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26 Versuchsprotokoll zum Praktikum Bauteilprüfung Versuch 2 / Kerbschlagbiegeversuch am Name: Matrikelnummer: Das Protokoll enthält 17 Seiten

27 Versuchsprotokoll Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabenstellung 3 2 Pendelschlagwerk und ISO-V-Probe Pendelschlagwerk ISO-Spitzkerbproben 5 3 Versuchsdurchführung 6 4 Ergebnisse und Schlussfolgerung Versuchsergebnisse Diskussion des ak-t-diagramms 8 Diskussion Aluminium Messing Stahl 12 Fehlerbetrachtung Statistische Fehler Systematische Fehler Materialfehler Bewertung 14 7 Literaturverzeichnis 15 8 Anhang 16 II

28 Versuchsprotokoll 1 Aufgabenstellung Bei dieser Aufgabenstellung wird ein Kerbschlagbiegeversuch an drei ISO-V Proben durchgeführt. Die drei ISO-V-Proben sind jeweils aus Stahl, Aluminium und Messing. Es sollen für die jeweiligen Proben die spezifische Kerbschlagbiegearbeit und die mittlere Kerbschlagzähigkeit ermittelt werden. Des Weiteren sollen hier im Kerbschlagbiegeversuch die Bruchflächen beurteilt werden, die einen Mischbruch, einen Verformungsbruch oder auch einen Trennbruch darstellen können. Anhand der ermittelten Kennwerte sollen die charakteristischen Bereiche des ak-diagramms erläutert werden. 2 Pendelschlagwerk und ISO-V-Probe 2.1 Pendelschlagwerk Dieses Pendelschlagwerk wurde nach DIN genormt. Dies Pendelschlagwerk besitzt ein maximales Arbeitsvermögen von 300 Joule und ist in Abb. 1 schematisch dargestellt. Abbildung 1: Pendeldarstellung, [Mül11] 3

29 Versuchsprotokoll Anhand von Abbildung 1wird nochmal das Schwingen des Schlagwerks dargestellt. Dies Schlagwerk setzt sich aus einem Rahmen, einem Auf- und Widerlager, Hammerscheibe, an der die Pendelstange befestigt ist, einem Zeiger, der zu Beginn des Versuch auf 300 Joule eingestellt wird, zusammen. Da die ISO-V-Probe jeweils manuell auf das Auflager gelegt werden kann, wird der Pendelhammer durch eine Haltevorrichtung eingerastet, was zugleich auch die Ausgangshöhe in diesem Versuch darstellt. Nachdem die Spitzkerbprobe fachgemäß auf das Auflager gelegt ist, kann nun der Pendelhammer durch Entrasten der Haltevorrichtung ausklinken und beginnt zu fallen. Hierbei kommt es stetig zu einer Veränderung des potentiellen Arbeitsvermögens, da sich die Höhe des Falls kontinuierlich ändert. Letztendlich wird die potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Da kein abruptes Stoppen des Schlagpendels gewährleistet werden soll, kann die Hammerscheibe die Probe durchschlagen. An dieser Stelle erfährt der Pendelschlag eine Verlustarbeit. Da aufgrund des Schwungs noch Bewegung und somit auch Bewegungsenergie vorhanden ist, kann das Pendelschlagwerk nach dem Durchschlagen seinen Lauf, wenn auch stark minimiert, weiter durchführen. Die Arbeit die nach dem Durchschlag vorhanden ist, wird als überschüssiges Arbeitsvermögen definiert. Die Kerbschlagarbeit oder auch die Verlustarbeit errechnet sich somit aus der Differenz der potenziellen Energie und der überschüssigen Arbeit, nachdem das Pendel die Probe zerschlagen hat, vgl. [Esd11]. Av=Ap - Aü [1] Av : Kerbschlagarbeit/Verlustarbeit Ap : potentielles Arbeitsvermögen Aü : überschüssiges Arbeitsvermögen Damit diese Arbeit auch gemessen werden kann, ist eine integrierte Messvorrichtung vorhanden. Das Messen wird durch einen Schleppzeiger durchgeführt. 4

