Geologie, Werkstoffe und Bauchemie Praktikumsskript

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1 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen Geologie, Werkstoffe und Bauchemie Praktikumsskript Univ.-Prof. Dr.-Ing. K.-Ch. Thienel Herbsttrimester 2011

2 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite 2 Inhaltsverzeichnis 1 Stoffkennwerte Praktikumsinhalt Längenmessung Temperaturmessung Feuchtemessung Viskosität von Flüssigkeiten Rheologie Elastizitätsmodul Einführung in die Chemie Praktikumsinhalt Analytik Säure/Base Lösen von Metallen Oxidation Normalpotenzial Grenzflächen Baustahl Praktikumsinhalt Bezeichnungen Baustahl/Betonstahl/Spannstahl Stahl lesen Spannungs-Dehnungslinie Zugversuch (DIN EN 10002) Dauerbiegeversuch Kerbschlagbiegeversuch (DIN EN ISO 12737) Stahlgefüge Praktikumsinhalt Umwandlung krz/kfz Eisen Eisen-Kohlenstoff Diagramm Stahlgefügebilder...23

3 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite 3 1 Stoffkennwerte 1.1 Praktikumsinhalt Das Praktikum behandelt folgende Themen: Theoretischer Teil: o Temperaturmessung o Viskosität von Flüssigkeiten o Elastizitätsmodul o Rheologie o REM Praktischer Teil: o Längenmessung o Feuchtemessung 1.2 Längenmessung Tabelle 1.1: Messgeräte

4 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite Temperaturmessung Die Temperatur wird mit einem Thermometer erfasst. Unterschieden werden Thermometer in berührungslose und berührende Thermometer. Zu den Berührungslosen gehören Thermografiekameras, die Temperaturverteilungen in einem Bild sichtbar machen. Mit Hilfe der Thermografie lassen sich Temperaturmessungen flächenförmig erfassen und darstellen. Unter dem Begriff Berührungsthermometer sind all diejenigen Thermometer zu verstehen, die direkt mit dem Medium in Berührung kommen, dessen Temperatur gemessen werden soll.

5 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite Feuchtemessung Zur Feuchtemessung von Baustoffen werden verschieden physikalische und chemische Messverfahren eingesetzt. Zu diesen zählen: Darr-Wäge Verfahren: Das Darr-Wäge Verfahren ist eine gravimetrische Methode zur Feuchtigkeitsbestimmung. Hierzu wird eine Probe des Baustoffes entnommen, luftdicht verpackt, im Labor gewogen und im Anschluss daran meist bei 105 C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Das Ziel der Methode besteht darin, den physikalisch gebundenen Wasseranteil in der Probe zu bestimmen. Die anschließende Wägung ergibt das Trockengewicht. Aus der Differenz der beiden Wägungen kann der absolute Feuchtegehalt [M.-%] bestimmt werden. CM-Methode: Bei diesem Verfahren wird der zerkleinerten Baustoffprobe Calciumcarbid zugesetzt. Das dabei in Reaktion mit Wasser entstehende Acetylen wird über den gemessenen Gasdruck mittels einer Eichkurve bestimmt. Aus der Einwaage der Probe kann dann der Feuchtigkeitsgehalt bestimmt werden. Haarhygrometer: Ein Haarhygrometer ist ein Messgerät zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit. Hierbei dienen Haare oder geeignete Kunststofffasern, die sich bei unterschiedlichen Feuchtegehalten unterschiedlich ausdehnen, bei Temperaturänderungen aber konstant bleiben, als Fühler. Die feuchteabhängige Längenänderung wird mit Hilfe einer feinen Mechanik auf einen Zeiger oder Schreibhebel übertragen. Taupunktspiegel: Bei diesem Verfahren wird die Kondensation von Wasserdampf bei Taupunktunterschreitung ausgewertet. Die Temperatur einer verspiegelten Fläche wird so weit abgekühlt, bis diese gerade anfängt zu beschlagen. Die in diesem Moment gemessene Temperatur entspricht der Taupunkttemperatur, aus der sich über den Sättigungsdruck die relative Luftfeuchte berechnen lässt. Holzfeuchtebestimmung: Bei den in der Praxis gebräuchlichen Verfahren zur Bestimmung der Holzfeuchte handelt es sich um indirekte Messverfahren, bei denen die an der jeweiligen Messstelle vorliegende Holzfeuchte über die Ermittlung des Ohmschen Widerstandes (Widerstandsmessmethode), der dielektrischen Eigenschaften (kapazitive Messmethode) oder der Infrarotabsorption (Resonanz des H 2 O Moleküls) geschätzt wird. Beim Widerstands- Messverfahren werden in das Holz zwei Elektroden eingeschraubt oder eingeschlagen, über die der elektrische Widerstand des Holzes gemessen wird. Da der Widerstand auch von der Holzart und der Temperatur abhängig ist, sind die Geräte mit Holzarten- und Temperaturschaltern oder speziellen Umrechnungstabellen ausgerüstet. Bei der kapazitiven Widerstandsmessung werden auf das Holz Messbügel oder Sensorflächen angelegt, die Hochfrequenzwellen bis in eine Tiefe von 50 mm aussenden. Die Messung ist von der Rohdichte des Holzes abhängig, so dass am Gerät Umrechnungsschalter notwendig sind.

