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Verfahren Probestab und Vorrichtung zur Bestimmung der Sprödigkeit
von Werkstoffen
Es ist in der Praxis sehr wichtig, die Sprödigkeit von Werkstoffen,
d. h. ihre Widerstan, dsfähigkelit bei dynamischen Beanspruchungen oder auch Schlag
oder hinsichtlich der Fortpflanzung von bestehenden Rissen bestimmen zu können.
lei der genauen Messung der Sprödigkeit durch exakte Zahlen stößt man noch auf große
Schwierigkeiten, da man diese dadurch erhält, daß man aus dem zu untersuchenden
Werkstoff hergestellte Proben kleinerer Abmessungen geeignet erscheinenden mechanischen
Untersuchungen unterwirft.
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ENle meisten Versuche zur Bestimmung der Sprödigkeit bedienen sich
der Schlagprobe eines Hammers, im allgemeinen an einem Schwingarm, wobei das Probestück
gewöhnlich in der Mitte einen den Bruchquerschnitt lokalisierenden Einschnitt aufweist.
Die Meßvorrichtung zeigt hierbei die bis zum Bruch der Probe aufgewendete Arbeit
an. Man kennt in dieser Hinsicht zwei Arten von Versuchen: Die Probe nach Charpy.
Bei dieser besteht das Probestück aus einem Prismenstück mit quadratischem Querschnitt
und einer quer laufenden Rille, die am Scheitel abgerundet ist. Ferner kennt man
die Probe nach Izod mit einem prismatischen oder zylindrischen Stück und einem eingefrästen
scharfen Einschn, itt. Die Probe nach Cha rpy wird an beiden Enden abgestützt, und
der Hammer schlägt in die Kerbe. Die Probe nach Izod wird einseitig eingespannt,
und der Hammer schlägt gegen das freie Ende.
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Man hat festgestellt, daß die bisherigen Proben und ihre Prüfart
noch schwerwiegende Nachteile
bieten, die mlan bisher noch nicht
hat beseitigen können. Insbesondere zeigen die Versuchsergebnisse, anstatt bei dem
gleichen Material konstant zu sein, beträchtliche Zufallssteuungen, und das Wahrscheinlichkeitsgesetz
ist bei Proben v3e4rschiedener Querschnitte nicht anwendbar, selbst wenn sie aus
demselben Werkstoff bestehen.
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Weitere Nachteile der bisherigen Verfahren sind folgende: I. Der
Bruch der bisherigen Proben. erfolgt durch Biegung an ihrem Bruchquerschnitt um
eine momentane Drehachse (neutrale Achse), die gn demselben Querschnitt liegen muß.
Während in einem Teil dieses Querschnittes das Material Zugkräften ausgesetzt ist,
entstehen in dem anderen Teil Druckkräfte. Diese letzteren sind lim allgemeinen
so groß, daß plastische Deformationen entstehen, derart, daß das Versuchsergehnis,
d. h. die beim Bruch sich ergebende Gesamtarbeit, sich als Summe einer Zugarbeit
und einer Druckarbeit darstellt.
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Solche Beanspruchungen und unterschiedliche Deformationen bilden
im allgemeinen die Ursache für Brüche durch einen einzigen Schlag oder Dauerbeanspruchungen
von eingebauten Teilen (Brückenteilen, Teilen von Maschinen, Fahrzeugen, Schiffen
u. dgl.). Denn wo die Arbeit durch reinen Zug entsteht, ist die Beanspruchung durch
Druck ausgeschlossen, und bei Biegung befinden sich die zusammengedrückten Zonen
fern von der Stelle, wo der Bruch entisteht"untd in diesem Falle gibt es keine plastische
Bruchdeformation. Die mit den gewöhnlichen Proben gemachten Versuche zeigen also
zu günstige Resultate, da die an ihrer Bruchstelle absorbierte Arbeit im Vergleich
zu der wirklichen, zum Bruch der Stücke erforderlichen Arbeit zu groß ist.
