DE102023000033A1

DE102023000033A1 - Test device and method for assessing the fatigue behaviour of a material on flat specimens using ultrasound

Info

Publication number: DE102023000033A1
Application number: DE102023000033.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Walther; Ramon Helwing; Daniel Hülsbusch
Original assignee: Technische Univ Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Technische Univ Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2023-01-10
Filing date: 2023-01-10
Publication date: 2024-07-11
Also published as: DE112024000545A5; WO2024149426A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens eines als Probe (3) vorliegenden Werkstoffs mittels Ultraschall, insbesondere für Flachproben, bei der die Probe (3) des Werkstoffs an eine schwingende Anregungseinheit der Prüfvorrichtung angekoppelt ist und die schwingende Anregungseinheit die Probe (3) mit einer mechanischen axialen Schwingung, vorzugsweise mit Resonanzfrequenz, beaufschlagt, wobei zwischen Probe (3) und schwingender Anregungseinheit eine lösbare Verbindung mit axialer Einleitung der Schwingung der Anregungseinheit in die Probe (3) gebildet ist, bei der zwischen Probe (3) und schwingender Anregungseinheit ein Koppelelement (1) angeordnet ist, das probenseitig spielfrei derart mit der Probe (3) verbindbar ist, dass die Einleitung der Schwingung in den Probenkörper (3) axial im Bereich der Stirnseite (10) der Probe (3) erfolgt.The invention relates to a testing device for assessing the fatigue behavior of a material present as a sample (3) by means of ultrasound, in particular for flat samples, in which the sample (3) of the material is coupled to an oscillating excitation unit of the testing device and the oscillating excitation unit subjects the sample (3) to a mechanical axial vibration, preferably at a resonance frequency, wherein a detachable connection with axial introduction of the vibration of the excitation unit into the sample (3) is formed between the sample (3) and the oscillating excitation unit, in which a coupling element (1) is arranged between the sample (3) and the oscillating excitation unit, which can be connected to the sample (3) on the sample side without play in such a way that the introduction of the vibration into the sample body (3) takes place axially in the region of the front side (10) of the sample (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens eines Werkstoffs an Flachproben mittels Ultraschall gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruches 18.The invention relates to a testing device for assessing the fatigue behavior of a material on flat samples by means of ultrasound according to the preamble of claim 1 and a corresponding method according to the preamble of claim 18.

Die Resonanz-Ultraschall-Ermüdungsprüfung ist eine etablierte Methode zur Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit metallischer Werkstoffe bis zu sehr hohen Lastspielzahlen (engl.: very high cycle fatigue, VHCF). Durch eine Probenanregung in Resonanzfrequenz wird eine mechanische, axiale Schwingung eingebracht, die zur Ausbildung einer stehenden Welle innerhalb des zu prüfenden Werkstoffs führt. Die mechanische Anregung des zu prüfenden Werkstoffs findet mit sehr hohen Schwingungsfrequenzen, meist im Ultraschallbereich, statt. In Folge feststehender Schwingungsknoten und Schwingungsbäuchen wird eine definierte mechanische Belastung in die Probe des zu prüfenden Werkstoffs eingebracht. Um eine Einleitung der Schwingung in die Probe zu gewährleisten, muss eine möglichst dämpfungsfreie Anbindung der Probe an die Prüfeinrichtung realisiert werden. Das Prüfverfahren setzt zudem eine definierte Schwingungsmoden in axialer Richtung voraus. Die Anbindung und die Probe werden daher konstruktiv so ausgelegt, dass die erforderliche Eigenfrequenz des zu prüfenden Werkstoffs mit der Anregungsfrequenz der Prüfeinrichtung übereinstimmt. Durch die hierdurch erzeugte Resonanz entstehen in der Probe zyklische Spannungskonzentrationen in den Schwingungsknoten und ermöglichen so die mechanische Prüfung des zu prüfenden Werkstoffs.Resonance ultrasonic fatigue testing is an established method for determining the fatigue strength of metallic materials up to very high load cycles (VHCF). By exciting a sample at a resonance frequency, a mechanical, axial vibration is introduced, which leads to the formation of a standing wave within the material to be tested. The mechanical excitation of the material to be tested takes place at very high vibration frequencies, usually in the ultrasound range. As a result of fixed vibration nodes and antinodes, a defined mechanical load is introduced into the sample of the material to be tested. In order to ensure that the vibration is introduced into the sample, the sample must be connected to the test device with as little damping as possible. The test procedure also requires a defined vibration mode in the axial direction. The connection and the sample are therefore designed in such a way that the required natural frequency of the material to be tested matches the excitation frequency of the test device. The resonance generated in this way creates cyclic stress concentrations in the vibration nodes in the sample and thus enables mechanical testing of the material to be tested.

Nach bisherigem Stand der Technik wird die Anbindung der Probe an die Prüfeinrichtung zur mechanischen Schwingungsanregung durch eine direkte, axiale Verschraubung von Probe und schwingender Anregungseinheit der Prüfeinrichtung realisiert. Die Probe besitzt dazu meist ein Außengewinde, welches in das Innengewinde der Anregungseinheit eingeschraubt und somit kraftschlüssig verbunden wird.According to the current state of the art, the sample is connected to the test device for mechanical vibration excitation by a direct, axial screw connection between the sample and the vibrating excitation unit of the test device. The sample usually has an external thread, which is screwed into the internal thread of the excitation unit and thus connected in a force-locking manner.

Eine Fertigung eines tragfähigen Gewindes ist aufgrund von Probenform oder Probenmaterial nicht in jedem Fall möglich, sodass es bei der bisherigen Anbindungsmethode zu Einschränkungen des Prüfverfahrens kommt. Dies betrifft im Besonderen Flachproben, die mit der herkömmlichen Methode nur schwierig bis gar nicht zu prüfen sind. Eine Lösung zur Probenanbindung mittels Verklebung wurde bereits durch Flore et al. [1] vorgestellt. Die Verklebung erschwert die Handhabung der Probe, sodass kein schnelles Auswechseln der Probe möglich ist. Eine Verschraubung senkrecht zur Probenfläche und somit orthogonal zur Schwingungs-Anregungseinheit [2] ermöglicht einen schnellen Probenwechsel, beeinflusst jedoch durch die oberflächliche Schwingungseinleitung die Spannungsverteilung in der Probe.The production of a load-bearing thread is not always possible due to the sample shape or sample material, so that the previous connection method has limitations in the testing procedure. This particularly applies to flat samples, which are difficult or even impossible to test using the conventional method. A solution for sample connection using adhesive bonding has already been presented by Flore et al. [1]. The adhesive bonding makes handling the sample more difficult, so that it is not possible to replace the sample quickly. A screw connection perpendicular to the sample surface and thus orthogonal to the vibration excitation unit [2] enables a quick sample change, but influences the stress distribution in the sample due to the surface vibration introduction.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Anbindung von Proben zur schwingenden Anregungseinheit zur axialen Ermüdungsprüfung mittels Resonanz-Ultraschall-Ermüdungsprüfung zu verbessern und insbesondere Flachproben besser prüfbar zu machen.The object of the invention is therefore to improve the connection of samples to the vibrating excitation unit for axial fatigue testing by means of resonance ultrasonic fatigue testing and, in particular, to make flat samples easier to test.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich der Prüfvorrichtung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 17 jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the problem according to the invention arises with regard to the test device from the characterizing features of claim 1 and with regard to the method from the characterizing features of claim 17, each in conjunction with the features of the associated preamble. Further advantageous embodiments of the invention arise from the subclaims.

