Protokoll zum Praktikumsversuch GP1.1

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1 Protokoll zum Praktikumsversuch GP1.1 Verhalten von Werkstoffen unter mechanischer Belastung Zugversuch (CERT) Kerbschlagversuch 28. April 2005 Clemens Freiberger Burkhard Fuchs

2 1 Inhalt 1 Inhalt Einleitung Grundlagen Plastische Verformung und Verformungswiderstand Härtungsmechanismen Brüche Sprödbruch Duktiler Bruch Zugversuch (CERT) Allgemeines Versuchsaufbau und durchführung Auswertung und Diskussion Kerbschlagversuch Allgemeines Versuchsaufbau und durchführung Auswertung und Diskussion

3 2 Einleitung Das Verhalten von Werkstoffen bei mechanischer Belastung ist von sehr hoher Bedeutung, da dieses Verhalten die Einsatzfähigkeit der verschiedenen Werkstoffe angibt. Die in diesem Praktikum angewandten Versuchsmethoden (Zug- und Kerbschlagversuch) befassen sich mit dem Verformungs- und Bruchverhalten von Werkstoffen.. Ziel ist es aus dem Verhalten der Materialien, Rückschlüsse auf materialspezifische Kenngrößen zu ziehen. 3 Grundlagen 3.1 Plastische Verformung und Verformungswiderstand Verformt sich ein Werkstoff plastisch, ändern Atome ihre Positionen auf den Gitterplätzen. Die lokale Gitterplatzänderung der Atome erfolgt nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt (etwa wie die Fortbewegung einer Raupe) und entlang kristallographischer Ebenen, so dass die Atome weiterhin auf regulären Gitterplätzen sitzen und die Kristallstruktur erhalten bleibt. Die Träger der plastischen Verformung sind die Versetzungen. Versetzungen sind lineare Störungen des Kristallgitters, eingeschobene Ebenen die das Gitter verzerren und bei Belastung durch das Material wandern können. Bei einer plastischen Verformung entsteht eine Vielzahl von Versetzungen. Diese setzen den Kristall lokal unter Spannung und behindern sich damit gegenseitig. Dadurch wird einer weiteren plastischen Verformung ein ansteigender Widerstand- der Verformungswiderstand- entgegengesetzt und der Werkstoff verfestigt. Der Verformungswiderstand eines Materials wird durch drei Größen charakterisiert: Durch die Spannung σ, die Dehnungsgeschwindigkeit dε/dt und die absolute Temperatur T. Um die experimentelle Messung des Verformungswiderstandes einfacher zu gestalten, werden meist zwei der drei Größen konstant gehalten. Dadurch sind Rückschlüsse auf die dritte Größe möglich. Sind z.b. die Temperatur und die Dehnungsgeschwindigkeit konstant, so ist die Spannung höher, falls der Verformungswiderstand höher ist. 3.2 Härtungsmechanismen Härtungsmechanismen werden verwendet, wenn man den Verformungswiderstand eines Materials steigern will. Um dies bewerkstelligen zu können, muss die Ausbreitung der Versetzungen behindert werden. Das geschieht durch Einbringen von Spannungen ins Material. Dies erfolgt durch verschiedene Mechanismen: Versetzungshärtung (Verformungs- bzw. Kaltverfestigung) Fremdatom bzw. Mischkristallhärtung Feinkornhärtung Martensithärtung Ausscheidungshärtung Dispersionshärtung 3.3 Brüche Sprödbruch Bei einem Sprödbruch bildet sich eine Rissfront senkrecht zur Zugrichtung aus. Dieser Riss kann entweder entlang Korngrenzen fortschreiten, so spricht man von einem interkritallinen Bruch, oder entlang kristallographischer Ebenen, so nennt man ihn einen transkristallinen - 3 -

