Leseprobe

Burkhard Heine

Werkstoffprüfung

Ermittlung der Eigenschaften metallischer Werkstoffe

ISBN (Buch): 978-3-446-44455-3

ISBN (E-Book): 978-3-446-44505-5

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© Carl Hanser Verlag, München

Vorwort

Eine Aufgabe des Ingenieurs ist es, dafür Sorge zu tragen, dass die Bauteile, die in seinen Konstruktionen zum Einsatz kommen, allen vorgesehenen Beanspruchungen gerecht wer-den und eine hohe Lebensdauer bei einem geringen Instandsetzungsbedarf aufweisen. Der erste Schritt zur problemlosen Interaktion der Bauteile stellt dabei die Festschreibung einer zweckdienlichen Gestalt der Bauteile dar, zum Beispiel in Gestalt einer Zeichnung. Im zweiten Schritt erfolgt die Wahl eines zweckdienlichen Werkstoffs, wobei sich der In-genieur an den Eigenschaften der zur Verfügung stehenden Werkstoffe orientiert. Das vor-liegende Buch soll bei der Ermittlung der Eigenschaften unterstützen, die für die metalli-schen Konstruktionswerkstoffe relevant sind.

In der 3. Auflage wurden noch bestehende Fehler beseitigt. Weiterhin sind einige Norm-nummern ergänzt bzw. durch inzwischen aktualisierte Nummern ersetzt worden.

Das Buch richtet sich an Studierende der Werkstofftechnik, des Maschinenbaus und der Fertigungstechnik sowie an Ingenieure in der Industrie. Daneben ist das Buch auch als Handbuch zur experimentellen Begleitung einer einführenden Vorlesung in die Werk-stoffkunde konzipiert, was die Reihenfolge der Kapitel bestimmte: Kapitel 1 wurde geteilt und in den Grundlagenteil von Folgekapiteln integriert. Kapitel 2 führt die Ermittlung der bindungsbasierenden nichtmechanischen Eigenschaften Zustandsänderungstemperaturen, spezifische Umwandlungswärmen, linearer Wärmeausdehnungskoeffizient und Wärme-leitfähigkeit an. Kapitel 3 wurde im Grundlagenteil erweitert und beschreibt die Ermitt-lung des Kristallgitters beziehungsweise der Kristallstruktur mit ihren Gitterparametern. Kapitel 4 stellt die Ermittlung der kristallstrukturbasierenden nichtmechanischen Eigen-schaften Dichte und Temperatur einer allotropen Umwandlung vor. Kapitel 5 beschreibt die Darstellung kristallbaufehlerbasierender nichtmechanischer Eigenschaften auf licht-mikroskopischem und elektronenmikroskopischem Weg sowie durch zerstörungsfreie Prüfung. Kapitel 6 zeigt Wege der Darstellung der mechanischen Eigenschaften rissfreier Proben bei steigender Beanspruchung auf. Hierzu zählen der Zugversuch, für den der Ein-fluss der Temperatur und Verformungsgeschwindigkeit aufgenommen wurde, der Druck-versuch, der Torsionsversuch, der Biegeversuch sowie die Härteprüfung, bei der auch die modernen Prüfverfahren angesprochen werden. Kapitel 7 befasst sich mit der Ermittlung der mechanischen Eigenschaften rissfreier Proben bei statischer Beanspruchung. Kapitel 8 zeigt Wege zur Darstellung der mechanischen Eigenschaften rissfreier Proben bei dynami-scher Beanspruchung auf. Hierbei wird sowohl eine spannungskontrollierte als auch eine dehnungskontrollierte Versuchsführung berücksichtigt. Kapitel 9 führt Möglichkeiten an, die mechanischen Eigenschaften angerissener Proben bei steigender Beanspruchung sowie dynamischer Beanspruchung zu beschreiben. Hierzu zählen der Kerbschlagbiegeversuch, der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch und bauteilsimulierende Versuche, zu denen auch Bruchmechanikversuche gehören.

Vorwort6

Ich bedanke mich beim Carl Hanser Verlag, der das Buch erneut in einer ansprechenden Gestaltung anbieten kann. Mein großer Dank gilt wieder Frau Christine Fritzsch und Frau Katrin Wulst, die durch die Durchsicht des Manuskripts zum Gelingen des Buches beige-tragen haben.

Aalen, im März 2015 Burkhard Heine

Inhalt

Vorwort .................................................................................................... 5

1 Einleitung ....................................................................................... 15Weiterführende Literatur ........................................................................................ 21

2 Bindungsbasierende nichtmechanische Eigenschaften ........... 222.1 Zustandsänderungstemperaturen ........................................................................ 22

2.1.1 Anordnung .............................................................................................. 242.1.2 Durchführung ........................................................................................ 272.1.3 Ergebnis ................................................................................................... 29

2.2 Spezifische Umwandlungswärmen ...................................................................... 292.2.1 Anordnung .............................................................................................. 292.2.2 Durchführung ........................................................................................ 292.2.3 Ergebnis ................................................................................................... 31

2.3 Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient ........................................................... 312.3.1 Anordnung und Durchführung ......................................................... 322.3.2 Ergebnis ................................................................................................... 33

2.4 Wärmeleitfähigkeit .................................................................................................. 332.4.1 Anordnung und Durchführung ......................................................... 342.4.2 Ergebnis ................................................................................................... 34Weiterführende Literatur ........................................................................................ 34

3 Kristallgitter – Kristallstruktur ................................................... 363.1 Grundlagen ................................................................................................................. 36

3.1.1 Millersche Indizes – Netzebenenabstand ....................................... 363.1.2 Elektronenstrahlung und Röntgenstrahlung ................................. 423.1.2.1 Elektronenstrahlung ........................................................................ 423.1.2.2 Röntgenstrahlung ............................................................................. 433.1.3 Beugung von Strahlung an Kristallgittern ..................................... 493.1.3.1 Kubisch‑raumzentrierte Kristallstruktur ..................................... 533.1.3.2 Kubisch‑flächenzentrierte Kristallstruktur ................................. 543.1.4 Reziprokes Gitter ................................................................................... 55

3.2 Feinstrukturanalyse ................................................................................................. 573.2.1 Einkristalle ............................................................................................. 573.2.1.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 573.2.1.2 Ergebnis ............................................................................................. 58

Inhalt8

3.2.2 Einzelne Kristalle eines Polykristalls .............................................. 603.2.2.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 613.2.2.2 Ergebnis ............................................................................................. 643.2.3 Einkristallschüttung, Pulverschüttung, polykristalline

Massivprobe ........................................................................................... 653.2.3.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 653.2.3.2 Ergebnis ............................................................................................. 66Weiterführende Literatur ........................................................................................ 72

4 Kristallstruktur basierende nichtmechanische Eigenschaften 734.1 Dichte ........................................................................................................................... 73

4.1.1 Anordnung und Durchführung ......................................................... 734.1.2 Ergebnis ................................................................................................... 73

4.2 Temperatur einer allotropen Umwandlung ....................................................... 754.2.1 Anordnung und Durchführung ......................................................... 754.2.2 Ergebnis ................................................................................................... 75Weiterführende Literatur ........................................................................................ 76

5 Kristallbaufehler basierende nichtmechanische Eigen schaften ................................................................................ 775.1 Chemische Zusammensetzung ............................................................................. 77

5.1.1 Grundlagen ............................................................................................. 775.1.2 Atomemissionsspektroskopie ............................................................ 795.1.2.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 795.1.2.2 Ergebnis ............................................................................................. 805.1.3 Elektronenstrahlmikroanalyse .......................................................... 815.1.3.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 815.1.3.1.1 Wellenlängendispersives Röntgenspektrometer ......................... 825.1.3.1.2 Energiedispersives Röntgenspektrometer ................................... 845.1.3.1.3 Punktanalyse ..................................................................................... 855.1.3.1.4 Linienanalyse .................................................................................... 855.1.3.1.5 Flächenanalyse ................................................................................. 865.1.3.2 Ergebnis ............................................................................................. 865.1.4 Röntgenfluoreszenzanalyse ................................................................ 875.1.4.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 875.1.4.2 Ergebnis ............................................................................................. 87

5.2 Mikroskopische Darstellung von Gefüge, Oberfläche, Bruchfläche und lokalen Werkstofftrennungen ................................................................................ 885.2.1 Lichtmikroskopische Darstellung von Gefüge und von

lokalen Werkstofftrennungen ............................................................ 905.2.1.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 915.2.1.1.1 Probennahme .................................................................................... 925.2.1.1.2 Schliffherstellung ............................................................................. 935.2.1.1.3 Gefügeentwicklung .......................................................................... 965.2.1.1.4 Gefügedarstellung ............................................................................ 101

