WO1990013804A1 - Kreuzförmige, ebene probe, insbesonders aus blech für eine zweiachsige materialprüfung im bereich grosser dehnung - Google Patents

Kreuzförmige, ebene probe, insbesonders aus blech für eine zweiachsige materialprüfung im bereich grosser dehnung Download PDF

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Arnold Krawietz
Horste Nowack
Karl-Heinz Trautmann
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    • G01N2203/0272—Cruciform specimens

Definitions

  • Cross-shaped, flat sample especially made of sheet metal for a
  • the invention relates to a cross-shaped, planar sample, in particular made of sheet metal, for a two-axis material test in the area of high elongation according to the preamble of patent claim 1 .
  • FIG. 1 of the drawing A flat cross sample according to Shiratori / Ikegami (J. Meck. Phys. Solids, 1968, vol. 16 pp 373 to 394, Pergamon Press, Great Britain) and Kreissig (dissertation 2.7.1982) according to FIG. 1 of the drawing, which is used for Purpose of testing materials under two-axis stress in a known Kreissig test facility. Because of the static indeterminacy of this known cross sample 1 (continuum problem), the stresses cannot be determined from the forces introduced into the cross sample 1 via tension members 2. In the intended measurement area 3, the center of this cross-test, no homogeneous voltage and distortion states can be achieved.
  • the invention is based on the object of designing a cruciform, flat sample, in particular of sheet metal, in accordance with the type mentioned at the beginning in such a way that homogeneous stress and distortion states are achieved in the measuring range when the sample is subjected to two axes, in order to obtain S-fcoff equations classifying the so-called simple substances.
  • the formation of slots according to the invention in the sample arms forming the La introduction elements makes it possible to achieve a homogeneous stress state in the measurement area, since the arrangement of the slots in the load introduction elements prevents the tension trajectories in the central region of the sample from evading.
  • the reinforcement of the sample arms according to the invention also makes it possible that large plastic deformations in the measuring range can be achieved even with cross-samples made from deep-drawing steels. Without additional measures to reinforce the sample arms, the sample arms would suffer large plastic strains in deep-drawing rooms with approximately the same tensile forces in both directions before the measuring area would plasticize.
  • arms made of high-strength material can preferably be welded on to reinforce the sample arms, additional materials for geometrically reinforcing the sample arms can be applied to them, or the sample arms can be work-hardened by rolling to raise the yield point.
  • FIG. 4 is a plan view of a slotted cross sample
  • FIG. 5 shows a top view of the cross test according to FIG. 4, the course of the tension trajectories with uniaxial tensile load being shown parallel to the X-coordinate
  • FIG. 5 shows a plan view of the slotted cross sample
  • FIG. 6 is a plan view of a slotted cross sample with welded arms made of a higher strength material
  • FIG. 7 is a plan view of a slotted cross sample with geometric reinforcement of the sample arms
  • Fig. 8 is an end view of the embodiment of the cross test
  • Fig. 9 is an end view of a cross sample with rolled sample arms.
  • FIG. 4 shows the top view of the cross sample 1, the sample arms 5 of which form load-sharing elements with the length 1 and the width a.
  • the load division elements 5 have slots 6 which extend to the measuring area 3 of the cross sample 1.
  • the tension trajectories 4 in the slotted cross test 1 under uniaxial tensile force F run parallel to the X coordinate in the measuring range 3 of the cross test 1.
  • FIG. 6 shows the top view of an embodiment of the cross sample 1, the sample arms 5 forming the load introduction elements, which are welded to the measuring area 3 of the cross sample 1, are made of a higher-strength material than the central region 3 of the cross sample 1, thereby stiffening the Sample arms 5 is given, and each have slots 6 running parallel to their longitudinal direction.
  • the slots 6 extend from a part 7, which in the clamping jaw of a test direction can be clamped up to the measuring area 3 of the cross sample 1 and are thus shorter than the length of the sample arm 5.
  • the slots 6 are arranged at the same distance from one another over the width (a) of each sample arm 5, with the to the longitudinal edges 8 slots 6 adjacent to the sample arm also have the distance c from the longitudinal edges 8.
  • FIG. 7 and 8 show another embodiment of the cross sample 1, in which the sample arms 5 are reinforced by applied additional material.
  • the additional material is applied in the form of webs 9 on both sides of the sample arms 5, the webs 9 running parallel to the slots 6 between them and between the longitudinal edges 8 of the sample arms -5 and the adjacent slots 7.
  • the width of the webs 9 made of additional material is less than the distance c between the slots 7.
  • homogeneous stress and strain states are also given in a biaxial material test.
  • the sample arms 5 have been rolled to increase the yield point from the thickness d of the central region 3 of the cross sample 1 to the thickness d (d ⁇ Td) and have thus been strain-hardened for reinforcement.
  • d ⁇ Td thickness of the cross sample 1
  • homogeneous stress and distortion states can be achieved in the measurement area 3 under two-axis stress.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine kreuzförmige, ebene Probe (1), insbesondere aus Blech, für eine zweiachsige Materialprüfung im Bereich großer Dehnung, wobei die vier Probenarme (5) der Kreuzprobe jeweils in eine Spannbacke einer Prüfeinrichtung einspannbar sind, Lasteinleitungselemente (5) bilden und den ein Meßgebiet (3) bildenden Mittenbereich der Kreuzprobe begrenzen. Ziel der Erfindung ist die Erzeugung homogener Spannungs- und Verzerrungszustände im Meßgebiet (3) der Kreuzprobe, um Stoffgleichungen der sogenannten einfache Stoffe im Sinne von W. Noll zu bestimmen. Zu diesem Zweck werden die Lasteinleitungselemente mit Schlitzen (6) versehen. Die Lasteinleitungselemente (5) können geeignet verstärkt werden.

