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Dokumentenidentifikation DE19540891A1 09.05.1996
Titel Festigkeitsprüfverfahren
Anmelder Asahi Glass Co. Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Takahashi, Hideo, Yokohama, Kanagawa, JP;
Tanaka, Shinji, Funabashi, Chiba, JP;
Maeno, Hiroshi, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 80801 München
DE-Anmeldedatum 02.11.1995
DE-Aktenzeichen 19540891
Offenlegungstag 09.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.05.1996
IPC-Hauptklasse G01N 3/32
IPC-Nebenklasse G01N 33/38   
Zusammenfassung Festigkeitsprüfverfahren zum Prüfen der Festigkeit von spröden Materialstücken zeichnet sich dadurch aus, daß mehrmals eine Kurzzeitbelastung zur Erzeugung einer Zugbeanspruchung auf ein sprödes Materialstück ausgeübt wird und daß fortschreitend die Spitzenwerte von aufeinanderfolgenden Kurzzeitbelastungen abgesenkt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Festigkeitsprüfverfahren zum Prüfen der Festigkeit von spröden oder brüchigen Materialstücken, mit dem genau die Festigkeit der spröden Materialstücke, wie aus Keramik oder Glas, bestimmt werden kann, und mit dem Stücke zugelassen werden können, welche einen Test auf Festigkeitsverschlechterung bestanden haben, und Stücke ausgeschieden werden können, welche niedrige Festigkeit haben.

Wenn spröde Materialstücke (einschließlich Produkten aus einem spröden Material), wie Keramik- oder Glasstücke, hoher Belastung ausgesetzt werden, wurde bisher vor dem Gebrauch ein Prüfversuch durchgeführt, um festzustellen, ob die spröden Materialstücke durch Aufbringen einer vorbestimmten Belastung zerbrochen wurden.

Bei dem Prüfversuch wurden nicht zerbrochene Materialstücke als "überlebende" Stücke bestimmt, während Stücke geringer Festigkeit, die zu Bruch gegangen waren, als "nicht bestanden" ausgeschieden wurden. Da jedoch in dem Prüfversuch die spröden Materialstücke einer Belastung ausgesetzt wurden, umfaßten die überlebenden Stücke, welche nicht bei dem Versuch zerbrochen waren, solche Stücke, welche eine Akkumulierung von Schäden aufgrund beispielsweise von Rißwachstum erfahren haben. Bis zu welchem Ausmaß solche Festigkeitsverminderung variiert, hängt nicht nur von der Art des spröden Materials sondern auch von der Größe und der aufgebrachten Beanspruchung ab.

Im allgemeinen geht man davon aus, daß keine klassische Verformung in spröden Werkstoffen auftritt, daß eine Schadensakkumulierung an einer Rißspitze relativ klein ist und kein Bruch durch eine Schadensakkumulierung als Ergebnis des Aufbringens einer Beanspruchung stattfindet und daß spröde Werkstoffe lineare s Bruchverhalten haben, wobei elastische Verformung solange auftritt, bis eine gewisse Belastungsschwelle erreicht ist und unmittelbarer Bruch dann auftritt, wenn die Beanspruchung diese Schwelle überschreitet.

Da spröde Werkstoffe lineares Bruchverhalten haben, ist die Schadensakkumulierung in den "überlebenden" Stücken vergleichsweise klein, und eine Festigkeitsverminderung tritt nicht ein, wenn die auf das spröde Materialstück ausgeübte Belastung deutlich kleiner als die Werkstoffestigkeit des spröden Materialstückes ist. Wenn jedoch eine Beanspruchung nahe der Werkstoffestigkeit des spröden Materialstückes aufgebracht wird, kann eine Festigkeitsverminderung stattfinden.

Aus diesen Gründen wurden mit einem konventionellen Festigkeitsprüfverfahren für spröde Materialstücke nur solche Stücke mit signifikant kleiner Festigkeit ausgeschieden, welche den Versuch nicht bestanden hatten, indem ein sogenannter Prüftest durchgeführt wurde, bei welchem die Beanspruchung deutlich unter der durchschnittlichen Nennfestigkeit einer Gruppe von spröden Materialstücken lag und diese Beanspruchung während einer vorbestimmten Zeitdauer aufrechterhalten und danach wieder weggenommen wurde.

Von einem Produkt aus einem spröden Material wird jedoch bei einigen Anwendungsfällen verlangt, daß es im Betrieb eine Belastung von einigen zehn Prozent bis über hundert Prozent der Nennfestigkeit aushält. In solchen Fällen ist es erforderlich, die Festigkeit dadurch zu bestimmen, daß auf das Produkt eine Beanspruchung nahe der Nennfestigkeit ausgeübt wird. Bei dem herkömmlichen Festigkeitsprüfverfahren nimmt der Anteil der spröden Materialstücke, welche bei dem Prüfversuch zu Bruch gehen, zu, und viele Stücke, welche eine Festigkeitsminderung erfahren haben, kommen unter denjenigen Stücken vor, welche als "überlebende" Stücke bestimmt wurden.

