mech. Werkstoffprüfung
Werkstoffwissenschaft
Werkstoffwissenschaft
Zusammenhang zw. den elast. Konstanten
G= E/(2(1+nü))
K=E/(3(1-2nü))
nü= (E/2G) -1
wichtigsten Elastischen Konstanten
Elastizätsmodul
Querkontrktionszahl
Schubmodul
Kompressionsmodul
Thermoelastischer Effekt
Materialien mit pos. Wärmeausdehnungskoef. nehmen bei elast. Dehnung eine niedrigere temp. an bzw. erwärmen sich wenn sie durch Druck beansprucht werden.
Grund: Probe gleicht mformgeschwindigkeit aus, zu Dehnung Material kommt Dehnung thermi = Gesamtdehnung
Adiabatische und isothermer E-Modul
adiabat: Wärme kann nicht ausgetauscht werden→sehr schnelle Belastung
E ad. > E iso. Bedingung: pos. Wärmeausdehnungskoeff.
Gesamtdehnung = epsilon therm + epsilon ad.
neue Definition der elast. Konstanten
1/Ead =1/Eis - altha²*T/(roh*cp) alpha...linearer therm Ausdehnungskoeff.
1/Kad= 1/Kis-betha²*T/(rohÜcp) betha... kubischer therm. Ausdehnungskoeff.
Statisische Verfahren zur Bestimmung elstisher Konst.
Zugversuch: E= sigma/epsilon
Torsionsversuch G= 32MtI/(pid²groß phi)
dynamische Verfahren zur Bestimmung elast. Konst.
- elastischer Bereich wird nicht verlassen
- Vorgänge meist Sinusförmig, zeitlich verändert→Schwingung
- Niederfrequenzmethoden: Wellenlänge groß gegenüber des Abmessung des Bauteils → Schwingbänder entstehen
- Longitudinalwellen (Elatomat nach Förster)
- Transversalwellen
-Torsionsschwingung( Torsionspendel nach Ke)
Resonanz =Eigenfrequenz=Erzeugerfrequenz→große Schwingungsamplituden
- Hochfrequenz/ Ultraschallmethode: Wellenlänge sehr klein gegenüber Probenabmessung
-z. B. Ultraschall - Impuls- Echoverfahren
- elast. Modulen über Ausbreitungsgeschw. im Material gemessen
- Dehnwellen: kombination aus Logit.- + Tranv. Wellen
Formeln: E= roh*cd² cd... Ausbreitungsgeschw. Dehnwelle
G=roh*ct² ct...Ausbreitungsg. Logit. welle (ct=2d/t)
- (Mittelfrequenz)
Anelastizität (elastische Konstanten) Ursache /Auswirkung
- durch innere Reibung reagiert Werkstoff verzögert→reversibel, zeitabhängig, elastisch,
- Bildung einer Hysteresekurve
-bei kleinen Amplituden: kleine Fläche, kleine Energieverluste, kleine innere Reibung
- bei großen amplituden: großer Energieverlust, →Dämpfung
- Energieverluste werden in Reibung umgewandelt
- thermoelastischer Effekt wirkt dem entgegen
- Atomabstand in Zugrichtung vergrößert sich→Fremdatome gelangen in energetisch günstigere Zwischengitterplätze→ reversible Diffusionsvorgäng→bei Entlastung rückläufig
Dämpfungsverhalten bei Elastischenkonst.
1. monotone Belastung
- unendlichlangsame Verformung Spnnung und Dehnung im GGW relaxierter E- modul Er
- unendlich schneller Verformung→unrelaxierter E- modul Eu
- Eu<Er
2. zyklische Belastung
- Spannung und Dehnung nicht in Phase→Spannung eilt Dehnung voraus →Abfall der Schwingungsamplitude
Messverfahren der Dämpfung (elast. Konst.)
1. Hystereseversuch
- Registriegung der spannung und Dehnung bei wechselnder Beanspruchung→Analyse der Hystereseschleifen
- Neigung der großen Halbachse, Flächeninhalt
2. Resonanzverfahren
- Anregung eins Stabes mit Langi.- und Transv.wellen
- Registrierung von Schwingungsamplitude und Frequenz
3.Auswingversuch:
- Anregung zur Eigenschwingung
- Beobachtung des Ausschwingverhaltens
Nennen sie Eigenspannungshauptgruppen
Gusseisenspannung
Umformeigenspannung
Bearbeitungseigenspannung
Wärmebehandlungeigenspannung
Fügeeigensp.
