Mechanische Prüfverfahren

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1 Zugversuch Kerbschlagbiegeversuch Härteprüfung 1

2 Zugversuch: Spannungszustand und Probenverlängerung, schematisch F Axiale Zugkraft F bewirkt F σ einachsigen Spannungszustand mit Zugnormalspannung σ im Probenquerschnitt 2

3 Zugversuch: Probenverlängerung, schematisch L 1 F F L 0 ΔL = L 1 - L 0 Ausgangslänge Probenverlängerung 3

4 Zugversuch: Kraft-Verlängerung-Diagramm Zwei Proben eines Werkstoffs: F 2 Probe 1 Probe 2 gleicher Ausgangslänge: 1 F 2 =nf 1 F 1 ΔL 1 = ΔL 2 ΔL L 01 = L 02 = L 0 und unterschiedlichen Ausgangsquerschnittsflächen: A 02 = n. A 01 4

5 Zugversuch: Spannung-Dehnung-Diagramm Geometrieunabhängigkeit durch Bezug der σ 1 = 2 Kraft auf die Ausgangsquerschnittsfläche und der Längenänderung auf die Ausgangslänge ε ε = σ = F A 0 L L ΔL 1 0 = L L 0 0 5

6 Zugversuch: Hookesches Gesetz σ Δσ E = = (tan α)[δσ] Elastizitätsmodul (E-Modul) Δε e Steigung der hookeschen Gerade; Materialkennwert σ e/p/f Grenze des linear-elastischen (hookeschen) Bereichs / Proportionalitätsgrenze / Fließgrenze α α Δε e Δσ ε 6

7 Zugversuch: Gesamtdehnung σ 1. Belastung weitere Beanspruchung nach Entlastung σ f 1. Entlastung ε p 2. Belastung: der Werkstoff hat sich verfestigt ε e ε t = ε e + ε p ε t Totaldehnung = elastische Dehnung + plastische Dehnung ε 7

8 Zugversuch: Nennspannung wahre Spannung Nennspannung / technische Spannung: σ = F / A 0 F A 0 F L 0 ΔL aber: Querkontraktion F L 0 Wahre Spannung: σ = F / A A ΔL F 8

9 Zugversuch: Technische und wahre Spannung-Dehnung-Kurve σ σ = F/A Berücksichtigung der Querkontraktion und Einschnürung σ = F/A 0 technische Spannung-Dehnung-Kurve ε 9

10 Zugversuch: Wichtige Kennwerte σ R m Werkstoff mit ausgeprägter Streckgrenze (krz): Zugfestigkeit R m R eh R el Δε e ε L Δσ A ε t obere Streckgrenze R eh untere Streckgrenze R el Elastizitätsmodul E Lüdersdehnung ε L Bruchdehnung A 10

11 Zugversuch: Wichtige Kennwerte σ R m Werkstoff ohne ausgeprägte Streckgrenze (kfz): Zugfestigkeit R m R p0,2 Dehngrenze R p0,2 Δσ Δε e 0,002 = 0,2% A ε Elastizitätsmodul E Bruchdehnung A 11

12 Zugversuch: Spannung-Dehnung-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze Erklärung: Auftreten einer oberen / unteren Streckgrenze R eh / R el : plastische Verformung wird durch Versetzungsbewegungen bewirkt Interstititionsatome lagern sich vorwiegend im Zugeigenspannungsbereich von Versetzungen an (Aufweitung des Gitters im Bereich der Versetzungslinie!) Versetzungen werden durch diese Interstitionsatome an ihrer Bewegung gehindert (vgl. Mischkristallverfestigung!) erhöhte Losreißspannung obere Streckgrenze zur Weiterbewegung der Versetzungen ist niedrigere Spannung notwendig Fließbereich 12

13 Zugversuch: Spannung-Dehnung-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze σ 3 R eh R el obere untere Streckgrenze ε L Lüdersdehnung 2 ε 13

