Werkstoffkunde Protokoll Zugversuch

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2 Werkstoffkunde Protokoll Zugversuch Abs Patrick Zeiner W 99 MB An Dr.Mensch Oppenheimer Str.31 Institut für Mainz Werkstoffwissenschaften Patrick_Zeiner@Web.de Dresden Tel Tel

3 Versuchsziel und Aufgabenstellung Mit diesem Zugversuch soll das Materialverhalten einer gegebenen Werkstoffprobe bei langsam zunehmender Zugbeanspruchung und charakteristische Werkstoffkennwerte dieser Probe ermittelt werden. 2. Grundlagen Zugversuch nach DIN EN Teil 1 Der Zugversuch dient der Ermittlung des Wekstoffverhaltens bei einachsiger, über den Querschnit gleichmäßig verteilter Zugbeanspruchung. Die ungekerbte Zugprobe wird in axialer Richtung einer stetig zunehmenden Verlängerung unterworfen und die dazu erforderliche Kraft gemessen. Geprüft werden können nahezu alle bekannten Werkstoffe. Die Zugprüfung nimmt unter den Werkstoffprüfverfahren (neben der Härteprüfung) eine beherrschende Stellung ein. Die Zugprüfmaschinen messen Zugkraft und Längenänderung und schreiben ein entsprechenden Plot. Aus diesem Plot und unter Zuhilfenahme der Abmessungen der Probe kann man folgende Größen ableiten: = p * d² 4 -Anfangsquerschnitt innerhalb der Veruchslänge [mm²] d -Probendurchmesser in der Versuchslänge der Rundprobe [mm] Su = p * du² 4 Su -kleinster Probenquerschnitt nach dem Bruch [mm²] du -kleinster Probendurchmesser nach dem Bruch [mm] (selbst festgelegt) s = F s F -Spannung [N/mm²] -Zugkraft [N] e = DL * 100 L0 e -Dehnung [%] DL -Verlängerung [mm] L0 -Anfangsmeßlänge [mm] Rm = Fm Rm Fm -Zugfestigkeit [N/mm²] -Höchstzugkraft [N] ReH = FeH ReH FeH -obere Streckgrenze [N/mm²] -Zugkraft [N]

4 ReL = FeL ReL FeH -untere Streckgrenze [N/mm²] -Zugkraft [N] A = (Lu L0) * 100 L0 A -Bruchdehnung [%] Lu -Messlänge nach dem Bruch [mm] ½ A11,3 -Bruchdehnung bei einer Anfangsmesslänge (L0) von 11,3 * () [%] Ag -Gleichmaßdehnung [%] Z = ( Su) * 100 Z -Brucheinschnürung [%] Aus dem Spannungs-Dehnungsdiagramm wird die Dehngrenze bei nichtproportionaler Dehnung Rp0,2 ermittelt. 3. Versuchsaufbau und Versuchsproben Der Versuch wird mit einer elektrohydraulischen Zug-Prüfmaschine mit graphischer Ausgabe durchgeführt. Man erhält einen Plot in dem die aufgewendete Kraft F über der gemessenen Verlängerung DL aufgetragen ist.(siehe Anlage) Für den Versuch werden genormte Proben der Form: langer Proportionalstab mit Gewindeköpfen als Längsproben verwendet. Es wurden folgende Anfangswerte der Probe bestimmt: Proben Nr: 2 L0 = 40,0 +/- 0,054 mm (genormt) d = 4,0 +/- 0,050 mm (über die gesamte Länge konstant) Die angegebenen Längen wurden mit einem Messchieber mit einer Genauigkeit von Dl = 0,05 mm + l/10000 (TGL 9252) ermittelt. Der relative Fehler der ermittelten Zugkraft und der ermittelten Längenänderung wird mit maximal 5% angenommen. 4. Versuchsdurchführung Die Probe wird in die Zug-Prüfmaschine eingespannt und durch eine durchsichtige Plastikscheibe gegen mögliche abplatzende Teile gesichert. Die Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Während des Dehnungsvorganges werden die zur Verformung erforderlichen Kräfte (F) in Abhängigkeit von der Verlängerung (DL) registriert und in einem Plot dargestellt.