Description

Kreuzförmige, ebene Probe, insbesondere aus Blech für eine
zweiachsige Materialprüfung im Bereich großer Dehnung
Die Erfindung betrifft eine kreuzförmige, ebene Probe, ins¬ besondere aus Blech, für eine zweiachsige Materialprüfung im Bereich großer Dehnung gemäß dem Oberbegriff des Patentan¬ spruchs 1.'
Zur experimentellen Erfassung des inelastischen Verhaltens z.B. metallischer Werkstoffe ist die Ermittlung der im allge¬ meinen (großen) zweiachsigen Dehnungen unter zweiachsiger Spannungsbeanspruchung erforderlich. Es werden homogene Spannungs- und Verzerrungszustände in Materialproben be¬ nötigt, um Stoffgleichungen der sogenannten einfachen Stoffe im Sinne von Noll (W. Noll "A new mathematical theory of simple materials" Archive for Rational Mechanics and Analysis 48.1(1972) zu bestimmen. Zweiachsige Spannungszustände in Versuchsproben aus Blech lassen sich entweder durch Ver¬ wendung von kreuzförmigen Proben oder von dünnwandigen rohr- förmigen Proben unter Längskraft, Innendruck und Torsion verwirklichen. Eine Anordnung der letztgenannten Art ist jedoch nur bei kleinen Dehnungen brauchbar.
Bekannt ist einen ebene Kreuzprobe nach Shiratori/Ikegami (J. Meck. Phys. Solids, 1968, Vol. 16 pp 373 bis 394, Pergamon Press, Großbritannien) und Kreissig (Dissertationsschrift 2.7.1982) gemäß Fig. 1 der Zeichnung, die zum Zwecke der Materialprüfung unter zweiachsiger Beanspruchung in einer bekannten Prüf orrichtung nach Kreissig Verwendung gefunden hat. ^Wegen der statischen Unbestimmtheit dieser bekannten Kreuzprobe 1 (Kontinuumsproblem) lassen sich die Spannungen nicht aus den über Zugglieder 2 in die Kreuzprobe 1 einge¬ leiteten Kräften bestimmen. Im vorgesehenen Meßgebiet 3, dem Zentrum dieser Kreuzprobe, sind keine homogenen Spannungs¬ und Verzerrungszustände zu erzielen.
Bekannt ist ferner eine kreuzförmige, ebene Probe der ein¬ gangs erwähnten Art (DE 32 25 381, Fig. 5a und b), die zur Materialprüfung unter zweiachsiger Beanspruchung Verwendung findet und im Mittenbereich durch beiderseitige Muldenbildung geschwächt ist, um sicherzustellen, daß Belastungsfolgen sich zuerst in dem interessierenden Bereich zeigen, in dem sich die Prüfkräfte überlagern. Versuche mit entsprechenden Kreuz¬ proben 1, deren Mittenbereich 3 jedoch nicht durch beider¬ seitige Muldenbildung geschwächt ist, ergeben ein Ausweichen der Spannungstrajektorien 4 unter einachsiger Zugkraft F, wie Fig. 2 der Zeichnung verdeutlicht. Die Spannungstrajektorien 4 spreizen sich, so daß die Spannungen in Kraftrichtung über die Breite nicht konstant verlaufen. Durch die Umlenkung der Spannungstrajektorien 4 entstehen Querspannungen, die zum unerwünschten Ausbeulen des Meßbereiches 3 führen können.
Bekannt ist weiterhin (DE 36 17 455), bei der Materialprüfung von flächenhaften Bauteilen mittel einer Untersuchungsvor¬ richtung zur zweiachsigen statischen und/oder dynamischen Zug- und/oder Druckbelastung in Zuordnung zu den Bauteil¬ seiten Kraftübertragungselemente vorzusehen, von denen jedes mit mehreren, über die gesamte jeweilige Bauteilseite ange¬ ordnete und Einzellasten erzeugenden Krafteinleitungs¬ elementen verbunden ist.
Mit dieser Untersuchungsvorrichtung sind in dem flächenhaften
» Bauteil keine homogenen Spannungs- und Verzerrungszustände zu erreichen.
Bekannt ist schließlich eine in einer Versuchseinrichtung nach Rivlin und Saunders verwendete rechteckige ebene Probe für gummiartige Materialien (Rivlin, R.S., and D.W. Saunders: Large elastic deformations of isotropic materials, VII. Experiments on the deformation of rubber. Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A 243,251 bis 288 (53, 55, 57, 67, 93, 95). Wie Fig. 3 der Zeichnung zeigt, erfolgt am Rande der rechteckigen ebenen Probe an diskreten Punkten die Krafteinleitung. Diese Versuchsanordnung ist nur bei Materialien sinnvoll, die in der Lage sind, die an den Lasteinleitungselementen auftreten¬ den Spannungsspitzen auszuhalten, z.B. gummiartige Materia¬ lien. Bei Tiefziehblechen ist diese Versuchsanordnung nicht geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kreuzförmige, ebene Probe, insbesondere aus Blech, gemäß der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, daß bei einer zweiachsigen Beanspruchung der Probe homogene Spannungs- und Verzerrungs¬ zustände im Meßbereich erzielt werden, um S-fcoffgleichungen der sogenannten einfachen Stoffe zu klassifizieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs .1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kreuzprobe ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 8.
