0 - Brandenburgische Technische Universität Cottbus

Transcrição

Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Übung „Grundlagen der Werkstoffe“
Thema: Zugversuch
Lehrstuhl Metallkunde und Werkstofftechnik
Übungen „Grundlagen der Werkstoffe“ WS 2011/12
Studiengang
Termin
Hörsaal
Übungsleiter
Wirtschaftsingenieurwesen
(Produktionstechnik,
Kraftwerkstechnik)
Elektrotechnik
montags,
11:30-13:00 Uhr
Großer
Hörsaal
(GH)
Dipl.-Ing. R. Steinert
Umweltingenieurwesen
Verfahrenstechnik
dienstags,
09:15-10:45 Uhr
Hörsaal 3
Dipl.-Ing. S. Bolz
Maschinenbau
dienstags,
15:30-17:00 Uhr
Audimax 2
Dr.-Ing. J. Lindemann
Übungen „Grundlagen der Werkstoffe“ WS 2011/12
Inhalt:
ÜbungNr.
Termin
Thema
1
24.10./1.11.
Zugversuch
2
07./08.11.
Kerbschlagbiegeversuch und Härtemessung
3
14./15.11.
Dauerschwingfestigkeitsprüfung
4
21./22.11.
Gitterstrukturen und Kristallbaufehler
5
28./29.11.
Binäre Zustandsdiagramme
6
05./06.12.
Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
7
12./13.12.
Wärmebehandlung von Stahl
8
10.01.
Laborführung für Interessierte (nur MB)
9
16./17.01.
Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen
10
23./24.01.
Verfestigungsmechanismen metallischer Werkstoffe
Musterfragen „Zugversuch“
http://www.tu-cottbus.de/fakultaet3/de/metallkunde/lehre/skripte.html
4. Eigenschaften von Werkstoffen und deren Prüfung
1. Skizzieren Sie in ein Spannungs-Dehnungsdiagramm die Verläufe für ein sprödes und
ein plastisch gut verformbares Metall. Kennzeichnen und erklären Sie die charakteristischen Kenngrößen
11. Erläutern Sie, was unter einem Duktil-, einem Spröd- und einem Ermüdungsbruch zu
verstehen ist. Welche Beanspruchungen führen zu dem jeweiligen Bruchvorgang?
12. Was versteht man unter den Begriffen “Steifigkeit, Festigkeit, Verformbarkeit, Zähigkeit,
Sprödigkeit, Dauerfestigkeit“? Geben Sie mit kurzer Beschreibung Prüfverfahren zur
Ermittlung dieser Kennwerte an.
Aufgaben der Werkstoffprüfung
Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen
(Festigkeit, Verformbarkeit, Steifigkeit, Härte…)
Qualitäts- und Fehlerprüfung
Betriebsüberwachung
Schadensanalyse
Einteilung der Prüfverfahren
Mechanisch-technologische Prüfverfahren
(Zugversuch, Härtemessung, Kerbschlagbiegeversuch,
Dauerschwingfestigkeitsprüfung)
Zerstörungsfreie Prüfverfahren
(Ultraschallprüfung, Prüfung mit Röntgenstrahlung, magnetische und
magnetinduktive Prüfverfahren)
Struktur- und Gefügeanalyse
(Lichtmikroskopie, Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie)
Chemische Prüfverfahren
(Prüfung der chemischen Zusammensetzung, Korrosionsprüfung)
Physikalische Prüfverfahren
(Untersuchung thermischer, optischer, elektrischer und magnetischer
Werkstoffeigenschaften)
Zugversuch - Ziel

Prüfprinzip:
ein ungekerbter Probestab wird langsam und stetig (quasistatisch)
unter Zugbeanspruchung bis zum Bruch belastet
→ Aufzeichnung eines Kraft-Längenänderungs-Diagramms

Ziel:
→ Ermittlung von Festigkeits- und Verformungskennwerten unter
einachsiger Zugbelastung
→ Dimensionierung statisch beanspruchter Bauteile
Zugversuch - Prüfprinzip
Zugversuch - Probenformen