Inhalt 9

5.2.1.2 Ergebnis ............................................................................................. 1065.2.1.2.1 Flächenanalyseverfahren ................................................................ 1075.2.1.2.2 Linienanalyseverfahren ................................................................... 1085.2.1.2.3 Punktanalyseverfahren ................................................................... 1095.2.1.2.4 Quantitative Bildanalyse ................................................................. 1105.2.2 Transmissionselektronenmikroskopische Darstellung des

Gefüges .................................................................................................... 1115.2.2.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 1115.2.2.2 Ergebnis ............................................................................................. 1135.2.3 Rasterelektronenmikroskopische Darstellung von Gefüge,

Oberfläche, Bruchfläche und lokalen Werkstofftrennungen ..... 1145.2.3.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 1145.2.3.2 Ergebnis ............................................................................................. 118

5.3 Zerstörungsfreie Darstellung von lokalen Werkstofftrennungen ................ 1185.3.1 Röntgenstrahlverfahren ...................................................................... 1195.3.1.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 1205.3.1.2 Ergebnis ............................................................................................. 1225.3.2 Ultraschallwellenverfahren ................................................................ 1265.3.2.1 Grundlagen ........................................................................................ 1265.3.2.2 Anordnung und Durchführung ...................................................... 1335.3.2.3 Ergebnis ............................................................................................. 1375.3.3 Wirbelstromverfahren ......................................................................... 1395.3.3.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 1395.3.3.2 Ergebnis ............................................................................................. 1405.3.4 Streuflussverfahren .............................................................................. 1415.3.4.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 1415.3.4.2 Ergebnis ............................................................................................. 1445.3.5 Thermographie ...................................................................................... 1455.3.5.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 1455.3.5.2 Ergebnis ............................................................................................. 1455.3.6 Penetrationsverfahren ......................................................................... 1465.3.6.1 Anordnung und Durchführung ...................................................... 1465.3.6.2 Ergebnis ............................................................................................. 147Weiterführende Literatur ........................................................................................ 148

6 Mechanische Eigenschaften rissfreier Proben bei steigender Beanspruchung ............................................................................. 1506.1 Zugversuch ................................................................................................................. 150

6.1.1 Anordnung .............................................................................................. 1516.1.2 Durchführung ........................................................................................ 1536.1.3 Ergebnis ................................................................................................... 1556.1.3.1 σ‑ε‑Kurve bei T ≤ 0,4 . Ts ................................................................. 1556.1.3.1.1 Bereich der elastischen Dehnung .................................................. 1566.1.3.1.2 Kontinuierlicher Übergang zur elastisch/plastischen

Dehnung............................................................................................. 157

Inhalt10

6.1.3.1.3 Diskontinuierlicher Übergang zur elastisch/plastischen Dehnung............................................................................................. 158

6.1.3.1.4 Bereich der elastisch/plastischen Dehnung ................................ 1606.1.3.2 σw‑εw‑Kurve bei T ≤ 0,4 . Ts ............................................................. 1626.1.3.2.1 Bereich der elastischen Dehnung .................................................. 1626.1.3.2.2 Gleichmaßdehnungsbereich ........................................................... 1636.1.3.2.3 Einschnürdehnungsbereich ............................................................ 1646.1.3.3 Entfestigung und Verfestigung bei T ≤ 0,4 . Ts im Wettbewerb 1656.1.3.3.1 ϕ < ϕg ................................................................................................. 1666.1.3.3.2 ϕ = ϕg ................................................................................................. 1676.1.3.3.3 ϕ > ϕg ................................................................................................. 1696.1.3.4 Temperatureinfluss auf die Fließkurve bei T ≤ 0,4 . Ts ............. 1696.1.3.4.1 Fließgrenze ........................................................................................ 1706.1.3.4.2 Fließspannung .................................................................................. 1726.1.3.5 Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit auf die Fließkurve

bei T ≤ 0,4 . Ts ................................................................................... 1736.1.3.5.1 Fließgrenze ........................................................................................ 1736.1.3.5.2 Fließspannung .................................................................................. 1746.1.3.6 Verformungsgeschwindigkeitseinfluss auf die Fließkurve bei

T > 0,4 . Ts ......................................................................................... 1796.1.3.7 Versuchsergebnis bei anisotropem Verformungsverhalten ...... 1886.1.4 Zerstörungsfreie Ermittlung des Elastizitätsmoduls ................... 191

6.2 Druckversuch ............................................................................................................ 1936.2.1 Anordnung .............................................................................................. 1936.2.2 Durchführung ........................................................................................ 1966.2.3 Ergebnis ................................................................................................... 1986.2.3.1 σ‑ε‑Kurve bei T ≤ 0,4 . Ts ................................................................. 1986.2.3.2 σw‑ε‑Kurve bei T ≤ 0,4 . Ts ............................................................... 2006.2.3.3 σw‑ε‑Kurve bei T > 0,4 . Ts ............................................................... 201

6.3 Torsionsversuch ........................................................................................................ 2016.3.1 Anordnung .............................................................................................. 2026.3.2 Durchführung ........................................................................................ 2036.3.3 Ergebnis ................................................................................................... 2036.3.3.1 τR‑γR‑Kurve bei T ≤ 0,4 . Ts .............................................................. 2046.3.3.2 τR‑γR‑Kurve bei T > 0,4 . Ts .............................................................. 207

6.4 Biegeversuch .............................................................................................................. 2106.4.1 Anordnung .............................................................................................. 2106.4.2 Durchführung ........................................................................................ 2116.4.3 Ergebnis ................................................................................................... 212

6.5 Härteprüfung ............................................................................................................. 2176.5.1 Ritzhärteprüfung ................................................................................... 2176.5.2 Quasistatisch ablaufende Eindringhärteprüfung nach Brinell . 2216.5.2.1 Anordnung......................................................................................... 2216.5.2.2 Durchführung ................................................................................... 2226.5.2.3 Ergebnis ............................................................................................. 2236.5.3 Quasistatisch ablaufende Eindringhärteprüfung nach Vickers 224

Inhalt 11

6.5.3.1 Anordnung......................................................................................... 2256.5.3.2 Durchführung ................................................................................... 2276.5.3.3 Ergebnis ............................................................................................. 2276.5.4 Quasistatisch ablaufende Eindringhärteprüfung nach Knoop .. 2296.5.4.1 Anordnung......................................................................................... 2296.5.4.2 Durchführung ................................................................................... 2306.5.4.3 Ergebnis ............................................................................................. 2306.5.5 Quasistatisch ablaufende Eindringhärteprüfung nach

Rockwell .................................................................................................. 2316.5.5.1 Anordnung......................................................................................... 2316.5.5.2 Durchführung ................................................................................... 2346.5.5.3 Ergebnis ............................................................................................. 2346.5.6 Vergleich von Härtewerten untereinander und mit der

Zugfestigkeit ........................................................................................... 2376.5.7 Instrumentierte Eindringhärteprüfung .......................................... 2386.5.7.1 Anordnung......................................................................................... 2386.5.7.2 Durchführung ................................................................................... 2406.5.7.3 Ergebnis ............................................................................................. 2416.5.7.3.1 Martenshärte ..................................................................................... 2416.5.7.3.2 Eindringhärte .................................................................................... 2426.5.7.3.3 Eindringmodul .................................................................................. 2436.5.7.3.4 Elastische Verformungsarbeit ........................................................ 2446.5.8 Dynamisch ablaufende Härteprüfverfahren .................................. 2456.5.8.1 Dynamisch ablaufende Eindringhärteprüfverfahren ................. 2456.5.8.1.1 Poldihammer ..................................................................................... 2466.5.8.1.2 Baumannhammer ............................................................................. 2466.5.8.1.3 UCI‑Verfahren ................................................................................... 2476.5.8.2 Dynamisch ablaufende Rücksprunghärteprüfverfahren ........... 2486.5.8.2.1 Rücksprunghärteprüfung nach Shore .......................................... 2486.5.8.2.2 Rücksprunghärteprüfung nach Leeb ............................................ 2496.5.9 Härteprüfung bei höheren Temperaturen ...................................... 249Weiterführende Literatur ........................................................................................ 252

7 Mechanische Eigenschaften rissfreier Proben bei statischer Beanspruchung ............................................................................. 2557.1 Versuchsanordnung ................................................................................................. 2567.2 Versuchsdurchführung ........................................................................................... 2587.3 Versuchsergebnis ..................................................................................................... 258

7.3.1 Kriechkurve ............................................................................................ 2587.3.2 Zeitdehnschaubild ................................................................................ 2637.3.3 Zeitstandschaubild ............................................................................... 264

7.4 Lebensdauerabschätzungen .................................................................................. 266Weiterführende Literatur ........................................................................................ 273

Inhalt12

8 Mechanische Eigenschaften rissfreier Proben bei dynamischer Beanspruchung ...................................................... 2748.1 Anordnung ................................................................................................................. 2748.2 Durchführung ............................................................................................................ 275