30 Versuchsprotokoll 2.2 ISO-Spitzkerbproben Die bei diesem Versuch verwendete Probe ist in der DIN festgelegt. Bei dem Kerbschlagbiegeversuch wird in diesem Fall eine ISO-Spitzkerbprobe verwendet. Der wesentliche Unterschied dieser Spitzkerbprobe zu anderen Proben ist, dass bei der Spitzkerbprobe eine spitzzulaufende Kerbe vorhanden ist. Abbildung 2 zeigt solch eine ISOSpitzkerbprobe. Abbildung 2: ISO-Spitzkerbprobe aus [Mül11] 5

31 Versuchsprotokoll 3 Versuchsdurchführung Wie schon in Punkt 1 erwähnt, werden hier drei Proben aus unterschiedlichem Material untersucht. Es muss jedoch gesagt werden, dass die Proben aus gleichem Material jeweils dreimal durchschlagen werden müssen, da sie alle eine unterschiedliche Temperatur aufweisen (-50 C, über 200 C und ca. 20 C). Somit sind also insgesamt neun Proben zu prüfen. Zunächst wird mit der Probe, die Raumtemperatur aufweist, begonnen. Um mit der Versuchsdurchführung anfangen zu können, muss das Pendelschlagwerk in der Haltevorrichtung befestigt werden. Diese ISO-Spitzkerbprobe wird nun auf das Auflager gelegt, wobei es auch erforderlich ist, dass die Spitzkerbprobe mit dem Widerlager im Kontakt steht. Die ISO-Spitzkerbprobe muss so gelegt werden, dass die Kerbe bei einer Betrachtung von oben und somit auch einer Betrachtung von unten durch ein gut zuerkennendes V dargestellt werden kann. Ein weiteres Kriterium ist, dass die Kerbspitze entgegengesetzt der anfänglichen Bewegung des Pendelschlagwerks zeigt. Zudem ist stets zu beachten, dass die Kerbe zentriert liegt, welches heißt, dass sich die in der Hammerscheibe befindende Hammerscheide mit der Kerbe eine Ebene bildet. Dies wird in der Abbildung 3 deutlich. Abbildung 3: Charpy-Anordnung, [Poly] 6

32 Versuchsprotokoll Bevor nun der Kerbschlagbiegeversuch durchgeführt werden kann, wird der Schleppzeiger in vorgegeben Position gebracht. Um sicher zu gehen, dass es zu keinen Verletzungen bei diesem Versuch kommen kann, wird stets drauf geachtet, ausreichend Abstand beim Versuch einzuhalten. Nachdem die Probe durchschlagen wurde, wird das Pendelschlagwerk in seiner Haltevorrichtung erneut gesichert. Im Anschluss darauf wird die durchschlagene Probe aufgehoben und untersucht, wie z.b. die Benennung des Bruchbilds, und die aufgenommene Arbeit, die die Probe in Erfahrung bringt, an der Messvorrichtung abgelesen. Dieses Verfahren wird nun auch mit den andern beiden Proben des gleichen Material durchgeführt. Hier ist es sehr sinnvoll, die kalte Probe mit Handschuhen und die heiße Probe mit einer Zange anzufassen um sie dann auf das Auflager legen zu können. Um sicher zu gehen, dass bei beiden Proben die erforderlichen Temperaturen vorhanden sind, wurde die kalte Probe in eine in eine separate Kühlvorrichtung und die heiße Probe auf eine erhitzte Kochplatte gelegt. Für die Temperaturbestimmung der heißen Probe wurde ein Infrarotthermometer verwendet, um so die erwünschte Temperatur von 256 C zu bestimmen. Bei Temperatur der Kühlvorrichtung darf auf Gewährleistung der Kühlung gehofft werden. 4 Ergebnisse und Schlussfolgerung 4.1 Versuchsergebnisse Die in dem Versuch verwendeten Proben sind ISO-V-Spitzkerbproben. Gesamtquerschnitt einer Probe beträgt 100 mm2. Um den für die Der Berechnung der Kerbschlagzähigkeit benötigten Restquerschnitt der Probe zu bekommen, subtrahiert man vom Gesamtquerschnitt die Fläche der Kerbe im Kerbgrund. Diese beträgt bei einer Kerbtiefe von 2 mm und einer Höhe von 10 mm dementsprechend 20 mm2. So erhält man einen Restquerschnitt der Probe von 80 mm2. Zu den im Praktikum bestimmten Messergebnissen der Kerbschlagarbeit werden noch die Ergebnisse von vier weiteren Messreihen herangezogen. Aus diesen fünf verfügbaren Messergebnissen wird der arithmetische Mittelwert gebildet. So werden eventuelle Messungenauigkeiten oder andere Störfaktoren ausgeglichen. Aus dem Quotienten der Kerbschlagarbeit und des Restquerschnittes lässt sich nach Gleichung [2] die Kerbschlagzähigkeit jeder Probe bestimmen. 7

