Metallische Werkstoffe. Zugversuch. Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur /1/

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1 Metallische Werkstoffe Zugversuch Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur /1/ I Grundlagen: Der Zugversuch ist der wichtigste Versuch in der Werkstoffprüfung. Mit diesem Prüfverfahren werden Festigkeitskennwerte und Verformungskennwerte bestimmt. Diese Werkstoffkenngrößen sind die Grundlage für die Dimensionierung statisch beanspruchter Bauteile. Im Zugversuch wird das Werkstoffverhalten bei stetig zunehmender Zugbeanspruchung untersucht, bei der die Beanspruchung einachsig und gleichmäßig über den Querschnitt der Zugprobe verteilt wirkt. Die Zugprobe wird bei diesem Prüfverfahren stoßfrei und gleichmäßig gedehnt, bis ein Bruch eintritt. Gleichzeitig werden die für den Werkstoff charakteristischen Kennlinien, sog. pannungs-dehnungs-diagramme aufgenommen. 6 5 Rm pannung σ in MPa Rp, A 2 25,2 Dehnung ε in % Gesamtdehnung Agt in % Bild 1: pannungs-dehnungs-diagramm

2 Werkstoffkennwerte aus dem Zugversuch Zugfestigkeit R m Die Zugfestigkeit ist die pannung, bei deren Überschreiten ein Bauteil bricht. ie wird als Quotient aus der Höchstzugkraft F m und dem Anfangsquerschnitt der Probe berechnet. Mit: R m : Zugfestigkeit in MPa F max : maximale Zugkraft in N : Ausgangsquerschnitt der Probe in mm 2 treckgrenze R e Die treckgrenze eines Werkstoffs ist die pannung, bei der sich eine plastische Verformung der Zugprobe entwickelt. ie stellt eine Unstetigkeit des Kurvenverlaufs im σ-ε Diagramm dar. In den Fällen, bei denen die treckgrenze im Kurvenverlauf nicht erkennbar ist, wird als Vergleichswert die,2%-dehngrenze Rp,2 angegeben. Dehngrenze Rp,2 Die Dehngrenze R p,2 wird als sogenannte Ersatzstreckgrenze ermittelt, da die meisten tahlsorten, wie höher gekohlte und vergütete tähle, sowie NE- Metalle keinen ausgeprägten Übergang vom elastischen in den plastischen Bereich aufweisen. ie ist die pannung bei einer nichtproportionalen Dehnung mit,2 % bleibender Verformung. Bruchdehnung A Die Bruchdehnung A ist die bleibende Längenänderung der Probe (L u L ) bezogen auf die Anfangsmesslänge L nach dem Bruch. A Lu - L L 1 [%] Anmerkung: bei einer proportionalen Probe ist die Anfangsmesslänge L gleich

3 4 5,65 5, wobei der Anfangsquerschnitt innerhalb der π Versuchslänge ist. bei nichtproportionalen Proben wird an das Formelzeichen A ein Index angefügt, der die zugrunde liegende Anfangsmesslänge L angibt. Elastizitätsmodul E Im Bereich der Hookeschen Geraden gilt, dass die Dehnung proportional der pannung ist. Die Verformungen sind in diesem Bereich elastisch. Die teigung (bzw. die Proportionalitätskonstante) der Hookeschen Geraden wird als Elastizitätsmodul bezeichnet. E σ/ε Wenn: σ : pannung in der Probe, σ F/ [MPa] ε : Dehnung der Probe, ε L/L [dimensionslos] E : E-Modul [MPa] teigung der Hookeschen Geraden L : Länge des Probestabes vor dem Versuch [mm] L u : Länge der Probe nach dem Versuch [mm] L: Längenänderung, L L u - L [mm] pannung σ in MPa ReH ReL Rm A 2 25 Dehnung ε in % Gesamtdehnung Agt in % Bild 2: pannungs-dehnungs-diagramm mit ausgeprägter treckgrenze treckgrenze R eh

4 Die obere treckgrenze R eh wird durch den ersten wahrnehmbaren pannungsabfall gekennzeichnet. ie stellt das Ende der Hookeschen Geraden dar. treckgrenze R el Die untere treckgrenze R el stellt die kleinste pannung im Fließbereich bei weiter zunehmender Probenverlängerung dar. Brucheinschnürung Z Die Brucheinschnürung Z ist die größte bleibende Querschnittsänderung nach dem Bruch bezogen auf den Anfangsquerschnitt und wird in % angegeben. Z u 1 [ % ] Mit: : Anfangsquerschnitt der Probe in mm 2 u : Querschnitt der Probe nach dem Zerreißen in mm 2 Z : Brucheinschnürung der Probe in % Bild 3: pannungs-dehnungs-diagramme /2/ a) verschiedene Werkstoffe bei Raumtemperatur. b) verschiedene Wärmebehandlungen an einem Werkstoff