4 Bruch. In beiden Fällen bricht das Material kurz nach der Streckgrenze. Charakteristisch für diesen Bruch ist die glatte, facettenartige Bruchoberfläche, aufgrund der ein glitzerndes Bruchbild zu erkennen ist Duktiler Bruch Im Gegensatz zum Sprödbruch ist beim duktilen Bruch eine Einschnürung des Materials kennzeichnend. Nach Überschreiten der Zugfestigkeit führt plastische Verformung zum duktilen Bruch. Bei einer Belastung durch Zugspannung bilden sich zunächst einzelne Hohlräume an den Krongrenzen, die sich im Laufe der Verformung miteinander verbinden. Dies nennt man Koagulation. Das Werkstück wird durch das Abscheren der verbleibenden Brücken zwischen den Poren und dem restlichen Querschnitt getrennt. Die Bruchoberfläche ist im Gegensatz zum Sprödbruch matt und faserig, wegen der verformten Brücken. 4 Zugversuch (CERT) 4.1 Allgemeines Um das Verhalten eines Werkstoffes zu untersuchen benutzt man häufig Spannungs- Dehnungs-Diagramme. Dabei wird das Verhalten des Werkstoffes durch einen CERT- Versuch (constant elongation rate test) unter konstanter Verlängerungsgeschwindigkeit und in einem einachsigen Belastungszustand, d.h. die Materialprobe wird nur in einer Richtung belastet, bis zum Bruch, beobachtet. In einem solchen Diagramm gibt es mehrere charakteristische Punkte, die Aussagen über die Materialbelastbarkeit zulassen: R e: Die Streckgrenze (Übergang von elastischer zu plastischer Verformung) R p0,2 : Bei Werkstoffen, die keinen ausgeprägten Übergang von elastische in plastische Dehnung aufweisen, wird die Ersatzstreckgrenze R p0,2 definiert. D.h. dass eine plastische Verformung um 0,2 % nach Entlastung festzustellen ist. E: Der Elastizitätsmodul (Die Steigung des Graphen im Bereich der elastischen Verformung) A g : Die Gleichmaßdehnung (Die Dehnung bei der Zugfestigkeit) A: Die Bruchdehnung (Die Länge der Probe beim Bruch bezogen auf die Ausgangslänge) R m : Die Zugfestigkeit (Maximum der Spannungs-Dehnungs-Kurve) Um den nachfolgenden Abschnitt besser zu verstehen, werden sehr wichtige Begriffe in knapper Form dargestellt: - Duktilität ist die permanente Verformbarkeit eines Materials ohne Bruch - Zähigkeit ist eine Kenngröße für das Schlagverhalten von Materialien - Sprödigkeit sagt aus in welchem Maß sich ein Werkstoff plastisch verformt - Verformbarkeit Der lineare Bereich am Beginn der Kurve beschreibt hierbei die elastische Dehnung, die Steigung ist gleich dem E-Modul. In diesem Bereich gilt das Gesetz von Hooke: E=σ/ε. Bei der Entlastung wird die Verformung im Probenkörper durch interne Gegenkräfte, die zwischen den Atomen wirkenden Anziehungskräfte, wieder rückgängig gemacht. Wird der Punkt R e überschritten setzt plastische Verformung ein. Die plastische Verformung resultiert aus dem Wandern und der Neubildung von Versetzungen im Material. Dieser Vorgang ist jedoch irreversibel. Die Streckgrenze dient zur Unterscheidung von spröden und duktilen Werkstoffen: ein Spröder Werkstoff bricht im Bereich der Streckgrenze, ein duktiler verformt sich plastisch. In unseren Versuchen bricht nur die AlCuMgPb-Legierung spröde, das Rein- Aluminium und der Stahl brechen duktil. Es kann jedoch beobachtet werden, dass trotz - 4 -

