Mechanische Prüfverfahren

Transkript

1 Zugversuch Kerbschlagbiegeversuch Härteprüfung 1

2 Gegenüberstellung Zugversuch - Kerbschlagbiegeversuch einachsig quasistatisch Zugversuch Beanspruchung Temperatur Mehrachsigkeit Verformungsgeschwindigkeit mehrachsig hohe Verformungsgeschwindigkeit verformungsarmer Sprödbruch Kerbschlagbiegeversuch 2

3 Kerbschlagbiegeversuch: Zweck verschiedene Werkstoffe verschiedene Werkstoffzustände Bsp.: Wärmebehandlung von Stählen; Schweißparameter Einfluss der Prüftemperatur Vergleich der Sprödbruchanfälligkeit Bruchverhalten! rein technologisches Prüfverfahren!! liefert keine Werkstoffkennwerte! 3

4 Kerbschlagbiegeversuch: Prinzip und Kerbschlaghammer Skala Zeiger Ausgangslage Ende der Schaukel Endhöhe final height Schabotte Probe initial Anfangshöhe height 4

5 Kerbschlagbiegeversuch: Probenformen b h A K l l ρ d a t DVM-Probe mit Rundkerbe ISO-Probe mit Spitzkerbe l = 55 mm, b = 10 mm, h = 10 mm, a = 40 mm t = 3 mm, d = 2 mm, ρ = 1 mm t = 2 mm, r = 0,25 mm, α = 45 h r th α 5

6 Kerbschlagbiegeversuch: Energiebetrachtung Brucharbeit K V : K V = E pot, Anfang E pot, Ende = m g (h 1 -h 2 ) h 2 h 1 Kerbschlagzähigkeit α K : α K = K V / A K mit A K = Probenquerschnittsfläche 6

7 Kerbschlagbiegeversuch: Grundtypen von K V,T-Kurven K V Tieflage T ü Hochlage III I II T III kfz: reine Metalle homogene Legierungen austenitische Stähle I krz, hex ferritisch-perlitische Stähle II GGL martensitisch geh. Stähle hochfeste Stähle Keramiken T Ü : Übergangstemperatur = Temperatur, bei der - K V bzw. α K definierten Wert (28 J bzw. 20 J/cm 2 ) aufweist - K V bzw. α K 50 % des Wertes der Hochlage aufweist - Bruchfläche bestimmten Spröd- und Duktilbruchanteil aufweist 7

8 Kerbschlagbiegeversuch: Bruchflächenausbildung Tieflage Übergang Hochlage Spröd- oder Trennbruch Mixed Mode Verformungs-oder Gleit-bruch 8

9 Kerbschlagbiegeversuch: Einflussgrößen auf die Übergangstemperatur Einflussgröße Auswirkung auf T ü werkstoffbedingt Probendicke Probenbreite Kerbschärfe Schlaggeschwindigkeit Auflagerabstand Alterung Wärmebehandlungen Kaltverformung Gefügeinhomogenitäten Feinkörnigkeit 9

10 Erinnerung: DBE DBR der für Metalle wichtigsten Gitterstrukturen [110] kfz Flächendiagonale hdp (0001) (111) [1120] 4 E mit je 3 R Flächendiagonale krz [111] (110) 6 E mit je 2 R Flächendiagonale Kante 1 E mit 3 R Kante Basis-/Stirnebene 10

11 Kerbschlagbiegeversuch: Einfluss der Temperatur und der Gitterstruktur auf die Trenn- und Gleitfestigkeit Trennfestigkeit W T Gleitfestigkeit W G Trennbruch T Ü W G : lokal wirkende Schubspannung erreicht die kritische Schubspannung Versetzungsgleiten setzt ein W T : lokal wirkende Normalspannung überschreitet Bindungskräfte Werkstofftrennung W T W G (krz, hex) Temperatur T Verformungsbruch W G (kfz) 11

12 Kerbschlagbiegeversuch: Einfluss der Einfluss der Versuchsgeschwindigkeit auf die Trenn- und Gleitfestigkeit Trennfestigkeit W T Gleitfestigkeit W G Verformungsbruch v krit W G (krz, hex) W T Versuchsgeschwindigkeit v Trennbruch 12