Da die meisten üblichen spröden Materialstücke, welche einem solchen Prüfversuch unterzogen worden sind, aus "dichtem" (dense) und im wesentlichen homogenen Werkstoff bestehen (z. B. mechanische Bauteile) und außerordentlich lineares Bruchverhalten haben, ist das herkömmliche Bruchverfahren anwendbar. Ein lineares Bruchverhalten kann jedoch nicht bei einem heterogenen spröden Material, wie bei porösem Keramikwerkstoff, wie er in einem Filter eines Filtergerätes eingesetzt wird, oder einem keramischen Compoundwerkstoff mit in einer keramischen Matrix verteilten Partikeln und Fasern, vorausgesetzt werden. Das Aufbringen einer Belastung bei dem Prüfversuch führt zu einer Festigkeitsverminderung, und selbst die Anwendung einer kleineren Beanspruchung als der durchschnittlichen Werkstoffestigkeit entspricht, erzeugt eine Festigkeitsverminderung aufgrund einer Schadensakkumulierung. Das konventionelle Festigkeitsprüfverfahren bringt die Schwierigkeit mit sich, daß Produkte, welche eine Festigkeitsminderung erfahren haben, unter solchen Produkten vorhanden sind, welche als "überlebende" Produkte ermittelt worden sind.

Diese Schwierigkeit ist deshalb von Bedeutung, weil dann, wenn nur ein Filterrohr in einer Filteranlage für ein heißes Gas mit einer großen Anzahl von porösen Keramik-Filterrohren bricht, ein großes System, wie ein Kraftwerk, insgesamt lahmgelegt werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Festigkeitsprüfverfahren für spröde Materialstücke anzugeben, mit dem genau und zuverlässig die Festigkeit von spröden Materialstücken bestimmt werden kann, indem die Festigkeitsverminderung der spröden Materialstücke im Lichte der oben geschilderten Umstände minimiert wird.

Die Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst.

Die Festigkeitsverminderung eines spröden Materials wird normalerweise durch eine Zugbeanspruchung bewirkt. Gemäß der Erfindung werden zuerst wiederholt Kurzzeitbelastungen ausgeübt, um wiederholt momentane Zugbeanspruchungen in dem zu prüfenden Materialstück zu erzeugen. Die Spitzenwerte der Beanspruchungen aufgrund der wiederholten kurzzeitigen Belastungen werden vorzugsweise entsprechend der Nennfestigkeit des spröden Materials eingestellt. Spröde Materialstücke, welche keine ausreichende Festigkeit zum Oberstehen der ersten Kurzzeitbelastung haben, gehen zu Bruch. Auf diese Weise können Stücke, die in der Prüfung versagt haben, ausgeschieden werden. Momentane bzw. kurzzeitige Ausübung der Belastung erzeugt nur geringfügige Festigkeitsverminderung in spröden Materialstücken, welche eine ausreichende Festigkeit zum Überstehen der Zugbeanspruchung haben.

Anschließend wird eine zweite momentane bzw. kurzzeitige Belastung auf das zu prüfende spröde Materialstück ausgeübt, das nicht aufgrund der ersten Kurzzeitbelastung zu Bruch gegangen ist. Der Spitzenwert der zweiten Kurzzeitbelastung ist niedriger angesetzt als derjenige der ersten Kurzzeitbelastung. Vorzugsweise ist der Spitzenwert der zweiten Kurzzeitbelastung entsprechend einer Zugbeanspruchung eingestellt, welche einer gewünschten Bruchwahrscheinlichkeit, z. B. der Bruchwahrscheinlichkeit von 5% basierend auf einer Weibull&min;schen-Festigkeitsverteilung, entspricht. Die Weibull&min;sche Festigkeitsverteilung sollte im voraus durch Untersuchen der Festigkeitsverteilung einer Gruppe von Stücken des gleichen spröden Materials gewonnen werden, die nicht bei der ersten Kurzzeitbelastung zu Bruch gegangen sind, und die gewünschte Festigkeitsverteilung sollte entsprechend der Weibull&min;schen statistischen Analyse verarbeitet werden. Ein sprödes Materialstück, welches eine Festigkeitsminderung durch die erste Kurzzeitbelastung in einem Ausmaß erfahren hat, daß es der durch die zweite Kurzzeitbelastung ausgeübten Zugbeanspruchung nicht standhält, geht durch die zweite Kurzzeitbelastung zu Bruch. Wenn also ein Stück durch die erste Kurzzeitbelastung eine Festigkeitsminderung erfahren hat, wird ein solches Stück mit Sicherheit ausgeschieden. Somit kann eine Festigkeitsminderung der spröden Materialstücke durch Ausüben mehrerer aufeinander folgender Kurzzeitbelastungen auf "überlebende" Stücke minimiert werden.

Da die Möglichkeit besteht, daß eine Festigkeitsminderung aufgrund der zweiten Kurzzeitbelastung stattfindet, wird eine dritte Kurzzeitbelastung mit einer kleineren Spitzenlast ausgeübt als diejenige, welche die Zugbeanspruchung der zweiten Kurzzeitbelastung erzeugt. Falls erforderlich, werden anschließend in ähnlicher Weise weitere Kurzzeitbelastungen aufgebracht. Um ein sprödes Materialstück mit verläßlicherer Nennfestigkeit zu erhalten, wird die Spitzenlast bei der nachfolgenden Kurzzeitbelastung auf eine Zugbeanspruchung eingestellt, welche der gewünschten Bruchwahrscheinlichkeit basierend auf einer Weibull&min;schen Festigkeitsverteilung entspricht. Die Weibull&min;sche Festigkeitsverteilung sollte durch vorherige s Feststellen der Festigkeitsverteilung einer Gruppe von Stücken gleichen spröden Materials gefunden werden, welche nicht durch die unmittelbar vorher ausgeübte Kurzzeitbelastung zu Bruch gegangen sind, sowie durch Verarbeiten der gesuchten Festigkeitsverteilung entsprechend der Weibull&min;schen statistischen Analyse.