5 Da die Werte der Dehngrenze, der Streckgrenze und der Zugfestigkeit von der Belastungsgeschwindigkeit abhängen, müssen bestimmte maximale Dehngeschwindigkeiten eingehalten werden. E < N/mm² Ds/Dt = 2 10 N mm²s E >/= N/mm² Ds/Dt = 6 30 N mm²s Die Kraft-Verlängerungskurve wird bis zum Bruch aufgenommen. Sie befindet sich im Anhang. Fehler aus diesem Plot werden mit maximal 5% angenommen Die Probe brach innerhalb des oberen Drittels der Versuchslänge. Der geringste Probendurchmesser nach dem Bruch beträgt 3,3 +/- 0,05 mm. Die relativen Fehler für die aus dem gezeichneten Spannungs-Dehnungs-Diagramm ermittelten Werte werden mit maximal 8% angenommen. 5. Berechnung 5.1 Anfangsquerschnitt = p * (4mm)² 4 = 12,57 mm² IDI = 2 * IDdI I I = IdI IDI = 0,0125 I I = 12,57 +/- 0,16 mm² ============================= 5.2 Kleinster Probenquerschnitt nach dem Bruch Su = p * (3,3 mm)² 4 Su = 8,55 mm² IDSuI = 2 * IDduI I SuI = IduI IDSuI = 0,03 I SuI Su = 8,55 +/- 0,26 mm² ===========================

6 5.3 Zugfestigkeit Rm = 4820 N 12,57 mm² Rm = 383,45 N/mm² IDRmI = IDFI + 2 * IDdI I RmI = IFI IdI IDRmI = 0,0625 I RmI Rm = 383 +/-24 N/mm² =============================== 5.4 Obere und untere Streckgrenze Im Kraft-Verlängerungs-Diagramm und im Spannungs-Dehnungs-Diagramm befinden sich keine sichtbaren Untsetigkeiten und somit auch keine Streckgrenze. Ersatzweise wird weiter unten die Dehngrenze bei nichtproportionaler Dehnung Rp0,2 angeführt. ½ 5.5 Bruchdehnung bei einer Anfangsmeßlänge von 11,3 * () A11,3 = 12,7 % (aus Spannungs-Dehnungs-Diagramm abgelesen) IDA11,3I = 0,08 IA11,3I (8% Fehler für Werte die aus dem Diagramm ermittelt wurden) A11,3 = (12,7 +/-1,0) % ======================== 5.6 Brucheinschnürung Z = (12,57 mm² 8,55 mm²) * 100 8,55 mm² Z = 31,98 % IDZI = IDSuI + IDI IZI ISuI II IDZI = 0,0425 IZI Z = (32,0 +/- 1,4) % ==========================

7 5.7 Dehngrenze bei nichtproportionaler Dehnung Rp0,2 = 343 N/mm² (aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm abgelesen) IDRp0,2I = 0,08 IRp0,2I (8% Fehler für Werte die aus dem Diagramm ermittelt wurden) Rp0,2 = 343 +/- 27 N/mm² 5.8 Gleichmaßdehnung Ag = 8,8 % (aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm abgelesen) IDAgI = 0,08 Ag (8% Fehler für Werte die aus dem Diagramm ermittelt wurden) Ag = (8,8 +/- 0,7) % 5.9 Spannungs-Dehnungs-Diagramm Pkt Nr F / N DL / mm s / N/mm² e / % ,9 318,2 2, ,0 342,1 2, ,4 358,0 3, ,1 366,0 5, ,9 373,9 7, ,9 382,0 9, ,6 383,5 11, ,4 373,9 13, ,7 358,0 14, ,0 318,2 15,0 Spannungs-Dehnungs-Diagramm siehe Anlage! 6. Tabelle der Kennwerte aller untersuchten Proben (Mittelwerte) C15, C45, AlMgSi1, AlMgSi1, Probe normalisiert normalisiert lösungsgeglüht warmausgelagert Rp0,2 / [N/mm²] ReH / [N/mm²] ReL / [N/mm²] Rm / [N/mm²] Ag / % 19,5 15,5 18,1 10,6 8,8 A11,3 / % 28,2 21,8 22,3 13,6 15,0 Z / % 63,7 49,3 46,7 39,8 32,0 7. Diskussion der Kennwerte Den ermittelten Größen nach müßte es sich um AlMgSi1 warmausgelagert handeln. Auf Grund der gegebenen Bruchgeometrie (innerhalb eines Drittels der Anfangsmeßlänge vom Gewindkopf entfernt) wurden die vorgegebenen Werte als zuverlässiger betrachet und deshalb verwendet. Oben genannte maximale Belastungsgeschwindigkeiten wurden eingehalten.