Probenformen:
Rund- bzw. Flachproben
Rundproben: l0 = 5 x d0 (kurzer Proportionalstab)
l0 = 10 x d0 (langer Proportionalstab)
Flachproben: l0 = 5,65 x √A0 (kurzer Proportionalstab)
l0 = 11,3 x √A0 (langer Proportionalstab)
Zugversuch

Ergebnis:
Kraft-Längenänderungs-Diagramm (abhängig von den Probenabmessungen!)
→ Ermittlung der Festigkeits- und Verformungskennwerte (abmessungsunabhängig)
→ Überführung des Kraft-Längenänderungs-Diagramms in
technisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm
Zugversuch
Kraft F [N]
(Kraftmessdose)
→
technische Spannung σ [MPa]
σ = F / A0
(1 MPa = 1 N/mm2)
(A0 – Ausgangsquerschnittsfläche [mm2])
Längenänderung Δl [mm] → technische Dehnung ε [%]
(Traversenbewegung
bzw.
Extensiometer)
ε = Δl / l0
(l0 – Ausgangsmesslänge [mm])
Zugversuch
Änderung der Abmessungen der Zugprobe während des Versuches
(duktiler Werkstoff)
a – unverformt
b – mit Gleichmaßdehnung (bis zur Zugfestigkeit)
c – mit Einschnürung
d - gebrochen
Zugversuch
Spannungs-Dehnungs-Diagramm Typ I (Werkstoff mit Streckgrenze)
Elastische (reversible)
Längenänderung
σ = E· ε (Hook)
Plastische (irreversible)
Längenänderung)
- diskontinuierlicher Übergang von der elastischen zur plastischen Dehnung
- Beispiel: unlegierter Stahl (normalgeglüht)
Zugversuch
Spannungs-Dehnungs-Diagramm Typ II (Werkstoff ohne Streckgrenze)
- kontinuierlicher Übergang von der elastischen zur plastischen Dehnung
- Beispiel: Aluminiumlegierung
Zugversuch - Kenngrößen
Festigkeitskenngrößen:
Obere Streckgrenze ReH
ReH = FeH / A0
0,2% - Dehngrenze Rp0,2
(Ersatzstreckgrenze)
Rp0.2 = Fp0,2 / A0
Zugfestigkeit Rm
Rm = Fmax / A0
E-Modul
E = ∆ σ / ∆ ε (Hook'sches Gesetz)
Verformungskenngrößen:
Bruchdehnung A5 (A10)
A5 (A10) = ∆lB / l0 = (lB – l0) / l0
Einschnürung Z
Z = ∆AB / A0 = (A0 – AB) / A0
Zugversuch – Bedeutung der Kenngrößen
Festigkeitskenngrößen:
Obere Streckgrenze ReH
0,2% - Dehngrenze Rp0,2 (Ersatzstreckgrenze)
}
Widerstand gegenüber
plastischer Verformung
Zugfestigkeit Rm
Widerstand gegenüber Bruch
E-Modul
Widerstand gegenüber elastischer
Verformung
(Maß für die Steifigkeit, materialabhängig)
Verformungskenngrößen:
Bruchdehnung A5 (A10)
Einschnürung Z
}
Maß für die plastische Verformbarkeit
(Duktilität)
Zugversuch
Spannungs-Dehnungs-Diagramme verschiedener Werkstoffe
Zugversuch
Einfluss einer Wärmebehandlung auf Spannungs-Dehnungs-Diagramm
des unlegierten Stahls C45
→ Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist vom Wärmebehandlungszustand
des Materials abhängig.
Thema: Kerbschlagbiegeversuch und Härtemessung
Musterfragen zu Kerbschlagbiegeversuch und Härtemessung
2. Was versteht man unter Zähigkeit und wovon ist sie abhängig? Nennen und beschreiben
Sie kurz die Methode, um die Zähigkeit zu ermitteln.
11. Erläutern Sie, was unter einem Duktil-, einem Spröd- und einem Ermüdungsbruch zu
verstehen ist. Welche Beanspruchungen führen zu dem jeweiligen Bruchvorgang?
12. Was versteht man unter den Begriffen “Steifigkeit, Festigkeit, Verformbarkeit, Zähigkeit,
Sprödigkeit, Dauerfestigkeit“? Geben Sie mit kurzer Beschreibung Prüfverfahren zur
Ermittlung dieser Kennwerte an.
Kerbschlagbiegeversuch-Motivation
Kerbschlagbiegeversuch-Prüfprinzip

