DE19520071A1 - Vorrichtung zur einachsigen Untersuchung von Mikrozugproben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Prüfung von Mikrozugproben zum Einsatz in eine Zugprüfmaschine.

Werkstoffdaten, die aus technologischen Versuchen an Makroproben gewonnen werden, können nicht ohne weiteres auf Bedingungen, wie sie im Mikrostrukturbereich herrschen, übertragen werden. Um sowohl Werkstoffdaten wie auch Auslegungsbedingungen, wie sie für den Mikrostrukturbereich typisch sind zu erhalten, ist es unbedingt notwendig, diese an entsprechend miniaturisierten Proben zu gewinnen.

Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Prüfvorrichtung für Mikrozugproben zu schaffen, die die einachsige Untersuchung von Mikrostrukturen, wie z. B. dünnen Folien im Mikrostrukturbereich ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung bei einer Prüfvorrichtung der eingangs erwähnten Art die Merkmale vor, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführt sind. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche zu sehen.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden und anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht mit Teilquerschnitt durch die Vorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie AB in der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung.

Die wichtigsten Merkmale der Vorrichtung sind der Lastrahmen, die Kraftmeßdose und die Probeneinspannung. Ein wesentliches Element davon ist der in der Fig. 1 im Querschnitt dargestellte geschlossene, aus einem Vorderteil 2 und einem Rückenteil 3 bestehende Lastrahmen 1, der mit einer nicht näher dargestellten Zugprüfmaschine zusammenwirkt, d. h. in deren Maschinenrahmen eingebaut und an ihn angepaßt wird. Die Verbindung mit dem Rahmen der Zugprüfmaschine wird über die obere 4 und die untere Zugstange 5 hergestellt, wobei diese Zugstangen über Kardangelenke mit den Zugadaptern der Prüfmaschine verbunden sind. In diese, nicht mehr dargestellte Verbindung ist eine äußere Kraftmeßdose eingeschaltet. Die grundsätzlichen Aufgaben, die der Lastrahmen 1 erfüllen soll, sind die Aufnahme der großen auftretenden Energie der Zugprüfmaschine und die Ermöglichung einer einfach handhabbaren Einspannung der Probe (in der Fig. 2 im Schlitz 10 einzuspannen) in den Lastrahmen 1. Der besondere Vorteil des Lastrahmens 1 ist dabei, daß eine außermittige Einspannung der der in Richtung 9 beanspruchten Probe im Lastrahmen 1 einen geringeren Einfluß auf die Einachsigkeit des Spannungszustandes hat, als eine direkte Einspannung in die Zugprüfmaschine. Würde die Probe direkt in den Rahmen der Zugprüfmaschine eingespannt, so müßte gewährleistet werden, daß eine Schrägstellung weniger als 1,7 µm beträgt, damit der Einfluß der Biegung auf die geforderte Einachsigkeit nicht zu groß wird.

Die miteinander verschraubten Teile des Lastrahmens 1, das Vorderteil 2 und das Rückteil 3 sind im wesentlichen identisch. Beide Rahmenteile 2 und 3 besitzen die Form zweier parallel geschalteter Federn, die durch Drahterodieren von mehreren, im Reihe bzw. hintereinander geschalteten biegebalkenähnlichen Elementen 6 mit einseitiger Einspannung und Zwischenschlitzen 7 in etwa der Form eines mehrfachen S entstehen. An der Ober- und Unterseite des Lastrahmens 1 sind dabei die Schrauben 8 für die Verbindung mit den Zugstangen 4 und 5 vorgesehen.

Aufgrund der Ausführung des Lastrahmens als System zweier parallel geschalteter Federn mit hohen Federkonstanten wird die zwischen den beiden Federn eingespannte Probe mit ihrer sehr kleinen Federkonstante nur mit einem Bruchteil der außen am Lastrahmen aufgebrachten Kraft beaufschlagt. Zudem wird beim Anfahren der Prüfmaschine freigesetzte kinetische Energie von dem Lastrahmen aufgenommen. Damit die erforderliche Dehnung des Lastrahmens mit den durch die Zugprüfmaschine aufbringbaren Kräfte erreicht werden kann, wurde die Steifigkeit durch das Einerodieren der Schlitze 7 in den Rahmen verringert. Versuche zeigten, daß bei einer Belastung des Lastrahmens von 3 kN an der Probe Kräfte in der Größe von ca. 20 N auftraten.