Wenn ein Festigkeitsnachweis mit hoher Zuverlässigkeit erforderlich ist, wird anschließend an die letzte Kurzzeitbelastung zumindest einmal über eine vorbestimmte Zeitdauer eine konstante Belastung zur Erzeugung einer Zugbeanspruchung ausgeübt, die einen kleineren Spitzenwert als die letzte Kurzzeitbelastung hat. Das Aufbringen der konstanten Belastung gewährleistet das Ausscheiden von spröden Materialstücken, welche durch die vorherigen Kurzzeitbelastungen eine Festigkeitsminderung erfahren haben.

Das Festigkeitsprüfverfahren gemäß der Erfindung erlaubt das Prüfen eines spröden Materiales, welches eine Festigkeitsminderung durch Aufbringen einer Zugbeanspruchung erfährt, wie eines Keramikwerkstoffes, eines daraus hergestellten Produktes, eines Compoundwerkstoffes umfassend eine Keramik-Matrix und darin eingebettete Partikel oder Fasern, ein aus solch einem Compoundwerkstoff hergestelltes Produkt, Glas und ein Glasprodukt. Insbesondere eignet sich das Verfahren gemäß der Erfindung als ein Prüfverfahren für einen heterogenen spröden Werkstoff, wie einen Keramikwerkstoff und ein daraus hergestelltes Produkt, und als Prüfverfahren für ein Produkt aus einem porösen, spröden Werkstoff, wie ein Filterrohr aus einem porösen Keramikwerkstoff. Wenn ein Rohr aus einem solchen spröden Werkstoff gebildet ist, ist es einfach, verläßlich und wirkungsvoll, ein Festigkeitsprüfverfahren gemäß der Erfindung anzuwenden, bei dem ein Hohl-Elastomer in dem Rohr angeordnet wird und ein Fluid, wie Wasser, in das Hohl-Elastomer eingebracht wird, um das Hohl-Elastomer zu expandieren und so einen Innendruck zu schaffen, wodurch eine Zugbeanspruchung auf das Rohr in Umfangsrichtung ausgeübt wird.

Die Erfindung und viele mit ihr erzielte Vorteile sind im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1(A) und (B) in einer Seitenansicht und einer Stirnansicht schematisch eine Dreipunkt-Biegefestigkeits-Versuchsanordnung, mit der ein Festigkeitsprüfverfahren nach der Erfindung ausgeübt werden kann;

Fig. 2 ein Diagramm, welches ein Belastungsmuster als Beispiel für eine Belastungsfolge darstellt, welche mit einem Festigkeitsprüfverfahren nach der Erfindung auf spröde Materialstücke aufgebracht werden kann;

Fig. 3 ein Diagramm eines Belastungsmusters, wie es mit einem Festigkeitsprüfverfahren nach dem Stand der Technik auf ein sprödes Materialstück aufgebracht wird;

Fig. 4 ein Weibull&min;sches Festigkeitsverteilungs-Diagramm der Bruchfestigkeit von spröden Materialstücken für ein Beispiel von Versuchsergebnissen mit einem Festigkeitsprüfverfahren zum Prüfen der Festigkeit von spröden Materialstücken gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein Weibull&min;sches Festigkeitsverteilungsdiagramm der Bruchfestigkeit von spröden Materialstücken mit einem Beispiel von Versuchsergebnissen eines herkömmlichen Festigkeitsprüfverfahrens für spröde Materialstücke;

Fig. 6 eine perspektivische schematische Ansicht eines Prüfgeräts für Filterrohre gemäß der Erfindung; und

Fig. 7 ein Leitungs-Blockschaltbild für ein Beispiel der Leitungsanordnung eines Prüfgerätes für Filterrohre gemäß der Erfindung.

Es seien nun bevorzugte Ausgestaltungen des Festigkeitsprüfverfahrens für ein sprödes Material gemäß der Erfindung im einzelnen anhand der Zeichnungen beschrieben.

Ein Beispiel für eine Prüfanordnung zum Ausüben eines Festigkeitsprüfverfahrens gemäß der Erfindung bildet eine Dreipunkt-Biegefestigkeits-Prüfanordnung, wie sie gewöhnlich als Anordnung zum Prüfen von spröden Materialstücken (einschließlich von aus sprödem Werkstoff hergestellten Produkten), wie aus Keramik, eingesetzt wird. Dreipunkt-Biegefestigkeits-Versuche ergeben nicht eine vollständige Festigkeitsprüfung eines spröden Materialstückes, weil nur ein kleines Volumen des Stückes der maximalen Zugbeanspruchung ausgesetzt ist. Gleichwohl ist das Festigkeitsprüfverfahren nach der Erfindung in einer Dreipunkt-Biegefestigkeits-Prüfanordnung als Zugversuch anwendbar, in welchem die Zugbeanspruchung auf das spröde Materialstück in seiner Gänze ausgeübt wird.