Die Erfindung geht aus von einer Prüfvorrichtung zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens eines als Probe vorliegenden Werkstoffs mittels Ultraschall, insbesondere für Flachproben, bei der die Probe des Werkstoffs an eine schwingende Anregungseinheit der Prüfvorrichtung angekoppelt ist und die schwingende Anregungseinheit die Probe mit einer mechanischen axialen Schwingung, vorzugsweise mit Resonanzfrequenz, beaufschlagt. Eine derartige gattungsgemäße Prüfvorrichtung wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass zwischen Probe und schwingender Anregungseinheit eine lösbare Verbindung mit axialer Einleitung der Schwingung der Anregungseinheit in die Probe gebildet ist, bei der zwischen Probe und schwingender Anregungseinheit ein Koppelelement angeordnet ist, das probenseitig spielfrei derart mit der Probe verbindbar ist, dass die Einleitung der Schwingung in den Probenkörper axial im Bereich der Stirnseite der Probe erfolgt. Die Zwischenschaltung des Koppelelementes zwischen Probe und schwingender Anregungseinheit ermöglicht eine vielfältigere Gestaltung und Anpassung der Ankopplung von Probe und Koppelelement, wodurch mit Hilfe des Koppelelementes die verschiedenen Anforderungen an die Anbindung der Probe an die schwingende Anregungseinheit besser und zielgenauer erfüllt werden können. Während bei der herkömmlichen Anbindung die Probe hinsichtlich ihrer mechanischen Anbindung an die meist fest vorgegebene Aufnahme an der schwingenden Anregungseinheit so gestaltet werden muss, dass sie in die vorgegebene Aufnahme an der schwingenden Anregungseinheit passt, kann durch die Zwischenschaltung des Koppelelementes eine größere Vielfalt von Anbindungsmöglichkeiten zwischen Probe und Koppelelement erreicht werden. Hierdurch lassen sich insbesondere auch Flachproben, bei denen eine Verwendung von Gewinden zwischen Probe und schwingender Anregungseinheit nicht möglich ist, besser mechanisch an die schwingende Anregungseinheit ankoppeln und damit besser prüfen. Zudem können durch die geometrische Gestaltung des Koppelelementes Anforderungen oder Einflussparameter für die eigentliche Prüfung der Probe, wie etwa Lage von Schwingungsknoten und Schwingungsbäuchen sowie Schwingungsamplituden, einfach variiert und zur Verbesserung der Prüfung optimiert werden. Durch die axiale Probenanbindung mittels Koppelelement wird die Schwingung überwiegend über die Stirnseite der Probe eingeleitet. Hieraus erfolgt eine gleichmäßige Krafteinleitung in die Probe, was die Vergleichbarkeit der Prüfergebnisse mit konventionellen Prüfverfahren erhöht.The invention is based on a testing device for assessing the fatigue behavior of a material present as a sample by means of ultrasound, in particular for flat samples, in which the sample of the material is coupled to an oscillating excitation unit of the testing device and the oscillating excitation unit subjects the sample to a mechanical axial oscillation, preferably at a resonance frequency. Such a generic testing device is further developed in accordance with the invention in that a detachable connection is formed between the sample and the oscillating excitation unit with axial introduction of the oscillation of the excitation unit into the sample, in which a coupling element is arranged between the sample and the oscillating excitation unit, which can be connected to the sample on the sample side without play in such a way that the introduction of the oscillation into the sample body takes place axially in the region of the front side of the sample. The interposition of the coupling element between the sample and the oscillating excitation unit enables a more diverse design and adaptation of the coupling of the sample and coupling element, whereby the various requirements for the connection of the sample to the oscillating excitation unit can be met better and more precisely with the help of the coupling element. While with the conventional connection the sample must be designed in terms of its mechanical connection to the usually fixed holder on the oscillating excitation unit so that it fits into the specified holder on the oscillating excitation unit, the interposition of the coupling element allows a greater variety of connection options between the sample and the coupling element. This allows in particular Flat samples, where the use of threads between the sample and the vibrating excitation unit is not possible, can also be better mechanically coupled to the vibrating excitation unit and thus tested better. In addition, the geometric design of the coupling element allows requirements or influencing parameters for the actual test of the sample, such as the position of vibration nodes and antinodes as well as vibration amplitudes, to be easily varied and optimized to improve the test. The axial sample connection using a coupling element means that the vibration is mainly introduced via the front side of the sample. This results in a uniform force introduction into the sample, which increases the comparability of the test results with conventional testing methods.

In weiterer Ausgestaltung ist es von besonderem Vorteil, wenn ein Krafteinbringungselement derart zwischen Probe und Koppelelement angeordnet und betätigbar ist, dass das Krafteinbringungselement Teilbereiche der Probe in axialer Richtung spielfrei an passend geformte Abschnitte des Koppelelements drückt. Da für die bestimmungsgemäße Durchführung der Prüfung die möglichst spielfreie Kopplung zwischen Probe und schwingender Anregungseinheit von zentraler Bedeutung ist, kann durch das Vorsehen des Krafteinbringungselements dafür gesorgt werden, dass Probe und Koppelelement und damit schwingende Anregungseinheit immer sicher so aneinander gepresst werden, dass auch bei längeren Prüfungen keinerlei Spiel zwischen Probe und Koppelelement auftreten kann. Zudem wird durch die geometrische Gestaltung von zugeordnetem Probenende und Koppelelement sicher dafür gesorgt, dass die Einleitung der Schwingung von der schwingenden Anregungseinheit über das Koppelelement immer in axialer Richtung der Probe auf das Probenende erfolgt und aufrecht erhalten wird.In a further embodiment, it is particularly advantageous if a force application element is arranged and actuated between the sample and the coupling element in such a way that the force application element presses parts of the sample in the axial direction without play onto suitably shaped sections of the coupling element. Since the coupling between the sample and the oscillating excitation unit with as little play as possible is of central importance for the correct performance of the test, the provision of the force application element can ensure that the sample and coupling element and thus the oscillating excitation unit are always pressed securely against one another in such a way that no play can occur between the sample and the coupling element, even during longer tests. In addition, the geometric design of the associated sample end and coupling element ensures that the introduction of the vibration from the oscillating excitation unit via the coupling element always takes place and is maintained in the axial direction of the sample to the sample end.

