DE1573895C - Verfahren zur Scherprüfung von Werkstoffen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Scherprüfung von Werkstoffen mittels einer plattenförmigen Probe, aus der ein kreisförmiges Kernstück herausgeschert wird.

Bei den Scherprüfungen von Werkstoffen sind im wesentlichen fünf Möglichkeiten bekannt:

Die Prüfung mittels Torsionsproben,

die Prüfung mit Schermessern für langgestreckte, an ihren Enden eingespannte Proben,

die Prüfung mit Stanzwerkzeugen bei plattenförmigen Proben,

die Prüfung ohne die Verwendung irgendwelcher Scherwerkzeuge an plattenförmigen Proben mit in bestimmter Art und Weise gelegten Einschnitten und schließlich

die Prüfung ohne die Verwendung besonderer Scherwerkzeuge für langgestreckte Proben.

Diese bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß beim Einsatz irgendwelcher Torsions- oder Scherwerkzeuge unerwünschte, ungleichmäßige und unübersichtliche Spannungsverhältnisse im Scherquerschnitt und seiner Umgebung auftreten. Bei langgestreckten Proben besteht außerdem der Nachteil, daß bei den Schubmessungen noch eine Reihe experimenteller Schwierigkeiten auftreten, die sich darin äußern, daß die erforderlichen Messungen nur mit Ablenkspiegeln erfolgen können, wenn sie eine hinreichende Genauigkeit 3μΓκτεΐ8εη sollen.

Die Nachteile der bekannten Verfahren werden dadurch beseitigt, daß für eine plattenförmige Scherprobe ein kreisförmiger zylindrischer Scherquerschnitt mit wesentlich klareren Spannungsverhältnissen als bisher geschaffen wird, und zwar insbesondere dann, wenn die Scherkräfte am Rand dieser Kerben angreifen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Kernstück oben und unten durch zwei übereinanderliegende Ringkerben gleichen Kerbdurchmessers begrenzt wird, die Scherkräfte auf dem Rand dieser Kerben angreifen und die Verbindungsgerade dieser Angriffspunkte der Scherkräfte mit der vertikalen Achse der Probe einen Winkel von 45° bildet.

Vorzugsweise wird an der Unterseite des herauszuscherenden Kernstücks der Probe eine Vorrichtung für Schubmessungen angeordnet. Mit Vorteil ist an der einen Seite der Probe ein Ultraschallkopf angebracht, mit dessen Hilfe bei der Aufnahme von Scherdiagrammen auf einem Oszillografen der Beginn der Werkstoffzerstörung beobachtet bzw. elektronisch signalisiert wird.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu, eine davon ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 die Scherprüfung von Probeplättchen mit doppelseitiger Ringkerbe,

F i g. 2 das Scherdiagramm von einem weich geglühten Stahl C 15 mit HB 30/2,5 = 121 kp/mm²,

F i g. 3 das Scherdiagramm von einem perlitischen Gußeisen GGL 25 mit HB 30/2,5 = 234 kp/mm².

In F i g. 1 bedeutet 1 die plattenförmige zu untersuchende Probe mit den zwei übereinanderliegenden Ringkerben 8, 9, die innerhalb der Probenplatte ein Kernstück 10 mit der Scherhöhe h begrenzen, das vom Druckstempel 2 mit schmalem Auflagerand und kleinem Führungstift in der Mitte bei der Prüfung eines Werkstoffs herausgeschert wird.

Probe 1 liegt hierbei auf einem Auflageklotz 3 mit einer ersten kleineren Aussparung für das herauszudrückende Kernstück 10 der Probe und einer zweiten größeren Aussparung für eine unterhalb der Probe anzubringende Schubmeßvorrichtung 11. Die auf dem oberen Kerbenrand des Kernstücks und dem unteren Kerbenrand der Probenplatte angreifenden Scherkräfte liegen auf einer Geraden 7, die mit der Probenachse einen Winkel von 45° bildet. Die Schubmeßvorrichtung kann aus einer einfachen mit einer Schraube 5 befestigten Meßuhr 4 oder aus einem elektrischen Induktivgeber bestehen, deren Füllstift in beiden Fällen aber nur die Unterseite des herauszuscherenden Kernstücks berühren darf.