In den Fig. 1(A) und (B) ist schematisch die Dreipunkt-Biegefestigkeits-Prüfanordnung dargestellt. Die Fig. 1(A) zeigt eine Seitenansicht und die Fig. 1(B) eine Stirnansicht. Bei dem Biegeversuch werden Probestücke 10 eingesetzt, die aus unbenutzten Filterrohren (170 mm Außendurchmesser, 140 mm Innendurchmesser) eingesetzt, die aus einem porösen Cordierit-Keramikwerkstoff bestanden und eine Stärke (T) von 11,5 mm, eine Breite (W) von 20 mm und eine Länge (L) von 50 mm hatten. Auf die Probenstücke wurde eine Last in der Mitte der Abstützlänge (D) von 40 mm ausgeübt. Die Filterrohre bestanden hauptsächlich aus dichtem Cordierit-Agglomerat, welches durch Kristallisieren von Glas erhalten wurde, und die Filterrohre wurden gemäß einem Verfahren nach US-PS 5,073,187 hergestellt.

Die Stelle, an der eine große Zugbeanspruchung bei dem Biegeversuch erzeugt wurde, lag im Gebiet einer Oberfläche gegenüber dem Belastungspunkt des Probenstückes 10.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für ein zeitliches Belastungsmuster gemäß dem Festigkeitsprüfverfahren für spröde Materialstücke nach der Erfindung beim Biegeversuch. Wie in Fig. 2 gezeigt, wurde eine Momentan- bzw. Kurzzeitbelastung mit momentanem Aufbringen einer Biegelast auf das Probenstück 10 zweimal wiederholt, worauf eine konstante Belastung kleinerer Größe als der Spitzenwert der Kurzzeitbelastungen viermal ohne Pause nach der zweiten Kurzzeitbelastung aufgebracht wurde. Das Belastungsmuster dieses Beispiels sei nun erklärt. Bei der ersten Kurzzeitbelastung wird eine Belastung aufgebracht, die 100% der durchschnittlichen Anfangsfestigkeit der Probenstücke 10 (42 Stücke) entsprach (die relative Beanspruchung ist 1), und zwar mit einer Belastungsgeschwindigkeit der Lastaufbringkante von 0,5 mm/min, wonach die Belastung unmittelbar weggenommen wurde. Im Ergebnis traten Fehler in etwa der Hälfte der Probenstücke auf.

Darauf wurde eine zweite Kurzzeitbelastung auf diejenigen Probenstücke aufgebracht, welche die erste Kurzzeitbelastung fehlerlos "überlebt" hatten. Es wurde eine Biegelast aufgebracht, deren Spitzenwert etwa 85% der durchschnittlichen anfänglichen Festigkeit (die relative Beanspruchung ist 0,85) entsprach, und zwar mit einer Belastungsgeschwindigkeit von 0,5 mm/min, worauf die Momentanbelastung unmittelbar weggenommen wurde. Bei der ersten und zweiten Kurzzeit- bzw. Momentanbelastung wurde die Biegebelastung unmittelbar weggenommen (innerhalb von 0,5 Sekunden auf Null gebracht) nachdem der Spitzenlastwert innerhalb 1 Sekunde erreicht worden war. Darauf wurden konstante Lasten nachfolgend auf die zweite Kurzzeitbelastung auf diejenigen Probenstücke 10 aufgebracht, welche die zweite Momentanbelastung ohne Bruch überlebt hatten. Dabei wurde eine konstante Last entsprechend 0,7 der relativen Beanspruchung 2 Minuten lang viermal wiederholt aufgebracht. Um die Festigkeitsverteilung der "überlebenden" Probenstücke nach dem Prüfversuch festzustellen, wurde die Festigkeit dieser Probenstücke 10 durch Brechen der Probenstücke mit einer Belastungsgeschwindigkeit von 0,5 mm/min gemessen.

In Fig. 4 sind die Prüfergebnisse bei einem Prüfverfahren für sprödes Material gemäß der Erfindung dargestellt. In Fig. 4 bedeuten mit einem "○" gekennzeichnete Meßpunkte die anfängliche Weibull&min;sche Festigkeitsverteilung einer Gruppe von Probenstücken, und Meßpunkte mit einem Symbol "□" bezeichnen die Weibull&min;sche Festigkeitsverteilung, welche durch Brechen derjenigen Probenstücke 10 erhalten wurde, welche den Prüfversuch mit einer Biegebelastung entsprechend 100% der durchschnittlichen Festigkeit (die zugehörige relative Festigkeit beträgt 1) bei der ersten Kurzzeit- bzw. Momentanbelastung überlebt hatten. Werte mit dem Symbol "▵", Werte mit dem Symbol "▿" und Werte mit dem Symbol " ≤" bezeichnen die "überlebenden" Probenstücke 10 und die gebrochenen Probenstücke 10 nach der ersten, zweiten und dritten (konstante Last) Biegebelastung. Die dicken vertikalen Geraden bezeichnen während des Prüfversuches ausgeübte Belastungen, und die längs der dicken vertikalen Geraden aufgetragenen Werte gehören zu denjenigen Probenstükken, welche jede Belastung überlebt haben.

