DE3603220C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verformungsdilatometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Unter­ suchung von Meßproben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.

Derartige Labormeßgeräte und -verfahren dienen dazu, die Eigenschaften von Materialien oder Materialkombinationen anhand kleiner Proben zu untersuchen. Eine typische Auf­ gabe herkömmlicher Dilatometer ist es, die Wärmedehnungen von Materialproben über einen weiten Temperaturbereich auf­ zuzeichnen, wodurch nicht nur das Dehnverhalten selbst, sondern auch - etwa bei Stahlproben - das Gefüge erkennbar wird, wenn etwa eine zuvor erhitzte Probe beim Abkühlen auf ihre Längenänderung überwacht wird. Mit Hilfe von Deformationsdilatometern ist es weiterhin möglich, eine Probe zunächst durch ein Stauchen zwischen den Stempeln in vorgegebener Weise zu verformen, um die sich dann er­ gebenden Materialeigenschaften anhand der Wärmedehnung zu analysieren. Damit lassen sich aufwendige Verformungser­ gebnisse anhand kleiner Proben preisgünstig vorhersehen und auch durch wiederholte Versuche mit veränderten Verformungs­ graden und -temperaturen optimieren. Ein Verformungsdilatometer dieser Art, das Verformungen genau vorzugeben erlaubt, ist aus der DE 34 17 633 A1 bekannt.

Die Vorgabe einer bestimmten Verformung gibt aber nur un­ zulänglichen Aufschluß über die Veränderungen des Materials im Laufe der Verformung, die aber für die Beurteilung des Gefüges, für die Entwicklung kritischer Strukturen und auch für das Auftreten besonderer Verformungsreaktionen des Gefüges überaus wichtig sein können.

Aufgabe der Er­ findung ist es dementsprechend, ein Verformungsdilatometer so auszugestalten, daß es mit begrenztem Aufwand einen möglichst umfassenden Aufschluß über das Verhalten des Materials, über seine Eigenschaften und Strukturen im Verlaufe seiner Verformung zu liefern vermag. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Meßverfahren für Materialproben, bei dem diese einer Verformung unter­ zogen und auf ihre Materialeigenschaften untersucht werden, so auszugestalten, daß sich mit begrenztem labormäßigem Aufwand ein guter Aufschluß über die Eigenschaften und das Verhalten des Materials ergibt.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe von einem Verformungs­ dilatometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgehend mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Mit einer solchen Ausgestaltung eines Verformungsdilatometers hat sich die Möglichkeit aufgetan, ein Material während seiner Verformung in Bezug auf seinen Verformungswider­ stand zu überwachen und von daher schon, insbesondere aber auch in Verbindung mit einer Dilatationsmessung nach dem Verformen genaueren Einblick in die Gefügestruktur zu erhalten. So läßt sich beispielsweise in Bezug auf die Verformung von Stählen zu immer festeren und zäheren Strukturen durch eine gleichzeitige Überwachung von Ver­ formungskräften und Verformungsweg herausfinden, wie bei­ spielsweise die Rekristallisation des Austenits bei unter­ schiedlichen Temperaturen und unter Bestimmung der einzelnen Gefügeanteile von z. B. Austenit und Ferrit verläuft.

Gleichzeitig kann aber auch festgestellt werden, bei welchen Temperaturen, Verformungsgraden und Verformungs­ geschwindigkeiten besondere Widerstände des Materials zu erwarten sind, die häufig in unerwarteten Fällen schon zu Zerstörungen an Walzgerüsten und anderen großtechnischen Verformungseinrichtungen geführt haben.

Ein solches Meßgerät erlaubt es also, unter Laborbedingungen und damit bei geringem Aufwand, hoher Präzision, hoher Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit der Versuchs­ bedingungen Materialbearbeitungsvorgänge und -ergebnisse zu ermitteln.

Es versteht sich dabei, daß ein Verformungsdilatometer gerätetechnisch die besten Voraussetzungen für ein solches Meßverfahren bietet, daß aber die Verformungssimulation der hier angestrebten Art einer Labormessung nicht unbedingt mit einem Dehnungsmeßgerät ausgeführt werden muß, vielmehr auch unter Verzicht auf die Dehnungsmessung ausgeführt werden kann, wobei wünschenswerte Strukturanalysen auch mit optischen oder chemischen Hilfsmitteln gefunden werden können.