33 Versuchsprotokoll ak = Av S [2] ak: Kerbschlagzähigkeit Av: Kerbschlagarbeit S: Resquerschnitt der Probe Die Kerbschlagzähigkeit stellt keinen Materialkennwert dar, sondern dient als Vergleichswert, der die Zähigkeit gleicher oder unterschiedlicher Werkstoffe bei gleichen oder verschiedenen Temperaturen zeigt. Werkstoff Temperatur Av [J] Av [J] ak T [ C] gemittelt [J/mm2] Aluminium ,6 0,32 Aluminium ,34 Aluminium ,4 Stahl ,2 0,07 Stahl ,2 0,12 Stahl ,6 1,2 Messing ,8 0,12 Messing ,2 0,14 Messing ,11 Abbildung 4: Tabelle Messwerte 4.2 Diskussion des ak-t-diagramms Trägt man die ermittelten Kerbschlagzähigkeiten eines Werkstoffes über der Temperatur auf, erhält man ein ak-t-diagramm. Dabei ist zu beachten, dass der Kurvenverlauf bei nur drei Messpunkten nur eingeschränkt der Realität entspricht. Um einen genaueren Verlauf zu erhalten, müssten weitere Messungen in kleineren Temperaturabständen durchgeführt werden. Für einen Vergleich der geprüften Werkstoffe, reichen die vorliegenden Messergebnisse allerdings aus. 8