8.2.1 Spannungskontrollierte Durchführung .......................................... 2798.2.2 Dehnungskontrollierte Durchführung ............................................ 280

8.3 Ergebnis ...................................................................................................................... 2868.3.1 Ergebnis einer spannungskontrollierten Durchführung ............ 2868.3.2 Ergebnis einer dehnungskontrollierten Durchführung .............. 2888.3.3 Mathematische Beschreibung ........................................................... 2888.3.4 Statistische Auswertung der Versuchsergebnisse ....................... 2938.3.5 Einflüsse auf das Ergebnis ................................................................. 2978.3.5.1 Probenausführung ........................................................................... 2978.3.5.1.1 Zugfestigkeit ...................................................................................... 2978.3.5.1.2 Probenquerschnitt ............................................................................ 2988.3.5.1.3 Kerbwirksamkeit .............................................................................. 2988.3.5.1.4 Druckeigenspannungen .................................................................. 2998.3.5.2 Versuchsparameter .......................................................................... 2998.3.5.2.1 Mittelspannung................................................................................. 3008.3.5.2.2 Beanspruchungsform ...................................................................... 3018.3.5.2.3 Mehrstufige Beanspruchung .......................................................... 3028.3.5.2.4 Beanspruchungsfrequenz und Temperatur ................................. 304Weiterführende Literatur ........................................................................................ 308

9 Mechanische Eigen schaften angerissener Proben bei steigender Beanspruchung .......................................................... 3109.1 Grundlagen ................................................................................................................. 313

9.1.1 Theoretische Bruchspannung ............................................................ 3139.1.2 Mögliche Beanspruchungsfälle ......................................................... 3149.1.3 Bruchbegünstigende Wirkung von Rissen bei linear‑

elastischem Probenverhalten ............................................................. 3159.1.3.1 Erhöhung der Nennspannung ........................................................ 3159.1.3.2 Überhöhung der Zugspannung ...................................................... 3159.1.3.3 Mehrachsiger Spannungszustand ................................................. 3219.1.3.4 Mikroskopische Gesichtspunkte eines Spaltbruchs ................... 3239.1.4 Bruchbegünstigende Wirkung von Rissen bei quasi linear‑

elastischem Probenverhalten ............................................................. 3259.1.4.1 Elastisch/ideal‑plastisches Werkstoffverhalten ........................... 3259.1.4.2 Elastisch/real‑plastisches Werkstoffverhalten ............................ 3299.1.4.3 Mikroskopische Gesichtspunkte eines Gleitbruchs ................... 3339.1.5 Temperaturabhängigkeit des Bruchverhaltens ........................... 3359.1.5.1 Glatte Proben eines kubisch‑raumzentriert oder hexagonal

dicht gepackt vorliegenden Werkstoffs ......................................... 3359.1.5.1.1 Temperaturbereich I ........................................................................ 3369.1.5.1.2 Temperaturbereich II ....................................................................... 336

Inhalt 13

9.1.5.1.3 Temperaturbereich III ...................................................................... 3379.1.5.1.4 Temperaturbereich IV ...................................................................... 3389.1.5.1.5 Temperaturbereich V ....................................................................... 3389.1.5.2 Angerissene Proben eines kubisch‑raumzentriert oder

hexagonal dicht gepackt vorliegenden Werkstoffs ..................... 3389.1.5.2.1 Temperaturbereich I ........................................................................ 3389.1.5.2.2 Temperaturbereich II ....................................................................... 3409.1.5.2.3 Temperaturbereich III ...................................................................... 3409.1.5.2.4 Temperaturbereich IV ...................................................................... 3409.1.5.2.5 Temperaturbereich V ....................................................................... 3409.1.5.3 Proben eines kubisch‑flächenzentriert vorliegenden

Werkstoffs ......................................................................................... 3419.2 Kerbschlagbiegeversuch ......................................................................................... 341

9.2.1 Anordnung .............................................................................................. 3429.2.2 Durchführung ........................................................................................ 3439.2.3 Ergebnis ................................................................................................... 344

9.3 Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch ........................................................ 3469.3.1 Anordnung .............................................................................................. 3479.3.2 Durchführung ........................................................................................ 3489.3.3 Ergebnis ................................................................................................... 348

9.4 Bauteilsimulierende Versuche .............................................................................. 3509.4.1 Großzugversuche .................................................................................. 3509.4.1.1 Anordnung......................................................................................... 3509.4.1.2 Durchführung ................................................................................... 3519.4.1.3 Ergebnis ............................................................................................. 3519.4.2 Fallgewichtsversuch ............................................................................. 3519.4.2.1 Anordnung......................................................................................... 3529.4.2.2 Durchführung ................................................................................... 3529.4.2.3 Ergebnis ............................................................................................. 3539.4.3 Rissauffangversuch .............................................................................. 3539.4.3.1 Anordnung......................................................................................... 3549.4.3.2 Durchführung ................................................................................... 3549.4.3.3 Ergebnis ............................................................................................. 3549.4.4 Bauteilversuch ....................................................................................... 3559.4.5 Bruchmechanische Versuche bei quasi linear‑elastischem

Probenverhalten .................................................................................... 3559.4.5.1 Anordnung......................................................................................... 3569.4.5.2 Durchführung ................................................................................... 3599.4.5.3 Ergebnis ............................................................................................. 3619.4.6 Bruchmechanische Versuche bei elastoplastischem

Probenverhalten .................................................................................... 3649.4.6.1 Rissspitzenaufweitung (CTOD‑Verfahren) .................................. 3659.4.6.1.1 Anordnung......................................................................................... 3659.4.6.1.2 Durchführung ................................................................................... 3659.4.6.1.3 Ergebnis ............................................................................................. 3669.4.6.2 J‑Integral ............................................................................................ 3739.4.6.2.1 Anordnung......................................................................................... 373

Inhalt14

9.4.6.2.2 Durchführung ................................................................................... 3759.4.6.2.3 Ergebnis ............................................................................................. 3769.4.6.3 Temperaturabhängigkeit der Risszähigkeit, der

Rissspitzenaufweitung und des J‑Integrals bei Werkstoffen mit einen Spröde/Zäh‑Übergangsverhalten ................................ 382

9.4.7 Abschätzung des stabilen Risswachstums bei wechselnd belasteten Proben .................................................................................. 383

9.4.7.1 Anordnung......................................................................................... 3849.4.7.2 Durchführung ................................................................................... 3869.4.7.3 Ergebnis ............................................................................................. 386Weiterführende Literatur ........................................................................................ 390

Index ........................................................................................................ 392

2.3 Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient 31

änderung bleibt die Temperatur der Probe über die Umwandlungszeit hinweg konstant, zeigt sich also eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen Probe und Vergleichsprobe, die mit der Zeit immer größer wird. Da während dieser Zeit die Temperatur der Referenzprobe weiter der des Ofens folgt, nimmt die Temperaturdifferenz ΔT linear zu. Ist die Umwand-lung abgeschlossen, so nähert sich die Probentemperatur entsprechend einer Exponential-funktion der der Referenzprobe, geht die Temperaturdifferenz also exponentiell auf null zurück.

2.2.3 Ergebnis

Die Umwandlungswärme ist der Fläche unter der ΔT-TV-Kurve proportional und kann nach einer Kalibrierung des Gerätes mit einer Substanz bekannter Umwandlungswärme quan-tifiziert werden.

2.3 Linearer WärmeausdehnungskoeffizientDie Grundlagen zur Ermittlung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten sind in der DIN 51045‑1 dargestellt. Bei einer Temperatur T0 habe ein Körper die Länge l0.

T

Vergleichsprobeohne

Zustandsänderung

Probemit endothermer

ZustandsänderungTP

tt

TV-TP

tt1

TV-TPTV1 2

1TV

Flächeproportional zur

Umwandlungswärme

1: Beginn der Zustandsänderung2: Ende der Zustandsänderung

TV

2

2

Bild 2.9: Wärmestrom‑Differenz‑Kalorimetrie einer bei Erwärmung endotherm reagierenden Probe

2 Bindungsbasierende nichtmechanische Eigenschaften32

Der innerhalb des Temperaturintervalls ΔT in erster Näherung gültige lineare Wärmeaus-dehnungskoeffizient α (α ist in Realität parabolisch von T abhängig) ergibt sich aus der Längen änderung Δl, die sich bei der Temperaturänderung ΔT einstellt, zu

α 1l

l

0 TΔΔ (2.11)

Wegen der parabolischen Abhängigkeit der Längenänderung Δl von der Temperaturände-rung ΔT ist die Genauigkeit des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten umso höher, je kleiner die Temperaturdifferenz ΔT ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist dann aber auch nur für den untersuchten Temperaturbereich gültig.

