Brandenburgische Technische Universität Cottbus. Übung Grundlagen der Werkstoffe. Thema: Zugversuch

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1 Brandenburgische Technische Universität Cottbus Übung Grundlagen der Werkstoffe Thema: Zugversuch

2 Übungen Grundlagen der Werkstoffe WS 2011/12 Studiengang Termin Hörsaal Übungsleiter Wirtschaftsingenieurwesen (Produktionstechnik, Kraftwerkstechnik) Elektrotechnik Umweltingenieurwesen Verfahrenstechnik montags, 11:30-13:00 Uhr dienstags, 09:15-10:45 Uhr Großer Hörsaal (GH) Hörsaal 3 Dipl.-Ing. R. Steinert Dipl.-Ing. S. Bolz Maschinenbau dienstags, 15:30-17:00 Uhr Audimax 2 Dr.-Ing. J. Lindemann

3 Inhalt: Übungen Grundlagen der Werkstoffe WS 2011/12 Übung- Nr. Termin Thema /1.11. Zugversuch 2 07./ Kerbschlagbiegeversuch und Härtemessung 3 14./ Dauerschwingfestigkeitsprüfung 4 21./ Gitterstrukturen und Kristallbaufehler 5 28./ Binäre Zustandsdiagramme 6 05./ Eisen-Kohlenstoff-Diagramm 7 12./ Wärmebehandlung von Stahl Laborführung für Interessierte (nur MB) 9 16./ Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen / Verfestigungsmechanismen metallischer Werkstoffe

4 Musterfragen Zugversuch 4. Eigenschaften von Werkstoffen und deren Prüfung 1. Skizzieren Sie in ein Spannungs-Dehnungsdiagramm die Verläufe für ein sprödes und ein plastisch gut verformbares Metall. Kennzeichnen und erklären Sie die charakteristischen Kenngrößen 11. Erläutern Sie, was unter einem Duktil-, einem Spröd- und einem Ermüdungsbruch zu verstehen ist. Welche Beanspruchungen führen zu dem jeweiligen Bruchvorgang? 12. Was versteht man unter den Begriffen Steifigkeit, Festigkeit, Verformbarkeit, Zähigkeit, Sprödigkeit, Dauerfestigkeit? Geben Sie mit kurzer Beschreibung Prüfverfahren zur Ermittlung dieser Kennwerte an.

5 Aufgaben der Werkstoffprüfung Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen (Festigkeit, Verformbarkeit, Steifigkeit, Härte ) Qualitäts- und Fehlerprüfung Betriebsüberwachung Schadensanalyse

6 Einteilung der Prüfverfahren Mechanisch-technologische Prüfverfahren (Zugversuch, Härtemessung, Kerbschlagbiegeversuch, Dauerschwingfestigkeitsprüfung) Zerstörungsfreie Prüfverfahren (Ultraschallprüfung, Prüfung mit Röntgenstrahlung, magnetische und magnetinduktive Prüfverfahren) Struktur- und Gefügeanalyse (Lichtmikroskopie, Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie) Chemische Prüfverfahren (Prüfung der chemischen Zusammensetzung, Korrosionsprüfung) Physikalische Prüfverfahren (Untersuchung thermischer, optischer, elektrischer und magnetischer Werkstoffeigenschaften)

7 Zugversuch - Ziel Prüfprinzip: ein ungekerbter Probestab wird langsam und stetig (quasistatisch) unter Zugbeanspruchung bis zum Bruch belastet Aufzeichnung eines Kraft-Längenänderungs-Diagramms Ziel: Ermittlung von Festigkeits- und Verformungskennwerten unter einachsiger Zugbelastung Dimensionierung statisch beanspruchter Bauteile

8 Zugversuch - Prüfprinzip

9 Zugversuch - Probenformen Probenformen: Rund- bzw. Flachproben Rundproben: l 0 = 5 x d 0 (kurzer Proportionalstab) l 0 = 10 x d 0 (langer Proportionalstab) Flachproben: l 0 = 5,65 x A 0 (kurzer Proportionalstab) l 0 = 11,3 x A 0 (langer Proportionalstab)