5 II Versuchsdurchführung Bild 4: Zugprüfmaschinen im Werkstoffkundelabor (links: Instron 15 kn, rechts: UPD 4 kn) Erwartete Werte und Planung In dieser Phase des Versuches werden die theoretischen und praktischen Vorbereitungen zur Durchführung des Versuches getroffen. 1. Ermittlung der Werte d, und L von der bereitgestellten Probe. d : Probendurchmesser des Anfangsquerschnittes einer Rundprobe in mm. : Anfangsquerschnitt der Rundprobe in mm 2. L : Anfangsmesslänge bei Raumtemperatur in mm. 2. Bei einer proportionalen Probe erfolgt die Einteilung der Messlänge L in Teilstrecken von 3 bzw. 5 mm, die dann auf die Probe aufgetragen werden. (Filzstift) 3. Maschineneinstellung für UPD 4 kn 3.1 Festlegen des Lastbereiches: 2 π Fmax ( d ) 1,3 R 4 m [N] Da es sich bei R m um eine Mindestzugfestigkeit handelt, muß zur Festlegung des Lastbereiches ein Lastaufschlag von 3% berücksichtigt werden. Der erforderliche Lastbereich zu F max wird durch das Auflegen von Gewichtscheiben auf den Hebelarm des Pendelmanometer eingestellt.

6 3.2 Festlegen der pannungszunahmegeschwindigkeit: tahl: 1 MPa/s ; NE-Metalle: 3 MPa/s 4. Probenaufnahme Die Probe wird nun innerhalb sogenannter Beißbackenkeile eingespannt und stoßfrei einachsig bis zum Bruch belastet. 5. Auswertung 5.1 F eh und F m Eine Aufnahme des F eh Wertes erfolgt bei laufender Maschine durch Ablesen von dem Pendelmanometer. Nach dem Bruch der Probe, wird F m vom Pendelmanometer abgelesen. F m Höchstzugkraft (Beginn der Einschnürung) 5.2 Auswertung der Werkstoffkennwerte Die Zugfestigkeit R m berechnet sich aus den Größen: R m F m : [MPa] Die obere treckgrenze R eh wird aus den Größen berechnet: R eh F eh : [MPa] Die untere treckgrenze R el wird aus den Größen ermittelt: R el F el : [MPa] F el kann aus dem pannungs-dehnungs-diagramm oder dem Kraft- Verlängerungs-Diagramm entnommen werden. Nach dem Ausspannen der Probe werden die Bruchhälften zusammengefügt, die Bruchverlängerung gemessen und die relative Bruchdehnung ermittelt: A Lu - L L 1 [%] Die Brucheinschnürung Z wird aus den Querschnittsflächen der Bruchhälften und den Ausgangsquerschnittsflächen ermittelt: Z u 1 [%]

7 Die Bestimmung der gesamten Dehnung A gt wird bei Höchstkraft F m und bei der Verwendung eines Dehnungsaufnehmer ermittelt: A gt L L e m 1 [%] wobei L e : die Dehnungsaufnehmer Gerätemesslänge in mm ist. Dehngrenze Rp,2 Zur Ermittlung der Dehngrenze Rp,2 in MPa wird an die eingespannte Probe ein elektronisches Feindehnungsmessgerät mit einer definierten Messlänge L e angeklemmt. Nach Erreichen der Rp,2 Dehngrenze wird das Feindehnungsinstrument abgenommen und die Probe bis zum Bruch weitergefahren. Die grafische Auswertung der,2 % Dehngrenze erfolgt aus dem aufgenommenen pannungs-dehnungs-diagramm. Es wird z.b. eine Parallele zur Hooke schen Gerade im Abstand von,2 % Dehnung gezogen. Die Ordinate des chnittpunktes mit der pannungs-dehnungs-kurve ist die gesuchte,2 % Dehngrenze. Der Elastizitätsmodul E Die teigung (bzw. die Proportionaitätskonstante) der Hookeschen Geraden wird als Elastizitätsmodul ausgewertet. E σ/ε Literatur: /1/ DIN EN 12-1; Zugversuch Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur (Dez. 21) /2/ Weißbach, W ; Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung ; Verlag Vieweg 1. Aufl. 1992

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