Metallische Werkstoffe

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1 Werkstoffe III (Praktikum) Herbstsemester 2009 mittwochs, bis Uhr Metallische Werkstoffe Name: Gruppe: Datum: Leitung: Hau-Kit Man (HIF E 17.1) Mariano Pauli (HIF C 47 / HIF B 60) Raum: HIF B 60.1/4 Wichtiger Hinweis: Abgabe der vollständig gelösten Übungen und der ausgewerteten Praktikumsversuche bis ca. eine Woche nach der Durchführung. Die Übungen können im roten Briefkorb in einem gekennzeichneten Schrank im Gang des E-Stockes beim Büro HIF E18 abgegeben werden. Korrigierte Exemplare können eine Woche nach dem letzten Praktikumstermin im entsprechenden grünen Briefkorb an derselben Stelle abgeholt werden.

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3 Inhaltsverzeichnis I. Einführung 3 1. Einleitung Eisen-undNichteisenmetalle Nichteisenmetalle EisenundStahl HerstellungvonMetallen Metallgefüge Werkstoffbezeichnungen Kennzeichnung nach Verwendungszweck (EN ) Kennzeichnung nach der chemischen Zusammensetzung (EN ) Kennzeichnung durch Werkstoffnummern (EN ) Einachsiger Zugversuch Einleitung Grundlagen Zugversuch Spannungs-Dehnungs-Diagramm Durchführung der Zugprüfung Versuchsdurchführung Versuchsauswertung für Werkstoffe mit ausgeprägter Streckgrenze Versuchsauswertung für Werkstoffe ohne ausgeprägte Streckgrenze BruchbildervongerissenenZugproben Härteprüfung HärteprüfungnachBrinell HärteprüfungnachVickers HärteprüfungnachRockwell Relation zwischen HärteundZugfestigkeit Vergleich der Härteprüfverfahren Durchführung der Härteprüfungen HärteverfahrennachBrinell HärteverfahrennachRockwell

4 Inhaltsverzeichnis 4. Kerbschlagbiegeversuch DurchführungderKerbschlagversuche BruchbildervonKerbschlagbiegeproben Faltbiegeversuch 37 Literaturverzeichnis 39 II. Praktikumsbericht 41 A. Protokoll: einachsiger Zugversuch 43 B. Protokoll: Härteprüfung 47 C. Protokoll: Kerbschlagbiegeversuch 51 D. Protokoll: Faltbiegeversuch 55 2

5 Teil I. Einführung 3

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7 1. Einleitung Metalle sind Stoffe mit folgenden charakteristischen Eigenschaften: Metalle sind bei Raumtemperatur ein fester Stoff, sie haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und besitzen einen metallischen Glanz. Durch Walzen, Schmieden, Pressen, Ziehen und Legieren lassen Metalle sich umformen. Metalle lassen sich nach verschiedenen Gesichtspunkten einteilen: Dichte Leichtmetalle (ρ <4.5 g /cm 3, z.b. Natrium) Schwermetalle (ρ >4.5 g /cm 3,z.B.Eisen) Schmelztemperatur Niedrigschmelzende Metalle (t s < 1000 C, z.b. Zinn) Hochschmelzende Metalle (t s > 1000 C, z.b. Kupfer) Chemische Beständigkeit Edle Metalle (reagieren nicht mit Säurelösungen unter Wasserstoffentwicklung. z.b. Silber, Gold) Unedle Metalle (reagieren mit Säurelösungen unter Wasserstoffentwicklung, z.b. Natrium, Eisen) Technische Verwendung Eisenmetalle (Roheisen und Stahl) Nichteisenmetalle (Kupfer, Zinn, Messing) 1.1. Eisen- und Nichteisenmetalle Das häufigste Abgrenzungskriterium ist die Einteilung in Eisen und Nichteisenmetalle. Grundlage der Abgrenzung in Eisen und Nichteisenmetalle ist das chemische Element Eisen (Fe). 5

8 1. Einleitung Nichteisenmetalle Nichteisenmetalle sind alle Metalle außer Eisen und Legierungen mit überwiegendem Eisenanteil. Zu den Nichteisenmetallen gehören: Aluminiumwerkstoffe, Kupferlegierungen, Zinklegierungen und Bleilegierungen. Die NE-Metalle besitzen meist eine bessere Formbarkeit und eine höhere Beständigkeit gegenüber atmosphärischen Einflüssen verglichen mit Eisen. Ihre erreichbaren Festigkeiten sind im Gegensatz dazu geringer. Bei Benutzung dieser Metalle als Werkstoff muss berücksichtigt werden, dass der E-Modul in der Regel wesentlich kleiner ist als der des Stahls. Darüber hinaus erfordern lange Bauteile aus diesen Nichteisenmetallen, auf Grund ihres höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten, bewegliche Befestigungen und Verbindungen. Im Bauwesen ist Aluminium und seine Legierungen das wichtigste Nichteisenmetall (Fenster, Türen, Fassaden, Unterkonstruktionen für Solaranlagen) Eisen und Stahl Stahl ist der wichtigste metallische Baustoff der heutigen Zeit. Verwendung findet er im Bauwesen als alleiniges Tragelement (z.b. Stahlskelettbau, Stahlträger) oder als wesentliches Tragelement im Stahlbetonbau (z.b. Vorspannkabel, Bewehrung) und als Ausbauteil (z.b. Rohrleitungen) Herstellung von Metallen Hier wird auf das Skript Werkstoffe im Bauwesen [10], Kapitel 4.2, Seite verwiesen Metallgefüge Hier wird auf das Skript Werkstoffe im Bauwesen [10], Kapitel 4.3, Seite verwiesen. 6