14 Zugversuch: Spannung-Dehnung-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze Auftreten des Lüdersdehnungsbereichs: plastische Verformung beginnt an einer Stelle, an der durch Mikrooder Makrodefekte eine Spannungsspitze entstanden ist, bei Zugproben in der Regel im Übergangsbereich zwischen Messstrecke und Probenkopf (Spannungsüberhöhung durch Kerbwirkung des Radius) es setzt in einem lawinenartigen Vorgang von Versetzungslosreißen und erzeugen hochlokalisiertes Gleiten ein Verfestigung des abgeglittenen Bereichs bei Weiterbeanspruchung kommt es zu Losreißprozessen in den Nachbarbereichen 14

15 Zugversuch: Spannung-Dehnung-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze Auftreten des Lüdersdehnungsbereichs - Fortsetzung: plastische Verformung erfolgt nicht (wie normalerweise) im gesamten Werkstoffvolumen gleichmäßig, sondern nach und nach, stark lokalisiert an einzelnen Stellen im Werkstoff Vorgang beendet, wenn gesamte Messstrecke gleichmäßig verfestigt das Abgleiten eines Werkstoffbereichs wird auf der Probenoberfläche polierter Proben in Form einer bandförmigen Abgleitungsfront sichtbar diese Abgleitungsfronten werden als sog. Lüdersbänder bezeichnet diese sind unter 45 zur Probenlängsachse orientiert (= Richtung der maximalen Schubspannung) 15

16 Zugversuch: Einflussgrößen auf die mechanischen Kennwerte Probenoberfläche Fehler, Riefen, Kratzer Kerbwirkung Spannungsüberhöhung Gefügezustand Wärmebehandlung, Herstellung Prüftemperatur Beanspruchungsgeschwindigkeit 16

17 Zugversuch: Einfluss einer Kaltverformung auf die Spannung-Dehnung-Kurve 17

18 Zugversuch: Einfluss der Prüftemperatur auf das quasistatische Verformungsverhalten σ % ε 18

19 Zugversuch: Einfluss der Beanspruchungsgeschwindigkeit auf Streckgrenze und Zugfestigkeit Spannung in MPa 500 Zugfestigkeit Streckgrenze wahre Dehngeschwindigkeit in s -1 19

20 Zugversuch: Einfluss der Beanspruchungsgeschwindigkeit auf Streckgrenze und Zugfestigkeit Versuch soll quasistatisch sein: Versuchsgeschwindigkeit ist abhängig vom E-Modul und in der DIN-Norm angegeben! Stahl - 30 MPa/s (E ca MPa) NE-Metall - 10 MPa/s (E Al ca MPa) Ziel ist hinreichend langsame Kraftaufbringung! 20

21 Gegenüberstellung Zugversuch - Kerbschlagbiegeversuch einachsig quasistatisch Zugversuch Beanspruchung Temperatur Mehrachsigkeit Verformungsgeschwindigkeit mehrachsig hohe Verformungsgeschwindigkeit verformungsarmer Sprödbruch Kerbschlagbiegeversuch 21

22 Kerbschlagbiegeversuch: Zweck verschiedene Werkstoffe verschiedene Werkstoffzustände Bsp.: Wärmebehandlung von Stählen; Schweißparameter Einfluss der Prüftemperatur Vergleich der Sprödbruchanfälligkeit Bruchverhalten! rein technologisches Prüfverfahren!! liefert keine Werkstoffkennwerte! 22

23 Kerbschlagbiegeversuch: Prinzip und Kerbschlaghammer Anzeigeeinrichtung z.b. Skala Zeiger Freiwinkel a F Gestell Schabotte Probe Schlagrichtung Probe Hinterschnitt a H Drehachse Pendellagerung Pendelstange Widerlager Auflager Auflager Hammer Widerlager Schnitt A-B (vergrößert) Hammerschneide Probe Schmutznut 1x1 23

