Kein Folientitel
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Kein Folientitel
• Zugversuch • Kerbschlagbiegeversuch • Härteprüfung Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren Mechanische Prüfverfahren 1 Zugversuch: Spannungszustand und Probenverlängerung, schematisch F Axiale Zugkraft F σ einachsigen Spannungszustand mit Zugnormalspannung σ im Probenquerschnitt F Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren bewirkt 2 Zugversuch: Probenverlängerung, schematisch L1 F L0 Ausgangslänge Werkstofftechnik ΔL = L1 - L0 Probenverlängerung Mechanische Prüfverfahren F 3 Zugversuch: Kraft-Verlängerung-Diagramm Zwei Proben eines Werkstoffs: F Probe 1 Probe 2 2 1 F2 = n F1 L01 = L02 = L0 und unterschiedlichen Ausgangsquerschnittsflächen: F1 ΔL1 = ΔL2 Werkstofftechnik ΔL A02 = n . A01 Mechanische Prüfverfahren gleicher Ausgangslänge: 4 Zugversuch: Spannung-Dehnung-Diagramm Geometrieunabhängigkeit durch Bezug der σ= 1=2 F A0 und der Längenänderung auf die Ausgangslänge ε Werkstofftechnik ε= L1 – L0 L0 = ΔL L0 Mechanische Prüfverfahren Kraft auf die Ausgangsquerschnittsfläche σ 5 Zugversuch: Hookesches Gesetz σe/p/f Grenze des linear-elastischen (hookeschen) Bereichs / Proportionalitätsgrenze / Fließgrenze Δσ α α Δεe Δσ E= = (tan α)[Δσ] Elastizitätsmodul (E-Modul) Δε e Steigung der hookeschen Gerade; Materialkennwert Werkstofftechnik ε Mechanische Prüfverfahren σ 6 Zugversuch: Gesamtdehnung weitere Beanspruchung nach Entlastung σ 1. Belastung σf 2. Belastung: der Werkstoff hat sich „verfestigt“ εp εe ε εt εt = εe + εp Totaldehnung = elastische Dehnung + plastische Dehnung Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren 1. Entlastung 7 Zugversuch: Nennspannung – wahre Spannung Nennspannung / technische Spannung: σ = F / A0 A0 L0 F ΔL aber: Querkontraktion A F L0 Wahre Spannung: σ‘ = F / A Werkstofftechnik F ΔL Mechanische Prüfverfahren F 8 Zugversuch: Technische und wahre Spannung-Dehnung-Kurve σ σ = F/A0 technische Spannung-Dehnung-Kurve ε Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren σ‘ = F/A Berücksichtigung der Querkontraktion und Einschnürung 9 Zugversuch: Wichtige Kennwerte σ Werkstoff mit ausgeprägter Streckgrenze (krz): Rm Zugfestigkeit Rm untere Streckgrenze ReL Δσ Elastizitätsmodul E Δεe εt Lüdersdehnung εL εL A Werkstofftechnik Bruchdehnung A Mechanische Prüfverfahren obere Streckgrenze ReH ReH ReL 10 Zugversuch: Wichtige Kennwerte σ Werkstoff ohne ausgeprägte Streckgrenze (kfz): Rm Zugfestigkeit Rm Rp0,2 Δσ Elastizitätsmodul E Δεe 0,002 = 0,2% A Werkstofftechnik ε Bruchdehnung A Mechanische Prüfverfahren Dehngrenze Rp0,2 11 Zugversuch: Spannung-Dehnung-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze Erklärung: Auftreten einer oberen / unteren Streckgrenze ReH / ReL: • Interstititionsatome lagern sich vorwiegend im Zugeigenspannungsbereich von Versetzungen an (Aufweitung des Gitters im Bereich der Versetzungslinie!) • Versetzungen werden durch diese Interstitionsatome an ihrer Bewegung gehindert (vgl. Mischkristallverfestigung!) Æ erhöhte Losreißspannung Î obere Streckgrenze • zur Weiterbewegung der Versetzungen ist niedrigere Spannung notwendig Î Fließbereich Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren • plastische Verformung wird durch Versetzungsbewegungen