Die nicht dargestellte Probe wird im Schlitz 10 oben und unten eingespannt. Im unteren Teil des Rahmens 1 ist dazu der Gegenhalter 15 mittels der Schrauben 16 fixiert, wobei an den Gegenhalter die Platte 11 für die untere Probeneinspannung geschraubt ist. Diese Platte 11 weist etwas außerhalb der Vorrichtungsmitte den unteren, nach oben gerichteten Teil des Schlitzes 10 auf, in welchem der untere Teil der Probe mittels der Klemmschraube 23 eingespannt wird.

Im oberen Teil des Rahmens 1 sind die Halterungen 17 und 18 (vorne und hinten) für die zweigeteilte Kraftmeßdose 12 mittels der Schrauben 19 befestigt. Die Kraftmeßdose 12 ist mittels der Schrauben 20 (siehe Fig. 1) ebenfalls am oberen Teil des Rahmens 1 befestigt und mit ihrem Außenrand gegen die Halterung 18 verspannt. Der prinzipielle Aufbau der Kraftmeßdose 12 ist wie der des Lastrahmens 1 zweigeteilt. Sie besteht aus einem vorderen Teil 13 und einem hinteren Teil 14. Im vorderen Teil 13 ist die Hydraulik 20 für die obere Probeneinspannung im Schlitz 10 untergebracht, deren genaue Ausbildung später beschrieben wird. Der obere, nach unten gerichtete Teil des Schlitzes 10 liegt ebenfalls wie sein unterer Teil etwas außerhalb der Vorrichtungsmitte im vorderen Teil 13 der Kraftmeßdose 12. Die Form der Kraftmeßdose 12 ist so, daß sich das in der Mitte zwischen Außenrand 25 mit den Halteschrauben 20 gelegene Probeneinspannteil 22 durch Verbiegen der dazwischen liegenden Brücken 24 etwas bewegen kann. Die Brücken 24 zwischen Außenrand 25 und Einspannteil 22 verhalten sich dabei wie ein System von Biegebalken. Auf diesen sind Dehnmeßstreifen aufgebracht, mittels denen die Probenkraft über die Verformung der Brücken 24 gemessen wird.

Die in den Lastrahmen 1 an der einen Seite bzw. in die Kraftmeßdose 12 an der anderen Seite integrierte Probeneinspannung ist durch die zweigeteilte Ausführung von Rahmen 1 und Dose 12 für verschieden dicke Proben einsetzbar. Die Probe darf während des Einspannvorganges nicht verspannt oder verformt werden, außerdem darf die Einspannvorrichtung keinen Einfluß auf die Kraftmeßdose ausüben. Wie bereits erwähnt, ist die obere Einspannung in den vorderen Teil 13 der Kraftmeßdose 12 integriert. In einer mit Bohrung 27 wird ein abgedichteter Kolben 28 mittels Druck einer Hydraulikflüssigkeit so verschoben, daß das obere Ende der Probe im oberen Teil des Schlitzes 10 zwischen der Klemmzunge 29 und dem hinteren Teil der vorderen Kraftmeßdosenhälfte 13 verspannt wird. Die Druckerzeugung erfolgt durch Eindrehen einer Schraube 30 in ein Ölreservoir 31, das mit der Bohrung 27 in Verbindung steht. Die hydraulische obere Klemmung verhindert, daß in eine schon einseitig eingespannte Probe ein Moment eingeleitet wird, was dazu führen würde, daß diese verbogen bzw. unter Vorspannung gesetzt würde.

Direkt mit der Kraftmeßdose 12 ist die Wegmessung des Prüfsystemes verbunden. Sie erfolgt über die induktiven Wegaufnehmer 33 im unteren Teil des Lastrahmens. Am oberen, elastisch deformierbaren Einspannteil 22 der Kraftmeßdose 12 ist eine nach unten zeigende, durch den Gegenhalter 15 beweglich durchgeführte Gewindestange eingeschraubt, die die Spulenkerne der Wegaufnehmer 33 verlagert, die im unteren Teil des Rahmens 1 fixiert sind. Mittels diesem wird die axiale Wegänderung durch die Probenverformung innerhalb des Rahmens bestimmt. Vorzugsweise sind zwei sich diagonal gegenüberliegende Wegaufnehmer 33 vorgesehen, um Unregelmäßigkeiten in der Probenebene, sowie in der dazu senkrechten Ebene auszugleichen.