24 Kerbschlagbiegeversuch: Probenformen b h A K l l ρ d a t h r th α DVM-Probe mit Rundkerbe ISO-Probe mit Spitzkerbe l = 55 mm, b = 10 mm, h = 10 mm, a = 40 mm t = 3 mm, d = 2 mm, ρ = 1 mm t = 2 mm, r = 0,25 mm, α = 45 24

25 Kerbschlagbiegeversuch: Energiebetrachtung L Brucharbeit K V : K V = E pot, Anfang E pot, Ende = m g (h 1 -h 2 ) h 2 h 1 Kerbschlagzähigkeit α K : α K = K V / A K mit A K = Probenquerschnittsfläche 25

26 Kerbschlagbiegeversuch: Bruchflächenausbildung T = -196 C: Spröd- oder Trennbruch T = -17 C Kerbe Kerbe Kerbe T = 0 C Kerbe T = 25 C: Verformungsoder Gleitbruch 26

27 Kerbschlagbiegeversuch: Grundtypen von K V,T-Kurven K V Tieflage T ü Hochlage III I II T III kfz: reine Metalle homogene Legierungen austenitische Stähle I krz, hex ferritisch-perlitische Stähle II GGL martensitisch geh. Stähle hochfeste Stähle Keramiken T Ü : Übergangstemperatur = Temperatur, bei der -K V bzw. α K definierten Wert (28 J bzw. 20 J/cm 2 ) aufweist -K V bzw. α K 50 % des Wertes der Hochlage aufweist - Bruchfläche bestimmten Spröd- und Duktilbruchanteil aufweist 27

28 Kerbschlagbiegeversuch: Einflussgrößen auf die Übergangstemperatur Einflussgröße Auswirkung auf T ü versuchsbedingt werkstoffbedingt Probendicke Probenbreite Kerbschärfe Schlaggeschwindigkeit Auflagerabstand Alterung Wärmebehandlungen Kaltverformung Gefügeinhomogenitäten Feinkörnigkeit 28

29 Erinnerung: DBE DBR der für Metalle wichtigsten Gitterstrukturen [110] kfz Flächendiagonale hdp (0001) (111) [1120] 4 E mit je 3 R Flächendiagonale krz [111] (110) 6 E mit je 2 R Flächendiagonale Kante 1 E mit 3 R Kante Basis-/Stirnebene 29

30 Kerbschlagbiegeversuch: Einfluss der Temperatur und der Gitterstruktur auf die Trenn- und Gleitfestigkeit Trennfestigkeit W T Gleitfestigkeit W G Trennbruch T Ü W G : lokal wirkende Schubspannung erreicht die kritische Schubspannung Versetzungsgleiten setzt ein W T : lokal wirkende Normalspannung überschreitet Bindungskräfte Werkstofftrennung W T W G (krz, hex) Temperatur T Verformungsbruch W G (kfz) 30

31 Kerbschlagbiegeversuch: Einfluss der Versuchsgeschwindigkeit auf die Trenn- und Gleitfestigkeit Trennfestigkeit W T Gleitfestigkeit W G Verformungsbruch v krit W G (krz, hex) W T Versuchsgeschwindigkeit v Trennbruch 31

32 Kerbschlagbiegeversuch: Geschwindigkeitsversprödung Schubspannung > Gleitfestigkeit Normalspannung > Trennfestigkeit plastische Verformungen Rissbildung Verformungsbruch Trennbruch W G = f(gitterstruktur, Bindungsenergie, T) W T = f(bindungsenergie, T) 32

33 Kerbschlagbiegeversuch: Einfluss des Kohlenstoffgehalts auf den Übergang Hochlage - Tieflage K V Typ I (krz, hex) 0,01 Gew.-% C 0,2 Gew.-% C T ü C-Anteil 0,6 Gew.-% C T 33