5 plastischer Verformung die Spannung weiter ansteigt. Dies resultiert aus der durch die Verformung entstehende Verfestigung: das Wandern der Versetzungen wird durch Fehlstellen, Korngrenzen und durch Aufeinandertreffen von mehreren Versetzungen behindert. Mit zunehmender Verfestigung steigt also auch die benötigte Spannung den Werkstoff zu verformen. Die Spannung steigt bis zu einem maximalen Wert an: der Zugfestigkeit R m. Danach erfolgt eine Einschnürung, d.h. eine Querschnittsminderung, die nach der Gleichmaßdehnung bis zum Bruch an einer Stelle der Probe auftritt, im duktilen Werkstoff und Erholung setzt ein. Erholung bedeutet, dass sich Versetzungen gegenseitig annihilieren, d.h. die Länge an Versetzungen wird abgebaut. Da der Probenquerschnitt sinkt, fällt auch die benötigte Spannung. Deshalb muss man den verminderten Querschnitt berücksichtigen und kommt somit auf ein weiteres Diagramm: das wahre Spannungs- Dehnungs-Diagramm. Bei diesem Diagramm wird die Spannung immer auf den aktuellen Probenquerschnitt bezogen. Es wird aber auch im Gegensatz zur technischen Dehnung auf die tatsächlich vorliegende Probenlänge Bezug genommen. Bei der technischen Dehnung wird die maximale Spannung auf die Ausgangslänge bezogen und nennt dies Gleichmaßdehnung A g. Kurz: Die wahre Spannung bezieht sich auf den aktuellen Querschnitt der Probe. Die technische Spannung bezieht sich nur auf den ursprünglichen Querschnitt der Probe vor der Belastung. Die wahre Dehnung bezieht sich auf die aktuelle Länge der Probe, die technische hingegen nur auf die Änderung der Länge. Somit gilt für beide Diagramme: 1. technisches σ - ε Diagramm: σ 0 = F/A 0 ε 0 = (l l 0 )/l 0 = l/l 0 2. wahres σ - ε Diagramm: σ w = F/A = σ 0 (1+ε 0 ) ε w = dl/l = ln(l/l 0 ) = ln(1+ε 0 ) mit: F = Kraft in N A 0 = Anfangsquerschnitt in mm² l 0 = Anfangslänge der Probe in mm l = Dehnung der Probe in mm 4.2 Versuchsaufbau und durchführung Beim Zugversuch wurden reines Aluminium (Al 99,8), eine technische Aluminiumlegierung (AlCuMgPb), handelsüblicher Stahl (St 37) und PMMA (Polymethylmetacrylat), besser bekannt als Plexiglas, bis zum Bruch verformt. Durchgeführt wurden diese Versuche mittels einer motorbetriebenen Verformungsmaschine vom Typ Tensometer. Die mit Gewinde versehenen Probenstücke wurden in das Tensometer eingespannt und über eine Spindel mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit gedehnt. Zur Einstellung dieser Vorschubgeschwindigkeit verwendet man ein vorgeschaltetes Getriebe, bestehend aus mehreren Scheiben und Riemen. Über eine Kraftmessdose wurde die Zugspannung über eine metallische Aufnehmerplatte gemessen und in Spannung umgewandelt. Diese wurde am Computer aufgezeichnet und abgespeichert. Die Kraft auf die Probe konnte über eine Quecksilbersäule gemessen werden. Dazu wurden am PC elektronische Messmarken gesetzt. Das elektronische Signal wird in eine Kraft über einen zeitlichen Verlauf umgerechnet

6 4.3 Auswertung und Diskussion Die während des Versuchs ermittelten Messwerte sind in einem Diagramm zusammengefasst. Nämlich die Zeit in ms, das Spannungssignal des 6V-Signalgebers in mv und das Spannungssignal der Kraftmessdose in mv. Mit dem 6V-Signal bei bestimmten Belastungswerten in gleich bleibenden Abständen, siehe Abb. [1] und [2], lässt sich aus der Belastung und dem Signal der Kraftmessdose ein Faktor ermitteln. Wendet man diesen Faktor auf das Signal der Kraftmessdose an, so erhält man die aktuelle Belastung der Probe in kp. Die ermittelte Spannung muss allerdings korrigiert werden, da die Maschine während des Versuchs eine gewisse Dehnung erfährt. Dazu wurde im Dummy-Versuch eine Längenänderung als Funktion der wirkenden Kraft gemessen. Diese Längenänderung setzt sich zusammen aus der Längung der Dummy-Probe und der Nachgiebigkeit der Maschine. Die Längung der Dummyprobe lässt sich mit dem Hooke'schen Gesetz berechnen und von der gemessenen subtrahieren. Die verbleibende Längenänderung muss von der Maschine kommen. Somit lässt sich eine Korrekturfunktion aufstellen, die die Maschinendehnung als Funktion der Kraft beschreibt. Durch aufstellen einer Funktion der Kraft als Funktion der Längenänderung lässt sich ein Korrekturfaktor bestimmen: F = Ci * L Der Index i bezieht sich dabei auf die verwendete Platte. Für die 2 verwendeten Platten ergeben sich folgende Konstanten: C 2000 kp = 7839, 6; C 250 kp = Mit diesen Werten lässt sich die erreichte Dehnung um die Dehnung der Maschine korrigieren. Über den Bezug auf die Querschnittsfläche kommt man so zur Spannung in MPa. Mit dem Zeitsignal in ms und der an der am Tensometer gemessenen Vorschubgeschwindigkeit erhält man einen Wert für die Dehnung der Probe. In den folgenden 2 Abbildungen sind die Werte der Spannung gegenüber der Zeit von Probe und Maschine aufgetragen. 1,00E+04 Eichkurve 2000kp 8,00E+03 Kraft über Zeit Signalgeber über Zeit 6,00E+03 el. Spannung [mv] 4,00E+03 2,00E+03 0,00E ,00E+03 Abbildung 1: Eichkurve 2000kp Zeit [s] - 6 -