Prüfprinzip:
eine genormte Kerbschlagbiegeprobe wird mit Hilfe eines
Pendelschlagwerkes zerschlagen
→ Ermittlung der verbrauchten Schlagarbeit (Kerbschlagzähigkeit)

Ziel:
→ Bewertung der Sprödbruchsicherheit von Werkstoffen
Einbeziehung sprödbruchbegünstigender Faktoren in die Versuchsführung

hohe Beanspruchungsgeschwindigkeit (Pendelschlagwerk)
mehrachsiger Spannungszustand (gekerbte Probe)
ggf. tiefe Prüftemperatur
Kerbschlagbiegeversuch-Pendelschlagwerk
Pendelschlagwerk, Arbeitsinhalt: 300 J
Kerbschlagbiegeversuch (schematisch)
Kerbschlagbiegeversuch-Pendelschlagwerk
Kerbschlagzähigkeit K [J]
K = m · g · (H - h)
= m · g · r (cos α – cos α0)
Die Kerbschlagzähigkeit (die zum Zerschlagen der Probe verbrauchte Schlagarbeit)
wird aus der Differenz der Energien des Pendelhammers vor und nach dem Schlag
bestimmt.
→ erreicht der Hammer nach dem Schlag nahezu die Ausgangshöhe (h ~ H)
→ verbrauchte Schlagarbeit gering → Sprödbruch
Kerbschlagbiegeversuch-Probenformen
Kerbschlagbiegeproben
nach DIN EN 10045 (Deutsches Institut für Normung e.V. Europa-Norm)
• mit Rundkerb (U-Kerb)
• mit Spitzkerb (V-Kerb)
Kerbschlagbiegeversuch
Angabe der Kerbschlagzähigkeit nach DIN EN 10 045:
KU 300 = 105 J
- Normalprobe mit U-Kerb
- Arbeitsvermögen des Pendelschlagwerkes: 300 J
- beim Bruch verbrauchte Schlagarbeit 105 J
KV 150 = 27 J
- Normalprobe mit V-Kerb
- Arbeitsvermögen des Pendelschlagwerkes: 150 J
- beim Bruch verbrauchte Schlagarbeit 27 J
Temperaturabhängigkeit der Kerbschlagzähigkeit
Kerbschlagzähigkeit-Temperatur-Kurven für verschiedene Werkstoffgruppen
1:
2:
3:
für Baustähle wie S235 JR (krz):
Tü
Der Steilabfall der Kerbschlagzähigkeit wird durch die Übergangstemperatur Tü charakterisiert .
Kerbschlagbiegeversuch-Bruchflächenanalyse
Sprödbruch
Mischbruch
Sprödbruch:
• kristallin glänzend
• Normalspannungsbruch
senkrecht zur größten
Normalspannung
Verformungsbruch
Verformungsbruch:
• matt, faserig
• Bruchfläche parallel zur
Ebene der größten
Schubspannung (45°)
Kerbschlagbiegeversuch-Bruchflächenanalyse
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen
Sprödbruch
Verformungsbruch
K-T-Diagramm für einen aktuellen,
feinkörnigen Schiffbaustahl im
Vergleich zum Stahl der Titanic
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme
von einem Mangansulfidteilchen;
die Mangansulfidteilchen tragen zur
Erhöhung der Sprödbruchempfindlichkeit bei
→ Reduzierung der Kerbschlagzähigkeit
→ Erhöhung der Übergangstemperatur
Definition der Härte
Härteskala nach Mohs (1822):
Härte nach
Mohs
Mineral
1
Talk
2
Gips
3
Kalkspat
4
Flußspat
5
Apatit
6
Feldspat
7
Quarz
8
Topas
9
Korund
10
Diamant
10 Härtegrade, wobei jedes Mineral einer bestimmten
Härte von dem Mineral mit der nächst höheren Härte
geritzt werden kann
Bsp. Quarz ritzt Feldspat, aber nicht Topas
Härte : Werkstoffwiderstand, den ein Werkstoff
dem Eindringen eines härteren
Prüfkörpers entgegensetzt
Härtemessung-Prüfprinzip