6 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite Viskosität von Flüssigkeiten Definition Viskosität: Die Viskosität kann mit verschiedenen Methoden und Geräten bestimmt werden, u. a. dem Kugelfallviskosimeter und dem Rotationsvikosimeter. Das Kugelfallviskosimeter, auch Höppler-Viskosimeter genannt, arbeitet nach dem Prinzip des Kugelfalls im so genannten Stokes schen Bereich. Die Viskositätsmessung wird hierbei auf eine Zeitmessung reduziert. Relevant ist die Zeit, welche eine Kugel benötigt, eine definierte Strecke im zu vermessenden Fluid zurück zu legen. Das Rotationsviskosimeter ist ein Gerät zur Bestimmung der dynamischen Viskosität, bei dem sich die Messflüssigkeit in einem engen Spalt zwischen einem inneren und einem äußeren Zylinder befindet. Einer der beiden Zylinder wird durch einen Motor angetrieben, der jeweils andere verbleibt feststehend. In dem engen Ringspalt zwischen Wand und Rotationskörper wird die viskose Flüssigkeit geschert und bremst dabei die Bewegung des Rotationskörpers ab, was als Messsignal (z.b.: Geschwindigkeitsgefälle) mit verschiedenen Mitteln erfasst werden kann und aus welchem dann die Viskosität bestimmt werden kann. Definition Thixotropie: 1.6 Rheologie Unter Rheologie versteht man das Verformungs- und Fließverhalten von Materie unter Einwirkung äußerer Kräfte. Tabelle 1.2: Einteilung der Formänderungen spannungsabhängig sofort auftretend zeitabhängig spannungsunabhängig umkehrbar, reversibel elastisch el verzögert elastisch v Wärmedehnung T Feuchtedehnung s nicht umkehrbar, irreversibel Fließen, plastisch pl Kriechen viskos kr chemische Dehnung

7 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite 7 Tabelle1.3: Rheologische Grundmodelle Hooke sche Feder Newton scher Dämpfer St. Venant sches Reibungselement Kombinationen dieser Grundmodelle können in Reihen- und Parallelschaltung ausgeführt werden und werden im Vorlesungsskriptum Stoffkennwerte ausführlich behandelt.

8 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite Elastizitätsmodul Der Elastizitätsmodul ist ein Materialkennwert, der den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers bei linear elastischem Verhalten beschreibt. Der Elastizitätsmodul wird mit E-Modul oder als Formelzeichen mit E abgekürzt und berechnet sich aus folgender Formel: Spannungs-Dehnungs-Diagramm: E Spannung Dehnung tan Beispiel: Bestimmung des E-Moduls eines Stahlstabes. A l Beim Ziehen des Stabes mit einer Kraft F = 1000 KN verlängert sich der Stab um 0,012 m, geht aber nach dem Nachlassen der Kraft wieder auf seine Ursprungslänge zurück. Seine Ursprungslänge l beträgt 1 m und seine Querschnittsfläche A beträgt 4 cm 2. Bestimmen Sie den E-Modul!

