Werkstoffkunde 1, Mechanisches Werkstoffverhalten, Werkstoffkennwerte, Werkstoffprüfverfahren
Fragen zum Buch Kapitel 3
Fragen zum Buch Kapitel 3
Was ist eine Spannung? Wodurch unterscheiden sich Normal- und Tangentialspannungen?
Spannung: Quotient aus Beanspruchungsgröße (Kraft, Moment) und Querschnittsgröße, z.B. Normalspannung = Normalkraft / Querschnittsfläche
Erläutern Sie den inneren Mechanismus bei der elastischen Verformung eines Metalls.
Die Auslenkung der Atome aus der Gleichgewichtslage bewirkt eine Rückstellkraft. Aus der resultierenden Atomabstands-Kraft-Kurve lässt sich eine atomare Federkonstante ableiten, bei Berücksichtigung der geometrischen Anordnung der Atome und Annahme einer statistischen Verteilung der Kristallitorientierungen ist der Elastizitätsmodul theoretisch ableitbar. Modellvorstellung: Bindungen als Federelemente.
Warum trägt man das Ergebnis eines Zugversuchs als Spannungs-Dehnungs-Diagramm auf und nicht als Kraft-Weg-Diagramm?
Das Kraft-Verlängerungs-Diagramm ist abhängig von der Probengeometrie (Länge, Querschnitt). Durch die Definition von Spannung = Kraft / Querschnitt und Dehnung = Verlängerung / Ausgangslänge ist das Spannungs-Dehnungs-Diagramm geometrieunabhängig, d.h. nur noch werkstoffabhängig.
a) skizzieren Sie ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Nicht-Eisen-Metalls, z.B. Aluminium (incl. Achsenbeschriftung und Einheiten, keine Zahlenangaben).
b) Welche Werkstoffkennwerte (Name, Symbol) werden aus einem Zugversuch ermittelt?
c) Tragen Sie in die Skizze ein, wie diese Werkstoffkennwerte aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve ermittelt werden.
d) Für die Bestimmung welcher Kennwerte brauchen Sie eine genaue Dehnungsmessung an der Probe während des Versuchs (Feindehnungsmessung)?
e) Wie unterscheidet sich die Spannungs-Dehnungs-Kurve eines Kohlenstoffstahls im normalisierten Zustand von der in a) skizzierten Kurve?
a) und c) siehe Skizze
b)
- Elastizitätsmodul E
- 0,2%-Dehngrenze Rp0,2
- Zugefestigkeit Rm
- Bruchdehnung A
- Brucheinschnürung Z
c) siehe Skizze + Elastizitätsmodul E: Steigung der elastischen Geraden.
Z kann nicht aus der Spannungs-Dehnungskurve ermittelt werden.
d) Elastizitätsmodul E (trotz Feindehnungsmessung häufig fehlerbehaftet), Rp0,2
e) Unstetiger Übergang vom elastischen Bereich in den Bereich plastischer Verformung mit ausgeprägter Streckgrenze.
Das untenstehende Diagramm zeigt schematische Spannungs-Dehnungs-Kurven aus Zugversuchen an verschiedenen Werkstoffen 1 bis 5. Sortieren Sie diese Werkstoffe nach folgenden Kennwerten, jeweils von niedrig nach hoch:
a) Elastizitätsmodul
b) 0,2%-Dehngrenze bzw. Streckgrenze
c) Bruchdehnung.
a) Elastizitätsmodul: 5, 4, 1 = 2 = 3
b) 0,2%-Dehngrenze bzw. Streckgrenze: 5, 4, 1, 2, 3
c) Bruchdehnung: 3, 2, 4, 1, 5
Begründen Sie die unterschiedliche Kaltverformbarkeit von Metallen mit verschiedenen Gitterstrukturen anhand des Mechanismus der plastischen Verformung.
Der wesentliche innere Mechanismus der plastischen Verformung von Metallen ist die Abgleitung auf Gleitebenen durch Versetzungsbewegung. Die Plastische Verformbarkeit ist umso besser, je höher die Zahl der Gleitsysteme (Kombination von Gleitebenen und Gleitrichtungen) in einer Gitterstruktur ist.
Die hdp Gitterstruktur hat nur 3 Gleisysteme (1 Ebene, 3 Richtungen) --> schlecht kaltverformbar
Die kfz Gitterstruktur hat 12 Gleitsysteme ( 4 Ebenen, 3 Richtungen) --> sehr gut kaltverformbar
Die krz Gitterstruktur hat ebenfalls 12 Gleisysteme (6 Ebenen, 2 Richtungen), allerdings sind die Gleitebenen nicht dichtest gepackt --> gut kaltverformbar, aber höherer Kraftaufwand als bei kfz
Was versteht man unter einem Gleitsystem?
