Biaxiale Prüfung

Bei der biaxialen Prüfung wird eine Probe – im Gegensatz zum einaxialen Zugversuch – über zwei Kraftachsen belastet.

Die Belastung kann zusätzlich zur Zug- oder Druckprüfung durch ein Torsionsmoment erfolgen (Zug-Druck-Torsion-Prüfung). Hierfür benötigt die Material-Prüfmaschine neben dem Antrieb durch die Traverse einen zusätzlichen Torsionsantrieb.

Für weiterführende Materialuntersuchungen unter einem bi-axialen Zugspannungsfeld, können auch Versuche an Kreuzzugproben durchgeführt werden. Für die Prüfung an dieser Probenform sind vier  Prüfachsen erforderlich.

Mit den zusätzlichen Prüfachsen können sowohl konstante Spannungs-Verhältnisse (linearer Spannungspfad) als auch beliebig kombinierbare Spannungspfade (Treppenstufenverlauf) reproduziert werden.

Zug-Druck-Torsion-Prüfung

Die Zug-Druck-Torsion-Prüfung (ZDT-Prüfung) ist ein mehrachsiges Prüfverfahren in der Werkstoff- und Bauteilprüfung, das ein Torsionsmoment mit einem Zugversuch oder Druckversuch kombiniert.

Durch den Einsatz eines Torsionsantriebes entsteht eine Verdrehung der Probe. Eine zusätzliche Krafteinwirkung in Zug oder Druckrichtung bewirkt unterschiedliche Belastungsarten auf die Festigkeit des Materials.

Das Torsionsmoment Mt berechnet sich aus der Kraft F am Hebel multipliziert mit der Länge r des verwendeten Hebels: Mt = F ⋅ r

Die Messung der Dehnungen bzw. Lasten erfolgt mittels Kraft- und Drehmomentaufnehmer.

Zug-Druck-Torsion-Prüfung

Biaxialer Zugversuch an Kreuzzugproben

Der biaxiale Zugversuch oder auch zwei Achsen-Zugversuch ist eine Besonderheit in der Werkstoffprüfung. Steigende Anforderungen an Materialen führen dazu, dass die Ermittlung von Werkstoffkennwerten aus einachsigen Spannungszuständen nicht mehr ausreichend sind. Mit dem Kreuzzugversuch werden Zugspannungsfelder erzeugt, die bei zwei-achsigen Belastung einer Kreuzzugprobe entstehen.

Für die Erzeugung des biaxialen Zugspannungsfeldes sind vier Antriebsachsen, die entweder einzeln steuer- und regelbar sind, oder je zwei Antriebsachsen in Master-Slave-Betrieb, erforderlich.

Wenn neben einer Dehnungsmessung und -regelung auch eine Mittelpunktregelung an der Kreuzzugprobe gewünscht wird, ist eine Lösung mit einzeln steuer- und regelbaren Antriebsachsen zwingend notwendig.

Der biaxiale Zugversuch wird vorwiegend in der Forschung und Entwicklung durchgeführt um definierte Spannungswerte im Kreuzzungspunkt der Probe zu untersuchen. Für den Bereich der metallischen Prüfungen gibt es einen ISO-FDIS 16842 Normentwurf, in dem Hinweise zu Probenausführung, Prüfaufbau und Prüfabläufe beschrieben werden.

Kreuzförmige Blechprobe für biaxiale Prüfungen
Prüfstrategien für mono- und biaxiale Belastungspfade

Bild links: Kreuzzugprobe

Die Kreuzzugprobe wird in zwei Richtungen (hier vertikal und horizontal) belastet. Die Pfeile zeigen die Nennspannung an. In den Ecken der Kreuzzugprobe entsteht während des Versuchs eine besonders hohe Spannung im Material, welche als Kerbspannung bezeichnet wird. Als rote Linien sind die Spannungs-Trajektorien dargestellt. 

 

Bild rechts: Prüfstrategien für mono- und biaxiale Belastungspfade beim Kreuzzugversuch

Auch hier werden die beiden Belastungsrichtungen vertikal und horizontal dargestellt. Durch die zwei Prüfachsen können sowohl konstante Spannungsverhältnisse (linearer Spannungspfad) als auch beliebig kombinierbare Spannungspfade (Treppenstufenverlauf) reproduziert werden. 

Die sich daraus ergebenden Prüfstrategien sind in diesem Diagramm schematisch dargestellt.

Optische Dehnungsmessung/-regelung

Zur Dehnungsmessung im bi-axialen Zug-Spannungsfeld werden optische Messsysteme verwendet, mit denen neben einer Dehnungsmessung und -regelung in einer erweiterten Ausführung auch eine Reglung des Probenmittelpunktes gegeben ist.

Die Kreuzzugproben müssen hierbei mit entsprechenden Markierungen versehen werden, über die das Messsystem die Verschiebungen in der jeweiligen Achsrichtung erfasst. Für die Dehnungsmessung/-regelung sind grundsätzlich 4 Markierungen erforderlich.

Wenn eine zusätzliche Mittenregelung gewünscht wird, ist eine zusätzliche Markierung im Zentrum der Probe notwendig.

Optisches Messsystem für die Dehnungsmessung bei biaxialen Prüfungen
Eingespannte Kreuzzugprobe mit Markierungen für die optische Dehnungsmessung
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