Mechanische Prüfverfahren

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1 1. Grundlagen Das Ziel der Werkstoffprüfung ist die eindeutige Beschreibung eines Werkstoffes beziehungsweise eines Bauteiles hinsichtlich seiner Eigenschaften. Dabei liefert die Untersuchung von Werkstoffen Kennwerte, die in der Forschung zur Werkstoffentwicklung, vom Konstrukteur zur Werkstoffauswahl sowie zur Auslegung der Bauteile und in der Anwendung zur Qualitätssicherung herangezogen werden. Auch die Klärung von Ausfallmechanismen bei fehlerhaften Bauteilen bedient sich dieser Kennwerte. Grundsätzlich sind drei Bereiche der Werkstoffprüfung zu unterscheiden (Tabelle 1). Tabelle 1: Werkstoffprüfung metallischer Werkstoffe I. Werkstoffeigenschaften II. Werkstofffehler III. Werkstoffanalyse Gebrauchseigenschaften (Kennwerte) - mechanisch - thermisch - chemisch - elektrisch - optisch Verarbeitungseigenschaften (unter bestimmten Anwendungsbedingungen) - gießbar - verformbar - zerspanbar - schweißbar - härtbar i. allg. zerstörungsfreies Prüfen auf Risse, Lunker, Einschlüsse Chemische Analyse - Nasschemie - Spektroskopie - Chromatographie Gefügeanalyse - Metallographie - Mikroanalyse - Strukturanalyse Schadensanalyse Eine besondere Rolle spielen die mechanischen Eigenschaften, sie bilden die Basis für viele Werkstoffanwendungen. Die Übertragbarkeit von Probenkennwerten auf das Bauteilverhalten ist zwar nur begrenzt möglich, dennoch erlauben Werkstoffkennwerte eine genügende Voraussage für viele Beanspruchungssituationen. Es gibt daher eine Reihe von genormten Prüfverfahren, um die mechanischen Eigenschaften möglichst präzise zu charakterisieren. Die am häufigsten untersuchten mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe und die jeweiligen Verfahren sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Nur für den Übungs- und Vorlesungsgebrauch 1

2 Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften und angewandte Verfahren Mechanische Eigenschaft Untersuchungsverfahren Elastizität, Plastizität Festigkeit (quasistatisch bzw. dynamisch) Festigkeit (statisch) Härte Bruchverhalten Ermüdungsverhalten, Dauer-/ Wechselfestigkeit - Zugversuch - Druckversuch - Biegeversuch - Torsionsversuch Zeitstandversuch Härteprüfung nach: - Brinell - Rockwell - Vickers Kerbschlagbiegeversuch Wöhlerversuch Die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen sind von einer Vielzahl innerer und äußerer Einflussfaktoren abhängig. Tabelle 3 zeigt eine Übersicht über die den Werkstoff bzw. den Werkstoffzustand betreffenden Größen einerseits und die Beanspruchungsbedingungen andererseits. Um eine hohe Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, sind möglichst viele der die Beanspruchungsbedingungen betreffenden Faktoren in den Prüfvorschriften geregelt. Tabelle 3: Innere und äußere Einflussfaktoren auf die mechanischen Eigenschaften Werkstoff bzw. Werkstoffzustand Beanspruchungsbedingungen - Bindungsart; Bindungskräfte - Gitterstruktur - Korngröße; Phasengröße - Versetzungsdichte - Textur - Legierungsgehalt (interstitiell oder substituiert gelöst, übersättigt, ausgeschieden) - Gefügeausbildung - Einschlüsse und Hohlräume (Form, Anzahl, Größe, Lage) - Oberflächenzustand (Rauigkeit, Eigenspannungen, verfestigt) - Zeit (Geschwindigkeit, Dauer, Frequenz) - Temperatur (Umgebung, Eigenerwärmung) - Umgebung (Korrosion, Grenzflächeneffekte) - Spannungszustand (Art, Höhe, Richtung) - Werkstückgeometrie (Kerben, Übergänge) Nur für den Übungs- und Vorlesungsgebrauch 2

3 In der technischen Anwendung stellt der Beginn der plastischen Verformung üblicherweise die Einsatzgrenze von Werkstoffen dar. Die Einsatzmöglichkeit metallischer Werkstoffe kann aber auch durch die Entstehung von Anrissen oder die Gefahr eines Sprödbruchs eingeschränkt sein. Im Falle eines Bauteilversagens gibt die entstandene Bruchfläche wichtige Hinweise auf den Schadenshergang bzw. den Werkstoffzustand. Daher wird auch die Beschreibung des Bruchverhaltens zur Werkstoffcharakterisierung herangezogen. Tabelle 4 zeigt einen Überblick über die gängigen Bruchformen, Bruchursachen und Prüfverfahren. Tabelle 4 Bruchformen, Bruchursachen und Prüfverfahren Bruchform Ursache Prüfverfahren Gewaltbruch Sprödbruch (auch duktile Werkstoffe) Dauerbruch Kriechbruch Quasistatische Überbeanspr. Strukturelle, beanspruchungsund/oder umgebungsbedingte Verformungsbehinderung Überkritische Schwingbeanspruchung Zeitabhängige Deformationsvorgänge und Strukturänderungen infolge statischer Beanspruchung bei ggf. erhöhter Temperatur Zugversuch Kerbschlagbiegeversuch Wöhlerversuch Zeitstandversuch Nur für den Übungs- und Vorlesungsgebrauch 3