13 Kerbschlagbiegeversuch: Geschwindigkeitsversprödung Schubspannung > Gleitfestigkeit Normalspannung > Trennfestigkeit plastische Verformungen Rissbildung Verformungsbruch Trennbruch W G = f(gitterstruktur, Bindungsenergie, T) W T = f(bindungsenergie, T) 13

14 Kerbschlagbiegeversuch: Einfluss des Kohlenstoffgehalts auf den Übergang Hochlage - Tieflage K V Typ I (krz, hex) 0,01 Gew.-% C 0,2 Gew.-% C T ü C-Anteil 0,6 Gew.-% C T 14

15 Härteprüfverfahren: Einteilung der Härteprüfverfahren Härte = Widerstand gegen das Eindringen eines härteren Körpers unter Einwirkung einer ruhenden (statischen) oder schlagartigen (dynamischen) Beanspruchung Härtemaß: bleibender Eindruck oder elastische Rückstellkraft Oberflächenprüfverfahren statisch plastische Verformung Brinell Rockwell Vickers Härtebestimmung durch Eindringen eines härteren Körpers Eindringverfahren plastische Verformung Schlaghärte: Poldi- Hammer Baumann- Hammer dynamisch elastische Verformung Fallhärte: Shore Skleroskop Mohs (1822) Ritzverfahren Martens (1889) 15

16 Härteprüfverfahren: Einteilung der Härteprüfverfahren 16

17 Härteprüfverfahren: Prinzip der Härteprüfung nach BRINELL Härtewert: HB = 0,102 F/A K 17

18 Härteprüfverfahren: Prinzip der Härteprüfung nach BRINELL (c) 18

19 Härteprüfung nach BRINELL: Bestimmung der Kalottenfläche Pythagoras: (0,5 D Kugel - h) 2 + (0,5 d Kalotte ) 2 = (0,5 D Kugel ) 2 h = 0,5 (D Kugel - D Kugel2 - d Kalotte 2 ) h d Kalotte Probenoberfläche Oberfläche des Eindrucks = Mantelfläche einer Kugelkalotte: A Kalotte = π D Kugel h = 0,5 π D Kugel (D Kugel - D Kugel2 - d 2 Kalotte ) 19

20 Härteprüfung nach BRINELL: Belastungsgrad bei Brinell: keine geometrisch ähnlichen Eindrücke! Härtewert abhängig von der Prüfkraft und vom Kugeldurchmesser Vergleich von Härtewerten bei verschiedenen Kugeldurchmessern: Einführung des Belastungsgrads (x): Prüfkraft abhängig vom Kugeldurchmesser zu wählen! Prüfkraft = 0,102 F = x D 2 (F in N) Eindruckfläche wächst quadratisch mit Prüfkraft damit Kalottendurchmesser d in festgelegtem Bereich bleibt, ist der Belastungsgrad werkstoffabhängig zu wählen in der Norm: Kugeldurchmesser D = Funktion des Belastungsgrads der Blechdicke der zu erwartenden Härte Eindringtiefe 1/10 der Probendicke, sonst Ergebnisverfälschung falls Belastungsgrad konstant in guter Näherung Unabhängigkeit von der Prüfkraft 20

21 Härteprüfung nach BRINELL: Zusammenhang zwischen Blechdicke und Belastungsgrad Dicke der Proben nach der Beziehung s 10. Eindringtiefe der Kugel Durchmesser der Prüfkugel in mm Dicke s der Proben in mm Belastungsgrad F/D 2 Brinellhärte HB 21

22 Härteprüfung nach BRINELL: Prüfkraft-Zeit-Verlauf (schematisch) Lastaufbringzeit Lasteinwirkzeit Prüfkraft stoßfrei aufbringen! t a = t 2 - t 1 = 10 s t e = t 3 - t 2 10 s (T S > 600 C) 30 s (T S < 600 C) 22

23 Härteprüfung nach BRINELL: Prüfkraft-Zeit-Verlauf (schematisch) II Bezeichnung der BRINELL-Härte: Zahlenwert HB / D(mm) / 0,102 F (N) / Einwirkdauer (s) Durchmesser / Prüfkraft können entfallen bei Belastungsgrad 30 und D = 10 mm Einwirkdauer kann entfallen bei t = s Beispiel: 300 HB: Härte 300 D = 10 mm, F = N = 3000 kp, t = s 110 HB 5/250/30: Härte 110 D = 5 mm, F = 2450 N = 250 kp, t = 30 s 23

