Kein Folientitel

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Kein Folientitel

• Zugversuch
• Kerbschlagbiegeversuch
• Härteprüfung
Werkstofftechnik
Mechanische Prüfverfahren
1
Zugversuch: Spannungszustand und Probenverlängerung, schematisch
F
Axiale Zugkraft F
σ
einachsigen Spannungszustand mit
Zugnormalspannung σ
im Probenquerschnitt
F
Werkstofftechnik
bewirkt
2
Zugversuch: Probenverlängerung, schematisch
L1
F
L0
Ausgangslänge
Werkstofftechnik
ΔL = L1 - L0
Probenverlängerung
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
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
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
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
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
F
8
Zugversuch: Technische und wahre Spannung-Dehnung-Kurve
σ
σ = F/A0
technische Spannung-Dehnung-Kurve
ε
Werkstofftechnik
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
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
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
• plastische Verformung wird durch Versetzungsbewegungen bewirkt
12
3
σ
3
1
2
1
εL
Lüdersdehnung
Werkstofftechnik
ε
obere ReH
untere ReL
Streckgrenze
2
13
• 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
Auftreten des Lüdersdehnungsbereichs:
14
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
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
Zugversuch: Einflussgrößen auf die mechanischen Kennwerte
16
Zugversuch: Einfluss einer Kaltverformung auf die Spannung-Dehnung-Kurve
Werkstofftechnik
17
Zugversuch:
Einfluss der Prüftemperatur auf das quasistatische Verformungsverhalten
ε
0
15
Werkstofftechnik
30 %
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
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
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
Temperatur
21
Kerbschlagbiegeversuch: Zweck
Einfluss der Prüftemperatur
Vergleich der
Sprödbruchanfälligkeit
Bruchverhalten
! rein technologisches Prüfverfahren !
! liefert keine Werkstoffkennwerte !
Werkstofftechnik
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
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°
l
24
Kerbschlagbiegeversuch: Energiebetrachtung
h1
Kerbschlagzähigkeit αK:
αK = KV / AK
mit AK =
Probenquerschnittsfläche
h2
Werkstofftechnik
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
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
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
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
[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
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
WG (krz, hex)
31
Kerbschlagbiegeversuch: Geschwindigkeitsversprödung
Normalspannung > Trennfestigkeit
plastische Verformungen
Rissbildung
Verformungsbruch
Trennbruch
WG = f(Gitterstruktur, Bindungsenergie, T)
Werkstofftechnik
WT = f(Bindungsenergie, T)
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
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)
Härtebestimmung durch Eindringen eines Körpers
34
Härteprüfverfahren: Prinzip der Härteprüfung nach BRINELL
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
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
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
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)
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
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
außerdem: Einziehung / Aufwerfung
41
Härteprüfung nach BRINELL: Problematik II
d?
Einziehung (weiche Werkstoffe)
Aufwerfung (harte Werkstoffe)
Werkstofftechnik
d?
42
Härteprüfung: Prinzip der Härteprüfung nach VICKERS
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
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
A
45
Härteprüfung nach VICKERS: Zusammenhang Blechdicke - Prüfkraft
Werkstofftechnik
Vickershärte HV
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
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
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
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
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
mit abnehmender
Härte größere
Dicke, da tieferer
Eindruck)
51

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