9 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite 9 2 Einführung in die Chemie 2.1 Praktikumsinhalt Das Praktikum behandelt folgende Themen: Theoretischer Teil und praktischer Teil jeweils zu: o Analytik o Säure/Base o Elektrochemie, Normalpotential o Grenzflächen 2.2 Analytik Die analytische Chemie befasst sich mit den Untersuchungsmethoden zur Zusammensetzung von Stoffen. Man unterscheidet in qualitative und quantitative Nachweise. Qualitative Nachweise können bspw. der Eisennachweis oder der Chloridnachweis sein. Quantitativ kann eine Bestimmung z. B. mit Hilfe der Photometrie erbracht werden. Analytik besteht aus: 1. Probenahme und Dokumentation 2. Stofftrennung 3. Herbeiführen einer Reaktion 4. Messung Spurenbestimmung von Eisen Trockenes Eisen(II)-Sulfat wird in ein trockenes 400 ml - Becherglas gegeben und (vermeintlich) restlos wieder zurückgeschüttet. Gibt man nun Wasser in das Becherglas, so lässt sich darin trotzdem noch Eisen mit Kaliumhexacyanoferrat (III) - Lösung durch Blaufärbung nachweisen. Die Proportionalität der Farbtiefe zur Konzentration eröffnet zugleich eine quantitative Bestimmungsmöglichkeit (Photometrie). Spurenbestimmung von Zink Zinksulfatlösung (1 g/150 ml) wird mit Kaliumhexacyanoferrat (III) - Lösung versetzt. Es fällt ein gelbweißer Niederschlag aus. In der Praxis kann dieser Versuch als Nachweis von gelöstem Zink z. B. im Boden unter verzinkten Stahlkonstruktionen (bei Materialabtrag durch sauren Regen) genutzt werden. Wäre die Lösung allerdings auch eisenhaltig gewesen, hätte man durch die Blaufärbung den Zinkgehalt übersehen. Chloridnachweis Eine NaCl - Lösung (0,5 g / 150 ml) wird mit AgNO 3 - Lösung versetzt. Es fällt AgCl aus. Der Niederschlag kann getrocknet, gewogen und auf Chloridgehalt umgerechnet werden. (Beispiel für gravimetrische Analyse) In der Praxis kann damit der Chloridgehalt in Stahlbeton (wichtig wegen der Korrosionsgefahr!) bestimmt werden.

10 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite Säure/Base Nach BRÖNSTED und LOWRY sind Säuren Stoffe oder Teilchen, die H + -Ionen (Protonen) abgeben können. Entsprechend sind Basen in der Lage, H + -Ionen aufzunehmen. Die Stärke einer Säure oder Base wird mit dem ph-wert beschrieben. Er umfasst eine Skala von 1 bis 14. Der Bereich von 1 bis 7 ist der saure, der von 7 bis 14 der basische Bereich, 7 selbst ist neutral. Mit kleiner werdender Zahl unter 7 des ph-werts nimmt die Stärke der Säure zu, mit größer werdender Zahl über 7 die der Base. Titration 100 ml HCl (hier nur Messzylindergenauigkeit) werden in ein 250 ml - Becherglas gegeben und mit dem Indikator Bromphenolblau versetzt. Dann werden langsam 100 ml NaOH aus dem Messzylinder zugegeben und der Farbumschlag beobachtet. Parallel dazu wird ein Stück Beton in Säure eingelegt. HCl + NaOH NaCl + H 2 O Molekulargewichte: 36,5 + 40,0 = 58,5 + 18,0 76,5 = 76,5 Dadurch kann eine unbekannte Säure- oder Basenmenge durch ein gemessenes Volumen Base/Säure bekannter Konzentration bestimmt werden. In der Praxis kann dieses Verfahren u. a. wie folgt genutzt werden: Schadwirkung der Säure auf Beton, Bestimmung des Säuren- oder Basengehalts von Industrieabwässern, Bestimmung des Säuregehalts von Grundwasser wegen der Gefahr des Betonangriffs. Carbonatisierung Carbonatisierung ist die chemische Umwandlung des Calciumhydroxids des Zementsteins durch CO 2 in Calciumcarbonat. Hierbei sinkt der ph-wert des hochalkalischen Frischbeton von >12,6 auf unter 9. Ca(OH) 2 + H 2 O + CO 2 CaCO 3 + 2(H 2 O) Die Änderung des ph-wertes kann mit Hilfe eines Indikators nachgewiesen werden. Im Bauwesen hat sich Phenophthalein als Standardindikator zum Nachweis der Carbonatisierung bzw. der Änderung des ph-wertes durchgesetzt. Mit der Phenolphthaleinreaktion lässt sich ausreichende Alkalität zum Schutz der Bewehrung nachweisen. 2.4 Lösen von Metallen Stahl + Säure/Lauge o Betonrippenstahl in Säure einlagern: Reaktion (bekannter Nachweis mit Kaliumhexacyanoferrat (II) o Betonrippenstahl in Lauge: keine Reaktion 2 Fe + 6 HCl -> 2 Fe Cl H 2 Durch dieses Verhalten weiß man, dass sich die Korrosionsgefahr für Stahl im Sauren erhöht und sich im Basischen vermindert. Aluminium + Säure/Lauge o Alurohr in Säure: Reaktion (Gasentwicklung + Auflösung) o Alurohr in Lauge: Reaktion (Gasentwicklung + Auflösung) 2 Al + 6 HCl -> 2 AlCl H 2 2 Al + 3 NaOH -> 2 Al(OH) Na +3 Na+ + 3 H 2 O -> 3 H NaOH

