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Verfahren zum zerstörungsfreien kurzzeitigen Feststellen des dynamischen
Feshgkeits verhaltens von Werkstücken mittels einer Schwingungsprüfmaschine Zum
Untersuchen der Schwingungsfestigkeit von Werkstoffen oder Werkstücken benutzt man
Schwingungsprüfmaschinen, wobei der Prüfling Dauerversuchen unterworfen wird. Diese
Versuche werden in der Regel folgendermaßen durchgeführt: Die Maschine wird auf
eine bestimmte Belastung des Prüflings eingestellt. Sodann werden 106 bis I07 Lastwechsel
bei dieser Belastung abgewartet. Geht der Prüfling vor dem Ablauf von 106 Schwingungen
zu Bruch, so wird ein neuer Prüfling eingespannt, und der Versuch wird erneut unter
geringerer Belastung durchgeführt. Ging der Prüfling bei 106 Schwingungen noch nicht
zu Bruch, so wird die Belastung um eine Stufe erhöht und nunmehr Io6 Belastungswechseln
unterworfen. Diese Versuche müssen an mehreren Probestücken durchgeführt werden,
um die DauerIast zu finden, bei der der Prüfling gerade noch Io7Wechsel aushält.
Dieses bekannte Verfahren ist aber sehr umständlich und langwierig.
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Man hat deshalb bereits vorgeschlagen, kurzzeitige Versuche vorzunehmen,
wobei die Belastung von Hand stufenweise erhöht wird.
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Dabei wird jedesmal eine bestimmte Zeit gewartet, während der die
notwendigen Ablesungen gemacht werden, dann wird die Belastung um eine Stufe gesteigert
usw. Aus dem Verlauf der Dämpfung oder der Verformung in Abhängigkeit von der Belastung
des Prüflings wird dann auf die Dauerfestigkeit geschlossen.
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Auch dieses Verfahren hat Nachteile. Durch die stufenweise Steigerung
und die zur Vornahme der Ablesungen erforderliche Unterbrechung ergibt sich die
Gefahr, daß der Werkstoff hochtrainiert wird. Es ist bekannt, daß bei langsamer
stufenweiser Steigerung
der Belastung in dem Werkstoff des Prüfling
eine Umwandlung der Strulitur entsteht, die eine erhöhte Dauerfestigkeit ergibt.
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Die bei solchen Versuchen ermittelteDauerfestigkeit ist also höher
als die Dauerfestigkeit, die sich nach verhältnismäßig kurzzeitiger Belastungssteigerung
ergibt. Außerdem hat es sich gezeigt, daß während der Belastungserhöhung sprungweise
Veränderungen in den mechanischen Eigenschaften des Prüflings auftreten können.
Bei unstetiger Belastungssteigerung von Hand und punktweiser Ablesung der Meßwerte
können diese Sprünge, die für die Beurteilung der Festigkeit des Prüflings von grundlegender
Bedeutung sind, aber im allgemeinen nicht erfaßt werden.
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Es ist ein Verfahren zum Bestimmen der sogenannten Ermüdungsgrenze
eines Werkstoffs mittels Schwingungsbeanspruchung bekanutgeworden, bei dem die zur
Schwingungserzeugung erforderliche Leistung in Abhängigkeit von der Schwingungsweite
aufgetragen und die Belastung stetig so weit gesteigert wird, bis diese Funktion
eine Unstetigkeit aufweist.
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Im Gegensatz dazu bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein
Verfahren zum zerstörungsfreien kurzzeitigen Feststellen des dynamischen Festigkeitsverhaltens
von Werkstücken mittels einer Schwingungsprüfmaschine, bei dem die Belastung des
Prüflings stetig gesteigert und mindestens eine für die elastischen Eigenschaften
des Prüflings maßgebende Meßgröße aufgezeichnet wird, und die Erfindung besteht
darin, daß unter gleichzeitiger Aufzeichnung zweier für die elastischen Eigenschaften
wichtiger Meßgrößen, insbesondere des Verlustfaktors und des Elastizitätsmaßes,
die Belastung des Prüflings bis zu einem oberhalb der Ermüdungsgrenze gelegenen
Wert selbsttätig gesteigert, daran anschließend konstant auf diesem Wert gehalten
und schließlich wieder abgeschaltet wird. Dann kann aus den der Ermüdungsgrenze
nachfolgenden Unstetigkeitslverten der beiden Meßgrößen auf das dynamische Festigkeitsverhalten
des Prüflings geschlossen werden.