Deckschichteigensp.
diffusionseigensp.
Was sind Eigenspannungen/ Einteilung
- keine äußeren Kräfte und Momente
- Druck und Zugspannung im GGW
Einteilung in Makro- und Mirkospannung (wo tritt Spannung auf)
1. Art→homogen über größere Bereiche, mit makrosp. BTänderung verbunden→Makrosp.
2.Art→kleine Bereiche (in einem Korn) homogen→können Makroskop. Änderungen hervorrufen→Mikrosp.
3.Art→kleinste Werkstoffbereiche (einzelne Atomab.), inhomogen→keine Maßliche BT- Veränderung→Mikrosp.
Methoden zur experimentellen Ermittlung von Eigenspannungen:
mechanisch: (makroskopische Oberflächendehnung) für 1.Art →zerstörend
Röntgenbeugung: (homog. Gitterdehnung)1 und 2 Art→zerstörungsfrei
Neutronenbeugung: (homog. Gitterdehnung)1. und 2. Art→zerstörungsfrei
Ultraschall: (Laufzeitdiff. von Schallwellen) 1, 2,3 Art→zerstörungsfrei
magnetisch: (BarkhausenRauschamplitude) 1, 2, 3.Art→zerstörungsfrei
wichtige mech. Verfahren zur Eigenspannungsanalyse, allgemeines Vorgehen
Grundprinzip:
- Auflösen der Eigenspannung durch mech. Eingriff
- Messung der auftretenden Verformung
- Berechnung der ursprünglich vorhandenen Eigenspannung (elast.theor.Beziehung)
-Wärmebildung muss unterbunden werden!!!
Einteilung :
- geometrisch komplizierte Bauteile: vollständiges Zerlegen
- Bohrloch-, Trepanier-, Ring/Kern- Nockenverfahren
- geometrisch einfache Bauteile
- Ausbohr-, Abdreh-, Schlitz-, Artragverfahren
Aufgaben technologischer Prüfverfahren
- um Eignung von Vorprodukten für Weiterverarbeitung festzustellen
- Prüfung der Anwendbarkeit für ein bestimmtes Vertigungsverfahren
- liefern keine messbaren Größen
- schnell und preiswert
Prüfung von: 1. Umformbarkeit, 2. Schweißbarkeit, 3. Haftfestigkeit
technologische Prüfverfahren: Umformbarkeit
Für grobe Bleche >3mm:
- Ermittlung der Fließspannung
- Biegeversuch (Faltversuch) für Flachstäbe: Ermittung Biegewinkel
Für Feinbleche < 3mm:
-Hin- und Herbiegeversuch
- Tiefziehversuch nach Erichson
-Näpfchenzeihversuch
- Zipfelprüfung
für Rohre:
- Rohraufweitungsversuch
- Bördelversuch (Flansch)
technologische Prüfverfahren: Schweißbarkeit
- Unterteilung in Werkstoff: Schweißeignung
Fertigung: Schweißmöglichkeit
Konstruktion: Schweißsicherheit
- Trennung der Verfahren norwendig!
- für Schweißnähte: Biegeversuch
- für Schweißeignung: Implant- Test für Kaltrisse
technologische Prüfverfahren: Haftfestigkeit
für Beschichtungen
- Ritzprüfung ja/nein Test bei vorgegebener Belastung
Belastung bis Substrat zerstört
- Abreißversuch: Bestimmung sigma
- Haftfestigkeit für abziehbare Folien
-
Festigkeitsprüfverfahren für schlagartige Belastung
- KSB
- intrumentierter KSB
- Robertson- Veruch mit Gradientenermittlung
- Fallgewichtsversuch nach Pellini
Auswirkung von Temperatur und Verformungsgeschwindigkeit auf Streckgrenze
- Temp. hoch und niedrige Verformgeschw. bewirken Senkung der Steckgrenze
- niedrige Temp. und höhere Verformge. Erhöhung der Streckgrenze
Festlegung der Grenztemperatur
1. Rp0,2 über Verhältnis:Temperatur/Schmelztemp. abtragen
→Bereich 1: Streckgrenze setzt sich aus thermischen und athermischem Teil zusammen (Korngrenzen und Versetzungsbewegungen je höher T desto bessere Bewegung
→Bereich 2: therm. aktivierte Versetzungen kommen hinzu→ Abnahme der Festigkeit
Versetzungsgleiten, Kletterprozesse, Diffusionskriechen, Korngrenzengleitung/- Kriechen