9 1.2. Werkstoffbezeichnungen 1.2. Werkstoffbezeichnungen Werkstoffe können unterschiedlich bezeichnet werden. Entweder können die Werkstoffe nach ihrem Verwendungszweck, nach der chemischen Zusammensetzung oder nach einem Nummernsystem bezeichnet werden Kennzeichnung nach Verwendungszweck (EN ) Hier erfolgt die Kennzeichnung der Stähle nach Kennbuchstaben und -zahlen [1]. Es werden Kurznamen verwendet, die Hinweise auf die Verwendung, die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Stähle geben. In diesem Fall besteht er aus einem Hauptsymbol (Buchstabe und Kennzahl) und Zusatzsymbolen. Die wichtigsten Buchstaben sind S, E und B. E: Stahl für den Maschinenbau B: Betonstahl S: Stahl für den Stahlbau Für die drei Fälle sind die Kennzahlen die mechanischen Eigenschaften die Mindeststreckgrenze in MPa. Beispiel S 235 Stahl für den Stahlbau mit einer Mindeststreckgrenze von 235 MPa. Für Spannstähle (Y) und Eisenbahnstähle (R) werden anstelle der Mindeststreckgrenze andere Kennzahlen verwendet: Y 1770: Spannstahl mit einer Zugfestigkeit von 1770 MPa. R 136: Eisenbahnstahl mit einer Brinellhärte von HB Kennzeichnung nach der chemischen Zusammensetzung (EN ) Hier werden Kurznamen verwendet, die Hinweise auf die chemische Zusammensetzung der Stähle enthalten. Der Kurzname setzt sich in der aufgeführten Reihenfolge aus Kennbuchstaben und Kennzahlen zusammen. Der Kurzname erfolgt je nach Legierungszusammensetzung unterschiedlich: Unlegierte Stähle Beispiel C45 Unlegierter Stahl mit 0.45% Kohlenstoffgehalt 7

10 1. Einleitung Unlegierte Stähle mit einen mittlerem Mangangehalt von > 1% sowie legierte Stähle Beispiel 45 CrMoV 6 7 Unlegierter Stahl mit einem Mangangehalt > 1%, 0.45 % Kohlenstoff, 1.5 % Chrom, 0.7 % Molybdän und etwas Vanadium. Legierte Stähle, wenn der Gehalt mindestens eines Legierungselements 5% beträgt (X) Beispiel X 5 CrNiMo18 12 Hochlegierter Stahl mit 0.05 % Kohlenstoff, 18 % Chrom, 12 % Nickel. Molybdängehalt ist nicht angegeben Schnellarbeitsstähle (S) Beispiel S Schnellarbeitsstahl mit 10 % Wolfram, 4 % Molybdän, 3 % Vanadium und 10 % Cobalt Kennzeichnung durch Werkstoffnummern (EN ) Die Kennzeichnung der Werkstoffe nach einen Nummernsystem (EN ) ist eine rationelle. Der Aufbau erfolgt nach folgendem Schema [2]: X.YYYYZZ (1.1) X ist die Werkstoffhauptgruppennummer (1 = Stahl, 2 = Schwermetall, 3 = Leichtmetall, 4 bis 8 = Nichtmetalle) Y ist die Sortennummer (bei Stahl geben die ersten beiden Ziffer an ob es sich um legierte oder nichtlegierte Stähle handelt, die letzten beiden Ziffer sind Zählnummern) Z sind Anhängezahlen (optional). Beispiel = Werkstoff Stahl, 00 = Grundstahl unlegiert, 37 = Stahlgruppennummer (entspricht dem S 235). 8

11 2. Einachsiger Zugversuch Der einachsiger Zugversuch dient zur Bestimmung der mechanischen Kennwerte eines Werkstoffes bei Zugbeanspruchung. Man kann diese Prüfung mit Proben mit rundem Querschnitt oder mit Flachproben durchführen Einleitung Ziel dieses Praktikums ist es, anhand von selbstständig durchgeführten und ausgewerteten Zugversuchen das typische Verhalten von ausgewählten Metallen unter statischer Beanspruchung und bei Raumtemperatur kennenzulernen. Im einachsigen Zugversuch wird die stabförmige Probe unter sogenannt zügig gesteigerter Beanspruchung bis zum Bruch verlängert. Die dabei registrierbare Kraft-Verlängerungslinie kann mit Hilfe der Begriffe für die Spannung und die Dehnung auch direkt als Spannungs-Dehnungs-Diagramm normiert aufgezeichnet werden. Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm weist eine für bestimmte Werkstoffsorten charakteristische Form auf. Es enthält so eine Reihe von Informationen über Verhalten unter Kurzzeitbeanspruchung. Insbesondere sind daraus die beiden bedeutenden Festigkeitskennwerte, Fliessgrenze und Zugfestigkeit, ablesbar, also die Spannungswerte für das Versagen durch unzulässig grosse Verformungen bzw. Bruch. Bei genügend genauer Aufzeichnung von Spannung und Dehnung im elastischen Bereich lässt sich auch der E-Modul bestimmen. Ausserdem liefert die Vermessung der Probe nach Bruch die Verformungskennwerte, d.h. die Bruchdehnungen und die Einschnürung. Der Zugversuch wie auch die Proben sind wegen der ausserordentlichen Bedeutung für die Bemessung von Bauteilen und für die Qualitätssicherung (Gütesicherung) national und international genormt Grundlagen Zugversuch Aus der Sicht der Materialprüfung stellt der einachsige Zugversuch eine mechanische Festigkeitsprüfung dar. Er dient der Ermittlung des Werkstoffverhaltens unter einachsiger, gleichmässig über den Querschnitt verteilter Zugbeanspruchung. Ausgehend von Kräften und Verformungen werden dabei Grenzwerte von Spannungen und Dehnungen bestimmt. Der Probestab wird dazu in einer Prüfmaschine einer zunehmenden Zugkraft unterworfen. Die dabei auftretende Verlängerung der Probe wird in Funktion der Zugkraft in einem Kraft-Verlängerungs-Diagramm als sogenanntes Maschinendiagramm aufgezeichnet (als primäre Messung). 9