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Auf diese Weise wird eine einwandfreie Ulltersuchung fertiger Werkstücke
ermöglicht, ohne daß diese, wenn sie fehlerfrei sind, zerstört werden müssen oder
in ihren Festigkeitseigenschaften leiden.
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Dabei hat das Verfahren gemäß der Erfindung den Vorteil, daß geringe
Unstetigkeiten, die während der Belastungssteigerung leicht überdeckt werden, bei
der anschließenden Prüfung mit konstanter Belastung deutlich erkennbar werden. Die
Aufzeichnung der Änrlerungen des Verlustwinkels und des Elastizitätsmaßes oder anderer
diesen entsprechender Meßgrößen hat den Vorteil, daß man eindeutige Aufschlüsse
über die Festigkeitseigenschaften des Prüflings sowohl bei Werkstoffen geringer
Dämpfung und hoher Elastizität als auch bei Werkstoffen hoher Dämpfung und geringer
Elastizität erhält.
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Der Erfindungsgedanke kann in veKschiedenen Ausführungsformen verwirklicht
werden je nach der Art der Beanspruchung des Prüflings und entsprechend dem Bau
der betreffenden Schwingungsprüfmaschine. Dabei kann man entweder eine Vorrichtung
zum stetigen Erhöhen der dem Prüfling zugeführten Kraft bzw. des entsprechenden
Antriebsmomentes benutzen oder eine solche zum stetigen Erhöhen der Verformung des
Prüflings.
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Zum Erhöhen der Kraft oder des Moments kann man z. B. bei Biegemaschinen
die Stellung eines Belastungsgewichtes mittels eines Hilfsmotors entsprechend verändern.
Bei Schwingungsmaschinen kommt eine stetige Erhöhung der Drehzahl des Scbwingermotors
über geeignete Regelmittel in Betracht. Bei Torsionsmaschinen, bei denen der Prüfling
mittels eines Kurbel- oder Exzentergetriebes in Schwingungen versetzt wird, können
Mittel vorgesehen werden, um die Größe des Kurbelhubes mittels eines Hilfsmotors
stetig zu verändern.
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Wenn die Verformung stetig gesteigert werden soll, so kann dies bei
Biegemaschinen durch Mittel geschehen, um den Betrag der Durchbiegung, gegebenenfalls
über eine zur Kraftmessung dienende verhältnismäßig starre Feder, mittels eines
Hilfsmotors stetig zu vergrößern. Bei Torsionsmaschinen kann der Ausschlag durch
stetige Veränderung einer Zusatzdämpfung, z. B. durch mehr oder weniger tiefes Eintauchen
eines Dämpfungsflügels in eine Flüssigkeit, erhöht werden. Bei Maschinen mit Kontaktsteuerung
kann durch einen Hilfsmotor der Kontaktabstand entsprechend geändert werden.
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Bei elektromechanisch erregten llesonanzschwingungsmaschinen kann
der Rückkopplungsgrad mittels eines Vorwiderstandes oder die Phasenlage der Erregung
durch Verstellen eines Phasenschiebers stetig verändert werden.
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Nach dem Stillsetzen des die stetige Erhöhung der Belastung bewirkenden
Motors arbeitet die Schwingungsprüfmaschine mit gleichbleibender Belastung weiter,
wobei gegebenenfalls eine Einrichtung zum selbsttätigen Gleichhalten der Belastung
vorgesehen werden kann.