34 Härteprüfverfahren: Einteilung der Härteprüfverfahren Härte = Widerstand gegen das Eindringen eines Körpers unter Einwirkung einer ruhenden (statischen) oder schlagartigen (dynamischen) Beanspruchung Härtemaß: bleibender Eindruck oder elastische Rückstellkraft Oberflächenprüfverfahren statisch plastische Verformung Brinell Rockwell Vickers Härtebestimmung durch Eindringen eines Körpers Eindringverfahren plastische Verformung Schlaghärte: Poldi- Hammer Baumann- Hammer dynamisch elastische Verformung Fallhärte: Shore Skleroskop Mohs (1822) Ritzverfahren Martens (1889) 34

35 Härteprüfverfahren: Prinzip der Härteprüfung nach BRINELL Härtewert: HB = 0,102 F/A K 35

36 Härteprüfung nach BRINELL: Bestimmung der Kalottenfläche Pythagoras: (0,5 D Kugel -h) 2 + (0,5 d Kalotte ) 2 = (0,5 D Kugel ) 2 D Kugel h = 0,5 (D Kugel - D Kugel2 -d Kalotte 2 ) h d Kalotte Probenoberfläche Oberfläche des Eindrucks = Mantelfläche einer Kugelkalotte: A Kalotte = π D Kugel h = 0,5 π D Kugel (D Kugel - D Kugel2 -d 2 Kalotte ) 36

37 Härteprüfung nach BRINELL: Belastungsgrad bei Brinell: keine geometrisch ähnlichen Eindrücke! Härtewert abhängig von der Prüfkraft und vom Kugeldurchmesser Vergleich von Härtewerten bei verschiedenen Kugeldurchmessern: Einführung des Belastungsgrads (x): Prüfkraft abhängig vom Kugeldurchmesser zu wählen! Prüfkraft = 0,102 F = x D 2 (F in N, D in mm) Eindruckfläche wächst quadratisch mit Prüfkraft damit Kalottendurchmesser d in festgelegtem Bereich bleibt, ist der Belastungsgrad werkstoffabhängig zu wählen in der Norm: Kugeldurchmesser D = Funktion des Belastungsgrads der Blechdicke der zu erwartenden Härte Eindringtiefe 1/10 der Probendicke, sonst Ergebnisverfälschung falls Belastungsgrad konstant in guter Näherung Unabhängigkeit von der Prüfkraft 37

38 Härteprüfung nach BRINELL: Zusammenhang zwischen Blechdicke und Belastungsgrad Dicke der Proben nach der Beziehung s 10. Eindringtiefe der Kugel Durchmesser der Prüfkugel in mm Dicke s der Proben in mm Belastungsgrad x = 0,102 F/D 2 Brinellhärte HB 38

39 Härteprüfung nach BRINELL: Prüfkraft-Zeit-Verlauf (schematisch) Lastaufbringdauer Lasteinwirkdauer Prüfkraft stoßfrei aufbringen! t a = t 2 -t 1 = 10 s t e = t 3 -t 2 10 s (T S > 600 C) 30 s (T S < 600 C) 39

40 Härteprüfung nach BRINELL: Prüfkraft-Zeit-Verlauf (schematisch) II Bezeichnung der BRINELL-Härte: Zahlenwert HB / D [mm] / 0,102 F [N] = F [kp] / Einwirkdauer [s] Durchmesser / Prüfkraft können entfallen bei Belastungsgrad 30 und D = 10 mm Einwirkdauer kann entfallen bei t = s Beispiel: 300 HB: Härte 300 D = 10 mm, F = N = 3000 kp, t = s 110 HB 5/250/30: Härte 110 D = 5 mm, F = 2450 N = 250 kp, t = 30 s 40

41 Härteprüfung nach BRINELL: Problematik grundsätzlich: 0,2 D d 0,7 D unter 0,2 D unscharfer Rand (flacher Eindruck) über 0,7 D seitliches Wegquetschen der Kanten (tiefer Eindruck) außerdem: Einziehung / Aufwerfung d : gemessener Kalottendurchmesser d: wahrer Kalottendurchmesser d d d Einziehung (weiche Werkstoffe) d Aufwerfung (kaltverfestigte Werkstoffe) 41