In einer ersten denkbaren Variante können als zueinander passend geformte Abschnitte von Probe und Koppelelement zueinander passende Öffnungen, insbesondere Bohrungen, in Probe und Koppelelement vorgesehen sein, in die Passelemente wie Passstifte oder dgl. einsteckbar sind, die Probe und Koppelelement spielfrei formschlüssig aneinander festlegen. Die direkte Anbindung von Probe und Koppelelement erfolgt dabei vorteilhaft durch eine gabelförmige Ausgestaltung der Aufnahme im Koppelelement für die Probe, in die das Probenende passend eingesteckt werden kann. Eine erste Festlegung des Probenendes in der gabelförmigen Ausgestaltung der Aufnahme im Koppelelement kann mittels quer in die gabelförmige Ausgestaltung eingebrachte Bohrungen erfolgen, die mit einer dazu passenden Bohrung im Bereich des Probenendes zu Deckung gebracht wird, wobei dann ein passender Stift oder Passstift in diese zur Deckung gebrachten Bohrungen eingesteckt werden kann und gabelförmige Ausgestaltung der Aufnahme im Koppelelement und Probe formschlüssig aneinander festlegt. Die Gewährleistung der Spielfreiheit zwischen Aufnahme im Koppelelement und Probe sowie die genau axiale Ausrichtung der Einleitung der Schwingung aus der schwingenden Anregungseinheit wird dann in weiterer Ausgestaltung z.B. über keilförmige Klemmelemente erreicht, die in eine quer im Koppelelement angeordnete Öffnung eingesteckt und gegeneinander verspannt werden können. Dabei liegt eines der keilförmigen Klemmelemente an der Stirnfläche der Probe, auf die die Schwingung genau axial zur Probe aufgebracht werden soll, an und wird durch das andere keilförmige Klemmelement, das sich an der Öffnung des Koppelelements abstützt, unter Vorspannung an die Stirnfläche der Probe gepresst, wodurch etwaiges Spiel z.B. durch Fertigungsungenauigkeiten der formschlüssigen Halterung mittels Passstiften beseitigt und Stirnfläche des Probenendes und Koppelelement spielfrei aneinander festgelegt werden.In a first conceivable variant, matching openings, in particular holes, can be provided in the sample and coupling element as sections of the sample and coupling element that are shaped to fit together, into which fitting elements such as dowel pins or the like can be inserted, which secure the sample and coupling element to one another in a form-fitting manner without play. The direct connection of the sample and coupling element is advantageously achieved by a fork-shaped design of the holder in the coupling element for the sample, into which the sample end can be inserted to fit. A first fastening of the sample end in the fork-shaped design of the holder in the coupling element can be carried out by means of holes made transversely in the fork-shaped design, which are brought into line with a matching hole in the area of the sample end, whereby a suitable pin or dowel pin can then be inserted into these aligned holes and secures the fork-shaped design of the holder in the coupling element and the sample to one another in a form-fitting manner. The guarantee of the absence of play between the holder in the coupling element and the sample as well as the precise axial alignment of the introduction of the vibration from the vibrating excitation unit is then achieved in a further design, e.g. using wedge-shaped clamping elements that can be inserted into an opening arranged transversely in the coupling element and clamped against each other. One of the wedge-shaped clamping elements rests on the front face of the sample to which the vibration is to be applied exactly axially to the sample and is pressed under pre-tension against the front face of the sample by the other wedge-shaped clamping element, which is supported on the opening of the coupling element, whereby any play, e.g. due to manufacturing inaccuracies of the form-fitting holder using dowel pins, is eliminated and the front face of the sample end and the coupling element are fixed to each other without play.

In einer anderen denkbaren Ausgestaltung können als zueinander passend geformte Abschnitte von Probe und Koppelelement an dem Koppelelement eine jochartig hinterschnittene Aufnahme und an der Probe eine in die jochartige Aufnahme passende hammerartige Gegenform des Probenendes vorgesehen werden, die mit Hilfe des Krafteinbringungselements Probe und Koppelelement spielfrei kraftschlüssig aneinander festlegen. Hierbei wird wiederum formschlüssig eine geometrische Zuordnung von Probenende und Koppelelement hergestellt, indem über die jochartig hinterschnittene Aufnahme an dem Koppelelement ein Aufnahmeraum geschaffen wird, in den über eine gegengleich und masslich dazu passende Gegenform im Bereich des Probenendes eine genaue Zuordnung von Probe und Koppelelement bereit gestellt wird, die insbesondere auch für Flachproben konstruktiv einfach möglich ist. Das zwischen Probe und Koppelelement angeordnete Krafteinbringungselement sorgt dann dafür, dass die formschlüssig, aber nicht unbedingt spielfrei aneinander festlegbaren Abschnitte von Probe und Koppelelement so kraftschlüssig aneinander gepresst werden, dass Probe und Koppelelement spielfrei zueinander aneinander festgelegt sind und die Einleitung der Schwingung in die Probe sicher und axial zur Probe erfolgt.In another conceivable embodiment, a yoke-like undercut holder on the coupling element and a hammer-like counter-form of the sample end that fits into the yoke-like holder can be provided on the sample as sections of the sample and coupling element that match each other, which, with the help of the force application element, secure the sample and coupling element to each other in a force-locking manner without play. In this case, a geometrical assignment of the sample end and coupling element is again made in a form-fitting manner by creating a receiving space via the yoke-like undercut holder on the coupling element, in which an exact assignment of sample and coupling element is provided via a counter-form that is the same and matches the dimensions in the area of the sample end, which is particularly easy to achieve in terms of construction for flat samples. The force application element arranged between the sample and the coupling element then ensures that the sections of the sample and the coupling element, which can be fixed to one another in a form-fitting manner but not necessarily without play, are pressed together in such a force-fitting manner that the sample and the coupling element are fixed to one another without play and the introduction of the vibration into the sample takes place safely and axially to the sample.

In einer Weiterbildung ist es dabei denkbar, dass als Krafteinbringungselement zur Herstellung der Spielfreiheit zwischen Probe und Koppelelement eine relativ zu der dem Koppelelement verstellbare Klemmeinrichtung vorgesehen ist, die Probe und Koppelelement gegeneinander verspannt. Hierbei ist es sinnvoll, die Klemmeinrichtung derart auszubilden, dass sie auch ohne ständige Aufbringung einer externen Klemmkraft wirkt, etwa indem die Klemmeinrichtung selbsthemmend ausgebildet ist. Es ist aber selbstverständlich auch denkbar, eine entsprechend ausgestaltete Klemmeinrichtung etwa über Druckmedien wie Druckluft oder Druckflüssigkeiten zu betätigen.In a further development, it is conceivable that a clamping device that is adjustable relative to the coupling element is provided as a force application element to ensure freedom from play between the sample and the coupling element, which clamps the sample and the coupling element against each other. In this case, it is sensible to design the clamping device in such a way that it can be used without the constant application of a external clamping force, for example by making the clamping device self-locking. However, it is of course also conceivable to operate a correspondingly designed clamping device using pressure media such as compressed air or hydraulic fluids.