Anmerkung: Kurzzeitversuche: Zugversuch, Warmzugversuch bei Tb1< T grenz
Langzeitversuch: Standzeit Tb2>= Tgrenz
T grenz ca. bei 0,3 bis 0,4 von Ts
Mögliche Einteilung der Prüfverfahren
1. mech. Prüfverfahren
2. chem. phxs. Prüfverfahren
3. Prüfverfahren zur Untersuchung des Gefügeaufbaus und von Zustandsänderungen
4. Zerstörungsfreie Prüfverfahren
5. phys. Verfahren
6. Prüfverfahren zur Bestimmung von Dehnung und Spannung in Bauteilen
Aufgabenbereiche der Wersoffprüfung
1. Werkstoffdiagnostik: untersucht strukturellen Aufbau und Reaktionen von Werkstoffen
2. Eigenschaftscharakterisierung: Funktions- o. Konstruktionswerkstoffe, Beschreibung durch Kenngröße und Kennwert
3. Qualitätsprüfung: Zielstellung im QMB aufgeschrieben, Qualität muss produziert werden, Sicherung der Qualität in den Grundlagen der Prüftechnik
4. Zuverlässigkeits- und Schadensanalyse: Erfassen eines Schaubildes bei Versagen der Werkstoffe →Schadensursache, mittels tech. Diagnostik, Abschätzung von Lebensdauer,
Unterschied Kennwert und Kenngröße
Kenngröße: - messbare Eigenschaft, quantitativ darstellbar, dimensionslos
- durch Prüfvorschrift definiert
- z.b Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung
Kennwert: - Kenngröße in Abhänigkeit von Werkstoffzustand uns äußeren Faktoren (z.B. Temp. Zeit)
- Angabe mit Zahlenwert und Einheit
Beispiel: Rm =500MPa → Rm...Kenngröße 500MPa...Kennwert
Klassifikation der Prüfverfahren unter dem Aspekt der Übertragbarkeit
- Werkstoffprüfung: genormte Proben, werkstoffspez. Kennwerte, Bsp. Zugversuch
- Bauteilprüfung: bearbeitete, im Einsatz bef. Komponente, bauteilabhängige Kennwerte, Bsp. Betriebsfestigkeitsprüfung
- Prüfung von Mikrosystemen: mech. Elemente von Mikrosystemen, mech. und phys. Kennwerte, Bsp. Halftfestigkeit dünner Schichten
Vorgehensweis bei der Werkstoffprüfung
1. Versuchsplanung
2. Probenvorbereitung
3. Werkstoffprüfung
4. Protokoll
5. Auswertung der Ergebnisse
mech. Zustandsgleichung (allg. Werkstoffgesetz)
- Verknüpfung zw. Beanspruchung eines Werkstoffes und der Reaktion des Werkstoffes (Werkstoffverhalten)
- f(Normalspannung, Dehnung, Dehnungsgeschwidigkeit, Zeit, Temperatur, Schädigungsparametern)
- wird zur Beschreibung des Werkstoffes aus festkörpermech. Sicht genutzt
Grundbelastungsarten im Werkstoff
- Zeitlicher Verlauf der Belastung: ruhend, monoton, quasistatisch, schlagarig, zyklisch
- Arten der Lasteinleitung: Zug/Druck, Biegung, Torsion, Schub
- Komplexität der Belastung: ein- o. mehrachsig, hydrostatisch
- Vorgabe der Belastung: kraftgesteuert (am Körper angreifende Kräfte, Momente), weggesteuert (erzwungene Verschiebungen, Verformungen)
Einteilung der Spannungen
- Primärspannung: durch äußere Last hervorgerufen,
ein- oder mehrachsig,
stellt GGW mit äußerer Kraft her
Spannungen 1. und 2. Ordnung
- Sekundärspannungen: - im Bauteil ausgleichende Montage-,Thermo-, und Eigenspannungen
- innere Spannung→ immer mehrachsig
- entstehen durch Herstellungsprozesse
Zusatz- und Spitzenspannung: - an Kerben und Steifigkeitssprügen
- Spannungen 3. Ordnung (von Versetzungen)
Kerbwirkungszahl betha K
- kennzeichnet Dauerfestigkeit: Verhältnis der Dauerfestigkeit ungekerbter Stab zu gekerbtem Stab
-größer als 1 aber kleiner als Alpha K (Formzahl)
Formzahl Alpha K
- Verhältnis vom max. Spannung (an der Kerbe) zu Nennspannung
- größer als 1
- nicht Werkstoffabhängig
- Geometrieabhängig!