10 Zugversuch Ergebnis: Kraft-Längenänderungs-Diagramm (abhängig von den Probenabmessungen!) Ermittlung der Festigkeits- und Verformungskennwerte (abmessungsunabhängig) Überführung des Kraft-Längenänderungs-Diagramms in technisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm

11 Zugversuch Kraft F [N] technische Spannung σ [MPa] (1 MPa = 1 N/mm 2 ) (Kraftmessdose) σ = F / A 0 (A 0 Ausgangsquerschnittsfläche [mm 2 ]) Längenänderung Δl [mm] technische Dehnung ε [%] (Traversenbewegung ε = Δl / l 0 bzw. Extensiometer) (l 0 Ausgangsmesslänge [mm])

12 Zugversuch Änderung der Abmessungen der Zugprobe während des Versuches (duktiler Werkstoff) a unverformt b mit Gleichmaßdehnung (bis zur Zugfestigkeit) c mit Einschnürung d - gebrochen

13 Zugversuch Spannungs-Dehnungs-Diagramm Typ I (Werkstoff mit Streckgrenze) Elastische (reversible) Längenänderung σ = E ε (Hook) Plastische (irreversible) Längenänderung) - diskontinuierlicher Übergang von der elastischen zur plastischen Dehnung - Beispiel: unlegierter Stahl (normalgeglüht)

14 Zugversuch Spannungs-Dehnungs-Diagramm Typ II (Werkstoff ohne Streckgrenze) - kontinuierlicher Übergang von der elastischen zur plastischen Dehnung - Beispiel: Aluminiumlegierung

15 Zugversuch - Kenngrößen Festigkeitskenngrößen: Obere Streckgrenze R eh R eh = F eh / A 0 0,2% - Dehngrenze R p0,2 R p0.2 = F p0,2 / A 0 (Ersatzstreckgrenze) Zugfestigkeit R m R m = F max / A 0 E-Modul E = σ / ε (Hook'sches Gesetz) Verformungskenngrößen: Bruchdehnung A 5 (A 10 ) A 5 (A 10 ) = l B / l 0 = (l B l 0 ) / l 0 Einschnürung Z Z = A B / A 0 = (A 0 A B ) / A 0

16 Zugversuch Bedeutung der Kenngrößen Festigkeitskenngrößen: Obere Streckgrenze R eh 0,2% - Dehngrenze R p0,2 (Ersatzstreckgrenze) } Widerstand gegenüber plastischer Verformung Zugfestigkeit R m Widerstand gegenüber Bruch E-Modul Widerstand gegenüber elastischer Verformung (Maß für die Steifigkeit, materialabhängig) Verformungskenngrößen: Bruchdehnung A 5 (A 10 ) Einschnürung Z } Maß für die plastische Verformbarkeit (Duktilität)

17 Zugversuch Spannungs-Dehnungs-Diagramme verschiedener Werkstoffe

18 Zugversuch Einfluss einer Wärmebehandlung auf Spannungs-Dehnungs-Diagramm des unlegierten Stahls C45 Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist vom Wärmebehandlungszustand des Materials abhängig.

19 Brandenburgische Technische Universität Cottbus Übung Grundlagen der Werkstoffe Thema: Kerbschlagbiegeversuch und Härtemessung

20 Musterfragen zu Kerbschlagbiegeversuch und Härtemessung 4. Eigenschaften von Werkstoffen und deren Prüfung 2. Was versteht man unter Zähigkeit und wovon ist sie abhängig? Nennen und beschreiben Sie kurz die Methode, um die Zähigkeit zu ermitteln. 11. Erläutern Sie, was unter einem Duktil-, einem Spröd- und einem Ermüdungsbruch zu verstehen ist. Welche Beanspruchungen führen zu dem jeweiligen Bruchvorgang? 12. Was versteht man unter den Begriffen Steifigkeit, Festigkeit, Verformbarkeit, Zähigkeit, Sprödigkeit, Dauerfestigkeit? Geben Sie mit kurzer Beschreibung Prüfverfahren zur Ermittlung dieser Kennwerte an.