11 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite 11 Hiermit soll auf die schädigende Wirkung durch saure und basische Reinigungsmittel sowie durch Frischbeton auf Aluminiumfassaden und -profilen hingewiesen werden. Vorteil: Beton haftet nicht an Aluschalungen. Aluminium als Treibmittel Demonstriert wird die Treibwirkung von Aluminiumpulver in Zementleim. In der Praxis kann dieses Verhalten genutzt werden, um Poren in den Beton einzubringen. Diese ergeben einen leichteren, frostwiderstandsfähigeren Baustoff und plastischeren Frischbeton. 2.5 Oxidation Normalpotenzial Definition von Oxidation und Reduktion: alt: Sauerstoffaufnahme / -abgabe neu: Elektronenabgabe / - aufnahme Elektrochemische Spannungsreihe für einige Elemente: Na Mg Al Zn Fe Sn Cu Ag Au reaktionsfähig reaktionsträge Folgen dieser Reihe für die Beständigkeit der Metalle: Au Ag Cu Sn Fe Zn Al Mg Na bleibt blank sehr beständig, leichte Schwarzfärbung in S-haltiger Umgebung beständig, aber oberflächliche Oxid- oder Grünspanbildung beständig gegen Sauerstoff, aber weich nur als Beschichtung unbeständig (Rost) Ausnahme Edelstahl, Cortenstahl unedler als Eisen, aber beständige Oxidhaut unedler als Eisen, aber beständige Oxidhaut; z.t. elektrolytisch verstärkt (Eloxal), brennt unter großer Wärmefreisetzung. Zündtemperatur 1000 C für Massivaluminium, 400 C bei Pulver viel unedler als Eisen, aber beständige Oxidhaut. Mg brennt fein zerkleinert explosionsartig ab. Spontanreaktion mit Luftsauerstoff Strommessungen an verschiedenen Elektrodenpaarungen In eine NaCl Lösung (15 g / 750 ml, versetzt mit 10 ml 2 n HCl) werden Stücke bautechnisch relevanter Metalle (Stahl, Aluminium, Kupfer und Messing) gestellt und der Kurzschlussstrom zwischen den einzelnen Elektrodenpaarungen gemessen. (Bereich 30 ma) Damit soll auf Korrosionsprobleme bei der Kombination verschiedener Metalle, z.b. Messingschrauben + Stahl, Stahlschrauben + Aluminium hingewiesen werden.

