Anzahl unterschiedlicher Produkte eine unentbehrliche Rolle. Ein entscheidendes Merkmal solcher Materialien ist ihre Fähigkeit, Elektrizität zu leiten. Eine fehlende Funktion bei supraleitenden Temperaturen ist, daß ein metallisches Objekt gegenüber elektrischem Stromfluß auf Grund seines Querschnitts, seiner Länge und seines spezifischen elektrischen Widerstands einen Widerstandswert besitzt. Wegen dieses Widerstands wird das Objekt immer Wärme generieren, wenn durch dieses ein elektrischer Strom fließt. Diese Art der Erwärmung ist die sogenannte "Erwärmung durch den eigenen ohmschen Widerstand". Eine Erwärmung durch den eigenen ohmschen Widerstand findet bei einer großen Anzahl verschiedener Anwendungen Verwendung.
Unterschiedliche Materialien einschließlich der metallischen besitzen sehr unterschiedliche mechanische, metallurgische und andere Eigenschaften. Z. B. werden zuerst die bei einem Material zur Verwendung in einer bestimmten Anwendung erforderlichen speziellen Eigenschaften ermittelt, worauf die Auswahl eines speziellen Materials folgt, das geeignete Mindestwerte dieser Eigenschaften zeigt. Ein wesentlicher Schritt bei der Auswahl eines speziellen Materials ist, zuerst dessen bedeutsame Eigenschaften durch Prüfen der Spezimen aus jedem solchen Material, das in Betracht gezogen wird, zu beurteilen.
Materialien werden in großer Vielfalt unterschiedlicher Art geprüft. Eine solche Art, die im wesentlichen ansteigende Verwendung erfährt, ist das dynamische, thermisch-mechanische Prüfen. Hierbei wird ein Spezimen zwischen zwei gegenüberstehenden Ambossen gehalten oder an jedem seiner zwei Enden in einem Klemmbackensystem festgehalten. Das Spezimen hat normalerweise die Form eines schmalen Zylinders oder eines Plattenteils eines bestimmten Materials und besitzt eine im wesentlichen gleichmäßige kreisförmige, rechteckige oder quadratische Querschnittfläche. Von einem Amboß (oder einer Klemmbackenanordnung) wird fortlaufend ein elektrischer Strom durch das Spezimen und zu dem anderen Amboß (oder der Klemmbackenanordnung) geschickt, um mittels Erwärmen mit eigenem ohmschem Widerstand eine schnelle, aber gesteuerte Erwärmungsgeschwindigkeit des gesamten Spezimens zu erreichen. Ein Erwärmen mit eigenem ohmschem Widerstand wird im Hinblick auf die Tatsache verwendet, daß es sehr hohe Materialtemperaturen generieren kann, wie z. B. über 3000 Grad Celsius, welche nur durch den Schmelzbereich des Materials begrenzt werden. Während das Spezimen über den eigenen ohmschen Widerstand erwärmt wird, werden an dem Spezimen verschiedene Messungen vorgenommen. In Abhängigkeit von den speziellen Messungen, die durchgeführt werden, kann das Spezimen, während es erwärmt wird, einer gesteuerten Verformung unterzogen werden oder auch nicht. Wenn das Spezimen verformt werden soll, dann kann diese Verformung durch Bewegen einer der zwei Ambosse (oder Klemmbackenanordnungen) mit einer gesteuerten Geschwindigkeit in bezug auf den anderen ausgeführt werden, z. B. um auf das Spezimen eine gesteuerte Druck- oder Zugkraft auszuüben. Physikalische Messungen, wie z. B. Spezimen-Ausdehnung und -Temperatur, werden normalerweise durchgeführt, während das Erwärmen und die Verformung gleichzeitig geschehen. Dieses Prüfen offenbart nicht nur verschiedene Eigenschaften des Spezimenmaterials selbst, wie z. B. seine kontinuierliche Wärmeübertragungskurve, sondern auch verschiedene dynamische Eigenschaften, wie z. B. Wärmebeanspruchung, Umformgeschwindigkeit und Dehnbarkeit bei Wärme; die dynamischen Eigenschaften sind besonders nützlich beim Quantifizieren des Verhaltens des Materials, welches wahrscheinlich während des Rollens, des Schmiedens, der Extrusion oder sonstiger materialformender und/ oder -verbindender Prozesse auftreten. Ein System, das ein ausgezeichnetes dynamisches, thermisch-mechanisches Prüfen bietet, ist das GLEEBLE 2000-System, das von Duffers Scientific, Inc., Poestenkill, New York (auch Besitzer des eingetragenen Warenzeichens "GLEEBLE" und gegenwärtiger Rechtsnachfolger) hergestellt wird. Dieses System erwärmt das Spezimen vorteilhaft in einer Weise, die ein direktes Erwärmen mit eigenem ohmschem Widerstand anwendet, was erwartungsgemäß durch das gesamte Spezimen querlaufende isothermische Ebenen erzeugt. Besonders da jedes Spezimen im allgemeinen über seine ganze Länge einen im wesentlichen gleichförmigen, querlaufenden Querschnitt besitzt, wird folglich bei Niederfrequenzstrom die Stromdichte durch das gesamte Spezimen gleichförmig erwartet, was für den gesamten Querschnitt eine gleichförmige Erwärmung bewirkt.
Um in dem gesamten Spezimen den erforderlichen Pegel an Erwärmung mit eigenem ohmschem Widerstand zu generieren, müssen durch das Spezimen relativ hohe Ströme, normalerweise in der Größenordnung von mehreren tausend Ampere oder mehr, hindurchgeleitet werden, um eine gewünschte Erwärmungsgeschwindigkeit und Spezimentemperatur zu erzielen. Die Größe dieses Stroms hängt im allgemeinen von einer Anzahl von Faktoren ab, z. B.: der spezifischen Wärme des Materials; seinem spezifischen elektrischen Widerstand; der geometrischen Form des Spezimens, z. B. seiner Querschnittfläche und Länge; einem Wärmeverlust des Spezimens an seine Umgebung, vornehmlich einschließlich der Ambosse, aber nicht auf diese (oder die Klemmbackenanordnung) begrenzt; und dem Wert der zu erreichenden Endtemperatur. In der Praxis und wegen der niedrigen Widerstandswerte der meisten Spezimen müssen im allgemeinen nur einige Volt oder weniger an das Spezimen angelegt werden, um durch dieses den erforderlichen Erwärmungsstrom zu leiten.
In einem solchen Prüfsystem muß der Erwärmungsstrom durch geeignete Stromleiter zwischen einer Stromversorgung, häufig einem Transformator-Sekundärkreis, und beiden Ambossen (oder einer Klemmbackenanordnung) geleitet werden. Diese Stromleiter haben häufig entweder die Form eines flexiblen Drahts mit geeigneter Stärke oder, wie in dem System GLEEBLE 2000, von sogenannten "biegsamen, flexiblen Stromleitern", die eine Anzahl von Kupferstreifen enthalten, die übereinandergeschichtet worden sind. In jedem Fall generieren diese großen Ströme um die Stromleiter herum beträchtliche Magnetfelder.
Der Patentanmelder hat festgestellt, daß, da sich ein Teil dieser Stromleiter oft in der Nähe des Spezimens befindet, während des Erwärmens durch diese Stromleiter ein bedeutsames ungleichmäßiges Magnetfeld erzeugt wird, das sich über einen von dem Spezimen belegten volumetrischen Bereich erstreckt. Dieses Feld tendiert dazu, das Prüfen des Spezimens und besonders die Funktion des Spezimens auf zweierlei Art ungünstig zu beeinflussen. Erstens induziert dieses Feld in dem Spezimen einen ungleichmäßigen Stromfluß, welcher, in Kombination mit der gleichmäßigen Stromdichte, die sich durch den durch das Spezimen fließenden Erwärmungsstrom bildet, die in dem Spezimen variierende Gesamtstromdichte bewirkt. Dies wiederum bewirkt unerwünschte lokale Schwankungen der Temperatur des Spezimens. Für Spezimen mit relativ kleiner Querschnittfläche bleiben diese Schwankungen klein und sind im allgemeinen geringfügig. Wenn jedoch Spezimen mit zunehmender Querschnittfläche verwendet werden, wie z. B. ein 10 mm-Stab, nehmen diese Schwankungen entsprechend zu und können ganz erheblich sein. Diese Schwankungen können auch zunehmen und ganz ausgeprägt sein, wenn das Spezimen einer Erwärmung unterzogen wird und als Ergebnis einer gleichzeitig auftretenden Druckverformung an Breite zunimmt. Es ist z. B. bei der Technik des Materialprüfens an sich bekannt,
daß, wenn große Spezimen verwendet werden, diese Spezimen in einem dynamischen, thermisch-mechanischen Materialprüfsystem genau positioniert werden müssen, so daß besonders während des Verlaufs einer Druckverformung zwischen dem Spezimen und allen Hochstromleitern ein relativ konstanter Abstand beibehalten werden kann. Da eine solche Position größtenteils von dem betreffenden verwendeten Spezimen, z. B. von dessen äußerer Form und magnetischen Eigenschaften, und der speziellen Stärke der Verformung, die auftreten wird, abhängt, hat sich herausgestellt) daß das Ermitteln einer solchen Position leider sehr ermüdend und in der Praxis oft schwierig ist. Zweitens induziert das ungleichmäßige Feld, das normalerweise bei einer 50 oder 60 Hz-Netzleitungsfrequenz auftritt, in dem Spezimen mechanische Bewegung, insbesondere verursacht es merkliche Vibration. Diese Bewegung kann, wenn sie mit einer ausreichend großen Amplitude auftritt, in dem Spezimen eine erhebliche Beanspruchung verursachen, die in diesem wiederum eine unerwünschte Beanspruchung, d. h. eine Veränderung der Materialform generieren kann. Die Beanspruchung kann, wenn sie ausreichend groß ist, bestimmte Prüfergebnisse verfälschen. Außerdem kann diese Beanspruchung besonders lästig sein, wenn das Spezimen auf beanspruchungsfreie Weise erwärmt werden soll. In dieser Hinsicht können Spezimen aus Eisen mit einer relativ großen Oberfläche und beim Erwärmen mit genügend großem Strom ungünstigerweise einen wesentlichen Betrag an induzierter Bewegung zeigen. Da im allgemeinen solche Materialien, z. B. viele Stahllegierungen, von einem kommerziellen Standpunkt aus betrachtet außerordentlich wichtig sind, ist es unerläßlich, von einem thermischmechanischen Materialprüfsystem Prüfergebnisse zu erhalten, welche für diese Materialien so exakt wie möglich sind.
Folglich besteht bei Fachleuten ein Bedarf an einem dynamischen) thermisch-mechanischen Materialprüfsystem und besonders an einem Gerät zum Aufnehmen desselben, das die ungünstigen Beeinflussungen der Spezimenfunktion im wesentlichen ausschaltet, was andererseits von beträchtlichen ungleichmäßigen Magnetfeldern herrühren würde, die sich auf das Spezimen auswirken und von den hohen Erwärmungsströmen erzeugt werden, die durch das Gerät fließen.
Ferner wird darauf hingewiesen, daß in DE-U-8 911 861 ein Gerät offenbart wird, welches ein Spezimen lediglich mit eigenem ohmschem Widerstand erwärmt und in diesem sich ergebende Ladungen mißt.
Besonders enthält dieses System einen mechanisch starren Rahmen, in welchen das Spezimen eingespannt wird. Mit dem Spezimen in Reihe ist eine Meßdose geschaltet, um auf dem Spezimen einachsige Ladungen zu messen, welche von einer mit der Zeit erfolgenden Ausdehnung und Schrumpfung herrühren. Es werden in der Länge verstellbare Schafte verwendet, um das Spezimen an dem Rahmen und der Meßdose festzuspannen. Durch das Spezimen kann ein elektrischer Strom geschickt werden, um ein Erwärmen des Volumens desselben mit eigenem ohmschem Widerstand herbeizuführen. Die Meßdose mißt dann die Ladung, die deni Rahmen durch die Ausdehnung und die Zusammenziehung des Spezimens auf seine Erwärmung bzw. Abkühlung hin auferlegt wurde. Dieses System übt auf das Spezimen weder irgendeine gesteuerte noch eine sonstige externe mechanische Verformung irgendwelcher Art aus. Dieser Hinweis erklärt den Begriff des Hindurchleitens von Erwärmungsstrom durch das Spezimen, aber nicht durch den Rahmen selbst.
Dieser Hinweis versagt jedoch vollkommen beim Erkennen des Problems der Ungleichmäßigkeiten, die aus einer Stromdichte in dem Spezimen entstehen können, die während des Erwärmens des Spezimens auftreten und durch Magnetfelder verursacht werden, hervorgerufen durch irgendwelche Hochstromleiter, die in der Nähe des Spezimens angeordnet sind. Diese Ungleichmäßigkeiten generieren wiederum lokale Schwankungen der Temperatur des Spezimens, besonders bei relativ großen Spezimen. Dieses Nichterkennen überrascht nicht, wenn der Strom nicht durch den Rahmen fließt. Daher wird dieses Problem ohne irgendeinen oder ohne einen merklichen Stromfluß durch den Rahmen in dem in diesem Hinweis beschriebenen Gerät wahrscheinlich nicht auftreten. Durch die Angabe, daß der Strom nicht durch den Rahmen fließen soll, erklärt dieser Hinweis tatsächlich direkt unabhängig von der vorliegenden Erfindung.
Ferner wird in GB-A-531 339 ein Gerät offenbart, mit dem man ein metallisches Bauteil (metallische Bauteile) mit eigenem ohmschem Widerstand erwärmen kann, indem eine Wechselstromquelle angelegt wird. Dieses Gerät verwendet zwei koaxial gegenüberliegende Elektrodenträger, von denen der eine fixiert und der andere beweglich ist. Es wird auch ein Satz Kontaktklötze verwendet, die auf jedem der zwei Träger axial beweglich sind, und jeder Klotz, der auf einer entsprechenden Anschlußfläche des Bauteils angeordnet ist, kann zum Erwärmen angelegt werden. Obwohl dieses Gerät zum axialen Bewegen der Elektroden relativ zueinander hydraulische Kolben enthält, ist das spezielle Ziel dieser Bewegung nur, sicherzustellen, daß ein adäquater, d. h. ein ausreichend niedriger Widerstand, ein physikalischer serieller Kontakt zwischen den Elektroden und dem (den) zu erwärmenden Bauteil(en) besteht. Da das Gerät insbesondere eine Verformung des Bauteils vermeidet, während es erwärmt wird, ist dieses Gerät weder dafür entwickelt noch bestimmt, ein dynamisches thermisch-mechanisches Materialprüfen zu bieten.

