DE4128233A1 - Verfahren zur objektivierten ermittlung von festigkeit und bruchmechanischen kennwerten von glaesern sowie keramischen und glaskeramischen werkstoffen - Google Patents

Verfahren zur objektivierten ermittlung von festigkeit und bruchmechanischen kennwerten von glaesern sowie keramischen und glaskeramischen werkstoffen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur objektivierten Ermittlung von Festigkeit und bruchmechanischen Kennwerten von Gläsern sowie keramischen und glaskeramischen Werkstoffen. Sie beruht auf dem Verfahren der Kugeleindruckmethode und dient zu deren objektivierter Auswertung. Anwendung findet sie bei der Prüfung aller Werkstoffe an denen die Kugeleindruckmethode durchgeführt werden kann. Voraussetzung ist, daß es sich um Werkstoffe handelt, welche für Bereiche elektromagnetischer Strahlung durchlässig sind und ein entsprechender Sensor zur Aufnahme des HERTZschen Kegelbruchs zur Verfügung steht.
Die bisher zur Anwendung kommende mikroskopische Ausmessung des HERTZschen Kegelbruchs gestattet nur begrenzt dynamische Messungen in zeitlich großen Abständen. Für die Ermittlung der interessierenden Parameter sind mehrere Blickrichtungen nötig. Das Ergebnis der einzelnen Messungen ist stark von subjektiven Fehlern beeinflußt. Eine Reproduzierbarkeit ist nicht gewährleistet (Schnapp, J. D.: Weiterentwicklung und Anwendung des Kugeleindruckverfahrens zur Untersuchung von Glasoberflächen. Dissertation B, Hochschule für Architektur und Bauwesen Weimar, Weimar 1983).
Das verwendete Bildverarbeitungssystem MeSys 2000 dient zur hochgenauen Ausmessung von Kleinteilen und Strukturen. Eine Anwendung bei Messungen an HERTZschen Kegelbrüchen erfolgte bisher nicht (Goldschmidt, R.; Schulz, H.: Modulares Meßsystem für optoelektronische Komponenten von Bildeinzugskanälen. Jenaer Rundschau 36 (1991) H. 3).
Die Erfindung hat das Ziel, die Festigkeit und bruchmechanische Kennwerte von Gläsern sowie keramischen und glaskeramischen Werkstoffen auf Grundlage der Kugeleindruckmethode objektiviert zu ermitteln.
Die Lösung der Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Entstehung des HERTZschen Kegelbruchs mit einer CCD-Matrixkamera erfaßt und mit einem Bildverarbeitungssystem und entsprechenden Algorithmen ausgewertet wird.
Die Entstehung des HERTZschen Kegelbruchs als Maß für Festigkeit und bruchmechanische Kennwerte zum Beispiel in Glas läßt sich optisch aus einer Richtung erfassen, wobei Bilder in zeitlich definierten Abständen aufgenommen werden.
Das Verfahren wird anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen
Fig. 1 Darstellung des Prinzips der Kugeleindruckmethode,
Fig. 2 Messung der Geometrie des HERTZschen Kegelbruches,
Fig. 3 Messung bei nichtsymmetrischem Rißwachstum,
Fig. 4 Messung bei auftretenden Störgrößen.
In Fig. 1 sind die Größen des HERTZschen Kegelbruchs bei Anwendung der Kugeleindruckmethode dargestellt. Dabei ist F die einwirkende Kraft, ck die Rißlänge beim Kegelbruch, dHKB der Sprungkreisdurchmesser des HERTZschen Kegelbruchs, d'HKB der Basisdurchmesser des HERTZschen Kegelbruchs und f der Winkel zwischen HERTZschen Kegelbruch und Glasoberfläche. Für die Ausmessung der Parameter des HERTZschen Kegelbruch ist die Anordnung von mindesten drei Meßfenstern nötig. Diese müssen die als Hell-Dunkel- bzw. Dunkel-Hell-Übergänge erscheinenden Geraden des Sprungkreisdurchmessers (g1), der Rißlänge (g2) und des Basisdurchmessers (g3) sicher überdecken (Fig. 2). Bei einem nichtsymmetrischen Wachstum des HERTZschen Kegelbruchs ist eine Anordnung von fünf Meßfenstern notwendig, wobei zusätzlich die als Hell-Dunkel- bzw. Dunkel-Hell-Übergänge erscheinenden Geraden g4 und g5 überdeckt werden (Fig. 3). Die Definition der Geraden erfolgt durch Mittelung der an den Übergängen beteiligten Punkte.
Die Schnittpunkte der so ermittelten Geraden ergeben die Eckpunkte des HERTZschen Kegelbruchs. Auf Grund der geometrischen Verhältnisse lassen sich aus diesen Punkten die Parameter des HERTZschen Kegelbruchs errechnen und bruchmechanische Kennwerte wie Rißenergie bestimmen. Treten im Bild des HERTZschen Kegelbruchs sichtbare Störungen an den Hell-Dunkel- bzw. Dunkel- Hell-Übergängen auf, so sind die Meßfenster so anzuordnen, daß die Störgrößen nicht überdeckt werden (Fig. 4). Durch die Anwendung des Bildverarbeitungssystems MeSys 2000 ist das Aufnehmen und Speichern von Bildern in kurzen Zeitabständen möglich. Erstens wird die Entstehung des HERTZschen Kegelbruchs bei kontinuierlich zunehmend gemessener Kraft registriert. Die Kraft bei der Herausbildung des Sprungkreises ist ein Maß für die Festigkeit des untersuchten Werkstoffes. Die Festigkeit läßt sich nach folgender Formel berechnen: δr=F(1-2v)/(2πr2). F ist dabei die einwirkende Kraft, r der Radius der Kugel die auf die Glasprobe drückt und v die Poisson-Konstante. Zweitens werden durch die zeitlich gestaffelte Aufnahme von Bildern des HERTZschen Kegelbruchs bei konstanter Krafteinwirkung oder bei kontinuierlich zunehmender Krafteinwirkung bruchmechanische Kennwerte bestimmt (z. B. Rißgeschwindigkeit, Rißenergie). Die Parameter des HERTZschen Kegelbruchs werden sowohl während der Aufnahme der Bilder als auch zu einem späteren Zeitpunkt an Hand von abgespeicherten Bildern, die sich entsprechenden Zeitpunkten und Kräften zuordnen lassen, bestimmt.

