DE1162105B - Verfahren zum Bestimmen von thermischen Spannungen in aufgeheizten metallischen Koerpern mit ungleichmaessiger Temperaturverteilung und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: GOIl

Deutsche Kl.: 42 k - 34/05

Nummer: 1 162 105

Aktenzeichen: C 17631IX b / 42 k

Anmeldetag: 7. Oktober 1958

Auslegetag: 30. Januar 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der thermischen Beanspruchungen und Verformungen in Körpern, bei welchen verschiedene Zonen unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind.

Bekanntlich entstehen thermische Beanspruchungen, sobald zwischen zwei Wänden oder zwei Zonen eines Körpers ein Temperaturunterschied auftritt.

Diese Erscheinung wird noch stärker, wenn der Körper keine freie Verformung auf Grand der in ihm herrschenden Spannungen ausführen kann.

So ist beispielsweise ein Kühlkreis ein Gebiet, in welchem thermische Beanspruchungen sehr leicht auftreten.

Bei einem im Betrieb befindlichen Kernreaktor tritt an dem Brennstoffelement oder der Brennstoffpatrone senkrecht zur Oberfläche zwischen dem Umfang und dem Zentrum des Brennstoffs ein Temperaturgradient auf, welcher sehr groß werden kann (größenordnungsmäßig 400 bis 500° C).

Wenn sich der Reaktor in einem stabilen Betriebszustand befindet, kann in erster Annäherang der thermische Zustand des Brennstoffelements in der in F i g. 5 gezeigten Weise dargestellt werden:

Die Umfangszone a_x eines Stabes A kann z. B. als eine kalte Hülle mit der Temperatur J₁ angesehen werden. Das Innere«, kann als ein heißer Stab mit der Temperatur t₂ dargestellt werden, welcher mit dieser kalten Hülle verbunden ist. Diese fiktive Unterteilung des Elementes gestattet, sich eine rohe Vorstellung seines Verhaltens während der verschiedenen Betriebszustände des Reaktors zu machen:

Temperaturanstieg: Während der Steigerang der Leistung wird an beiden Zonen a_x und a₂ schnell ein Temperaturunterschied auftreten. Infolge der Spannungen sucht sich das Zentrum offenbar erhebliche stärker als der äußere Teil zu verlängern. Da jedoch die Anordnung ein Ganzes bildet, wird die Umfangszone, deren Querschnitt größer ist als der des Kerns, das Innere des Stabes zurückhalten, d. h., die Dehnungen (H₁ und dl₂ der beiden Zonen suchen gleichzubleiben. Dies hat eine Unterdracksetzung der zentralen Zone zur Folge.

Gleichbleibende Temperatur: Dies entspricht einem stabilen Betrieb des Reaktors. Es treten dann zeitliche Entwicklungsvorgänge der Beanspruchungen auf, welche sich stark ändern und schwer zu definieren sind.

Temperaturabnahme (Stillsetzung des Reaktors): Die Spannungen haben hier den entgegengesetzten Einfluß. Die Umfangszone wird die Zusammenziehung des Innern zu verhindern versuchen, so Verfahren zum Bestimmen von thermischen
Spannungen in aufgeheizten metallischen Körpern mit ungleichmäßiger Temperaturverteilung und
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Anmelder:

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dr. W. P. Radt, Patentanwalt,

Bochum-Weitmar, Heinrich-König-Str. 12 .

Als Erfinder benannt:

Jean Louis Bernard,

Gif-sur-Yvette, Seine-et-Oise,

Maurice Gauthron, Paris,

Andre Gautier, Orsay, Seine-et-Oise (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 8. Oktober 1957 ·

daß eine Zugbeanspruchung der zentralen Zone entsteht.

Diese Erscheinungen treten auch an Behältern und Kesseln auf, welche großen Temperaturgradienten zwischen dem inneren Abschnitt und dem äußeren Abschnitt unterworfen sind. Bei zwei aufeinanderplattierten Metallen (wie dies bei gewissen Brennstoffelementen der Fall ist) ist häufig an der Berührungsstelle dieser beiden Metalle eine Zone gegenseitiger metallischer Diffusion vorhanden, an welcher infolge der verschiedenen Temperaturen und Ausdehnungskoeffizienten erhebliche innere Beanspruchungen auftreten.
Durch Zerlegung des Problems und durch Einführung einer ganzen Reihe von Annäherangen (Fehlen von Viskosität, vollkommene Isotropie, Homogenität der physikalisch-mechanischen Kenngrößen) kann man die bei den verschiedenen Betriebszuständen auftretenden Beanspruchungen berechnen.