Zusammenfassung der Erfindung

Meine Erfindung beseitigt vorteilhafterweise die ungünstigen Wirkungen, die mit den bei Fachleuten bekannten dynamischen, thermisch-mechanischen Materialprüfsystemen zusammenhängen, welche ein Spezimen mit eigenem ohmschem Widerstand erwärmen - - besonders obgleich nicht ausschließlich solche mit einer relativ großen Querschnittfläche enthalten sind, - - und generieren durch dieses Verhalten in diesen ein ungleichmäßiges Magnetfeld.
Die Erfindung stellt demzufolge ein Gerät für ein thermisch-mechanisches Materialprüfsystem bereit, wobei das System einem leitfähigen Prüf-Spezimen steuerbar eine gewünschte Verformung verleiht und das Prüf-Spezimen durch ein Erwärmen mit eigenem ohmschem Widerstand steuerbar auf eine gewünschte Temperatur erwärmt, wobei das Gerät folgendes aufweist:
ein Prüfgestell, das eine diesem zugeordnete Längsachse besitzt, mit:
einer Verformungseinrichtung, die zu der Längsachse konzentrisch ausgerichtet ist, um ein leitfähiges Prüf-Spezimen einer vorgegebenen Größe fest zu halten und dem Prüf-Spezimen eine vorher festgelegte gesteuerte Kraft entlang der Achse zu verleihen, um zu bewirken, daß das Prüf-Spezimen einer gewünschten Verformung unterzogen und ein elektrischer Stromweg durch das Spezimen festgelegt wird;
einem festen Rahmen, der sich über der Verformungseinrichtung befindet und erste und zweite beabstandete Stützelemente und eine Mehrzahl von elektrisch leitenden, säulenartigen Bauteilen besitzt, die parallel zu der Längsachse angeordnet sind und sich zwischen dem ersten und dem zweiten Stützelement befinden und mit diesen fest verbunden sind, wobei die Verformungseinrichtung auf dem zweiten Stützelement fest montiert ist und die Verformungseinrichtung mit allen säulenartigen Bauteilen in leitender elektrischer Verbindung steht;
wobei zum Erwärmen des Prüf-Spezimens mit eigenem ohmschem Widerstand von einer externen Quelle durch die Verformungseinrichtung, das Prüf-Spezimen und die Mehrzahl an säulenartigen Bauteilen hintereinander ein elektrischer Erwärmungsstrom angelegt werden muß, und wobei die Mehrzahl leitender säulenartiger Bauteile zwischen dem ersten und dem zweiten Stützelement und in einer vorher festgelegten Weise zu der Längsachse angeordnet ist, so daß von allen leitenden säulenartigen Bauteilen erzeugte und von dem durch diese fließenden elektrischen Erwärmungsstrom herrührende Magnetfelder sich in einem Raum, der das Prüf-Spezimen enthält, im wesentlichen gegenseitig kompensieren, wobei das Prüf-Spezimen weder irgendeine merkliche magnetisch induzierte, ungleichmäßige Erwärmung noch irgendeine merkliche magnetisch induzierte Bewegung erfährt, während der Erwärmungsstrom durch das Gestell fließt.
Vorteilhafterweise spaltet das Gerät meiner Erfindung den Leitungspfad des elektrischen Stroms in eine Vielzahl paralleler Pfade auf, die räumlich so angeordnet sind, daß sie gemeinsam eine Vielzahl von Magnetfeldern generieren, die sich wirksam ausgleichen und in einem volumetrischen Bereich, der das Spezimen enthält, gegenseitig kompensieren. So erzeugt der hohe Erwärmungsstrom, der durch das Gerät selbst zu dem Spezimen und von diesem weg fließt, in dem Spezimen-Arbeitsbereich keinerlei merkliche ungleichmäßige Magnetfelder. Infolgedessen schließt das Gerät meiner Erfindung selbst während einer Druckverformung des Spezimens jegliche durch einen induzierten Stromfluß verursachte ungleichmäßige Erwärmung ebenso wie eine magnetisch induzierte Spezimenbewegung in dem Arbeitsbereich im wesentlichen aus, wobei jede derselben wahrscheinlich von einem ungleichmäßigen Magnetfeld herrühren würde, das in der Nähe des Spezimens erzeugt und durch einen hohen Stromfluß durch stromführende Stromleiter verursacht worden ist, die in bei Fachleuten bekannten thermisch-mechanischen Materialprüfsystemen verwendet werden.
Besonders und gemäß meiner Erfindungsangaben verwendet ein Prüfgestell zur Verwendung in einem dynamischen, thermischmechanischen Materialprüfsystem zwei gegenüberliegende Querbalken, die durch zwei (oder mehr) Säulen gestützt und beabstandet werden. Jede Säule ist leitfähig und stellt zum Fließen eines Erwärmungsstroms zwischen den Querbalken einen parallelen Pfad bereit. Das Spezimen befindet sich entlang einer Längsachse des Prüfgestells mit allen Komponenten, die auf das konzentrisch mit diesem angeordnete Spezimen eine Kraft übertragen. Während z. B. eines halben Zyklus des angelegten Stromflusses fließt ein Erwärmungsstrom durch das Spezimen, spaltet sich z. B. in zwei gleiche Teile auf, von denen jeder Teil durch eine der Säulen fließt. Beide Teile vereinigen sich dann wieder in dem anderen Querbalken, bevor sie in eine Versorgungsleitung fließen. Die Größe und die räumliche Lage jeder der Säulen wird z. B. symmetrisch zu der Längsachse des Prüfgestells gewählt, so daß sich die von allen Säulen erzeugten Magnetfelder in dem das Spezimen enthaltenden volumetrischen Bereich effektiv und größtenteils kompensieren. Außerdem werden die Säulen vorzugsweise aus einem Nichteisenmaterial gefertigt, um jegliche magnetische Wechselwirkung zwischen diesen Säulen und dem Rest des Prüfgestells einschließlich dem Spezimen selbst wesentlich zu reduzieren. Wenn dies geschieht, werden jegliche Wirbelströme auf ein Minimum reduziert, die in den Säulen induziert wurden, sowie jegliche Magnetisierung derselben, die andernfalls von einem Magnetfeld herrührt, das einem großen Stromfluß durch irgendeinen anderen Hochstromleiter einschließlich dem in dem Prüfgestell verwendeten Spezimen selbst zuzuschreiben ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Angaben über die vorliegende Erfindung sind unter Berücksichtigung der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den anhängenden Zeichnungen leicht zu verstehen, von denen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm mit teilweise beschnittener Ansicht eines Prüfgestells zur Verwendung in einem dynamischen, thermisch-mechanischen Prüfsystem ist, das ein erstes Ausführungsbeispiel des Geräts meiner Erfindung enthält;
Fig. 2A bzw. 2B eine perspektivische Ansicht und eine perspektivische Rückansicht einer Anordnung aus einem Keil- Magnetjoch 182 und einem Keil 184 darstellen, die beide in Fig. 1 gezeigt sind;
Fig. 2C eine perspektivische Ansicht des in Fig. 2A gezeigten Keil-Magnetjochs 182 darstellt; und
Fig. 3 eine vereinfachte Endansicht entlang der Linie 3-3 und in der in Fig. 1 gezeigten, durch die zugeordneten Pfeile angezeigten Richtung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Geräts meiner Erfindung darstellt, zur Aufnahme in ein Prüfgestell, z. B. das Gestell 100, zur Verwendung in einem dynamischen, thermisch-mechanischen Prüfsystem.
Um das Verständnis zu erleichtern, sind identische Positionszahlen verwendet worden, wo dies angebracht war, um identische Bauteile zu kennzeichnen, die in den Figuren gleich sind.