21 Kerbschlagbiegeversuch-Motivation

22 Kerbschlagbiegeversuch-Prüfprinzip Prüfprinzip: eine genormte Kerbschlagbiegeprobe wird mit Hilfe eines Pendelschlagwerkes zerschlagen Ermittlung der verbrauchten Schlagarbeit (Kerbschlagzähigkeit) Ziel: Bewertung der Sprödbruchsicherheit von Werkstoffen Einbeziehung sprödbruchbegünstigender Faktoren in die Versuchsführung hohe Beanspruchungsgeschwindigkeit (Pendelschlagwerk) mehrachsiger Spannungszustand (gekerbte Probe) ggf. tiefe Prüftemperatur

23 Kerbschlagbiegeversuch-Pendelschlagwerk Pendelschlagwerk, Arbeitsinhalt: 300 J Kerbschlagbiegeversuch (schematisch)

24 Kerbschlagbiegeversuch-Pendelschlagwerk Kerbschlagzähigkeit K [J] K = m g (H - h) = m g r (cos α cos α 0 ) Die Kerbschlagzähigkeit (die zum Zerschlagen der Probe verbrauchte Schlagarbeit) wird aus der Differenz der Energien des Pendelhammers vor und nach dem Schlag bestimmt. erreicht der Hammer nach dem Schlag nahezu die Ausgangshöhe (h ~ H) verbrauchte Schlagarbeit gering Sprödbruch

25 Kerbschlagbiegeversuch-Probenformen Kerbschlagbiegeproben nach DIN EN (Deutsches Institut für Normung e.v. Europa-Norm) mit Rundkerb (U-Kerb) mit Spitzkerb (V-Kerb)

26 Kerbschlagbiegeversuch Angabe der Kerbschlagzähigkeit nach DIN EN : KU 300 = 105 J - Normalprobe mit U-Kerb - Arbeitsvermögen des Pendelschlagwerkes: 300 J - beim Bruch verbrauchte Schlagarbeit 105 J KV 150 = 27 J - Normalprobe mit V-Kerb - Arbeitsvermögen des Pendelschlagwerkes: 150 J - beim Bruch verbrauchte Schlagarbeit 27 J

27 Temperaturabhängigkeit der Kerbschlagzähigkeit Kerbschlagzähigkeit-Temperatur-Kurven für verschiedene Werkstoffgruppen 1: 2: 3:

28 Temperaturabhängigkeit der Kerbschlagzähigkeit für Baustähle wie S235 JR (krz): T ü Der Steilabfall der Kerbschlagzähigkeit wird durch die Übergangstemperatur T ü charakterisiert.

29 Kerbschlagbiegeversuch-Bruchflächenanalyse Sprödbruch Mischbruch Verformungsbruch Sprödbruch: kristallin glänzend Normalspannungsbruch senkrecht zur größten Normalspannung Verformungsbruch: matt, faserig Bruchfläche parallel zur Ebene der größten Schubspannung (45 )

30 Kerbschlagbiegeversuch-Bruchflächenanalyse Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen Sprödbruch Verformungsbruch

31 Temperaturabhängigkeit der Kerbschlagzähigkeit K-T-Diagramm für einen aktuellen, feinkörnigen Schiffbaustahl im Vergleich zum Stahl der Titanic Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von einem Mangansulfidteilchen; die Mangansulfidteilchen tragen zur Erhöhung der Sprödbruchempfindlichkeit bei Reduzierung der Kerbschlagzähigkeit Erhöhung der Übergangstemperatur

32 Definition der Härte Härteskala nach Mohs (1822): Härte nach Mohs Mineral 1 Talk 2 Gips 3 Kalkspat 4 Flußspat 5 Apatit 6 Feldspat 7 Quarz 8 Topas 9 Korund 10 Diamant 10 Härtegrade, wobei jedes Mineral einer bestimmten Härte von dem Mineral mit der nächst höheren Härte geritzt werden kann Bsp. Quarz ritzt Feldspat, aber nicht Topas Härte : Werkstoffwiderstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines härteren Prüfkörpers entgegensetzt