Abgesehen von der durch die Näherangen bedingten Ungenauigkeiten ist man mit der Rechnung aber auch nicht in der Lage, die im Laufe der Zeit auftretenden Änderungen der Beanspruchungen zu erfassen. Diese Beanspruchungsschwankungen sind jedoch von beträchtlichem Einfluß, so daß sie, will man zu einigermaßen richtigen Meßergebnissen kommen, nicht vernachlässigt werden können.

309 807/194

Es ist bereits ein Verfahren bekannt, mit dem das Spannungsaufnahmevermögen von erwärmten und mechanisch beanspruchten metallischen Körpern bestimmt werden kann. Hierbei wird an einem Prüfkörper, dessen Prüflänge während des ganzen Versuches konstant gehalten wird, der Verlauf der hierzu erforderlichen Belastung bei verschiedenen Temperaturen oder innerhalb beliebiger Temperaturintervalle festgestellt.

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, mit dem es gelingt, einen Einblick in die inneren Spannungsverhältnisse eines Materialblockes zu gewinnen, dessen einzelne Zonen unterschiedlich erwärmt sind.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, die thermischen Spannungen in aufgeheizten metallischen Körpern mit ungleichmäßiger Temperaturverteilung, deren vorbestimmte Längenänderungen durch an der Probe zusätzlich vorgenommene Belastungsänderungen erzielt werden, dadurch zu bestimmen, daß erfindungsgemäß die als Maß für die thermischen Spannungen dienenden Belastungsänderungen in Abhängigkeit von Längenänderungen einer weiteren, auf eine von der ersten Probe unterschiedliche Temperatur aufgeheizten Vergleichsprobe so gesteuert werden, daß zwischen den Längenänderungen der beiden Proben ein vorbestimmtes Verhältnis, insbesondere das Verhältnis eins, aufrechterhalten bleibt.

Die genannte Belastung entspricht der thermischen Beanspruchung, wobei die Temperaturen J₁ und t₂ der beiden Proben so verändert werden können, daß das Änderungsgesetz dieser Beanspruchungen vollständig dargestellt werden kann.

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung können bekannte Einrichtungen verwendet werden, mit deren Hilfe man in der Lage ist, von drei Zustandsgrößen des Probestückes, nämlich Temperatur t, Druck bzw. Zug P und Verhältnis der

Längenänderung zur ursprünglichen Länge —=— stets

M)

zwei Größen konstant zu halten, die dritte dagegen zu variieren. Der sich bei Variation etwa der Temperatur ändernde Wert AL wird dabei in bekannter Weise beispielsweise dilatometrisch abgetastet und auf ein Steuerungssystem gegeben, das aus einer geeigneten Anordnung von Hebeln, Relais und Servomotoren besteht und mit dessen Hilfe der auf die Probe wirkende Wert P derart nachgestellt wird, daß

das Verhältnis

AL

erhalten bleibt. Diese bekannten

Einrichtungen sind für die erfindungsgemäße Verwendung entsprechend umzubauen.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht somit aus einer der Vergleichsprobe zugeordneten bekannten Einrichtung zum Ermitteln der Längenänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur (Dilatometer), aus einer der Probe zugeordneten bekannten Einrichtung zum Ermitteln der "Längenänderungen bei veränderlicher Belastung und Temperatur (Belastungseinrichtung) und aus einer Steuereinrichtung, welche die in der Belastungsemrichtung herrschende Probenbelastung derart verändert, daß die Längenänderungen der Probe und der Vergleichsprobe einander gleich sind oder in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen.

Die Heizungen der beiden Einrichtungen sind voneinander unabhängig, damit mit veränderlichen Temperaturen t_x und t₂ gearbeitet werden kann.

Von diesen Einrichtungen enthält zweckmäßigerweise wenigstens die mit den einstellbaren Belastungsmitteln versehene ein Hebelsystem, welches mit z. B elektrischen Servomotoren kombiniert ist, um verhältnismäßig große Kräfte bei sehr kleinen Längenänderungen ausüben zu können.