Spannung nach Neuber (???)
- Spannungskonzentrationsfaktor ist die Bruchzähigkeit
- Widerstand eines Materials gegen instabile Rissausbreitung (hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit)
- erfolgt unter Energiefreisetzung
- meist aus makros. Sprödbrüchen
der Spannungstensor
- beschreibt mech. Spannungen in einem Pkt. in einem Werkstoff
- besteht aus einer Normalspannung( rechtwinklig zur Schnittfläche) und 2 Schubspannungen (auf Schnittoberfläche verteilt)
- Hauptspannungsfläche = Normalspannungsfrei
- 6 Größen bilden räumlichen Spannungstensor
Invarianten des räumlichen Spannungstensors
Spannungstensor: - hydrostatische Anteil (elast. Volumenänderung)
- deviatorischer Anteil (Formänderung), enthält Schubspannungskomponente
Verzerrungstensor
- auch deformationstensor genannt
- beschreibt Verzerrungszustand eine Körpers im räumlich definierten Körperpunkt
- werden nach außen als Dehnung, Stauchung oder Scherung sichtbar
Was sind Spannungszustände?
- beschreiben einzelne Spannungen, die unter Last im Bauteil/Werkstoff an einer bestimmten Stelle herrschen
- sind abhängig von Druck, Zug, Biegung, Torsion, Scherung, Geometrie Bauteil
- Homogener Spannungszustand: konst., gleichm. Spannung im gesamten BT (z.B. Zugversuch)
- inhomog. Spannungszustand: keine konst. Verteilung der Spannung (z.B. Biegemomente)
Welche Beanspruchungsarten kennen Sie?
allgemeiner Beanspruchungszustand:
- äußere Mehrachsigkeit (äußere Belastung aus unterschiedlichen Richtungen)→ein-o. mehrachsig
- innere Mehrachsigkeit (im Bereich steiler Spannungsgradienten), Sekundärspannung
- Eigenspannung immer mehrachsig
Typische Beanspruchungszustände:
- hydrostatischer Spannungzustand (alle drei Hauptspannungen sind gleich)
- einachsiger Spannungszustand: homogen oder inhomogen
- ebener (zweiachsiger) Spannungsz. (ESZ) (sigma 3 = 0, nur an Oberfläche von BT, z.B. Bleche)
- ebener Dehnungszustand (EDZ) (dreiachsiger Spannungsz.
was sind Vergleichsspannungen?
ein mehrachsiger Spannungszustand kann durch Bildung einer Vergleichsspannung (sigma v), die bei einachsiger Beanspruchung gleichwertig ist, berücksichtigt werden.
→ Vergleichsoannungshypothese
einfachstes Versagenskriterium: Spaltbruch
zweites: plastische Verformung
Welche Festigkeitshypothesen gibt es? Wozu werden Sie verwendet, was sagen Sie aus?
- dienen der Berechnung der Vergleichsspannung
Normalspannungshypothese nach NAVIER
Beschreibung des Trennbruches bei sprödem Werkstoffverhalten
Spannung ist gleichmäßig verteilt und senkrecht zur Fläche
sigma v (n) = sigma 1
Schubspannungshypothese nach TRESCA
Beschreibung des Fließbeginn und des Zähbruchs
sigma v(T) = sigma 1- sigma 3
Gestaltänderungshypothese (HMH- Hypothese)
Beschreibt den Fließbeginn und das Dauerbruchversagen bei Schwingbeanspruchung von zähen Bauteilen
Hauptdehnungshypothes nach DE SAINT VENANT, BACH, PONCELET
Versagen des Werkstoffes in Richtung der höchsten Dehnung
sigma v (B) = sigma 1- nü*(sigma2+sigma3)
das Schmidsche Schubspannungsgesetz
- beschreibt die winkelabhängige Schubspannung in einem Werkstoff, der durch eine Zugkraft beansprucht wird
- beim Verformen beginnt die massive Versetzungsbewegung nach Überschreiten der Streckgrenze
- Versetzung bewegt sich infolge einer Kraft, die in der Gleitebene in richtung des Burgers- Verkor auf sie wirkt
- Schubspannung im Gleitsystem ist verantwortlich für die Versetzungsbewegung
- viele Gleitebenen gut für Verformbarkeit (kfz>krz>hdp)
Was versteht man unter dem Bauschinger Effekt?