12 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite 12 Strommessungen an Elektroden aus "gleichem" Material: In die Lösung wie oben werden zwei verschiedene Stahlprofile bzw. Aluminiumprofile gegeben. Auch hier sind messbare Ströme zu beobachten (Bereich 2 ma) Damit soll auf Korrosionsprobleme selbst bei vermeintlich gleichem Material, bedingt durch unterschiedliche Chargen, Legierungen oder Nachbehandlungen hingewiesen werden. 2.6 Grenzflächen Grenzflächen sind Flächen zwischen 2 Phasen, z. B. die Fläche zwischen den nichtmischbaren Flüssigkeiten Öl und Wasser. Oberflächenspannung Zwischen den im Wasser befindlichen Molekülen wirken Anziehungskräfte aus allen Richtungen. Sie addieren sich insgesamt zu null. An der Wasseroberfläche sind diese Kräfte nicht ausgeglichen, weil keine Anziehungskräfte nach oben wirksam werden können: Es entsteht also eine gerichtete Kraft ins Flüssigkeitsinnere hinein. Die Oberflächenspannung ist der Grund dafür, dass Wasser bestrebt ist, seine Oberfläche möglichst gering zu halten. So nehmen z.b. Regentropfen Kugelform an. Um die Oberflächenspannung herab zu setzen, benötigt man lediglich Spülmittel. Spülmittel bewirkt, Abbildung 2.4:Wasserläufer dass die Oberflächenspannung zerstört wird. Die Moleküle des Spülmittels ersetzen die Wassermoleküle an der Oberfläche, so dass die hohe Oberflächenspannung verloren geht. Emulsion/Suspension Unter einer Emulsion versteht man ein Gemisch zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten ohne sichtbare Entmischung (z.b. Wasser/Öl). Eine Suspension ist eine Gemisch einer Flüssigkeit mit einem darin verteilten Feststoff (z. B. Zement in Wasser). Durch den Tyndall Effekt kann eine scheinbar "unsichtbare" Suspension (Tyndall sche Lösung) mit einem Laserstrahl sichtbar gemacht werden.

13 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite 13 3 Baustahl 3.1 Praktikumsinhalt Das Praktikum behandelt folgende Themen: Theoretischer Teil: o Vorstellen verschiedener Baustähle o Spannungs-Dehnungs-Diagramm Stahl Praktischer Teil: o Stahllesen o Zugversuch o Kerbschlagbiegeversuch o Dauerbiegeversuch 3.2 Bezeichnungen Baustahl/Betonstahl/Spannstahl Baustahl: Betonstahl: Spannstahl: Stähle werden nach ihren Eigenschaften unterschieden und in Stahlsorten aufgeteilt. Die Bezeichnung für Stähle in Europa ist in der DIN EN und DIN EN festgelegt. Es werden heute etwa 2500 verschiedene Stahlsorten hergestellt. Beispiel:

14 BSt-sorte Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite 14 Tabelle 3.1: Baustahlbezeichnungen Kurzname BSt 420 S BSt 500 S BSt 500 M 2) Kurzzeichen 1) III S IV S IV M Werkstoffnummer Erzeugnisform Betonstabstahl Betonstabstahl Betonstahlmatte 2) 1 Nenndurchmesser d s mm 6 bis 28 6 bis 28 4 bis 12 4) - 2 Streckgrenze R e (ß s ) 5) bzw. 0,2%-Dehngrenze R p0,2 (ß 0,2 ) 5) N/mm² ,0 3 Zugfestigkeit R m (ß z ) 5) N/mm² 500 6) 550 6) 550 6) 5,0 4 Bruchdehnung A 10 (δ 10 ) 5) % ,0 N/mm² Dauerschwingfestigkeit 5 gerade Stäbe 7) Schwingbreite 2 δ A (2 10 6) ,0 ) 6 gebogene Stäbe 2 δ A (2 10 6) ) ,0 7 gerade freie Stäbe 2 δ A (2 10 6) ) ,0 von Matten mit 8 Schweißstelle 2 δ A (2 10 5) ) ,0 9 Rückbiegeversuch mit Biegerollendurchmesser für 14 bis 16 6 d s 6 d s - 1,0 6 bis 12 5 d s 5 d s - 1, Nenndurchmesser d s mm 20 bis 28 8 d s 8 d s - 1,0 Biegedorndurchmesser beim Faltversuch an der Schweißstelle s 5, d 13 Knotenschwerkraft S N - - 0,3 A s R e 5,0 Unterschreitung des Nennquerschnittes A s 14 8) % ,0 Siehe DIN 15 Bezogene Rippenfläche f R Siehe DIN 488 Teil T.4 16 C 0,22 (0,24) 0,22 (0,24) 0,15 (0,17) - Chem. Zusammensetzung 17 P 0,050 (0,055) 0,050 (0,055) 0,050 (0,055) - bei der Schmelzen- u. 18 Stückanalyse 9) S 0,050 (0,055) 0,050 (0,055) 0,050 (0,055) - max. 19 N 10) 0,012 (0,013) 0,012 (0,013) 0,012 (0,013) - 11) E, MAG, GP, E, MAG, GP, E 12), MAG 12), 20 Schweißeignung für Verfahren - RA, RP RA, RP RP 1) Für Zeichnungen und statische Berechnungen. 2) Mit den Einschränkungen nach Abschnitt 8.3 gelten die in dieser Spalte festgelegten Anforderungen auch für Bewehrungsdraht. 3) p-wert für eine statistische Wahrscheinlichkeit W = 1 α = 0,90 (einseitig) (siehe auch Abschnitt 5.2.2). 4) Für Betonstahlmatten mit Nenndurchmessern von 4,0 und 4,5 mm gelten die in Anwendungsnormen festgelegten einschränkenden Bestimmungen; die Dauerschwingfestigkeit braucht nicht nachgewiesen werden. 5) Früher verwendete Zeichen. 6) Für die Istwerte des Zugversuchs gilt, dass R m min. 1,05 R e (bzw. R p 0,2 ), beim Betonstahl BSt 500 M mit Streckgrenzwerten über 550 N/mm² min. 1,03 R e (bzw. R p 0,2 ) betragen muss. 7) Die geforderte Dauerschwingfestig. an geraden Stäben gilt als erbracht, wenn die Werte nach Zeile 6 eingehalten werden. 8) Die Produktion ist so einzustellen, dass der Querschnitt im Mittel mindestens dem Nennquerschnitt entspricht. 9) Die Werte in Klammern gelten für die Stückanalyse. 10) Die gelten für den Gesamtgehalt an Stickstoff. Höhere Werte sind nur dann zulässig, wenn ausreichende Gehalte an stickstoffabbindenden Elementen vorliegen. 11) Die Kennbuchstaben bedeuten: E = Metall-Lichtbogenhandschweißen, MAG = Metall-Aktivgasschweißen, GP = Gaspressschweißen, RA = Abbrennstumpfschweißen, RP = Widerstandspunktschweißen. 12) Der Nenndurchmesser der Mattenstäbe muss mindestens 6 mm beim Verfahren MAG und mindestens 8 mm beim Verfahren E betragen, wenn Stäbe und Matten untereinander oder mit Stabstählen 14 mm Nenndurchmesser verschweißt werden. Wert p % 3)

15 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite Stahl lesen Betonstabstahl besitzt zwei Reihen mit Rippen, deren Anordnung die Stahlsorte und das Herstellwerk kennzeichnet. Abbildung 3.1 zeigt zwei Beispiele von Rippenanordnungen und wie man diese liest. Abbildung 3.1: Beispiele Stahl lesen

16 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite Spannungs-Dehnungslinie Streckgrenze R e : Zugfestigkeit R m :

17 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite Zugversuch (DIN EN 10002) Der Zugversuch dient der Ermittlung von Zugfestigkeits- und Verformungskenngrößen und ist in der DIN EN geregelt. Die Probekörper werden Proportionalitätsstäbe genannt und ihre Geometrie entspricht Abbildung 3.2. Die Länge l 0 der Probe variiert nach Stahlsorte bzw. Metallsorte, bei Baustählen ist sie in der Regel 5*d 0, bei Betonstählen 10*d 0. Abbildung 3.2: Zugprobengeometrie Tabelle 3.2:Zugversuche Mess- und Kenngröße Einheit Probe 1 Probe 2 Probe 3 Material - Vorhandener Durchmesser Vorhandene Länge mm mm Querschnittsfläche mm 2 Höchstlast Endlänge KN mm Streckgrenze N/mm 2 Zugfestigkeit N/mm 2 Bruchdehnung %