bewirkt 12 Zugversuch: Spannung-Dehnung-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze 3 σ 3 1 2 1 εL Lüdersdehnung Werkstofftechnik ε Mechanische Prüfverfahren obere ReH untere ReL Streckgrenze 2 13 Zugversuch: Spannung-Dehnung-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze • plastische Verformung beginnt an einer Stelle, an der durch Mikrooder Makrodefekte eine Spannungsspitze entstanden ist, bei Zugproben in der Regel im Übergangsbereich zwischen Messstrecke und Probenkopf (Spannungsüberhöhung durch Kerbwirkung des Radius) • es setzt in einem lawinenartigen Vorgang von Versetzungslosreißen und –erzeugen hochlokalisiertes Gleiten ein Æ Verfestigung des abgeglittenen Bereichs • bei Weiterbeanspruchung kommt es zu Losreißprozessen in den Nachbarbereichen Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren Auftreten des Lüdersdehnungsbereichs: 14 Zugversuch: Spannung-Dehnung-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze Auftreten des Lüdersdehnungsbereichs - Fortsetzung: • Vorgang beendet, wenn gesamte Messstrecke gleichmäßig verfestigt • das Abgleiten eines Werkstoffbereichs wird auf der Probenoberfläche polierter Proben in Form einer bandförmigen Abgleitungsfront sichtbar • diese Abgleitungsfronten werden als sog. Lüdersbänder bezeichnet • diese sind unter 45° zur Probenlängsachse orientiert (= Richtung der maximalen Schubspannung) Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren Î plastische Verformung erfolgt nicht (wie normalerweise) im gesamten Werkstoffvolumen gleichmäßig, sondern nach und nach, stark lokalisiert an einzelnen Stellen im Werkstoff 15 • Probenoberfläche Fehler, Riefen, Kratzer Æ Kerbwirkung Æ Spannungsüberhöhung • Gefügezustand Wärmebehandlung, Herstellung • Prüftemperatur • Beanspruchungsgeschwindigkeit Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren Zugversuch: Einflussgrößen auf die mechanischen Kennwerte 16 Mechanische Prüfverfahren Zugversuch: Einfluss einer Kaltverformung auf die Spannung-Dehnung-Kurve Werkstofftechnik 17 Zugversuch: Einfluss der Prüftemperatur auf das quasistatische Verformungsverhalten ε 0 15 Werkstofftechnik 30 % Mechanische Prüfverfahren σ 18 Zugversuch: Einfluss der Beanspruchungsgeschwindigkeit auf Streckgrenze und Zugfestigkeit 700 500 Zugfestigkeit 400 300 Streckgrenze 200 100 10 -4 10 -2 10 0 10 2 wahre Dehngeschwindigkeit in s -1 Werkstofftechnik 10 -6 Mechanische Prüfverfahren Spannung in MPa 600 19 Versuch soll quasistatisch sein: • Versuchsgeschwindigkeit ist abhängig vom E-Modul und in der DIN-Norm angegeben! Stahl - 30 MPa/s (E ca. 210000 MPa) NE-Metall - 10 MPa/s (EAl ca. 70000 MPa) • Ziel ist hinreichend langsame Kraftaufbringung! Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren Zugversuch: Einfluss der Beanspruchungsgeschwindigkeit auf Streckgrenze und Zugfestigkeit 20 Gegenüberstellung Zugversuch - Kerbschlagbiegeversuch einachsig quasistatisch Zugversuch Beanspruchung Mehrachsigkeit verformungsarmer Sprödbruch Verformungsgeschwindigkeit mehrachsig hohe Verformungsgeschwindigkeit Werkstofftechnik Kerbschlagbiegeversuch Mechanische Prüfverfahren Temperatur 21 Kerbschlagbiegeversuch: Zweck Einfluss der Prüftemperatur Vergleich der Sprödbruchanfälligkeit Bruchverhalten ! rein technologisches Prüfverfahren ! ! liefert keine Werkstoffkennwerte ! Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren verschiedene Werkstoffe verschiedene Werkstoffzustände Bsp.: Wärmebehandlung von Stählen; Schweißparameter 22 Kerbschlagbiegeversuch: Prinzip und Kerbschlaghammer Anzeigeeinrichtung z.B. Skala Zeiger Drehachse Pendellagerung Pendelstange Widerlager Gestell Schabotte Probe Schnitt A-B (vergrößert) Auflager Hammerschneide Freiwinkel aF Schlagrichtung Auflager Probe Hinterschnitt aH Widerlager Werkstofftechnik Probe Schmutznut 1x1 Mechanische Prüfverfahren Hammer 23 Kerbschlagbiegeversuch: Probenformen b h AK l r t h t ρ d a DVM-Probe mit Rundkerbe h α 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 Werkstofftechnik t = 2 mm, r = 0,25 mm, α = 45° Mechanische Prüfverfahren l 24 Kerbschlagbiegeversuch: Energiebetrachtung h1 Kerbschlagzähigkeit αK: αK = KV / AK mit AK = Probenquerschnittsfläche h2 Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren L Brucharbeit KV: KV = Epot, Anfang – E pot, Ende = m⋅g⋅(h1-h2) 25 Kerbschlagbiegeversuch: Bruchflächenausbildung T = -196 °C: Spröd- oder Trennbruch Kerbe T = 0 °C Kerbe Werkstofftechnik Kerbe Kerbe T = 25 °C: Verformungsoder Gleitbruch Mechanische Prüfverfahren T = -17 °C 26 Kerbschlagbiegeversuch: Grundtypen von KV,T-Kurven KV III I krz, hex ferritisch-perlitische Stähle Tieflage II Tü II GGL martensitisch geh. Stähle hochfeste Stähle Keramiken T TÜ: Übergangstemperatur = Temperatur, bei der - KV bzw. αK definierten Wert (28 J bzw. 20 J/cm2) aufweist - KV bzw. αK 50 % des Wertes der Hochlage aufweist - Bruchfläche bestimmten Spröd- und Duktilbruchanteil aufweist Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren Hochlage I III kfz: reine Metalle homogene Legierungen austenitische Stähle 27 Kerbschlagbiegeversuch: Einflussgrößen auf die Übergangstemperatur Auswirkung auf Tü Probendicke Probenbreite Kerbschärfe Schlaggeschwindigkeit Auflagerabstand Alterung Wärmebehandlungen Kaltverformung Gefügeinhomogenitäten Feinkörnigkeit Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren werkstoffbedingt versuchsbedingt Einflussgröße 28 Erinnerung: DBE – DBR der für Metalle wichtigsten Gitterstrukturen hdp kfz [110] Flächendiagonale (0001) (111) 4 E mit je 3 R Flächendiagonale 1 E mit 3 R krz Kante [111] (110) 6 E mit je 2 R Flächendiagonale Werkstofftechnik Kante Basis-/Stirnebene Mechanische Prüfverfahren [1120] 29 Kerbschlagbiegeversuch: Einfluss der Temperatur und der Gitterstruktur auf die Trenn- und Gleitfestigkeit WT WG (krz, hex) WG (kfz) TÜ Trennbruch Werkstofftechnik Temperatur T Verformungsbruch Mechanische Prüfverfahren Trennfestigkeit WT Gleitfestigkeit WG WG: lokal wirkende Schubspannung erreicht die kritische Schubspannung Æ Versetzungsgleiten setzt ein WT: lokal wirkende Normalspannung überschreitet Bindungskräfte Æ Werkstofftrennung 30 Trennfestigkeit WT Gleitfestigkeit WG Kerbschlagbiegeversuch: Einfluss der Versuchsgeschwindigkeit auf die Trenn- und Gleitfestigkeit WT Versuchsgeschwindigkeit v Trennbruch Verformungsbruch Werkstofftechnik vkrit Mechanische Prüfverfahren WG (krz, hex) 31 Kerbschlagbiegeversuch: Geschwindigkeitsversprödung Normalspannung > Trennfestigkeit plastische Verformungen Rissbildung Verformungsbruch Trennbruch WG = f(Gitterstruktur, Bindungsenergie, T) Werkstofftechnik WT = f(Bindungsenergie, T) Mechanische Prüfverfahren Schubspannung > Gleitfestigkeit 32 Kerbschlagbiegeversuch: Einfluss des Kohlenstoffgehalts auf den Übergang Hochlage - Tieflage KV Typ I (krz, hex) 0,01 Gew.