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2. Bei einem wenig spröden Materilal, z. B. nicht rostendem Stahl
I8/8 oder bei Nickel, ist der Bruch der Proben nur teilweise, so daß das Ergebnis
des Versuches die totale Brucharbeit nicht ausdrückt, sondern eine andere Charakteristik
darstellt, deren genaue Beurteilung nicht möglich ist.
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3. Wenn die Probe vor dem Brechen sich stark biegt, übt der Radius
der Kante des Schwinighammers einen erheblichen Einfluß auf das Versuchsergebnis
aus. Diie mit zwei verschiedenen Hammer erzielten Zahlen können nur miteinander
verglichen werden, wenn die Radien völlig identisch sind.
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4. Auf Grund der Art des Bruches bei den biswenigen Proben ist es
nötig, dem Bruchquerschnitt eine Minimumfiäche zu gehen. Im allgemeinen darf die
Höhe des Querschnittes nicht unter 5 mm liegen.
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In keinem Fall darf sie geringer als 3 mm sein. Diese Proben sind
also für die Bestimmung der Sprödigkeit bei sehr kleinen Zonen geeignet, d. h. bei
Zonen, die kleiner sind als die Minimumfläche des Bruchquerschnittes. Nun ist aber
die Kenntnis der Sprödigloeit solcher Zonen für das Studium zahlreicher aktueller
technischer Probleme von erhöhter Wichtigkeit, z. B. lokale Heterogenität der Metalle,
Schweißbarkeit der Stähle usw.
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5. Die bisherigen Proben erlauben nicht die Beurteilung der Sprödigkeit
von Werkstoffzonen, die ganz dicht an der äußeren Fläche liegen oder die Außenfläche
selbst betreffen, denn der Einschnitt, mit dem die Proben immer versehen werden,
bringt notwendigerweise die Bruchzone in eine bestimmte Entfernung von der Oberfläche,
die der Tiefe des Einschnittes entspricht.
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6. Aus demselben Grund kann bei den bisherigen Proben die Sprödigkeit
eines nicht eingekerbten Materials nicht unter vergleichbaren Versuchsbedingungen
bestimmt werden.
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Die Erfindung hat ein Verfahren und neue Formen von Proben und Vorfichtungen
für die Proben zum Gegenstand, wobei die bisherigen Nachteile vermieden werden.
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Gemäß der Erfindung wird an Stelle der Biegung des Materials der
Probe in sich selbst, d. h. um eine momentane, in dem Bruchquerschnitt gelegene
Drehachse, hinsichtlich ídes Querschnlittes der bis zum Bruch beanspruchten. Probe
ein Stift vorgesehen, der die Bewegung des Materials während der Biegung derart
führt, daß die plastischen Deformationen des in dem Material neben dem Bruchquerschnitt
entstehenden Druckes ganz oder teilweise ausgeschaltet werden Der Stift muß praktisch
unzusammendrückbar sein, also aus hartem Material bestehen.
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Er ist zweckmäßilg zylindrisch mit kreisrundem Querschnitt, damit
die beiden Teile der Probe, die durch den Bruch getrennt werden, eine Drehung um
seine Achse ausführen. Aus der momentanen Drehachse, die bei dem bisherigen Verfahren
innerhalb des Bruchquerschnittes des materials liegt, erhält man nunmehre eine feste,
in der Verlängerung des Bruchquerschnittes gelegene Drehachse, die mit der Achse
des zylindrischen Stiftes zusammenfällt.
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Der Durchmesser des Zylinders soll zu der Höhe des Bruchquerschnittes
verhältnismäßig groß sein, so daß sich schon am Anfang der Beiegeung eine Führung
des Stiftes ergibt.
