Protokoll zum Zugversuch

Transkript

1 Grundpraktikum I Materialwissenschaft Protokoll zum Zugversuch Betreuer: Florian Gang Durchgeführt von : Melanie Kranz Paul Hoffmann Arne Klomp

2 1. Grundlagen Der mit einem geringen zeitlichen Aufwand verbundene Zugversuch dient der Bestimmung von Festigkeits- und Verformungskennwerten des zu untersuchenden Werkstoffes. Die so gewonnen Kennwerte dienen als Grundlage zur Dimensionierung von Bauteilen, zur Qualitätskontrolle oder zur Schadensanalyse und lasse Rückschlüsse auf die Verarbeitungs- bzw. Einsatzmöglichkeiten des Werkstoffes zu. In dem Versuch wird die Kraft auf einen genormten Prüfstab in Abhängigkeit von der Zeit über welche diese wirkt gemessen. Daraus kann man die technische Spannung als Quotient aus Kraft und Fläche zum Startzeitpunkt und die technische Dehnung als Quotient aus der Elongation der Probe und der Anfangslänge berechnen. Das Diagramm der beiden gibt Aufschluss über die oben erwähnten Kenngrößen einschließlich des Elastizitätsmoduls (E-Modul). Hier wurden zwei Aluminiumlegierungen des Typs EN AW-7075 die sich lediglich in ihren Zuständen (T6 bzw. T7) unterscheiden. Probe T6 wurde 48 Stunden bei 120 C wärmebehandelt, Probe T7 48 Stunden bei 220 C. In der Zugprüfmaschine wurden die Proben einachsiger und torsionsfreier Spannung ausgesetzt

3 2. Durchführung Die Traversengeschwindigkeit lässt sich als Produkt der Messlänge L (25mm) des Prüfstabs vor dem Experiment und der vorgegebenen Dehnrate 8*10-4 s -1 errechnen. Man erhält für die Traversengeschwindigkeit v: 25mm * 8*10-4 s -1 = 0,02mm/s Zu Beginn des Versuchs wird die Geometrie der beiden Proben mit Hilfe von zwei Schieblehren gemessen. Es kann bestätigt werden, dass der Durchmesser, wie laut Hersteller angegeben, jeweils 5mm beträgt. Zunächst wird die erste Probe in das Prüfgerät eingespannt. Zudem werden die nötigen Einstellungen am Gerät getroffen sowie der Setzdehnmesser angebracht. Durch starten des Versuches beginnt das Prüfgerät die Probe mit angegebener Traversengeschwindigkeit zu verformen, wobei kontinuierlich Kraft und Dehnung gemessen werden. Kurz nach Überschreiten der rein elastischen Verformung der Probe wird der Setzdehnmesser entfernt. Beendet wird der Versuch, wenn der Bruch der Probe erfolgt. Zuletzt werden die beiden Bruchstücke aneinander gefügt und die Einschnürung wurde lichtmikroskopisch vermessen. Gleiches wird mit der zweiten Probe wiederholt

4 /(N/mm²) Versuchsprotokoll Zugversuch 3. Auswertung 3.1. Technisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm Aus den Messwerten der wirkenden Kraft und der Zeit lassen sich technische Spannung und technische Dehnung errechnen. Abbildung 1 zeigt das technische Spannungs-Dehnungs-Diagramm für beide Proben. Rot (hier oben) ist dabei die Kurve für Probe T6 und blau die Kurve für T7. Am Beispiel von T6 wird hier außerdem gezeigt, wie die technisch relevanten Kennwerte abgelesen werden (siehe 3.3.) T6 T Abbildung 1: Technisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm für T6 und T Wahres Spannungs-Dehnungs-Diagramm Aus dem technischen Spannungs-Dehnungs-Diagramm lässt sich das wahre Spannungs-Dehnungs-Diagramm errechnen gemäß folgenden Formeln: w = *(1+ ) (1) w = ln(1+ ) (2) - 4 -

5 /(N/mm²) Versuchsprotokoll Zugversuch T7 T Abbildung 2: wahres Spannungs-Dehnungs-Diagramm Bis zum Punkt der maximalen Zugfestigkeit ist das wahre Spannungs- Dehnungs-Diagramm hier korrekter als das technische Diagramm. Danach reichen die Formeln (1) und (2) jedoch nicht aus, um den Verlauf der Kurve zu beschreiben. Die wahren Kennwerte für die Proben lassen sich jedoch nach Ende des Versuches wie folgt rekonstruieren. Die wahre Bruchdehnung lässt sich wie folgt bestimmen: wb = ln(s0/sb) = 2*ln(d0/d) (3) Daraus wiederum lässt sich die wahre Bruchspannung berechnen: wb = B*(1+ wb) (4) Der Anfangsdurchmesser der Proben wurde in beiden Fällen mit 5mm bestimmt. Jedoch zeigen die Proben andere Brucheinschnürungen. Hier werden die Durchmesser der Proben wie im Lichtmikroskop gemessen angegeben: dt7 = 3,61mm Die Brucheinschnürung der Probe T7 beträgt damit also - 5 -