-% C 0,6 Gew.-% C C-Anteil Tü Werkstofftechnik T Mechanische Prüfverfahren 0,2 Gew.-% C 33 Härteprüfverfahren: Einteilung der Härteprüfverfahren Härte = Widerstand gegen das Eindringen eines Körpers unter Einwirkung einer ruhenden (statischen) oder schlagartigen (dynamischen) Beanspruchung Härtemaß: bleibender Eindruck oder elastische Rückstellkraft Æ Oberflächenprüfverfahren Eindringverfahren statisch plastische Verformung Brinell Rockwell Vickers Ritzverfahren dynamisch plastische Verformung elastische Verformung Schlaghärte: Fallhärte: PoldiHammer BaumannHammer Shore Skleroskop Werkstofftechnik Mohs (1822) Martens (1889) Mechanische Prüfverfahren Härtebestimmung durch Eindringen eines Körpers 34 Härteprüfverfahren: Prinzip der Härteprüfung nach BRINELL Mechanische Prüfverfahren Härtewert: HB = 0,102 F/AK Werkstofftechnik 35 Härteprüfung nach BRINELL: Bestimmung der Kalottenfläche Pythagoras: (0,5 DKugel - h)2 + (0,5 dKalotte)2 = (0,5 DKugel)2 Ku g el ⇒ h = 0,5 (DKugel - √DKugel2 - dKalotte2 ) Probenoberfläche h dKalotte Oberfläche des Eindrucks = Mantelfläche einer Kugelkalotte: AKalotte = π DKugel h = 0,5 π DKugel (DKugel - √DKugel2 - dKalotte2 ) Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren D 36 Härteprüfung nach BRINELL: Belastungsgrad Vergleich von Härtewerten bei verschiedenen Kugeldurchmessern: Æ Einführung des Belastungsgrads (x): • Prüfkraft abhängig vom Kugeldurchmesser zu wählen! • Prüfkraft = 0,102 F = x D2 (F in N, D in mm) • 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 Æ Eindringtiefe ≤ 1/10 der Probendicke, sonst Ergebnisverfälschung • falls Belastungsgrad konstant Æ in guter Näherung Unabhängigkeit von der Prüfkraft Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren bei Brinell: keine geometrisch ähnlichen Eindrücke! Æ Härtewert abhängig von der Prüfkraft und vom Kugeldurchmesser 37 Härteprüfung nach BRINELL: Zusammenhang zwischen Blechdicke und Belastungsgrad Dicke der Proben nach der Beziehung s ≥ 10 . Eindringtiefe der Kugel Dicke s der Proben in mm Durchmesser der Prüfkugel in mm Brinellhärte HB Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren Belastungsgrad x = 0,102 F/D2 38 Härteprüfung nach BRINELL: Prüfkraft-Zeit-Verlauf (schematisch) Lasteinwirkdauer Prüfkraft stoßfrei aufbringen! ta = t2 - t1 = 10 s Werkstofftechnik te = t3 - t2 ≥ 10 s (TS > 600 °C) ≥ 30 s (TS < 600 °C) Mechanische Prüfverfahren Lastaufbringdauer 39 Härteprüfung nach BRINELL: Prüfkraft-Zeit-Verlauf (schematisch) II Bezeichnung der BRINELL-Härte: • Durchmesser / Prüfkraft können entfallen bei Belastungsgrad 30 und D = 10 mm • Einwirkdauer kann entfallen bei t = 10 – 15 s • Beispiel: 300 HB: Härte 300 D = 10 mm, F = 29400 N = 3000 kp, t = 10 – 15 s 110 HB 5/250/30: Härte 110 D = 5 mm, F = 2450 N = 250 kp, t = 30 s Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren Zahlenwert HB / D [mm] / 0,102 F [N] = F [kp] / Einwirkdauer [s] 40 Härteprüfung nach BRINELL: Problematik 0,2 D ≤ d ≤ 0,7 D grundsätzlich: unter 0,2 D Î unscharfer Rand (flacher Eindruck) über 0,7 