Das erfindungsgemäße Ausbilden von Schlitzen in den die Laτeinleitungselemente bildenden Probenarmen macht das Erreichen eines homogenen Spannungszustandes im Meßgebiet möglich, da durch die Anordnung der Schlitze in den Lastein- leitungselementen ein Ausweichen der Spannungstrajektorien im Mittalbereich der Probe verhindert wird. Das erfindungsgemäße Verstärken der Probenarme macht es außerdem möglich, daß auch bei Kreuzproben aus Tiefziehstählen große plastische Ver¬ formungen im Meßbereich erzielbar sind. Ohne Zusatzmaßnahmen zur Verstärkung der Probenarme würden bei Tiefziehstälen bei annähernd gleichen Zugkräften in beiden Richtungen die Probenarme große plastische Dehnungen erleiden, ehe das Meßgebiet plastizieren würde.
Verfahrensmäßig können zur Verstärkung der Probenarme vor¬ zugsweise Arme aus höherfestem Material angeschweißt, Zusatz¬ materialien zur geometrischen Verstärkung der Probenarme auf diese aufgebracht oder die Probenarme durch Abwälzen zur Anhebung der Fließgrenze kaltverfestigt werden.
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kreuzprobe werden nun anhand der weiteren Figuren der Zeichnungen erläutert.
Es sind:
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine geschlitzte Kreuzprobe , Fig. 5 eine Draufsicht auf die Kreuzprobe nach Fig. 4, wobe der Verlauf der Spannungstrajektorien bei einachsige Zugbelastung parallel zurX.-Koordinate gezeigt ist,
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine geschlitzte Kreuzprobe mi angeschweißten Armen aus höherfestem Material,
Fig. 7 eine Draufsicht auf eine geschlitzte Kreuzprobe mi geometrischer Verstärkung der Probenarme,
Fig. 8 eine Stirnansicht der Ausführungsform der Kreuzprob
* nach Fig. 7,
Fig. 9 eine Stirnansicht einer Kreuzprobe mit abgewalzten Probenarmen.
Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf die Kreuzprobe 1, deren Probenarme 5 Lasteinteilungselemente mit der Länge 1 und der Breite a bilden. Die Lasteinteilungselemente 5 weisen Schlitze 6 auf, die sich bis an den Meßbereich 3 der Kreuz¬ probe 1 erstrecken. Wie Fig. 5 verdeutlicht, verlaufen die Spannungstrajektorien 4 in der geschlitzen Kreuzprobe 1 unte einachsiger Zugkraft F parallel zur X-Koordinate im Me߬ bereich 3 der Kreuzprobe 1.
Fig. 6 zeigt die Draufsicht einer Ausführungsform der Kreuz¬ probe 1, deren die Lasteinleitungselemente bildende Proben¬ arme 5 an das Meßgebiet 3 der Kreuzprobe 1 angeschweißt sind, aus höherfestem Material als der Mittenbereich 3 der Kreuz¬ probe 1 bestehen, wodurch eine Versteifung der Probenarme 5 gegeben ist, und jeweils zu ihrer Längsrichtung parallel verlaufende Schlitze 6 aufweisen. Die Schlitze 6 erstrecken sich von einem Teil 7, der in die Spannbacke einer Prüfein- richtung einspannbar ist, bis an den Meßbereich 3 der Kreuz¬ probe 1 und sind somit kürzer als die Länge des Probenarms 5. Die Schlitze 6 sind über die Breite (a) jedes Probenarms 5 im gleichen Abstand voneinander angeordnet, wobei die zu den Längskanten 8 des Probenarms benachbarten Schlitze 6 eben¬ falls den Abstand c von den Längskanten 8 aufweisen.
Aus den Fig. 7 und 8 geht eine andere Ausführungsform der Kreuzprobe 1 hervor, bei der die Probenarme 5 durch aufge¬ brachtes Zusatzmaterial verstärkt sind. Das Zusatzmaterial ist in Form von Stegen 9 beidseitig der Probenarme 5 aufge¬ bracht, wobei die Stege 9 parallel zu den Schlitzen 6 zwischen diesen sowie zwischen den Längskanten 8 der Proben¬ arme -5 und den benachbarten Schlitzen 7 verlaufen. Die Breite der Stege 9 aus Zusatzmaterial ist geringer als der Abstand c zwischen den Schlitzen 7. Im Meßgebiet 3 dieser Kreuzprobe 1 sind bei einer zweiachsigen Materialprüfung ebenfalls homo¬ gene Spannungs- und Dehnungszustände gegeben.
Bei der Ausführungsform der Kreuzprobe 1 nach Fig. 9 sind die Probenarme 5 zur Anhebung der Fließgrenze von der Dicke d des Mittenbereichs 3 der Kreuzprobe 1 auf die Dicke d (d<Td ) abgewalzt und somit zur Verstärkung kaltverfestigt worden. Auch bei dieser Ausführungsform der Kreuuzprobe sind unter zweiachsiger Beanspruchung im Meßgebiet 3 homogene Spannungs¬ und Verzerrungszustände erreichbar.