Ausführliche Beschreibung

Nach Berücksichtigung der nachfolgenden Beschreibung werden Fachleute klar erkennen, daß die umfassenden Angaben über meine Erfindung in Verbindung mit irgendeinem aus einer Vielfalt dynamischer, thermisch-mechanischer Materialprüfsysteme zum Prüfen von Spezimen aus verschiedenen Materialien leicht verwendet werden können. Trotzdem werde ich, zur Veranschaulichung und um die folgende Besprechung zu vereinfachen, meine Erfindung im Zusammenhang mit der Verwendung von zur Erläuterung dienenden verschiedenen Teilen des dynamischen, thermischmechanischen Prüfsystems GLEEBLE 2000 (das hier nachfolgend lediglich als das GLEEBLE 2000-System bezeichnet wird; das GLEEBLE 2000-System ist ein Nachfolger des GLEEBLE 1500-Systems und besitzt ähnliche Steuersysteme), das von Duffers Scientific, Inc., Poestenkill, New York hergestellt wird, (die auch das eingetragene Warenzeichen "GLEEBLE" besitzen und die gegenwärtigen Rechtsnachfolger sind) genau beschreiben.
Fig. 1 stellt ein schematisches Diagramm mit teilweise beschnittenen Ansichten des Prüfgestells 100 dar, welches ein erstes Ausführungsbeispiel des Geräts meiner Erfindung enthält und zur Verwendung in Verbindung mit einer bekannten Steuerund Überwachungsschaltung und pneumatischen und hydraulischen Servosteuersystemen bestimmt ist, die in dem dynamischen, thermisch-mechanischen Prüfsystem GLEEBLE 2000 gefunden wurde. Das Prüfgestell 100 kann einem Spezimen 170 sowohl eine unabhängig programmierte Verformung und eine genaue Umformgeschwindigkeit als auch ein dafür erwünschtes thermisches Profil verleihen.
Allgemein gesprochen befindet sich beim Prüfgestell 100 ein Spezimen zwischen zwei gegenüber befindlichen Ambossen, von denen jeder in bezug auf den anderen beweglich ist. Der Teil des Spezimens, der sich zwischen beiden Ambossen befindet und daher einer Verformung unterzogen wird, wird hierin nachfolgend als der "Arbeitsbereich" des Spezimens bezeichnet. Beide Ambosse und das Spezimen sind von einer Stopeinrichtung umgeben, d. h. sie enthalten eine im wesentlichen U-förmige Querstopeinrichtung und zwei einzelne Stopstangen, die sich von dieser zu einem ersten Querbalken erstrecken, welcher wiederum an einem Rahmen befestigt ist. Ein erster Amboß wird von einem ersten Schaft bewegt, der durch einen zweiten Querbalken verläuft, welcher auch an dem Rahmen befestigt ist. Dieser Schaft wird von einem servohydraulisch betätigten Kolben (dem "Druck"kolben) hineingedrückt, wobei der Hub des Schafts durch eine Stopplatte begrenzt wird (die auch ein Teil der Stopeinrichtung ist), sooft diese Platte gegen die Querstopeinrichtung stößt. Der zweite Amboß, der gegen ein Ende des Spezimens stößt und sich gegenüber dem ersten Amboß befindet, ist mit einem Ende eines zweiten Schafts verbunden, welcher durch den ersten Querbalken ragt. Der zweite Schaft kann genau positioniert werden, um das Spezimen um eine vorgegebene Strecke zu dem Druckkolben hin weiterzubewegen, um die exakte Höhe der Beanspruchung zu steuern, die durch jeden aufeinanderfolgenden Stoß auf das Spezimen ausgeübt wird. Die Geschwindigkeit des Druckkolbens bestimmt die Geschwindigkeit des ersten Ambosses und daher die Beanspruchungsrate, die in dem Spezimen während dessen Druckverformung bewirkt wird.
Wenn dem zweiten Amboß ermöglicht wird, unabhängig vom Hubabstand des Kolbens positionierbar zu sein, erlaubt vorteilhafterweise, daß die Verformung und die genaue Beanspruchungsrate, die in dem Spezimen bewirkt wird, unabhängig gesteuert werden. Der zweite Amboß wird während der Verweilzeit zwischen aufeinanderfolgenden Verformungen ("Stößen") vorzugsweise durch einen Keilaufbau bewegt, die von einem anderen servohydraulisch gesteuerten Kolben angetrieben wird. Ein geeignetes Positionieren des zweiten Ambosses und dann ein sich auf die Stopplatte Verlassen, bevor der Druckkolben plötzlich sowohl die Bewegung des Kolbens während jedes Stoßes als auch ab jetzt die Beanspruchung, die in dem Spezimen bewirkt wird, beendet, erlaubt vorteilhafterweise diesem Kolben, sich während der gesamten Druckverformung mit einer im wesentlichen gesteuerten Geschwindigkeit zu bewegen. So kann in dem Spezimen vorteilhafterweise während jedem Stoß eine erwünschte, relativ hohe, genaue Eingangs-Beanspruchungs rate beibehalten werden.
Außerdem hat das Prüfgestell meiner Erfindung auch die Fähigkeit, vor, während und/oder nach jedem "Stoß" gesteuerte Mengen an elektrischem Wechselstrom (AC) durch das Spezimen zu schicken und auch die Spezimenenden von einer hohen Temperatur leitend abzukühlen. Dieser Strom veranlaßt das Spezimen, sich mit eigenem ohmschem Widerstand zu erwärmen und bei einer gewünschten, im wesentlichen gleichförmigen Temperatur in dem ganzen Arbeitsbereich des Spezimens isothermische Ebenen zu bilden. Durch Steuern der Geschwindigkeit, mit welcher sich der Spezimen-Arbeitsbereich mit eigenem ohmschem Widerstand erwärmt und dann leitend abkühlt, kann der Arbeitsbereich dynamisch dazu gebracht werden, irgend eines aus einem großen Bereich unterschiedlicher, zeitlich abhängiger Temperaturprofile mit relativ kleinem oder gar keinem thermische Gefälle, das in dem ganzen Arbeitsbereich auftritt, zu erproben. Außerdem sind die Stromleiter in dem Prüfgestell 100, die hohe Erwärmungsströme befördern, in dem Gestell räumlich angeordnet, so daß sich die dadurch erzeugten Magnetfelder wegen des Flusses von Erwärmungsstrom durch dieses in einem volumetrischen Bereich des Gestells, welcher das Spezimen enthält, effektiv und weitgehend gegenseitig kompensieren. Folglich tritt in dem Spezimen während des Erwärmens kein beträchtliches Magnetfeld auf, und somit zeigt es im wesentlichen keine magnetisch induzierte&sub1; ungleichmäßige Erwärmung oder magnetisch induzierte Bewegung.
Obwohl das Prüfgestell 100 in horizontaler Lage gezeigt ist, kann das Gestell so ausgerichtet werden, daß es in vertikaler Lage arbeitet, wie z. B. mit einem Preßhub, der, wenn dies gewünscht ist, in einer Abwärtsrichtung stattfindet. Um die Besprechung zu vereinfachen, wird bei allen Verweisen auf Fig. 1 angenommen, daß das Gestell in horizontaler Lage ausgerichtet ist. Es sollte auch auf die Figuren 2A-2B Bezug genommen werden, auf die während des Verlaufs der folgenden Besprechung hingewiesen wird und die jeweils eine perspektivische Ansicht und eine perspektivische Rückansicht einer Anordnung aus einem Keil-Magnetjoch 182 und einem Keil 184, die beide in Fig. 1 gezeigt sind, und eine perspektivische Ansicht des in Fig. 2A gezeigten Keil-Magnetjochs 182 darstellen.
Wie besonders in Fig. 1 gezeigt ist, enthält das Prüfgestell 100 einen Rahmen 101, der aus zwei horizontalen Stützsäulen (Stangen) 102 und 102' und zwei Querbalken 104 und 104' gebildet ist, wobei die gegenüberliegenden Enden dieser Stangen starr in den Querbalken befestigt sind. Wie nachfolgend beschrieben, sind sowohl diese Stangen als auch die Querbalken aus leitfähigen Materialien hergestellt. Außerdem sind diese Komponenten stabil konstruiert, um den physikalischen Kräften, die während einer Druckverformung des Spezimens auftreten, standzuhalten. Ferner besitzt jede dieser und auch andere Komponenten, wie nachfolgend erwähnt wird, in dem Prüfgestell 100 einen hohen Elastizitätsmodul, so daß sie während einer Spezimenverformung eine relativ kleine elastische Beanspruchung zeigen. Das Gestell 100 enthält auch einen hydraulischen Zylinder 105 und pneumatische Zylinder 111 und 112, die alle in einem gemeinsamen Materialblock eingesetzt und über Stützen 103 und 103' an dem Rahmen 101 und besonders an dem Querbalken 104 befestigt sind. All diese Zylinder arbeiten bidirektional. Die Kolbenstangen 113 und 114 der pneumatischen Zylinder 111 und 112 sind an der Querstange stabil befestigt. Diese Querstange ist unter Verwendung von nicht leitenden Befestigungselementen (nicht eigens gezeigt) durch die Isolierplatte 117 mit dem Stromleiter 120 stabil verbunden, welcher wiederum an ein Ende des leitfähigen Schafts 140 angrenzt und mit diesem fest verbunden ist. Jedes dieser Befestigungselemente besteht normalerweise aus einem hochfesten Bolzen mit einer isolierten Hülse um seinen Schaft, einem isolierten Dichtungsring an seinem Kopf und einem Sicherungsring zwischen dem isolierten Dichtungsring und dem Kopf. Der Schaft 140 dreht sich in einem elektrisch isolierten Lager (Gleitlager) 132, das durch den Querbalken 104 reicht und ein durch diesen gebohrtes Loch auskleidet, und wird durch dieses Lager geführt. Dieses Lager ist z. B. ein Kompositlager aus TEFLON, wie z. B. ein DIXON-Lager vom Typ CJ, von Dixon Industries Corporation, Bristol, Rhode Island hergestellt ("TEFLON" ist ein eingetragenes Warenzeichen von E. 1. Dupont de Nemours and Company, Wilmington, Delaware; "DIXON" ist ein Warenzeichen von Dixon Industries Comporation). Z. B. ist der Schaft 140 mit der Querstange 115 mechanisch verbunden und wird durch diese bewegt, ist aber von ihr elektrisch isoliert. Das entgegengesetzte Ende des Schafts 140 grenzt an die leitfähige Stopplatte 143. Diese Stopplatte ist mit einem Ende der Schafterweiterung 145 verbunden. Diese Schafterweiterung dreht sich in dem Lager 147 und wird von dem Lager geführt, das durch die U-förmige Querstopeinrichtung 150 reicht. Das Lager 147 kann auch ein DIXON-Lager vom Typ CJ sein, obwohl dieses spezielle Lager nicht elektrisch isoliert sein muß. Dieser Schaft ist darüber hinaus an seinem entgegengesetzten Ende mit dem Amboß 160 starr verbunden. Dieses Lager kleidet ein entsprechendes Loch aus, das axial durch die Querstopeinrichtung ragt. Die Stopplatte besitzt einen wesentlich größeren Durchmesser als dieses Loch in der Querstopeinrichtung. Die Kolbenstange 109, die Koppler 110 und 110', die Schafte 140 und 145, die Stopplatte 143 und der Amboß 160 sind alle koaxial ausgerichtet und konzentrisch zu der Längsachse 10 (durch eine gestrichelte Linie angezeigt) des Prüfgestells. Der Teil des Spezimens 170, der sich zwischen den Ambossen 160 und 160' befindet, ist der Arbeitsbereich.
Bei dem Prüfgestell 100 werden, wie bisher beschrieben, am Anfang die pneumatischen Zylinder 111 und 112 eingestellt, bevor die Bewegung des Schafts 109 begonnen wird, um das Spezimen 170 zu pressen, die Kolbenstangen 113 und 114 angemessen zu strecken, um die Querstange 115 in die durch den Pfeil 142 gezeigte Richtung zu bewegen, so daß der Amboß 160 gegen eine Seite des Spezimens 170 einen festen Druckkontakt herstellt. Dies stellt sicher, daß zwischen dem Stromleiter 120 und einer Seite des Spezimens 170 und besonders durch den Schaft 140, die Stopplatte 143, die Schafterweiterung 145 und den Amboß 160 ein Strompfad mit geringem Widerstand entsteht. Die Zylinder 111 und 112 werden durch entsprechendes Steuern einer Quelle für Luft mit hohem Druck (normalerweise in der Größenordnung von ungefähr 1 bis 6 bar, d. h. 15 bis 90 psi) betrieben, die durch an sich bekannte Luftregler (nicht gezeigt) zugeführt wird, um jeden mit einer Kraft von 50-400 Pfund (ungefähr 220 bis 1800 Newton) zu versorgen.