24 Härteprüfung nach BRINELL: Problematik grundsätzlich: 0,2 D d 0,7 D unter 0,2 D unscharfer Rand (flacher Eindruck) über 0,7 D seitliches Wegquetschen der Kanten (tiefer Eindruck) außerdem: Einziehung / Aufwerfung d : gemessener Kalottendurchmesser d: wahrer Kalottendurchmesser d d d Einziehung (weiche Werkstoffe) Aufwerfung (kaltverfestigte Werkstoffe) d 24

25 Härteprüfung nach BRINELL: Problematik II d? Einziehung (weiche Werkstoffe) d? Aufwerfung (harte Werkstoffe) 25

26 Härteprüfung: Prinzip der Härteprüfung nach VICKERS Härtewert: HV = 0,102 F/A K 26

27 Härteprüfung: Prinzip der Härteprüfung nach VICKERS 27

28 Härteprüfung nach VICKERS: Öffnungswinkel der Diamantpyramide Die Vickerspyramide berührt die Brinellkugel tangential. => Spitzenwinkel α = 136 (für d Kalotte = 0,375 D Kugel = Mittelwert von d Kalotte = 0,2... 0,5 D Kugel ) D Kugel hierdurch Übereinstimmung der Vickers- und der Brinell- Härtewerte bis HB ca. 400 darüber Kugelabplattung! Probenoberfläche d Kalotte x d Kalotte /2 α/2 X 28

29 Härteprüfung nach VICKERS: Bestimmung der Kalottenfläche A 1/2 d/ 2 h A A A α = 136 h β = 22 für geometrische Betrachtung Annahme: d 1 = d 2 = d für Auswertung: d = (d 1 + d 2 )/2 Kalottenfläche: sin α/2 = cos β = 1/2 d/ 2 / h A K = 4. F = 4. 1/2. d/ 2. h = 4. (1/2. d/ 2) 2 /cos 22 = d 2 /1,

30 Härteprüfung nach VICKERS: Zusammenhang Blechdicke - Prüfkraft Mindestdicke der Proben nach der Beziehung s 1,5. Eindruckdiagonale Mindestdicke s der Proben Vickershärte HV 30

31 Härteprüfung nach VICKERS: Zusammenhang Blechdicke - Prüfkraft Prüfkräfte bei der VICKERS-Härteprüfung: 49 N, 98 N, 196 N, 490 N, 980 N wie bei BRINELL-Härte abhängig von der Blechdicke! Bezeichnung der VICKERS-Härte: Zahlenwert HV / 0,102 F (N) / Einwirkdauer (s) Zeit kann entfallen bei t = 15 s Beispiel: 720 HV 50/30: Härte 720 F = 490 N = 50 kp, t = 30 s 31

32 Härteprüfung nach VICKERS d = (d1 + d2) / 2 Vorteile VICKERS: geometrisch ähnliche Härteeindrücke Prüflastunabhängigkeit d2 d1 auch sehr kleine Eindrücke gut ausmessbar immer scharfe, gut ausmessbare Ränder Härte nach oben unbegrenzt 32

33 Härteprüfung nach Rockwell: Prinzip Rockwell Ball HRB Rockwell Cone HRC F 0 = 98 N F 1 = 883 N F 0 = 98 N F 1 = 1373 N t 0 F 0 + F 1 t 0 + t 1 Für die Ermittlung des Härtewerts wird die Eindringtiefe bewertet. t B 33

34 Härteprüfung nach Rockwell: Prinzip II Eindringtiefe bei Vorlast: t 0 Eindringtiefe bei Vorlast + Prüflast: t 0 + t 1 Eindringtiefe nach Wegnahme der Prüflast: t B bleibende Eindringtiefe in Einheiten von 0,002 mm ausdrücken Rockwelleinheit e = t B / 0,002 mm Rockwellhärte: HRC = 100 e HRB = 130 e Spanne von e: 0 bis 0,2 mm z.b. t B = 0,2 mm e = 100 HRC = 0, HRB = 30 Härteangabe: Zahlenwert HRC bzw. HRB 34

35 Härteprüfung nach ROCKWELL: Mindestdicke der Proben mit abnehmender Härte größere Dicke, da tieferer Eindruck) i. allg. Mindestdicke ca. 10 x Eindringtiefe 35