In einer ersten denkbaren Ausgestaltung kann als Klemmeinrichtung ein relativ zu dem Koppelelement verdrehbarer Exzenter vorgesehen werden, der Probe und Koppelelement gegeneinander verspannt. Ein solcher verdrehbarer Exzenter kann im Bereich der Aufnahme in dem Koppelelement für das Probenende angeordnet werden und sich einerseits an dem Koppelelement und andererseits am Probenende abstützen und somit eine konstante und selbstsichernde Anpressung des Probenendes im Bereich der jochartigen Aufnahme des Koppelelements bewirken.In a first conceivable embodiment, an eccentric that can be rotated relative to the coupling element can be provided as a clamping device, which clamps the sample and coupling element against each other. Such a rotatable eccentric can be arranged in the area of the holder in the coupling element for the sample end and can be supported on the one hand on the coupling element and on the other hand on the sample end, thus causing a constant and self-locking pressure of the sample end in the area of the yoke-like holder of the coupling element.

In einer anderen denkbaren Ausgestaltung kann als Klemmeinrichtung eine relativ zu dem Koppelelement verstellbare Anordnung von Stellmutter und/oder Stellschraube vorgesehen sein, die Probe und Koppelelement gegeneinander verspannt. So kann etwa ein mittels Gewinde in der jochartigen Aufnahme des Koppelelements verstellbarer Klemmbolzen axial auf das Probenende drücken und dieses spielfrei gegenüber der jochartigen Aufnahme verspannen, wobei der Klemmbolzen selbst über eine Sicherungsmutter in der Klemmstellung gesichert gehalten werden kann.In another conceivable embodiment, an arrangement of adjusting nut and/or adjusting screw that is adjustable relative to the coupling element can be provided as a clamping device, which clamps the sample and coupling element against each other. For example, a clamping bolt that is adjustable by means of a thread in the yoke-like holder of the coupling element can press axially on the end of the sample and clamp it against the yoke-like holder without play, whereby the clamping bolt itself can be held securely in the clamping position by means of a locking nut.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Einleitung der Schwingung der schwingenden Anregungseinheit in die Probe derart gestaltet ist, dass die Krafteinleitung zur Reduzierung der Belastung des Koppelelements nahe eines Schwingungsbauches des Koppelelements stattfindet. Um die Belastung der Bauteile zur Klemmung und spielfreien Anordnung zwischen Probe und Koppelelement, aber auch zwischen Koppelelement und schwingender Anregungseinheit für die Durchführung der Prüfung möglichst lastfrei und dadurch dauerfest zu gestalten, sollten sich die Verbindungspunkte wie Exzenter, Keile oder Gewinde in den Schwingungsbäuchen der stehenden Welle in dem Verbund Probe/Koppelelement befinden. Hierdurch wird dafür gesorgt, dass auch bei hohen Lasten und langen Prüfläufen keine Ermüdungen der Verbindungen auftreten, die die Prüfung unzulässig beeinflussen oder sogar im Laufe der Zeit versagen könnten.It is particularly advantageous if the introduction of the vibration of the vibrating excitation unit into the sample is designed in such a way that the force is introduced close to an antinode of the coupling element to reduce the load on the coupling element. In order to make the load on the components for clamping and play-free arrangement between the sample and coupling element, but also between the coupling element and the vibrating excitation unit for carrying out the test as load-free as possible and thus durable, the connection points such as eccentrics, wedges or threads should be located in the antinodes of the standing wave in the sample/coupling element assembly. This ensures that even with high loads and long test runs, no fatigue of the connections occurs, which could unduly influence the test or even cause it to fail over time.

Von besonderem Vorteil ist es weiterhin, dass durch die geometrische Gestaltung des Koppelelements, insbesondere des schaftartigen Abschnitts des Koppelelements, die Anregungsfrequenz an die Eigenfrequenz der Probe anpassbar ist. Die geometrische Gestaltung des Koppelelementes kann dadurch konstruktiv jeweils so an die Probe angepasst werden, dass die erforderliche Eigenfrequenz des zu prüfenden Werkstoffs mit der Anregungsfrequenz der Prüfeinrichtung übereinstimmt. Durch die hierdurch erzeugte Resonanz entstehen in der Probe zyklische Spannungskonzentrationen in den Schwingungsknoten. Hierbei wird in der Praxis durch die Festlegung der Anbindungsstellen des Koppelelements in den Schwingungsbäuchen der stehenden Welle und der meist vorgegebenen Anregungsfrequenz des Ultraschallwellengenerators jeweils eine bestimmte Länge des Koppelelementes festgelegt.Another particular advantage is that the geometric design of the coupling element, in particular the shaft-like section of the coupling element, allows the excitation frequency to be adapted to the natural frequency of the sample. The geometric design of the coupling element can therefore be adapted to the sample in such a way that the required natural frequency of the material to be tested matches the excitation frequency of the test device. The resonance generated in this way causes cyclic stress concentrations in the vibration nodes in the sample. In practice, a specific length of the coupling element is determined by determining the connection points of the coupling element in the antinodes of the standing wave and the usually specified excitation frequency of the ultrasonic wave generator.

Die geometrische Gestaltung des Koppelelementes kann neben der Ankopplung an die Probe insbesondere auch dazu genutzt werden, um Prüfparameter abhängig von der Probenform und dem Material der Probe zu beeinflussen und zu optimieren. So kann durch die geometrische Gestaltung des Koppelelements, insbesondere des schaftartigen Abschnitts des Koppelelements, die Eigenfrequenz so eingestellt werden, dass eine durch Resonanz stehende Welle in der Probe erzeugt wird. Auch kann eine mechanische Verstärkung der Schwingung bei der Überleitung der Schwingung auf die Probe gezielt beeinflusst werden. Darüber hinaus ist ein gezieltes Hinzufügen weiterer Schwingungsbäuche und Schwingungsknoten möglich, auch kann dadurch die Schwingungsamplitude der Probe angepasst werden.In addition to coupling to the sample, the geometric design of the coupling element can also be used to influence and optimize test parameters depending on the sample shape and material. The geometric design of the coupling element, in particular the shaft-like section of the coupling element, can be used to adjust the natural frequency so that a standing wave is generated in the sample through resonance. Mechanical amplification of the vibration when the vibration is transmitted to the sample can also be specifically influenced. In addition, it is possible to add additional vibration antinodes and vibration nodes in a targeted manner, and the vibration amplitude of the sample can also be adjusted in this way.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens eines als Probe vorliegenden Werkstoffs mittels Ultraschall, insbesondere für Flachproben, bei dem die Probe des Werkstoffs an eine schwingende Anregungseinheit der Prüfvorrichtung angekoppelt wird und die schwingende Anregungseinheit die Probe mit einer mechanischen axialen Schwingung, vorzugsweise mit Resonanzfrequenz, beaufschlagt, bei dem zwischen Probe und schwingender Anregungseinheit eine lösbare Verbindung mit axialer Einleitung der Schwingung der Anregungseinheit in die Probe gebildet wird, indem ein Koppelelement zwischen Probe und schwingender Anregungseinheit probenseitig spielfrei derart mit der Probe verbunden wird, dass die Einleitung der Schwingung in den Probenkörper axial im Bereich der Stirnseite der Probe erfolgt. Die Vorteile und Eigenschaften des Verfahrens sind im Wesentlichen schon im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen Prüfvorrichtung genannt worden, worauf hier in vollem Umfang Bezug genommen wird.The invention further relates to a method for assessing the fatigue behavior of a material present as a sample by means of ultrasound, in particular for flat samples, in which the sample of the material is coupled to an oscillating excitation unit of the testing device and the oscillating excitation unit subjects the sample to a mechanical axial oscillation, preferably at a resonance frequency, in which a detachable connection is formed between the sample and the oscillating excitation unit with axial introduction of the oscillation of the excitation unit into the sample by connecting a coupling element between the sample and the oscillating excitation unit to the sample on the sample side without play in such a way that the introduction of the oscillation into the sample body takes place axially in the area of the front side of the sample. The advantages and properties of the method have essentially already been mentioned in connection with the testing device described above, to which reference is made in full here.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung zeigt die Zeichnung.A particularly preferred embodiment of the testing device according to the invention is shown in the drawing.