6 Z = 0,278 = 27,8% Und für die Probe T7 unter Verwendung der technischen Bruchspannung von 105N/mm² die Kennwerte erhält man: wb = 0,651 = 65,1% wb = 175N/mm² 3.3. Probenkennwerte Alle relevanten Kennwerte können aus dem technischen Spannungs-Dehnungs- Diagramm durch geometrische Konstruktion und Ablesen ermittelt werden. Ausgenommen sind die Werte für wb, welche wie in (3) berechnet werden und die Werte für die Reißfestigkeit Rr, die man wie folgt erhält: Rr = FB/SB (5) Also ist die Reißfestigkeit der Quotient aus der Last beim Bruch und der Querschnittsfläche nach dem Bruch. Probenzustand T6 Probenzustand T7 Streckgrenze Re/(N/mm²) ,2% Dehngrenze Rp0,2/(N/mm²) Zugfestigkeit Rm/(N/mm²) Gleichmaßdehnung Ag 0,07 0,082 Bruchdehnung A5 0,095 0,151 Reißfestigkeit Rr/(N/mm²) Wahre Bruchdehnung wb 0,04 0,651 Tabelle 1: Kennwerte der Proben - 6 -

7 /(N/mm²) Versuchsprotokoll Zugversuch 3.4. Elastizitätsmodul Der Elastizitätsmodul kann nur im Bereich der elastischen Dehnung berechnet werden. Es stellt die Steigung des Graphen in diesem Bereich dar, also: E = / (6) Da man für dieses Intervall zwei verschiedene Messmethoden angewendet hat, kann man den E-Modul auf der Grundlage zweier verschiedener Datensätze errechnen. Für die Berechnung mit Hilfe der Kraft-Zeit-Daten des Prüfgeräts erhält man: ET6 = 22,2kN/mm² ET7 = 9,7kN/mm² T6 T Abbildung 3: wahres Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit Daten des Setzdehnmessers Hingegen erhält man mit Hilfe der Daten des Setzdehnmessers folgendes Ergebnis ET6 = 169,9kN/mm² ET7 = 91,5kN/mm² Die Berechnung erfolgt jeweils als Mittelwert der Steigung über das Intervall der elastischen Dehnung

8 4. Diskussion Bei der Berechnung des Elastizitätsmoduls für die beiden Proben sind die Ergebnisse, die mit Hilfe des Setzdehnmessers ermittelt wurden, als die relevanten anzusehen. Dies lässt sich damit begründen, dass auch die Prüfmaschine eine elastische Verformung erfährt. Dies kann wird bei den Daten Kraft-Zeit-Daten nicht berücksichtigt. Der Setzdehnmesser stellt jedoch ein davon unabhängiges System dar, sodass hier keine derartigen Verfälschungen auftreten. Der Literaturwert für den Elastizitätsmodul einer Aluminiumlegierung vom Typ EN AW-7075 beträgt 72kN/mm². Auf Grund der Messergebnisse kann man sagen, dass sich der E-Modul der Proben durch die Wärmebehandlung verändert hat. Anscheinend hat auch die Art der Wärmebehandlung, d.h. die verschiedenen Temperaturen großen Einfluss auf E-Modul und Festigkeit. Die Veränderung lässt sich mit der sogenannten Ausscheidungshärtung begründen. Sie besagt, dass die Wärmebehandlung einer Legierung unter Umständen zu einer Erhöhung der Härte und Festigkeit führt. Bei der Erwärmung erhöht sich die Löslichkeit bestimmter Legierungsmetalle. Beim Erkalten bilden sich dann abgeschiedene metastabile Phasen aus Mischkristallen. Diese sind fein verteilt (mit einem optimalen Durchmesser von 50nm) und verhindern eine Versetzungsbewegung bis zu einem bestimmten Grad. Die hohe Festigkeit der Probe im Zustand T6 rührt daher, dass bei der Wärmeaushärtung bei 120 C die folgenden Bedingungen am besten erfüllt werden: - möglichst hohe Teilchenzahl (Teilchen = ausgeschiedene Phasen) - geringer Teilchenabstand - gleichmäßige Verteilung der Teilchen - hohes Maß an Kohärenz (d.h. die Orientierung der Ausscheidungsteilchen ist gleich der Orientierung des umgebenden Kristalls) Die Bildung neuer Phasen führt dazu, dass auch diese beim Anbringen einer Zugkraft gestört werden müssen. Dazu benötigt man zusätzlich Energie, die sich als Widerstand gegen den Zug darstellt. Da die Probe T7 welche bei höherer Hitze wärmebehandelt wurde eine geringere Festigkeit aufweist, ist es schlüssig anzunehmen dass die Größe der Kristallphasen zu groß ist. Dadurch wird das Mater - 8 -

9 Insgesamt wurden alle Messungen exakt und gewissenhaft durchgeführt. Daher ist auch anzunehmen, dass die Ergebnisse korrekt sind. Durch die Fülle an Daten (weit über 1500 Datensätze) konnte außerdem eine sehr exakte Kurve ermittelt werden. Dies wird durch die Literaturwerte bestätigt. Es gilt jedoch zu sagen, dass es kleinere Schwierigkeiten bei der Bestimmung der Brucheinschnürung gab. Besonders bei T6 schwankten die Werte aus unerklärlichen Gründen, weshalb ein gemittelter Wert angenommen wurde. Die wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve, die mit der Näherungsformel berechnet wurde, scheint zu hohe Werte anzunehmen. Dies erkennt man daran, dass die aus Messungen errechneten Werte, insbesondere für die Reißfestigkeit, deutlich niedriger sind (siehe Tabelle 1). Das ist damit zu begründen, dass sich die gesamte Messvorrichtung ebenfalls unter Zug dehnt. Diese Veränderung verfälscht die berechnete wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve. Melanie Kranz Paul Hoffmann Arne Klomp - 9 -