Die erste, nachstehend »Dilatometer« genannte Einrichtung ermittelt die Längenänderung der Vergleichsprobe unter konstanter Belastung oder mit der ίο Belastung Null in Abhängigkeit von der Temperatur. Ein Servomotor dient zum Antrieb des Schreibstifts einer Vorrichtung zur Registrierung der Längenänderung dl_v

Die von der zweiten Einrichtung auf die Probe ausgeübte Belastung kann dabei durch die Überlagerung einer statischen, etwa durch ein Gewicht erzeugten Kraft, mit der von der Servoeinrichtung gelieferten und von einer Feder übertragenen Kraft hergestellt werden, wobei die statische Kraft zu Beginn des Meßvorganges der Federkraft das Gleichgewicht hält, so daß zunächst keine Belastung auf die Probe ausgeübt wird. Wenn die Servoeinrichtung in Gang kommt, bewirkt sie je nach der Drehrichtung des Servomotors eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung der von der Feder aufgenommenen Anfangsspannung, so daß auf die Probe eine positive oder negative Kraft ausgeübt wird, d. h. also die gewünschte Zug- oder Druckbeanspruchung P. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Hebelsystem einer jeden der beiden Einrichtungen wenigstens zwei Hebel auf, welche beständig gegeneinandergedrückt bleiben. Im Dilatometer kann die Aufrechterhaltung dieses Kontaktes entweder unmittelbar oder über einen Servomotor erfolgen. In der Belastungseinrichtung nimmt einer dieser Hebel dank des Vorhandenseins der erwähnten Steuereinrichtung ständig die gleiche Stellung wie der entsprechende Hebel des Dilatometers ein, wobei dann der zweite Hebel der Belastungsemrichtung in Berührung mit dem ersten durch den Servomotor gehalten wird, welcher auf die Feder so einwirkt, daß die Kraft P erzeugt wird, welche die Verformung dl₂ = dl_t hervorruft.

Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben.
F i g. 1 zeigt die gesamte Anordnung,

F i g. 2 das Dilatometer,

F i g. 3 die Belastungseinrichtung,

F i g. 4 eine Seitenansicht einer Probe und

F i g. 5 die thermische Unterteilung eines zu untersuchenden Teils.

In den Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Teile dargestellt.

Das Dilatometer 1 mit einer Vergleichsprobe 2 (Teil a_t der F i g. 5) besteht aus einem Ofen 3 mit der Temperatur t_v an der Probe 2 angelenkten Tastern 4 und 5, welche mit den beiden Hebeln 6 und 7 zusammenarbeiten, und einem Servomotor 8 und einer Registriereinrichtung 9.

Der Servomotor wirkt in bekannter Weise mit einer elektrischen oder elektronischen, schematisch bei 50 dargestellten Vorrichtung zusammen, welche den Hebeln 6 und 7 angehörende Kontakte O₁ und T₁ aufweist, wobei die Ausbildung so getroffen ist, daß sich der Servomotor in der einen oder der anderen Richtung dreht, je nachdem, ob sich die Kontakte O₁ und 7j gegeneinanderlegen oder nicht, was zur Folge hat, daß diese Kontakte und somit die beiden Hebel 6 und 7 einander stets folgen. Der Servomotor liefert

hier gleichzeitig die Energie, welche für die Registrierung auf der Einrichtung 9 erforderlich ist, wobei der Servomotor über mechanische Elemente im Punkt 9_X mit dem in einem Lager 7₂ schwenkbaren Hebel 7 verbunden ist.

Die mit 10 dargestellte Belastungseinrichtung liegt parallel zum Dilatometer 1. Sie enthält eine Probe 11 (Teil a._z der F i g. 5) in einem Ofen 12 mit der Temperatur U₁, an der Probe 11 angelenkte Taster 13 und 14, welche mit den beiden Hebeln 15 und 16 zusammenwirken, und einen Servomotor 17.

Dieser Servomotor ist nicht wie der des Dilatometers mechanisch mit einem der Hebel verbunden, sondern mit einer Feder 18, auf welche er eine Kraft ausübt und deren Aufgabe weiter unten erläutert ist. Er wird durch eine Vorrichtung 51 in Betrieb gesetzt, welche z. B. wie die Vorrichtung 50 ausgebildet ist und mit von den Hebeln 15 und 16 getragenen Kontakten IS₁, 1O₁ zusammenwirkt.