18 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite Dauerbiegeversuch Mit diesem Versuch wird geprüft wie oft ein Stahlstab hin- und hergebogen werden kann, bis er bricht. Tabelle 3.3: Dauerbiegeversuch Art der Probe Anzahl der Biegungen 3.7 Kerbschlagbiegeversuch (DIN EN ISO 12737) Mit dem Kerbschlagbiegeversuch ist es möglich, die Zähigkeit von Werkstoffen zu bestimmen. Untersucht werden hier gekerbte Metallquader bei unterschiedlichen Temperaturen bei schlagartiger Belastung durch einen Pendelhammer. Der Pendelhammer zerschlägt die Probe mit einer vorgegebenen kinetischen Energie und erreicht gegenüber der Ruhelage die Höhe H 1. Die verrichtete Arbeit wird durch einen Schleppzeiger am Gerät angezeigt und zusammen mit der Prüftemperatur in ein Diagramm eingetragen. Dabei entstehen materialcharakteristische Kurven mit denen Aussagen über die Zähigkeit getroffen werden können, siehe Abbildung 3.3. Bei niedriger Kerbschlagarbeit spricht man von Tieflage der Zähigkeit, der Werkstoff verhält sich spröde. Bei hoher Kerbschlagarbeit spricht man von Hochlage der Zähigkeit. Der Werkstoff verhält sich duktil. Detail Abbildung 3.3: Aufbau des Pendelschlagwerks und Beispielkurve eines unlegierten Stahls Tabelle 3.4: Kerbschlagbiegeversuch

19 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite 19 Art der Probe Kerbschlagarbeit [J] Bruchaussehen [ ] spröd...zäh warm verformter Stahl +20 C -35 C +20 C -35 C kalt verformter Stahl Aluminium

20 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite 20 4 Stahlgefüge 4.1 Praktikumsinhalt Das Praktikum behandelt folgende Themen: Theoretischer Teil: o Veranschaulichung der Umwandlung krz/kfz-fe am Gittermodell o Einführung in Fe/C-Diagramm o Einführung in mikroskopische Technik und Bildverarbeitung Praktischer Teil: o Vorstellung diverser Stahlproben mit diversen C-Gehalten o Vorstellung diverser Bearbeitungsmethoden (Gewindeschneiden, Verzinken, Schweißen) im mikroskopischen Bild o Vorstellung verschiedener Schadbilder (Schweißfehler, Lunker, Seigerung, Anbrüche) und deren Entstehungsursachen o Vorstellung von Gussmaterialien (Kugel-, Lamellen-, Vermiculargraphitbildung) 4.2 Umwandlung krz/kfz Eisen Die Kristallstruktur der Metalle ergibt sich aus der Anordnung der Atome auf den Knotenpunkten eines räumlichen Gitters. Nach ihrem geometrischen Aufbau unterscheiden sich die Kristallgitter. Für das Eisen bzw. den Stahl sind kubische Kristallgitter von Bedeutung. Diese werden in kubisch-flächenzentriert und kubisch-raumzentriert unterschieden, siehe Abbildung 4.1. Abbildung 4.1: Gitterformen einer Eisenelementarzelle

21 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite Eisen-Kohlenstoff Diagramm Das Eisen-Kohlenstoff Diagramm ist die grafische Darstellung des Aggregatzustandes und des kristallinen Gefüges von Eisen-Kohlenstoff Legierungen beim Erstarren, Abkühlen und Erhitzen, Abbildung 4.2. Weil Kohlenstoff in allen technischen Eisenwerkstoffen auftritt und deren Eigenschaften beeinflusst, sind die aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ablesbaren Zusammenhänge wichtig. Abbildung 4.2: Eisen-Kohlenstoff Diagramm Tabelle 4.1: Schematische Darstellung der Gefügebestandteile von Stahl

22 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite 22 Tabelle 4.2 wiederholt die wichtigsten Begriffe, Phasen und deren Eigenschaften. Tabelle 4.2: Gefüge des Eisen-Kohlenstoff Diagramms Gefüge Phase Eigenschaften Austenit γ-mischkristall weich, zäh, gut umformbar Ferrit α-mischkristall spröder als Austenit Zementit Fe 3 C (Eisenkarbid) hart, äußerst spröde Perlit Eutektoid hart, spröde Ledeburit Eutektikum hart, sehr spröde Stähle mit C-Gehalten unter 0,8 % scheiden bei der Abkühlung aus dem Austenitgebiet Ferrit aus und der restliche Austenit zerfällt unter 723 C in Perlit. Bei einem Gehalt von 0,8 % Kohlenstoff bildet sich nur Perlit als Gemenge von Ferrit und Zementit. In Stählen mit C-Gehalten über 0,8 % entsteht Perlit und Zementit, wobei der Sekundärzementit an den Korngrenzen ausgeschieden wird. Abbildung 4.3: Umwandlung des Austenits

23 Praktikumsskript Herbsttrimester 2011 Seite Stahlgefügebilder