Es zeigen:

1 - eine prinziphafte Darstellung einer ersten Ausgestaltung der Anbindung zwischen Probe und Koppelelement innerhalb der Prüfvorrichtung mittels Passstiften und Keilklemmung in verschiedenen Ansichten,
2 - eine prinziphafte Darstellung einer anderen Ausgestaltung der Anbindung zwischen Probe und Koppelelement innerhalb der Prüfvorrichtung mittels Exzenter in verschiedenen Ansichten,
3 - eine prinziphafte Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der Anbindung zwischen Probe und Koppelelement innerhalb der Prüfvorrichtung mittels Hydraulikzylinder in zwei Ansichten,
4 - eine prinziphafte Darstellung einer anderen Ausgestaltung der Anbindung zwischen Probe und Koppelelement innerhalb der Prüfvorrichtung mittels Schraubverbindung in verschiedenen Ansichten,
5 - eine Darstellung der beidseitigen Anbindung zwischen Probe und Koppelelement innerhalb der Prüfvorrichtung gemäß 4 in zwei Ansichten.

Show it:

1 - a schematic representation of a first design of the connection between sample and coupling element within the test device by means of dowel pins and wedge clamping in different views,
2 - a schematic representation of another design of the connection between sample and coupling element within the test device using eccentrics in different views,
3 - a schematic representation of a further design of the connection between sample and coupling element within the test device using hydraulic cylinders in two views,
4 - a schematic representation of another design of the connection between sample and coupling element within the test device by means of a screw connection in different views,
5 - a representation of the bilateral connection between sample and coupling element within the test device according to 4 in two views.

In der 1 ist eine prinziphafte Darstellung einer ersten Ausgestaltung der Anbindung zwischen Probe 3 und Koppelelement 1 innerhalb der Prüfvorrichtung mittels Passstiften 4 und Keilklemmung 6 in verschiedenen Ansichten dargestellt, mit der Probe 3 und Koppelelement 1 spielfrei aneinander festgelegt und die Schwingung der nicht weiter erkennbaren schwingenden Anregungseinheit axial in die Probe 3 eingeleitet werden kann. Hierbei ist das Koppelelement 1 etwa bolzenartig länglich ausgebildet und mit einem Schraubende 2 mit der nicht dargestellten schwingenden Anregungseinheit verbindbar. An seinem diesem Ende gegenüberliegenden Ende ist das Koppelelement 1 mit einem gabelförmigen Endbereich 8 ausgestaltet, wobei die diesen Endbereich 8 bildenden beiden gabelförmigen Abschnitte einen zu den Abmessungen der Probe 3 passenden Aufnahmeraum zwischen sich bilden, in die das Probenende 9 mit ein wenig Spiel eingesteckt werden kann. Die Probe 3 weist dabei in üblicher Weise die beiden Probenenden 9 mit senkrecht zur Probenlängsachse angeordneten Stirnflächen 10 auf und ist dazwischen üblicherweise eingeschnürt ausgebildet. Es können aber auch andere Zwischenformen zwischen den beiden zur Festlegung der Probe gedachten Probenenden 9 vorgesehen werden.In the 1 is a schematic representation of a first embodiment of the connection between sample 3 and coupling element 1 within the test device by means of dowel pins 4 and wedge clamp 6 in various views, with which sample 3 and coupling element 1 are secured to one another without play and the vibration of the vibrating excitation unit (not further visible) can be introduced axially into sample 3. In this case, coupling element 1 is designed to be elongated, approximately like a bolt, and can be connected to the vibrating excitation unit (not shown) with a screw end 2. At its end opposite this end, coupling element 1 is designed with a fork-shaped end region 8, with the two fork-shaped sections forming this end region 8 forming a receiving space between them that matches the dimensions of sample 3 and into which sample end 9 can be inserted with a little play. Sample 3 has the two sample ends 9 in the usual way with end faces 10 arranged perpendicular to the sample's longitudinal axis and is usually constricted between them. However, other intermediate shapes may also be provided between the two sample ends 9 intended to fix the sample.

Die Festlegung der Probe 3 an dem Koppelelement 1 erfolgt dabei in der Weise, dass sowohl in den gabelförmigen Abschnitten 8 des Koppelelements 1 als auch in dem Probenende 9 zueinander passende Bohrungen 5 vorgesehen sind, die bei der bestimmungsgemäßen Zuordnung von gabelförmigen Abschnitten 8 des Koppelelements 1 und Probenende 9 übereinander zu liegen kommen und in die ein Passstift 4 eingesteckt werden kann, mit dem gabelförmige Abschnitte 8 und Probenende 9 formschlüssig aneinander festgelegt werden können. Allerdings ist hierbei das Probenende 9 noch um die Achse des Passstiftes 4 verdrehbar und nicht axial zur Längsachse des Koppelelements 1 ausgerichtet. Um diese Ausrichtung und gleichzeitig eine Spielfreiheit der Kopplung von Probe 3 und Koppelelement 1 zu gewährleisten, wird eine Klemmung hier mit zwei Keilen 6 vorgenommen, die in eine Ausnehmung 7 so eingebracht und gegeneinander verkeilt werden, dass die Stirnfläche 10 der Probe 3 genau senkrecht zur Längsachse des Koppelelements 1 zu liegen kommt. Damit wird auch eventuell vorhandenes Spiel zwischen Probenende 8 und Koppelelement 1 beseitigt und die Prüfung kann bestimmungsgemäß durchgeführt werden.The sample 3 is attached to the coupling element 1 in such a way that matching bores 5 are provided both in the fork-shaped sections 8 of the coupling element 1 and in the sample end 9, which come to lie one above the other when the fork-shaped sections 8 of the coupling element 1 and the sample end 9 are assigned as intended and into which a dowel pin 4 can be inserted, with which the fork-shaped sections 8 and the sample end 9 can be secured to one another in a form-fitting manner. However, the sample end 9 can still be rotated about the axis of the dowel pin 4 and is not axially aligned to the longitudinal axis of the coupling element 1. In order to ensure this alignment and at the same time to ensure that the coupling of sample 3 and coupling element 1 is free from play, a clamping is carried out here with two wedges 6, which are inserted into a recess 7 and wedged against each other in such a way that the front surface 10 of sample 3 is exactly perpendicular to the longitudinal axis of coupling element 1. This also eliminates any play that may exist between sample end 8 and coupling element 1 and the test can be carried out as intended.