Diese letzte Forderung muß nämlich bei obigen Schubmessungen erfolgen, weil andernfalls, wenn beispielsweise Schubmessungen allein zwischen dem Druckstempel 2 und dem Auflageklotz 3 erfolgen, auch die jeweiligen Eindrückungen des Druckstempels 2 auf der Oberseite der Probe 1 mitgemessen würden, die keinesfalls zur obengenannten allein interessierenden Scherhöhe h gehören. Dasselbe betrifft natürlich die Eindrückungen von Schermessern oder Lochstanzwerkzeugen bei den bekannten übrigen Scherprüfungen, wodurch im allgemeinen irgendwelche Schubmessungen an solchen Proben illusorisch werden.

Eine ähnliche Betrachtung der Fehler bei Schubmessungen, wie sie am Mittelteil einer Scherprobe durch die Eindrückungen von Druckstempeln, Schermessern oder Lochstanzwerkzeugen entstehen, ist aber auch für die eventuellen Formänderungen am Außenrand oder den weiter außen liegenden Enden einer Scherprobe anzustellen. Im vorliegenden Falle wurden solche äußeren Formänderungen an einer Probe zunächst jedoch nicht bemerkt; sei es vielleicht wegen der immer voreilenden größeren Verschie-

bungen von Werkstoffteilchen längs der Scherhöhe h einer Probe oder sei es auch wegen der immer wesentlich geringeren Flächendrücke am Außenrand einer solchen Probe, was schließlich zur erlaubt erscheinenden Vernachlässigung solcher möglicher Außenrand-Formänderungen führte.

Der Wert genauerer Schubmessungen an solchen Scherproben mit doppelseitigem Ringkerb besteht dabei vor allem in einer besseren Kennzeichnung der physikalischen Eigenschaften eines Werkstoffs, als es bisher bei Zugproben und vielen anderen Proben möglich war. Der Grund hierfür ist offenbar in erster Linie die wohldefinierte Zweiachsigkeit der Beanspruchung eines Werkstoffelements bei der vorliegenden Scherprüfung, während bei einer Zugprüfung nur mit dem Vorherrschen einer einachsigen Beanspruchung gerechnet wird.

Bei den mit den neuen Scherproben genauer zu kennzeichnenden physikalischen Eigenschaften eines Werkstoffs handelt es sich hierbei:

1. um eine Ermittlung der Scher- oder Fließgrenzen T₅;

2. um die Angabe eines Schermoduls S' bis zum Erreichen von r_s;

3. um die Auffindung eines noch näher zu definierenden Formenänderungsbehinderungsfaktors / im elastischen Bereich des Werkstoffs;

4. danach um den Verlauf der Spannungs-Schub-Kurve im plastischen Bereich des Werkstoffs und

5. um die Bestimmung eines maximal erreichbaren Schubes bei einer Scherfestigkeit r_R, sobald der Beginn der Werkstofftrennung in dem auf Scherung beanspruchten Querschnitt erfolgt.

Der Beweis, daß bereits ähnliche genauere Schubmessungen, ausgeführt an zylindrischen Scherproben mit umlaufendem Kerb, einen guten Einblick in die charakteristischen Eigenschaften eines Werkstoffs gegeben haben, wurde schon in verschiedenen früheren Veröffentlichungen des Erfinders erbracht. Bis dato handelte es sich aber dabei nur um zylindrische gekerbte langgestreckte Proben in verhältnismäßig komplizierten, gelenkigen Einspannungsvorrichtungen, mit denen wohl eine Reihe guter Ergebnisse erzielt werden konnte, die aber den Prüfer immer einen noch größeren Material- und Zeitaufwand kostete, was eine allgemeinere Verbreitung solcher Schubmessungen verhinderte. Das neue oben beschriebene Scherprüfverfahren mit plattenförmigen kleineren und viel leichter und rascher herzustellenden Proben mit zwei übereinanderliegenden Kerben verringert diese Kosten aber nun sehr, und dies schon allein deswegen, weil jetzt noch eine sehr einfache Probenauflage mit Druckstempel ohne jede Gelenke erforderlich ist.