Claims (8)

1. Verfahren zur objektivierten Ermittlung der Festigkeit und von bruchmechanischen Kennwerten von Gläsern sowie keramischen und glaskeramischen Werkstoffen mit Verwendung von Methoden der Bildverarbeitung, gekennzeichnet dadurch, daß im Bild des entstehenden HERTZschen Kegelbruchs mindestens drei Meßfenster in der Form angeordnet sind, daß je ein Meßfenster die Gerade g1 des Sprungkreisdurchmessers, die Gerade g2 der Rißlänge und die Gerade g3 des Basisdurchmessers sicher überdeckt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Bild des HERTZschen Kegelbruchs fünf Meßfenster in der Form angeordnet werden, daß sie jeden einzelnen Hell-Dunkel- bzw. Dunkel-Hell-Übergang des HERTZschen Kegelbruchs entsprechend den Geraden g1-g5 innerhalb des Werkstoffes sicher überdecken.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Punkte zur Ermittlung der interessierenden Größen durch Schnittpunkte der als Geraden definierten Hell-Dunkel- bzw. Dunkel-Hell-Übergänge bestimmt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Definition der Geraden durch eine Mittelung der am Hell- Dunkel-bzw. am Dunkel-Hell-Übergang beteiligten Punkte innerhalb des Meßfensters erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß durch eine entsprechende Wahl der Lage und der Größe des Meßfensters unerwünschte Störgrößen im Hell-Dunkel- bzw. Dunkel- Hell-Übergang beseitigt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß bei kontinuierlich zunehmend einwirkender Kraft der Zeitpunkt der Entstehung des Sprungkreises bestimmt wird, und die zu diesem Zeitpunkt einwirkende Kraft ein Maß für die Festigkeit des untersuchten Werkstoffes ist, welche nach der Formel δr=F(1-2v)/(2πr2) berechnen läßt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß bei konstant einwirkender Kraft die Parameter des HERTZschen Kegelbruchs in aufeinanderfolgenden definierten Zeitabständen bestimmt werden und die Ermittlung von bruchmechanischen Kennwerten erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Parameter des HERTZschen Kegelbruchs sowohl während der Aufnahme der Bilder als auch zu einem späteren Zeitpunkt an Hand von abgespeicherten Bildern bestimmt werden.
DE19914128233 1991-08-26 1991-08-26 Verfahren zur objektivierten ermittlung von festigkeit und bruchmechanischen kennwerten von glaesern sowie keramischen und glaskeramischen werkstoffen Withdrawn DE4128233A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001088502A2 (de) * 2000-05-15 2001-11-22 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Verfahren und vorrichtung zur bestimmung zumindest eines bruchmechanischen materialparameters

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001088502A2 (de) * 2000-05-15 2001-11-22 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Verfahren und vorrichtung zur bestimmung zumindest eines bruchmechanischen materialparameters
WO2001088502A3 (de) * 2000-05-15 2002-05-23 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und vorrichtung zur bestimmung zumindest eines bruchmechanischen materialparameters

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