- richtungs bestimmte Änderung der Elastizitätsgrenze eines Metalls/Legierung nach primärer plastischer Verformung
- Verformung des Werkstücks in eine Richtung danach in die Gegenrichtung
- Elastizitätsgrenze der Gegenrichtung viel niedriger
- Werkstück verliert an Festigket (Ursache: gegenseitige Blockierung der Versetzungen)
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Lernkarten
Mögliche Einteilung der Prüfverfahren
1. mech. Prüfverfahren
2. chem. phxs. Prüfverfahren
3. Prüfverfahren zur Untersuchung des Gefügeaufbaus und von Zustandsänderungen
4. Zerstörungsfreie Prüfverfahren
5. phys. Verfahren
6. Prüfverfahren zur Bestimmung von Dehnung und Spannung in Bauteilen
Aufgabenbereiche der Wersoffprüfung
1. Werkstoffdiagnostik: untersucht strukturellen Aufbau und Reaktionen von Werkstoffen
2. Eigenschaftscharakterisierung: Funktions- o. Konstruktionswerkstoffe, Beschreibung durch Kenngröße und Kennwert
3. Qualitätsprüfung: Zielstellung im QMB aufgeschrieben, Qualität muss produziert werden, Sicherung der Qualität in den Grundlagen der Prüftechnik
4. Zuverlässigkeits- und Schadensanalyse: Erfassen eines Schaubildes bei Versagen der Werkstoffe →Schadensursache, mittels tech. Diagnostik, Abschätzung von Lebensdauer,
Unterschied Kennwert und Kenngröße
Kenngröße: - messbare Eigenschaft, quantitativ darstellbar, dimensionslos
- durch Prüfvorschrift definiert
- z.b Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung
Kennwert: - Kenngröße in Abhänigkeit von Werkstoffzustand uns äußeren Faktoren (z.B. Temp. Zeit)
- Angabe mit Zahlenwert und Einheit
Beispiel: Rm =500MPa → Rm...Kenngröße 500MPa...Kennwert
Klassifikation der Prüfverfahren unter dem Aspekt der Übertragbarkeit
- Werkstoffprüfung: genormte Proben, werkstoffspez. Kennwerte, Bsp. Zugversuch
- Bauteilprüfung: bearbeitete, im Einsatz bef. Komponente, bauteilabhängige Kennwerte, Bsp. Betriebsfestigkeitsprüfung
- Prüfung von Mikrosystemen: mech. Elemente von Mikrosystemen, mech. und phys. Kennwerte, Bsp. Halftfestigkeit dünner Schichten
Vorgehensweis bei der Werkstoffprüfung
1. Versuchsplanung
2. Probenvorbereitung
3. Werkstoffprüfung
4. Protokoll
5. Auswertung der Ergebnisse
mech. Zustandsgleichung (allg. Werkstoffgesetz)
- Verknüpfung zw. Beanspruchung eines Werkstoffes und der Reaktion des Werkstoffes (Werkstoffverhalten)
- f(Normalspannung, Dehnung, Dehnungsgeschwidigkeit, Zeit, Temperatur, Schädigungsparametern)
- wird zur Beschreibung des Werkstoffes aus festkörpermech. Sicht genutzt
Grundbelastungsarten im Werkstoff
- Zeitlicher Verlauf der Belastung: ruhend, monoton, quasistatisch, schlagarig, zyklisch
- Arten der Lasteinleitung: Zug/Druck, Biegung, Torsion, Schub
- Komplexität der Belastung: ein- o. mehrachsig, hydrostatisch
- Vorgabe der Belastung: kraftgesteuert (am Körper angreifende Kräfte, Momente), weggesteuert (erzwungene Verschiebungen, Verformungen)
Einteilung der Spannungen
- Primärspannung: durch äußere Last hervorgerufen,
ein- oder mehrachsig,
stellt GGW mit äußerer Kraft her
Spannungen 1. und 2. Ordnung
- Sekundärspannungen: - im Bauteil ausgleichende Montage-,Thermo-, und Eigenspannungen
- innere Spannung→ immer mehrachsig
- entstehen durch Herstellungsprozesse
Zusatz- und Spitzenspannung: - an Kerben und Steifigkeitssprügen
- Spannungen 3. Ordnung (von Versetzungen)
Kerbwirkungszahl betha K
- kennzeichnet Dauerfestigkeit: Verhältnis der Dauerfestigkeit ungekerbter Stab zu gekerbtem Stab
-größer als 1 aber kleiner als Alpha K (Formzahl)
Formzahl Alpha K
- Verhältnis vom max. Spannung (an der Kerbe) zu Nennspannung
- größer als 1
- nicht Werkstoffabhängig
- Geometrieabhängig!