Dabei hat das neue Verfahren mit plattenförmigen doppelseitig gekerbten Proben aber nicht nur eine Vereinfachung und Verbilligung bei der Probenherstellung und Prüfungsausführung zur Folge, sondern durch eine erhöhte Meßgenauigkeit auch noch eine wesentliche Bereicherung in der Zahl der Erkenntnisse gebracht, was im folgenden noch etwas näher erläutert werden soll. Die bis dato mit langgestreckten zylindrischen gekerbten Proben erzielten Erkenntnisse beschränkten sich im wesentlichen auf eine Verbesserung der Bestimmung' von Fließgrenzen, wobei über den gleichzeitig hierbei ermittelten Schermodul vorläufig jedoch nur sehr vage Angaben gemacht werden konnten. Gerade in letzterer Beziehung läßt sich aber jetzt die Spannungs-Schub-Kurve des Verfahrens mit der neuen plattenförmigen Probe mit doppelseitigen Ringkerben viel besser deuten, wenn zusätzlich der bereits obengenannte Formänderungsbehinderungsfaktor / eingeführt wird. Nur im Idealfalle eines zähen Werkstoffs ist nämlich damit zu rechnen, daß eine solche Formänderungsbehinderung / entfällt, d.h., daß dieser /-Faktor dann gleich 1 wird, was gerade bei der vorliegenden Probe mit allseitig sich gut abstützenden Werkstoffteilchen im Scherquerschnitt leicht festzustellen ist.

Um zu einer eindeutigen Definition eines solchen /-Faktors zu gelangen, ist deshalb für die Schubverformung der neuen Probe zunächst einmal der hierbei sich ergebende Gleitwinkel γ = -j- genauer zu

untersuchen, der sich in diesem Falle, reine Schubverhältnisse zugrunde legend,

a) aus der Werkstoffzusammendrückung <5_; = -=- h

und

b) aus dem äußeren meßbaren Schub δ_α zusammensetzt, dem dann als Formänderungsbehinderungsfaktor die Zahl / hinzuzufügen ist, so daß sich jetzt ergibt

δ_γ = S₁ + f · δ_α = -γ ■ h + f · δ_α.

Setzt man in dieser Gleichung jetzt nur noch öy = yd ein und für γ, gemäß Hockschem Gesetz ■für Schub den Quotienten aus der jeweils vorliegenden Schubspannung τ und dem Schermodul S, so erhält man durch leichte Umformung für einen solchen Schermodul S schließlich:

S =

τ(ά- h/2)

worin also zur Bestimmung von S alle Größen bis auf den Wert von / genau anzugeben wären, nämlich

die Schubspannung τ — -ψ bei P als Scherkraft und F als Scherquerschnitt nah, der Kerbdurchmesser d und die Scherhöhe h durch Messung am besten durch Meßmikroskop und ö_a durch Messung mittels Meßuhr oder Induktivgeber gemäß F i g. 1.

Der noch offene Faktor / wäre also auf diesem Wege allein mit Hilfe einer Scherprobe, von der man ihren wahren Schermodul S zunächst noch nicht kennt, überhaupt nicht zu ermitteln. Dafür kann man aber diesen Faktor /nun auch als ein besonderes kennzeichnendes Bindeglied zu anderen Werkstoffprüfungen betrachten, wofür sich dann als einfachste Beziehung sofort diejenigen zwischen dem Schermodul S und dem Elastizitätsmodul E anbietet, da bekanntlich im Idealfalle £ = 2,6 S wird.