33 Härtemessung-Prüfprinzip Prüfprinzip: Eindrücken eines genormten, harten Prüfkörpers mit bestimmter Prüfkraft in den zu untersuchenden Werkstoff Ermittlung des Härtewertes aus der im Werkstoff verbleibenden Eindruckoberfläche bzw. aus der Eindrucktiefe Ziel: schnelle und billige Methode zur Bewertung der Festigkeit (Widerstand gegenüber plastischer Verformung) Methoden: Härtemessung nach Brinell Vickers Rockwell

34 Makrohärte-, Kleinlasthärte- und Mikrohärtemessung je nach Ziel der Härtemessung wird die Prüfkraft und damit die Größe des im Material verbleibenden Eindrucks gewählt Härte Prüfkraft [N] Anwendung Makrohärte Härtemessung an Gesamtgefügen Kleinlasthärte 1,96 <49 Härtemessung in Randschichten Mikrohärte <1,96 Härtemessung lokal in einzelnen Gefügebestandteilen

35 Brinell- und Vickershärtemessung Brinell-Härtemessung Prüfkörper: Kugel (Hartmetall bzw. gehärteter Stahl) Vickers-Härtemessung Prüfkörper: Pyramide (Diamant) Prüfkörper Prüfkörper Probe d Probe F-Prüfkraft [N], A-Eindruckoberfläche [mm 2 ] D-Durchmesser der Kugel [mm] d-durchmesser des Eindrucks [mm] F-Prüfkraft [N], A-Eindruckoberfläche [mm 2 ] d-diagonalenlänge des Eindrucks [mm]

36 Mikrohärtemessung Mikrohärtemessung zur Bestimmung der Härte einzelner Gefügebestandteile Erzeugung sehr kleiner Eindrücke erforderlich (F< 2N) Prüfkörper befindet sich im Objektiv eines Lichtmikroskops 1. Eindruck erzeugen 2. Eindruck vermessen 3. Härtewert bestimmen

37 Rockwell-Härtemessung Prüfkörper: Diamantkegel (HRC-hardness rockwell cone) oder gehärtete Stahlkugel (HRB-hardness rockwell ball) Ablauf: 1.Vorlast F 0 aufbringen t 0 2.Prüfkraft F 1 aufbringen t 1 3.Wegnahme von F 1 t b 4.t b (bleibende Eindringtiefe [mm]) Rockwellhärte HRC /4. Bestimmung des Härtewertes: geringer Härtewert, wenn t b groß Festlegung von 0 HRC für t b =0,2 mm HRC = t b 0,002 Der Rockwell-Härtewert wird unmittelbar aus der Eindrucktiefe (Kopplung mit Messuhr) bestimmt. kein Vermessen des Eindrucks schnelles Verfahren insbesondere für Serienprüfungen in Härtereien üblich

38 Härtemessung - Messbedingungen Oberflächengüte: Rand- und Mittenabstände: Probendicke: ebene Oberfläche, fein geschliffen bzw. poliert, um ein genaues Vermessen der Härteeindrücke zu gewährleisten Einhaltung von Mindestabständen erforderlich, da kaltverfestigte Zonen um die Eindrücke herum die Härtewerte beeinflussen Einhaltung von Mindestdicken erforderlich, da bei Verformungen auf der Rückseite der Probe der Härtewert beeinflusst wird

39 Härtemessung Bezeichnung der Härtewerte 350 HB 30 Härtezahl: 350 Brinellhärte: HB Prüfkraft: 30 kp 640 HV 30 Härtezahl: 640 Vickershärte: HV Prüfkraft: 30 kp 59 HRC Härtezahl: 59 Rockwellhärte (cone)