34 Versuchsprotokoll Wichtige Einflussgrößen sind die Temperatur der Werkstoffprobe, sowie die Belastungsgeschwindigkeit, mit der das Pendel auf die Probe trifft. Diese Geschwindigkeit ist bei den durchgeführten Versuchen konstant, sodass das Verhalten bei unterschiedlichen Temperaturen betrachtet wird. Eine niedrige Temperatur hat zur Folge, dass sich die Atome im Kristallgitter kaum bewegen und die Kraft des Pendelhammers schlecht aufnehmen können. Die Werkstoffprobe bricht daher bei niedrigen Temperaturen eher spröde. Bei einer hohen Temperatur hingegen sind die Atome in Bewegung, die Atomschichten können besser abgleiten, was zu einer Erhöhung der Zähigkeit führt. Das ak-t-diagramm, vgl. Abbildung 5, lässt sich in drei Bereiche unterteilen. Die sogenannte Tieflage liegt unterhalb der Übergangstemperatur und beschreibt den Bereich, in dem ein Werkstoff im Allgemeinen ein Sprödbruchverhalten zeigt. Das Bruchbild einer Probe weist hierbei eine transkristalline, glänzende Oberfläche auf. Im Bereich der Übergangstemperatur findet meist ein steiler Anstieg der Kerbschlagzähigkeit statt. In diesem Bereich kommt es vor allem zu Sprödbrüchen, Verformungsbrüchen oder Mischbrüchen. Das Bruchbild ist entsprechend dem Sprödbruch transkristallin, bei einem Verformungsbruch matt, sowie beim Mischbruch eine Kombination aus den beiden genannten Formen. Eine weitere Bezeichnung für diesen Übergangsbereich ist Streuband. Steigt die Temperatur weiter, befindet man sich in der Hochlage. Die Hochlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Probe eine höhere Kerbschlagzähigkeit aufweist, der Werkstoff zäh bricht und ein Verformungsbruch vorliegt. Bei dieser Bruchform bildet sich, wie bereits erwähnt, eine matte Bruchfläche aus. Eine starke Temperaturabhängigkeit im Bruchverhalten weisen nicht alle Werkstoffe auf. Gold, Aluminium und austenitische Stähle weisen beispielsweise einen relativ konstanten Verlauf der Kerbschlagzähigkeit über der Temperatur auf. Dies ist auf die Kristallstruktur zurückzuführen, die bei den genannten Werkstoffen kubisch flächenzentriert ist. Werkstoffe, wie zum Beispiel diverse Stähle, die eine kubisch raumzentrierte Anordnung besitzen, sind in ihrem Bruchverhalten stark temperaturabhängig. Im ak-t-diagramm, siehe Abbildung 5, sind die Verläufe der drei verwendeten Werkstoffe zu erkennen und können neben den Werten aus der Tabelle auch grafisch miteinander verglichen werden. Anhand dieser Verläufe lässt sich erkennen, dass Aluminium kaum temperaturabhängig reagiert, da über den gesamten Temperaturverlauf nur ein Anstieg der Kerbschlagzähigkeit von 0,32 J/mm2 auf 0,4 J/mm2 zu verzeichnen ist. 9

35 Versuchsprotokoll Bei dem Stahl hingegen ist über den gesamten Bereich ein Anstieg von 0,07 J/mm2 auf 1,2 J/mm2 zu erkennen. Dieser Werkstoff zeigt den charakteristischen Steilanstieg, sowie die Tief- und Hochlage. Einen auffälligen Verlauf nimmt das Messing. Nach einem leichten Anstieg der Kerbschlagzähigkeit von 0,12 J/mm2 auf 0,14 J/mm2 im Bereich von -50 C bis 20 C, sinkt dieser Wert bei einer Temperatur von 200 C sogar noch unter den des Ausgangswertes, nämlich auf 0,11 J/mm2. ak [J/mm²] Aluminium 60 Stahl Messing T [ C] Abbildung 5: ak-t-diagramm 5 Diskussion 5.1 Aluminium Aluminium -50 C: Die Oberfläche ist rau und etwas nach innen gewölbt und an den Rändern sind deutliche Verformungen und Einschnürungen zu erkennen. Diese zeigen, dass es sich bei diesem Werkstoff um einen semiduktilen Werkstoff handelt der bei -50 C einen Scherbruch als Bruchverhalten zeigt. 10

36 Versuchsprotokoll Aluminium 20 C: Die Oberfläche weist einen höheren Rauheitsgrad auf als bei der gekühlten Probe und an den Rändern weist die Probe deutliche Anzeichen von Zugbeanspruchung auf. Da diese nicht zu einem Bruch führen, dehnen sich die Ränder und fransen aus. Zudem ist eine Bruchschräge von ungefähr 45 ersichtlich, woraus auf einen Scherbruch geschlossen werden kann. Aluminium 200 C: Diese Probe weist einen Scherbruch auf, welches sich in den deutlich ausgefransten Seitenstücken und der starken Verformung der Probe manifestiert und das die Probe nur teilweise gerissen ist. Bilder der einzelnen Proben sind im Anhang unter Abbildungen 6 bis 8 zu finden. 5.2 Messing Messing -50 C: Die Oberfläche ist leicht rau und weist einen geraden Bruch auf, was für einen Trennbruch typisch ist und auf eine sehr geringe Duktilität bei dieser Temperatur hinweist. Messing 20 C: Die Oberfläche ist deutlich rauer als die der -50 C Probe. Die Ränder der Probe sind leicht verformt und es lässt sich eine leichte Andeutung eines Mischbruches erkennen. Die Seiten weisen eine leichte Erhöhung mit einem annähernd 45 großen Winkel auf. Aufgrund dieser Erkenntnisse weist die Probe bei dieser Temperatur einen Trennbruch auf. Messing 200 C: Die Oberfläche ist noch rauer, als bei der 20 C Probe und an den Seiten ist diese Probe leicht eingeschnürt. Auch hier taucht wieder an den Rändern ein Winkel von annähernd 45 C auf, was wieder darauf deutet, dass diese Probe mit einem Trennbruch bricht. Bilder der einzelnen Proben sind im Anhang unter Abbildungen 9 bis 11 zu finden. 11

