mech. Werkstoffprüfung

G= E/(2(1+nü))

K=E/(3(1-2nü))

nü= (E/2G) -1

Elastizätsmodul

Querkontrktionszahl

Schubmodul

Kompressionsmodul

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

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.

Zugversuch: E= sigma/epsilon

Torsionsversuch G= 32MtI/(pid²groß phi)

- 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)

- 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

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

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

Gusseisenspannung

Umformeigenspannung

Bearbeitungseigenspannung

Wärmebehandlungeigenspannung

Fügeeigensp.

Deckschichteigensp.

diffusionseigensp.

- 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.

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

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

- 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

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)

- Unterteilung in Werkstoff: Schweißeignung

Fertigung: Schweißmöglichkeit

Konstruktion: Schweißsicherheit

- Trennung der Verfahren norwendig!

- für Schweißnähte: Biegeversuch

- für Schweißeignung: Implant- Test für Kaltrisse

für Beschichtungen

- Ritzprüfung ja/nein Test bei vorgegebener Belastung

Belastung bis Substrat zerstört

- Abreißversuch: Bestimmung sigma

- Haftfestigkeit für abziehbare Folien

-

- KSB

- intrumentierter KSB

- Robertson- Veruch mit Gradientenermittlung

- Fallgewichtsversuch nach Pellini

- Temp. hoch und niedrige Verformgeschw. bewirken Senkung der Steckgrenze

- niedrige Temp. und höhere Verformge. Erhöhung der Streckgrenze

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

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,

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

- 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

1. Versuchsplanung

2. Probenvorbereitung

3. Werkstoffprüfung

4. Protokoll

5. Auswertung der Ergebnisse

- 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

- 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)

- 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)

- kennzeichnet Dauerfestigkeit: Verhältnis der Dauerfestigkeit ungekerbter Stab zu gekerbtem Stab

-größer als 1 aber  kleiner als Alpha K (Formzahl)

- Verhältnis vom max. Spannung (an der Kerbe) zu Nennspannung

- größer als 1

- nicht Werkstoffabhängig

- Geometrieabhängig!

- Spannungskonzentrationsfaktor ist die Bruchzähigkeit

- Widerstand eines Materials gegen instabile Rissausbreitung (hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit)

- erfolgt unter Energiefreisetzung

- meist aus makros. Sprödbrüchen

- 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

Spannungstensor: - hydrostatische Anteil (elast. Volumenänderung)

- deviatorischer Anteil (Formänderung), enthält Schubspannungskomponente

- auch deformationstensor genannt

- beschreibt Verzerrungszustand eine Körpers im räumlich definierten Körperpunkt

- werden nach außen als Dehnung, Stauchung oder Scherung sichtbar

- 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)

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.

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

- 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)

- 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)

- 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)