2.3.1 Anordnung und Durchführung

Die Ermittlung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten gelingt mit einem Dilato‑meter (Bild 2.10). Dabei wird die thermisch induzierte Längenänderung einer prismati-schen Probe erfasst. Um die Messung nicht durch die Oxidation der Probe zu verfälschen, ist die Probe in einem evakuierbaren Behälter platziert. Ein Keramikstempel, der durch eine vakuumdichte Durchführung hindurchführt und möglichst reibungsfrei gelagert ist,

∆l ∆l

TT

TunnelofenVakuumdichtes SchutzrohrProbe

Induktiver Wegaufnehmera)

TunnelofenStempelThermoelement

b)

Bild 2.10: Darstellung eines Dilatometers a) schematisch b) Apparatur (Foto: NETZSCH)

2.4 Wärmeleitfähigkeit 33

reicht in den Ofen hinein und berührt das Ende der Probe. Der Stempel, der vor Beginn der Messung hinsichtlich seines eigenen Wärmeausdehnungsverhaltens vermessen wur-de, überträgt den Längenzuwachs, der durch Erwärmung der Probe bei dieser zustande kommt, auf einen induktiven Wegaufnehmer. Der Längenzuwachs wird in Abhängigkeit von der Ofentemperatur erfasst.

2.3.2 Ergebnis

Bild 2.11 zeigt schematisch eine l-T-Auftragung, wie sie sich real ergibt. Der lineare Wär-meausdehnungskoeffizient α, der sich für den Temperaturbereich ΔT ergibt, resultiert aus der Steigung der zugehörigen Sekante nach (2.11).

l + l

vereinfacht

real

l0

T0 T0+∆TTemperatur T

Läng

e l

0 ∆

Bild 2.11:Reale und in erster Näherung geltende Beziehung zwischen Probenlänge l und Tempe‑ratur T

2.4 WärmeleitfähigkeitWeist eine prismatische Probe über die Strecke d eine zeitlich konstante Temperaturdiffe-renz ΔT (= T2 – T1) auf, so fließt durch die Querschnittsfläche A die Wärmemenge Q von der Region höherer zu der niedrigerer Temperatur. Diese Wärmemenge berechnet sich mit der Wärmeleitfähigkeit λ des wärmeleitenden Werkstoffs zu

Q AT T

d

λ 2 1 (2.12)

6 Mechanische Eigenschaften rissfreier Proben bei steigender Beanspruchung210

6.4 BiegeversuchDer Biegeversuch wird nach DIN EN ISO 7438 als Dreipunktbiegeversuch durchgeführt und ist im Wesentlichen für harte und spröde Werkstoffe gedacht, da er bei weichen oder zähen Werkstoffen nicht zum Bruch führt. Er ermöglicht mit einfachen Mitteln die Ermitt‑lung von Festigkeitskennwerten.

6.4.1 Anordnung

Die prinzipielle Anordnung ist Bild 6.58 zu entnehmen.

Es werden prismatische Proben der Breite b und der Dicke a sowie zylindrische Proben mit dem Durchmesser a geprüft (Bild 6.59). Die Probenbreite b prismatischer Proben ist gleich der Erzeugnisbreite, wenn diese nicht mehr als 20 mm beträgt. Ist die Erzeugnis‑breite größer als 20 mm, so soll die Probenbreite bei 20 mm liegen, wenn die Erzeugnisdi‑

FlachbiegeprobeRundbiegeprobe

Rollenaufleger

Aufspannplatte

Krafteinleitung

Kraftmesssystem

Biegestempel

Bild 6.58:Prinzipielle Anordnung beim Dreipunktbiegeversuch

DD

a a

b

l/2l* a

l

Bild 6.59:Biegeprobe

6.4 Biegeversuch 211

cke kleiner als 3 mm ist. Ist die Erzeugnisdicke größer als 3 mm, so soll die Probenbreite bei 20 mm bis 50 mm liegen. Die Probendicke a prismatischer Proben ist gleich der Er‑zeugnisdicke, wenn diese nicht mehr als 25 mm beträgt. Ist die Erzeugnisdicke größer als 25 mm, so soll sie auf 25 mm abgearbeitet werden und die unbearbeitete Probenfläche im Biegeversuch auf der zugbeanspruchten Seite liegen. Der Probendurchmesser a zylindri‑scher Proben ist gleich dem Erzeugnisdurchmesser, wenn dieser maximal 30 mm beträgt. Ist der Erzeugnisdurchmesser größer als 30 mm, so soll er auf 25 mm abgearbeitet werden.

Die Probe wird, wie in Bild 6.59 und Bild 6.60 dargestellt ist, so auf zwei zueinander par‑allel ausgerichtete und eine ausreichende Härte aufweisende Rollenauflager gelegt, dass die Probenlängsachse und die Rollenlängsachse einen rechten Winkel bilden. In der Mitte zwischen den beiden Rollenauflagern ist ein eine ebenfalls ausreichende Härte aufweisen‑der Biegestempel mit dem Durchmesser D angeordnet, der senkrecht zur Probenlängs‑achse verfahren werden kann und dadurch die Kraft F senkrecht zur Probenlängsachse in diese einleitet. Die Längsachse des Biegestempels ist parallel zur Längsachse der Rol‑lenauflager ausgerichtet. Der Abstand l der Rollenauflager soll l = D + 3 . a betragen. Die im Laufe des Versuchs zustande kommende Durchbiegung f der Probe wird mit einem Messtaster erfasst (Bild 6.60).

Durchbiegung f

Abtastungder Durchbiegung

6.4.2 Durchführung

Eine Probe aus dem zu prüfenden Material wird in der Prüfmaschine einer langsam und stetig steigenden Beanspruchung in Gestalt einer konstanten Laststeigerungsgeschwin‑digkeit (kraftgesteuerte Versuchsführung) oder einer konstanten Dehngeschwindigkeit (weggesteuerte Versuchsführung) unterworfen. Aufgezeichnet wird die wirkende Kraft F in Abhängigkeit von der durch sie hervorgerufenen Durchbiegung f.

Bild 6.60:Abtastung der Durchbiegung der Biegeprobe (Foto: ZWICK)

6 Mechanische Eigenschaften rissfreier Proben bei steigender Beanspruchung212

6.4.3 Ergebnis

Die Kennwerte des Biegeversuchs tragen als ersten Index alle ein „b“. Der Querkraftverlauf und Biegemomentenverlauf über die Biegestablänge kann mithilfe des Schnittprinzips er‑mittelt werden. Dazu werden die an der gedachten Schnittstelle vom gedanklich entfernten Stabteil übertragenen Querkräfte und Biegemomente durch eine Querkraft und ein Biege‑moment so ersetzt, dass das Kräftegleichgewicht und Momentengleichgewicht erhalten bleibt. In Bild 6.61 ist der nach diesem Prinzip ermittelte Querkraftverlauf und Biegemo‑mentenverlauf über die Probenlänge für den Fall der Dreipunktbiegung dargestellt.

F

F/2 F/2F/2 F/2

raft

F

x

Que

rk x

Mb

mom

ent

x

Bie

gem

Mb max

Infolge des zwischen den Rollenauflagern in jedem Probenquerschnitt wirkenden Biege‑momentes kommt es zu einer inhomogenen Spannungsverteilung und Dehnungsvertei‑lung über den Probenquerschnitt: Bestimmte Querschnittsbereiche des Biegestabs wer‑den infolge des wirkenden Biegemomentes auf Zug, andere auf Druck beansprucht. Die derart belasteten Querschnittsbereiche werden durch eine Probenschicht getrennt, in der weder Zugspannungen noch Druckspannungen auftreten. Sie wird als neutrale Faser bezeichnet. Sind die Fließkurven des Werkstoffs bei Zugbeanspruchung und Druckbean‑spruchung symmetrisch, so sind auch die Spannungsverteilung und Dehnungsverteilung über den Querschnitt einer Biegeprobe bezüglich der neutralen Faser symmetrisch. Bild 6.62 zeigt die Situation bei einer über den gesamten Querschnitt elastischen Verformung.

