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
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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
Ursache der temp. abhäng. der Fließspannung
- Aufbau Atomgitter (Peierl- Potential)
-kohärente therm Atomschw. die Versetzungsbew. akti. → für Verform.geschw. gilt Arrhenius- Gleichung.
Ursprung des athermischen Anteils der Fließspannung
durch Defektstrucktur des Materials bestimmt → Härtemechanismen
- MK- Härtung, Ausscheidungshärtung, Korngrenzenhärtung, Gefügehärtung
sind additiv verknüpft→ einstellen optimaler Eigenschaften
Wie wird die Formänderungsarbeit bestimmt?
Fläche uner der Spannungs- Dehnungskurve
Zugversuch verschiedener Werkstoffe
Wahres Spannungs- Dehnungsdiagramm
- Spannung wird mit abnehmendem Probenquerschnitt immer größer
Wahre Spannung: sigma w = F/s s... momentan kleinster Probenquerschnitt
Wahre Dehnung: epsilon w = Integral von l nach lo dl/l = nn(1+epsilon)
Berechnung aus tech. S- D.-Diagrammsigma w = F/So *(1+epsilon)
-Streckgrenze bei beiden gleich
- Annahme Volumen konst.
Fließkurve aus dem Zugversuch
- Fließkurve aus Wahrem- Spannungsdiagramm → Bereich der Gleichmaßdehnung
→ Fließspannung über Umformgrad
- elastischer Anteil muss herausgerechnet werden
- unter mehrachsiger Belastung = Vergleichsspannungs- Vergleichsformänderungskurve
- Kf = a*phi ^n.......a...MaterialKonstante, n....Verfestigungsexp., phi... Umformgrad, Kf... Fließspannung
- abhängig von Versetzungen, deren Bewegung und deren Behinderungen
Praktische Bedeutung der Kennwerte des Zugversuchs
Rp0,2, ReH: Beginn des makro. plastischen Fließens (Verformung)
Rm: auf anfangsquerschnitt bezogen→ keine "übertragbare" Spannung
Rp0,2/Rm: Streckgrenzenverhältnis→ Überlastreserve
Ag: Maß für formstabile Duktilität, Umformeignung
A, A11,3: von Messlängen abhängig, vergleichbares Maß für Duktilität
Z→ Brucheinschnürung:→ qualitaatives Zähigkeitsmaß, reagiert empfindlich auf Werkstoffqualität
n: Verfestigung, Umformeignung
Verschiedene Bruchformen
a) Trennbruch → spröde Werkstoffe
b) Scherbruch → parallel zur größten Schubspannung, 45°C
c) Einschnürbruch → Querschnittverlängerung bis zumletzten Pkt. Fließgrenze nicht überschritten
d) Mischbruch
d)
Durchführung einachsiger Druckversuch
- Probe wird über Stirnfläche mit ungehinderter Seitenausdehnung belastet→ 2 Druckteller
- Reibung an den Drucktellern mgl. vermeiden damit sich Probe ungehindet ausdehnen kann
- kein Maximum wie bei Zugversuch (nur Spannungszunahme)
- langsames, stufenweises aufbringen der Last
- Stauchung über DMS oder Traverse
- zylindrische Proben 20- 30 mm
- meist Prüfung von Gusseisen, Baustoffen
- Risse: meist tonnenförmig mit Ausbauchungen und Radialrissen
Kegelstauchversuch
- Probenteller anderes Material als Probe → unterschiedliche Reibung
- ermittelte Kennwerte: Bruchstauchung, Bruchdehnung, Druckfestigkeit, sigma 0,5= Spannung, die benötig wird um 50% der stauchung zu erreichen
Biegeversuch
- dient der Ermittlung von Biegefsetigkeit
- meist bei spröden Werkstoffen, Keramiken, Gusseisen, Sinterwerkstoffen
- einachsige Belastung, inhomogene Spannungsverteilung
- Zug- und Druckspannung am Rand am größten
- Proben meist zylindrisch oder prismatischer Querschnitt
- sigma zug - sigma druck
- sigma zug = Mbmax/ Wb
- Grenzdurchbiegung bei 1,5 facher Probendicke
- große Streuung der Messwerte
Verformungen beim Biegeversuch
a) rein elastisch: - relativ geringe Belastung
- oberhalb der neutralen Faser: Druck