Wie aus Fig. 4 erkennbar ist, ist der Gradient der Festigkeitsverteilung der überlebenden Probenstücke 10 (mit dem Symbol "○" bezeichnet) deutlich steiler als der Gradient der Festigkeitsverteilung der Probenstücke 10 vor dem Prüfversuch (mit dem Symbol "O" bezeichnet). Dies bedeutet, daß Probenstücke, welche die verlangte Festigkeit hatten, leicht aus der Gruppe von spröden Probenstücken mit größerer Festigkeitsstreuung zuverlässig ausgewählt werden konnten. Die geringste Festigkeit von Probenstücken nach dem Prüfversuch betrug 95% der durchschnittlichen Festigkeit der Probenstücke vor dem Prüfversuch, was erwies, daß die Probenstücke 10, welche den Prüfversuch überlebt hatten, fast keine Tendenz zur Festigkeitsminderung hatten.

Dies bedeutet nicht nur, daß die Probenstücke 10, welche eine Festigkeitsminderung durch die erste Kurzzeitbelastung erfahren hatten, zuverlässig durch die nachfolgenden Belastungen ausgeschieden werden konnten, sondern daß auch fast keine Festigkeitsminderung bei den nachfolgenden Belastungen stattfand. Bei dem Prüfversuch mit dem oben beschriebenen Belastungsmuster gingen etwa die Hälfte der Probenstücke 10 zu Bruch, weil die Spitzenbelastung der ersten Kurzzeit- bzw. Momentanbelastung auf die durchschnittliche Festigkeit der Probenstücke 10 eingestellt war. Der Spitzenwert der ersten Kurzzeitbelastung wird abhängig davon bestimmt, eine wie große Festigkeit im Betrieb erforderlich ist, mit anderen Worten, unter welchen Bedingungen die spröden Materialstücke eingesetzt werden. Wenn die Prüffestigkeit abgesenkt werden kann, kann der Spitzenwert der ersten Kurzzeitbelastung verkleinert werden, um die Ausbeute an überlebenden Stücken zu vergrößern.

Es seien nun die Versuchsergebnisse des Festigkeitsprüfverfahrens nach der Erfindung im oben beschriebenen Belastungsmuster verglichen mit den Versuchsergebnissen eines herkömmlichen Festigkeitsprüfverfahrens für sprödes Material.

Fig. 3 zeigt ein Belastungsmuster eines herkömmlichen Prüfverfahrens, welches in ähnlicher Weise bei einem Dreipunkt-Biegebelastungsversuch angewendet wurde. Eine Belastung, welche 90% der durchschnittlichen Festigkeit von Probenstücken 10 (42 Stücke) entsprach, wurde bei einer Belastungsgeschwindigkeit von 0,5 mm/min eine Sekunde lang aufrechterhalten und wurde mit gleicher Geschwindigkeit wieder weggenommen. Die Probenstücke 10, welche den Prüfversuch überlebt hatten, wurden mit einer Belastungsgeschwindigkeit von 0,5 mm/min gebrochen, um die Festigkeit der überlebenden Stücke zu ermitteln. So wurde die Festigkeitsverteilung der überlebenden Stücke 10 gewonnen.

In Fig. 5 sind die Prüfergebnisse des herkömmlichen Prüfverfahrens aufgezeichnet. In Fig. 5 bedeuten mit einem "O" bezeichnete Meßwerte die anfängliche Weibull&min;sche Festigkeitsverteilung der Probenstücke 10 vor dem Versuch. Mit einem Symbol "○" bezeichnete Werte bedeuten die Weibull&min;sche Festigkeitsverteilung der Probenstücke 10, welche nicht in dem Prüfversuch mit einer Belastung entsprechend 90% der durchschnittlichen Festigkeit (die relative Festigkeit beträgt 0,9) zerbrochen waren. Mit einem "▵" bezeichnete Werte bedeuten die überlebenden Probestücke 10 und die nach der Belastung gebrochenen Probenstücke 10. Eine dicke vertikale Gerade bezeichnet eine bei dem Versuch aufgebrachte Zugbeanspruchung, und die auf dieser dicken vertikalen Geraden aufgezeichneten Werte bezeichnen die Probenstücke, welche nicht zerbrochen wurden.

Wie aus Fig. 5 zu erkennen ist, ist der Gradient der Weibull&min;schen Festigkeitsverteilung der überlebenden Probenstücke 10 nach dem Prüfversuch niedriger (große Variation) als der Gradient der Weibull&min;schen Festigkeitsverteilung der Probenstücke 10 vor dem Prüfversuch, was erweist, daß der Prüfversuch die Festigkeitsverteilung verschlechtert hat. Dies bedeutet nicht nur, daß diejenigen Probenstücke 10, welche die verlangte Festigkeit hatten, nicht zuverlässig von der Gruppe von spröden Probenstücken 10 mit einer Festigkeitstreuung getrennt wurden, also kein wirksamer Prüfversuch durchgeführt wurde, sondern auch, daß der Festigkeitsversuch zu einer signifikanten Festigkeitsverminderung geführt hat.

Bei dem herkömmlichen Festigkeitsversuch, bei dem eine Biegelast mit einer Belastungsgeschwindigkeit von 0,5 mm/min aufgebracht, eine Sekunde lang aufrechterhalten und mit gleicher Entlastungsgeschwindigkeit wieder weggenommen wurde, zerbrachen zehn Probenstücke 10 nach Erreichen der vorbestimmten Beanspruchung, und es wurde ein nicht vernachlässigbares verzögertes Bruchverhalten festgestellt. Bei dem konventionellen Prüfverfahren betrug die Zeitdauer, welche zum Erreichen von 85% der vorbestimmten Beanspruchung eine Sekunde, die Zeit zum Halten der vorbestimmten Festigkeit ebenfalls eine Sekunde und die Zeit zum Entlasten um 85% der vorbestimmten Beanspruchung wiederum eine Sekunde, woraus folgt, daß die insgesamt erforderliche Zeit drei Sekunden betrug. Hieraus ergibt sich, daß eine Festigkeitsverschlechterung in den Probenstücken stattfand und daß eine derart lange Zeitdauer der Belastung unter hoher Beanspruchung zu verzögertem Bruchverhalten führte.