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Vorteilhaft wird Ider Stift in eine in der Probe vorgesehene Bohrung
eingeführt, die in Gestalt und Abmessung genau dem Stift entspricht. Beim Schlag
nimmt der Stift nicht nur den Druck auf und verteilt die Kräfte vorteilhafter, sondern
er dient außerdem als Stütze und Führung für das ihn umgehende Material. Der Stift
kann auch am Ende des Schlaghammers angeordnet werden, wobei er in eine genau seiner
Form angepaßte Aussparung in der Probe schlägt.
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Die Probe kann ferner mit einem Einschnitt, z. B. auf der der Bohrung
des Stiftes entgegengesetzten Seite, versehen werden. Die Achse des Stiftes muß
sich hierbei in der Mittelebene des Einschnittes befinden. Aber es ist nicht unbedingt
notwendig, daß die Probe einen Einschnitt zeigt, denn das Vorhandensein einer Bohrung
oder einer Aussparung zur Aufnahme des Stiftes genügt für die Lokalisierung des
Bruchquerschnittes.
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Man kann also gemäß der Erfindung interessante Versuche mit nicht
eingekerbten Proben anstellen, was bisher nicht möglich war Man kann außerdem erfindungsgemäß
Untersuchungen auf Sprödigkeit von Schtveißungen zwischen zwei Stücken ausführen.
Die Anord-
nung des Stiftes wird hierbei vorteilhaft in den Berührungsflächen
der durch eine Schweißraupe verbundenen Stücke vorgesehen. Das Verfahren des Bruches
bleibt bei dem durch Schweißung hergestellten Stück dasselbe, und zwar tritt auch
bier eine Drehung um den als Führung dienenden Kern ein.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist diese auch bei Proben
von geringer Stärke, wie Blechen oder Drähten, anwendbar. Der Stift befindet sich
hierbei zwischen zwei Teilen einer Abstützung, auf der die Probe befestigt ist.
Die beiden Abstützungsteile drehen sich hierbei um den Stift und nehmen je eine
Teil der Probe mit sich.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
veranschaulicht.
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Fig. I zeigt zwei bisherige Proben; Fig. 2 sind die bisherigen Formen
der Einschnitte; Diel Fig. 3 und 4 veranschaulichen die Schlag versuche der Proben
nach Charpy und 1 z od und die Verteilung des Spannungsbildes in dem Bruchquerschnitt;
Fig. 5, 6 und 7 und 8 zeigen im Schaubild Proben gemäß der Erfindung; Fig. g und
10 zeigen für die Proben der Fig. 5 bis 8 angepaßte Stifte; Fig. 11 ist eine Ansicht
einer Probe gemäß der Erfindung mit einem Stift der Fig. Io; Fig. 12 zeigt eine
Schlagprobe und die neue Verteilung der Spamlungen, während Fig. I3 den Bruchvorgang
der Probe nach Fig. 8 veranschaulicht (Untersuchung mit Schlaghammer Charpy); Fig.
14 zeigt dieselbe Schlagprobe nach der Untersuchungsmetode izod.
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Fig. 15 und 16 zeigen die anordnung des Stiftes an dem Hammer; Fig.
I7 stellt die Anwendung der Erfindung zur Bestimmung der Sprödigkeit bei einer Schweißnaht
dar; Fig. i8 und 19 veranschaulichen Haltevorrichtungen für die Proben gemäß der
Erfindung für Schlaguntersuchungen an dünnen Blechen oder Metalldrähten.
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Die in der Fig. I dargestellten Proben a und b entsprechen den Ausführungen
nach Charpy und Izod. Die Probe a mit quadratischem Querschnitt weist einen Einschnitt
mit gebohrter Abrundung im Scheitel auf, der eine verringerte Höhe für den Bruchquerschnitt
bestehen läßt. Die rund Probe b hat eine eingefräste, spitz zulaufende Kerbe. Fig.
2 zeigt verschiedene gebräuchliche Ausführungen von Einschnitten.