Maximal ist das Biegemoment Mb infolge des dort angreifenden Biegestempels in der Mitte des Biegebalkens. Es berechnet sich zu

MF l

b,max*

4 (6.124)

Mit diesem maximalen Biegemoment und dem Flächenträgheitsmoment I (I = (b . a3)/12 für Rechteckquerschnitte und I = (π . d4)/64 für Kreisquerschnitte) berechnet sich die Nor‑malspannung σb(z), die in der Wirkebene des belastenden Biegestempels im Abstand z von

Bild 6.61: Querkraftverlauf und Biegemo-mentenverlauf über die Probenlänge bei einem Dreipunktbiegeversuch

6.4 Biegeversuch 213

der neutralen Faser im Falle einer über den gesamten Probenquerschnitt rein elastischen Verformung wirkt, zu

σbb,max( )z

Mz

F lz

Ι Ι*

4 (6.125)

Die Dehnung εb(z) im Abstand z von der neutralen Faser lässt sich unter Verwendung des Hookeschen Gesetzes (σb = E . εb) mit dem Elastizitätsmodul E berechnen zu

εσ

bb b,max( )( ) *

zz

E EM

zE

F lz

1 1

4Ι Ι (6.126)

Die maximale Durchbiegung f steht über den Elastizitätsmodul E mit der Stützweite l* und dem Flächenträgheitsmoment I wie folgt in Verbindung:

fE

F lΙ

l

14 12

2* ( *) (6.127)

Anhand dieser Beziehung lässt sich der Elastizitätsmodul E, basierend auf den gemesse‑nen Werten für die Kraft F und der zugehörigen maximalen Durchbiegung f, berechnen, denn eine Umformung liefert

EF l

f I

( *)3

48 (6.128)

Diesen Weg zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls beschreitet man gerne bei der Un‑tersuchung harter und spröder Werkstoffe, die im Zugversuch kaum versagensfrei einge‑spannt werden können. Wird (6.127) umgeformt zu

12 142

fl E

F lΙ( *)*

(6.129)

z

Neutrale

σbRεbR

z

M M

Faser

σ, εa

xMb Mb- σ, - ε σb(z)

εb(z)

ya

σbR εbR

- zb( )

b

Bild 6.62: Spannungsverteilung und Dehnungsverteilung im Querschnitt eines elastisch be-anspruchten Biegebalkens bei symmetrischen Fließkurven des Werkstoffs im Zugversuch und Druckversuch

6 Mechanische Eigenschaften rissfreier Proben bei steigender Beanspruchung214

und wird (6.129) in (6.126) eingesetzt, so ergibt sich

εb( )( *)

zf

lz 12

2 (6.130)

Die Gleichungen (6.125) und (6.130) zeigen, dass σb(z) und εb(z), wie zuvor der Elastizi‑tätsmodul, unmittelbar aus den gemessenen Werten für die Kraft F und der zugehörigen maximalen Durchbiegung f berechnet werden können. Daneben bilden die genannten Gleichungen die Basis für die in Bild 6.62 kennengelernten linearen z‑Abhängigkeiten von σb(z) und εb(z). In den Randfasern der Probe, bei z = ± a/2 also, treten die größten Spannungen und Dehnungen auf. Die Biegerandspannung σbR und die Biegeranddehnung εbR lassen sich berechnen zu

σbR

F lΙ

a*4 2

(6.131)

εbR

14 2E

F lΙ

a* (6.132)

Wird die Kraft F und damit das Biegemoment Mb,max so weit gesteigert, dass die Biegerand‑spannung σbR die Biegefließgrenze σbF überschreitet, so liegt bis in eine Tiefe, bis zu der dies gleichfalls der Fall ist, ein elastisch/plastischer Verformungszustand vor (Bild 6.63). Dadurch setzt sich bis in eben diese Tiefe die Dehnung εb aus einem elastischen und einem plastischen Teil zusammen. Die lineare Abhängigkeit für εb von der Höhe der Biegeprobe bleibt dabei erhalten. Für die Normalspannung gilt dies aber nicht mehr. Sie stellt sich entsprechend dem Wechselspiel aus metallphysikalischer Verfestigung und geometrischer sowie metallphysikalischer Entfestigung in der Probe ein.

z

z

M Mσ, εa

x

Pl tifi i t Z

Mb Mb- σ, - εσb(z) εb(z)

ya

Plastifizierte Zone - zb

Bild 6.63: Spannungsverteilung und Dehnungsverteilung im Querschnitt eines elastisch/plastisch beanspruchten Biegebalkens

Um aber auch weiterhin mit der vergleichsweise einfachen Beziehung (6.131) rechnen zu können, nimmt man eine auch jetzt noch über den gesamten Querschnitt lineare Normal‑spannungsverteilung an, die am Rand der Biegeprobe zu der anhand von (6.131) berech‑neten fiktiven Biegerandspannung σbR´ führt. Bild 6.64 zeigt im Vergleich die tatsächlich wirksame Normalspannung und die fiktive Spannungsverteilung: Die wahre Spannung ist im Bereich der elastisch/plastischen Verformung zunächst kleiner als die fiktive Span‑nung. Weiter innen liegt die wahre Spannung höher.

9.2 Kerbschlagbiegeversuch 341

9.1.5.3 Proben eines kubisch-flächenzentriert vorliegenden Werkstoffs Kubisch‑flächenzentriert vorliegende polykristalline Werkstoffe weisen eine hohe Zahl von Gleitsystemen auf (Erfüllung der von Mises‑Bedingung für Plastifizierung von Polykristal‑len [mindestens 5 Gleitsysteme]), bei denen die Gleitebenen und Gleitrichtungen dichtest gepackt sind. Eine Aktivierung der plastischen Verformbarkeit in Gestalt der Fließgrenze σF durch thermische Aktivierung zeigt daher hier nur noch wenig Wirkung: Die Fließgren‑ze σF, Zugfestigkeit Rm und Bruchspannung σKRIT sind nur wenig temperaturabhängig und liegen über den ganzen technisch genutzten Temperaturbereich unterhalb der mikrosko‑pischen Spaltbruchspannung σKRIT* (Bild 9.33). Bei niedrigfesten kubisch‑flächenzentriert vorliegenden Werkstoffen kommt es daher bei diesen Temperaturen bei glatten wie ange‑rissenen Proben zu einem Zähbruch, d. h. zu einer deutlichen Bruchdehnung.

annu

ng σ σKRIT*

σKRIT

Spa

KRIT

Rm

Plastifizierungerster Kristalle

σFGB: GleitbruchZB: Zähbruch erster Kristalle

mikroskopisch

makroskopisch

GB

ZB

ZB: Zähbruch

Temperatur TGleitbruch nach Einschnürdehnung(Zähbruch)

hnür

ung

Zru

chei

nsch

Br

Temperatur T

Bild 9.33: Temperaturabhängigkeit der Fließgrenze σF, Zugfestigkeit Rm, Bruchspannung σKRIT und mikroskopischen Spaltbruchspannung σKRIT* sowie der Brucheinschnürung Z einer glatten Zugprobe aus einem kubisch‑flächenzentriert vorliegenden Werkstoff

9.2 KerbschlagbiegeversuchDer Kerbschlagbiegeversuch ist wegen seiner kostengünstigen Probenfertigung und der einfachen Versuchsdurchführung das am häufigsten angewendete Verfahren zur Ermitt‑lung der Werkstoffzähigkeit und somit zur qualitativen Beurteilung der Bauteilsicherheit beim Vorliegen eines sprödbruchbegünstigenden Spannungszustandes sowie einer spröd‑

9 Mechanische Eigen schaften angerissener Proben bei steigender Beanspruchung342

bruchbegünstigenden Verformungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur. Von Nachteil ist, dass die ermittelten Kennwerte geometrieabhängig sind und nur qua‑litativ auf Bauteile desselben Werkstoffs übertragen werden können, einen Vergleich ver‑schiedener Werkstoffe untereinander aber zulassen. Zu beachten ist, dass das Einbringen eines Kerbs der nachfolgend vorgestellten Schärfe keinen Rückschluss auf die Belastbar‑keitsuntergrenze einer Probe zulässt, die angerissen ist.

9.2.1 Anordnung

Zur Verschärfung des Spannungszustandes macht man Versuche mit gekerbten Proben. Der in der DIN EN ISO 148‑1 sowie der DIN 50115 beschriebene Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy verwendet die in Bild 9.34 dargestellte Probenform, die mit einem Rundkerb oder mit einem Spitzkerb versehen ist.

Charpy-U-Probe

R1 ± 0,07 10

27,5 10

105

Charpy V Probe

55

10

Charpy-V-Probe

R0,25 ± 0,025

45°10

2

27,5 45

55

Bild 9.34: Probengeometrien nach Charpy

Die Normprobe ist 55 mm lang und hat einen quadratischen Querschnitt von 10 mm Kantenlänge. Bei Blechdicken unter 10 mm sind auch Untermaße möglich. Die Kerbe wird in der Mitte der Probe senkrecht zur Probenlängsachse spanabhebend eingear‑beitet. Bei Blechdicken unter 10 mm darf auch die Kerbtiefe Untermaße aufweisen. Die Probengeometrie wird für eine Versuchsreihe konstant gehalten. Variiert wird dage‑gen von Versuch zu Versuch die Probentemperatur, wobei bei jeder Temperatur meh‑rere Proben geprüft werden sollten. Bei von Raumtemperatur abweichenden Prüftem‑peraturen wird die Probe so lange in einem Medium entsprechender Zieltemperatur gelagert, bis die angestrebte Temperatur über den gesamten Probenquerschnitt erreicht ist. Zum Aufbringen einer hohen Verformungsgeschwindigkeit verwendet man einen Pendel‑hammer, dessen Arbeitsvermögen unter Normbedingungen bei 300 J (es sind aber auch Maschinen mit einem davon abweichenden Arbeitsvermögen zulässig) und dessen Auf‑treffgeschwindigkeit auf die Probe bei 5,0 m/s bis 5,5 m/s liegt (Bild 9.35).

