4. Werkstoffeigenschaften. 4.1 Mechanische Eigenschaften

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Charlotte Messner
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1 4. Werkstoffeigenschaften 4.1 Mechanische Eigenschaften Die mechanischen Eigenschaften kennzeichnen das Verhalten von Werkstoffen gegenüber äußeren Beanspruchungen. Es können im allg. 3 Stadien der Verformung unterschieden werden: - Reversible Verformung - Irreversible Verformung - Bruch 52

2 Reversible Verformung: Vollständiger Rückgang einer Formänderung bei Entlastung entweder sofort (Elastizität) oder zeitlich verzögert (Viskoelastizität/Anelastizität) Irreversible Verformung: Bleibende Formänderung auch bei Entlastung (Plastizität, Viskoplastizität) Bruch: Trennung des Werkstoffes infolge der Bildung und Ausbreitung von Rissen 53

3 4.1.1 Reversible Formänderungsmechanismen: a) linear-elastisches Verhalten: Energie-Elastizität Lenard-Jones -Potential (potent. Energie zwischen 2 Atomen) U(r) = - r -m + r -n α E = tan 54

4 Linear-elastisches Verhalten: - Zeitunabhängigkeit zwischen Belastung und Verformung (Schallgeschwindigkeit) - lineare Abhängigkeit der Verformung von der Belastung (Hooke sches Gesetz) - Modell des Werkstoffes ist die Feder 55

5 Werkstoffkennwerte: - E Elastizitätsmodul = E - G Schubmodul = G - Querkontraktionszahl (Poisson-Zahl) = - quer / längs Es gilt: E = 2 G (1 + ) 56

6 Querkontraktionszahl : für die wichtigsten Metalle gilt 0,3 0,36 und daher G 3 / 8 E E-Modul: Stahl Alu Titan Porzellan SiC Polystyrol Plexiglas

7 b) nichtlinear-elastisches Verhalten: Prof. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. Uwe Uwe Reinert Reinert Prof. Dr.-Ing. Abteilung Rüdiger Maschinenbau Schubert Fachbereich Maschinenbau - Zeitunabhängigkeit von Belastung und Verformung - nichtlineare Abhängigkeit der Verformung von der Belastung - Formänderungen von mehreren 100% (gummielastisch) - vollständig reversible Verformung 58

8 c) anelastisches/viskoelastisches Verhalten: - Zeitabhängigkeit von Belastung und Verformung - vollständig reversible Verformung - Werkstoffmodell ist eine Feder-Dämpfer-Kombination 59

9 Dämpfung: Dämpfungsarbeit entspricht der Hysteresefläche, bei jeder vollständigen Schwingung wird diese Energie im Werkstoff in Wärme umgewandelt und dissipiert Energieverlust pro Zyklus: Gußeisen 5 % Stahl 0,01% Bronze 0,1 % Gummi % 60

10 4.1.2 Irreversible Formänderungsmechanismen: a) plastisches Verhalten: - Zeitunabhängigkeit von Belastung und Verformung - irreversible Verformung - Werkstoffmodell besteht aus Feder und Reibelement e = elastische Dehnung p = bleibende bzw. plastische Dehnung 61

11 Situation im Werkstoff: 62

12 r = cos sin Schmid sches Schubspannungsgesetz: Wird ein Werkstoff unter Zug/Druck belastet, dann sind die Schubspannungen unter 45 maximal. 63

13 b) viskoplastisches Verhalten (Kriechen): - Zeitabhängigkeit von Belastung und Verformung - irreversible Verformung - Werkstoffmodell besteht aus Feder, Dämpfer und Reibelement - Metalle bei T > 0,3-0,4 T M Keramiken bei T > 0,4-0,5 T M (T M = Schmelztemp. in K) 64

14 Charakteristik der Kriechkurve: 65

15 Temperatureinfluß auf Kriechkurve: 66

16 Kriechkurve und Zeitstandschaubild: 67

17 Auslegung warmfester Stähle: Ohne Kriechen - temperaturabhängige 0,2%-Dehngrenze Mit Kriechen (verformungsreich=duktil) - 0,2%-Zeitdehngrenze Mit Kriechen (verformungsarm) - Zeitstandfestigkeit (Bruch) 68

18 4.1.3 Bruch: Mikroskopische Bruchvorgänge 69

19 Makroskopische Bruchformen: - einachsig, quasistatisch beanspruchter Zugstab 70

20 Makroskopische Brucharten: - Sprödbruch (Trennbruch) - Zähbruch = duktiler Bruch = Verformungsbruch (Gleitbruch) a) transkristalliner Sprödbruch b) interkristalliner Sprödbruch c) duktiler Bruch durch Porenbildung an Einschlüssen (cup and cone fracture) d) duktiler Bruch mit vollständiger Einschnürung (z.b. reine Einkristalle) e) duktiler heterogener Scherbruch 71

21 transkristallin Sprödbruch interkristallin 72

22 Zähbruch Grübchen- oder Wabenbruch 73

23 Dauerbruch = Ermüdungsbruch Zyklische Beanspruchung Intrusion und Extrusion 74

24 4.2 Verfestigung - Erhöhung von Streckgrenze R e und Zugfestigkeit R m - Erhöhung der Härte (z.b. HB, HV) - Erniedrigung der Bruchdehnung A - Erhöhung des Verformungswiderstandes 75

25 Verfestigungsmechanismen Prof. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. Uwe Uwe Reinert Reinert Prof. Dr.-Ing. Abteilung Rüdiger Maschinenbau Schubert Fachbereich Maschinenbau Einschränkung der Bewegung von Versetzungen 76

26 Verfestigungsmechanismen 0D 0D 3D 1D 2D Mischkristallverfestigung (Einlagerung) = Härtungsverfestigung Mischkristallverfestigung (Substitution) = Legierungsverfestigung Dispersionsverfestigung = Teilchenverfestigung = Ausscheidungshärtung Kaltverfestigung = Verformungsverfestigung Feinkornhärtung = Korngrenzenverfestigung 77

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