Schließlich ist die Belastungseinrichtung mit dem Dilatometer durch einen Seilzug 19 od. dgl. verbunden, welcher über einen Rollensatz 20, 21 und 22 läuft und dem schwenkbaren Hebel 16 der Belastungseinrichtung eine Verstellung erteilt, welche genau gleich der des Hebels 7 des Dilatometers ist. Diese Verbindung kann unmittelbar zwischen den beiden Hebeln 7 und 16 oder mittels des Servomotors 8 oder auf beliebige andere Weise erfolgen.

Die Gleichheit der Hebelstellungen kann übrigens durch eine an jeder Einrichtung angebrachtes Registriermittel kontrolliert werden, welche die Eigenverstellung eines jeden Hebels registriert.

Da die Hebel 16 und 7 durch diese Verbindung in der gleichen Stellung gehalten werden, betätigt der Servomotor 17, gesteuert von der Vorrichtung 51 und den Kontakten IS₁, 16_V die Feder 18 so, daß die auf die Probe ausgeübte Beanspruchung P eine Dehnung dL, bewirkt, welche der Dehnung JZ₁ der Vergleichsprobe entspricht.

Der Wert der Beanspruchung P kann an einer Registriereinrichtung 52 abgelesen werden, welche die Verformungen der Feder 18 aufzeichnet.

F i g. 2 zeigt eine Ansicht des Dilatometers 1, auf welcher nur die mechanischen Teile dargestellt sind.

Auf die Vergleichsprobe 2 wird keine Kraft ausgeübt. Trotzdem wird sie aus Analogie zu der Belastungseinrichtung 10 zwischen zwei Verankerungsteilen 23 und 24 gehalten. Die feste Basis ist die untere Verankerung 23, welche durch eine besondere Einspannung 25 und ein Mutternsystem 26 starr gehalten wird. Die obere, bewegliche Verankerung 24 ist sorgfältig durch einen kleinen Schwenkhebel 27 abgeglichen, damit sie keine Kraft auf die Vergleichsprobe 2 ausübt. Schließlich sind die beiden Verankerungen durch einen Behälter 28 genau aufeinander ausgerichtet, welcher außerdem die Vornahme einer Argonspülung um die Probe herum ermöglicht.

In gleicher Weise sind in F i g. 3 die mechanischen Teile der Belastungseinrichtung 10 dargestellt.

Um jede Anomalie oder einen Einfluß des Einbaus (Reibung und Änderung des Spiels während des Temperaturanstiegs, Restbeanspruchung der Probe, Verschiebung der Verankerungsteile usw.) zu vermeiden, ist die Verankerung der Probe in den beiden Einrichtungen genau die gleiche. Man findet daher an der Belastungseinrichtung folgende Teile wieder: Einspannung 29 der unteren Verankerung 30, einen die Probe 11 umgebenden Behälter 31 und ein Mutternsystem 32. Der die obere Verankerung 34 tragende Schwenkhebel 33 ist jedoch anders ausgebildet. Er ist zu Beginn des Versuchs so abgeglichen, daß keine Beanspruchung auf die Probe 11 einwirkt. Durch die Anordnung eines Gewichtes 35 können Druck- oder Zugbelastungen ausgeübt werden. Wie bereits ausgeführt, betätigt der Servomotor 17 die Schraubenfeder 18. Wenn die hierdurch ausgeübte Kraft kleiner als das an dem anderen Ende des Schwenkhebels angebrachte Gewicht 35 ist, wird ein Druck auf die Probe ausgeübt. In dem umgekehrten Fall entsteht ein Zug an der Probe.

Fig. 4 zeigt die Probenform. Diese Proben sind besonders ausgebildet. Sie besitzen einen zylindrischen Körper 36, eine Schulter 37 und einen Gewindekopf 38. Die Schultern ermöglichen das Festziehen der Proben in den Verankerungsteilen, um den Einfluß der Verformung und des Spieles der Gewindegänge bei einem Richtungswechsel der Beanspruchung zu vermeiden. Diese Erscheinung wäre bei geringen Belastungen sehr störend und würde die von der Probe erlittenen Verformungen vollständig verschleiern.