Bei der Messung der Festigkeitsverteilung der überlebenden Probestücke 10 nach dem Prüfversuch ergab sich, daß zwei der überlebenden Probenstücke bei einer niedrigeren Beanspruchung zu Bruch gingen, als sie während des Prüfversuchs aufgebracht wurde. Insbesondere verminderte sich die Festigkeit in einem der Probestücke auf einen Wert nicht höher als 70% der durchschnittlichen Festigkeit, was eine signifikante Festigkeitsverminderung darstellt. Nach den Ergebnissen gemäß Fig. 5 wird angenommen, daß die Festigkeit jedes Probestückes 10 ohne Festigkeitsverminderung (die anfängliche Festigkeit, die bezüglich der Bruchwahrscheinlichkeit unter Ausschluß der 22 gebrochenen Probestücke von den insgesamt 42 Probestücken gefunden wurde) oberhalb von etwa 1,0 liegt (die relative Festigkeit 1,0 entspricht der anfänglichen durchschnittlichen Festigkeit; die gleiche Definition wird im folgenden verwendet). Dies bedeutet, daß bei einer Belastung entsprechend 0,9 der relativen Festigkeit eine Festigkeitsverminderung aufgrund der Belastung sich sogar auf diejenigen Probestücke erstreckte, welche eine um 10% oder höher liegende Festigkeit hatten.

Wie erläutert, kann bei Anwendung des Festigkeitsprüfverfahrens nach der Erfindung die Weibull&min;sche Festigkeitsverteilung der überlebenden Probestücke nach dem Prüfversuch im Vergleich zum herkömmlichen Festigkeitsprüfverfahren signifikant verbessert werden. Gemäß der Erfindung können Produkte mit der verlangten Festigkeit zuverlässig aus einer Gruppe von spröden Materialstücken mit einer großen Streubreite der Festigkeit ausgesondert werden.

Es seien nun bevorzugte Einstellungen der Belastungswerte bei der zweiten Kurzzeit- bzw. Momentanbelastung und bei den folgenden Momentanbelastungen bei einem Prüfverfahren nach der Erfindung beschrieben. Es ist wichtig, bis zu welchem Ausmaß die bei der zweiten Kurzzeitbelastung erzeugte Beanspruchung bezüglich der bei der ersten Kurzzeitbelastung erzeugten Beanspruchung abgesenkt wird. Es ist notwendig, das Ausmaß der Absenkung so einzurichten, daß die meisten der überlebenden Probestücke nach der ersten Kurzzeitbelastung ebenfalls überleben können, ohne bei der zweiten Kurzzeitbelastung eine Festigkeitsminderung zu erfahren.

Bevorzugt wird ein Vorversuch durchgeführt, um den Belastungswert der zweiten Kurzzeitbelastung und diejenigen der nachfolgenden Kurzzeitbelastungen zu ermitteln. Im einzelnen wird eine weitere Gruppe von Probenstücken aus gleichem Material wie die zu prüfenden Probestücke im Vorversuch einer ersten Kurzzeitbelastung unterzogen. Daraus wird die Weibull&min;sche Festigkeitsverteilung der Probenstücke, welche die erste Kurzzeitbelastung überlebt haben, erhalten. Eine Beanspruchung, welche der gewünschten Bruchwahrscheinlichkeit basierend auf der Weibull&min;schen Festigkeitsverteilung entspricht, wird als der Belastungswert für die zweite Kurzzeitbelastung eingestellt. Wenn beispielsweise der Belastungswert für die zweite Kurzzeitbelastung auf 85% der bei der ersten Kurzzeitbelastung erzeugten Beanspruchung gesetzt wird und der Belastungswert für die dritte Kurzzeitbelastung auf 72% des Beanspruchungswertes der ersten Kurzzeitbelastung (=85% der ersten Belastung × 85% der zweiten Belastung) gesetzt wird, wird die endgültige Bruchwahrscheinlichkeit bezüglich des endgültigen Belastungswertes des überlebenden Stückes, auf welches mehrere Kurzzeitbelastungen aufgebracht wurden, durch das Produkt der Bruchwahrscheinlichkeiten bei jeder Kurzzeitbelastung repräsentiert.

Wenn z. B. die Bruchwahrscheinlichkeit der Probenstücke bei jeder Kurzzeitbelastung 1/100 (1%) beträgt (siehe Fig. 4 bezüglich des Verhältnisses zwischen der Bruchwahrscheinlichkeit und der ausgeübten Beanspruchung), kann die Bruchwahrscheinlichkeit der überlebenden Probenstücke nach der letzten Belastung bei drei Kurzzeitbelastungen auf (1/100)³ = 1/1000000 abgesenkt werden. Dies zeigt, daß die Überlebens-Wahrscheinlichkeit der zuletzt überlebenden spröden Materialstücke bezüglich der zuletzt durchgeführten Kurzzeitbelastung drastisch durch wiederholtes mehrfaches Aufbringen von Kurzzeitbelastungen erhöht werden kann, wobei der Spitzenwert der Kurzzeitbelastung fortschreitend vermindert wird.