Ein hydraulischer Zylinder 105 versorgt den Amboß 160 mit der nötigen Druckenergie, um ein Spezimen 170 zu verformen, und verleiht diesem Amboß die nötige Geschwindigkeit, um in dem Spezimen die erwünschten Umformgeschwindigkeiten zu erreichen. Die Kolbenstange 109 ist mit dem Koppler 110 verbunden. Der Koppler 110' ist über einen kurzen Schaft an der Querstange 115 fest angebracht. Beide Koppler besitzen flache Oberflächen und sind so angeordnet, daß diese Oberflächen einander gegenüberstehen. Eine Spezimenverdichtung beginnt, wenn die Kolbenstange 109 den Koppier 110 ausreichend bewegt hat, so daß seine flache Oberfläche anstoßend gegen die entsprechende Oberfläche des Kopplers 110' drückt. Die resultierende Bewegung beider Koppler verläuft in der durch den Pfeil 142 gezeigten Richtung. Die Kolbenstange 109 kann in den Zylinder 105 zurückgezogen werden, um dem Koppier 110 zu erlauben, sich über eine begrenzte Strekke frei zu bewegen und vor dem Auftreffen auf den Koppier 110' zu beschleunigen. Die Hochdruckleitungen 106 und 107 sind mit Einlaß- und Auslaßöffnungen des Zylinders 105 verbunden. Dieser Zylinder wird durch einen an sich bekannten hydraulischen Servosteuer-Wert (nicht gezeigt) und von einem Computer angesteuerten Steuerschaltkreisen, wie z. B. die von dem Rechtsnachfolger hergestellten und normalerweise in dem GLEEBLE 2000-System zu findenden, gesteuert. Im Hinblick auf die Tatsache, daß die Servosteuer-Werte und die zugehörigen Computer-Steuerschaltkreise Fachleuten sehr wohl bekannt sind, werden sie hierin nicht weiter erwähnt. Die pneumatischen Zylinder 111 und 112 bewirken eine viel geringere Kraft als der hydraulische Zylinder 105. In dieser Hinsicht kann die kombinierte Kraft der pneumatischen Zylinder ungefähr 800 Pfund (ungefähr 3500 Newton) sein, während der hydraulische Zylinder sogar eine Kraft von ungefähr 18.000 Pfund (ungefähr 8,3 Tonnen im metrischen System) bewirkt. Die kombinierte Wirkung der hydraulischen und pneumatischen Zylinder 105, 111 und 112 soll den Amboß 160 mit hoher Geschwindigkeit und mit großer Kraft in die Preßrichtung bewegen, aber in die Spannungsrichtung (entgegengesetzt zu der durch den Pfeil 142 gezeigten Richtung) mit relativ geringer Geschwindigkeit und mit einer geringen Kraft.
Mit dem Gestell 100 unter Flächenbeanspruchung zu prüfende Spezimen haben im allgemeinen einen rechtwinkligen Querschnitt, und ihre Dicke liegt normalerweise zwischen 10 und 40 mm. Diese Spezimen können auch eine Breite zwischen 14 und 100 mm und eine Höhe von 20 bis 200 Millimeter haben. Um sicherzustellen, daß in dem Arbeitsbereich jeder Spezimen-Flächenbeanspruchung (d. h. in dem Teil des Spezimens, der sich zwischen den Ambossen befindet) während des Erwärmens ein im wesentlichen gleichförmiger Temperaturgradient (d. h. mit sehr kleinen oder ohne Temperaturgradienten) auftritt, besitzt jedes dieser Spezimen im allgemeinen Oberflächenbereiche für jede der zwei gegenüberliegenden Oberflächen und einen Querschnittbereich, die alle wesentlich größer als die Kontaktfläche zwischen jedem Amboß und jeder dieser Oberflächen sind.
Der erforderliche Stromfluß zum Erwärmen metallischer Spezimen dieser Größe und bei Erwärmungsgeschwindigkeiten, die gleich oder größer als die in modernen Medien für Hochgeschwindigkeits-Walzwerke auftretenden Geschwindigkeiten sind, variieren zwischen ein paar hundert Ampere und ungefähr 22.000 Ampere. Dieser elektrische Strom wird von dem Transformator 130 geliefert, der eine Quelle für hohen Strom bei geringer Spannung aufweist.
Auch wenn es nicht entscheidend ist, sollte der Transformator, vorzugsweise durch einen Stufenschalter gesteuert, eine einphasige 75 kVA-Primärwicklung mit 440 Volt, eine parallele Sekundärwicklung mit 5,7 bis 10 Volt und eine Betriebsfrequenz von 50 oder 60 Hz aufweisen. Der Kurzschluß-Ausgangsstrom sollte in der Größenordnung von 50 kA oder mehr sein. Die sekundäre Wicklung des Transformators ist normalerweise aus einer oder zwei Windungen eines massiven Kupfergusses hergestellt. Durch Verändern der Windungen erhöht sich das Übersetzungsverhältnis des Transformators durch den Stufenschalter unbegrenzt, und es können Spezimen unterschiedlicher Größe und Form leicht erwärmt werden. Ein solcher Transformator ist das Modell G4475NS615, das von Kirkhof Transformer, Grand Rapids, Michigan hergestellt wird. Der Leitungszweig 128 der Sekundärwicklung des Transformators 130 ist mit dem Rahmen 101 starr verbunden und über einen Bolzen 127 an dem Querbalken 104 befestigt. Der andere Leitungszweig, d. h. der Leitungszweig 125 des Transformators, ist über einen Bolzen 124 mit dem biegsamen, flexiblen Stromleiter 122 fest verbunden. Dieser Stromleiter hat normalerweise eine Gesamtdicke von 1,3 cm (ungefähr 0,5"), ist aus einer Reihe von parallelen Kupferschichten hergestellt, von denen jede ungefähr 0,13 mm (0,005") dick und ungefähr 7,6 cm (3") breit ist. Die biegsamen, flexiblen Stromleiter 167 und 167' sind identisch hergestellt und haben ungefähr die halbe Querschnittfläche eines biegsamen, flexiblen Stromleiters 122. Die Leitungen 132 und 132' sind mit der Primärwicklung des Transformators 130 verbunden und liefern diesem von einer an sich bekannten Stromversorgung (nicht gezeigt) Strom. Die Stromversorgung ist ein geeignetes einphasiges SCR- (gesteuerte Siliziumgleichrichter) System mit Wärmeregelung, wie es üblicherweise in dem GLEEBLE 2000-System verwendet wird.
Die Stopstangen 154 und 154' sind an dem Querbalken 104' und über die Isolier-Distanzstücke 152 und 152' an der Querstopeinrichtung 150 fest angebracht, die alle in einer Stopeinrichtung enthalten sind. Dies stellt sicher, daß die Querstopeinrichtung durch die Stopstangen mit dem Querbalken 104' mechanisch verbunden, aber von diesem elektrisch isoliert ist. Um den seriellen elektrischen Strompfad durch das Spezimen 170 zu vervollständigen, sind die biegsamen, flexiblen Stromleiter 167 und 167' über die Befestigungselemente 169 und 169' an den Stopstangen 154 und 154' und der leitfähigen Platte 168 starr angebracht. Die linke Seite dieser Platte ist an dem Amboßträger 165 angebracht, an dem der Amboß 160 montiert ist. Dieser Amboß stößt gegen ein Ende des Spezimens 170. Um die an das Spezimen 170 angelegte Druckkraft oder -beanspruchung zu messen, befindet sich zwischen der rechten Seite der leitfähigen Platte 168 und einem Ende des Keilschafts 175 eine Meßdose 174.
An beiden Seiten der Meßdose befinden sich separate Fiberglas- Dichtungsringe, um diese zu isolieren und das Fließen eines elektrischen Stroms zwischen der Meßdose und entweder der leitfähigen Platte 168 oder dem Keilschaft 175 zu verhindern. Die Meßdose ist durch an sich bekannte isolierte Bolzen 173 (von denen der Einfachheit halber nur drei gezeigt sind) entlang seinem Umfang befestigt und ragt sowohl durch die Fiberglas- Dichtungsringe als auch durch die Meßdose in die leitfähige Platte 168 hinein.
Der Keilschaft 175 erstreckt sich von der Meßdose 174 durch den Querbalken 104' und verläuft in diesem weiter, und er wird von dem isolierten Lager 177 geführt, das auch ein DIXON- Lager vom Typ CJ sein kann. Dieses Lager kleidet ein Loch aus, das sich völlig durch diesen Querbalken erstreckt. Um elektrische Felder in der Nähe der Meßdose zusätzlich zu verringern, ist der Keilschaft 175 durch einen isolierten Fiberglas-Dichtungsring 179 mit dem Keil-Magnetjoch 182 verbunden, das sich in dem Keilaufbau 180 befindet. Dieser Keilaufbau ist zur Erklärung beim Betrachten der Wirkung des Keils und des Keil-Magnetjochs 182 in einer Querschnitt-Teilansicht gezeigt. Das Keil-Magnetjoch ist durch zwei isolierte Bolzen (nicht gezeigt), die durch die hintere Oberfläche 213 des Keil-Magnetjochs ragen, an dem Keilschaft 175 fest angebracht, wie in Fig. 2A-2C gezeigt ist. Diese Bolzen besitzen eine Isolation, die sich rund um ihre Schafte befindet, und isolierte Dichtungsringe, die unter ihren Köpfen angeordnet sind. Diese Bolzen reichen durch versenkte Löcher 232 in der Keil-Oberfläche 234, durch die Löcher 242 (von denen nur eines genau gezeigt ist), welche durch den Körper des Keil-Magnetjochs, vorbei an dem Absatz 238 (der den Fiberglas-Dichtungsring 179 anpaßt - in dieser Figur nicht besonders gezeigt) und in ein Ende des Keilschafts 175 ragen. Wie gezeigt, besitzt das Keil-Magnetjoch 182 eine Keil-Oberfläche 234, die in bezug auf die vertikale Achse des Magnetjochs in der Größenordnung von z. B. 17 Grad geneigt ist (was eine Neigung von ungefähr 30% ergibt) und sich zwischen zwei gegenüberstehenden Zungen 211 und 211' befindet, die parallel aus der Keil-Oberfläche 234 herausragen. Die Oberfläche 234 umgreift berührend die komplementär geformte Oberfläche 224 auf dem Keil 184 und gleitet auf ihr entlang. Wie in den Figuren 1 und 2A-2B gezeigt ist, ist der Keil 184 mit der Kolbenstange 192 verbunden, welche über den hydraulischen Zylinder 190 den Keil vertikal aufwärts oder abwärts bewegt. Dieser Zylinder ist mit starren Streben 193 an dem Querbalken 104' befestigt. Diese vertikale Bewegung in der durch den Pfeil 221 in Fig. 2A und 2B gezeigten Richtung bewirkt, wenn sie durch die gleitende Bewegung des Keils und des Keil-Magnetjochs übersetzt wird, daß sich der Schaft 175 in die durch den Pfeil 223 gezeigte Richtung bewegt, was wiederum bewirkt, daß sich die Meßdose 174, die leitfähige Platte 168, der Amboß 160' und schließlich das daran befestigte Spezimen 170 (alles in Fig. 1 gezeigt) entweder nach links, wie durch Pfeil 176 gezeigt, oder nach rechts, in eine entgegengesetzte Richtung wie durch diesen Pfeil gezeigt, bewegt. Der Amboß 160', der Amboßträger 165, die leitfähige Platte 168, die Meßdose 174, der Schaft 175, der Dichtungsring 179 und das Keil-Magnetjoch 182 sind allesamt zueinander koaxial ausgerichtet und konzentrisch zur Längsachse 10 sowie zu allen anderen Komponenten, z. B. dem Amboß 160, durch welchen Druckenergie vorn Zylinder 105 auf das Spezimen 170 übertragen wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bewirkt der hydraulische Zylinder 190, welcher den Kolben 192 betätigt, im allgemeinen die gleiche Kraft wie die während der Kompressionsprüfung von dem Zylinder 105 erzeugte Kraft, d. h. zum Beispiel in der Größenordnung von 8,3 Tonnen im Dezimalsystem. Die Hochdruckleitungen 195 und 195' leiten hydraulische Flüssigkeit zu einer Einlaßöffnung und von einer Auslaßöffnung des Zylinders 190 weg. Dieser Zylinder wird durch einen an sich bekannten hydraulischen Servosteuer-Wert (nicht gezeigt) und von einem Computer angesteuerte Steuerschaltkreise gesteuert, wie z. B. durch die von dem Rechtsnachfolger hergestellten und normalerweise in dem GLEEBLE 2000-System zu findenden. Mit dem Keil 184, der ungefähr 17 Grad Neigung besitzt (was ebenfalls eine Neigung von ungefähr 30% ergibt), bewegt sich der Keilschaft 175 nur ungefähr 30% so schnell und 30% so weit wie die Kolbenstange 192. Somit multipliziert der Keil 184 die Kraft des Zylinders 190 und liefert im wesentlichen eine sehr steife Stütze für den Amboß 160'. Folglich wird jedem Versuch, den Amboß 160' während der Kompressionsprüfung in eine entgegen der durch den Pfeil 176 gezeigten Richtung zu drücken, mit einem mechanischen Widerstand begegnet, der viel größer als der durch die Zylinder 105, 111 und 112 bewirkte Widerstand ist. Außerdem ist der Weg des mechanischen Widerstands zu dem Querbalken 104 kurz und verläuft über den Keilschaft 175, das Keil-Magnetjoch 182, den Keil 184 und die Keilführung 183, welche mit dem Querbalken 104' fest verschraubt ist (obwohl dies als solches nicht besonders gezeigt ist). Im Hinblick auf die Tatsache, daß die Querschnittfläche all dieser Komponenten relativ groß ist, wird die Beanspruchung (Kraft/Flächeneinheit), die dabei auftritt, ziemlich gering gehalten. Dies wiederum begrenzt die Beanspruchung dieser Komponenten auf einen sehr kleinen Wert, selbst bei der Maximalkraft, die von dem hydraulischen Zylinder 105 geliefert wird. Infolgedessen kann der Amboß 160' durch den hydraulischen Zylinder 190 sorgfältig und schnell positioniert werden und bleibt danach in dieser Position, selbst während der Zylinder 105 das Spezimen 170 durch Bewegen des Ambosses 160 mit hoher Geschwindigkeit und mit großer Kraft zusammenpreßt. Außerdem ist der Elastizitätsmodul dieser Komponenten sehr hoch, was die elastische Beanspruchung, die bei diesen Komponenten während der Kompressionsprüfung des Spezimens 170 auftritt, zusätzlich reduziert.