9.2 Kerbschlagbiegeversuch 343

Personenschutzeinrichtung

Skala zur Anzeigeder Kerbschlagarbeit

Schleppzeiger

h1

Hammerscheibeh2

Finne

AuflagerWiderlager

Bild 9.35: Anordnung beim Kerbschlagbiegeversuch

9.2.2 Durchführung

Zur Prüfung wird die Probe, wie in Bild 9.36 dargestellt, so auf zwei Auflagern gegen zwei Widerlager gelegt, die beide einen lichten Abstand von 40 mm aufweisen, dass die Kerbe zur Widerlagerseite weist. Dadurch liegt sie beim nachfolgenden Biegeschlag auf der Zug‑seite der Kerbschlagbiegeprobe.

Widerlager

Probe

FinneWiderlager

40

Wid l

Kerb

Schlagrichtungdes Hammers

Schlag-richtung

Probe

Widerlager

des Hammers

Auflager

richtung

Bild 9.36: Zur Durchführung des Kerbschlagbiegeversuchs

9 Mechanische Eigen schaften angerissener Proben bei steigender Beanspruchung344

Zum Versuch fällt der Pendelhammer von der Ausgangshöhe h1 (Bild 9.35), eine Kreis‑bahn beschreibend, herab und trifft auf die im tiefsten Punkt seiner Kreisbahn angeord‑nete Probe so, dass die Hammerfinne in Kerbebene auf der der Kerbe gegenüberliegenden Seite der Probe auftrifft. Dadurch wird die Probe verformt und in der Regel auch zerbro‑chen. Nach dem Verformen und Zerbrechen der Probe steigt der Pendelhammer auf die von einem Schleppzeiger festgehaltene Höhe h2. Die Differenz zwischen Höhe h1 und Höhe h2 ist ein Maß für die verbrauchte Arbeit, die als Kerbschlagarbeit K bezeichnet wird. Sie berechnet sich mit der Höhe h1 und der Höhe h2 sowie der Masse mP des Pen‑delhammers zu

K m g h hP ( )1 2 (9.34)

und wird vom Schleppzeiger auf einer Skala angezeigt. Sie setzt sich zusammen aus der zur elastischen und plastischen Verformung, zum Risswachstum sowie zur Beschleuni‑gung der Bruchstücke erforderlichen Arbeit. Wird eine Probe im Kerbschlagbiegeversuch nur verformt, nicht aber gebrochen, so kann die zum Bruch aufzuwendende Schlagarbeit nicht ermittelt werden. Die Angabe der Kerbschlagarbeit K [J] (im nachfolgenden Beispiel 129 J) erfolgt unter Vermerk der verwendeten Kerbgeometrie (U für den normentspre‑chenden U‑Kerb und V für den normentsprechenden V‑Kerb) und, wenn sie von der Norm abweicht, des Arbeitsvermögens (im nachfolgenden Beispiel 100 J) des Pendelhammer, so zum Beispiel KU 100 = 129 J.

9.2.3 Ergebnis

Bei den Werkstoffen, die in einem werkstoffspezifischen Temperaturbereich einen Über‑gang vom zähen zum spröden Bruchverhalten aufweisen, ergibt sich in Abhängigkeit von der Temperatur ein S‑förmiger Verlauf der Kerbschlagarbeit‑Temperatur‑Kurve (Bild 9.37). Dabei zeigt sich besonders im Übergangsbereich eine starke Streuung der Werte, verursacht durch ortsabhängige Unterschiede im Gefüge. Durch die Messpunkte wird eine Ausgleichskurve gelegt.

Neben der Ermittlung der für den Probenbruch aufzuwendenden Kerbschlagarbeit erfolgt eine makroskopische Bewertung des Erscheinungsbildes der Bruchfläche, so zum Beispiel die Ermittlung des prozentualen Gleitbruchanteils an der Gesamtbruchfläche nach Bruch‑bild‑Richtreihen entsprechend der ASTM A 370‑10 (Bild 9.38). In der Tieflage erfolgt der Bruch als reiner Spaltbruch ohne (sehr tiefe Temperatur) oder nach nur geringer plastischer Verformung (tiefe Temperatur). Im Übergangsbereich (vergleichbar mit Tem‑peraturbereich IV in Bild 9.31) bildet sich an der Spitze der plastisch verformten Zone daumennagelförmig ein Gleitbruch aus, der nach einer gewissen Phase des Wachstums in einen spaltbrüchigen Restbruch übergeht (Mischbruch). Mit steigender Temperatur ver‑größern sich die plastisch verformte Zone sowie der Gleitbruchanteil und verringert sich die Fläche des spaltbrüchigen Restbruchs. In der Hochlage schließlich erfolgt der Bruch nach plastischer Verformung vollständig durch Gleitbruch.

Neben der Ermittlung der für den Probenbruch aufzuwendenden Kerbschlagarbeit erfolgt eine Bewertung des plastischen Verformungsgrades in Form der seitlichen Breitung (Bild 9.39).

9.2 Kerbschlagbiegeversuch 345

KV HochlageTieflage Üb bi t

laga

rbei

t K

KVmax

HochlageTieflage Übergangsgebiet

Kerb

schl

Streubereich der Ergebnisse

AusgleichskurveKVmax/2

Ausgleichskurve

KV = 27 J

T TT Temperatur TTü, 0,5Tü, 27 J

Bild 9.37: S‑förmiger Verlauf der Kerbschlagarbeit in Abhängigkeit von der Temperatur bei kubisch‑raumzentriert und hexagonal dicht gepackt vorliegenden Werkstoffen

Übergangsbereich HochlageTieflage

Spalt-Scherlippen Gl it

Kerb

bruch Scherlippen mit

GleitbruchGleit-bruch

Daumennagel-förmiger

Gleitbruch nachl ti h

Spaltbruch nachgeringer

plastischerV f

Spaltbruch

plastischerVerformung

Verformung

Kerb

Bild 9.38: Bruchmorphologie in Abhängigkeit von der Prüftemperatur

Index

Symbole0,2 %‑Dehngrenze 154, 1583‑Punkt‑Biegeprobe 356, 365, 373, 375

AAbbildungstreue 96Abkühlgeschwindigkeit 22Abrastern 118Absorption 129AES 78, 79Akkommodationsprozesse 268Aktivierungsenergie 171, 173Alterung 160Analysatorkristall 87Analyse, thermische 22Anisotrop 60, 110Anisotropie, ebene 189Anisotropie, senkrechte 188Ankopplungsmedium 133Anode 43Anregung 78Anrisskennlinie 286, 288Anrissschwingspielzahl 279, 283Anzeigekontrast 147Apertur 102Archimedes 73ASTM A 370‑10 344ASTM E 399‑08 356, 358, 359, 364ASTM E 647‑08 384, 386ASTM E 1820‑09 373, 375, 377Atomemissionsspektroskopie 78Ätzen 96Auflichtmikroskop 91, 96, 101Auflösung 84, 85, 116, 117Auftriebsprinzip 73Aufwärmgeschwindigkeit 22Auslöschung 53

BBaumannhammer 246Bauteiloberfläche 92Belastungs‑Entlastungs‑Hysterese 158Belichtungszeit 121

Berkovichpyramide 238Beschleunigungsspannung 43, 45Beugungsbildmodus 62Beugungsgitter 80Beugungskegel 66Beugungsreflex 52, 55Biegedehngrenze 216Biegefestigkeit 216Biegefließgrenze 214, 216Biegekraft 348Biegemoment 212Biegemomentenverlauf 212Biegeproben 350Biegerandspannungs‑Biegeranddehnungs‑Kurve 216Bildauswertung 147Bildgütezahl 122Blausprödigkeit 306Blunting line 377Bollmannverfahren 62Braggsche Reflexionsbedingung 51, 55, 56, 66, 69, 70,

80, 82, 87, 111, 113Brechungsgesetz 130Brinell 221Bruch 161, 217, 259, 274, 283, 310, 313Bruchanalyse‑Diagramm 351Bruchausbauchung 200Bruchbahnen 284Bruchdehnung 151, 162, 338, 340, 341Brucheinschnürung 162Bruchfläche 89, 90, 114, 207, 336Bruchkennlinie 286, 288Bruchschwingspielzahl 279, 283, 287, 288, 290, 291Bruchspannungen, theoretische 313Bruchstauchung 199Bruchverlaufslinien 284Bruchwahrscheinlichkeit 293Bruchzähigkeit 320Bruchzeit 259