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Die Vorrichtung zum selbsttätigen laufenden Aufzeichnen der für die
l ntersuchung wichtigen Meßgrößen ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Meßgeräte zum
Aufzeichnen des Elastizitätsmaßes und des Verlustfaktors
sind an sich bekannt. Wenn man zum Aufzeichnen Schreibgeräte benutzt, deren Schreib
streifen durch ein Uhrwerk oder einen mit gleichbleibender Geschwindigkeit laufenden
Motor angetrieben werden, so ist es erwünscht, daß die jeweilige Größe der Belastung
an der Zeitteilung des Schreibstreifens ablesbar ist, so daß die Veränderung der
betreffenden Meßgrößen während der Steigerung der Belastung in Abhängigkeit von
der Größe der Belastung erscheint. Zu diesem Zweck können Mittel vorgesehen werden,
um zu erreichen, daß der Motor für den Vorschub des Schreibstreifens synchron mit
dem Hilfsmotor für das Regeln der Belastung des Prüflings läuft. Dies wird am einfachsten
dadurch erreicht, daß beide Motoren als Synchronmotoren ausgebildet und an die gleiche
Wechselstromquelle angeschlossen sind. Wenn der Hilfsmotor als Asynchronmotor ausgebildet
werden soll, so kann man seine Bewegung mit an sich bekannten Mitteln auf den Schreibstreifenvorschub
übertragen. Zu diesem Zweck kann z. B. der Hilfsmotor für das Regeln der Belastung
mit einem Geber bekannter Bauart zur Fernübertragung der Drehzahl auf einen zum
Vorschub des Schreibstreifens dienenden Empfänger gekuppelt werden. Es muß dann
allerdings dafür gesorgt werden, daß der Schreibstreifen nach dem Stillsetzen des
Hilfsmotors mit gleichbleibender Geschwindigkeit entsprechend der Zeitteilung weiterläuft.
Dies kann durch eine Umschaltung des Schreibstreifenvorschubs auf ein Uhrwerk oder
dadurch geschehen, daß der mit dem Papiervorschub gekuppelte Empfänger auf einen
zweiten Geber umgeschaltet wird, der von einem Uhrwerk oder einem Motor mit gleichbleibender
Drehzahl angetrieben wird.
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In der Zeichnung sind in den Fig. I und 2 zwei Diagrammstreifen dargestellt,
die bei verschiedener Höhe der Belastung eines Prüflings gemäß der Erfindung aufgenommen
sind.
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Das in Fig. I dargestellte Diagramm entspricht einer Untersuchung
des Prüflings in der Weise, daß die Belastung zunächst von 0' bis so mkg stetig
gesteigert wurde. Man erkennt aus den Kurven, daß während dieser Steigerung der
Belastung das Elastizitätsmaß E konstant geblieben und der Verlustfaktor tg d stetig
gestiegen ist. Nach dem durch das Stillsetzen des Hilfsmotors erfolgten Halten der
Belastung auf 50 mkg zeigt sich noch eine geringe Steigerung des Elastizitätsmaßes
E, die auf eine durch die Dauerbeanspruchung bewirkte Verfestigung des Werkstoffes
zurückzuführen ist. Gleichzeitig sinkt der Verlustfaktor auf einen etwas geringeren
Wert.
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Einen durchaus anderen Verlauf zeigen die entsprechenden Kurven,
wenn man nach Fig. 2 die Belastung des Prüflings bis auf 100 mkg steigert. Beim
überschreiten einer Belastung von oomkg zeigt sich ein plötzliches Absinken des
Elastizitätsmaßes E und gleichzeitig eine sprungweise auftretende Erhöhlung des
Verlustfaktors tag8, ein Zeichen dafür, daß die Ermüdungsgrenze überschritten ist.
Beim weiteren Steigern der Belastung treten nun in dem als Beispiel angenommenen
Fall weitere Unstetigkeiten in dem Kurvenverlauf ein, und bei der anschließenden
Dauerbelastung mit IOO mkg sinkt das Elastizitätsmaß immer mehr ab, während der
Verlust faktor ansteigt. bis der Prüfling zu Bruchgeht.
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Aus dem Verlauf der Kurven ergibt sich also, daß das untersuchte
Werkstück betriebsmäßig nicht bis auf IOO mkg, sondern höchstens bis auf so mkg
belastet werden dürfte, weil sonst über kurz oder lang ein Bruch eintreten würde.
Ein für eine Belastung bis 100 mkg geeignetes Werkstück dürfte ob erhalb der bei
etwa oomkg liegenden Ermüdungsgrenze keine Unstetigkeiten im Verlauf der betreffenden
Kurven und bei der Dauerbelastung mit 100 mkg keine wesentlichen Veränderungen der
Werte des Verlustwinkels und des Elastizitätsmaßes zeigen.