12 2. Einachsiger Zugversuch Als Ziel für die ingenieurmässige Anwendung gilt es, Kennwerte und Verhalten des Werkstoffes unter möglichst tatsächlichen Beanspruchungsbedingungen zu ermitteln. Weiter geht es aber auch um die Erfüllung von Mindestanforderungen an bestimmte Kennwerte. DiesesindinGüte- und Werkstoffnormen angegeben. Damit aber Nachweise festgelegter Mindestanforderungen reproduzierbar erbracht werden können, muss der Zugversuch (ebenso der Probekörper) genormt sein. Als Beispiel für die Normung des Zugversuchs ist beispielsweise in der Norm EN [9] dienen. Die relativ einfache Prüfvorschrift macht deutlich, dass durch die Festlegung der Probenabmessungen (Probenlänge) und insbesondere der Prüfbedingungen (Temperatur, Belastungsgeschwindigkeit) reproduzierbare Prüfergebnisse ermittelt werden. So werden Einflüsse auf das Werkstoffverhalten und damit auf die Werkstoffkennwerte, wie durch Temperatur und Dehngeschwindigkeit zu erwarten, in tolerierbaren Grenzen gehalten. Auch der Hinweis auf die Normung der Prüfgeräte, hier speziell der Prüfmaschine (Klasse 1 bedeutet max. ± 1 % Ungenauigkeit der Kraftanzeige), unterstreicht die Wichtigkeit der Normung. Wird beim Zugversuch (in Abweichung von der Norm) die Dehngeschwindigkeit erhöht, bzw. qualitativ gleichbedeutend, die Versuchstemperatur erniedrigt, fallen die Festigkeitskennwerte entsprechend höher aus. Bei den Betonstählen wird z.b. die Streckgrenze je Zehnerpotenz Steigerung der Dehngeschwindigkeit grob um ca. 1 bis 1.5 % erhöht Spannungs-Dehnungs-Diagramm Für die Auswertungen im elastischen Bereich muss die Verlängerung der Probe als sogenannte Feindehnung gemessen werden. Von den dazu geeigneten Prüfgeräten erlauben die elektronischen Dehnungsaufnehmer die kontinuierliche Registrierung. Durch gezielte Kalibrierung dieser Messkette wird ein Kraft-Verschiebungs-Diagramm erzeugt. Die Spannungen des Zugversuchs werden definitionsgemäss als Kraft pro Anfangsquerschnittsfläche der Probe betrachtet. Damit entsteht das Spannungs-Dehnungs-Diagramm aus der Umnormierung der Skala von Kraft auf Spannung. Wird dabei elektronische Dehnungsmessung bis zum Bruch der Probe weitergeführt, entsteht ein vollständiges Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Die im Praktikum betrachteten Betonstähle (inkl. allg. Baustähle) weisen je nach Stahlsorte (im Lieferzustand, ohne weitere Behandlung) die eine oder die andere der beiden charakteristischen Formen nach Abbildungen 2.2 und 2.3. Dagegen zeigt die Leichtmetall- Legierung nur den Typus nach Abbildung 2.3, also das Verhalten ohne ausgeprägtem Fliessen. Abbildung 2.2 zeigt den schematischen Verlauf eines solchen Diagrammes für Werkstoffe mit ausgeprägter und Abbildung 2.3 mit nicht ausgeprägter Fliessgrenze (Maschinendiagramme). Im einachsigen Zug unterscheidet sich Kraft-Verlängerungs-Diagramm vom Spannungs-Dehnungs-Diagramm lediglich durch den Faktor 1 /S 0 bzw. 1 /L 0. Es werden folgende Bereiche unterschieden: 10

13 2.2. Grundlagen Abbildung 2.1.: Universalprüfmaschine [11] 11

14 2. Einachsiger Zugversuch Abbildung 2.2.: Spannungs-Dehnungs-Kurve mit ausgeprägter Streckgrenze [11] Abbildung 2.3.: Spannungs-Dehnungs-Kurve ohne ausgeprägte Streckgrenze[11] 12

15 2.2. Grundlagen Abbildung 2.4.: Spannungs-Dehnungs-Kurven verschiedener Werkstoffe [11] Elastischer Bereich Dehnungen klein, proportional der aufgebrachten Zugkraft; die Dehnungen gehen nach der Entlastung vollständig zurück (Hook sche Gerade, E-Modul). Fliessbereich Plötzliche starke Zunahme der Dehnung bei konstanter oder sogar abnehmender Zugkraft (sogenannte Lüders-Dehnung, siehe Abbildung 2.2). Verfestigungsbereich Nochmaliges Ansteigen der Zugkraft bei zunehmender Dehnung bis zum Erreichen der Höchstlast (Bildung von Gleichmass-Verlängerung). Kontraktionsbereich Bildung einer Einschnürung an zufälliger Stelle mit lokal sehr grosser Dehnung, die zum Bruch führt. 13