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Bei der Untersuchung wird die Probe a an beiden Enden labgestützt
und durch einen Hammer c an der anderen Seite der Einkerbung e geschlagen. In diesem
Augenblick wird gemäß dem Diagramm der Fig. 3 die vertikal schraffierte Zone, die
oberhalb der momentanen Drehachse o liegt, dem Zug ausgesetzt, und die horizontal
schraffierte Zone unterhalb dieser Achse wird auf Druck beansprucht. Die Bruchstelle
einer solchen Probe zeigt fast immer, daß die Druckkräfte plastische Deformationen
in derselben Richtung ausgeübt haben, was die unter I genannten Nachteile erklären.
Die Probe b ist in ihrem unteren Teil eingespannt und erhält an dem anderen oberen
Ende einen Schlag des Hammers c' (Fig.). Hier tritt derselbe Übelstand ein. Dlie
Verteilung der Spannungen ist die gleiche.
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Die Probe d gemäß der Erfindung zeigt als charaktenistisches Merkmal
eine quer laufende zylindrische, mit kreisförmigem Querschnitt versehene Bohrung
f, die sich von einer Seite zur anderen erstreckt und dicht an der Außenfläche der
Probe, wie in den Fig. 5 und 6, oder diese Fläche durchbrechend, wie in den Fig.
7 und 8, angeordnet sein kann. Dlie Bohrung f nimmt vor Beginn des Versuches einen
kleinen zylindrischen und genau eingepaßten Stift g auf.
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Die Proben d können jeden geeigneten Querschnitt besizen, z.B. quadratisch,
vierkant oder rund, und mit einem (Fig. 5 und 7) oder keinem Einschnitt (Fig. 6
und 8) versehen sein. In dem ersteren Fall muß sich der Einschnitt e, der jede geeignete
Ausbildung, z. B. diejenige der Fig. 2, erhalten kann, in der durch die Achse der
Bohrung f gehenden Ebene befinden. Im zweiten Fall reicht die Bohrung f zur Bestimmung
des Bruchquerschnittes allein aus.
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Der kleine Zylinder g ist beispielsweise an einem Ende abgerundet
und trägt an dem anderen als Anschlag dienende Vorsprünge (Fig. 9). Die Länge l
zwischen dem Vorsprung h und der Abrundung ist vorzugsweise ein wenig größer als
die Tiefe der Bohrung,'. Bei einer Probe alus Metall besteht der Zylinder g vorteilhaft
aus Stahl mit gehärteter Fläche, aber mcht sehr spröde, z. B. sorbitisches oder
trostitisches Gefüge.
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Wenn die Bohrung an einer Seite, wie in der Darstellung der Fig.
7 und 8, offen ist, verwendet man vorteilhaft einen zylindmschen Stift g' (Fig.
Io) mit einer Abfiachung i, die mit der zugehörigen Fläche der Probe abschneidet
(Fig. I2) oder diese überschreitet (Fig. II). Sie dient zur Aufnahme des Hammerschlags.
Man kann auch einen vollständigen Zylinder verwenden, wenn man den Hammer mit einer
abgeflachten Schlagfläche versieht (Fig. 17).
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Die Untersuchungen an den mit dem zylindrischen Stift versehenen
Proben können mit Hilfe der bisherigen Apparaturen durchgeführt werden. Bei dem
Verfahren nach Charpy wird die Probe derart angelegt, das der Hammer c des Schwingarmes
genau gegen die Achse des Zylinders schlägt (Fig. I2).
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Die Bruchstelle der Probe gemäß der Erfindung unterscheidet sich
von den Bruchstellen der bisherigen proben wesentilich, Durch das Vorhandensein
des zylindrischen Stiftes befindet sich die momentane Drehachse nicht mehr in der
Bruchfläche, sondern in dem von dem Stift eingenommenen Raum, und die zur Ebene
der Bruchfläche bezogene Druckzone wird außerhalb des Materials der Probe verlegt.