Legt man also dieses Idealverhältnis auch im vorliegenden Fall für den Wert / = 1 fest, so ergibt sich ganz einfach:

2,6,

wobei also

C'

τ (d - h/2)

mit der doppelseitig gekerbten neuen Probe und der Elastizitätsmodul E nur mit Hilfe einer zweiten Probe zu bestimmen sind; sei es, daß für E eine Zug-

oder Biegeprobe benutzt wird, oder sei es, daß ein anderes bekanntes Bestimmungsverfahren für £ vereinbart wird.

Wie richtig eine solche Definition für einen Formänderungsbehinderungsfaktor / an der neuen Scherprobe war, wird man allerdings erst im Laufe der Zeit ermessen, wenn man in Zukunft die verschiedenen Werkstoffe auch noch mit einer bestimmten Gütezahl / zur Kennzeichnung ihrer jeweiligen Formbeständigkeit versieht, über die rein praktische Bedeutung dieser Gütezahl hinaus ist aber ein solcher /-Wert auch noch deshalb besonders bemerkenswert, weil er in diesem Falle schon aus dem rein elastischen Bereiche eines Werkstoffs eine Zahl liefert und Aussagen gestattet, die bisher nur unter Hinzuziehen des plastischen Werkstoffbereichs zu erhalten waren und deshalb auch im wesentlichen nur auf dieses Gebiet bezogen wurden.

In den in F i g. 2 und 3 dargestellten Fällen handelte es sich um ein und dieselbe Probengröße von rund 30 mm Außendurchmesser, 10 mm Gesamthöhe, 3 mm Scherhöhe und einem Kerbdurchmesser von 15 mm bei einem Kerbradius von 0,25 mm. Um an ihnen die Scherdiagramme aufzunehmen, wurde eine normale Zerreißmaschine verwendet, die stufenweise von 200 zu 200 kp auf Druck belastet wurde, wobei als Probenauflage mit Druckstempel die in Fig. 1 abgebildete Vorrichtung verwendet wurde.

Wie die Scherdiagramme in F i g. 2 und 3 zeigen, kann man also mit gleichen Proben sowohl für die zähen wie für die spröderen Werkstoffe eine Fließgrenze bzw. eine Schergrenze t_s sehr gut erkennen und bei dem weichen C-15-Stahl sogar hier, ähnlich wie bei einer Zugprobe, sehr deutlich eine obere und untere Fließgrenze.

Bei den aus diesen Diagrammen erhaltenen Schermodulen S' = f-S für C-15-Stahl = 7432kp/mm² und für das graue Gußeisen GGL 25 = 4760 kp/mm² war der /-Wert im ersteren Falle gleich 1 und im letzteren gleich 1,37.

Darüber hinaus zeigten die beiden Scherdiagramme aber auch an ihrem plastischen Werkstoffbereich einen sehr aufschlußreichen unterschiedlichen Verlauf, wobei beim Stahl C 15, bezogen auf die Scherhöhe h, ein maximaler Schub von 78,3% und beim Gußeisen GGL 25 ein solcher von nur 5,1% erreicht wurde.