Es sei nun ein Beispiel beschrieben, bei dem das Festigkeitsprüfverfahren nach der Erfindung auf poröse keramische Filterrohre angewendet wird, welche in einem Filtergerät zum Filtern heißer Gase enthaltend Stäube erläutert ist. In Fig. 6 ist eine schematische Ansicht eines Prüfgerätes 21 dargestellt, mit dem ein Festigkeitsprüfverfahren nach der Erfindung auf ein Filterrohr 20 angewendet wird. In Fig. 7 ist ein Rohrleitungs-Schaltbild des Prüfgerätes dargestellt. Wie in Fig. 6 gezeigt, stützt eine Grundplatte 24, welche auf einem rechteckigen Grundrahmen 22 gleitbar angebracht ist, ein Speiserohr 26 freitragend ab, wobei das Speiserohr parallel zur Längsrichtung des Grundrahmens 22 angeordnet ist. Das Speiserohr 26 hat ein geschlossenes Frontende 26A und ein mit einer Öffnung 26B versehenes hinteres Ende zum Einführen von Druckwasser. Das Speiserohr 26 hat einen mit vielen Öffnungen (nicht gezeigt) versehenen Umfang. Das Speiserohr 26 hat ferner eine Elastomerhülse (aus einem Hohl-Elastomer) 28, die mit einem offenen Ende von dem Frontende 26A des Speiserohres bis benachbart zur Öffnung 26B des hinteren Endes aufgeschoben ist, um darauf einen Druck auszuüben.

Das Filterrohr 20 (bestehend aus Cordierit und mit einer Gesamtlänge von etwa 2400 mm) wird dem Prüfversuch mit darin eingeschobener Elastomerhülse 28 unterzogen. Das Filterrohr 20 wird von mehreren Haltern 32 getragen, die in einem schallisolierten Gehäuse 30 auf dem Grundrahmen 22 angeordnet sind. Wenn der Prüfversuch am Filterrohr 20 ausgeführt wird, wird die Stützplatte 24 in Richtung des Pfeiles 34 verlagert, um die Elastomerhülse 28 in eine vorbestimmte Position zu bringen. Anschließend wird Druckwasser von der Öffnung 26B am rückwärtigen Ende des Speiserohres 26 in das Speiserohr eingeführt. Das Druckwasser strömt über die Öffnungen am Umfang des Speiserohres aus, um die Elastomerhülse 28 gleichmäßig zu expandieren und dadurch einen Innendruck auf die Innenseite des Filterrohres 20 auszuüben, was zu einer Zugbeanspruchung des Filterrohrs in Umfangsrichtung führt.

Benachbart den Haltern 32 zum Halten des Filterrohres 20 sind mehrere AE-Sensoren 36 zum Erfassen akustischer Emissionen angeordnet, um das Fortschreiten einer Festigkeitsverschlechterung während des Prüfversuches zu überwachen. Die AE-Sensoren 36 messen die durch Wachstum oder Verformung eines Risses im Material bei Zugbeanspruchung erzeugten Schallwellen (akustische Emission). Da externe Geräusche möglichst vollständig auszuschließen sind, um die akustische Emission mittels der AE-Sensoren 36 erfassen zu können, ist das schallisolierte Gehäuse 30 zum Einschließen des Filterrohres vorgesehen. Um ferner zu vermeiden, daß bei dem Prüfversuch Schwingungen auftreten, sind schwingungssichere Abstützungen 38 an den vier Ecken des Grundrahmens 22 angebracht.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Leitungsschaltbild für das Prüfgerät wird zunächst Wasser von einem Speisewassertank 40 in die Elastomerhülse 28 eingegeben, um die Elastomerhülse 28 mit Wasser anzufüllen. Danach wird eine Balgpumpe 44 mittels Druckluft aus einem Kompressor 42 betätigt, um eine Druckwassereinspeisung zu bewirken. Bei der Kurzzeitbelastung, bei welcher momentan eine Belastung aufgebracht wird- wird ein Regelventil 46 für Druckluft zum abrupten Erhöhen des Druckes bis auf einen maximalen Wasserdruck von n kp/cm² vollständig geöffnet, und ein Druckreduzierventil 48 wird zu einem abrupten Wegnehmen des Druckes (die Belastung wird zurückgenommen) zu demjenigen Zeitpunkt geöffnet, wenn der Sollwasserdruck erreicht ist. Im Ergebnis kann die Lastaufbringung in zwei Sekunden oder weniger auf n kp/cm² erhöht werden, und danach kann die Last in 0,5 Sekunden oder weniger auf Null zurückgenommen werden, was dem lastfreien Zustand entspricht. Um den Prüfversuch für einige hundert Filterrohre 20 wirksam durchführen zu können, werden Zyklen mit jeweils einer Wassereinspeisung, einer Druckerhöhung, einer Druckwegnahme und einer Wasserabfuhr halbautomatisch durchgeführt. In Fig. 7 bezeichnet Bezugszahl 50 einen Regler, Bezugszahl 52 einen Luftfilter, Bezugszahl 54 einen Feuchtigkeitsausscheider, Bezugszahl 56 einen Druckaufnehmer und Bezugszahl 58 einen Kran zum Anheben des Filterrohres 20.