4 2. Zugversuch (DIN EN ) Der Zugversuch ist der wichtigste Versuch der zerstörenden Werkstoffprüfung, da er Kennwerte für die Bauteildimensionierung liefert. Schematisches Spannung-Dehnung-Diagramm mit R m σ R m σ R eh R el R p0,2 E = tan α E = tan α α A C ε 0,2 α A C ε Streckgrenze (krz) (z.b. nicht-gehärteter Stahl) Dehngrenze (kfz) (z.b. Al-Legierung) Wichtige Kennwerte sind: E Elastizitätsmodul, beschreibt Bereich elastischer Formänderung R el untere Streckgrenze, ist die kleinste Nennspannung im Fließbereich R eh obere Streckgrenze, ist die Nennspannung vor deutlichem Spannungsabfall R p,x x %-Dehngrenze, ist die Nennspannung bei einer plastischen Verformung von x %, hat Bedeutung als zulässige Spannung σ zul für den Konstrukteur, ist eigentlicher Festigkeitskennwert bei Werkstoffen, die keine ausgeprägte Streckgrenze aufweisen. R m Zugfestigkeit, ist die maximale Nennspannung, ist Festigkeitskennwert nur bei Werkstoffen, die annähernd keine plastische Verformung aufweisen Anmerkung: Von Interesse ist auch das Streckgrenzenverhältnis R eh / R m. Es gibt einen Anhaltspunkt für den Verfestigungsgrad des Werkstoffes und damit die bei Überlastung noch bestehende Beanspruchungsreserve an. A c Bruchdehnung, ist ein Maß für die Duktilität des Werkstoffes. Faustformel: Bei Werkstoffen mit A c 10 % ist unter milden Beanspruchungsverhältnissen (quasistatisch, einachsig, T > T ü ) nicht mit einem Sprödbruch zu rechnen. Nur für den Übungs- und Vorlesungsgebrauch 4

5 3. Kerbschlagbiegeprüfung (DIN ) Die Sprödbruchneigung metallischer Werkstoffe wird in einfacher Weise durch die Kerbschlagbiege-prüfung ermittelt. Dabei werden sprödbruchbegünstigende Beanspruchungsbedingungen in die Prüfung einbezogen. Diese sind: hohe Beanspruchungsgeschwindigkeit (realisiert durch Schlagbeanspruchung), mehrachsiger Spannungszustand (realisiert durch gekerbte Probe) und ggf. niedrige Temperatur. Die Kerbschlagbiegeprüfung ist besonders bei Stählen mit krz Gitterstruktur sehr wichtig. Bei diesen Metallen ist die Kerbschlagarbeit stark temperaturabhängig. In einem teilweise sehr engen Temperaturbereich fällt die Kerbschlagarbeit von sehr hohem Niveau auf sehr niedrige Werte ab. Dieser sog Steilabfall ist Folge einer Versprödung. Für Temperaturen oberhalb und unterhalb des Steilabfalls zeigen die Proben makroskopisch und mikroskopisch stark unterschiedliche Bruchflächen, siehe Tabelle 5. Man unterscheidet drei charakteristische Bereiche: (1) Hochlage - Verformungsbruch/Duktilbruch (2) sog. Steilabfall - Mischbruch, bei gleicher Temperatur starke Streuung der K v -Werte (3) Tieflage - Sprödbruch K V / [J] 2 1 krz kfz 3 T Ü T / [ C] Nur für den Übungs- und Vorlesungsgebrauch 5

6 Tabelle 5: Makroskopische und mikroskopische Merkmale auf Bruchflächen Bruchform Makroskopische Merkmale Mikroskopische Merkmale Verformungsbruch/ Duktilbruch - matt - dunkel - Einschnürung oder plastische Ver-formung der Probe/des Bauteils - verformt, zerklüftet - unter 45 Winkel zur Normalspan-nung durch Abgleiten in Richtung maximaler Schubspannung (entlang der Gleitebenen) - Waben/Dimpel/Grübchen - ggf. mit Einschlüssen - transkristallin - bei erhöhter Temperatur: Hohlraumbildung aufgrund der Vereinigung von Mikroporen Sprödbruch - glitzernd - hell - verformungsarm - glatt - senkrecht zur Normalspannung - Spaltbruchflächen transund interkristallin Mischbruch kein einheitliches Bild kein einheitliches Bild Der Sprödbruchnachweis wird durch eine Mindestbrucharbeit bei einer vorgegebenen Temperatur, die nicht mit der Beanspruchungstemperatur identisch sein muss, geführt. Allgemein lässt sich sagen, dass die Kaltzähigkeit von Stahl durch Gefügefeinen (Normalglühen, Feinkornstähle, Vergüten) sowie Absenken des C- und gegebenenfalls Erhöhen des Ni-Gehalts verbessert werden kann. Nur für den Übungs- und Vorlesungsgebrauch 6