7 Eichkurve 250kp 1,20E+04 1,00E+04 Kraft über Zeit Signalgeber über Zeit 8,00E+03 el. Spannung [mv] 6,00E+03 4,00E+03 2,00E+03 0,00E ,00E+03 Zeit [s] Abbildung 2: Eichkurve 250kp In Abb. [3] ist die technische/wahre Spannung gegen die technische/wahre Dehnung aufgetragen. 700,00 Spannungs-Dehnungs Diagramme der untersuchten Materialien techn. Spg Dehnung AlCuMgPb 600,00 wahre Spg Dehnung AlCuMgPb wahre/technische Spannung [MPa] 500,00 400,00 300,00 200,00 techn. Spg. Dehnung St37 wahre Spg. Dehnung St37 techn. Spg. Dehnung PMMA wahre Spg. Dehnung PMMA techn. Spg. Dehnung Al99,8 wahre Spg. Dehnung Al99,8 100,00 0,00-0, , , , , , , , , , , ,50000 wahre/technische Dehnung Abbildung 3: technische und wahre Spannungs-Dehnungs-Diagramme mit Korrektur der Bruchquerschnittsfläche Für die untersuchten Materialien ergeben sich die Kennwerte in Tab. [1]: - 7 -

8 Tabelle 1: In den Versuchen ermittelte Kennwerte Kennwert\Material AlMgCuPb St37 PMMA Al 99,8% R m (technisch) [MPa] 340,64 319,92 54,68 54,31 R m (wahr) [MPa] 394,46 361,58 59,04 74,22 A g (technisch) 0,138 0,110 0,039 0,359 A g (wahr) 0,126 0,105 0,036 0,303 R p0,2 (technisch) [MPa] 273,32 253,05 43,64 9,45 R p0,2 (wahr) [MPa] 279,33 258,62 45,47 9,37 A (technisch) 0,180 0,194 0,034 0,425 A (wahr) 0,180 0,197 0,032 0,422 W (technisch) [MJ] 2,49 2,12 0,12 0,19 W (wahr) [MJ] 2,74 2,35 0,13 0,23 E-Modul [GPa] 12,4 11,5 1,04 1,13 Tabelle 2: Tabellenwerte für die verwendeten Materialien Kennwert\Material AlMgCuPb St37 PMMA Al 99,8% R m [MPa] / A g / / / / R p0,2 [MPa] A 0,07 0,25 0,055 0,40 Die in den Versuchen ermittelten Werte differieren zum Teil deutlich von den Literaturwerten, weil die Streuung in den Eigenschaften durch unbekannte Vorbehandlungen oder schon starke Korrosion (siehe St37, Rost!) sehr groß ist. Die Al-Legierung ist zudem warmaushärtbar, weswegen dort die Eigenschaften durch eventuelle Temperaturbehandlungen gezielt eingestellt werden können. 5 Kerbschlagversuch 5.1 Allgemeines Das Hauptanwendungsgebiet für den Kerbschlagversuch ist die Bestimmung der Temperaturabhängigkeit des Bruchverhaltens eines Werkstoffs. Man kann allgemein sagen, dass mit steigender Temperatur die Duktilität der Werkstoffe zunimmt. Daraus folgt, dass ein Werkstoff bei tiefen Temperaturen eher spröde bricht als bei hohen Temperaturen. Zwischen den Bereichen für duktilen und spröden Bruch liegt ein breiter Übergangsbereich in dem es zu Mischbrüchen kommt. Der Kerbschlagversuch dient weiterhin dazu, herauszufinden, ab welcher Temperatur ein Werkstoff für den gewollten Anwendungszweck einsetzbar ist. Da das Pendel sehr schnell fällt, ist der Kerbschlagversuch nur wenig geeignet um Werte zu bestimmen die stark von der Geschwindigkeit der Belastung abhängen (z.b. Zugfestigkeit) 5.2 Versuchsaufbau und durchführung Die Apparatur besteht aus einem Pendelhammer, der sich auf einem Kreis Richtung der zu bestimmenden Probe bewegt. Dadurch dass der Hammer von seiner erhöhten Ausgangslage losgelassen wird, wandelt er seine potentielle Energie zum Teil in kinetische Energie um, die durch das Auftreffen auf der Probe vermindert wird. Somit kann der Pendelhammer auch nicht mehr in die Höhe seiner Ausgangslage zurückschwingen. An der Messapparatur kann man nun die benötigte Schlagarbeit, die benötigt wird um die Probe zu verformen, ablesen. Aus dieser kann mit der Formel - 8 -