16 2. Einachsiger Zugversuch 2.3. Durchführung der Zugprüfung Folgende Werkstoffe werden im Zugversuch geprüft: Stähle und Aluminium Die Proben haben einen Durchmesser von 6 mm. Die Köpfe der Proben mit 6 mm Durchmesser wurden mit einer hydraulischen Presse kalt angestaucht (entspricht dem Verankerungssystem BBRV für Spanndrähte). Die Abstützung der Kraft (Ankerkopf-Probe) erfolgt über an der Probe eingesetzte U-Scheiben. Die freie Probenlänge beträgt ca. 200 mm. Die Rundproben sind liniert mit Messmarkenabständen von 10 mm. Mit den Messmarkenabständen sollen die einzelnen Bruchdehnungen abgemessen werden. Die Proben werden an der 50 kn-zugmaschine geprüft.diesemaschinehateinenelektromechanischen Antrieb, welcher eine konstante Spindelgeschwindigkeit (Verformungsgeschwindigkeit) von 2.1 mm /min gewährleistet. Die Zugkraft wird laufend mittels Dehnmessstreifen (DMS bzw. Strain-Gauges) und Messverstärker auf den PC übermittelt. Der Weg wird mittels Wegaufnehmer und Messverstärker an den PC gesendet Versuchsdurchführung Abbildung 2.5 zeigt schematisch den Aufbau an. Der Zugversuch läuft in folgenden Schritten ab: Einschieben des Zugstabes in die Ankerköpfe der Zugmaschine bis zum Anschlag. Aufheben des Längsspiels an der Probe durch Hochdrehen des oberen Ankerkopfes. Nullstellen des Messcomputers. Zugmaschine belasten mit gleichzeitiger Messung. Nach dem Bruch des Zugstabes wird der Schalter der Zugmaschine auf Stellung Entlasten gestellt, damit die Ankerköpfe wieder in Ausgangsposition gelangen. Kraft-Verschiebungs-Kurve ausdrucken, Excel Datei exportieren Versuchsauswertung für Werkstoffe mit ausgeprägter Streckgrenze Während des Zugversuchs werden mit dem Wegaufnehmer, Dehnungsmessstreifen und dem Messrechner die auf die Zugprobe wirkende Kraft F und die Verlängerung ΔL fortlaufend gemessen. Aus der Zugkraft F und dem Anfangsquerschnitt S 0 der Zugprobe wird die Zugspannung σ z ermittelt: σ z = F S 0 (2.1) 14

17 2.3. Durchführung der Zugprüfung Abbildung 2.5.: Versuchsaufbau eines einaxialen Zugversuchs 15

18 2. Einachsiger Zugversuch Mit der Verlängerung ΔL = L L 0 wird die Dehnung ε errechnet. ε = L L 0 L 0 100% = ΔL L 0 100% (2.2) Das Hooke sches Gesetz beschreibt den proportionalen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung: σ z = E ε (2.3) Der Faktor E heisst Elastizitätsmodul und ist ein Kennwert für die Steifigkeit des Werkstoffes. Nach Erreichen der Streckgrenze verlängert sich die Zugprobe erheblich. R e = F e (2.4) S 0 Die Probe wird gestreckt. Nach dem Streckbereich steigt die Spannung in der Zugprobe langsam bis zum höchsten Punkt der Kurve. Diesen Höchstwert der Spannung bezeichnet man als Zugfestigkeit R m : R m = F max (2.5) S 0 Danach fällt die Kurve ab. Die Zugprobe schnürt sich immer mehr ein und zerreisst schliesslich. Die bleibende Dehnung, die die Zugprobe nach dem Bruch hat, heisst Bruchdehnung ε 5 = L L 0 100% (2.6) L 0 Die Bruchdehnung ist die Differenz zwischen der Messlänge nach dem Bruch L und der Anfangsmesslänge L 0, bezogen auf das letztere. L 0 ist bei ε 5 fünfmal so gross wie der Durchmesser d 0 : L 0 =5 d 0. (2.7) Bei der Bruchdehnung ε 10 ist L 0 zehnmal so gross wie ihr Durchmesser d: ε 10 = L L 0 100%. (2.8) L 0 mit L 0 =10 d 0. Die Bruchdehnung ausserhalb des Einschnürbereichs (Gleichmassdehnung) kann man gemäss ε g = L L 0 100%. (2.9) L 0 berechnen, wobei L die Messlänge ausserhalb der Bruchzone ist. Alternativ kann man ε g ausrechnen, sofern ε 5 und ε 10 bekannt sind: ε g =2 ε 10 ε 5. (2.10) 16

19 2.3. Durchführung der Zugprüfung Ein weiterer Verformungskennwert ist die Brucheinschnürung Z (Einschnürung nach dem Bruch). Sie ist die Differenz zwischen dem Anfangsquerschnitt S 0 und dem kleinsten Probenquerschnitt nach dem Bruch S 1 bezogen auf den Anfangsquerschnitt: Z = S 0 S 1 S 0 100%. (2.11) Übliche Werte für Metalle liegen zwischen Z =0%undZ = 80% Versuchsauswertung für Werkstoffe ohne ausgeprägte Streckgrenze Für Werkstoffe ohne ausgeprägte Streckgrenze können die meisten Werte übernommen werden. Jedoch gibt es bei diesen Werkstoffen keine ausgeprägte Streckgrenze. Für die Festigkeitsberechnung ist dieser Kennwert wichtig. Daher hat man für solche Materialien die 0.2 %-Dehngrenze R p0.2 eingeführt. Dies ist die Spannung, bei der die Zugprobe nach Entlastung eine bleibende Dehnung von 0.2 % aufweist. Bestimmt wird die 0.2 %- Dehngrenze in der Spannungs-Dehnungskurve durch eine Parallele zur Geraden am Kurvenanfang durch den Punkt ε =0.2%. 17

20 2. Einachsiger Zugversuch 2.4. Bruchbilder von gerissenen Zugproben Abbildung 2.6.: Makroaufnahmen von AlMgSi (Aluminiumlegierung) Abbildung 2.7.: Makroaufnahme von S

