Werkstofftechnik
Über: Zug, Druck, Biegung Abscherung, Torsion, Zulässige Spannung, Formeln, Sicherheitszahlen, Materialwerte, Belastungsfälle, Berechnungsbeispiele, Schadensursache, Schadensvermeidung.
Über: Zug, Druck, Biegung Abscherung, Torsion, Zulässige Spannung, Formeln, Sicherheitszahlen, Materialwerte, Belastungsfälle, Berechnungsbeispiele, Schadensursache, Schadensvermeidung.
Kartei Details
| Karten | 25 |
|---|---|
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Technik |
| Stufe | Berufslehre |
| Erstellt / Aktualisiert | 31.03.2015 / 30.04.2015 |
| Weblink |
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Beanspruchung auf Zug:
Welche Schritte sind notwendig um die Zugspannung eines Probestücks zu berechnen?
Text:
1. Berechnung der erforderlichen Querschnittsfläche (S).
2. Die Zugkraft (F) muss durch die neu berechnete Querschnittsfläche (S) dividiert werden.
3. Das neu erhaltene Resultat ist die Zugspannung (σz)
Formeln:
\(σ_z = {F\over S}\) \(S = {d^2*π\over 4} \)
Sicherheitszahl + Zulässige Spannung:
Was genau ist die Sicherheitszahl und wo wird sie verwendet?
Die Sicherheitszahl ist ein Multiplikator oder Divisor (je nach Berechnungsfall) welcher bei Berechnungen integriert wird. Dies damit das Endresultat einem Wert entspricht mit welchem das Teil so gestaltet werden kann, dass es Garantiert der vorhandenen Belastung standhält. Grundsätzlich wird das so in der Praxisanwendung gebraucht (und somit in die Berechnung miteinbezogen), denn man möchte so eine mögliche Überbeanspruchung verhindern. So kann auch die Zulässige Spannung σzul berechnet werden.
Beispiel:
Ein Zugseil hat eine Streckgrenze von 540N/mm2. Die Sicherheitszahl lautet: \(\nu = 1.8\)
Formel: \( {\sigma\over \nu} = \sigma _{zul}\)
Die Zulässige Spannung ist somit: 300N/mm2
Berechnung:
\( {\sigma\over \nu} = \sigma _{zul}\) -> \({540N/mm^2\over 1.8} = 300N/mm^2\)
Materialwerte:
Für was steht der Kurzname EN-GJMB-350-10?
EN-GJMB-350-10
Von oben nach unten:
EN = Europäische Norm
-
GJ = Guss Eisen
M = Grafitstruktur (M = Temperkohle)
B = Mikro- oder Makrosttruktur (B = nicht entkohlend geglüht)
-
350 = Mechanische Eigenschaft (Mindestzugfestigkeit Rm in N/mm2 = 350N/mm2)
10 = Mechanische Eigenschaft (Bruchdehnung A in % = 10% Bruchdehnung)
Schadensursache:
Was ist der Unterschied zwischen einem Gewaltbruch und einem Dauerbruch?
Und was ist der Unterschide zwichen einem Wurzelfehler und einem Bindefehler?
Nenne dazu jeweils noch den Schadensfall!
Gewaltbruch: Bruch des Teils mittels Überlastung durch zu hohe Kräfte.
Dauerbruch: Bruch des Teils mittels Überlastung durch zu hohe Wechselbelastung (Schwingung).
Schadensfall: Bauteilbruch
Wurzelfehler: Schweissnahtfehler durch mangel an Zusatzwerkstoffen beim Schweissen.
Bindefehler: Schweissnahtfehler durch zu niderige Schweisstemperatur.
Schadensfall: Schweissnahtfehler
Schadensvermeidung:
Wie kann der Schaden durch Korrosion verhindert werden?
Wie können Gefügeschäden wie Grobkorn oder aufgeweitete Korngrenzen vermieden werden?
Verhinderung von Korrosionsschäden:
- Kontakt mit korrosivem Medium vermeiden
- Auswahl eines Korrosionsbeständigen Werkstoffes
- Beschichtung des Bauteils
Verhinderung von Gefügeschäden:
- Überhitzen des Werkstoffes vermeiden
- Durch Verwendung von hitzebeständigem oder wasserstoffversprödungsbeständigem Werkstoff.
Belastungsfälle:
Nenne die 3 verschiedenen Belastungsfälle!
Belastungsfall I: Statische Belastung. Die Kraft welche auf ein Teil gewirkt wird, steigt bei der Belastung an und bleibt dann konstant so geschieht es auch mit der Spannung. Das Teil ist in ruhendem Zustand.
Belastungsfall II: Dynamische Belastung. Bei einer dynamischer Belastung ändert sich die grösse der Kraft und die Spannung dauernd. Das Teil bewegt sich.
Belastungsfall III: Dynamisch-wechselnde Belastung. Bei einer dynamisch-wechselnder Belastung schwankt die Spannung dauernd zwischen einem positiven und negativen Höchstwert. Das Teil (z.B eine Welle) wechselt dauernd die Richtung, z.B von Zug auf Druck.
Beanspruchung auf Torsion:
Wie wird die Torsionsspannung berechnet? Erläutere den Weg zum Endresultat ausführlich!
Gesuchter Wert: \(\tau _t\)(Torsionsspannung)
Formel zum Berechnen der Torsionsspannung:
\(\tau _t = {M_t \over W_p}\)
Mt = Torsionsmoment: Die Kraft die in drehendem Zustand auf das Teil wirkt.
Drehmoment = \(M = r * F\)
Wp = polares Widerstandmoment. Die Kraft die der Verdrehung entgegenwirkt. Wichtig ist, dass es hier verschiedene Formeln für verschiedene Querschnittsformen gibt, mit welcher das Wiederstandsmoment berechnet werden kann.
Einige davon sind auf Seite 44 im Tabellenbuch zu finden.
Abscherung
a)
Ein Bolzen der zwei Platten zusammenhält wird auf Abscherung belastet.
Die zulässige Scherspannung beträgt 100N/mm2, die Scherkraft 2200N.
Berechne den zulässigen Bolzendurchmesser!
b)
Was würde passieren wenn der Bolzen durch eine Gabel geführt wäre und die Belastung wie im Bild angezeigt auf den Bolzen einwirkt?
Berechne den neuen Bolzendurchmesser!
a)
\(\tau _{zul} = 100 N/mm^2\)
\(F = 2200N\)
\({F \over \tau _{zul}} = A\) -> \({2200N \over 100N/mm^2} = 22mm^2\)
\( \sqrt{A * 4 \over \pi} = d\) -> \( \sqrt{22mm^2 * 4 \over \pi} = 5.29mm = Bolzendurchmesser\)
b)
Die Kraft wird auf die beiden Belastungspunkte aufgeteilt. Somit lastet je nur die hälfte der Gesamtkraft auf einem Belastungspunkt.
Berechnung:
\(2200N : 2 = 1100N\)
\({1100N \over 100N/mm^2} = 11mm^2\)
\( \sqrt{11 * 4 \over \pi} = 3.74mm = Bolzendurchmesser\)
Materialwerte:
a)
Welche Elemente enthält ein X5CrNi18-8 und in welchen Mengen?
Definiere zudem für was der Buchstabe X steht.
b) Was ist die besondere Eigenschaft die diese Werkstofftypen grundsätzlich haben?
Gibt es dort auch Ausnahmen? Falls Ja: Nenne einen!
a)
X5CrNi18-8
X - Das X bedeutet, dass dies ein Hochlegierter Stahl ist.
5 - Steht für den Kohlenstoffgehalt -> hier: 0.05%
Cr - Chrom
Ni - Nickel
18 - 18% Chrom
8 - 8% Nickel
b)
Hochlegierte Stähle sind in den meisten Fällen Korrosionsbeständig.
Da gibe es aber auch ausnahmen wie z.B X153CrMoV12 (Tabellenbuch Seite 153)
Materialwerte:
a) Was bedeutet C35U?
b) Mit welcher Änderung im Kurznamen wäre das Material für Federn geeignet?
a)
C35U - Unlegierter Kohlenstoffstahl
C - steht für Kohlenstoff
35 - 0.35% Kohlenstoffgehalt
U - Für Werkzeuge geeignet
b)
Mit dem Kurznamen C35S
S = Für Federn geeignet (S von Engl. "spring" für Feder)
Belastung:
a) Wie ist die mechanische Spannung definiert (Formel)?
b) Wie kommt die Spannung zustande (physisch erklärt)?
c) Von was ist die Gestaltveränderung (Verzerrung) abhängig?
a)
\(\sigma = {F \over A}\) - Spannung gleich Kraft durch Flächeninhalt
b)
Sofern sich Belastungen nicht gegenseitig aufheben und eine Kraft auf ein Teil einwirkt entsteht eine Beanspruchung. Diese wird als Spannung definiert.
c)
Die Gestaltveränderung ist von der Spannung und der Steifigkeit des Werkstücks abhängig.
Druck:
Welchen Druck (in Pa) lastet auf einem Würfel mit einer Kantenlänge von 10mm wenn die Kraft 1000N beträgt?
F (Kraft) = 1000N
S (Kantenlänge) = 10mm
A = Belastete Fläche
\(A = S*S\) -> \(10mm * 10mm = 100mm^2\)
\({F \over A} = P\) -> \({1000N \over 100mm^2} = 10N/mm^2 = 1Bar = 100'000 Pa\)
Materialwerte:
a) Welches Gefüge hat ein Vergütungsstahl C80 bei Raumtemperatur?
b) Und welches bei 1000°C?
c) Wie kann dies definiert werden?
a) Das Gefüge besteht bei Raumtemperatur aus Perlit.
b) Das Gefüge besteht bei 1000°C aus Austenit.
c) Dies kann aus dem Eisen-Kohlenstoff-Zustands-Diagramm entzogen werden.
Der Werkstoff C80 liegt dabei bei 0.8% Kohlenstoffgehalt: 80 -> 0.8%.
Beanspruchung und Festigkeit - Kerbwirkung:
a) Wo tritt die Kerbwirkung auf? Was kann dabei passieren?
b) Wie kann sie vermindert werden?
c) Wie können sonst noch Kerben entstehen? (Nenne 3 Möglichkeiten)
a) Die Kerbwirkung tritt an eingeschnittenen Stellen oder gekerbten Teilen auf.
Durch einen schlechten Kraftfluss an z.B einem scharfen Absatz können Dauerbrüche entstehen.
(Schlechter Kraftfluss: Siehe Bild links)
b) Durch Anpassung der Form und Berücksichtigung des Kraftflusses (Bild rechts).
c)
- Natürlicher Einfluss wie z.B Rost
- Geometrie des Teils
- Art des Fügeverfahrens
- Lunker / Einschlüsse
- Raue Oberfläche
- Schweissnähte
Biegung - Formeln:
a) Ein Träger lastet auf zwei Stützen. Wie lautet die Formel zur Berechnung des Biegemoments?
b) Wie würde sie lauten wenn eine Seite des Trägers in einer Wand befestigt ist und die andere Seite frei in der Luft schwebt?
a)
\(M_b = {F \over 2} * {l \over 2}\)
Mb = Biegemoment
l = Trägerlänge
F = Einwirkende Kraft
b)
\(M_b = F * l\)
Die Länge l wird hierbei ab der Wand gemessen (Drehpunkt).
Biegung - Formeln:
Die Formel zur Berechnung der Biegespannung lautet:
\(\sigma_b = {M_b \over W}\)
\(\sigma_b = Biegespannung \)
\(M_b = Biegemoment\)
Für was steht hier der Formelbuchstabe W?
Und wie ergibt sich "W" (Formel)?
Der Formelbuchstabe W steht hier für das Widerstandsmoment. Das Widerstandsmoment definiert die Kraft die gegen die Durchbiegung wirkt.
\(W = {l \over a_{max}}\)
l = axiales Flächenmoment
amax = grösster Abstand der Randfaser zur neutralen Faser
Flächenpressung:
a) Wie wird die Flächenpressung bei einer gelagerten Welle berechnet?
b) Was ist der Unterschied zwischen Druck und Flächenpressung?
a)
Formel: \(p = {F \over A}\)
Mittelsquerschnittsfläche für A (Bild)
b)
Flächenpressung ist die Kraft pro Kontaktfläche zwischen zwei Bauteilen. Im Gegensatz zum Druck hat Flächenpressung eine Richtung in welche sie wirkt.
Bei der Flächenpressung sind Lastverteilung und die Kontaktflächen von Kraft F, Materialeigenschaft und Oberflächenkonturen abhängig.
Biegung:
a) Wird ein Bauteil welches auf Biegung belastet wird auch auf Zug oder Druck belastet? Wenn ja, wo?
b) Wo sind im Bauteil gar keine Spannungen vorhanden und wo sind sie am stärksten?
a)
Ja
Beispiel: Wenn das Bauteil in der Wand steckt und nach unten gebogen wird:
Überhalb der neutralen Faser wird das Bauteil auf Zug und unterhalb auf Druck belastet. Also beides.
b)
Bei der neutralen Faser wo sich die Kräfte von Zug und Druck gegenseitig aufheben besteht keine Spannung.
Am meisten Spannung entsteht am äussersten Rand des Bauteils.
Sicherheitszahl:
a) Wie ist der Sicherheitszahl definiert? (Formel in Worten)
b) Durch welche Einflüsse könnte ein Teil, das ohne Sicherheitszahl an der Streckgrenze belastet wird, der Belastung nicht standhalten?
a) \(Sicherheitszahl = {ertragbare Belastung \over herrschende Belastung}\)
b) Durch Herstellung, Toleranz, Lastannahmen und Temperaturunterschiede kann bei einer Sicherheitszahl von 1 das Bauteil versagen.
Eine Sicherheitszahl von 1 bedeutet, dass das Bauteil keine Sicherheitsreserven gegen Versagen besitzt. (Multiplikation und Division mit 1 lassen den Endwert unverändert)
Zulässige Spannung - Massgebende Grenzspannung:
a) Was ist die massgebende Grenzspannung?
b) Wie steht die zulässige Spannung mit der massgebenden Grenzspannung in Verbindung?
a) Die massgebende Grenzspannung ist die Spannung bei welcher ein Bauteil eine schädigende Formveränderung oder einen Bruch erleidet. Sie ist von Werkstoff, Belastungsfall und Beanspruchungsart abhängig.
b) Die zulässige Spannung kann mittels massgebende Grenzspannung berechnet werden. Dazu hat man die massgebende Grenzspannung durch eine Sicherheitszahl zu teilen. Formel:
\(\sigma _{zul} = {\sigma _{lim} \over \nu}\)
Schadensanalyse:
Welche drei Schritte können bei Schäden an einem Bauteil eingeleitet werden?
(Erkläre kurz die einzelnen Schritte)
1.
Schadensuntersuchung:
Ermittlung der Ursache um gleichartige Fehler in Zukunft zu vermeiden.
2.
Erkennen der Schadensursache:
Durch die Schadensuntersuchung kann die Ursache des Schadens ermittelt werden. Um die Ursache zu finden braucht es meist langjährige Erfahrung oder Fachpersonal.
3.
Schadensvermeidung:
Bei der Schadensvermeidung wird darauf geachtet, dass zukünftige Schäden vermieden werden können. Dies durch z.B Wahl eines anderen Werkstoffes, Änderung der Geometrie oder über das integrieren eines Überlastungsschutzes.
Schadensvermeidung:
Wie können folgende Schäden vermieden werden?
1) Überhitzungsschaden
2) Festfress - Schaden
3) Korrosionsschaden
4) Überlastungsschaden
1) Durch intigrieren einer Kühlung / besseren Kühlung.
2) Durch intigrieren einer Schmierung / besseren Schmierung.
3) Durch verwenden von rostfreiem / beschichtetem Werkstoff.
4) Durch Anpassung der Konstruktion zur verminderung der Belastung.
Schadensuntersuchung:
a) Was sind "offensichtliche" Schadensbefunde?
b) Wie geht man vor, wenn die Ursache des Schadens schwierig zu beurteilen ist?
a)
Offensichtliche Schadensbefunde sind Schäden welche direkt von Auge erkennbar sind:
- Bruch
- Risse
- Verformung
b)
In diesem Fall hat man aufwendigere Verfahren einzusetzen:
- Gefügeuntersuchung am Mikroskop
- Rasterelektronenmikroskopische Oberflächen Untersuchung
- Schwingungsmessungen
- Bauteil-Betriebslasten-Prüfung
Schadensursache:
Was kann dabei helfen die Schadensursache in einer Maschine effizient zu finden?
Mittels Schadensanalysesysteme die in die Software der Maschine integriert sind.
Sie senden bei Missfunktion eines Bauteils / einer Baugruppe eine Meldung, welche angibt wo sich der Fehler befindet.
Zug - Zugversuch:
a) Was ist der Wert Rp 0.2, wo wird er gebraucht und wie wird er eingezeichnet?
b) Wie Unterscheidet sich ein Stahl (S235) zu einem Guss (EN-GJL-300) zu einer Aluminiumlegierung (AlMgSi1) im Spannungs-Dehnungs Diagramm? (Kurve)
a)
Rp 0.2 ist die Dehngrenze.
Die Dehngrenze wird bei Werkstoffen die keine ausgeprägte Streckgrenze (Re) haben verwendet.
Sie wird parallel zur Anfangsgerade bei 0.2% Dehnung eingezeichnet.
b)
Im Bild:
Nr. 1: Stahl S235
Nr. 2: Guss EN-GJL-300
Nr. 3: Aluminiumlegierung (AlMgSi1)
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