- unterhalb der neutralen Faser: Zug
→max. Spannung an Oberfläche
b) elastisch-plastische Verformung
- bei Überschreitung der Dehngrenze
- plastische Verformung beginnt am Rand
Unterschiede zw. Drei und Vierpktbiegeversuch
a) Dreipunktbiegeversuch
- Ermittlung größtes biegemoment, maximale Spannung
- → Biegespannung kann ermittelt werden
b) Viepunktbiegeversuch
- Biegemoment konst über definiertem Abschnitt
- Versuch unabhängig gegenüber Inhomogenitäten am max. Biegemoment
Torsionsversuch
- zur Untersuchung von Wellenmaterial und Drähten
- Ermittlung von Zähigkeitsverhalten
- Ermittlung der Torsionsfestigkeit
- ein Ende wird festeingespannt am anderen wird ein Torsionsmoment angelegt
- Verdrehung des Querschnittes gegenüber der Festeinspannung
-Ermittlung von Torsionsmoment und Schubspannung
- Länge = 10* Durchmesser
Kennwerte des Torsionsversuchs
- Verdrehwinkel
- Drillung auf Länge bezogen
- Schubmodul G = tau max/ gamma
- Schiebung Gamma Winkel über der Mantelfläche
Brucherscheinung beim Torsionsversuch
- tritt bei Erreichen der Verdrehfestigung ein
- duktiler Bruch senkrecht zur Sabachse
- Spröder Bruch: Teilbruchfläche 45° zur Stablängsachse
Scherversuch
- ein- und zweischnittig mgl.
- Ermittelze Werte Scherspannung
- oft für Klebeverbindungen
- Probenform rund
- Scherbacken ung Scherzungen müssen hohe Festigkeit aufweisen
Standversuch allgemein
- dient der Ermittlung des Werkstoffverhaltens bei ruhender Belastung in abhängigkeit von Temperatur und Zeit.
- 2 Arten: - Zeitstandversuch: Spannung/Kraft konst→ Messung der Längenänderung
- Entspannungsversuch: konst Längenänderung→Messung des Kraftabfalls (Relaxation)
Zeitstandversuch
- Kraftaufbringung durch Massestücke
- kontinuierliche Messung der durch Kriechprozesse hervorgerufenen Längenänderung
- 2. Mgl: Messung im ununterbrochenen Zustand Messaufnehmer an Probe oder als Unterbrochener Versuch im erkalteten Zustand der Probe7
- Kennwerte: aus Zeitbruchkurve
Zeitstandfestigkeit Rm: Angabe Rm100000/250→ 100000=Zeit in h, 250=Temperatur in °C
Zeitdehngrenze: Rp0,2/1000/350→ bei 0,2% plastische Dehnung, bei 1000 h Zeitdehngrenze bei 350°C
Zeitbruchdehnung und Zeitbrucheinschürung
Entspannungsvesuch
bei festgelegter Temp.→ anfangsverformung aufgezwungen
Entspanngeschwindigkeit: Geschwindigkeit mit der die Beanspruchung der Probe fällt
Entspannwiderstand: stellt sich nach bestimmter Versuchszeit Re/24(0,3) 24→vergangene Zeit 24h bei 0,3% Längenänderung
Zeitstandschaubilder
Stellt aus Kriechkurven bei verschiedenen Belastungen und Zeiten
Porenbildung bei Kriechbruch
- Keilporen: heterogene Prorenbildung, durch Blockierung von Korngrenzengleitung in Tripelpkt. und Versetzungen an Ausscheidungen und Einschlüssen
- Kavernenporen: Homogene Porenbildung durch Leerstellenkondensation und Korngrenzengleitung
Bruchbildung durch Kriechen
transkristalliner Kriechbruch: -mäßig, hohe Temperaturen
- kurze Standzeiten
- hohe Dehngeschwindigkeit
- Porenbildung im Inneren der Körner
- Waben → Kriechrissen
Interkristalliner Kriechbruch: bei hohen Temperaturen
- niedrigen Dehngeschwindigkeiten
- lange Standzeiten
- Kriechporen
Steigerung der Kriechfestigkeit
- gröberes Korn besser→ lange Diffusionswege Nachteil:Duktilität nimmt ab
- Ausscheidungen an Korngrenzen: Korngrenzenbewegung verhindert/ erschert
- Werkstoffe mit hohem kovaleten Bildungsanteil
Festigkeitsprüfung mit zyklischer Krafteinwirkung
- zyklische, wiederholte Belastung (Kräfte, Momente, Formänderung
- Ermüdungsbruch mgl.