D Î seitliches Wegquetschen der Kanten (tiefer Eindruck) d‘: gemessener Kalottendurchmesser d: wahrer Kalottendurchmesser d‘ d‘ d d Einziehung (weiche Werkstoffe) Aufwerfung (kaltverfestigte Werkstoffe) Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren außerdem: Einziehung / Aufwerfung 41 Härteprüfung nach BRINELL: Problematik II d? Einziehung (weiche Werkstoffe) Aufwerfung (harte Werkstoffe) Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren d? 42 Härteprüfung: Prinzip der Härteprüfung nach VICKERS Mechanische Prüfverfahren Härtewert: HV = 0,102 F/AK Werkstofftechnik 43 Härteprüfung nach VICKERS: Öffnungswinkel der Diamantpyramide DKugel Probenoberfläche hierdurch Übereinstimmung der Vickers- und der BrinellHärtewerte bis HB ca. 400 X dKalotte dKalotte /2 darüber Kugelabplattung! x Werkstofftechnik α/2 Mechanische Prüfverfahren Die Vickerspyramide berührt die Brinellkugel tangential. => Spitzenwinkel α = 136° (für dKalotte = 0,375 DKugel = Mittelwert von dKalotte = 0,2 .... 0,5 DKugel) 44 Härteprüfung nach VICKERS: Bestimmung der Kalottenfläche d1 h A A 1/2 d/√2 α = 136° d2 h A β = 22° sin α/2 = cos β = 1/2 d/√2 / h K = d/√2 für geometrische Betrachtung → Annahme: d1 = d2 = d für Auswertung: d = (d1 + d2)/2 Kalottenfläche: AK = 4 . F = 4 . 1/2 . d/√2 . h = 4 . (1/2 . d/√2)2 / cos 22° = d2 / 1,8544 Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren A 45 Härteprüfung nach VICKERS: Zusammenhang Blechdicke - Prüfkraft Werkstofftechnik Vickershärte HV Mechanische Prüfverfahren Mindestdicke s der Proben Mindestdicke der Proben nach der Beziehung s ≥ 1,5 . Eindruckdiagonale 46 Härteprüfung nach VICKERS: Zusammenhang Blechdicke - Prüfkraft Prüfkräfte bei der VICKERS-Härteprüfung: 49 N, 98 N, 196 N, 490 N, 980 N Æ wie bei BRINELL-Härte abhängig von der Blechdicke! Zahlenwert HV / 0,102 F [N] = F [kp] / Einwirkdauer [s] • Zeit kann entfallen bei t = 15 s • Beispiel: 720 HV 50/30: Härte 720 F = 490 N = 50 kp, t = 30 s Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren Bezeichnung der VICKERS-Härte: 47 Härteprüfung nach VICKERS d = (d1 + d2) / 2 Vorteile VICKERS: d1 auch sehr kleine Eindrücke gut ausmessbar immer scharfe, gut ausmessbare Ränder Härte nach oben unbegrenzt d2 Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren geometrisch ähnliche Härteeindrücke Æ Prüflastunabhängigkeit 48 Härteprüfung nach Rockwell: Prinzip Rockwell Ball HRB Rockwell Cone HRC F0 + F1 t0 t0 + t1 tB Für die Ermittlung des Härtewerts wird die Eindringtiefe bewertet. Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren F0 = 98 N F1 = 1373 N F0 = 98 N F1 = 883 N 49 Härteprüfung nach Rockwell: Prinzip II Eindringtiefe bei Vorlast: t0 Eindringtiefe bei Vorlast + Prüflast: t0 + t1 Eindringtiefe nach Wegnahme der Prüflast: tB Rockwellhärte: HRC = 100 – e HRB = 130 – e Spanne von e: 0 bis 0,2 mm z.B. tB = 0,2 mm Î e = 100 Î HRC = 0, HRB = 30 Härteangabe: Zahlenwert HRC bzw. HRB Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren bleibende Eindringtiefe in Einheiten von 0,002 mm ausdrücken Î Rockwelleinheit e = tB / 0,002 mm 50 Härteprüfung nach ROCKWELL: Mindestdicke der Proben i. allg. Mindestdicke ca. 10 x Eindringtiefe Werkstofftechnik Mechanische Prüfverfahren mit abnehmender Härte größere Dicke, da tieferer Eindruck) 51