37 Versuchsprotokoll 5.3 Stahl Stahl -50 C: Die Oberfläche ist rau und unregelmäßig, jedoch mit klarer Grenze gebrochen, was auf eine sehr geringe Duktilität beim Werkstoff hinweist und zu einem Trennbruch führt. Stahl 20 C: Die Oberfläche dieser Probe ist deutlich, als im vorherigen Fall. Sie ist rau und leicht uneben, jedoch mit klar abgegrenzten Bruchecken. Dies deutet auf eine sehr geringe Duktilität und führt auch hier zum Trennbruch. Stahl 200 C: Die Oberfläche dieser Probe ist rau und weist an den Seiten leichte Einschnürungen auf. Die Bruchstelle weist eine deutliche Schrägung auf, was auf eine starke Duktilitätserhöhung im Vergleich zur 20 C Probe deutet. Die Einschnürungen an den Seiten lassen erkennen, dass die Probe in diesem Stadium mit einem Scherbruch bricht. Bilder der einzelnen Proben sind im Anhang unter Abbildungen 12 bis 14 zu finden. 6 Fehlerbetrachtung Wie bei jedem Versuch treten auch hier Fehler bei der Messung auf. Diese Fehler lassen sich in drei verschiedene Kategorien einteilen. Erstens in systematische Fehler der Messeinrichtung, zweitens in statistische Fehler, die während des Versuches auftreten können und drittens in Fehler, die durch die unterschiedliche Materialqualität der Proben entstehen. 6.1 Statistische Fehler Statistische Fehler treten zufällig auf und lassen sich im Vorhinein nicht einschätzen. Jedoch lassen sich diese Fehler durch wiederholte Messung und anschließender Mittelung der Messergebnisse kompensieren (wie hier mit 5 Messungen geschehen) oder beispielsweise durch Verwendung einer besseren Messeinrichtung minimieren. Der Einfluss der statistischen Fehler dürfte in diesem Versuch nur sehr gering sein und in Ableseungenauigkeiten der Messuhr begründet liegen. 12