Claims

i - 7 -Patentansprüche
1. Kreuzförmige, ebene Probe, insbesondere aus Blech, für eine zweiachsige Materialprüfung im Bereich großer Dehnung, mit vier Lasteinleitungselemente bildenden Armen, deren eines Ende jeweils einen ein Meßgebiet bildenden Mittelbereich der Probe begrenzt, deren anderes Ende jeweils in einer Spann¬ backe einer Prüfeinrichtung einspannbar ist und über die in der Ebene der Probe sowohl längs einer ersten Koordinate (X) als auch längs einer zu dieser senkrechten zweiten Koordinate (Y) jeweils einander entgegengesetzte Zugbelastungen einleit¬ bar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungs¬ elemente (5) parallel zur X- bzw. Y-Koordinate verlaufende Schlitze (6) aufweisen, die sich bis zum Meßgebiet (3) erstrecken (Fig. 4).
2. Kreuzprobe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungselemente im Verhältnis zum Mittenbereich (3) der Probe (1) verstärkt sind.
3. Kreuzprobe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Schlitze (6) über die Breite (a) des Lasteinleitungselementes (5) gleichmäßig verteilt sind.
4. Kreuzprobe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung der Lasteinleitungselemente (5) dadurch gegeben ist, daß diese aus höherfestem Material als dem des Mittenbereichs (3) der Probe (1) bestehen.
5. Kreuzprobe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungselemente (5) an den Mittenbereich (3) der - e -
Probe (1) angeschweißt sind.
6. Kreuzprobe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungselemente (5) geometrisch verstärkt sind.
7. Kreuzprobe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Verstärkung durch auf die Lasteinleitungs¬ elemente (5) aufgebrachtes Zusatzmaterial gegeben ist.
8. Kreuzprobe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial zwischen den Schlitzen (6) sowie zwischen den Längskanten (8) der Lasteinleitungselemente (5) und den benachbarten Schlitzen (6) der Lasteinleitungselemente (5) in Form von über deren Länge verlaufenden Stegen (9) aufgebracht ist.
9. Kreuzprobe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daO die Breite der Stege (9) aus dem Zusatzmaterial geringer als der Abstand zwischen den Schlitzen (c) der Lasteinleitungs¬ elemente (5) ist.
10. Kreuzprobe nach Anspruch 2, dadurch geknnzeichnet, daß die Lasteinleitungselemente (5) zur Verstärkung durch Ab¬ wälzen kaltverfestigt sind, wobei ihre Fließgrenze angehoben ist.
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