CChemische Zusammensetzung 77Clip‑gauge 359, 365, 375Comptoneffekt 123, 124Considère‑Kriterium 168Cottrellwolken 160Crack‑Arrest‑Temperature‑Kurve 353

Index 393

Crack tip opening displacement 364

Dda/dN‑ΔK‑Abhängigkeit 387Daueranriss 284Dauerbruch 287Dauerfestigkeit 287, 302, 383Dauerfestigkeitsschaubild 300, 301Dauerschwinganriss 284Dauerschwingbruch 274Dauerschwingversuch 274Debye‑Scherrer‑Kreis 70Dehngrenze 207, 334Dehnung, elastische 156Dehnung, plastische 157, 160Dehnung, scheinbare 156, 259Dehnungszustand, ebener 314, 328, 329, 367, 377Dehnung, wahre 162Diamantpyramide 229Dichte 15, 18, 73, 128, 129, 193Dichte, theoretische 73Differenz‑Thermoanalyse 26Diffraktometer 57Diffusionskriechen 268Dilatometer 32DIN 50100 274DIN 50106 193DIN 50113 274DIN 50115 342DIN 50125 151DIN 50142 274DIN 50156‑1 249DIN 51005 22DIN 51045‑1 31DIN 54190 145DIN EN 462 120DIN EN 571 146DIN EN 583 133DIN EN 1330 119DIN EN 1669 189DIN EN 10274 352DIN EN 10291 256DIN EN 12084 139DIN EN ISO 148‑1 342DIN EN ISO 4545‑1 229DIN EN ISO 4545‑4 229DIN EN ISO 6506‑1 221DIN EN ISO 6506‑4 221DIN EN ISO 6507‑1 224DIN EN ISO 6507‑4 224DIN EN ISO 6508‑1 231DIN EN ISO 6892‑1 150, 153DIN EN ISO 6892‑2 150, 153, 154DIN EN ISO 7438 210DIN EN ISO 9934 141DIN EN ISO 12737 365, 391DIN EN ISO 14556 347

DIN EN ISO 14577‑1 238DIN EN ISO 18265 237, 254DIN ISO 10113 188Doppelstrahldünnen 62Drehkristallverfahren 57Dreipunktbiegeversuch 210Druckbeanspruchung 193Druckfestigkeit 200Druckprobe 196Druckschwellbeanspruchung 274Druckspannung, scheinbare 198Druckspannung, wahre 200Dunkelfeld 104, 111, 113Dünnen 61Durchbiegung 211, 375Durchläufer 295Durchleuchtungsverfahren 122Durchplastifizierung 340Durchschallungsverfahren 133

EEDX 84Effekt, direkter piezoelektrischer 127Effekt, inverser piezoelektrischer 127Einbetten 93Eindringhärteprüfung, instrumentierte 156, 238Eindringhärteprüfverfahren 218Eindringmodul, elastischer 244Eindringtiefe 241Eindringtiefe, bleibende 234Einkristall 55, 57Einprobenmethode 370, 379Einschallwinkel 131, 135Einschlüsse 333Einschlüsse, nichtmetallische 95Einschnürdehnung 161Elastizitätsmodul 17, 18, 128, 129, 154, 156, 191, 193,

213, 244, 320, 325Elektronenkollektor 118Elektronenloch 45, 77Elektronenmikroskop 90Elektronenpaarbildungseffekt 124Elektronenstrahlmikroanalyse 78Elektronenstrahlung 61, 65Elektronenstrahlung, Monochromatische 43Elektronen, transmittierte 44Elektrostriktion 127Elementarzelle 36element mapping 86Energiebänder 47, 78Energie, elastische 319Energiefreisetzungsrate, kritische 321, 356Energieniveaus, diskrete 77Entfestigung 201, 255, 259Entfestigung, geometrische 165, 166, 255Ermüdung, thermische 280ESMA 78, 81

Index394

Eulerwiege 58Ewaldkugel 55, 57, 58, 64Extrusionen 283

FFallgewichtsversuch 352Farbätzen 98Faser, neutrale 212Fehlerecho 134Fehlernachweis 143Feinstrukturanalyse 36, 38, 57, 60, 69Festigkeitsschaubilder 272Flachbiegeschwellbeanspruchung 274Flachbiegewechselbeanspruchung 274Flächenanalyse 86Flachschliff 92Flachzugprobe 151, 257Fließgrenze 157, 179, 311, 326, 386Fließkurve 162, 173Fließspannung 162, 166Förderliche Vergrößerung 104, 111Formänderung 162, 165, 259Formänderungsfestigkeit 162Formänderungsgeschwindigkeit 165, 182, 187Formänderungsgeschwindigkeitsabhängigkeit 173Formänderungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit 175, 180Fotoeffekt 123, 124Funkenentladung 79

GGasblasen 89, 95Gefüge 89, 90, 96General yield 331Gesamtdehnungsamplitude 278Gesamtdehnungsamplitude, wahre 291Gesamtdehnungsmaxima 280Gestaltänderungsenergiedichte‑Hypothese 207Gewaltbruch 388Gitterparameter 36, 68Gitter, reziproke 55Gitterstruktur 68Glanzwinkel 51, 56, 60, 63Gleichgewichtstemperatur 28, 76Gleichgewichtszustand 22Gleichgewichtszustandsdiagramm 22, 29Gleichmaßdehnung 160, 179, 337Gleitbruch 333, 338, 340, 344, 363, 364Gleitebene 171Gleitrichtung 171Glühkathode 43Grenzschwingspielzahl 287Grenztemperatur 351Grenzwöhlerkurve 295Großzugproben 350Grundzustand 77, 78

HHaltepunkt 24Haltezeit 24Härtekorrelationen 237Hartmetallkugel 221, 231Hauptenergieniveaus 47Hauptnormalspannung 203, 316HCF 280Hellfeld 104, 111, 113Hilfsdurchflutung 143Hochlage 344, 346Hochtemperatur‑Plastizität 273Hochtrainieren 304Hohlräume 259Hookesches Gesetz 156Hück 295

IImmersionsflüssigkeit 103Impuls‑Echo‑Verfahren 134Impuls‑Laufzeit‑Verfahren 134, 191Impulsthermographie 145Initialrissspitzenaufweitung 372Interferenzverfahren 105Intrusionen 283Ionisierungsenergie 47Isotrop 60

JJ‑Integral 364J‑Integral, kritisches 356J‑Δa‑Diagramm 377

KKaltverformung 92Kapillarkraft 146Kerbaufweitung 359, 360, 375Kerben 312Kerbgeometrien 356Kerbschlagarbeit 344, 346Kerbschlagarbeit‑Temperatur‑Kurve 344Kerbwirkung 284Kleinlasthärteprüfung 229Knoop 229Kompakt‑Zugprobe 386Kompressionsmodul 193Konstruktionswerkstoffe 16Kontrastfarbe 143Kontraststeigerung 143Koppelmedium 132Korndurchmesser 132Korngrenze 88Kraft‑Aufweitungs‑Kurve 361

Index 395

Kraft‑Durchbiegungs‑Kurve 348, 375, 376Kraftliniendichte 316Kraft‑Verschiebungs‑Kurve 376Kriechdehnung, zeitabhängige 259Kriechen, logarithmisches 261Kriechen, sekundäres 259, 266Kriechen, stationäres 259Kriechen, tertiäres 259Kriechgeschwindigkeit 259Kriechkurve 258Kristallstruktur 75, 171, 335Kugelstrahlen 299Kugelwellen 49Kurzzeitfestigkeit 283Kurzzeitschwingfestigkeit 283

LLambert‑Beer‑Gesetz 111, 123, 129Längsschliff 92Langzeitfestigkeit 280Langzeitschwingfestigkeit 280Larson‑Miller‑Parameter 270Laststeigerungsgeschwindigkeit 153LCF 283Lebensdauer 288Lebensdauerabschätzungen 266Leebhärte 249Lichtspektroskopie 78Linearspektrometer 83Line‑scan 85Linienanalyse 85Linienanalyseverfahren 108Log Δσ‑log N‑Darstellung 389Low‑Cycle‑Fatigue 283Lüdersbänder 159Lüdersdehnung 158Lüdersfront 160Luftspalt 132Lunker 89, 95

MMagnetisierung 143Magnetpulverprüfung 141Makrohärtebereich 227Makroplastifizierung 280Martenshärte 242Mehrkreis‑Diffraktometer 58Messkreis 87Metallographie 149Mikroanalyse 81Mikrohärteprüfung 229Mikroplastifizierung 283, 336Mikroskop 90Miller‑Bravais‑Indizes 39Millerscher Index 69

Mischbruch 334, 344Mischkristallzusammensetzung 70Mittelgesamtdehnung 278Mittelspannung 275, 300Mohrsche Waage 73Monochromator 55Multielementanalyse 80