21 2.4. Bruchbilder von gerissenen Zugproben Abbildung 2.8.: Makroaufnahme von S

22 2. Einachsiger Zugversuch 20

23 3. Härteprüfung Nach den üblichen Definitionen ist die Härte eines Werkstoffes der Widerstand eines Stoffes gegen das Eindringen eines härteren Körpers. Die Härte kann nach folgenden Möglichkeiten ermittelt werden: Ritzen der Oberfläche, Eindringen eines Prüfkörpers unter statischer Belastung, Eindringen eines Prüfkörpers unter dynamischer Belastung, Rückprall infolge des elastischen Verhaltens des Prüfkörpers [12]. Im Rahmen des Praktikums werden statische Härteprüfverfahren vorgestellt. Bei den statischen Verfahren wird die Prüfkraft stossfrei aufgebracht und wirkt auf die Probe eine definierte Zeit ein. Nach der Entlastung wird der Eindruck ausgemessen. Dabei wird entweder die Fläche des Härteeindrucks gemessen und daraus der Härtewert bestimmt oder die Eindrucktiefe gemessen und daraus der Härtewert bestimmt. Die Härtewerte werden bei allen Messverfahren als dimensionslose Zahlenwerte angegeben. Die Härteprüfungen werden an einer Universalhärteprüfmaschine durchgeführt (Abbildung 3.1). Abbildung 3.1.: Universal-Härteprüfmaschine [11] 21

24 3. Härteprüfung 3.1. Härteprüfung nach Brinell Bei der Härteprüfung nach Brinell wird eine Stahlkugel mit einer Prüfkraft in die Probe eingedrücktundderdurchmesser des entstandenenkugeleindrucks gemessen (Abbildung 3.2). Die verwendeten Stahlkugeln können einen Durchmesser von 1, 2.5, 5 und 10 mm haben. Die Brinellhärte HB (oder manchmal auch als HBW bezeichnet) kann aus der Prüfkraft F (in N) und der Oberfläche des Kugeleindrucks in der Probe berechnet werden. In der Praxis wird der Härtewert HB mit der Prüfkraft F und dem Eindruckdurchmesser d aus Tabellen abgelesen. Mit der Prüfkraft F, dem Durchmesser D und die Eindruckoberfläche d wird die Brinellhärte wie folgt berechnet [4]: HB = Prüfkraft Eindruckoberfläche = 2 F π D (D D 2 d 2 ) (3.1) Mit der Brinellhärteprüfung können nur weiche und mittelharte Werkstoffe geprüft werden (bis 450 HB). Abbildung 3.2.: Härteprüfung nach Brinell [11] 22

25 3.2. Härteprüfung nach Vickers 3.2. Härteprüfung nach Vickers Bei der Härteprüfung nach Vickers wird die Spitze einer vierseitigen Pyramide aus Diamant in die Probe eingedrückt und die Diagonalen des entstehenden Pyramideneindrucks gemessen (Abbildung 3.3). Die Vickershärte HV errechnet sich aus der Prüfkraft F (in N) und der Pyramideneindruckdiagonalen d (in mm) nach der Formel [6]: HV = Prüfkraft Pyramideneindruckdiagonalen =0.189 F d 2 (3.2) Bei der Vickershärteprüfung gibt es im Gegensatz zur Brinellhärteprüfung nur einen Eindringkörper. Von den Härteprüfverfahren ist die Vickershärteprüfung die universellste; es können sowohl weiche als auch harte Werkstoffe geprüft werden. Abbildung 3.3.: Härteprüfung nach Vickers [11] 23

26 3. Härteprüfung 3.3. Härteprüfung nach Rockwell Bei der Härteprüfung nach Rockwell kann der Prüfkörper kegel-oder kugelförmig sein (Abbildung 3.4). Der Arbeitsablauf ist bei allen vier Rockwellhärteprüfverfahren gleich. Der Arbeitsablauf besteht aus vier Teilschritten (Abbildung 3.5). Die Probe wird mit einer Prüfvorkraft von 10 kp ( N) belastet und die Messuhr auf 0 gestellt. Erst danach wird die eigentliche Prüfkraft aufgelegt und nach kurzer Zeit wieder weggenommen. Die bleibende Eindringtiefe t b kann an der Messuhr direkt als Rockwellhärte abgelesen werden. Es gibt verschiedene Rockwellverfahren: HRA, HRB, HRC und HRF [5]. Unterschiede zwischen den einzelnen Rockwellverfahren sind die verwendete Prüfkörper und die Prüfkräfte. Man verwendet als Prüfkörper einen Diamantkegel für harte Werkstoffe (HRA und HRC-Verfahren). Man verwendet als Prüfkörper eine gehärtete Stahlkugel mit 1.59 mm (= 1 /16 inch) Durchmesser für weiche Werkstoffe. Um die verschiedenen harten Materialien zu prüfen, werden unterschiedliche Prüfkräfte eingesetzt: HRC: F = 1373 N HRA: F = 490.3N HRB: F = 882.6N HRF: F = 490.3N Abbildung 3.4.: Härteprüfung nach Rockwell [11] 24

27 3.4. Relation zwischen Härte und Zugfestigkeit Abbildung 3.5.: Arbeitsablauf einer Rockwell-Härteprüfung [11] 3.4. Relation zwischen Härte und Zugfestigkeit Bei un- und niedriglegierten Stählen kann aus der Brinellhärte mit gewisser Toleranz die Zugfestigkeit (R m ) des Werkstoffes abgeleitet werden: R m =3.5 HB. (3.3) Für Stahl sieht die Norm eine Abschätzung vor. Für Werkstoffe mit Härtewerten zwischen HV = 80 bis HV = 650 kann man die Zugfestigkeit aus folgender Formel abschätzen: R m =3.38 HV. (3.4) Diese Umrechnung gilt nicht für Nichteisenmetalle. Weitere Umrechnungen (z.b. zwischen Brinell und Vickers, Brinell und Rockwell) kann man in Umwertungstabellen ablesen. Diese sind in der Norm EN ISO [8] standardisiert. 25