Spannung nach Neuber (???)
- Spannungskonzentrationsfaktor ist die Bruchzähigkeit
- Widerstand eines Materials gegen instabile Rissausbreitung (hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit)
- erfolgt unter Energiefreisetzung
- meist aus makros. Sprödbrüchen
der Spannungstensor
- beschreibt mech. Spannungen in einem Pkt. in einem Werkstoff
- besteht aus einer Normalspannung( rechtwinklig zur Schnittfläche) und 2 Schubspannungen (auf Schnittoberfläche verteilt)
- Hauptspannungsfläche = Normalspannungsfrei
- 6 Größen bilden räumlichen Spannungstensor
Invarianten des räumlichen Spannungstensors
Spannungstensor: - hydrostatische Anteil (elast. Volumenänderung)
- deviatorischer Anteil (Formänderung), enthält Schubspannungskomponente
Verzerrungstensor
- auch deformationstensor genannt
- beschreibt Verzerrungszustand eine Körpers im räumlich definierten Körperpunkt
- werden nach außen als Dehnung, Stauchung oder Scherung sichtbar
Was sind Spannungszustände?
- beschreiben einzelne Spannungen, die unter Last im Bauteil/Werkstoff an einer bestimmten Stelle herrschen
- sind abhängig von Druck, Zug, Biegung, Torsion, Scherung, Geometrie Bauteil
- Homogener Spannungszustand: konst., gleichm. Spannung im gesamten BT (z.B. Zugversuch)
- inhomog. Spannungszustand: keine konst. Verteilung der Spannung (z.B. Biegemomente)
Welche Beanspruchungsarten kennen Sie?
allgemeiner Beanspruchungszustand:
- äußere Mehrachsigkeit (äußere Belastung aus unterschiedlichen Richtungen)→ein-o. mehrachsig
- innere Mehrachsigkeit (im Bereich steiler Spannungsgradienten), Sekundärspannung
- Eigenspannung immer mehrachsig
Typische Beanspruchungszustände:
- hydrostatischer Spannungzustand (alle drei Hauptspannungen sind gleich)
- einachsiger Spannungszustand: homogen oder inhomogen
- ebener (zweiachsiger) Spannungsz. (ESZ) (sigma 3 = 0, nur an Oberfläche von BT, z.B. Bleche)
- ebener Dehnungszustand (EDZ) (dreiachsiger Spannungsz.
was sind Vergleichsspannungen?
ein mehrachsiger Spannungszustand kann durch Bildung einer Vergleichsspannung (sigma v), die bei einachsiger Beanspruchung gleichwertig ist, berücksichtigt werden.
→ Vergleichsoannungshypothese
einfachstes Versagenskriterium: Spaltbruch
zweites: plastische Verformung
Welche Festigkeitshypothesen gibt es? Wozu werden Sie verwendet, was sagen Sie aus?
- dienen der Berechnung der Vergleichsspannung
Normalspannungshypothese nach NAVIER
Beschreibung des Trennbruches bei sprödem Werkstoffverhalten
Spannung ist gleichmäßig verteilt und senkrecht zur Fläche
sigma v (n) = sigma 1
Schubspannungshypothese nach TRESCA
Beschreibung des Fließbeginn und des Zähbruchs
sigma v(T) = sigma 1- sigma 3
Gestaltänderungshypothese (HMH- Hypothese)
Beschreibt den Fließbeginn und das Dauerbruchversagen bei Schwingbeanspruchung von zähen Bauteilen
Hauptdehnungshypothes nach DE SAINT VENANT, BACH, PONCELET
Versagen des Werkstoffes in Richtung der höchsten Dehnung
sigma v (B) = sigma 1- nü*(sigma2+sigma3)
das Schmidsche Schubspannungsgesetz
- beschreibt die winkelabhängige Schubspannung in einem Werkstoff, der durch eine Zugkraft beansprucht wird
- beim Verformen beginnt die massive Versetzungsbewegung nach Überschreiten der Streckgrenze
- Versetzung bewegt sich infolge einer Kraft, die in der Gleitebene in richtung des Burgers- Verkor auf sie wirkt
- Schubspannung im Gleitsystem ist verantwortlich für die Versetzungsbewegung
- viele Gleitebenen gut für Verformbarkeit (kfz>krz>hdp)
Was versteht man unter dem Bauschinger Effekt?