NNachgiebigkeit, elastische 370, 379Nahfeld 137Näpfchen 189Nebenlinien 378Netzebenenabstand 36, 39, 41Netzebenenscharen 36Newtonsche Abkühlungsgesetz 24Nil‑Ductility‑Transition‑Temperatur 351Normalkraftbereich 227Normalprüfköpfe 136

OOberfläche, äußere 89, 90, 114Oberflächenenergie, spezifische 320, 325Obergesamtdehnung 278Oberspannung 276, 300Ordnungszahlkontrast 116

PPeierls‑Spannung 170Pendelhammer 342Persistente Gleitbänder 283Phasengrenze 88Phasenkontrastverfahren 105Phasenumwandlung 30Phasenumwandlung, endotherme 29Phasenumwandlung, exotherme 29Phasenvolumenanteil 107Plastifizierung 318, 340Poissonsches Gesetz 321Poissonzahl 128, 129, 156Polarisationsverfahren 106Polarisator 106Poldihammer 246Polfigur 71Portevin‑LeChatelier‑Effekt 160, 251Potenzialmessmethode 370, 379Primärelektronen 43Primärspule 139Probe, angerissene 312Probe, gedünnte 61Probeneinfassung 93Probeneinschnürung 155Probennahme 92Probenwahl 92

Index396

Projektion, stereographische 70Proportionalprobe 151Prüfgesamtkraft 234Prüfgeschwindigkeit 196Prüfkopftypen 135Prüfvorkraft 234Punktanalyse 85Punktanalyseverfahren 109

QQuantitative Bildanalyse 110Quantitative Phasenanalyse 70Querdehnungsbehinderung 322Querkontraktion 156, 162, 165, 321Querkraftverlauf 212Querschliff 92Quetschgrenze 198, 300

RRandabstand 221, 231Randfaserspannung 298Randschiebewinkel 205Rasterelektronenmikroskop 114Rastlinien 285Reckalterung, dynamische 160Reflexionsgesetz 130Restbruch 285Richtreihen 106Riss 89, 95, 199, 259Rissabstumpfung 328Rissaufweitung 328Rissbildung 230, 274Risskeim 259Risslänge 369, 370Risslänge, effektive 328Risswachstum 274Risswachstum, instabiles 318Risswachstumsrate 384, 388Risswachstum, stabiles 377Risszähigkeit 17, 18, 320, 329, 356, 360Ritzhärte 217Robertsonprobe 354Rockwell 231Röntgenbremsstrahlung 43, 48Röntgen‑Computertomographie 125Röntgenfluoreszenzanalyse 78Röntgenfluoreszenzstrahlung, charakteristische 87Röntgenprimärstrahlung 87Röntgenspektrometer 82Röntgenspektrometer, energiedispersives 84Röntgenspektrometer, wellenlängendispersives 82Röntgenstrahlung 65, 78, 119Röntgenstrahlung, charakteristische 43, 45, 48, 78, 81Röntgenstrahlung, Monochromatische 57Rotationsschlagwerk 347

Rowlandkreis 83Rücksprunghärteprüfverfahren 218, 248, 249Rückstreuelektronen 44, 114, 116Rückverformung, elastische 248Rückwandecho 134Rundzugproben 151, 257r‑Wert 188

SSchadenslinie 302Schallemissionsverfahren 370, 379Schallgeschwindigkeit 128, 318Schallintensität 129Schallwellenwiderstand 129Scharniermodell 367Scherbruch 199Scherlippe 285, 338Schiebewinkel 203Schlagarbeit 344, 346Schlankheitsgrad 196Schliff 93Schubmodul 128, 129, 193, 207Schubspannung 313Schubspannung, kritische 313Schwächungskoeffizient 123Schwärzung 121Schwebemethode 74Schwingbreite der Spannung 383Schwingbruch 274Schwinger 133Schwingspiel 276Schwingspielfrequenz 276Schwingstreifen 285Schwingversuch 274Seitliche Breitung 344Sekundärelektron 45, 114, 116Sekundärspule 139Selbstdurchflutung 143Sendeimpuls 134Shorehärte 248Simultanspektrometer 80Spaltbruch 323, 330, 336, 337, 340, 344Spaltbruchebene 313Spaltbruchspannung, mikroskopische 338Spannungsamplitude 276, 300Spannung, scheinbare 155Spannungs‑Dehnungs‑Hysterese 278Spannungs‑Dehnungs‑Kurve, scheinbare 155Spannungs‑Dehnungs‑Kurve, zyklische 281Spannungsintensitätsfaktor 316, 320, 329, 356Spannungsintensitätsfaktor, zyklischer 384, 386, 388Spannungsspitze 314Spannungsüberhöhung 315Spannungsverhältnis 277Spannungsverteilung, asymmetrische 215Spannungsverteilung, inhomogene 314

Index 397

Spannungszustand, ebener 328, 329Spannung, wahre 162Spektrometerkristall 83Spektroskopie 77Spitzenradius 312, 317Spitzenverrundung 318Spitzkerb 342Sprödbruch 311, 312, 336, 337, 338, 340Statistische Auswertungen 293Stauchgrenze 198Stauchung, scheinbare 198Steifigkeit 17step‑scan 85Stoffdiagnose 70Strahlungsintensität 121Streckgrenze 158, 300Streckgrenzendehnung 158Streckgrenze, obere 158Streckgrenze, untere 154Streckungsverhältnis 110Streckzieheignung 178Superplastizität 182, 186

TTEM 61, 111Textur 65, 188Thermoschock 280Thermospannungsdifferenz 28Tieflage 344, 349Torsionsdehngrenze 207Torsionsfestigkeit 207Torsionsfließgrenze 207Torsionsschwellbeanspruchung 275Torsionswechselbeanspruchung 275Torsionswinkel 203Trainiereffekte 304Transmissionselektronenmikroskop 111Transversalwellen 128Treppenstufenverfahren 295Trichter‑Kegel‑Bruch 338

UÜbergangsbereich 344Übergangskriechen 259Übergangstemperatur 346Überlebenswahrscheinlichkeit 293Ultraschallverfahren 370, 379Ultraschallwelle 191Umlaufbiegewechselbeanspruchung 274Umwandlung, allotrope 75, 251Umwandlungshysterese 28Universalhärte 241Untersuchung, metallographische 91UV‑Mikroskop 103

VVDI/VDE Richtlinien 2616‑1 247Verfestigungsexponent 175, 179, 180Verformung, plastische 60, 310, 335Verformungsarbeit 325, 377Verformungsenergie 373Verformungsgeschwindigkeit 326, 334Verformungsinstabilität 154Verformungsverhalten, quasi linear‑elastisches 314Vergleichsspannungshypothese 207Vergrößerung 90Versagensspannung 17, 18Versuchsdurchführung, dehnungskontrollierte 275Versuchsdurchführung, spannungskontrollierte 275Vickers 224Vickersdiamant 247Vielprobenmethode 369, 370, 378, 379Volumenänderung 75Volumenkonstanz 163Vorzugsorientierung 60

WWaage, hydrostatische 73Wabenbruch 333, 340Walzrichtung 92Wanddickenkonstanz 190Wärmeausdehnungskoeffizient 16Wärmeausdehnungskoeffizient, linearer 31, 74Wärmeleitfähigkeit 16, 33Wärmemenge, spezifische 29Wärmestrom‑Differenz‑Kalorimetrie 29Warmhärteprüfvorrichtung 249Warmtorsionsversuch 208Warmzugversuch 153, 187, 267WDX 82Wechselverformung 308Weggesteuerte Versuchsführung 153, 211Wehneltzylinder 63Werkstofftrennungen, innere 90Werkstofftrennungen, lokale 118Werkstoffverhalten, elastisch/ideal‑plastisches 326Wiederanschwingen 369, 378Winkelprüfköpfe 136Wöhlerdiagramm 286, 288Wöhlerkurve 286, 288, 301

ZZähbruch 311, 337, 340, 341Zählrohr 57, 65, 87Zeitbruchdehnung 259, 265Zeitbrucheinschnürung 265Zeitdehnschaubild 263Zeitdehnschaubild, logarithmisches 263Zeitfestigkeit 287

Index398

Zeitschwingfestigkeit 287Zeitstandschaubild 264Zeitstandschaubild, lineares 264Zeitstandschaubild, logarithmisches 264Zeitstandversuch 179, 256Zipfel 190Zone, plastische 326, 328Zugbeanspruchung 150

Zug‑Druck‑Wechselbeanspruchung 274Zugfestigkeit 160, 179, 237Zugschwellbeanspruchung 274Zugspannung 334Zugspannung, kritische 313Zugspannungs‑Temperatur‑Korrelationen 350Zustand, angeregter 77Zustandsänderung 22, 29