Der Keilaufbau 180 enthält auch zwei Keilführungsplatten, eine Trägerplatte 185 und Rückhaltefedern 187. Die Keilführungsplatten sind zueinander spiegelbildlich und übereinander angeordnet. Dies berücksichtigend und im Hinblick auf die Tatsache, daß nur eine Führungsplatte, d. h. die Platte 183, in Fig. 1 so gezeigt ist, daß sie den Keil 184 und das Keil-Magnetjoch 182 völlig bloßlegt, wird die nachfolgende Besprechung die andere Führungsplatte nicht besonders behandeln. Wie gezeigt, schneidet sich die Nut 181, deren Breite der halben Dikke des Keils 184 plus einem geeigneten Zwischenraum entspricht, vertikal entlang der Keil-Führungsplatte 183. Der Keil 184 verläuft vertikal in dieser Nut. Die hintere Oberfläche 226 des Keils gleitet gegen die Trägerplatte 185 (die aus der Ebene der Zeichnung ragt), die auf beide Führungsplatten montiert ist. Die Nut 178, die tiefer und enger als die Nut 181 ist, schneidet sich horizontal innerhalb der Führungsplatte 183 und senkrecht mit der Nut 181. Die Nut 178 besitzt eine Tiefe, die ungefähr der halben Breite des Keil-Magnetjochs 182 plus einem geeigneten Zwischenraum entspricht. Eine Zunge des Keil-Magnetjochs 182, z. B. die Zunge 211' (siehe Fig. 2A-2C), verläuft, wie in Fig. 1 gezeigt, innerhalb der Nut 178 und wird durch diese geführt. Somit weisen beide Führungsplatten zusammen Nuten auf, innerhalb derer die Keil-Magnetjoch-Zungen 211 und 211' (siehe Fig. 2A-2C) in einer horizontalen Bewegung geführt werden. Starke Rückhaltefedern 187 (von denen in Fig. 1 nur eine gezeigt ist) sind durch die in Fig. 2B und 2C gezeigten Gewindelöcher 225 und 225' mit den gegenüberliegenden Zungen des Keil-Magnetjochs 182 verbunden. Wie in Fig. 1 gezeigt, werden diese beiden Rückhaltefedern gegen die Führungsplatten gepreßt und üben daher auf das Keil-Magnetjoch eine Kraft aus, welche das Magnetjoch und den Keilschaft 175 in eine Richtung zieht, die der durch den Pfeil 176 gezeigten entgegengesetzt ist, um so sowohl den Keil als auch das Keil-Magnetjoch zueinander in engem Kontakt zu halten. Diese Rückhaltefedern besitzen Bolzen, die, wie in Fig. 2C gezeigt, durch die Keilführungsplatten und die Trägerplatte 185 in die Gewindelöcher 225 und 225' ragen, die zwischen den gegenüberliegenden Zungen 211 und 211' des Keil-Magnetjochs 182 angeordnet sind. Wie besprochen, wird der Keil 184 jeweils nicht bewegt, während ein Druckstoß auf das Spezimen 170 ausgeführt wird, aber möglichst nur während der Verweilzeit zwischen aufeinanderfolgenden Stößen und besonders, während die Kolbenstange 109 zurückgezogen ist.
Vorteilhafterweise kann der Keilaufbau 180 so konstruiert werden, daß er jegliche Kraft, die während jeder Druckverformung des Spezimens auf den Zylinder 190 übertragen wird, auf ein Minimum reduziert. Vor allem können die angrenzenden Oberflächen 234 an dem Keil-Magnetjoch und 224 an dem Keil (siehe Fig. 1 und 2A-2C) und die Oberfläche 226 sowie die entsprechende Oberfläche an der Trägerplatte 185 allesamt aufgerauht werden, z. B. durch Sandstrahlen oder sonstige an sich bekannte Techniken, um zwischen diesen relativ hohe Werte an Gleitreibung zu bewirken. Somit wird der größte Teil der durch den Keil während jeder Druckverformung des Spezimens übertragenen Kraft aufgewandt, um die Gleitreibung zu überwinden, die zwischen diesen Oberflächen existiert, anstatt über die Kolbenstange 192 auf den Zylinder 190 zu wirken. Da der Keil bewegt wird, während nur die pneumatischen Zylinder allein eine Kraft auf das Spezimen ausüben, und besonders während der Verweilzeit, die zwischen aufeinanderfolgenden Stößen vorhanden ist, kann diese Gleitreibung leicht durch den Zylinder 190 überwunden werden, und daher kann der Keil frei bewegt werden, um die Beanspruchung zu erhöhen, die während des nächsten darauffolgenden Stoßes auf das Spezimen 170 ausgeübt wird. Wegen der im wesentlichen größeren Kraft, die durch den hydraulischen Zylinder 190 über den Keilaufbau 180 erzeugt wird, als der kombinierten Kraft, die durch beide pneumatischen Zylinder 111 und 112 erzeugt wird, werden die Kolbenstangen 113 und 114, ausgehend von diesen pneumatischen Zylindern durch die Bewegung des Keilaufbaus in der durch den Pfeil 176 gezeigten Richtung einfach zurückgeschoben (d. h. gewaltsam zurückgezogen). Folglich veranlaßt, wenn der Keilaufbau das Spezimen 170 um eine Strecke nach links weiterbewegt, die Kraft, die durch den Keilaufbau über das Spezimen ausgeübt wurde, einfach die Kolbenstangen 113 und 114, sich um die gleiche Strecke in die pneumatischen Zylinder zurückzuziehen. Jedoch reicht die entgegengesetzte Kraft, die gleichzeitig durch die pneumatischen Zylinder auf das Spezimen ausgeübt wird, um einen guten elektrischen und thermischen Kontakt zwischen beiden Ambossen 160 und 160' und dem Spezimen 170 aufrechtzuerhalten und erlaubt dadurch, daß durch diese gleichzeitig ein Erwärmungsstrom fließt. Die Aufrechterhaltung dieses Kontakts ermöglicht dem Arbeitsbereich des Spezimens, zwischen aufeinanderfolgenden Stößen je nach Wunsch mit eigenem ohmschem Widerstand erwärmt oder leitend gekühlt zu werden.
Die Stopplatte 143, welche auch einen Teil der Stopeinrichtung bildet und an einem Ende des Schafts 145 montiert ist, steuert in Verbindung mit der Querstopeinrichtung 150 exakt die Beanspruchungsrate, die auf das Spezimen während jeder Druckverformung ausgeübt wird. Insbesondere hält der Schaft 140, wenn er in die durch den Pfeil 142 angezeigte Preßrichtung bewegt wird, seinen Preßhub abrupt an, wenn die Stopplatte 143 gegen die Querstopeinrichtung 150 stößt. Im Hinblick auf die Tatsache, daß die Querstopeinrichtung durch die Stopstangen 154 und 154' mit dem Querbalken 104' starr verbunden ist, wird die Stopplatte 143 sofort jegliche Vorwärtsbewegung des Ambosses 160 stoppen, selbst wenn es das Pressen des Spezimens 170 bei der von den Zylindern 105, 111 und 112 gelieferten maximalen Kraft ist. Das Stoppen des Ambosses auf diese Weise stellt sicher, daß der Amboß immer in einer exakten physikalischen Position stoppen wird, bei der die genaue Beanspruchungsrate, die auf das Spezimen ausgeübt wird, abrupt auf Null abfallen wird) ungeachtet der Geschwindigkeit des Ambosses in der Preßrichtung oder der durch die Zylinder 105, 111 und 112 auf das Spezimen wirkenden Kraft. Im Hinblick auf die Tatsache, daß die Stopplatte einen wesentlich größeren Durchmesser als das Loch durch die Querstopeinrichtung hat und relativ dick ist, wird die Stopplatte sich nicht verformen, wenn sie gegen die Querstopeinrichtung 150 stößt. Dieser gleiche Stop-Vorgang wird bei jedem aufeinanderfolgenden Stoß angewendet, ungeachtet der Anzahl, wie oft das Spezimen 170 aufeinanderfolgend gepreßt werden soll.
Wenn das Spezimen 170 einer Wärmebehandlung unterzogen werden soll, um in ihm einen zeitabhängigen Temperaturverlauf zu bilden, ist es notwendig, den gewünschten thermischen Prozeß (d. h. das sogenannte "thermische Programm"), welcher das Spezimen mit festgelegter Erwärmungs- und Abkühlungsrate mit eigenem ohmschem Widerstand erwärmt und leitend kühlt, mit der mechanischen Funktion des Prüfgestells, d. h. dem sogenannten "Verformungsprogramm", zu synchronisieren. Das letztere Programm verleiht dem Spezimen einen festgelegten Verformungsverlauf.
Wie oben besprochen, wird das Spezimen erwärmt, indem es durch eine gesteuerte Menge an elektrischem Strom hindurch tritt. Während eines halben Zyklus mit angelegtem Wechselstrom fließt dieser Strom (1), wie durch die Pfeile 401, 403, 405, 407 und 409 angezeigt, von dem Transformator 130 durch den Leitungszweig 125 und den biegsamen, flexiblen Stromleiter 122; und durch den Stromleiter 120, den Schaft 140, die Stopplatte 143, die Schafterweiterung 145 bzw. den Amboß 160 zu einer Seite des Spezimens 170. Dieser Amboß wird in gutem elektrischem Kontakt mit dem Spezimen gehalten, während er verformt wird. Um diesen Kontakt, wie oben besprochen, aufrechtzuerhalten, liefern die pneumatischen Zylinder 111 und 112 eine geeignete Kraft über die Querstange 115 an den Schaft 140 und somit an den Amboß 160. Diese Kraft wird ungeachtet der Wirkung des hydraulischen Zylinders 105 angelegt. Diese Kraft preßt das Spezimen gegen den Amboß 160', welcher durch den Keilaufbau 180 fest auf seinem Platz gehalten wird. Somit kann sich das Spezimen zwischen den Ambossen nicht bewegen, wenn der Keilaufbau eine solche Bewegung nicht zuläßt. Solange die Stopplatte 143 nicht gegen die Querstopeinrichtung 150 stößt, sich aber statt dessen von dieser beabstandet befindet, wird die von den pneumatischen Zylindern angelegte Kraft nur von dem Spezimen 170 ertragen.
Während dieses halben Zyklus verläuft der Rückweg des elektrischen Stroms, der durch das Spezimen 170 fließt, wie durch den Pfeil 411 angezeigt, am Anfang durch den Amboß 160', den Amboßträger 165 und die leitfähige Platte 168. Diese Platte teilt den Stromfluß auf die biegsamen, flexiblen Stromleiter 167 und 167' auf (jeder derselben befördert ungefähr eine Hälfte des Stromflusses). Der Strom fließt dann, wie durch die Pfeile 413 und 415 angezeigt, durch die Stopstangen 154 und 154' und vereinigt sich in dem Querbalken 104' wieder. Von da teilt sich der Strom noch einmal auf, wobei jeweils ungefähr eine Hälfte des Stroms in die Stützsäulen 102 und 102' fließt, wie durch die Pfeile 419 und 421 bzw. 417 und 425 angezeigt ist. Im Hinblick auf die Tatsache, daß diese Säulen an dem Querbalken 104 befestigt sind, vereinigt sich der Strom wieder, wie z. B. durch den Pfeil 425 angezeigt, in diesem Querbalken und fließt durch den Leitungszweig 128 zu dem Transformator 130 zurück. Der Stromfluß kehrt seine Richtung in aufeinanderfolgenden Zyklen des anliegenden Wechselstroms um. Der Erwärmungsstrom fließt durch beide Stützsäulen in der gleichen Richtung, aber erzeugt in dem Spezimen magnetische Flußlinien φ mit entgegengesetzter Polarität. Beide Stützsäulen haben das gleiche Format, so daß durch jede Säule eine ungefähr gleiche Menge an Erwärmungsstromfluß fließt. Darüber hinaus ist die räumliche Verteilung des Stroms, der in Komponenten des Prüfgestells 100 übertragen wird, so, daß die Impedanz des Strompfads durch die Säule 102 und durch die Säule 102' im wesentlichen gleich ist. Dies stellt sicher, daß sich der gesamte Erwärmungsstrom gleichmäßig auf diese beiden Säulen aufteilt. Außerdem sind diese Säulen im Verhältnis zu dem Spezimen 170 mit Zwischenraum angeordnet, so daß, wie durch die Pfeile 431 und 433 dargestellt, die Magnetfelder, die diese Säulen umgeben und durch den Erwärmungsstrom, der durch diese fließt, erzeugt wurden, in einem volumetrischen Bereich, der das Spezimen und besonders dessen Arbeitsbereich enthält, sich effektiv und im wesentlichen gegenseitig kompensieren. Wie eindeutig offensichtlich ist, bekämpfen sich besonders die Magnetfelder, die durch den Strom erzeugt wurden, der in der gleichen Richtung durch die Säulen 102 und 102' fließt, gegenseitig in der Nähe des Spezimens. Weil das Prüfgestell 100 geometrisch so konfiguriert ist, daß der Spezimen-Arbeitsbereich im wesentlichen in der Mitte zwischen den Säulen 102 und 102' liegt, kompensieren sich in dem Arbeitsbereich bei wirklich gleichen Mengen an Erwärmungsstrom, der in jeder dieser Säulen fließt, im wesentlichen gleiche und entgegengesetzte Magnetfelder, die durch diese Säulen erzeugt wurden, weitgehend gegenseitig. Dies beseitigt vorteilhafterweise induzierten Stromfluß in dem Arbeitsbereich im wesentlichen, der andernfalls aus diesen Feldern entstehen würde. Wenn man dies tut, fließen im wesentlichen alle ungleichmäßigen Ströme durch den Querschnitt des Spezimen-Arbeitsbereichs, und eine ungleichmäßige Erwärmung, die andernfalls aus irgendeinem solchen induzierten Stromfluß entstehen würde, wird ganz beseitigt, und dadurch wird sichergestellt, daß irgendwelche thermische Gradienten, die in dem Arbeitsbereich erscheinen, sehr klein sind. Im Hinblick auf die Tatsache, daß die Höhe des Spezimens 170, die an jeder Seite der Längsachse 10 des Gestells gemessen wird, selbst nachdem das Spezimen während einer Druckverformung einen Formwechsel erfährt, im Vergleich zu dem Abstand zwischen dieser Achse und jeder Säule relativ klein bleibt, wird eine wesentliche Kompensation dieser Magnetfelder im wesentlichen in dem ganzen Spezimen noch vorkommen, selbst nachdem es verformt worden ist. Somit wird das Spezimen weiterhin wegen des Durchflusses an Erwärmungsstrom eine im wesentlichen gleichförmige Erwärmung vor, während und nach einer Druckverformung erfahren. Außerdem löscht die Kompensation dieser Felder auch im wesentlichen jegliche Kräfte, die an dem Spezimen wirken, vor, während und nach einer Druckverformung und daher jegliche induzierte Spezimenbewegung, die andernfalls aus hohen Strömen, die durch diese Säulen fließen, herrühren würde. In dieser Hinsicht ist es, wenn Blechspezimen, die Oberflächenbereiche besitzen, welche im wesentlichen verwendet werden sollen, dann notwendig, ein solches symmetrisches Feld zu geneneren, um magnetisch induzierte, ungleichmäßige Erwärmung und magnetisch erzeugte Bewegung in dem Spezimen auszuschließen.