42 Härteprüfung nach BRINELL: Problematik II d? Einziehung (weiche Werkstoffe) d? Aufwerfung (harte Werkstoffe) 42

43 Härteprüfung: Prinzip der Härteprüfung nach VICKERS Härtewert: HV = 0,102 F/A K 43

44 Härteprüfung nach VICKERS: Öffnungswinkel der Diamantpyramide Die Vickerspyramide berührt die Brinellkugel tangential. => Spitzenwinkel α = 136 (für d Kalotte = 0,375 D Kugel = Mittelwert von d Kalotte = 0,2... 0,5 D Kugel ) D Kugel hierdurch Übereinstimmung der Vickers- und der Brinell- Härtewerte bis HB ca. 400 darüber Kugelabplattung! Probenoberfläche d Kalotte x d Kalotte /2 α/2 X 44

45 Härteprüfung nach VICKERS: Bestimmung der Kalottenfläche d 1 A K = d/ 2 für geometrische Betrachtung Annahme: d 1 = d 2 = d für Auswertung: d = (d 1 + d 2 )/2 Kalottenfläche: 1/2 d/ 2 h A A A d2 α = 136 h β = 22 sin α/2 = cos β = 1/2 d/ 2 / h A K = 4. F = 4. 1/2. d/ 2. h = 4. (1/2. d/ 2) 2 / cos 22 = d 2 / 1,

46 Härteprüfung nach VICKERS: Zusammenhang Blechdicke - Prüfkraft Mindestdicke der Proben nach der Beziehung s 1,5. Eindruckdiagonale Mindestdicke s der Proben Vickershärte HV 46

47 Härteprüfung nach VICKERS: Zusammenhang Blechdicke - Prüfkraft Prüfkräfte bei der VICKERS-Härteprüfung: 49 N, 98 N, 196 N, 490 N, 980 N wie bei BRINELL-Härte abhängig von der Blechdicke! Bezeichnung der VICKERS-Härte: Zahlenwert HV / 0,102 F [N] = F [kp] / Einwirkdauer [s] Zeit kann entfallen bei t = 15 s Beispiel: 720 HV 50/30: Härte 720 F = 490 N = 50 kp, t = 30 s 47

48 Härteprüfung nach VICKERS d = (d1 + d2) / 2 Vorteile VICKERS: geometrisch ähnliche Härteeindrücke Prüflastunabhängigkeit d2 d1 auch sehr kleine Eindrücke gut ausmessbar immer scharfe, gut ausmessbare Ränder Härte nach oben unbegrenzt 48

49 Härteprüfung nach Rockwell: Prinzip Rockwell Ball HRB Rockwell Cone HRC F 0 = 98 N F 1 = 883 N F 0 = 98 N F 1 = 1373 N t 0 F 0 + F 1 t 0 + t 1 Für die Ermittlung des Härtewerts wird die Eindringtiefe bewertet. t B 49

50 Härteprüfung nach Rockwell: Prinzip II Eindringtiefe bei Vorlast: t 0 Eindringtiefe bei Vorlast + Prüflast: t 0 + t 1 Eindringtiefe nach Wegnahme der Prüflast: t B bleibende Eindringtiefe in Einheiten von 0,002 mm ausdrücken Rockwelleinheit e = t B / 0,002 mm Rockwellhärte: HRC = 100 e HRB = 130 e Spanne von e: 0 bis 0,2 mm z.b. t B = 0,2 mm e = 100 HRC = 0, HRB = 30 Härteangabe: Zahlenwert HRC bzw. HRB 50

51 Härteprüfung nach ROCKWELL: Mindestdicke der Proben mit abnehmender Härte größere Dicke, da tieferer Eindruck) i. allg. Mindestdicke ca. 10 x Eindringtiefe 51