Ein Gleitsystem ist eine Kombination von Gleitebene und Gleitrichtung.
Ein weiches Aluminiumblech wird kaltgewalzt.
a) Welche Gefügeänderungen treten durch das Kaltwalzen auf?
b) Wie ändern sich die mechanischen Eigenschaften?
a) starke Erhöhung der Versetzungsdichte durch Versetzungsmultiplikation, Kornstreckung, Textur
b) Kaltverfestigung: Erhöhung der 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 und der Zugfestigkeit Rm, Abnahme von Duktilität und Zähigkeit: Bruchdehnung A und Kerbschlagarbeit KV sinken, Anisotropie (Richtungsabhängigkeit) der mechanischen Eigenschaften
Begründen Sie anhand des mikroskopischen Mechanismus der plastischen Verformung, warum die Festigkeit in Metallen durch Gitterdefekte erhöht werden kann. Nennen Sie drei Mechanismen zur Festigkeitssteigerung durch Gitterdefekte (jeweils Name und Anwendungsbeispiel).
Der wesentliche mikroskopische Mechanismus der plastischen Verformung ist die Bewegung von Versetzungen auf Gleitsystemen aufgrund der wirkenden Schubspannung. Durch Gitterdefekte wird die Beweglichkeit der Versetzungen behindert, es ist eine erhöhte Schubspannung erforderlich, d.h. plastische Verformung tritt erst bei höheren Spannungen auf, die Festigkeit wird erhöht.
Mechanismen z.B.
- Korngrenzenverfestigung (Feinkorn) durch Kornfeinung bei Gusswerkstoffen
- Mischkristallverfestigung (Mischkristallhärtung) bei AlMg-Legierungen
- Teilchenverfestigung durch Aushärten von Al-Legierungen
Warum haben feinkörnige Gefüge höhere Festigkeiten als grobkörnige?
Nennen Sie Möglichkeiten zur Kornfeinung.
Gleitebenen sind durch Korngrenzen unterbrochen, d.h. der Laufweg für Versetzungen ist kurz. Durch Spannungsüberhöhung müssen erst neue Versetzungen in Nachbarkörnern generiert werden --> höhere Festigkeit.
Kornfeinung durch Kornfeinungsmittel beim Abguss, geeignete Wärmebehandlungsverfahren z.B. Normalisieren, thermomechanische Verfahren und Korngrenzenstabilisierung durch Legierungselemente.
Warum sind Sprödbruch und Ermüdungsbruch viel kritischer als ein Verformungsbruch?
Der Verformungsbruch folgt einer plastischen Verformung, d.h. bei einer Überbelastung ist zunächst eine Bauteilverformung erkennbar, bevor der Bruch erfolgt. Der Sprödbruch kündigt sich im Gegensatz dazu nicht vorher durch eine Bauteilveränderung an, beim Ermüdungsbruch ist das Erkennen der Bauteilschädigung oft schwierig. Dem Verformungsbruch geht außerdem ein Energieabbau durch plastische Verformung voran, das ist beim Sprödbruch und beim Ermüdungsbruch nicht oder nur sehr eingeschränkt der Fall.
Erläutern Sie den Versagensablauf bei einem Ermüdungsbruch.
Drei Phasen:
1. Rissbildung, z.B. an kleinen Fehlern im Gefüge (Einschluss usw.)
2. langsames Risswachstum
3. Restgewaltbruch
Welche Bedeutung hat der Verlauf der Spannungs-Dehnungskurve für die Eignung eines Werkstoffs für ein Crash-Element im Pkw?
Im Crashfall ist Energieabbau wichtig: Die kinetische Energie des Fahrzeugs muss möglichst weit abgebaut werden, um die Insassen zu schützen. Das Integral der Spannungs-Dehnungs-Kurve ist die spezifische Verformungsenergie, Multiplikation mit dem verformten Volumen ergibt den umgesetzten Energiebetrag.
a) Wie unterscheiden sich die Messverfahren bei Brinell-, Vickers- und Rockwellhärtemessung?
b) Für welche Werkstoffe sind die Verfahren jeweils geeignet?