Um jeglichen induzierten Wirbeistrom in den Säulen 102 und 102' und das Magnetisieren derselben durch ein externes Feld, das z. B. durch einen Stromfluß durch das Spezimen selbst erzeugt wurde, und das Einwirken auf die Säulen auf ein Minimum zu reduzieren, werden diese beiden Säulen aus einem geeigneten Nichteisenmaterial hoher Festigkeit gefertigt, wie z. B. aus verschiedenen Aluminium- oder nichtrostenden Stahllegierungen. Das Wählen eines geeigneten Nichteisenmaterials für diese Säulen reduziert die magnetische Wechselwirkung zwischen diesen Säulen und dem Spezimen wesentlich. Außerdem enthalten die Säulen 102 und 102', der Stromleiter 120, die Schafte 140 und 145, die Amboßträgerplatte 165 und die leitfähige Platte 168 jeweils innere Kühldurchgänge, vorzugsweise zur Verwendung für eine Wasserkühlung, da sich das mechanische Format und die Dehnbarkeit von Materialien während der Erwärmung verändern. Durch diese Komponenten wird ein genügendes Volumen an Wasser mit einer angemessenen Geschwindigkeit gepumpt, um sicherzustellen, daß die Temperatur an jedem Übergang zwischen dem Amboß und dem Spezimen während der Erwärmung nicht höher steigt als auf ungefähr 20 Grad Celsius. Dies reduziert jegliche physikalische Ausdehnung dieser Komponenten vorteilhafterweise auf ein Minimum und bewahrt beide Ambosse vor einem Weichwerden. Folglich wird mit dem Prüfgestell 100 in einer ganzen Reihe einzelner Prüfungen eine gewünschte Enddicke des Spezimens exakt reproduzierbar sein.
Wie zur Erläuterung dienend gezeigt, sind die Transformatorleitungen 125, der sich biegende, flexible Stromleiter 122 und der Stromleiter 120 zweckentsprechend angeordnet, um sicherzustellen, daß sich, wie durch den Pfeil 425 gezeigt, im wesentlichen gleiche Mengen Erwärmungsstrom entweder wiedervereinigen, um den Leitungszweig 128 zu speisen, oder, durch diesen Leitungszweig geliefert, von dem gesamten Erwärmungsstrom abgespalten werden. Ferner sind alle elastischen Stromleiter und Leitungen normalerweise so dünn wie möglich und für die Erfordernisse der Strombeförderung geeignet hergestellt, um jede magnetisch induzierte Bewegung derselben auf ein Minimum zu reduzieren.
Außerdem werden der Querschnitt und die Leitfähigkeit aller stromführenden Komponenten so gewählt, daß der ganze Strompfad, der von dem Spezimen beabstandet ist, einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand und daher selbst bei Strömen in der Größenordnung von 10 kA oder mehr einen sehr geringen Spannungsabfall bietet. Indem die elektrischen Verluste des Strompfads ziemlich gering gehalten werden und im Hinblick auf die Tatsache, daß der Widerstand sowohl des Spezimens als auch des übergangs zwischen dem Spezimen und jedem Amboß relativ hoch sind, wird der größte Teil der von dem Transformator 130 zugeführten elektrischen Energie an das Spezimen geliefert. Folglich wird der größte Teil der von diesem Strom bewirkten Wärme in dem Spezimen 170 generiert werden.
Die Temperatur des Spezimen-Arbeitsbereichs wird dürch das Thermoelement 171 gemessen, welches auf das Spezimen perkussionsgeschweißt ist. Die Leitungen 172, welche von dem Thermoelement ausgehen, sind mit einem Wärme-Regelsystem (nicht gezeigt) verbunden, wie z. B. das in dem GLEEBLE 2000-System verwendete. Im wesentlichen wird zum Generieren eines Fehlersignals in dem thermischen Steuersystem die Temperatur des Spezimen-Arbeitsbereichs mit einem programmierten Temperaturwert verglichen, um die Ausgabe aus dem Transformator 130 zu ändern. Die Ausgabe wird um einen Wert geändert, der genügt, um die Temperatur des Arbeitsbereichs des Spezimens als Funktion der Zeit auf den programmierten Wert zu steuern. Wenn gewünscht wird, kann das Thermoelement leicht entweder durch ein an sich bekanntes Pyrometer oder irgendeine andere Temperaturmeßeinrichtung ersetzt werden. Die Temperatur wird als Funktion der Zeit gesteuert und auf die programmierte mechanische Verformung des Spezimens synchronisiert. Durch gleichzeitiges Steuern sowohl der Arbeitsbereichtemperatur als auch der physikalischen Verformung kann das Prüfgestell 100 meiner Erfindung exakt die Wirkung eines modernen Mediums für Hochgeschwindigkeits-Vielfach-Prüfgestell-Walzwerke in dem Spezimen simulieren.
Oft wird ein Prüfgestell benötigt, das sehr große mechanische Kräfte aushält und/oder mit relativ großen Spezimen arbeitet. In diesen Fällen sollte das Gestell mit mehr als zwei, z. B. mit vier Stützsäulen hergestellt werden. Gemäß meiner Erfindungsangaben müssen sich die Magnetfelder, die durch all die Säulen durch den Fluß des Erwärmungsstroms erzeugt wurden, in dem Bereich des Spezimens, besonders in dessen Arbeitsbereich, im wesentlichen kompensieren. Somit müssen alle Säulen passend bemessen und positioniert werden, um eine genaue Stromaufteilung unter diesen und eine geeignete Kompensation der mit diesen verbundenen Felder zu erreichen. Die spezielle Methode, mit der dies erreicht wird, wird auf Grund meiner oben erwähnten Erfindungsangaben für jeden Fachmann leicht offensichtlich sein.
In dieser Hinsicht stellt Fig. 3 eine Ansicht von hinten entlang der in Fig. 1 gezeigten Schnittlinie 3-3 und in der durch die zugeordneten Pfeile angezeigten Richtung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Geräts meiner Erfindung zur Einbeziehung in das Prüfgestell 100 dar. Hier würde das Prüfgestell nun statt der Verwendung von zwei Säulen 102 und 102', wie in Fig. 1 gezeigt, vier solcher Säulen beinhalten. Da alle sonstigen Details des Gestells im wesentlichen zu dem in Fig. 1 gezeigten und oben besprochenen identisch sein würden, richtet sich diese Besprechung nur auf die Säulen.
Wie in Fig. 3 gezeigt, würde das Prüfgestell einen Querbalken 301 (anstatt des Querbalkens 104, wie in Fig. 1 dargestellt) enthalten, an welchen vier identisch bemessene leitfähige Säulen 311, 313, 315 und 317 zu dem leitfähigen Schaft 140 symmetrisch montiert werden würden, wobei sich jede Säule in der Nähe einer anderen Ecke des Querbalkens 301 befindet. Wie oben besprochen, würde der Schaft 140 zu der Längsachse des Gestells konzentrisch ausgerichtet sein. Darüber hinaus würde jede dieser Säulen und der Schaft 140 einen inneren Kühlkanal enthalten, wie z. B. den Kanal 335 in dem Schaft 140. Diese vier Säulen würden unter Bezugnahme auf das Spezimen (in dieser Figur nicht besonders gezeigt) symmetrisch angeordnet sein. Jede der Säulen würde geeignet bemessen und so angeordnet sein, daß die Impedanz des Strompfads durch jede dieser Säulen im wesentlichen gleich sein würde und dadurch dem gesamten Erwärmungsstrom erlauben, auf diese Säulen in vier gleichen Teilen aufgeteilt zu werden. Somit würden die durch diese Säulen erzeugten Magnetfelder für diesen halben Zyklus des in der Ebene der Figur fließenden Stroms im wesentlichen gleich und, wie -durch die Pfeile 321, 323, 325 und 327 angezeigt, ausgerichtet -sein. Dieser Strom ist durch ein "X"-Symbol, z. B. durch Symbol 343, innerhalb jeder dieser Säulen angezeigt. Durch ein symmetrisches Positionieren der Säulen und das Sicherstellen einer gleichmäßigen Stromteilung unter diesen werden diese Felder in dem das Spezimen enthaltenden volumetrischen Bereich, besonders in dessen Arbeitsbereich, im wesentlichen kompensiert. Somit können durch exakte Auswahl der äußeren Form jeder Säule und ihre Plazierung, besonders in Verbindung mit weiteren, hohen Strom führenden Komponenten in dem Prüfgestell, ungleichmäßige Magnetfelder, die von dem Durchgang von Erwärmungsstrom durch das Prüfgestell herrühren, ohne Rücksicht auf die verwendete Anzahl solcher Säulen im wesentlichen ruhig ausgeschlossen werden.
Während des momentanen halben Stromzyklus wird in dem Schaft 140 ein Erwärmungsstrom in der umgekehrten Richtung fließen, d. h. aus der Ebene der Abbildung heraus, wie durch den Punkt 341 angezeigt ist. Während dieses halben Zyklus wird durch das Spezimen selbst fließender Erwärmungsstrom ein Magnetfeld generieren, dessen Kraftlinien in der durch den Pfeil 329 gezeigten Richtung und zu dem durch jede der Säulen erzeugten Feld entgegengesetzt ausgerichtet sind. Die Richtungen all dieser Felder wird sich während des nächsten Zyklus des Erwärmungsstroms einfach umkehren.
Da die Säulen selbst als Stromleiter für den Erwärmungsstrom dienen, ist das Konzept und die Konstruktion eines Prüfgestells überdies gemäß meiner Erfindungsangaben über Konzepte vereinfacht, die für Fachleute bekannt sind und die auf das Benutzen externer Kabel oder anderer Stromleiter angewiesen sind, um den Erwärmungsstrom zu befördern.
Wenn darüber hinaus aus manchem Grund nicht alle Säulen so gewählt werden können, daß sie eine im wesentlichen identische Größe, besonders eine identische Querschnittfläche haben, dann kann die Plazierung der Säulen geeignet geändert werden, wie z. B. durch Positionieren der Lage der unterschiedlich bemessenen Säulen entsprechend und nicht symmetrisch in bezug auf die anderen Säulen und die Längsachse des Gestells. Ferner müssen die Querbalken nicht den Erwärmungsstrom befördern. Statt dessen könnten geeignete Drahtverbindungen verwendet werden, um zwischen diesen Säulen, den Stopstangen und dem Transformator einen Erwärmungsstrom zu leiten. Wenn man dies tun würde, so würde es leider zusätzliche Herstellungskosten und Komplexität notwendig machen, und es würde auch erfordern, diese Drähte sorgfältig zu positionieren, um ein Auftreten magnetisch verursachter Bewegung zu vermeiden, die von Erwärmungsströmen herrühren würde, welche durch das Prüfgestell und das Spezimen hindurchtreten.
Während das Prüfgestell 100 ein Prüf-Spezimen unter Verwendung von Druckverformung verformt, sollte nun für Fachleute eindeutig ersichtlich sein, daß meine Erfindung leicht in ein Prüfgestell eingebaut werden kann, das dafür ausgelegt ist, auf ein Spezimen bei der Prüfung entweder Preß- und/oder Dehnkräfte auszuüben. Außerdem können, obwohl das Prüfgestell 100 Erwärmungsströme einer einphasigen Netzleitung (60 Hz) verwendet, leicht Erwärmungsströme mit anderen geeigneten Frequenzen und Phasenzahl (wie z. B. dreiphasig) verwendet werden. Vorteilhafterweise wird noch eine wesentliche Kompensation irgendwelcher sich ergebender Magnetfelder in einem volumetrischen Bereich stattfinden, der das Spezimen enthält, und dabei bezeichnenderweise jegliche magnetisch induzierten Erwärmungsströme in dem Spezimen und magnetisch induzierte Spezimenbewegung reduzieren.
Obwohl zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele gezeigt worden sind, welche die hierin gezeigten und ausführlich beschriebenen Angaben meiner vorliegenden Erfindung enthalten, können sich Fachleute leicht viele andere verschiedenartige Ausführungsbeispiele vorstellen, welche diese Angaben ebenfalls beinhalten.