38 Versuchsprotokoll Da wie oben schon erwähnt der Einfluss der statistischen Fehler in diesem Fall sehr gering ist und eventuell auftretende Fehler durch wiederholte Messungen teilweise oder gar ganz kompensiert wurden, können diese Fehler vernachlässigt werden. 6.2 Systematische Fehler Unter systematischen Fehlern versteht man den Anteil an Messungenauigkeiten, der sich auch durch wiederholte Messungen im Mittel nicht ausgleichen lässt, wodurch sie sich von den statistischen Fehlern unterscheiden. Trotz genauer Rahmenmaterials Kalibrierung der Prüfmaschine, der Verwendung eines steifen und genauer Positionierung der Probe lassen sich diese Fehler nur minimieren und nicht gänzlich auslöschen, sodass sie hier kurz erwähnt werden sollten. Einer der Fehler in dieser Gruppe dürfte seinen Ursprung in den Reibungsverlusten der Gerätschaft haben. Durch die Reibung wird ein Teil der potentiellen Energie in Wärme umgewandelt, was zu einer scheinbar höheren Kerbschlagbiegearbeit führt. Da diese Reibungsverluste jedoch sehr gering und damit vernachlässigbar sind, sollen sie hier nicht weiter beachtet werden. Die wichtigste Fehlerquelle in dieser Kategorie, welche auch den größten Einfluss nimmt, liegt in der Abweichung der geforderten zur wirklichen Temperatur. Die Proben wurden im Gefrierfach bzw. auf einer Herdplatte auf die gewünschte Temperatur gebracht und von dort zum Versuchsapparat getragen. Da sowohl der Transport, als auch das genaue Einlegen und justieren mit Hilfe des Justierwerkzeuges sehr viel Zeit in Anspruch nimmt, kommt es währenddessen zu einer Erwärmung bzw. Abkühlung der Proben. Diese so entstehende Temperaturdifferenz zum Sollwert, wird noch dadurch verstärkt, dass die Temperaturdifferenz zwischen Lagerbock und Probe sehr groß ist, wodurch die Abkühlung bzw. Erwärmung noch verstärkt wird. 13

39 Versuchsprotokoll 6.3 Materialfehler Die hier auftretenden Fehler lassen sich von uns größtenteils nicht beeinflussen, da sie ihre Grundlage in der Art und der Durchführung der Probenentnahme\-herstellung haben. Weiterhin spielen natürlich auch die sachgerechte Lagerung und Reinheit der zu prüfenden Probe eine entscheidende Rolle. Aufgrund dessen wurden die DIN Normen eingeführt, die vorschreiben, wie die Probenentnahme stattzufinden hat. Doch selbst bei genauer Einhaltung der Normen und sachgerechtem Umgang mit den Proben lassen sich einige Materialfehler nicht beeinflussen und werden immer wieder von Zeit zu Zeit auftreten. Beispielsweise lassen sich Fehler im Metallgitter (z.b. Leerstellen, Fremdatome, Versetzungen, Korngrenzen, etc.) im Vorhinein nicht nachweisen, nehmen aber großen Einfluss. Unter anderem nehmen die Verformungen der Proben und die unterschiedlichen Brüche, verbunden mit unterschiedlichen Bruchenergien, einen entscheidenden Einfluss. Da jedoch für jede Probe mehrere Messungen durchgeführt werden, werden auch die diese Einflüsse minimiert und können vernachlässigt werden. 6.4 Bewertung Da in diesem Versuch je fünf Messungen pro Probe durchgeführt werden, kann von einer ausreichenden Genauigkeit der Messwerte ausgegangen werden, da eventuell auftretende Messfehler wie oben schon beschrieben minimiert werden. Besonders die Tatsache, dass die hier ermittelten Werte nur Vergleichswerte sind und keine Materialkennwerte, lassen auch noch die Brauchbarkeit bei kleineren Messfehlern bestehen. Sollte eine noch höhere Genauigkeit gewünscht sein, so müsste eine noch größere Messreihe durchgeführt werden, da so eine Kompensation der Fehler immer wahrscheinlicher wird. Dadurch würden natürlich sowohl der Kosten-, als auch der Zeitaufwand erheblich steigen. 14

40 Versuchsprotokoll 7 Literaturverzeichnis [Mül11] C. Müller, Bauteilprüfung Skript zum Praktikum, Papierflieger Verlag, 2011 [Esd11] A. Esderts, Bauteilprüfung Skript zur Vorlesung, Papierflieger Verlag, 2011 [Poly] 15

41 Versuchsprotokoll 8 Anhang Abbildung 6: Aluminium -50 C Abbildung 7: Aluminium 20 C Abbildung 8: Aluminium 200 C Abbildung 9: Messing -50 C Abbildung 10: Messing 20 C Abbildung 11: Messing 200 C 16

42 Versuchsprotokoll Abbildung 12: Stahl -50 C Abbildung 13: Stahl 20 C Abbildung 14: Stahl 200 C 17

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