Prüfprinzip:
Eindrücken eines genormten, harten Prüfkörpers mit bestimmter Prüfkraft
in den zu untersuchenden Werkstoff
→ Ermittlung des Härtewertes aus der im Werkstoff verbleibenden
Eindruckoberfläche bzw. aus der Eindrucktiefe

Ziel:
→ schnelle und billige Methode zur Bewertung der Festigkeit
(Widerstand gegenüber plastischer Verformung)

Methoden:
Härtemessung nach
Brinell
Vickers
Rockwell
•
•
•
Makrohärte-, Kleinlasthärte- und Mikrohärtemessung
→ je nach Ziel der Härtemessung wird die Prüfkraft und damit die
Größe des im Material verbleibenden Eindrucks gewählt
Härte
Prüfkraft [N]
Anwendung
Makrohärte
49…981
Härtemessung an
Gesamtgefügen
Kleinlasthärte
1,96…<49
Härtemessung in Randschichten
Mikrohärte
<1,96
Härtemessung lokal in einzelnen
Gefügebestandteilen
Brinell- und Vickershärtemessung
Brinell-Härtemessung
Vickers-Härtemessung
Prüfkörper: Kugel
(Hartmetall bzw. gehärteter Stahl)
Prüfkörper: Pyramide
(Diamant)
Prüfkörper
Prüfkörper
d
Probe
F-Prüfkraft [N], A-Eindruckoberfläche [mm2]
D-Durchmesser der Kugel [mm]
d-Durchmesser des Eindrucks [mm]
Probe
F-Prüfkraft [N], A-Eindruckoberfläche [mm2]
d-Diagonalenlänge des Eindrucks [mm]
Mikrohärtemessung
Mikrohärtemessung zur Bestimmung der Härte einzelner Gefügebestandteile
→ Erzeugung sehr kleiner Eindrücke erforderlich (F< 2N)
→ Prüfkörper befindet sich im Objektiv eines Lichtmikroskops
1. Eindruck erzeugen
2. Eindruck vermessen
3. Härtewert bestimmen
Rockwell-Härtemessung
Prüfkörper:
• Diamantkegel (HRC-hardness rockwell cone) oder
• gehärtete Stahlkugel (HRB-hardness rockwell ball)
Ablauf:
1.Vorlast F0 aufbringen → t0
2.Prüfkraft F1 aufbringen → t1
3.Wegnahme von F1 → tb
4.tb (bleibende Eindringtiefe [mm])
→ Rockwellhärte HRC
1.
2.
3./4.
Bestimmung des Härtewertes:
→ geringer Härtewert, wenn tb groß
→ Festlegung von 0 HRC für tb=0,2 mm
HRC = 100 -
tb
0,002
Der Rockwell-Härtewert wird unmittelbar aus der Eindrucktiefe (Kopplung mit Messuhr) bestimmt.
→ kein Vermessen des Eindrucks
→ schnelles Verfahren insbesondere für Serienprüfungen in Härtereien üblich
Härtemessung - Messbedingungen
Oberflächengüte:
ebene Oberfläche, fein geschliffen bzw. poliert,
um ein genaues Vermessen der Härteeindrücke
zu gewährleisten
Rand- und Mittenabstände:
Einhaltung von Mindestabständen erforderlich,
da kaltverfestigte Zonen um die Eindrücke
herum die Härtewerte beeinflussen
Probendicke:
Einhaltung von Mindestdicken erforderlich, da
bei Verformungen auf der Rückseite der Probe
der Härtewert beeinflusst wird
Härtemessung – Bezeichnung der Härtewerte
350 HB 30 → Härtezahl: 350
→ Brinellhärte: HB
→ Prüfkraft: 30 kp
640 HV 30 → Härtezahl: 640
→ Vickershärte: HV
→ Prüfkraft: 30 kp
59 HRC
→ Härtezahl: 59