In der 2 ist eine prinziphafte Darstellung einer anderen Ausgestaltung der Anbindung zwischen Probe 3 und Koppelelement 1 innerhalb der Prüfvorrichtung mittels Exzenter 13 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Hierbei weist das Koppelelement 1 an seinem probenseitigen Ende eine jochartig ausgestaltetet Erweiterung 11 auf, in die eine hammerartige Erweiterung 12 des Probenendes 9 passend einbringbar ist und in der ebenfalls der Exzenter 13 verstellbar angeordnet ist. Die hammerartige Erweiterung 12 des Probenendes 9 und die jochartig ausgestaltete Erweiterung 11 bilden zwei schräg angeordnete Anpressflächen 14, gegen die die hammerartige Erweiterung 12 des Probenendes 9 mittels Exzenter 13 gepresst und geklemmt werden können. Hierzu stützt sich der gekurvt gestaltete Exzenter 13 einerseits auf einer Steuerkurve 20 an der jochartig ausgestalteten Erweiterung 11 des Koppelelements 1 ab und kann bei Verdrehung die Stirnfläche 10 des Probenendes 9 dadurch an der jochartig ausgestalteten Erweiterung 11 festlegen, dass die zugeordneten Flächen der hammerartigen Erweiterung 12 des Probenendes 9 gegen die schräg angeordnete Anpressflächen 14 der jochartig ausgestalteten Erweiterung 11 pressen und bei selbsthemmender Auslegung des Exzenters 13 auch dauerhaft klemmen. Durch die Anordnung der schräg angeordneten Anpressflächen 14 und die hammerartige Erweiterung 12 des Probenendes 9 richtet sich die Stirnfläche 10 der Probe 3 senkrecht zur Längsachse des Koppelelements 1 aus und wird spielfrei an dem Koppelelement 1 festgelegt.In the 2 a schematic representation of another design of the connection between sample 3 and coupling element 1 within the test device by means of eccentric 13 is shown in various views. The coupling element 1 has a yoke-like extension 11 at its sample-side end, into which a hammer-like extension 12 of the sample end 9 can be inserted and in which the eccentric 13 is also adjustably arranged. The hammer-like extension 12 of the sample end 9 and the yoke-like extension 11 form two obliquely arranged contact surfaces 14 against which the hammer-like extension 12 of the sample end 9 can be pressed and clamped by means of eccentric 13. For this purpose, the curved eccentric 13 is supported on the one hand on a control curve 20 on the yoke-like extension 11 of the coupling element 1 and, when rotated, can fix the front surface 10 of the sample end 9 to the yoke-like extension 11 in that the associated surfaces of the hammer-like extension 12 of the sample end 9 press against the diagonally arranged contact surfaces 14 of the yoke-like extension 11 and, if the eccentric 13 is designed to be self-locking, also clamp them permanently. Due to the arrangement of the diagonally arranged contact surfaces 14 and the hammer-like extension 12 of the sample end 9, the front surface 10 of the sample 3 is aligned perpendicular to the longitudinal axis of the coupling element 1 and is fixed to the coupling element 1 without play.

In der 3 ist eine prinziphafte Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der Anbindung zwischen Probe 3 und Koppelelement 1 innerhalb der Prüfvorrichtung mittels Hydraulikzylinder 15 in verschiedenen Ansichten dargestellt, wobei der Aufbau der Anbindung weitgehend der Ausgestaltung gemäß 1 entspricht. Allerdings wird hier als Klemmelement ein nur angedeuteter Hydraulik- oder Pneumatikzylinder 15 verwendet, der druckbelastet gegen die Stirnfläche 10 des Probenendes 9 drückt und die Funktion der Keile 6 in 1 übernimmt. Hierbei muss zur Aufrechterhaltung der Klemmung der Probe 3 dauerhaft Druck auf den Hydraulik- oder Pneumatikzylinder 15 aufgebracht werden.In the 3 A schematic representation of a further embodiment of the connection between sample 3 and coupling element 1 within the test device by means of hydraulic cylinder 15 is shown in various views, whereby the structure of the connection largely corresponds to the embodiment according to 1 However, here the A hydraulic or pneumatic cylinder 15 is used as the clamping element, which presses against the front surface 10 of the sample end 9 and performs the function of the wedges 6 in 1 In order to maintain the clamping of the sample 3, pressure must be applied continuously to the hydraulic or pneumatic cylinder 15.

In der 4 ist eine prinziphafte Darstellung einer anderen Ausgestaltung der Anbindung zwischen Probe 3 und Koppelelement 1 innerhalb der Prüfvorrichtung mittels Schraubverbindung 16, 17 in verschiedenen Ansichten zu erkennen. Wie auch schon in 2 beschrieben, ist im Bereich des Endes des Koppelelements 1 eine jochartig ausgestaltete Erweiterung 11 vorgesehen, die diesmal aber als separates Bauteil an dem Koppelelement 1 angeordnet ist. Hierzu wird eine Art Gewindebolzen 16 mit einem Einschraubende 19 in ein dazu passendes Gewinde in dem Koppelelement 1 eingeschraubt und festgesetzt. Auf den Gewindebolzen 16 wird dann eine Sicherungsmutter 17 aufgeschraubt. Auf das gegenüberliegende Ende des Gewindebolzens 16 wird die jochartig ausgestaltete Erweiterung 11 derart aufgesteckt, dass die wiederum hammerartige Erweiterung 12 des Probenendes 9 nach dem Einbringen in die jochartig ausgestaltete Erweiterung 11 mit dem Ende des Gewindebolzens 16 in Kontakt kommen kann. Die hammerartige Erweiterung 12 des Probenendes 9 kann nun dadurch gegen die Anpressflächen 14 der jochartig ausgestalteten Erweiterung 11 gepresst und axial ausgerichtet werden, dass die Sicherungsmutter 17 gegen die jochartig ausgestalteten Erweiterung 11 geschraubt und dort mit nicht weiter erkennbaren Sicherungsmaßnahmen gegen ein Lockern gesichert wird. Damit wird das Ende des Gewindebolzens 16 spielfrei an die Stirnfläche 10 des Probenendes 9 gedrückt.In the 4 a schematic representation of another design of the connection between sample 3 and coupling element 1 within the test device by means of screw connections 16, 17 can be seen in different views. As already in 2 described, a yoke-like extension 11 is provided in the area of the end of the coupling element 1, but this time it is arranged as a separate component on the coupling element 1. For this purpose, a type of threaded bolt 16 with a screw-in end 19 is screwed into a matching thread in the coupling element 1 and secured. A lock nut 17 is then screwed onto the threaded bolt 16. The yoke-like extension 11 is placed onto the opposite end of the threaded bolt 16 in such a way that the hammer-like extension 12 of the sample end 9 can come into contact with the end of the threaded bolt 16 after being inserted into the yoke-like extension 11. The hammer-like extension 12 of the sample end 9 can now be pressed against the contact surfaces 14 of the yoke-like extension 11 and aligned axially by screwing the lock nut 17 against the yoke-like extension 11 and securing it there against loosening with unseen securing measures. The end of the threaded bolt 16 is thus pressed against the front surface 10 of the sample end 9 without play.