Claims

1. Vorrichtung für ein thermisch-mechanisches Materialprüfsystem, wobei das System einem leitfähigen Prüf-Spezimen (170) steuerbar eine gewünschte Verformung verleiht und das Prüf- Spezimen steuerbar durch Erwärmen mit eigenem ohmschem Widerstand auf eine gewünschte Temperatur erwärmt) wobei die Vorrichtung folgendes enthält:

ein Prüfgestell (100) mit einer Längsachse (10), die diesem zugeordnet ist, mit:

einer Verformungseinrichtung (160,160'), die zu der Längsachse konzentrisch ausgerichtet ist, zum festen Halten eines leitfähigen Prüf-Spezimens (170) einer vorgegebenen Größe, zum Ausüben einer festgelegten, gesteuerten Kraft entlang der Achse zu dem Prüf-Spezimen, um das Prüf-Spezimen zu veranlassen, sich einer gewünschten Verformung zu unterziehen, und zum Aufbauen eines elektrischen Strompfads durch das Spezimen;

einem starren Rahmen (101), der sich über der Verformungseinrichtung befindet und erste und zweite beabstandete Stützelemente (104, 104') und eine Mehrzahl an elektrisch leitfähigen Säulenelementen (102, 102') besitzt, die zu der Längsachse parallel angeordnet sind und sich zwischen dem ersten und zweiten Stützelement befinden sowie mit diesen fest verbunden sind, wobei die Verformungseinrichtung auf dem zweiten Stützelement fest montiert ist und die Verformungseinrichtung mit allen Säulenelementen in elektrisch leitfähiger Verbindung steht;

wobei für ein Erwärmen des Prüf-Spezimens mit eigenem ohmschem Widerstand ein elektrischer Erwärmungsstrom von einer externen Quelle (130, 132, 132') seriell durch die Verformungseinrichtung, das Prüf-Spezimen und die Mehrzahl an Säulenelementen angelegt wird, und wobei die Mehrzahl an leitfähigen Säulenelementen zwischen dem ersten und dem zweiten Stützelement und in einer festgelegten Art über der Längsachse angeordnet ist, so daß die Magnetfelder (431, 433), die von allen leitfähigen Säulenelementen erzeugt wurden und von dem elektrischen Erwärmungsstrom herrühren, der durch diese fließt, sich im wesentlichen gegenseitig in einem Volumen kompensieren, welches das Prüf-Spezimen enthält, wobei das Prüf-Spezimen während des Erwärmungsstromflusses durch das Gestell weder irgendeine merkliche magnetisch induzierte, ungleichmäßige Erwärmung noch irgendeine merkliche magnetisch bewirkte Bewegung erfährt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl an leitfähigen Säulenelementen allesamt im wesentlichen das gleiche Format besitzen und in bezug auf die Längsachse des Gestells symmetrisch angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jedes der leitfähigen Säulenelemente aus einem leitfähigen Nichteisenmaterial hergestellt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das erste und das zweite Stützelement elektrisch leitfähig und senkrecht zu der Längsachse angeordnet sind; und die externe Quelle eine Stromversorgung (130) umfaßt, die zwischen die Verformungseinrichtung und das erste leitfähige Stützelement geschaltet ist, um Netzfrequenzstrom als Erwärmungsstrom zu liefern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei jedes der leitfähigen Säulenelemente einen inneren Kühlkanal (335) besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Verformungseinrichtung folgendes aufweist:

Kraft generierende Einrichtungen (105, 109, 110, 110', 115, 117, 140) mit einem ersten Aktuator (105), die auf den starren Rahmen montiert sind, zum steuerbaren Generieren einer mechanischen Kraft in einer ersten vorgegebenen Richtung;

eine erste und eine zweite Verformung produzierende Einrichtung (160, 160') zum Verformen des Prüf-Spezimens mit Druck, um so an diesem eine Druckverformung zu generieren, wobei die erste und die zweite eine Verformung produzierende Einrichtung mit den entsprechenden entgegengesetzten Seiten des Prüf-Spezimens anstoßend in Berührung kommt, während das Prüf- Spezimen verformt wird;

Kraft übertragende und stoppende Einrichtungen (143, 145, 150, 152, 152', 154, 154'), die sich mit der ersten Verformung produzierenden Einrichtung anstoßend berühren, zum Bewegen der ersten Verformung produzierenden Einrichtung, als Reaktion auf die Kraft in der ersten vorgegebenen Richtung, um so das Prüf- Spezimen unter Druck zu verformen, und zum Beenden weiterer Bewegung der ersten Verformung produzierenden Einrichtung, sobald die erste Verformung produzierende Einrichtung das Prüf-Spezimen um einen vorgegebenen Betrag zusammengepreßt hat; und Bewegungseinrichtungen (180, 190, 192) mit einem zweiten Aktuator (190) und auf das zweite Stützelement (104') montiert und durch das zweite Stützelement mit der zweiten Verformung produzierenden Einrichtung verbunden und in Abhängigkeit von dem zweiten Aktuator funktionsbereit zum Bewegen des Spezimens und der ersten und zweiten Verformung produzierenden Einrichtung um den vorgegebenen Betrag und in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten vorgegebenen Richtung vor dem Beginn der Druckverformung, wobei die Bewegungseinrichtung im wesentlichen keine Bewegung in der ersten vorgegebenen Richtung erfährt, während das Spezimen durch Druck verformt wird; wobei die Beanspruchungsrate und die Endbeanspruchung, die während der Druckverformung in dem Spezimen induziert wurde, jeweils durch die Geschwindigkeit der Kraft übertragenden und stoppenden Einrichtung in der ersten Richtung während der Verformung und eine Strecke, welche die Bewegungseinrichtung in der zweiten vorgegebenen Richtung vor der Verformung bewegt wird, im wesentlichen unabhängig festgelegt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Bewegungseinrichtung folgendes enthält:

einen Keilschaft (192), der an einem Ende mit der zweiten Verformung produzierenden Einrichtung verbunden ist und sich von dieser in die erste Richtung erstreckt,

einen Keil (184) mit einer ersten geneigten Oberfläche (224);

eine Keilführung (185, 187), die mit dem Rahmen fest verbunden ist, zur führenden Bewegung des Keils in der dritten und vierten Richtung, wobei die dritte und vierte Richtung zueinander entgegengesetzt und im wesentlichen senkrecht zu der ersten und zweiten Richtung verlaufen;

ein Keil-Magnetjoch (182), das mit dem Keilschaft an dessen zweitem Ende verbunden ist und eine zweite geneigte Oberfläche (234) besitzt, die zu der ersten geneigten Oberfläche komplementär ist, zum gleitfähigen Anstoßen an die erste geneigte Oberfläche, um so das Keil-Magnetjoch entweder in die erste oder in die zweite Richtung zu bewegen, während das Keil- Magnetjoch in die dritte oder vierte Richtung bewegt wird, wobei sich das Keil-Magnetjoch um einen vorgegebenen Teil der Strecke und mit einer Geschwindigkeit bewegt, bei der sich der Keil bewegt, während er mit diesem in gleitfähiger Berührung ist; und