9 Kerbschlagarbeit = Schlagarbeit/Probenquerschnitt m* g *( h1 h2 ) a k = s Die spezifische Kerbschlagarbeit berechnen. Dabei kann der Zähler des Terms, die Schlagarbeit, auf einer Skala der Apparatur direkt abgelesen werden. 5.3 Auswertung und Diskussion 1. Keramik (Al 2 O 3 ) bei Raumtemperatur Schlagarbeit: 0,1 Nm Probenquerschnitt: 2,5 * 10-5 m² Kerbschlagarbeit: 4 * 10³ N/m 2. Stahl (St-37) bei Raumtemperatur Schlagarbeit: 21,5 Nm Probenquerschnitt: Querschnitt bei Kerbung 2,4 * 10-5 m² Kerbschlagarbeit: 8,96 * 10 5 N/m 3. Stahl (St-37) ca. bei Temperatur von flüssigem Stickstoff Schlagarbeit: 1 Nm Probenquerschnitt: Querschnitt bei Kerbung 2,4 * 10-5 m² Kerbschlagarbeit: 4,16 * 10 4 N/m Man erkennt einen deutlichen Unterschied bei der Zähigkeit des St-37 in Abhängigkeit der Temperatur. Auch die Bruchflächen unterscheiden sich deutlich. Bei hoher Temperatur ist die Fläche sehr viel matter als bei der gekühlten Probe. Daher kann man sagen, dass die Raumtemperatur-Probe duktil, die gekühlte Probe aber spröde gebrochen ist. Man nennt dieses unterschiedliche Bruchverhalten Hochlage (duktil) und Tieflage (spröde). Dieses stark temperaturabhängige Verhalten ist besonders ausgeprägt bei ferritischen Stählen. Führt man den Versuch bei tiefen Temperaturen durch, umso mehr verlagert sich die Reaktion des Werkstoffes in den Bereich des spröden Bruches. Das liegt daran, dass krz-materialien, wie der St37, über eine geringere Packungsdichte an möglichen Gleitsystemen verfügen, als kfz- Materialien. Dadurch weisen sie von vornherein eine höhere Peierls-Spannung auf, da der Abstand zwischen den Gleitsystemen größer ist. Ist die Temperatur tief genug, so bricht das Material spröde, da die Peierls-Spannung so hoch ist, dass es zu keiner nennenswerten Versetzungsbewegung kommt. Schematisch aufgetragen ergibt sich für die Kerbschlagarbeit folgendes Diagramm: Abbildung 4: Hoch- und Tieflage der Kerbschlagzähigkeit bei ferritischen Stählen Im Bereich in dem sich die Kurve aufspaltet treten Mischbrüche auf