Fig. 12 zeigt die Verteilung der Spannungen im Augenblick des Schlages. An der Stelle
der Bruckfläche der Probe wird das Material ausschließlich Zugkräften unterworfen,
deren Verteilung durch die vertikal schraffierte Zone angegeben ist, während
die
Druckkräfte ganz in dem Zylinder g' und um diesen herum gemäß der durch Schrägschraffierung
angegebenen Verteilungszone verlegt sind. Durch die bessere Verteilung der Kräfte
in dem Nilaterial der Probe wird der Höchstwert der Druckkräfte niemals so groß,
um eine plastische Deformation hervorrufen zu können. Die für den Bruch aufgewendete
Arbeit entspricht hierbei praktisch einer durch Zug sich ergebenden Deformationsarbeit.
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Während der Biegung der Probe beschreiben die beiden Hälften eine
Drehung um die Achse des Zylinders g' (Fig. 13). Die Probe bricht in dem Moment,
wo die Deformationsgrenze des Materials in bezug auf Zug überschritten ist.
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Der Vorgang spielt sich in gleicher Weise bei einer einseitig eingespannten
Probe d ab (Fig. 14),, die nach der Methode 1 z od durch einen Hammer c' beansprucht
wird. Auch hifer sind, wie bei dem Versuch nach der Methode Charpy, die in der Bruchfläche
auftretenden Kräfte einzig und allein Zugkräfte.
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Es ist nicht unbedingt nötig, den kleinen Stift g zur Führung der
Biegung des Materials in die Probe zu legen, sondern man kann auch den Hammer k
des Schwingarmes mit Idem Stift versehen, wie in den Fig. I5 und I6 dargestellt
ist. Der an dem Hammer befestigte Stift geht in die Vertiefung des Loches f im Augenblick
des Schlages. Die Eintrittsbreite der Bohrung muß mindestens dem Durchmesser des
Stiftes g entsprechen oder dem stiftartigen Ansatz des Hammers (Fig. I5) bzw. einer
entsprechenden Ausbildung (Fig. I6), wobei bei der entstehenden Biegung die Druckbeanspruchung
soviel wie möglich aus dem Material der probe herausgeben kann.
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Die Bruckstelle ist ähnlich derjenigen der Fig. I3.
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In dem in Fig. 17 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Bruchvorgang
gemäß Der Erfindung an einer Schweißung durchgeführt, die die beiden Metallteile
p, die aneinanderstoßen, verbindet. Die Zone s wird durch eine Schweißraupe gebildet,
wobei das überschüssige metall abgehobelt is, und der Stift g befindet sich in einer
von den angrenzenden Flächen der Stücke p gebildeten Aussparung. Der Stift kann
auch iii der in den Fig. 15 und I6 dargestellten Weise angeordnet werden, wobei
die Ausnehmung eine entsprechende Ausbildung erfährt.
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Es ist ferner möglich, die gleiche Untersuchung auf Bruch an Proben
von geringer Stärke anzuwenden, wie z. B. an schwachen Blechen oder metallischen
Drähten. Hierzu werden die Proben auf aus zwei Stücken bestehenden Stützteilen befestigt.
die zwischen sich einen Stift einschließen, der die Rolle der Beigungsachse spielt,
wie aus den Beispielen der Fig. 18 und 19 ersichtlich ist. Ein Blech ii und ein
Draht j werden durch Schrauben oder auf andere Weise mit zwei Teilen}} m einer Stütze
befestigt, in Idenen eine halbe Bohrung f zur Aufnahme des zylindrischen Stiftes
g vorgesehen ist.
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Der hammerschlag c erfolgt üi der senkrecht zur Probe liegenden Axialebene
des Zylinders g; die Probe h oder j bricht unter Drehung um diese Achse.