→ Rockwellhärte (cone)
Thema: Dauerschwingfestigkeitsprüfung
Musterfragen zur Dauerschwingfestigkeitsprüfung
3. Aus welchen Gründen sind Ermüdungsbrüche in der Technik gefürchtet? Beschreiben Sie
schematisch das Aussehen eines Ermüdungsbruches.
4. Beschreiben Sie kurz die experimentelle Vorgehensweise zur Ermittlung der
Dauerfestigkeit. Wie ist die Dauerfestigkeit definiert? Skizzieren Sie eine so genannte
Wöhlerlinie und kennzeichnen Sie die entsprechende Dauerfestigkeit.
5. Welche wesentlichen Einflussfaktoren auf die Dauerfestigkeit sind Ihnen bekannt?
Beschreiben Sie die entsprechenden Einflüsse.
Makroskopisches Aussehen
eines Ermüdungsbruchs
(schematisch)
Ermüdungsbruch einer Welle
(Realbeispiel)
Oberflächenmerkmale zyklisch beanspruchter Metalle
A) Ermüdungsgleitband
B) Ex- und Intrusionen
C) Oberfläche
(rasterelektronenmikroskopisch)
Entstehung und Ausbreitung eines Schwingungsrisses
Last-Zeit-Funktionen bei der Dauerschwingfestigkeitsprüfung
• Einstufenbelastung
• Mehrstufenbelastung
• Randombelastung
Spannungs- bzw. Verformungsverlauf beim Einstufenversuch
NN
Beanspruchungsfälle beim Einstufenversuch (Wöhlerversuch)
Spannungsverhältnis
R = σu/σo
(σu und σo
negativ)
(σu und σo
verschiedene
Vorzeichen)
(σu und σo
positiv)
Wöhlerlinie NB = f (σa bzw. εa)
Wöhlerlinie
σm = konst.
Zeitfestigkeitsbereich
σD
Dauerfestigkeit σD:
maximale Spannungsamplitude, die das Material „unendlich oft“
(bis zur Grenzschwingspielzahl NG=1·107 ) erträgt, ohne zu brechen
Einfluss der Gitterstruktur auf die Wöhlerlinie
Umlaufbiegeversuch
Maschine
Last-Zeit-Verlauf
σm = 0
Dauerschwingverhalten des Vergütungsstahls 42CrMo4 (Umlaufbiegung)
Dauerfestigkeiten σD (σm = 0):
• vergütet: σD = 700 MPa
• normalgeglüht: σD = 300 MPa
Einflüsse auf die Dauerfestigkeit
Statische Festigkeit
Beanspruchungsart (Spannungsgradient)
Mittelspannung (Spannungsverhältnis R=σu/σo)
Kerbwirkung (Oberflächenrauheit)
Korrosion
Temperatur
Oberflächennahe Eigenspannungen
Einflüsse auf die Dauerfestigkeit
3
αk3
1
αk1
Einfluss der Zugfestigkeit und der Beanspruchungsart auf die
Dauerschwingfestigkeit
Einfluss der Mittelspannung auf die Dauerfestigkeit
Dauerfestigkeitsschaubilder
Smith-Diagramm
Haigh-Diagramm
→ Zug-Mittelspannungen verringern die dauerfest ertragbare Spannungsamplitude
(Dauerfestigkeit)
Dauerfestigkeitsschaubild nach Smith
Goodman:
→ Zug-Mittelspannungen verringern die
dauerfest ertragbare Spannungsamplitude
(Dauerfestigkeit)
Risswachstumskurve da/dN = f (ΔK) (schematisch)
A: Risswachstum bei ΔK > ΔK0
B: Kontinuierliches Risswachstum
Paris-Gleichung: da/dN = c · (ΔK)m
mikroskopisch: Schwingungsstreifen
C: Instabiles Risswachstum
Schwingungsstreifen auf der Dauerbruchfläche (REM)