Zwar finden sich im sonstigen Stand der Technik auch Meßeinrichtungen, die Belastungsversuche an Proben mit Last- und Wegmessung ermöglichen, doch geht es dabei nicht um nahestehende Versuchseinrichtungen und Versuchsaufgaben. So ist in Institut of Materials Science Problems, Academy of Sciences of the UkrSSr, Translated from Zavodskaya Laboratoriya, Vol. 33, Nr. 11, pp. 1454-1455 (2), November 67, eine Einrichtung für einen Dauerstandsversuch beschrieben, bei dem eine Zugprobe auf Kriechverhalten und Belastbarkeit bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht werden kann. Weiter ist aus der DD 2 45 576 A3 eine Anordnung zur Warmfestigkeit hochschmelzender, elektrisch leitender Werkstoffe bekannt. Diese vergleichsweise einfachen Vorrichtungen zur Festigkeitsprüfung sind nicht geeignet, ähnliche Aufschlüsse über eine Probe wie ein Verformungsdilatometer zu liefern.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. In der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Verformungs­ dilatometer teils schematisiert, teils in schaltbild­ licher Form dargestellt.

Das insgesamt mit 1 bezeichnete Verformungsmeßgerät erfaßt eine Materialprobe 2 - z. B. eine Stahlprobe in normge­ rechter, zylindrischer Form - zwischen zwei Stempelflächen 3, 4, die einander zugewandt als Stirnseite jeweils eines von zwei Deformationsstempeln 5, 6 ausgebildet sind.

Der Bereich der Materialprobe 2 wird von einer Heiz- und Kühleinrichtung umschlossen, die bekannter Art sein kann und z. B. für metallische Materialproben eine Induktions­ spule für die Wirbelstromerhitzung der Probe und eine Gas­ leitungswendel für Kühlgas umfaßt, welches zur Zwangs­ kühlung auf die Probe geblasen werden kann. Mit einer Meß­ spule 8 kann unter anderem die Heizleistung der Heiz- und Kühleinrichtung 7 überwacht werden, weiterhin ermöglicht ein Thermometer 9 eine Temperaturmessung an der Probe selbst.

Die Deformationsstempel 5 und 6 sind an jeweils einem von zwei hier rahmenförmig dargestellten Trägern 10, 11 be­ festigt, von denen ersterer beweglich ausgebildet ist, während letzterer im allgemeinen feststeht und dazu bei­ spielsweise mit einer Grundplatte des Gerätes, mit einem Arbeitstisch o. dgl. verbunden ist. Zwei hydraulische Stell­ glieder 12, 13, die an dem Träger 11 befestigt sind und gegen pufferartige Ansätze am Träger 10 mit linear ausfahrenden Kolben 14, 15 gerichtet sind, erlauben es, zunächst den Abstand der Träger 10, 11 in diesem Bereich zu durchfahren und dann eine Druckeinwirkung auf den Träger 10 auszuüben, die in Richtung einer Annäherung der beiden Stempel 5, 6 geht. Die Materialprobe 2 kann damit gestaucht werden, ins­ besondere wenn sie zuvor auf eine Verformungstemperatur er­ hitzt worden ist.

Um die fortschreitende Verformung laufend zu überwachen und um den Verformungsendzustand - ggf. auch Zwischenzustände - präzise zu messen, ist ein Wegaufnehmer 16 vorgesehen, der die Bewegung des Trägers 10 gegenüber der Gerätebasis (und damit auch gegenüber dem Träger 11) mißt. Es handelt sich hier um einen Differentialtransformator, dessen Kern mit dem Träger 10 verbunden ist und dessen elektrisches Ausgangs­ signal an eine Meß- und Aufzeichnungseinrichtung 17 gegeben wird. Diese Meß- und Aufzeichnungseinrichtung erhält auch ein Meßsignal vom Temperaturmesser 9 und ein weiteres Meß­ signal von einer Kraftmeßeinrichtung 18 zur Aufnahme der auf die Probe 2 ausgeübten Druckkräfte. Diese Kraftmeßeinrichtung ist hier als Kraftmeßdose ausgebildet und liegt an der der Stirnseite 3 abgelegenen Endfläche des Deformationsstempels 5 in den Träger 10 eingebettet.

Damit ist es möglich, bei einem vorgegebenen, z.B. gleich­ förmigem Verformungsvorgang laufend die auftretenden Reaktionskräfte der Probe 2 über die Kraftmeßeinrichtung 18 festzustellen und in der Meß- und Aufzeichnungseinrichtung 17 festzuhalten wie auch gewünschtenfalls gleichzeitig zu einer Bildaufzeichnung aufzubereiten.