28 3. Härteprüfung 3.5. Vergleich der Härteprüfverfahren Abbildung 3.6 fasst die einzelnen Härteprüfverfahren zusammen. Aus der Abbildung 3.7 kann abgelesen werden, für welche Werkstoffe welches Härteprüfverfahren einsetzbar ist. Einerseits kann man aus der Abbildung die universelle Anwendungsmöglichkeit der Härteprüfung nach Vickers erkennen, andererseits den beschränkten Einsatzbereich der Brinell und Rockwellprüfung. Abbildung 3.6.: Vergleich der Härteprüfverfahren [11] Abbildung 3.7.: Anwendungsbereiche und Vergleich der Härtewerte verschiedener Härteverfahren [11] 26

29 3.6. Durchführung der Härteprüfungen Härteverfahren nach Brinell 3.6. Durchführung der Härteprüfungen Im Praktikum wird die Brinellhärteprüfung mit einer Kugel aus gehärteten Stahl mit 10 mm Durchmesser auf eine Probe mit glatter Oberfläche durchgeführt. Die volle Last wirkt 30 sec bei 3000 kg auf die Probe ein und wird dann wieder entlastet. Der Kugeleindruckdurchmesser d wird aus dem Mittelwert aus d 1 und d 2 ermittelt (Abbildung 3.8). Geprüft wird mit Stählen und Leichtmetall. Der Brinellhärtewert HB soll auf drei Wege Abbildung 3.8.: Ermitteln des Kugeleindruckdurchmessers [11] ermittelt werden: aus der Tabelle, exakt und approximativ. Bestimmung von HB aus Tabellen Aus der Prüfkraft F, Kugeldurchmesser D und dem Eindruckdurchmesser d kann HB t aus der Tabelle ermittelt werden. Berechnung von HB exakt aus der Formel Berechnet HB nach der Formel HB f = Prüfkraft Eindruckoberfläche = 2 F π D (D D 2 d 2 ) (3.5) Approximative Bestimmung von HB Man kann jedoch HB auch abschätzen: Prüfkraft HB a = Eindruckoberfläche = F A Berechnet den relativen Fehler aus der exakten und der abgeschätzten Härte: (3.6) E = HB t HB a HB t 100% (3.7) 27

30 3. Härteprüfung Bestimmung der Zugfestigkeit Berechnet die Zugfestigkeit aus dem Brinellhärtewert aus der Umrechnungsformel Härteverfahren nach Rockwell Im Metallpraktikum werden die Rockwellprüfungen mit der Universalhärteprüfmaschine durchgeführt. Einstellen der Maschine auf Rockwellprüfung und welches Rockwellverfahren (HRA, HRB, HRC oder HRF) durchgeführt wird Arretieren des Hebels Probe auf Probenteller legen Probenteller drehen, so dass die Probe mit einer Prüfvorkraft belastet wird. Auf der Messskala soll der kleine Zeiger auf den roten Punkt zeigen und und der grosse ZeigersollbeiNullstehen Eigentliche Prüfkraft auflegen, indem man den Hebel aus der Halterung löst Hebel wieder in den Ausgangspunkt arretieren Rockwellwert an der Messskala ablesen 28

31 4. Kerbschlagbiegeversuch Der Kerbschlagbiegeversch liefert einen Hinweis auf die Zähigkeit eines Werkstoffes. Für den Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy wird ein Pendelschlagwerk eingesetzt, bei dem ein Pendelhammer von einer vorgegebenen Höhe h 0 herunterfällt. Die Höhe h 0 soll so eingestellt werden, dass das Arbeitsvermögen 300 J beträgt (Abbildung 4.1). Beim Versuch liegt eine genormte Probe mit einer U oder V-Kerbe an zwei Widerlagern an (Abbildung 4.1). Der Hammer wird in der Ausgangsposition gebracht und dann ausgeklinkt. Er fällt auf einer Kreisbahn herunter und tritt waagerecht auf die Probe. Dabei wird ein Teil der im Hammer gespeicherten potentiellen Energie verbraucht. Der Pendelhammer schwingt bis zum Umkehrpunkt weiter, der von einem Schleppzeiger am Anzeigegerät festgehalten wird. Die Bewegung des Hammers wird umso mehr abgebremst, je zäher die Probe ist [7]. Der Höhenunterschied von Ausgangsstellung und Umkehrpunkt ist ein Mass für die Schlagarbeit W v.formelmässig ist die Schlagarbeit folgendermassen definiert: W v = m g (h 0 h 1 ), (4.1) mit h 0 die Fallhöhe und h 1 die Steighöhe. Diese Werkstoffprüfung wird bei verscheidenen Temperaturen durchgeführt. Im Allgemeinen werden bei tieferen Temperaturen die Gleitverformungen behindert (gilt bei Baustählen). Mit sinkender Temperatur erfolgt eine Temperaturversprödung. Die Kerbschlagprüfung liefert keinen Kennwert für die Festigkeitsberechnung eines Bauteils, kann jedoch im Vergleich mit bekannten, geforderten Zähigkeitswerten zum Nachweis der Werkstoffgüte herangezogen werden Durchführung der Kerbschlagversuche Die Kerbschlagversuche werden mit zwei Materialien durchgeführt: S 235 AlMgSi (eine Aluminiumlegierung) Es werden eine Anzahl von gekerbten Proben geprüft, die unterschiedliche Temperaturen haben sollten: bei Raumtempertatur, bei 0 C, 29