Auch für die Bestimmung des maximalen Schubs sowie der zu diesem Schub gehörenden Scherfestigkeit wurde in diesem Falle bei den vorliegenden Proben ein neuartiger Weg beschritten, indem nämlich zur Anzeige des Beginns der Werkstofftrennungen, wenn sich beim maximalen Schub im Kerbgrund der Probe die ersten kleinen Risse zeigen, ein Ultraschallgerät mit kleinem 5-mm-0-Schallkopf 6 benutzt wurde, der seitlich an der Probe, wie es gleichfalls aus der F i g. 1 zu ersehen ist, angebracht wurde, indem hierfür ein Haltering mit Fixierschraube verwendet wurde, der wegen seiner Einfachheit in F i g. 1 nicht mehr eingezeichnet wurde. Eine solche besondere Anzeigevorrichtung für den Beginn einer Werkstofftrennung mit Bildung kleinerer Risse im Kerb wird im vorliegenden Falle vor allem bei den Werkstoffen mit einem /-Wert > 1 erforderlich, da bei diesen Werkstoffen die gegenseitige Abstützung der kleinsten Teilchen rechts und links vom Scherquerschnitt mit steigender Beanspruchung immer mehr zunimmt, so daß schließlich bei Höchstbeanspruchung ein Spannungsanstieg selbst dann noch erfolgt, nachdem im Kerbgrund bereits kleinere Risse entstanden sind. Dabei ist dieser übergang zur Rißbildung im Kerbgrund bei Höchstbeanspruchung auf einem Scherdiagramm unmittelbar durch eine gleichfalls eintretende, etwas beschleunigte Schubzunahme der Probe meist nicht klar zu erkennen, wohl aber gut mit einem Ultraschallgerät, was ebenfalls durch Beobachtung solcher Risse mittels Mikroskop bei 10- bis 20facher Vergrößerung leicht nachzuweisen ist. Schon das Annähern an den Beginn der Werkstofftrennung erkennt man auf dem Bildschirm eines Ultraschallgeräts meist sehr deutlich, indem nämlich dann die Schwingungsamplitude des Schallechos aus dem Bereich der Scherhöhe der Probe einen ziemlich schnell erfolgenden überraschenden Anstieg aufweist, wonach man dann nicht mehr lange zu warten braucht, bis wiederum ein Abfall dieser Amplitude eintritt, den Beginn der Rißbildung im Kerb anzeigend.

Mit einer klaren Definition des maximalen Schubs bei der vorliegenden neuen Scherprobe war hierbei auch eine eindeutige Definition für eine maximale Scherfestigkeit τ_κ gegeben, wobei hier der Scherfestigkeit τ der Index R beigefügt wurde, um auch gleichzeitig darauf hinzuweisen, daß nicht immer bei einem maximalen Schub sogleich ein Lastabfall an einer Zerreißmaschine erfolgt, sondern daß es sich in diesem Falle um eine beginnende sichtbar werdende Werkstofftrennung handelt, die mittels eines Ultraschallgeräts festgestellt worden ist.

Zusammenfassend ist also festzustellen, daß das beschriebene neue Verfahren zur Scherprüfung von Werkstoffen, anwendbar in gleicher Weise sowohl bei sehr zähen wie bei spröderen Werkstoffen, eine Fülle von Werkstoffaussagen gestattet, die in dieser Zahl und dieser Eindeutigkeit und Genauigkeit mit geringfügigsten Mitteln mit einem anderen Werkstoffprüfverfahren kaum zu erwarten sind.

Dabei ist das obengenannte Verfahren natürlich in gewissem Umfange auch noch änderungsfähig, sei es, daß die in Fig. 1 beschriebene Druckbeanspruchung der Probe nicht von oben, sondern vor. unten oder auch von der Seite her erfolgt, oder sei es, daß man aus der Druckvorrichtung durch Umleitung der angreifenden Scherkräfte eine Zugvorrichtung macht, wenn nur die Probenform mit doppelseitigen Ringkerb beibehalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Scherprüfung von Werkstoffen mittels einer plattenförmigen Probe, aus der ein kreisförmiges Kernstück herausgeschert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernstück (10) oben und unten durch zwei übereinanderliegende Ringkerben (8, 9) begrenzt wird, die Scherkräfte auf dem Rand dieser Kerben angreifen und die Verbindungsgerade (7) der Angriffspunkte der Scherkräfte mit der vertikalen Achse der Probe einen Winkel von 45° bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite des herauszuscherenden Kernstücks (10) der Probe eine Vorrichtung (4, 5) für Schubmessungen angebracht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Seite der Probe ein Ultraschallkopf (6) angebracht wird, mit dessen Hilfe bei der Aufnahme von Scherdiagrammen auf einem Oszillografen der Beginn der Werkstoffzerstörung beobachtet bzw. elektronisch signalisiert wird.