Das Brinell- und das Vickersverfahren beruhen auf einer Vermessung des Eindruckquerschnitts. Materialien und Geometrien der EIndringkörper sind unterschiedlich:
- Brinell: Hartmetallkugel
- Vickers: Diamantpyramide
Das Rockwellverfahren beruht auf einer Messung der Eindringtiefe. Der Eindringkörper ist z.B. ein Diamantkegel mit abgerundeter Spitze (HRC).
Was sagt der Werkstoffkennwert "Kerbschlagarbeit" über einen Werkstoff aus?
a) Zähigkeit, Sprödigkeit
Wie führt man einen Ermüdungsversuch durch?
Welche Aussagekraft hat ein einzelner Ermüdungsversuch?
Zyklische Belastung, üblicherweise mit konstanter Mittelspannung und konstanter Spannungsamplitude bis zum Bruch der Probe. Die Aussagekraft eines einzelnen Versuches ist relativ gering: Die Lebensdauern streuen zum Teil erheblich, der Wert ist nicht direkt konstruktiv verwendbar. Üblicherweise wird eine Vielzahl von Versuchen durchgeführt, die Ergebnisse werden als Wöhlerkurve aufgetragen.
Was versteht man unter einer Wöhlerkurve?
Auftragung der Ergebnisse (Wertepaare Sigmaa, Nf) aus einer Vielzahl von Ermüdungsversuchen an einem Werkstoff. Üblicherweise Auftragung der Spannungsamplitude Sigmaa über dem Logarithmus der Lebensdauer Nf. Die Wöhlerkurve wird als Mittelwertskurve bestimmt.
Erklären Sie den Begriff Dauerfestigkeit.
Die Dauerfestigkeit ist die Spannungsamplitude, die bei einer Wechselbeanspruchung für eine gegebene Mittelspannung bis zur Grenzlastspielzahl ertragen wird. Die Grenzlastspielzahl ist abhängig von der Form der Wöhlerkurve bei Stählen üblicherweise 107, bei anderen Metallen 108.
Unter welchen Bedingungen kann die Rissfortschrittskurve eines Werkstoffs für den Konstrukteur relevant sein?
Wenn unter Sicherheitsaspekten bei der Dimensionierung eines Bauteils vorhandene Anrisse oder Werkstofffehler berücksichtigt werden müssen, sind Rissfortschrittskurven relevant. Beispiel: Flugzeug
Ein Riss darf nicht zwischen zwei Inspektionsintervallen überkritisch wachsen.
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Was ist eine Spannung? Wodurch unterscheiden sich Normal- und Tangentialspannungen?
Spannung: Quotient aus Beanspruchungsgröße (Kraft, Moment) und Querschnittsgröße, z.B. Normalspannung = Normalkraft / Querschnittsfläche
Erläutern Sie den inneren Mechanismus bei der elastischen Verformung eines Metalls.
Die Auslenkung der Atome aus der Gleichgewichtslage bewirkt eine Rückstellkraft. Aus der resultierenden Atomabstands-Kraft-Kurve lässt sich eine atomare Federkonstante ableiten, bei Berücksichtigung der geometrischen Anordnung der Atome und Annahme einer statistischen Verteilung der Kristallitorientierungen ist der Elastizitätsmodul theoretisch ableitbar. Modellvorstellung: Bindungen als Federelemente.
Warum trägt man das Ergebnis eines Zugversuchs als Spannungs-Dehnungs-Diagramm auf und nicht als Kraft-Weg-Diagramm?
Das Kraft-Verlängerungs-Diagramm ist abhängig von der Probengeometrie (Länge, Querschnitt). Durch die Definition von Spannung = Kraft / Querschnitt und Dehnung = Verlängerung / Ausgangslänge ist das Spannungs-Dehnungs-Diagramm geometrieunabhängig, d.h. nur noch werkstoffabhängig.
a) skizzieren Sie ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Nicht-Eisen-Metalls, z.B. Aluminium (incl. Achsenbeschriftung und Einheiten, keine Zahlenangaben).
b) Welche Werkstoffkennwerte (Name, Symbol) werden aus einem Zugversuch ermittelt?
c) Tragen Sie in die Skizze ein, wie diese Werkstoffkennwerte aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve ermittelt werden.
d) Für die Bestimmung welcher Kennwerte brauchen Sie eine genaue Dehnungsmessung an der Probe während des Versuchs (Feindehnungsmessung)?
e) Wie unterscheidet sich die Spannungs-Dehnungs-Kurve eines Kohlenstoffstahls im normalisierten Zustand von der in a) skizzierten Kurve?
a) und c) siehe Skizze
b)
- Elastizitätsmodul E
- 0,2%-Dehngrenze Rp0,2
- Zugefestigkeit Rm
- Bruchdehnung A
- Brucheinschnürung Z
c) siehe Skizze + Elastizitätsmodul E: Steigung der elastischen Geraden.