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Die erfindungsgemäße Untersuchungsmethode kann unter Beibehaltung
der Formen und Abmessungen der bischerigen Proben und unter Verwendung der bisherigen
Unterxsuchungsapparate angewendet werden. Die Abmessung der den Stift aufnehmenden
Bohrung ist abhängig von der Art der Probe, jedoch mit der maßgabe, daß bei der
Biegung die momentane Drehachse der Bruchfläche vorzugsweise außerhalb des der Untersuchung
unterliegenden Materials verlegt wird, und daß der Bruch der Probe einzig unrd allein
durch Zug erfolgt. Wenn der Stift und seine Aufnahmebohrung einen sehr kleinen Durchmesser
aufweisen, werden die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens nur teilweise erreicht,
denn am Anfang der Biegung befindet sich die momentane Drehachse dann noch in der
Bruchfläche der Probe, und das Material neben dieser Fläche wird auf Druck beansprucht,
bis die momentane Achse während der Biegung in den Stift übergeht.
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Beispielsweise wird man bei einer Probe aus Metall, die eingekerbt
sein kann oder nicht, mit einem quadratischen Querschnitt von IQ mal 10 mm und einer
Länge von 55 mm vorteilhaft eine Bohrung f mit einem Durchmesser von 4 bis 5 mm
vorsehen. Der Stift g hierzu muß genau in der Bohrung eingepaßt sein.
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Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung wird eine viel größere Gleichmäßigkeit
bei Versuchsergebnissen mit demselben WIaterial erzielt, so daß man bei gewissen
Fällen die Wahrscheinlichkeitsgesetze anwenden kann.
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Die anderen obengenannten Sachteile sind vollständig beseitigt.
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I. Die Untersuchungsergebnisse werden unabhängig von der das Bild
beeinflussenden Deformationsarbeit, durch Druck. Die Art der Beanspruchung kommt
immer stark an diejenige heran, die den plötzlichen Bruch an eingebauten Teilen
hervorruft.
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2. Die Probe bricht immer, selbst wenn das untersuchte Material wenig
spröde ist.
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3. Der Bruchwinkel ist immer sehr gering, selbst bei wenig spröden
Metallen. Der Radius der Kante des Schwinghammers hat keinen Einfluß mehr.
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Dieser Einfluß ist übrigens stets dort ausgeschlossen. wo der Hammer
auf den Stift schlägt.
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4. Die Bruchflächen der Proben können so klein gemacht werden, wie
man es wünscht. nach unten ist hierbei keine Grenze gesetzt. D'ies hat zur Folge.
daß Schwinghämmer von wesentilich geringerer Stärke verwendet werden können. Die
apparatur wird nicht so kostspielig.
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5. und 6. Die Untersuchungen können an Proben ohne Einschuitte durchgeführt
werden, und es ist möglich, die Sprödiggkeit der oberflächenzeonen zu messen.
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Obwohl insbesondere die Untersuchungen als Schlage-Biege-probe durchgeführt
werden, ist das Verfahren gemäß der Erfindung mit denselben Vorteilen anwendbar,
wenn der Hammer od. dgl. auf die probe langsam oder fortschreitedn wachsend einwirkt.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiel
beschränkt. So können die Stifte
auch eine von der zylindrischen
Furin abweichende Gestalt aufweisen, z. B. im Querschnitt oval sein, obwohl im allgemeinen
der Kreisquerschnitt hinsichtlich der Herstellung sder Proben und der Gleichmäßigkeit
der Versuchsergebnisse vorzuziehen ist.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist nicht nur zur Feststellung
der Sprödigkeit bei Metallen sondern auch von anderen Materialien, wie z. B. synthetischeii
Werkstoffen, in gepreßter, gegossener oder gespritzter Form anwendbar.
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PATENTANSPRS, CHE I. Verfahren zur Bestimmung der Sprödigkeit von
Werkstoffen mit Hilfe eines Schlaghammers od. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß
in den Querschnitt der bis zum Bruch zu beanspruchenden Probe ein Stift eingesetzt
wird, der die Bewegung der Probe während der Biegung derart führt, daß die im Material
in der Nähe des Bruchquerschnittes gewöhnlich auftretenden Druckverformungen ganz
oder teilweise ausgeschaltet werden.