32 4. Kerbschlagbiegeversuch Abbildung 4.1.: Kerbschlagbiegeversuch [11] 30

33 4.1. Durchführung der Kerbschlagversuche bei -20 Cund bei -40 C. Zusätzlich soll eine ungekerbte Probe auf -60 Cabgekühlt werden. Vorgehen der Kerbschlagversuche Thermobehälter mit Ethanol füllen. Trockeneis dazugeben, so dass das Ethanol auf 0 C, -20 C, -40 Cund-60 C abgekühlt wird. Abkühlen der Kerbschlagproben. Nach Abkühlung der Proben, Einlegen der Proben an den beiden Widerlagern. Pendelhammer bei 300J einrasten. Schleppzeiger und Skala nach unten schieben. WICHTIG: Bitte achtet, dass während des Versuchs keiner sich in der Nähe des Pendelschlagwerks befindet! Pendelhammer ausklinken und Kerbschlagarbeit ablesen (hier angegeben in kpm!). 31

34 4. Kerbschlagbiegeversuch 4.2. Bruchbilder von Kerbschlagbiegeproben Abbildung 4.2.: Makroaufnahme einer Kerbschlagbiegeprobe von S 235 bei -40 C. Zone 2: Spaltbruch Abbildung 4.3.: Makroaufnahme einer Kerbschlagbiegeprobe von S 235 bei -20 C. Zone 2: Spaltbruch 32

35 4.2. Bruchbilder von Kerbschlagbiegeproben Abbildung 4.4.: Makroaufnahme einer Kerbschlagbiegeprobe von S 235 bei 0 C. Zone 2: Spaltbruch Abbildung 4.5.: Makroaufnahme einer Kerbschlagbiegeprobe von S 235 bei Raumtemperatur. Zone 1: Wabenbruch, Zone 2: Spaltbruch 33

36 4. Kerbschlagbiegeversuch Abbildung 4.6.: ESEM-Aufnahme des Bruchs einer Kerbschlagbiegeprobe (S 235) bei Raumtemperatur. Zone 1: Wabenbruch, Zone 2: Spaltbruch. Abbildung 4.7.: ESEM-Aufnahme des Bruchs einer Kerbschlagbiegeprobe (S 235) bei Raumtemperatur. Zone 1: Duktiler Wabenbruch. 34

37 4.2. Bruchbilder von Kerbschlagbiegeproben Abbildung 4.8.: ESEM-Aufnahme des Bruchs einer Kerbschlagbiegeprobe (S 235) bei Raumtemperatur. Zone 2: Spaltbruch. Abbildung 4.9.: Makroaufnahme von AlMgSi bei -40 C 35

38 4. Kerbschlagbiegeversuch Abbildung 4.10.: ESEM-Aufnahme des Bruchs einer Kerbschlagbiegeprobe von AlMgSi bei -40 C 36

39 5. Faltbiegeversuch In Ergänzung zu den sogenannten Festigkeitsprüfungen (z.b. der Zugversuch) liefern die technologischen Prüfungen Kennwerte über das Verhalten hinsichtlich der Verformbarkeit unter definierten Beanspruchungsbedingungen. Dem zu prüfenden Material werden dabei Formänderungen aufgezwungen, die in Beziehung zu betriebsähnlichen Beanspruchungen stehen können (z.b. das Abbiegen von Armierungsstahl). Zu den technologischen Prüfungen gehören beispielsweise: Tiefungsversuch, Schweissnahtprüfung und Faltversuch. Der technologische Faltbiegeversuch dient zur Prüfung des Umformvermögens. Er besteht aus zwei Teilversuchen [3]: 1. Zuerst wird an der Probe ein Biegeversuch durchgeführt, 2. anschliessend wird ein Faltversuch gemacht. Beim Biegeversuch wird die Probe solange gebogen, bis ein bestimmter Biegewinkel erreicht ist, oder bis ein erster Anriss auftritt. Biegeproben, die im Biegeversuch nicht angerissen sind, werden im anschliessenden Faltversuch bis auf 180 gefaltet. Abbildung 5.1.: Faltbiegeversuch [11] 37

40 5. Faltbiegeversuch 38

41 Literaturverzeichnis [1] : Bezeichnungssystem für Stähle; Teil 1: Kurznamen (EN ) [2] : Bezeichnungssystem für Stähle; Teil 2: Nummernsystem (EN ) [3] : Metallische Werkstoffe - Biegeversuch (EN ISO 7438) [4] : Metallische Werkstoffe - Harteprüfung nach Brinell (EN ISO 6506) [5] : Metallische Werkstoffe - Harteprüfung nach Rockwell (EN ISO 6508) [6] : Metallische Werkstoffe - Harteprüfung nach Vickers (EN ISO 6507) [7] : Metallische Werkstoffe - Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy (EN ISO 148) [8] : Metallische Werkstoffe - Umwandlung von Härtewerten (EN ISO 18265) [9] : Metallische Werkstoffe - Zugversuch - Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur (EN ) [10] : Werkstoffe im Bauwesen. Unterlagen zur Vorlesung Werkstoffe 1 [11] Fachkunde Metall. 52. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1996 [12] Bargel, Hans-Jürgen ; Schulze, Günter: Werkstoffkunde. VDI Verlag, 1994 [13] Hornbogen, Erhard: Werkstoffe: Aufbau Und Eigenschaften. Von Keramik-, Metall-, Polymer- Und Verbundwerkstoffen. Springer Lehrbuch, 2006 [14] Ilschner, B.;Singer, Robert F.: Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik: Eigenschaften, Vorgänge, Technologien. Springer Lehrbuch, 2000 [15] Scheer, Leopold;Berns, Hans: Was ist Stahl? Eine Stahlkunde für jedermann. 15. Springer, 1999 [16] Wesche, Karlhans ; Sasse, Rainer H.; Schrage, Ingo: Baustoffe für tragende Bauteile, Bd.3, Stahl, Aluminium (Metallische Stoffe). Vieweg Verlagsgesellschaft,