Die Meß- und Aufzeichnungseinrichtung 17 gibt ein Steuer­ signal an einen Regler 19 heraus, der auf ein Drosselventil 20 wirkt. Dieses Drosselventil liegt in einer Hydraulikleitung 21, die von (irgend-) einer geeigneten Druckversorgung 22 ausgeht und zunächst zu einem Durchflußmesser 23 führt, um sich danach zu den beiden hydraulischen Stellgliedern 12 und 13 zu verzweigen. Der Durchflußmesser liefert (neben dem Wegsignal des Wegaufnehmers 16) ein Regelsignal für die Bewegungssteuerung zu den Stellgliedern 12 und 13 über das Drosselventil 20. Das Meßsignal des Durchflußmessers 13 wird gleichfalls in den Regler 19 eingegeben und in einem unterlagerten, schnellansprechenden Regelkreis zur Regelung des Durchflusses mit Hilfe des Drosselventils 20 verwandt.

Eine weitere Meß- und Aufzeichnungseinrichtung 24 empfängt die Meßsignale des Thermofühlers 9, um danach die Heiz- und Kühleinrichtung in vorgegebener Weise auszusteuern. Ein Meß­ signal von der Meßspule 8 kann als zusätzliches Hilfssignal für einen unterlagerten Regelkreis zur Einstellung der Heiz­ leistung verwandt werden. Insbesondere aber liefert die Meßspule 8 ein Meßsignal, das, in Beziehung zur Induktion der Heizeinrichtung gesetzt, Aufschluß über die Induktion von Wirbelströmen in der Probe und damit über das Verhältnis elektromagnetisch unterschiedlicher Gefügeanteile ergibt. Auch dieses Signal kann in der Meß- und Aufzeichnungsein­ richtung 17 ausgewertet werden.

Mit diesen Meß-, Aufzeichnungs- und Regeleinrichtungen läßt sich eine Materialprobe in vorgebbarer Weise aufheizen, abkühlen und verformen, um dabei die auftretenden Kräfte zu messen. Aus diesen vom Verformungsgrad und der Verformungs­ geschwindigkeit abhängigen Kräften ergeben sich wichtige Rückschlüsse auf die Struktur des Materials. Es ergeben sich aber auch wichtige Rückschlüsse auf die Reaktionen des Materials bei einer großtechnischen Ausführung. Beispiels­ weise können mehrstufige Verformungsvorgänge bei unter­ schiedlichen Verformungsgeschwindigkeiten durch stufenweises Aufheizen und/oder Abkühlen und stufenweise Verformung vor­ gesehen werden, um einen Walzvorgang zu simulieren und das Verhalten des Materials bei diesem Walzvorgang kennenzu­ lernen. Zwischenzeitliche Verfestigungen des Materials, die sonst zu größeren Schäden führen können, lassen sich damit voraussehen. Es ergeben sich aber auch von der Reaktion des Materials her Aufschlüsse darüber, wie sich das Gefüge genauer zusammensetzt, wie also jeweils etwa der Austenit- und Ferritanteil in einem Stahlgefüge ist. Dies wiederum ermöglicht es dem Fachmann, Verbesserungen für den weiteren wie auch für den vorangehenden Verformungsgang vorzusehen.

In der in der Zeichnung skizzierten Stellung des Meß- und Umformungsgerätes befinden sich die Kolben 14, 15 der beiden hydraulischen Stellglieder 12, 13 außer Eingriff mit dem Träger 10. In dieser Stellung kann das Gerät als Dilatometer arbeiten, um im Wege einer Feinmessung die temperaturab­ hängigen Dehnungen des Materials wahrzunehmen und damit nicht nur das Wärmedehnverhalten des Materials, sondern auch seine Struktur in grundsätzlich bei der Anwendung von Dilato­ metern bekannten Verfahren zu erschließen.

Zu diesem Zweck sind unter Berücksichtigung der hohen Präzision einer Wegmessung und der hohen Temperaturen an die üblicherweise aus hitzefestem keramischem Material bestehenden Deformationsstempel 5 und 6 Taststäbe 25 und 26 spielfrei mit Hilfe von Andruckfedern 27, 28 angelegt, die als Differentialübertrager die Bewegung der Deformations­ stempel 5, 6 gegeneinander auf eine schwimmend gelagerte Dilatations-Feinmeßeinrichtung 29 übertragen. Die insoweit bekannte Dilatationsmessung liefert ein Wegsignal an eine Meß- und Aufzeichnungseinrichtung 30, der auch das Temperatur­ signal vom Thermometer 9 zugeführt wird, zusätzlich aber auch ein Induktionssignal von der Meßspule 8 für einen elektro­ magnetischen Materialaufschluß.

Grundsätzlich ist es zwar möglich, die Dilatations-Fein­ meßeinrichtung mit Hilfe einer Meßbereichsumschaltung und entsprechend großer Arbeitsbereichs-Auslegung für die Messung des Verformungsweges einzurichten. Einfacher sind jedoch die Präzisionsanforderungen an die beiden unter­ schiedlichen Wegmessungen hier mit zwei Wegaufnehmern 16, 29 zu realisieren.