Weiterhin ist in der 4 zu erkennen, dass an dem Koppelelement 1 nur exemplarisch angeordnete Formelemente wie Verdickungen 18 oder dgl. angeordnet sein können, mit denen das Schwingungsverhalten von Koppelelement 1 und Probe 3 im Sinne einer Optimierung der Prüfung gezielt beeinflusst werden können. Zur Anpassung der Eigenfrequenz und der mechanischen Schwingungsmodifizierung kann das schaftartige Koppelelement 1 geometrisch vielfältig angepasst werden. Hierdurch ist auch ein mechanisches Verstärken der Auslenkungsanregung möglich.Furthermore, in the 4 It can be seen that only exemplary shaped elements such as thickenings 18 or the like can be arranged on the coupling element 1, with which the vibration behavior of the coupling element 1 and sample 3 can be specifically influenced in order to optimize the test. The shaft-like coupling element 1 can be geometrically adapted in many different ways to adjust the natural frequency and the mechanical vibration modification. This also makes it possible to mechanically amplify the deflection excitation.

In der 5 ist eine eher konstruktive Darstellung der Anbindung zwischen Probe 3 und Koppelelement 1 innerhalb der Prüfvorrichtung gemäß 4 an beiden Enden der Probe 3 zu erkennen, die dem Aufbau gemäß 4 entspricht.In the 5 is a more constructive representation of the connection between sample 3 and coupling element 1 within the test device according to 4 at both ends of sample 3, which, according to the structure 4 corresponds.

Als zusätzlicher Vorteile der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung lässt sich anführen, dass anders als bei herkömmlich verwendeten Klebeverbindungen zwischen Probe 3 und Probenhalter, die nicht warmfest sind (Reduktion der Festigkeit bereits bei 80°C), bei der vorgestellten Lösung die Möglichkeit für Versuche mit beaufschlagter Temperatur besteht.An additional advantage of the test device according to the invention is that, unlike conventionally used adhesive joints between sample 3 and sample holder, which are not heat-resistant (reduction in strength already at 80°C), the solution presented offers the possibility of conducting tests at applied temperatures.

Auch ist ein anderer Prüfbereich hinsichtlich der auf die Probe 3 aufgebrachten Belastungen möglich. Die normale Prüfung erfolgt im Zug-Druck-Bereich durch Einleitung einer sinusförmigen Schwingung. Es bilden sich stehende Wellen aus, an denen die Spannung sinusförmig um die Mittelspannung (in diesen Fall 0 MPa) mit einer angeregten Amplitude zykliert. Bei der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung kann durch die Überlagerung mit einer Zuglast in Höhe der Amplitude eine Verschiebung in den reinen Zug-Zug-Bereich erreicht werden. Ebenfalls wäre durch eine Überlagerung mit einer Drucklast eine Verschiebung in den reinen Druck-Druck-Bereich denkbar.A different test range is also possible with regard to the loads applied to sample 3. The normal test is carried out in the tension-compression range by initiating a sinusoidal oscillation. Standing waves are formed in which the stress cycles sinusoidally around the mean stress (in this case 0 MPa) with an excited amplitude. With the test device according to the invention, a shift into the pure tension-tension range can be achieved by superimposing a tensile load at the level of the amplitude. A shift into the pure compression-compression range would also be conceivable by superimposing a compression load.

Die Auslegung der Form und der Abmessungen des Koppelelementes 1 erfolgt bei einfachen Geometrien von Probe 3 und Koppelelement 1 analytisch. Basierend auf der Wellengleichung wird so ausgelegt, dass Verbindungspunkte wie Gewinde und ähnliches lastfrei sind, also sich in den Schwingungsbäuchen der stehenden Welle befinden. Durch eine gezielte Längenanpassung wird der gesamte Laststrang (Probe 3, Koppelelement 1, mechanische Schwingungsverstärker) auf die Anregungsfrequenz (20 kHz +/- 500 Hz) ausgelegt. Bei komplexeren Geometrien der Koppelelemente 1 wird die Auslegung per Finite-Element-Simulation durchgeführt. Iterativ wird die Länge angepasst, bis die Auslegungsfrequenz erreicht wird. Generell sind auch andere und vor allem höhere Anregungsfrequenzen möglich. So sind auf dem Markt erhältliche Ultraschallgeneratoren z.B. für das Ultraschallschweißen bei ca. 20 kHz, 30 kHz und 40 kHz verfügbar und könnten hier entsprechend eingesetzt werden. Niedrigere Frequenzen als 16 kHz sind zwar technisch auch umsetzbar, aber aufgrund der dabei entstehenden Lärmbelastung bei der Prüfung nicht wirklich sinnvoll. Die Grenzfrequenz von ± 500 Hz ergibt sich aufgrund der technischen Randbedingungen der verwendeten Ultraschallgeneratoren.The design of the shape and dimensions of the coupling element 1 is carried out analytically for simple geometries of sample 3 and coupling element 1. Based on the wave equation, the design is such that connection points such as threads and the like are load-free, i.e. are located in the antinodes of the standing wave. By means of a targeted length adjustment, the entire load train (sample 3, coupling element 1, mechanical vibration amplifier) is designed for the excitation frequency (20 kHz +/- 500 Hz). For more complex geometries of the coupling elements 1, the design is carried out using finite element simulation. The length is adjusted iteratively until the design frequency is reached. In general, other and above all higher excitation frequencies are also possible. For example, ultrasonic generators available on the market are available for ultrasonic welding at approx. 20 kHz, 30 kHz and 40 kHz and could be used accordingly here. Lower frequencies than 16 kHz are technically feasible, but do not really make sense due to the noise they generate during testing. The limit frequency of ± 500 Hz is due to the technical constraints of the ultrasonic generators used.