Das Prüfgerät 21 für ein Filterrohr gemäß der oben beschriebenen Konstruktion wurde dazu eingesetzt, Prüfversuche an Filterrohren mit einem Belastungsmuster gemäß Fig. 2 durchzuführen. Bei dem Prüfversuch wurden Filterrohre 20, welche durch eine zweimalige Kurzzeitbelastung und eine viermalige Konstant-Belastung gebrochen waren, ausgeschieden. Ferner wurden nach der viermaligen Ausübung einer Konstantbelastung die AE-Sensoren 36 dazu eingesetzt, abzuschätzen, in welchem Ausmaß eine Festigkeitsminderung in jedem Filterrohr eingetreten war. Die Abschätzung wurde basierend auf der akustischen Emission getroffen, welche sich beim Erhöhen der abgeschwächten Belastung ergab. Auf diese Weise wurden einige wenige Filterrohre als defekt auch schon dann eingestuft, wenn sie nicht zu Bruch gegangen waren.

Die Ergebnisse des Prüfversuches zeigen, daß Filterrohre mit der erforderlichen Festigkeit zuverlässig aus einer Gruppe von Filterrohren ausgesondert werden konnten, welche große Festigkeitsstreuung hatten, wie anhand der Ergebnisse von Prüfversuchen an den Probestücken mit dem oben beschriebenen Biegebelastungsmuster erläutert worden ist. Ferner konnte die Überlebenswahrscheinlichkeit der überprüften Filterrohre, welche schließlich den Versuch bestanden, drastisch erhöht werden.

Wenngleich bei der beschriebenen Ausführung des Verfahrens eine Kombination einer zweimaligen Kurzzeitbelastung und einer viermaligen Konstantbelastung stattfand, kann die Konstantbelastung abhängig von der minimalen Überlebenswahrscheinlichkeit weggelassen werden.

Wie oben beschrieben, wird bei einem Festigkeitsprüfverfahren nach der Erfindung eine Kurzzeit- oder Momentanbelastung unter Erzeugen einer Zugbeanspruchung in einem spröden Materialstück momentan wiederholt mehrfach aufgebracht, wobei der Spitzenwert der Belastung fortschreitend vermindert wird. Im Ergebnis wird die Festigkeit des spröden Materialstückes exakt bewertbar, während das Auftreten einer Festigkeitsverminderung in den spröden Materialstücken minimiert und ermöglicht wird, diejenigen Materialstücke auszusondern, welche eine geringe Streuung der Festigkeit aufweisen.

Zusätzlich ist es möglich, nicht nur zuverlässig die eine gewünschte Nennfestigkeit aufweisenden spröden Materialstücke aus einer Gruppe von spröden Materialstücken mit einer großen Variationsbreite der Festigkeit auszusondern sondern auch drastisch die Überlebenswahrscheinlichkeit der den Versuch schließlich überstehenden spröden Materialstücke zu vergrößern.

Die Anwendung einer Kurzzeitbelastung führt kaum zu einer Festigkeitsminderung in den spröden Materialstücken, und zwar selbst dann nicht, wenn eine Beanspruchung entsprechend der durchschnittlichen Festigkeit der spröden Materialstücke auf diese ausgeübt wird. Als Ergebnis kann die Ausbeute an den Prüfversuch überlebenden Materialstücken erhöht werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Festigkeitsprüfverfahren zum Prüfen der Festigkeit von spröden Materialstücken, bei dem wiederholt mehrfache Momentan- bzw. Kurzzeitbelastungen aufgebracht werden, welche wiederholte momentane Zugbeanspruchungen des zu prüfenden spröden Materialstückes erzeugen, und fortschreitend die Spitzenwerte der aufeinander folgenden Kurzzeitbelastungen abgesenkt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einmal nach der letzten Kurzzeitbelastung über eine vorbestimmte Zeitdauer eine konstante Belastung zur Erzeugung einer Zugbeanspruchung aufgebracht wird, die kleiner als der Spitzenwert der letzten Kurzzeitbelastung ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwert der Zugbeanspruchung bei den aufeinander folgenden Kurzzeitbelastungen auf die Größe der Nennfestigkeit einer Gruppe von zu prüfenden spröden Materialstücken eingestellt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwert der Zugbeanspruchung bei den aufeinander folgenden Kurzzeitbelastungen auf eine Zugbeanspruchung festgesetzt wird, die der vorher aufgrund einer Weibull-Festigkeitsverteilung gefundenen Bruchwahrscheinlichkeit entspricht, wobei die Weibull-Festigkeitsverteilung durch Untersuchen der Festigkeitsverteilung einer Gruppe von spröden Materialstücken erhalten wird, die nicht durch die unmittelbar vorangegangene Kurzzeitbelastung zu Bruch gegangen sind, und wobei die gesuchte Festigkeitsverteilung gemäß der statistischen Weibull-Analyse verarbeitet wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das spröde Material ein heterogenes Material ist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zu prüfende Material ein Keramikmaterial oder ein daraus hergestelltes Produkt ist.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das spröde Material ein poröses Material ist.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das spröde Material ein Rohr bildet, und daß ein Hohl-Elastomer in dem Rohr angeordnet und ein Fluid in das Hohl-Elastomer eingebracht werden, um das Hohl-Elastomer zu expandieren und dadurch eine Zugspannung in Umfangsrichtung auf das Rohr zu erzeugen.






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