40 Brandenburgische Technische Universität Cottbus Übung Grundlagen der Werkstoffe Thema: Dauerschwingfestigkeitsprüfung

41 Musterfragen zur Dauerschwingfestigkeitsprüfung 4. Eigenschaften von Werkstoffen und deren Prüfung 3. Aus welchen Gründen sind Ermüdungsbrüche in der Technik gefürchtet? Beschreiben Sie schematisch das Aussehen eines Ermüdungsbruches. 4. Beschreiben Sie kurz die experimentelle Vorgehensweise zur Ermittlung der Dauerfestigkeit. Wie ist die Dauerfestigkeit definiert? Skizzieren Sie eine so genannte Wöhlerlinie und kennzeichnen Sie die entsprechende Dauerfestigkeit. 5. Welche wesentlichen Einflussfaktoren auf die Dauerfestigkeit sind Ihnen bekannt? Beschreiben Sie die entsprechenden Einflüsse.

42 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Makroskopisches Aussehen eines Ermüdungsbruchs (schematisch) Ermüdungsbruch einer Welle (Realbeispiel)

43 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Oberflächenmerkmale zyklisch beanspruchter Metalle A) Ermüdungsgleitband B) Ex- und Intrusionen C) Oberfläche (rasterelektronenmikroskopisch)

44 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Entstehung und Ausbreitung eines Schwingungsrisses

45 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Last-Zeit-Funktionen bei der Dauerschwingfestigkeitsprüfung Einstufenbelastung Mehrstufenbelastung Randombelastung

46 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Spannungs- bzw. Verformungsverlauf beim Einstufenversuch NN

47 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Beanspruchungsfälle beim Einstufenversuch (Wöhlerversuch) Spannungsverhältnis R = σ u /σ o (σ u und σ o negativ) (σ u und σ o verschiedene Vorzeichen) (σ u und σ o positiv)

48 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Wöhlerlinie N B = f (σ a bzw. ε a )

49 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Wöhlerlinie σ m = konst. Zeitfestigkeitsbereich σ D Dauerfestigkeit σ D : maximale Spannungsamplitude, die das Material unendlich oft (bis zur Grenzschwingspielzahl N G = ) erträgt, ohne zu brechen

50 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Einfluss der Gitterstruktur auf die Wöhlerlinie

51 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Umlaufbiegeversuch Maschine Last-Zeit-Verlauf σ m = 0

52 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Dauerschwingverhalten des Vergütungsstahls 42CrMo4 (Umlaufbiegung) Dauerfestigkeiten σ D (σ m = 0): vergütet: σ D = 700 MPa normalgeglüht: σ D = 300 MPa

53 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Einflüsse auf die Dauerfestigkeit Statische Festigkeit Beanspruchungsart (Spannungsgradient) Mittelspannung (Spannungsverhältnis R=σ u /σ o ) Kerbwirkung (Oberflächenrauheit) Korrosion Temperatur Oberflächennahe Eigenspannungen

54 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Einflüsse auf die Dauerfestigkeit 3 α k3 1 α k1

55 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Einfluss der Zugfestigkeit und der Beanspruchungsart auf die Dauerschwingfestigkeit

56 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Einfluss der Mittelspannung auf die Dauerfestigkeit

57 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Dauerfestigkeitsschaubilder Smith-Diagramm Haigh-Diagramm Zug-Mittelspannungen verringern die dauerfest ertragbare Spannungsamplitude (Dauerfestigkeit)

58 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Dauerfestigkeitsschaubild nach Smith Goodman: Zug-Mittelspannungen verringern die dauerfest ertragbare Spannungsamplitude (Dauerfestigkeit)

59 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Risswachstumskurve da/dn = f (ΔK) (schematisch) A: Risswachstum bei ΔK > ΔK 0 B: Kontinuierliches Risswachstum Paris-Gleichung: da/dn = c (ΔK) m mikroskopisch: Schwingungsstreifen C: Instabiles Risswachstum

60 Dauerschwingfestigkeitsprüfung Schwingungsstreifen auf der Dauerbruchfläche (REM)