wobei der zweite Aktuator mit dem Keil an dessen einem Ende verbunden ist, um den Keil steuerbar um eine gewünschte Strecke entweder in die dritte oder in die vierte Richtung zu bewegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Keilführung folgendes enthält:

eine erste Nut (181), die sich entlang der dritten und vierten Richtung erstreckt, zum Führen des Keils entlang dieser bei der Bewegung; und

eine zweite Nut (178), die sich mit der ersten Nut weitgehend rechtwinklig zu dieser schneidet, zum Führen des Keil- Magnetjochs, in Abhängigkeit von der Bewegung des Keils, in der ersten und zweiten Richtung.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Keil-Magnetjoch folgendes aufweist: erste und zweite Zungen (211, 211'), von denen sich jede an einer Seite der geneigten Oberfläche befindet und beide parallel nach außen ragen; und die Keilführung erste und zweite Rückhaltefedern (187) umfaßt, die an der Keilführung und an der jeweils zugeordneten Zunge fest montiert sind, um auf das Keil-Magnetjoch ein Kraft auszuüben.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der erste und der zweite Aktuator einen ersten bzw. einen zweiten servohydraulisch gesteuerten Zylinder (105, 190) aufweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Rahmen einen ersten und einen zweiten Querbalken (104, 104') aufweist, während jeweils das erste und das zweite Stützelement (104, 104') durch die Mehrzahl an leitfähigen Säulenelementen (102, 102') mit Zwischenraum und elektrisch und mechanisch in einer festen Anordnung miteinander verbunden sind, wobei der erste und der zweite Querbalken (104, 104') ein erstes und ein zweites Loch aufweisen, die sich durch diese in die erste vorgegebene Richtung und in ein erstes isoliertes Lager (132) erstrecken, welches das erste Loch auskleidet; und

die Vorrichtung weiterhin folgendes aufweist: ein Paar dritte und vierte Zylinder (111, 112), die mit dem ersten Querbalken (104) fest verbunden sind und erste und zweite Kolbenstangen (113, 114) besitzen; und

die Kraft übertragende und stoppende Einrichtung weiterhin folgendes aufweist:

eine Querstange (115), die zwei entgegengesetzte Enden besitzt und in der Nähe der zwei entgegengesetzten Enden derselben mit dem ersten und dem zweiten Kolben starr verbunden ist, die Querstange ferner einen Koppler (110') zum anstoßenden Eingreifen in einen entsprechenden Koppler (110), der an einem Ende eines Kolbens (109) des ersten Zylinders (105) angebracht ist und die mechanische Kraft, die von diesem erzeugt wurde, auf das Spezimen (170) überträgt, um so die Druckverformung desselben zu generieren;

eine Isolierplatte (117), die auf einer Fläche der Platte, im wesentlichen auf einem Platz auf der Mittelachse derselben, mit der Querstange fest verbunden ist;

eine erste und eine zweite leitfähige Schafterweiterung (140, 145), wobei die erste Schafterweiterung durch das erste isolierte Lager ragt, das sich in dem ersten Querbalken befindet, so daß sie von dem Querbalken (104) elektrisch isoliert ist;

einen starren Stromleiter (120), der zwischen einer zweiten Oberfläche der Isolierplatte gegenüber deren erster Oberfläche und einem ersten Ende der ersten Schafterweiterung starr und elektrisch gekoppelt ist;

eine im wesentlichen U-förmige Querstopeinrichtung (150) mit einem dritten Loch, das sich axial in diesem befindet, und einem zweiten Lager (147), welches das dritte Loch auskleidet, um den zweiten Schaft in der ersten und der zweiten Richtung zu führen, aber den zweiten Schaft von dem Querbalken elektrisch isoliert;

eine Stopplatte (143), die an einem ersten Ende des zweiten Schafts (145) starr befestigt ist und sich zwischen einem zweiten Ende des ersten Schafts (140, 145) und dem ersten Ende des zweiten Schafts befindet, wobei die Stopplatte (143) einen Durchmesser besitzt, der größer als der des dritten Lochs ist, und zum Aufprallen auf die Querstopeinrichtung während der Bewegung des zweiten Schafts in der ersten Richtung dient, um so eine weitere Bewegung des zweiten Schafts in die erste Richtung während der Druckverformung des Spezimens abrupt anzuhalten; und

eine erste und eine zweite Stopstange (154, 154'), wobei die Querstopeinrichtung über zugehörige erste und zweite Isolier-Distanzstücke (152, 152') an dem zweiten Querbalken (104') starr befestigt ist; und

wobei die Querstange (115) in Reaktion auf eine durch das Paar dritter und vierter Zylinder auf diese ausgeübte Kraft einen berührenden, seriellen elektrischen Strompfad durch den starren Stromleiter, den ersten und den zweiten leitfähigen Schaft und das Spezimen aufbaut und aufrechterhält, und die Querstange von dem Pfad elektrisch isoliert ist; und

wobei die erste und die zweite Verformung produzierende Einrichtung einen ersten bzw. einen zweiten elektrisch leitfähigen Amboß (160, 160') aufweist, der erste Amboß (160) auf eine zweite Oberfläche der zweiten Schafterweiterung fest montiert ist und der zweite Amboß auf einen leitfähigen Amboßträger (165) montiert ist, der sich in der Verformung produzierenden Einrichtung befindet; und wobei die erste und die zweite Schafterweiterung, die Stopplatte und der erste und zweite Amboß im wesentlichen koaxial ausgerichtet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Stromversorgung einen Niederspannungs-Transformator mit hohem Strom (130) aufweist, dessen Sekundärwicklung zwischen den starren Stromleiter und den ersten Querbalken geschaltet ist, so daß sie eine gesteuerte Quelle des elektrischen Erwärmungsstroms für das Prüf- Spezimen bildet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die zweite Verformung produzierende Einrichtung ferner folgendes aufweist:

eine leitfähige Platte (168) mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite und in elektrischer Verbindung mit dem zweiten Querbalken (104');

der leitfähige Amboßträger eine erste und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche besitzt und seine erste Oberfläche auf die erste Seite der leitfähigen Platte montiert ist; wobei der zweite Amboß auf die zweite Oberfläche des leitfähigen Amboßträgers montiert ist;

eine Meßdose (174) mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Meßdose auf die zweite Seite der leitfähigen Platte montiert ist; und

der Keilschaft auf die zweite Oberfläche der Meßdose fest montiert ist; und

wobei der zweite Amboß, der leitfähige Amboßträger, die Meßdose und der Keilschaft allesamt im wesentlichen koaxial ausgerichtet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Bewegungseinrichtung folgendes aufweist:

einen Schaft (175), der an einem Ende mit der zweiten Verformung produzierenden Einrichtung verbunden ist und sich in die erste Richtung derselben erstreckt; und wobei der zweite Aktuator starr auf den Rahmen montiert und mit einem zweiten Ende des Schafts verbunden ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Rahmen einen ersten und einen zweiten Querbalken (104, 104') aufweist, während jeweils das erste und das zweite Stützelement durch die Mehrzahl an leitfähigen Säulenelementen (102, 102') mit Zwischenraum und elektrisch und mechanisch in einer festen Anordnung miteinander verbunden sind, wobei der erste und der zweite Querbalken erste und zweite Löcher aufweisen, die durch diesen in die erste vorgegebene Richtung und ein erstes isoliertes Lager (132) ragt, welches das erste Loch auskleidet; und die Vorrichtung ferner folgendes aufweist: ein Paar dritte und vierte Zylinder (111, 112), die mit dem ersten Querbalken fest verbunden sind und erste und zweite Kolbenstangen (113, 114) besitzen; und

die Kraft übertragende und stoppende Einrichtung weiterhin folgendes aufweist:

eine Querstange (115), die zwei entgegengesetzte Enden besitzt und in der Nähe der zwei entgegengesetzten Enden derselben mit dem ersten und dem zweiten Kolben starr verbunden ist, die Querstange ferner einen Koppler (110') aufweist, um mit einem zugehörigen Koppler (110) anstoßend in Berührung zu kommen, der an einem Ende eines Kolbens (109) des ersten Zylinders (105) angebracht ist und die mechanische Kraft, die von diesem erzeugt wurde, auf das Spezimen (170) überträgt, um so die Druckverformung desselben zu produzieren;

eine Isolierplatte (117), die auf einer Fläche der Platte, im wesentlichen auf einem Platz auf der Mittelachse derselben, mit der Querstange starr verbunden ist;

eine erste und eine zweite leitfähige Schafterweiterung (140, 145), wobei sich die erste Schafterweiterung durch das erste isolierte Lager erstreckt, das sich in dem ersten Querbalken befindet, so daß sie von dem ersten Querbalken (104) elektrisch isoliert ist;

einen starren Stromleiter (120), der zwischen einer zweiten Oberfläche der Isolierplatte gegenüberliegend der ersten Oberfläche derselben und einem ersten Ende der ersten Schafterweiterung starr und elektrisch gekoppelt ist;

eine im wesentlichen U-förmige Querstopeinrichtung (150) mit einem dritten Loch, das sich axial in diesem befindet, und einem zweiten Lager (147), welches das dritte Loch auskleidet, um den zweiten Schaft in der ersten und der zweiten Richtung zu führen, aber den zweiten Schaft von dem Querbalken elektrisch isoliert; eine Stopplatte (143), die an einem ersten Ende des zweiten Schafts (145) starr befestigt ist und sich zwischen einem zweiten Ende des ersten Schafts und dem ersten Ende des zweiten Schafts befindet, wobei die Stopplatte einen Durchmesser besitzt, der größer als der des dritten Lochs ist, und zum Auftreffen auf die Querstopeinrichtung während der Bewegung des zweiten Schafts in der ersten Richtung dient, um so eine weitere Bewegung des zweiten Schafts in die erste Richtung während der Druckverformung des Spezimens abrupt anzuhalten; und eine erste und eine zweite Stopstange (154, 154'), die

die Querstopeinrichtung über zugehörige erste und zweite Isolier-Distanzstücke (152, 152') mit dem zweiten Querbalken starr verbindet; und

wobei die Querstange in Reaktion auf eine durch das Paar dritter und vierter Zylinder auf diese ausgeübte Kraft einen berührenden, seriellen elektrischen Strompfad durch den starren Stromleiter, den ersten und den zweiten leitfähigen Schaft und das Spezimen aufbaut und aufrechterhält, und die Querstange von dem Pfad elektrisch isoliert ist; und

wobei die erste und die zweite Verformung produzierende Einrichtung einen ersten bzw. einen zweiten elektrisch leitfähigen Amboß (160, 160') aufweist, der erste Amboß auf eine zweite Oberfläche der zweiten Schafterweiterung fest montiert ist und der zweite Amboß auf einen leitfähigen Amboßträger (165) montiert ist, der sich in der Verformung produzierenden Einrichtung befindet; und wobei die erste und die zweite Schafterweiterung, die Stopplatte und der erste und zweite Amboß im wesentlichen koaxial ausgerichtet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Stromversorgung einen Niederspannungs-Transformator mit hohem Strom (130) aufweist, dessen Sekundärwicklung zwischen den starren Stromleiter und den ersten Querbalken geschaltet ist, so daß sie für das Prüf-Spezimen eine gesteuerte Quelle des elektrischen Erwärmungsstroms bildet.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die zweite Verformung produzierende Einrichtung ferner folgendes aufweist:

eine leitfähige Platte (168) mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite und in elektrischer Verbindung mit dem zweiten Querbalken;

eine Meßdose (174) mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche,

wobei die erste Oberfläche der Meßdose auf die zweite Seite der leitfähigen Platte montiert ist; und

der Keilschaft auf die zweite Oberfläche der Meßdose fest montiert ist; und

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der erste und der zweite Aktuator einen ersten bzw. einen zweiten servohydraulisch gesteuerten Zylinder aufweisen.