Literatur:Literature:

[1] D. Flore, K. Wegener, H. Mayer et al., Investigations of the high and very high cycle fatigue behaviour of continuous fibre reinforced plastics by conventional and ultrasonic fatigue testing, Composite Science and Technology 141, 2017, DOI: 10.1016/j.compscitech.2017.01.018
[2] M. Fitzka, H. Rennhofer, D. Catoor et al., High Speed IN Situ Synchrotron Observation of Cyclic Deformation and Phase Transformation of Superelastic Nitinol at Ultrasonic Density, Experimental Mechanics 60, 2020, DOI: 10.1007/s11340-019-00562-8

SachnummernlistePart number list

11: KoppelelementCoupling element
22: Verschraubung zur schwingenden AnregungseinheitScrew connection to the oscillating excitation unit
33: Probesample
44: PassstiftDowel pin
55: Bohrungdrilling
66: Keilwedge
77: Aufnahme Keil in KoppelelementWedge holder in coupling element
88th: gabelförmiges Ende Koppelelementforked end coupling element
99: ProbenendeEnd of rehearsal
1010: Stirnfläche ProbenendeFront face sample end
1111: jochartiges Ende Koppelelementyoke-like end coupling element
1212: hammerförmige Erweiterung Probenendehammer-shaped extension sample end
1313: Exzentereccentric
1414: Anpressfläche für ProbeContact surface for sample
1515: hydraulischer Zylinderhydraulic cylinder
1616: AnpressbolzenClamping bolt
1717: SicherungsmutterLock nut
1818: Verdickungthickening
1919: VerschraubungScrew connection
2020: SteuerkurveControl curve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

D. Flore, K. Wegener, H. Mayer et al., Investigations of the high and very high cycle fatigue behaviour of continuous fibre reinforced plastics by conventional and ultrasonic fatigue testing, Composite Science and Technology 141, 2017, DOI: 10.1016/j.compscitech.2017.01.018 [0029]
M. Fitzka, H. Rennhofer, D. Catoor et al., High Speed IN Situ Synchrotron Observation of Cyclic Deformation and Phase Transformation of Superelastic Nitinol at Ultrasonic Distortion, Experimental Mechanics 60, 2020, DOI: 10.1007/s11340-019-00562-8 [0029]

Claims

Testing device for assessing the fatigue behavior of a material present as a sample (3) by means of ultrasound, in particular for flat samples, in which the sample (3) of the material is coupled to an oscillating excitation unit of the testing device and the oscillating excitation unit subjects the sample (3) to a mechanical axial vibration, preferably at a resonance frequency, characterized in that a detachable connection with axial introduction of the vibration of the excitation unit into the sample (3) is formed between the sample (3) and the oscillating excitation unit, in which a coupling element (1) is arranged between the sample (3) and the oscillating excitation unit, which can be connected to the sample (3) on the sample side without play in such a way that the introduction of the vibration into the sample body (3) takes place axially in the region of the front side (10) of the sample (3).

Test device according to Claim 1 , characterized in that a force application element (6, 13, 15, 16) is arranged and operable between the sample (3) and the coupling element (1) in such a way that the force application element (6, 13, 15, 16) presses partial regions of the sample (3) in the axial direction without play against suitably shaped sections (14) of the coupling element (1).

Test device according to Claim 2 , characterized in that as mutually matching sections of the sample (3) and coupling element (1), mutually matching openings (5), in particular bores (5), are provided in the sample (3) and coupling element (1), into which fitting elements (4) such as dowel pins or the like can be inserted, which fix the sample (3) and coupling element (1) to one another in a form-fitting manner without play.

Test device according to Claim 2 , characterized in that a yoke-like undercut receptacle (11) is provided on the coupling element (1) as mutually matching shaped sections of the sample (3) and coupling element (1), and a hammer-like counter-form (12) of the sample end (9) is provided on the sample (3), which counter-form fits into the yoke-like receptacle (11), which, with the aid of the force application element (6, 13, 15, 16), fix the sample (3) and coupling element (1) to one another in a force-fitting manner without play.

Testing device according to one of the preceding claims, characterized in that an arrangement of wedges (6) which can be braced against one another is provided as the force introduction element (6) for establishing freedom from play between the sample (3) and the coupling element (1), which brace the sample (3) and the coupling element (1) against one another.

Test device according to Claim 5 , characterized in that the wedges (6) which can be braced against one another can be inserted and braced in a receptacle (7) on the coupling element (1) into which the sample end (9) projects.

Test device according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that a clamping device (13, 15, 16) which is adjustable relative to the coupling element (1) is provided as the force introduction element (13, 15, 16) for producing the freedom from play between the sample (3) and the coupling element (1), which clamps the sample (3) and the coupling element (1) against one another.

Test device according to Claim 7 , characterized in that an eccentric (13) which is rotatable relative to the coupling element (1) is provided as a clamping device and which clamps the sample (3) and the coupling element (1) against one another.

Test device according to Claim 8 , characterized in that an arrangement of adjusting nut (17) and/or adjusting screw (16) which is adjustable relative to the coupling element (1) is provided as the clamping device, which clamps the sample (3) and the coupling element (1) against each other.

Test device according to Claim 9 , characterized in that the adjustable adjusting nut (17) or adjusting screw (16) can be secured in its position after tightening the connection between the sample (3) and the coupling element (1).

Test device according to Claim 7 , characterized in that a fluid cylinder (15) which is adjustable relative to the coupling element is provided as the clamping device and which clamps the sample (3) and the coupling element (1) against each other.

Testing device according to one of the preceding claims, characterized in that the introduction of the vibration of the vibrating excitation unit into the sample (3) is designed such that the force introduction for reducing the load on the coupling element (1) takes place close to an antinode of the coupling element (1).

Test device according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation frequency can be adapted to the natural frequency of the sample (3) by the geometric design of the coupling element (1), in particular the shaft-like section of the coupling element (1).

Test device according to one of the preceding claims, characterized in that the geometric design of the coupling element ments (1), in particular the shaft-like section of the coupling element (1), the natural frequency can be adjusted so that a resonance-related standing wave is generated in the sample (3).

Testing device according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical amplification of the vibration during the transmission of the vibration to the sample (3) can be influenced by the geometric design of the coupling element (1).

Testing device according to one of the preceding claims, characterized in that the geometric design of the coupling element (1), in particular of the shaft-like section of the coupling element (1), can cause the addition of further vibration antinodes and vibration nodes.

Testing device according to one of the preceding claims, characterized in that the vibration amplitude of the sample (3) can be adjusted by the geometric design of the coupling element (1), in particular of the shaft-like section of the coupling element (1).

Method for assessing the fatigue behaviour of a material present as a sample (3) by means of ultrasound, in particular for flat samples, in which the sample (3) of the material is coupled to an oscillating excitation unit of the testing device and the oscillating excitation unit subjects the sample (3) to a mechanical axial oscillation, preferably with a resonance frequency, in particular using the testing device according to Claim 1 characterized in that a detachable connection with axial introduction of the vibration of the excitation unit into the sample (3) is formed between the sample (3) and the oscillating excitation unit, in that a coupling element (1) between the sample (3) and the oscillating excitation unit is connected to the sample (3) on the sample side without play in such a way that the introduction of the vibration into the sample body takes place axially in the region of the front side (10) of the sample (3).