(Def. Ermüdung: Änderung der Eigenschaften und Struktur in folge Zyklischer Beslastung)
- Spannungen im Bauteil nur im elastischen Bereich
Einflussgrößen aufLebensdauer bei schwingender Belastung
- Temperatur
- Schwingspielfrequenz
- Oberflächenbeschaffenheit
- Umgebungseinfluss
- Gefügeeinfluss
Kennwerte der zyklischen Belastung
- Schwingfestigkeit: Versagensverhalten, widerstand des Werkstoffes gegen zyklische Belastung
- Anzahl der Lastwechsel
- Schwingungsspielzahl
Beanspruchungsmerkmale
1. Spannungsverlauf
2. Beanspruchungsbereich: Schwell- und Wechselbereich
3. Beanstruchungsform: sinusfärmig, dreieckig, viereckig, usw
4. Beanspruchungsverläufe: periodisch: Einstufen, Mehrstufenversuch, Blockprogramm
regellos: Rondomversuch
5. Beanspruchungsart: Torsion, Druck, Zug, Umlaufbiegeversuch
Dauerfestigkeitsschaubild nach Smith
- Überblick über Dauerschwingverhalten eines Werkstoffes bei verschiedenen Mittelspannungen
- aus Wöhlerkurven erstellt
- zeigt ertragbare Ober- und Unterspannung
- Werkstoff braucht elastische Verformung zur Ermüdung
- alles in der "Linse" hält, alles außerhalb bricht
- Winkelhalbierende Mittelspannung
Ermüdung von Werkstoffen
- Änderung von Struktur und Eigenschaften als folge zyklischer Belastung, sinkende Festigkeit mit steigender Belastungsanzahl
- Ermüdungserscheinung gebunden an plast. Verformung
- Ermüdungsärten: Korrosionsermüdung
Temperatur Ermüdung
Kriechermüdung
Stufen der Werkstoffschädigung
Grund: Entstehung und Wachstum von Rissen
Aufteilung in 4 Stadien
generell gilt: mit steigender Anzahl Schwingungen, wird Dehnung aus plastisch Bereich geringer
Stadium 1:
- Ausbildung einer Ermüdungsstruktur
- Versetzungen ordnen sich um, Erhöhung der Versetzungsanzahl
- Entstehung von Ermüdungsgleitbändern
Stadium 2
- Bildung von Anrissen, Veränderung mech. und phys. Eifgenschaften, Entstehung lokaler submik. Risse+ Anrisse
Stadium 3
- Rissausbreitung, Risswachtum bis Erreichen krit. Risslänge, Schwingungsstreifen entstehen und breiten sich aus, 45° zur Zugrichtung, folgt Gleitebene mit größter Schubspannung
Stadium 4
- Bruch, Versagen des Restquerschnittes( Rest- oder Gewaltbruch)
Risswachstumsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Zyklischen Spannungsintensitätsfaktor
Bereich 1: großer Einfluss von Mikrostruktur, Mittelspannung und Umgebungsmedium, geringe Geschwindigkeit des risswachstums
Bereich 2: geringer Einfluss von Mikrostruktur, Mittelspannung, Umgebungsmedium, Bauteildicke, konstantes Wachstum Rissgeschwindigkeit
Bereich 3: großer Einfluss von Mikrosruktur, Mittelspannung und Bauteildicke, geringer Einfluss von Umgebungsmedium, dk nähert sich festem Wert, instabile Rissausbreitung
