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Verfahren und Einrichtung zur Messung der inneren Energieaufnahme
von Materialien Bei der Beanspruchung von Materialien durch beliebige Kräfte und
bei den hierdurch erzeugten Deformationen wird ein bestimmter Teil der aufgewendeten
Arbeit im Material vernichtet. Diese Erscheinung macht sich durch eine Erhöhung
der Temperatur des Materials besonders bemerkbar, wenn -das Material wiederholten
Belastungen ausgesetzt wird.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Temperatur eines Probekörpers
aus dem zu untersuchenden Material in Abhängigkeit von der Beanspruchung zu messen,
um auf diese Weise einen Rückschluß auf die inneren Vorgänge zu gewinnen, und zwar
insbesondere dadurch, daß die von dem belasteten Probekörper abgegebene, Wärmemenge
mit der Wärmemenge verglichen wird, die bei unbelastetem Probekörper von einer Wärmequelle
in dem Probekörper erzeugt wird, oder dadurch, daß der Temperaturanstieg des den
Probestab umgebenden Kühlmittels gemessen wird. Um zu einer genauen Messung der
im Probekörper verbrauchten inneren Energieaufnahme zu gelangen, wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, die von dem belasteten Probekörper abgegebene Wärmemenge mit der
Wärmemenge zu vergleichen, die bei belastetem Probekörper in einem besonderen Vergleichskörper
erzeugt wird. Am einfachsten ist hierbei, in an sich bekannter Weise die leicht
meßbare Leistung des elektrischen Stromes zum Vergleich zu wählen. Die Ausführung
der Messungen ist in verschiedenen Anordnungen möglich. In Abb. z ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt, während sich die Abb. i und 3 auf bekannte Anordnungen
beziehen.
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In dem in Abb. i dargestellten bekannten Vorschlag bedeutet i einen
Probekörper, hier beispielsweise einen Stab, der, um die Vorstellung zu fixieren,
am oberen Ende fest eingespannt sei und am unteren Ende in periodischem Wechsel
tordiert werde. Der Probestab erwärmt sich infolgedessen so lange, bis ein Temperaturgleichgewicht
mit der Umgebung eintritt, bis also die erzeugte Wärme durch Wärmeverluste infolge
Leitung, Strahlung usw. verlorengeht. Um das Temperatursystem genau zu fixieren,
wird der Probestab vorteilhaft mit einem möglichst wärmeundurchlässigen Gefäß (Kalorimeter)
z umgeben, wobei dieses Gefäß mit einer Flüssigkeit gefüllt werden kann. Sind T1
und T=
die Temperaturen am Anfang und Ende des Versuches, bedeutet W ferner
den Wasserwert
des Kalorimeters und t die Versuchsdauer, so ist:
W (T2-Tl)-K. h. T.
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Hierauf wird der ruhende Probestab durch einen elektrischen Strom
erwärmt. Bedeutet i hierbei die Stromstärke und e die Spannung am Probestab, so
gilt die Gleichung-W (T2 -T1) - 0,24 # e. i. t..
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Aus diesen beiden Gleichungen kann W eliminiert und K in e und i ausgedrückt
werden. Die Elimination von W ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil der Probestab
nicht völlig im Kalorimeter untergebracht werden kann, da er an den beiden Enden
in die Prüfmaschine eingespannt ist, so daß sich unkontrollierbare Einflüsse ergeben,
die durch die Vergleichsmessung herausfallen.: - --Der Widerstand des Probekörpers
ist im allgemeinen sehr niedrig, so daß hohe Stromstärken zur Erwärmung nötig werden.
Um diese Unbequemlichkeit zu umgehen, kann im Kalorimeter eine besondere Heizspule
angebracht werden, durch welche eine meßbare Energiemenge dem Kalorimeter zugeführt
wird. In Abb. i bedeutet beispielsweise 3 eine solche Heizspule, die aus der Stromquelle
4. gespeist wird. Mit Hilfe des Widerstandes 5 wird die Stromstärke reguliert. 6
und y sind Instrumente zur Messung von Stromstärke und Spannung. Besteht die Heizspule
aus einem Material, das eine kleine Temperaturabhängigkeit des Widerstandes zeigt,
so kann auch zur Berechnung der Leistung der Widerstand der Heizspule mit der Stromstärke
kombiniert werden.