Z kann nicht aus der Spannungs-Dehnungskurve ermittelt werden.
d) Elastizitätsmodul E (trotz Feindehnungsmessung häufig fehlerbehaftet), Rp0,2
e) Unstetiger Übergang vom elastischen Bereich in den Bereich plastischer Verformung mit ausgeprägter Streckgrenze.
Das untenstehende Diagramm zeigt schematische Spannungs-Dehnungs-Kurven aus Zugversuchen an verschiedenen Werkstoffen 1 bis 5. Sortieren Sie diese Werkstoffe nach folgenden Kennwerten, jeweils von niedrig nach hoch:
a) Elastizitätsmodul
b) 0,2%-Dehngrenze bzw. Streckgrenze
c) Bruchdehnung.
a) Elastizitätsmodul: 5, 4, 1 = 2 = 3
b) 0,2%-Dehngrenze bzw. Streckgrenze: 5, 4, 1, 2, 3
c) Bruchdehnung: 3, 2, 4, 1, 5
Begründen Sie die unterschiedliche Kaltverformbarkeit von Metallen mit verschiedenen Gitterstrukturen anhand des Mechanismus der plastischen Verformung.
Der wesentliche innere Mechanismus der plastischen Verformung von Metallen ist die Abgleitung auf Gleitebenen durch Versetzungsbewegung. Die Plastische Verformbarkeit ist umso besser, je höher die Zahl der Gleitsysteme (Kombination von Gleitebenen und Gleitrichtungen) in einer Gitterstruktur ist.
Die hdp Gitterstruktur hat nur 3 Gleisysteme (1 Ebene, 3 Richtungen) --> schlecht kaltverformbar
Die kfz Gitterstruktur hat 12 Gleitsysteme ( 4 Ebenen, 3 Richtungen) --> sehr gut kaltverformbar
Die krz Gitterstruktur hat ebenfalls 12 Gleisysteme (6 Ebenen, 2 Richtungen), allerdings sind die Gleitebenen nicht dichtest gepackt --> gut kaltverformbar, aber höherer Kraftaufwand als bei kfz
Was versteht man unter einem Gleitsystem?
Ein Gleitsystem ist eine Kombination von Gleitebene und Gleitrichtung.
Ein weiches Aluminiumblech wird kaltgewalzt.
a) Welche Gefügeänderungen treten durch das Kaltwalzen auf?
b) Wie ändern sich die mechanischen Eigenschaften?
a) starke Erhöhung der Versetzungsdichte durch Versetzungsmultiplikation, Kornstreckung, Textur
b) Kaltverfestigung: Erhöhung der 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 und der Zugfestigkeit Rm, Abnahme von Duktilität und Zähigkeit: Bruchdehnung A und Kerbschlagarbeit KV sinken, Anisotropie (Richtungsabhängigkeit) der mechanischen Eigenschaften
Begründen Sie anhand des mikroskopischen Mechanismus der plastischen Verformung, warum die Festigkeit in Metallen durch Gitterdefekte erhöht werden kann. Nennen Sie drei Mechanismen zur Festigkeitssteigerung durch Gitterdefekte (jeweils Name und Anwendungsbeispiel).
Der wesentliche mikroskopische Mechanismus der plastischen Verformung ist die Bewegung von Versetzungen auf Gleitsystemen aufgrund der wirkenden Schubspannung. Durch Gitterdefekte wird die Beweglichkeit der Versetzungen behindert, es ist eine erhöhte Schubspannung erforderlich, d.h. plastische Verformung tritt erst bei höheren Spannungen auf, die Festigkeit wird erhöht.
Mechanismen z.B.
- Korngrenzenverfestigung (Feinkorn) durch Kornfeinung bei Gusswerkstoffen
- Mischkristallverfestigung (Mischkristallhärtung) bei AlMg-Legierungen
- Teilchenverfestigung durch Aushärten von Al-Legierungen
Warum haben feinkörnige Gefüge höhere Festigkeiten als grobkörnige?
Nennen Sie Möglichkeiten zur Kornfeinung.
Gleitebenen sind durch Korngrenzen unterbrochen, d.h. der Laufweg für Versetzungen ist kurz. Durch Spannungsüberhöhung müssen erst neue Versetzungen in Nachbarkörnern generiert werden --> höhere Festigkeit.
Kornfeinung durch Kornfeinungsmittel beim Abguss, geeignete Wärmebehandlungsverfahren z.B. Normalisieren, thermomechanische Verfahren und Korngrenzenstabilisierung durch Legierungselemente.
Warum sind Sprödbruch und Ermüdungsbruch viel kritischer als ein Verformungsbruch?
Der Verformungsbruch folgt einer plastischen Verformung, d.h. bei einer Überbelastung ist zunächst eine Bauteilverformung erkennbar, bevor der Bruch erfolgt. Der Sprödbruch kündigt sich im Gegensatz dazu nicht vorher durch eine Bauteilveränderung an, beim Ermüdungsbruch ist das Erkennen der Bauteilschädigung oft schwierig. Dem Verformungsbruch geht außerdem ein Energieabbau durch plastische Verformung voran, das ist beim Sprödbruch und beim Ermüdungsbruch nicht oder nur sehr eingeschränkt der Fall.
Erläutern Sie den Versagensablauf bei einem Ermüdungsbruch.
Drei Phasen:
1. Rissbildung, z.B. an kleinen Fehlern im Gefüge (Einschluss usw.)
2. langsames Risswachstum
3. Restgewaltbruch
Welche Bedeutung hat der Verlauf der Spannungs-Dehnungskurve für die Eignung eines Werkstoffs für ein Crash-Element im Pkw?
Im Crashfall ist Energieabbau wichtig: Die kinetische Energie des Fahrzeugs muss möglichst weit abgebaut werden, um die Insassen zu schützen. Das Integral der Spannungs-Dehnungs-Kurve ist die spezifische Verformungsenergie, Multiplikation mit dem verformten Volumen ergibt den umgesetzten Energiebetrag.
a) Wie unterscheiden sich die Messverfahren bei Brinell-, Vickers- und Rockwellhärtemessung?
b) Für welche Werkstoffe sind die Verfahren jeweils geeignet?
Das Brinell- und das Vickersverfahren beruhen auf einer Vermessung des Eindruckquerschnitts. Materialien und Geometrien der EIndringkörper sind unterschiedlich:
- Brinell: Hartmetallkugel
- Vickers: Diamantpyramide
Das Rockwellverfahren beruht auf einer Messung der Eindringtiefe. Der Eindringkörper ist z.B. ein Diamantkegel mit abgerundeter Spitze (HRC).
Was sagt der Werkstoffkennwert "Kerbschlagarbeit" über einen Werkstoff aus?
a) Zähigkeit, Sprödigkeit
Wie führt man einen Ermüdungsversuch durch?
Welche Aussagekraft hat ein einzelner Ermüdungsversuch?
Zyklische Belastung, üblicherweise mit konstanter Mittelspannung und konstanter Spannungsamplitude bis zum Bruch der Probe. Die Aussagekraft eines einzelnen Versuches ist relativ gering: Die Lebensdauern streuen zum Teil erheblich, der Wert ist nicht direkt konstruktiv verwendbar. Üblicherweise wird eine Vielzahl von Versuchen durchgeführt, die Ergebnisse werden als Wöhlerkurve aufgetragen.
Was versteht man unter einer Wöhlerkurve?
Auftragung der Ergebnisse (Wertepaare Sigmaa, Nf) aus einer Vielzahl von Ermüdungsversuchen an einem Werkstoff. Üblicherweise Auftragung der Spannungsamplitude Sigmaa über dem Logarithmus der Lebensdauer Nf. Die Wöhlerkurve wird als Mittelwertskurve bestimmt.
Erklären Sie den Begriff Dauerfestigkeit.
Die Dauerfestigkeit ist die Spannungsamplitude, die bei einer Wechselbeanspruchung für eine gegebene Mittelspannung bis zur Grenzlastspielzahl ertragen wird. Die Grenzlastspielzahl ist abhängig von der Form der Wöhlerkurve bei Stählen üblicherweise 107, bei anderen Metallen 108.
Unter welchen Bedingungen kann die Rissfortschrittskurve eines Werkstoffs für den Konstrukteur relevant sein?
Wenn unter Sicherheitsaspekten bei der Dimensionierung eines Bauteils vorhandene Anrisse oder Werkstofffehler berücksichtigt werden müssen, sind Rissfortschrittskurven relevant. Beispiel: Flugzeug
Ein Riss darf nicht zwischen zwei Inspektionsintervallen überkritisch wachsen.