Zur Durchführung dieser Meßaufgaben ist also dem eigentlichen gerätetechnischen Teil ein elektronischer Teil mit Meß- und Aufzeichnungseinrichtungen 17 und 30 sowie Regelein­ richtungen 19 und 24 beigestellt, die grundsätzlich in her­ kömmlicher Weise in Form von Einzelgeräten ausgeführt sein können. Vorzugsweise wird der elektronische Teil aber weitest­ gehend von einem durch eine strichpunktierte Umfassungs­ linie angedeuteten Rechner 31 gebildet, der auch eine Steuerung 32 für den Meßablauf umfaßt und das Erreichen und Einhalten von vorgegebenen Temperaturwerten, Ver­ formungsgeschwindigkeiten, Verformungszuständen in vorge­ gebener Aufeinanderfolge überwacht und auslöst. Es versteht sich, daß ein solcher gerätetechnischer Teil erforderlichen­ falls mit vorgeschalteten Verstärkern, Analog-Digital- Umsetzern, mit zumindest einer Programmier- oder Eingabeein­ richtung u. dgl. dem Fachmann geläufigen Meßausstattungen versehen sein kann.

Claims (15)

1. Verformungsdilatometer für Materialproben, z.B. Stahl­ proben, mit zwei Deformationsstempeln zum Erfassen einer Probe zwischen einander zugewandten Stempelflächen, einem mit den Deformationsstempeln verbindbaren Stellglied zum Deformieren der Probe, einer Dilatations-Feinmeßeinrichtung zur Aufnahme von Abstandsänderungen der Deformationsstempel in Abhängigkeit von Wärmedehnungen der Probe sowie einem der Probe zugeordneten Thermometer, gekennzeichnet durch eine Wegmeßeinrichtung (16, 17) zur Aufnahme des Verformungs­ wegs an zumindest einem der Deformationsstempel (5, 6) und eine Kraftmeßeinrichtung (17, 18) zur Aufnahme der Defor­ mationskraft bei der Deformation.

2. Verformungsdilatometer nach Anspruch 1 mit einem einen axial verschiebbaren Kern aufweisenden Differentialtrans­ formator für die Dilatationsmessung, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialtransformator (29) auf einen den Ver­ formungsweg erfassenden Meßbereich umschaltbar ist.

3. Verformungsdilatometer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es eine von der Dilatations-Feinmeßein­ richtung (29) unabhängige Wegmeßeinrichtung (16) aufweist.

4. Verformungsdilatometer nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wegmeßeinrichtung einen Differential­ transformator (16) umfaßt.

5. Verformungsdilatometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßeinrichtung (18) an dem der Stempelfläche (3) abgelegenen Ende eines der Preßstempel (5) angeordnet ist.

6. Verformungsdilatometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßein­ richtung eine Meßdose (18) mit Dehnungsmeßstreifen umfaßt.

7. Verformungsdilatometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied zumindest ein hydraulisches Stellglied (12, 13) mit einem steuerbaren Einlaßventil (20) umfaßt.

8. Verformungsdilatometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (12, 13) eine Durchfluß­ meßeinrichtung (23) in seiner Einlaßleitung (21) aufweist.

9. Verformungsdilatometer nach Anspruch 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (21) durch einen Regler (19) betätigt wird, der eine vorgegebene Weg-Zeit- Funktion für den Stellgliedweg überwacht.

10. Verformungsdilatometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Meßwerte der Kraftmessung und der Verformungs-Wegmessung während der Verformung in einer Meß- und Aufzeichnungseinrichtung (17) aufgezeichnet werden.

11. Verformungsdilatometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (17) für die Ver­ formungskraft und den Verformungsweg mit einem Digital­ rechner (31) für eine Meßauswertung und -aufzeichnung ge­ bildet sind.

12. Verformungsdilatometer nach Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital­ rechner (31) zugleich als Regler (19) mit dem Einlaß­ ventil (20) verbunden ist.

13. Verformungsdilatometer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einer der Probe zugeordneten induktiven Heizeinrichtung, gekennzeichnet durch eine gleichfalls der Probe zugeordnete Wirbelstrom-Meßspule (8).

14. Verfahren zur Untersuchung von Meßproben bei vor­ gegebenen Temperaturen und Verformungen; zur Anwendung eines Verformungsdilatometers nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verformung sowohl die Verformungskräfte wie auch der Verformungsweg fortlaufend gemessen und aufgezeichnet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung nach einem vorgegebenen Sollwertver­ lauf durch zumindest ein reglerbeaufschlagtes Stellglied (12, 13) erfolgt.