TU Bergakademie Freiberg Institut für Werkstofftechnik Schülerlabor science meets school Werkstoffe und Technologien in Freiberg

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Britta Acker
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TU Bergakademie Freiberg Institut für Werkstofftechnik Schülerlabor science meets school Werkstoffe und Technologien in Freiberg GRUNDLAGEN SEKUNDARSTUFE I Modul: Versuch: Mechanische

Dies geschieht bei hohen Geschwindigkeiten, das heißt eine schlagartige Belastung (wie beispielsweise das Durchfahren eines Schlaglochs) wird realisiert.

ergeben sich variierende Kennwerte und Brucharten. An einem Baustahl und einem Edelstahl sollen e durchgeführt und bezüglich der Kenngrößen ausgewertet werden.

1 TU Bergakademie Freiberg Institut für Werkstofftechnik Schülerlabor science meets school Werkstoffe und Technologien in Freiberg GRUNDLAGEN SEKUNDARSTUFE I Modul: Versuch: Mechanische Werkstoffeigenschaften Abbildung 1: Kerbschlagprobe zur Ermittlung mechanischer Werkstoffkennwerte 1 I. VERSUCHSZIEL Der bietet die Möglichkeit mechanische Werkstoffgrößen zu erfassen. Dies geschieht bei hohen Geschwindigkeiten, das heißt eine schlagartige Belastung (wie beispielsweise das Durchfahren eines Schlaglochs) wird realisiert. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung verschiedener Werkstoffe, ihrer Herstellung und Verarbeitung, Mikrostruktur und den beim Versuch realisierten Beanspruchungsbedingungen ergeben sich variierende Kennwerte und Brucharten. An einem Baustahl und einem Edelstahl sollen e durchgeführt und bezüglich der Kenngrößen ausgewertet werden. Es soll erkannt werden, dass die Werkstoffe sich unterschiedlich verhalten und was dies zur Folge hat. Das selbständige Vermessen und Begutachten der Proben ist ein Teil der Auswertung und soll ein besseres Verständnis des Versuches ermöglichen. II. HINTERGRUND Jeder Gegenstand (z.b. Schmuck, Möbel) bzw. jedes Bauteil (z.b. aus einem Auto oder Flugzeug) wird aus bestimmten Werkstoffen hergestellt (z.b. Stahl, Aluminium, Beton, Holz usw.). Diese Werkstoffe können sowohl durch äußere Kraft (mechanisch), durch Umgebungsbedingungen wie Temperatur (thermisch) oder bestimmte Stoffe wie z.b. Säuren (korrosiv), aber auch im Zusammenspiel mit anderen Bauteilen wie z.b. bei einer Bremse (Verschleiß) beansprucht werden. In der Realität ist oft eine Kombination solcher Beanspruchungen der Fall. Eine große Aufgabe ist der Werkstoffprüfung beizumessen, zu deren Aufgaben auch die Ermittlung mechanischer Werkstoffkennwerte gehört. Beim

2 , welcher in Abbildung 2 schematisch dargestellt ist, lassen sich unter definierten Bedingungen probenunabhängige Kennwerte bestimmen. Außerdem kann er zum Bestimmen des generellen Werkstoffverhaltens, zum Vergleichen unterschiedlicher Werkstoffe und zur Qualitätsüberprüfung (zum Beispiel im Stahlwerk) genutzt werden. Eine einfache Probenfertigung sowie eine schnelle und kostengünstige Versuchsdurchführung sind weitere Merkmale dieses Versuchs. 2 Abbildung 2: schematische Darstellung des Versuchsaufbaus beim An einem Pendel befindet sich der Kerbschlaghammer, welcher unterschiedlich hoch ausgelenkt werden kann. Dadurch besitzt der Hammer eine potentielle Energie. Dort wird er dann arretiert, die Probe wird unten auf ein Widerlager gelegt. Schließlich wird die Arretierung gelöst und die potentielle Energie wandelt sich in kinetische Energie um, welche ihr Maximum im tiefsten Punkt hat. Dort trifft sie dann auf die Probe. Dies simuliert eine schlagartige Beanspruchung des Werkstoffs und soll herausfinden, wie stark der Widerstand gegen einen sofortigen Bruch ist. Durch einen Kerb in der Probe wird gewährleistet, dass die Probe genau in der Mitte bricht. Je nach Gewicht des Hammers und Länge des Pendels lassen sich Proben verschiedener Werkstoffe, Abmessungen und Kerben zerschlagen. Die Schlagenergie E = G r (1 cosα) ist vom Gewicht G des Hammers, dem Radius r und dem Auslenkungswinkel α des Pendels abhängig. Das heißt, je größer Gewicht des Hammers und Radius (Pendellänge) des Pendels, desto größer auch die Schlagenergie. Der Winkel beschreibt mathematisch, dass die maximale Schlagenergie erreicht wird, wenn das Pendel von ganz oben gestartet wird. Die Geschwindigkeit des Hammers ist wiederum vom Radius r und dem Winkel α abhängig. Bei

voller Auslenkung unseres Pendels wird eine Geschwindigkeit von 20 km/h erreicht. Mit dieser Geschwindigkeit kann man sich beispielsweise bei einem Sturz mit dem Rad schwer verletzen.