42 Literaturverzeichnis 40

43 Teil II. Praktikumsbericht 41

44

45 A. Protokoll: einachsiger Zugversuch Ins Messprotokoll (Tabellen A.1 und A.2) gehören: Durchmesser der Probe d 0 Querschnitt der Probe S Fliesskraft F e Fliessgrenzenspannung R e bzw. R p0.2 Zugkraft F m Zugfestigkeit R m Bruch-/Trennkraft F Br Bruchspannung σ ti Fliessgrenzenverhältnis Kontraktionsdurchmesser d 1 Kontraktionsquerschnitt S 1 Kontraktionsverhältnis Z Länge vor dem Bruch L 0 Länge nach dem Bruch L 1 und ΔL Bruchdehnungen ε 5, ε 10 und ε g Darüber hinaus müssen die Kraft-Verschiebungs Kurven der Zugproben (bitte angeben um welches Material es sich handelt) als Ausdruck beigelegt werden. 43

46 A. Protokoll: einachsiger Zugversuch mm mm 2 N MPa N MPa - N MPa mm mm 2 % d0 S0 Fe Re Fm Rm Re/Rm FBr σbr d1 S1 Z Probe # Werkstoff Durch- Quer- Fliess- Zug- Fliess- Trenn- Konraktions- Bruchmesser schnitt kraft grenze kraft festigkeit grenzen- kraft festigkeit durch- quer- einschnverhältnis messer schnitt ürung Tabelle A.1.: Versuchs- und Auswerteprotokoll einachsiger Zugversuch (1)

47 Tabelle A.2.: Versuchs- und Auswerteprotokoll einachsiger Zugversuch (2) Probe # Werkstoff Bruchdehnungen Bemerkungen L0 L1 ΔL ε5 ε10 εg εg =2 ε10 ε5 mm mm mm % % % %

48 A. Protokoll: einachsiger Zugversuch 46

49 B. Protokoll: Härteprüfung Im Messprotokoll sollen die Ergebnisse der Härteprüfungen nach Brinell und Rockwell eingetragen werden. Brinellhärteprüfung Der Brinellhärtewert HB soll auf drei Wege ermittelt werden: tabellarisch, exakt (nach Formel) und approximativ. Rockwellhärteprüfung Zusätzlich soll die Zugfestigkeit aus dem Brinellwert umgerechnet werden. Für die Rockwellprüfung soll angegeben werden, welches Material verwendet wurde, welches Rockwellverfahren angewendet wurde, der abgelesene Rockwellwert und die daraus resultierende Zugfestigkeit. 47

50 B. Protokoll: Härteprüfung Tabelle B.1.: Versuchs- und Auswerteprotokoll Härteprüfung nach Rockwell Probe # Werkstoff Rockwellverfahren Rockwellhärte Zugfestigkeit HRA, HRB, HRC, HRF MPa

51 Tabelle B.2.: Versuchs- und Auswerteprotokoll Härteprüfung nach Brinell Probe # Werkstoff Prüfkraft D d1 d2 d HB HB HB rel. Fehler Zugfestigkeit kn mm mm mm mm (Tabelle) (exakt) (approx.) % MPa

52 B. Protokoll: Härteprüfung 50

53 C. Protokoll: Kerbschlagbiegeversuch Es werden eine ungekerbte Probe bei -40 C und eine Anzahl von Proben mit ISO-V Kerbe (nach EN ISO 148) geprüft, die unterschiedliche Temperaturen haben sollten: bei Raumtempertatur, bei 0 C, bei -20 Cund bei -40 C. Im Protokoll sollen neben die Probengeometrien die Kerbschlagarbeit ermittelt werden. Im Messskala sind diese Werte nicht in Joule, sondern sind in mkp angegeben! Zeichnet die Abhängigkeit der Kerbschlagarbeit von der Temperatur auf und beschribt diese in wenigen Worten. Was fällteuchaufwennihrdiebeidenkurvenvergleicht? 51

54 C. Protokoll: Kerbschlagbiegeversuch Tabelle C.1.: Versuchs- und Auswertprotokoll Kerbschlagversuch nach Charpy Proben- Versuchs- Geometrie Querschnitt Versuch # 1 Versuch # 2 Versuch # 3 bezeichnung temperatur Breite Höhe C cm cm cm 2 Joule mkp/cm 2 Joule mkp/cm 2 Joule mkp/cm 2 S 235 ohne Kerbe -60 S 235 mit ISO-V Kerbe RT AlMgSi (Ac 100) mit ISO-V Kerbe RT

55 53

56 C. Protokoll: Kerbschlagbiegeversuch 54

57 D. Protokoll: Faltbiegeversuch Abbildung D.1.: Faltbiegeversuch [3] Abbildung D.1 stellt schematisch den Faltbiegeversuch dar. In dieser Versuchsreihe soll das Umformvermögen geprüft werden. In Tabelle D.1 soll mittlerer Radius, Biegedehnung und der Biegewinkel ermittelt und eingetragen werden. Der mittlere Radius lässt sich aus der Gleichung R = 1 (D + a). 2 (D.1) berechnen. L 0 und L 1 sind die Abstände der Markierungen vor und nach der Biegeprüfung. 55

58 D. Protokoll: Faltbiegeversuch Probe # Werkstoff Dicke a Breite b Länge L Abstand l Durchmesser D mitt. Radius L0 L1 Biegemm mm mm mm mm mm mm mm winkel α dehunung % Tabelle D.1.: Versuchs- und Auswerteprotokoll Faltbiegeversuch