Vorgehensweisen bei Statischer Auswertung von Ermüdungslinien
1. Ordnen der Messwerte →steigend für Schätzung der BruchwahrscheinlichkeitP B
→ fallend für Schätzung der Überlebenswahrscheinlichkeit P Ü
2. Bestimmen der Wahrscheinlichkeitskoordinaten
3. graphisch: Eintragen der Wertepaare in jeweiliges Wahrscheinlichkeitsnetz
rechnerisch: Bestimmen der Parameter durch Regression
4. Ableitung der Kenngrößen für vorgesehene Eintreffwahrscheinlichkeit
5. Bestimmung der Wöhlerkurve
Wöhlerkurven
- statistische Auswertung eines Streubandes
- gibt mit bestimmter Wahrscheinlichkeit Bruch oder Dauerfestigkeit an
- 2 Arten: Spannungswöhlerkurve, Dehnungswöhlerkurve
Spannungswöhlerkurven
- viele Proben zur Herstellung notwendig
- konst. Mittelspannung, verschiedene Spannungsamplituden
- BT solange beansprucht bis es bricht
- Ausftragung log Spannung über log Schwingpielzahl N
- bie niedriger spannungsamp. → Dauerfestigkeit Werkstoff ca. 0,4- 0,5Rm
- 2 Typen: Typ 1: meisten Stähle ertragen unterhalb einer Bestimmten Spannungsamp. beliebig viele Lastwechsel
→Dauerfest (N>10^6), Einzeilung in Kurzzeitfestigk (N<10^3;) Zeitfest (10^3<N<10^6)
Typ 2: viele kfz Metalle und Leg. keine direkte Dauerfestigkeit ablesbar (Kurve läuft langsam aus)
Angabe der Grenzschwingspielzahl: NB10^7
Dehnungswöhlerkurven
konstante Gesamtdehnungsamplitude über Schwingspielzahl bis Anriss
Schnittpunkte von Basquin und Manson- Coffin Kurve
links davon nierderzyklischer Frequenzbereich
rechts davon hochzyklischer Frequenzbereich
plastische Dehnungsamplituden schädigen Mirkostruktur und reduzieren Lebensdauer
Einstufenversuch (Schwingfestigkeit)
Beanspruchung für jede Kurve kost.
- meist Sinusförmiger Verlauf
bei verschiedenen Beanspruchungsbereichen mgl
Erscheinungsformen von Brüchen
Transkristallin: Spaltflächen, Spaltlinien, Spaltstufen, Wabenbruch, Schwingstreifen, schwingbruchbahnen
Interkristallin: Korngrenzenbruch, Haarlinien, Krähenfüße, Interkr, Wabenbruch, Keilporen, Kavernenporen
Verformung: Sprödbruch, Zähbruch
Sprödbruche: keine oder nur kleine Plastische Zone, metallisch glänzend
Zähbruch: große Plastische Zone, die vor Bruchfläche hergeschoben wird
Abhängigkeit des Bruchverhaltens von der Temperatur
TÜ Übergangstemp.
T< TÜ Spaltbruchspannung< streckgrenze → Sprödbruch
T> TÜ Streckgrenze überschritten→ plast. Verformung→ erst Verformungsbruch, dann Spaltbruch→ Mischbruch
T>>TÜ Streckgrenze überschreitet niemals die Spaltbruchspannung →Verformungsbruch
Beanspruchungsseittige Faktoren bei schlagartiger Krafteinwirkung
- Temperatur: T hoch Sprödbruchneigung sinkt
- Verformungsgeschwindigkeit: hoch→Streckgrenze steigt, Sprödbruchbereich steigt
- Mehrachsigkeit und Spannungsüberhöhung: Re hoch, TÜ hoch