3 voller Auslenkung unseres Pendels wird eine Geschwindigkeit von 20 km/h erreicht. Mit dieser Geschwindigkeit kann man sich beispielsweise bei einem Sturz mit dem Rad schwer verletzen. Es gibt Werkstoffe, die verhalten sich spröd, das heißt, es wird wenig Energie benötigt, um den Bruch zu erzeugen. Das ist vergleichbar mit Glas oder Keramik. Diese Werkstoffe brechen bei einer bestimmten Beanspruchung sofort durch. Dieses schnelle und unkontrollierte Brechen eines Werkstoffs möchte man bei technischen Anwendungen häufig vermeiden. Bei anderen Werkstoffen wird mehr Energie zum Zerstören der Probe benötigt, sie verhalten sich duktil, das heißt sie verformen sich plastisch. So verhalten sich häufig Metalle, beispielsweise eine Büroklammer. Das Verhalten der Werkstoffe beim wird unter anderem durch die Geschwindigkeit des Hammers, die Temperatur und die Form und Tiefe des eingebrachten Kerbs beeinflusst. Im Wesentlichen gibt es drei verschiedene Kennwerte, die man aus diesem Versuch bestimmen kann. Zum ersten die Kerbschlagarbeit, das entspricht der verbrauchten Energie durch die Zerstörung der Probe. Je niedriger die Kerbschlagarbeit, umso weniger Energie verliert das Pendel im Bereich der Probe und desto höher wird der Hammer nach dem Schlag ausgelenkt. Eine hohe Kerbschlagarbeit hingegen kennzeichnet ein duktiles Verhalten des Werkstoffs. 3 Abbildung 3: Kerbschlagproben mit unterschiedlichem Sprödbruchanteil Der zweite Kennwert ist der Anteil des kristallinen Fleckes auf den Bruchflächen, welcher prozentual abgeschätzt wird. Kristallin, d.h. glänzend sieht eine Bruchfläche aus, wenn sie spröd gebrochenen ist. Dies ist in Abbildung 3 zu erkennen, beim linken Bild beträgt der Anteil des kristallinen Fleckes 0 %, beim rechten Bild 100 %. Eine weitere Größe aus diesem Versuch ist die seitliche Breitung. Damit sind Ausbauchungen am Rand der Probe gemeint, welche die Breite der Probe vergrößern. Dieser Effekt tritt umso stärker auf, je duktiler eine Probe gebrochen ist. Nach dem Versuch misst man die Breite der beiden Probenhälften und zieht das Ausgangsmaß ab. Es gibt Werkstoffe (z.b. Stahl), die zeigen eine deutliche Temperaturabhängigkeit, das heißt sie verspröden bei niedrigerer Temperatur. Man spricht in diesem Fall von einer Hoch und Tieflage der Kerbschlagarbeit und einer Übergangstemperatur T Ü. Andere Werkstoffe weisen kaum einen Temperatureinfluss, wie z.b. ein duktiler Edelstahl oder auch Aluminium. Abbildung 4 zeigt ein Diagramm mit Kurven unterschiedlicher Werkstoffe.

Abbildung 4: unterschiedliches Verhalten von Werkstoffen beim III.

Dieses kann eine maximale Schlagenergie von 300 Joule erzeugen.

Der Querschnitt der Proben beträgt 10x10 mm 2 und die Länge 55 mm. Der Kerb ist mit einem V vergleichbar, 2 mm tief mit einem Kerbwinkel von 45.

4 Abbildung 4: unterschiedliches Verhalten von Werkstoffen beim III. MATERIALIEN UND GERÄTE Die Versuche werden an dem in Abbildung 5 dargestellten Pendelschlagwerk durchgeführt. Dieses kann eine maximale Schlagenergie von 300 Joule erzeugen. Die Proben werden nach dem Prüfaufbau von Charpy zerschlagen, das heißt die Kerbe befindet sich auf der hammerabgewandten Seite. Der Querschnitt der Proben beträgt 10x10 mm 2 und die Länge 55 mm. Der Kerb ist mit einem V vergleichbar, 2 mm tief mit einem Kerbwinkel von Abbildung 5: Pendelschlagwerk Es werden Proben eines einfachen Baustahls S 235 (0,15% Kohlenstoff enthalten) und Proben aus Edelstahl (0,07% C Gehalt) bei verschiedenen Temperaturen zerschlagen. Um die unterschiedlichen Temperaturen einzustellen werden flüssiger Stickstoff ( 196 C), Ethanol (Raumtemperatur) und ein Muffelofen (100 C) verwendet. Die seitliche Breitung wird mit einer Schieblehre ausgemessen.

5 IV. VERSUCHSABLAUF Zunächst müssen die Proben auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Dies geschieht durch das Legen in eine passend temperierte Flüssigkeit bzw. in einen entsprechend aufgeheizten Muffelofen. Anschließend kann man der Reihe nach die Proben mit einer Zange in die Maschine einlegen und diese starten. Die verbrauchte Kerbschlagarbeit ist sofort nach dem Versuch abzulesen. Die Probenstücke sollten gekennzeichnet werden, damit später keine Verwechslungen auftreten. Im Anschluss ist der Anteil des kristallinen Fleckes zu bestimmen und die seitliche Breitung der Proben auszumessen. LITERATUR [1] Blumenauer, Horst, Werkstoffprüfung, 6. Auflage, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1994, S

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