- richtungs bestimmte Änderung der Elastizitätsgrenze eines Metalls/Legierung nach primärer plastischer Verformung
- Verformung des Werkstücks in eine Richtung danach in die Gegenrichtung
- Elastizitätsgrenze der Gegenrichtung viel niedriger
- Werkstück verliert an Festigket (Ursache: gegenseitige Blockierung der Versetzungen)
Arten von Werkstoffverhalten (bei Beanspruchung)
- Elastische Verformung
- Anelsatische Verformung
- Viskoselastische Verformung
- plastische Verformung
- Kriechen
Elastische Verformung
- zeitunabhängige reversible Verformung eine Körpers durch mech. Beanspruchung (linear elastisch, nichtlinear elastisch)
- werden im Werkstoff gespeichert
- Zusammenhang zw. Dehnung und Spannung
- Bauteil kehrt nach Belastung wieder vollständig in seinen Urspruchngszustand zurück
- Lage der Atome im Atomgitter nicht verändert
bei einachsiger Belastung: sigma= E* epsilon; E=2*G(1+nü),
tau= gamma*G
anelastisches Verhalten
- zeitaghänig, aber völlig reversibel
- bei angelegter Spannung erfolgt Dehnung zeitlich versetztes Verhalten
- Entstehung einer Hystereseschleife Ursache: innere Reibung
Viskoelastische Verformung
- kombination von zeitabhäniger elastischer Verformung und viskoser, d.h. zeitabhäniger bleibender Verformung
- oberhalb der Glastemperatur
- elasto- plastische Verformung
- 2. Anteile: viskoanelastischer Anteil: reversibel
plastischer Anteil: irreversibel
- Ausgangslänge wird nicht wieder erreicht→ bleibende Verformung
Plastische Verformung
- zeitunabhängig, bleibende Verformung infolge von irreversiblen Strukturänderung
- Formteil nimmt ursprüngliche Gestalt nicht mehr an
- Verformung besteht aus zwei Teilen: elastischer+ plastischer Teil
- Abgleiten von Atomschichten entlang einer bestimmten Richtung
- abhängig von spannungszustand, Temperatur, Belastungsart und Belastungsgeschwindigkeit
Kriechen
- visko. plastische Verformung
- zeitabhängig, irreversibel
- unter konst. Belastung bei meist erhöhter konst. Temperatur
- thermisch aktivierter Prozess
- unterscheidung von Tieftemp.kriechen: Diffusion der Gitteratome längs der Versetzungskerne
Hochtemp.kriechen: gesteuert durch Volumendiff.
Beschreiben Sie die verschiedenen Bereiche einer Kriechkurve
1. primäres Kriechen
abnehmende Kriechgeschwindigkeit
Verfestigung durch sich schneidende Versetzungen
2. sekundäres oder stationäres Kriechen
konstante Kriechgeschwindigkeit
Gleichgewicht zw. Verfestigung und Entfestigung
Entfestigungsvorgänge: Quergleitprozesse, Klettern von Versetzungen
Diffusionskriechen:diffusionsgesteuertes Kletter von Versetzungen, Korngrenzengleitung
3. tertiäres Kriechen
zunehmende Kriechgeschwindigkeit
BT Einschnürung und Verlängerung
Entfestigung durch Leerstellenbildung und Korngrenzendeformation
techn. nicht nutzbar
- Zuverlässigkeit von BT liegt im unteren und mittleren Bereich der Kriechkurve!