Grundsätzlich wird das Problem der Aufgabe durch den Einbau des Lastrahmens in die Werkstoffprüfmaschine gelöst. Dieser Lastrahmen hat die Eigenschaft, daß er genügend steif gegenüber der Probe aber hinreichend weich gegenüber der Antriebsmaschine ist. Dies ermöglicht vor allem, die beim Start der Werkstoffprüfmaschine freiwerdende kinetische Energie mit dem Lastrahmen aufzunehmen und verhindert somit eine Zerstörung des Prüflings. Dabei besteht die Grundidee, welche dem Lastrahmen zugrundeliegt in der Verwendung zweier Federelemente. Mittels der Zweiteilung des Lastrahmens ist es durch Unterlegen unterschiedlich dicker Fühlerlehrenbänder möglich. Proben unterschiedlicher Dicke zu untersuchen. Das beschriebene Kraftmeßsystem, welches einen Teil des Lastrahmens darstellt, beinhaltet dabei die obere Einspannung des Prüflings und läßt damit eine axiale Ausrichtung und Winkelverschiebung zu, die anders nicht zu erreichen ist. Der Lastrahmen kann auf einfache Weise in herkömmliche Werkstoffprüfmaschinen eingebaut werden.

Bezugszeichenliste

1 Lastrahmen
2 Vorderteil
3 Rückteil
4 obere Zugstange
5 untere Zugstange
6 Biegeelemente
7 Zwischenschlitze
8 Schrauben
9 Beanspruchungsrichtung
10 Probenschlitz
11 Platte
12 Kraftmeßdose
13 vorderer Teil der Kraftmeßdose
14 hinterer Teil der Kraftmeßdose
15 Gegenhalter unten
16 Schrauben
17 vordere obere Halterung
18 hintere obere Halterung
19 Schrauben
20 Schrauben
21 Hydraulik
22 oberes Probeneinspannteil
23 Klemmschraube
24 Brücke
25 Außenrand
26 Dehnmeßstreifen
27 Bohrung
28 Kolben
29 Klemmzunge
30 Schraube
31 Ölreservoir
32 Gewindestange
33 induktive Wegaufnehmer

Claims (3)

1. Vorrichtung zur einachsigen Untersuchung von Mikrozugproben in einer Zugprüfmaschine gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) zwischen die Zugstangen (4, 5) der Prüfmaschine ist ein Lastrahmen (1) zur Aufnahme deren Kräfte gespannt, welcher durch die Kräfte der Maschine in einem bestimmten Maß verformbar ist,
• b) der eine Teil der Probe ist am unteren Teil des Lastrahmens (1) fixiert,
• c) der andere Teil an einem Probeneinspannteil (22), welches als verformbares Element einer Kraftmeßdose (12) ausgebildet ist, deren weitere Elemente (25) starr am oberen Teil des Lastrahmens (1) befestigt sind,
• d) die Kraftmeßdose (12) ist ebenfalls in einem bestimmten Maß verformbar, wobei diese Verformung gegenüber der des Lastrahmens (1) um ein Vielfaches größer ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• e) Der Lastrahmen (1) besteht aus zwei aneinandergeschraubten Rahmenteilen (2 und 3), in Form zweier parallel geschalteter Federn aus mehreren, im Reihe bzw. hintereinander geschalteten biegebalkenähnlichen Elementen (6) mit einseitiger Einspannung und Zwischenschlitzen (7).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• f) die Kraftmeßdose (12) ist ebenfalls zweigeteilt und hälftig jedem Rahmenteil (2, 3) zugeordnet, wobei die Probe mit ihrem einen Ende in der einen Hälfte (13) der Kraftmeßdose hydraulisch eingespannt ist,
• g) das andere Ende der Probe ist am unteren Ende des Rahmens mechanisch eingespannt.