8 7.1 Vergleich der beiden Stahlmarken Der Vergütungsstahl C45N hat gegenüber dem Einsatzstahl C15N eine um 25,7% höhere obere Streckgrenze, eine um 28,1% höhere Untere Streckgrenze und sogar 35,8% höhere Zugfestigkeit. Im Gegenzug sinken die Gleichmaßdehnung um 20,5%, die Bruchdehnung bei einer Anfangsmeßlänge von 11,3 * Wurzel aus Anfangsquerschnitt um 22,7% und Brucheinschnürung um 22,6%. C45N weist somit eine höhere Sprödigkeit und damit geringere Duktilität als C15N auf. 7.2 Begründung der Unterschiede zwischen C15N und C45N C15N hat auf Grund seines relativ geringen Kohlenstoffanteils von 0,15% ein eher ferritisches Gefüge, das heißt der Anteil von Ferrit ist wesentlich größer als der Anteil von Perlit, während bei C45N mit 0,45% Kohlenstoff eher ein perlitisches Gefüge vorherscht, d.h. der Anteil von Perlit ist größer als der Anteil von Ferrit. Bei Ferrit oder auch a-mischkristall des Eisens beträgt der maximale Kohlenstoffgehalt 0,02% Masseanteil. Perlit besteht wiederun aus Ferrit und Zementit, welches einen Kohlenstoffanteil von 6,67% Masseanteil besitzt. Die Härtung von Ferrit entsteht dadurch, daß das Einlagerungsmischkristall als Gitterstörung die Bewegung der Versetzung als Träger der plastischen Verformung behindert. Zementit ansich ist durch Ausscheidungshärtung hart und spröde. Im Perlit besteht zusätzlich durch die hohe Anzahl von Phasengrenzen eine Gefügehärtung. Der Streckgrenzeneffekt entsteht dadurch, daß sich bei Ferrit die Versetzung an den eingelagerten Kohlenstoffatomen festhält und somit temporär eine größere Kraft benötigt wird um diese Gitterstörung zu überwinden. Ist die Störung ersteinmal überwunden, sinkt der Kraftbedarf für eine weitere plastische Verformung. Es ist zu vermuten, daß der größere Anteil von Ferrit bei C15N somit für das größere Streckgrenzenverhältnis verantwortlich ist. Das Normalglühen dient bei beiden Stählen der Beseitigung von Gefügeungleichmäßigkeiten und der Einstellung eines feinen Kornes. 7.3 Vergleich der beiden Behandlungszustände von AlMgSi1 Die warmausgelagerte Aluminiumlegierung weist gegenüber der lösungsgeglühten Aluminiumlegierung eine um 116,7% höhere Dehngrenze bei nichtproportionaler Dehnung und eine um 29,4% höhere Zugfestigkeit auf. Im Gegenzug sinken die Gleichmaßdehnung um 41,4%, die Bruchdehnung bei einer Anfangsmeßlänge von 11,3 * Wurzel aus Anfangsquerschnitt um 39,0% und Brucheinschnürung um 14,8%. AlMgSi1 warmausgelagert weist somit eine höhere Sprödigkeit und damit geringere Duktilität als AlMgSi1 lösungsgeglüht auf. 7.4 Begründung der Unterschiede zwischen den beiden Behandlungszuständen Beim Lösungsglühen (Homogenisieren) wird die Legierung mehrstündig auf ca.550 C erwärmt. Dabei Verteilen sich die Fremdelemente komplett in der Lösung. Anschließendes schnelles Abkühlung sorgt dafür, daß die Fremdatome zwangsgelöst bleiben. Es entsteht somit ein übersättigter Mischkristall. Diese reine Mischkristallhärtung sorgt in Form einer Gitterstörung dafür, das die Bewegung der Versetzung als Träger der plastischen Verformung behindert wird und somit ein Härte- und Festigkeitsanstieg entsteht. Beim Warmauslagern wird im Anschluß an das Lösungsglühen mit ca. 180 C geglüht. Es entstehen über eine Zonenbildung als Zwischenstadium metastabile Phasen mit teilkohärenter Grenzfläche zur Matrix (Mg2Si). Durch diese feindispers in die Matrix eingelagerten metastabilen Phasen wird die Bewegung der Versetzung bei der plastischen Verformung erschwert und somit unter Plastizitätsverlust ein Härte- und Festigkeitsanstieg verursacht. Man spricht von Ausscheidungshärtung. Es wurde somit Duktilität (Bruchdehnung, Brucheinschnürung) zum Erreichen von höherer Festigkeit (Rp02, Rm) aufgegeben.

9 8. Prüfbericht Datum: Name: Patrick Zeiner W 99 MB Verwendete Norm: DIN EN Teil 1 Proben Nummer: 2 Werkstoff: Art (Form) der Probe: Probenlage und Probenrichtung: AlMgSi1 warmausgelagert langer Proportionalstab Längsprobe Gemessene Kennwerte und Ergebnisse: Anfangsquerschnitt 12,57 +/- 0,16 mm² kleinster Probenquerschnitt nach Bruch Su 8,55 +/- 0,26 mm² Zugfestigkeit Rm 383 +/- 24 N/mm² Dehngrenze bei nichtproportionaler Dehnung Rp0, /- 27 N/mm² Bruchdehnung bei ½ A11,3 12,7 +/- 1,0 % einer Anfangsmeßlänge von 11,3 * () Gleichmaßdehnung Ag 8,8 +/- 0,7 % Brucheinschnürung Z 32,0 +/- 1,4 % Kraft-Verlängerungsdiagramm und Spannungs-Dehnungsdiagramm befinden sich im Anhang.