Rissbildung bei statischer Beanspruchung
z.B. beim Kriechen
2. Arten: Anrissbildung durch Versetzungsaufstau an den Korngrenzen
Koaleszenz von Hohlräumen an Einschlüssen
Rissausbildung und - Ausbreitung bei zyklischer Beanspruchung
- Einteilung in Rissbildung, Rissfortschritt
- bei niedriger Spannungsamplitude Bildung von Gleitbändern
Gleitbänder: Anhäufung von Versetzungen an Oberfläche → Stufenbildung;
Entstehen durch Extrusion (Auswölbungen an Gleitbändern)
und Intrusion (Einwölbungen/Risskeime die in Gleitbänder hinein gehen)
- submikroskopische Werkstofftrennung bevorzugt an Korngrenzen, Phasengrenzen, Inhomogenitäten, Ausscheidungen
- Intrusion und Rissfortschritt zuerst nur an Gleitebenen mit größter Schubspannung
Rissentstehung bei statische Beanspruchung
- Risse entstehen durch Überschreiten des Formänderungsvermögens
- abhängig von Spannungszuständen im Werkstück, und Art des Werkstoffes
- meist Resultat einer lokalen Verformung
- kann von Oberflächengüte abhängen
Risswachstum bei statischer Beanspruchung
- Riss besitzt Kerbwirkung→ Spannungskonzentration an Rissspitze (Spannungsintensitätsfaktor)
- Risse verlaufen entlang von Gleitbändern und besitzen Länge des Korndurchmessers
- Risslänge > Korndurchmesser Risswachstum senkrecht zur Normalspannung
- Immer senkrecht zur Belastungsrichtung
- Querschnitt verringert sich durch Risswachstum→ über restlichem Querschnitt Spannungserhöhung
- je nach Gefüge: kontoliert oder mit hoher Geschw.
- interkristalliner Riss: Riss entlang der Korngrenze
- transkristalliner Riss: Riss durchs Korn
Risswachstumsarten (Ausbreitungen)
- instabile Rissausbreitung: freiwerden von Energie, geschwindigkeitszunahme → Sprödbruch
- stabileRissausbreitung: es muss Energie zugeführt werden → Gleit- oder Verformungsbruch
- allmähliges Risswachstum: mit jeder Belastung mehr Schwingungsstreifen, periodische Belastung von Bauteilen
Rissfortschritt bei zyklischer Beanspruchung
Stadium 1: Rissfortschritt auf Gleitebene der höchsten Schubspannung
45° zur Belastungsrichtung, beschränk auf ein bis zwei Körner (geringe Wachstumsgeschwindigkeit)
Stadium 2: Rissfortschritt rechtwinklig zur Normalspannung
bei zähen Werkstoffen: submik. feine Schwingungstreifen,
Schwingungsstreifen/Schwingungsbruch
hohe Ausbreitungsgechwindigkeit
- Bruchfläche besteht aus: Schwingungsbruchfläche→ glatt
Restbruchfläche→ zerklüftet, rau
Rastlinien→durch unters. Oxidation
- durch Anordnung in der Bruchfläche Bruchursache feststellbar
(Fischgrätenmuster)
Definition der Härte
Wiederstand eines Körper gegen das Eindringen eines anderen (härteren) Körpers.
Steifigkeits- und Nachgiebigkeitsmatrix
bei Linearer Elastizität
inner EINACHSIG
Steifigkeitsmatrix: c ijkl = sigma ij/ epsilon kl
Nachgibigkeitsmatrix: s ijkl= epsilon ij/ sigma kl
Ziel der Härteprüfung
- vereinfachte, zerstörungsfreie Festigkeitsprüfung
- mit Mgl. der Bewertng einzelner Werstoffbereiche
- mit ambulanter Einsetzbarbeit
Von welchen Einflussgrößen hängt der Eindringwiderstand bei der Härtemessung ab?
1. Gestalt, Größe und Eigenhärte des Eindringkörpers (Indenters)
2. Art und Größe der aufgebrachten Belastung
Wichtig! zu Zahlenwert gehört angewendetes Verfahren
Einteilung der Härteprüfverfahren
1. Eindringgeschwindigkeit: -Prüfver. mit stat. Krafteinw.
- Prüfver. mit dyn. Krafteinw.
- Sonderverfahren z.b UCI Schall fzw. Frequenz
2. Prüfkraften: Makrohärte: F > (gleich) 50N
Kleinlasthärte: 2N <(gleich) F < 50N
Mirkrohärte: 0,1N <(gleich) F<2N
Ultramikrohärte: F < 0,1 N
Nanohärte: 50µN< F< 5 mN
Härte Bestimmung nach MOHS
- erste Härtebestimmung
- Skala von 1- 10 (1 Talk- 10 Diamant)
- Härte nur als orientierungswert, nicht genau bestimmbar (mit Fingernagel, Messer ritzbar, Funken beim Schlagen mit Stahl)
Vorteile Statischer Prüfverfahren
- schnelle und praktische fast zerstörungsfreie Prüfung
- liefert anhaltswerte für Festigkeit, Verschleißverhalten
- minimale Zerstörung der Oberfläche