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Ein Nachteil der bekannten Anordnung nach Abb. i besteht darin, daß,
die eigentliche Materialprüfung und die.Messung der inneren Energieaufnahmefähigkeit
nicht gleichzeitig, sondern -hintereinander ausgeführt werden müssen. In Abb. 2
ist die Anordnung nach der Erfindung dargestellt, die diesen Nachteil vermeidet,
Es können mit ihr gleichzeitig die üblichen :Belastungsversuche und Energieaufnahmemessungen
gemacht werden. Es bedeuten 2 und 8 zwei Kalorimeter von genau abgeglichenem Wasserwert,
Wärmeverlusten usw. Das Kalorimeter 2 enthält,den Prüfkörper i, der den Belastungen
ausgesetzt wird. Das Kalorimeter 8 enthält einen Heizkörper 3. dessen Strom durch
den Widerstand 5 reguliert wird. Die Temperatur ' in den beiden Kalorimetern 'bei
Minium wird durch zwei Thermoelementeg und io gemessen, deren Spannungen in bekannter
Weise über das Galvanometer i i gegenein , ander geschaltet sind. Der Widerstand
5 wird nun so einreguliert, daß der Ausschlag des Galvanometers verschwindet. Die
in der Spule 3 verbrauchte Leistung z2 w kann dann -der inneren Energieaufnahmefähigkeit
des Probestabes i gleichgesetzt werden.
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Die beschriebenen Anordnungen, besonders diejenigen mit besonderem
Kalorimeter, haben den Vorteil, daß die im Probestab erzeugte Wärme zur Erhöhung
der Temperatur im Kalorimeter benutzt wird und nur zum geringen Teil durch Wärmeverluste
verlorengeht. Hierdurch ist die Möglichkeit gegegeben, sehr kleine Wärmemengen mit
ger ügender Genauigkeit zu messen. Bei sehr schnellen oder sehr starken Belastungswechseln
dagegen würde die Temperatur des Probestabes auf Werte steigen, bei denen die Eigenschaften
des Materials sich merklich verändern.
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Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt nun darin, daß die innere
Energieaufnahme in an sich bekannter Weise auch bei stark künstlich gekühltem Probestab
gemessen werden kann. In Abb. 3 ist die entsprechende bekannte Einrichtung gezeichnet.
Es bedeutet i den Probestab, der von einem engen Rohr i :z umgeben ist. Durch dieses
Rohr wird eine Kühlflüssigkeit, die bei 13 ein- und bei 1q. austritt, geleitet.
Wird nun der Probestab Belastungen ausgesetzt, so erwärmt sich die Kühlflüssigkeit
und weist im Beharrungszustand bestimmte Ein- und Ausgangstemperaturen auf. Hierauf
wird der ruhende Probestab durch elektrischen Strom erwärmt, bis die Erwärmung der
Kühlflüssigkeit denselben Wert annimmt. Die im Probestab durch die Belastungen erzeugte
Wärmemenge ist der elektrischen Energie gleichzusetzen, wobei unkontrollierbare
Wärmeverluste keine Rolle spielen. Um einen eventuellen Einfluß der Reibungsarbeit
der Flüssigkeit am Probestab zu eliminieren, werden Flüssigkeiten mit verschiedenen
Reibungskoeffizienten gebraucht: Ferner kann zur elektrischen Erwärmung ein besonderer
Heizwiderstand im Rohr-i2 vorgesehen werden.
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Um gleichzeitig während. des Belastungsversuches die innere Energieaufnahmefähigkeit
messen zu können,. kann ähnlich wie in Abb.2 ein besonderes Heizrohr vorgesehen
werden, so daß wieder eine bequeme Differentialmessung möglich ist.
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Mit einer derartigen Anordnung ist es also möglich, die innere Energieaufnahmefähigkeit
eines Materials bei annähernd gleichbleibender Temperatur und gleichbleibenden Belastungsverhältnissen
festzustellen. Es ist dies deshalb von besonderer Wichtigkeit, da die innere Energieaufnahmefähigkeit
sowohl von der Temperatur als auch von den Belastungsverhältnissen in sehr staikem
Maße abhängig ist: