4. Werkstoffeigenschaften HOCHSCHULE BREMEN · wird diese Energie im Werkstoff in Wärme...

HOCHSCHULE BREMENUNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertProf. Dr.-Ing. Rüdiger Schubert

Fachbereich Maschinenbau

4. Werkstoffeigenschaften

4.1 Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften kennzeichnen das Verhalten von Werkstoffen gegenüber äußeren Beanspruchungen. Es können im allg. 3 Stadien der Verformung unterschieden werden:

- Reversible Verformung

- Irreversible Verformung

- Bruch

Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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Reversible Verformung:Vollständiger Rückgang einer Formänderung bei Entlastung entweder sofort (Elastizität) oder zeitlich verzögert (Viskoelastizität/Anelastizität)

Irreversible Verformung:Bleibende Formänderung auch bei Entlastung (Plastizität, Viskoplastizität)

Bruch:Trennung des Werkstoffes infolge der Bildung und Ausbreitung von Rissen


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E = tan

α

4.1.1 ReversibleFormänderungsmechanismen:

a)linear-elastischesVerhalten:Energie-Elastizität

Lenard-Jones-Potential(potent. Energiezwischen2 Atomen)

U(r) = - r -m + r -n


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Fachbereich MaschinenbauLinear-elastisches Verhalten:

- Zeitunabhängigkeit zwischen Belastung undVerformung (Schallgeschwindigkeit)

- lineare Abhängigkeit der Verformung von derBelastung (Hooke´sches Gesetz)

- Modell des Werkstoffes ist die Feder


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Fachbereich MaschinenbauWerkstoffkennwerte:

- E Elastizitätsmodul = E - G Schubmodul = G - Querkontraktionszahl(Poisson-Zahl) = - quer / längs

Es gilt:E = 2 G (1 + )


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E-Modul:Stahl 210.000Alu 72.000Titan 110.000Porzellan 580.000SiC 800.000Polystyrol 3.500Plexiglas 4.000

Querkontraktionszahl :für die wichtigsten Metalle gilt 0,3 0,36 und daher

G 3/8 E


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b) nichtlinear-elastisches Verhalten:- Zeitunabhängigkeit von Belastung und Verformung- nichtlineare Abhängigkeit der Verformung von derBelastung

- Formänderungen von mehreren 100% (gummielastisch)- vollständig reversible Verformung

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Fachbereich Maschinenbauc) anelastisches/viskoelastischesVerhalten:

- Zeitabhängigkeit von Belastung und Verformung- vollständig reversible Verformung- Werkstoffmodell ist eine Feder-Dämpfer-Kombination


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Fachbereich MaschinenbauDämpfung:Dämpfungsarbeit entspricht der Hysteresefläche, bei jeder vollständigen Schwingung wird diese Energie im Werkstoff in Wärme umgewandelt und dissipiert

Energieverlust pro Zyklus:Gußeisen 5 %Stahl 0,01%Bronze 0,1 %Gummi 20-30 %


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Fachbereich Maschinenbau4.1.2 IrreversibleFormänderungsmechanismen:

a) plastisches Verhalten:

- Zeitunabhängigkeit vonBelastung undVerformung

- irreversible Verformung

- Werkstoffmodellbesteht aus Federund Reibelement e = elastische Dehnung

p = bleibende bzw. plastische Dehnung


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Fachbereich MaschinenbauSituation im Werkstoff:Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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Schmid´sches Schubspannungsgesetz:Wird ein Werkstoff unter Zug/Druck belastet, dann sind die Schubspannungen unter 45° maximal.

r = cos sin


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Fachbereich MaschinenbauProf. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

b) viskoplastisches Verhalten(Kriechen):

- Zeitabhängigkeit vonBelastung und Verformung

- irreversible Verformung- Werkstoffmodellbesteht aus Feder,Dämpfer undReibelement

- Metalle bei T > 0,3-0,4 TMKeramiken bei T > 0,4-0,5 TM(TM = Schmelztemp. in K)

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Fachbereich MaschinenbauCharakteristik der Kriechkurve:Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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Fachbereich MaschinenbauTemperatureinfluß auf Kriechkurve:Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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Fachbereich MaschinenbauKriechkurve und Zeitstandschaubild: Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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Auslegung warmfester Stähle:Ohne Kriechen- temperaturabhängige0,2%-Dehngrenze

Mit Kriechen(verformungsreich=duktil)- 0,2%-Zeitdehngrenze

Mit Kriechen(verformungsarm)- Zeitstandfestigkeit(Bruch)


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Fachbereich Maschinenbau4.1.3 Bruch:Mikroskopische Bruchvorgänge


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Makroskopische Bruchformen:

- einachsig, quasistatisch beanspruchter Zugstab


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Fachbereich MaschinenbauMakroskopische Brucharten:

- Sprödbruch (Trennbruch)

- Zähbruch = duktiler Bruch = Verformungsbruch(Gleitbruch)

a) transkristalliner Sprödbruchb) interkristalliner Sprödbruchc) duktiler Bruch durch Porenbildung

an Einschlüssen(cup and cone fracture)

d) duktiler Bruch mit vollständiger Einschnürung(z.B. reine Einkristalle)

e) duktiler heterogener Scherbruch


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transkristallin

interkristallin

Sprödbruch


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Zähbruch

Grübchen- oder Wabenbruch


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Intrusion und Extrusion

Dauerbruch = Ermüdungsbruch

ZyklischeBeanspruchung


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4.2 Verfestigung

- Erhöhung vonStreckgrenze Re undZugfestigkeit Rm

- Erhöhung derHärte (z.B. HB, HV)

- Erniedrigung derBruchdehnung A

- Erhöhung desVerformungs-widerstandes


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Einschränkung der Bewegung von Versetzungen

Verfestigungsmechanismen

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Fachbereich MaschinenbauVerfestigungsmechanismen

Mischkristallverfestigung (Einlagerung)= Härtungsverfestigung

Mischkristallverfestigung (Substitution)= Legierungsverfestigung

Dispersionsverfestigung= Teilchenverfestigung

= Ausscheidungshärtung

Kaltverfestigung = Verformungsverfestigung

Feinkornhärtung = Korngrenzenverfestigung

0D

0D

3D

1D

2D


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