Eine derartige Probe kann z. B. folgende Abmessungen haben:

Körper 36

Durchmesser 4 mm — Länge 20 mm

Schulter 37

Durchmesser 12 mm -

- Länge 5 mm

Gewinde 38

Durchmesser 8 mm — Länge 10 mm

Zur Bekämpfung der Korrosion der Proben ist der Behälter zur Selbstzentrierung so ausgebildet, daß er gleichzeitig als Schutzkammer wirkt. Ohne vollständig dicht zu sein, da er einen freien Durchlaß für den Durchtritt der Verankerungsteile ohne Reibung aufweist, gestattet er trotzdem, während des Versuchs eine Umspülung der Probe mit einem indifferenten Gas bei gewöhnlichem Druck oder unter Druck, wobei die Gaszufuhr und -abfuhr durch in die Verankerungsteile eingebettete Leitungen erfolgen.

Wie bereits ausgeführt, werden die Beanspruchungen unter Ausgang von einem Gleichgewichtszustand durch eine Feder erzeugt, welche je nach ihrer Dehnung einen Zug oder einen Druck an der Probe auftreten läßt. Da diese Feder eine lineare Charakteristik aufweist, genügt es, zur Ermittlung der Belastung ihre Dehnung oder Zusammendrückung zu registrieren.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen von thermischen Spannungen in aufgeheizten metallischen Körpern mit ungleichmäßiger Temperaturverteilung, bei dem durch an der Probe zusätzlich vorgenommene Belastungsänderungen vorbestimmte Längenänderungen erzielt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die als Maß für die thermischen Spannungen dienenden Belastungsänderungen in Abhängigkeit von Längenänderungen einer weiteren, auf eine von der ersten Probe unterschiedliche Temperatur aufgeheizten Vergleichsprobe derart gesteuert werden, daß zwi-

sehen den Längenänderungen der beiden Proben ein vorbestimmtes Verhältnis, insbesondere das Verhältnis Eins, aufrechterhalten bleibt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine der Vergleichsprobe (2) zugeordnete bekannte Einrichtung (1) zum Ermitteln der Längenänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur (Dilatometer), durch eine der Probe (11) zugeordnete bekannte Einrichtung (10) zum Ermitteln der Längenänderungen bei veränderlicher Belastung und Temperatur (Belastungseinrichtung) und durch eine Steuereinrichtung (8, 17, 19, 20, 21, 22), welche die in der Belastungsemrichtung (10) herrschende Probenbelastung derart verändert, daß die Längenänderungen der Probe (11) und der Vergleichsprobe (2) einander gleich sind oder in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ermitteln der Längenänderungen und ihrer Übertragung auf die Steuereinrichtung in den beiden Einrichtungen (1 und 10) gleichartige Hebelsysteme (6, 7 bzw. 15, 16) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet durch einen Seilzug (19) zum Übertragen des Verstellweges des Hebelsystems (6, T) der Einrichtung (1) auf das Hebelsystem (15, 16) der Einrichtung (10) und durch einen entsprechend der Verstellwege betätigten Servomotor (17) der Steuereinrichtung zum Erzeugen der Belastung der Probe (11).

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine Feder (18), deren Verformung über den Servomotor (17) entsprechend eingestellt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine auf die Probe (11) zusätzlich einwirkende statische Belastung (35), deren Wert zu Beginn des Meßvorganges der Federkraft das Gleichgewicht hält.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichen Hebelsysteme (6, 7 bzw. 15, 16) je wenigstens zwei sich gegeneinanderlegende Hebel aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (16) der Einrichtung (10) mit dem entsprechenden Hebel (7) der Eulrichtung (1) durch Mittel (19) verbunden ist, welche die Gleichheit der Bewegung dieser Hebel gewährleisten, und daß an den beiden Hebeln 15, 16) in einem elektrischen Stromkreis liegende Kontakte (IS₁,1O₁) angeordnet sind, welchen den Drehsinn des Servomotors (17) steuern.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 8, gekennzeichnet durch zwei Registriergeräte, z.B. Schreibeinrichtungen, von denen die eine (9) zur Messung der Längenänderung ((H₁) der Vergleichsprobe (2) und die andere (52) zur Messung der Beanspruchung der Probe (11) dient.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Proben (2,11) in Behältern (28, 31) zur Aufnahme eines Schutzgases angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 732 311, 732 371;
»Revue de Mötallurgie«, 1942, November, S. 321 bis 330, und 1942, Dezember, S. 353 bis 359.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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