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HOCHSCHULE BREMENUNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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

Fachbereich Maschinenbau

9. Werkstoffprüfung

Warum - Ermittlung von Kennwerten- Qualitäts- und Fehlerprüfung- Betriebsüberwachung- Schadensanalyse

Auswahl - Zugversuch- Härteprüfung- Kerbschlagbiegeversuch- Dauerschwingversuch- Zerstörungsfreie Prüfverfahren

Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

147



Fachbereich Maschinenbau9.1 Zugversuch

Normen zum Zugversuch (Auszug):DIN EN 10002-1(Metalle)DIN 50125(Metallzugproben)DIN 53455(Kunststoffe)DIN 53504(Elastomere)DIN 51221(Zugprüfmaschinen)

Welche statische Belastung hält der Werkstoff im Betrieb aus?

Welcher Werkstoff kann gewählt werden, wenn man die Belastung kennt?


148



Fachbereich MaschinenbauVerlängerung und Dehnung

Verlagerungsaufnehmer

Dehnungsmessstreifen

Induktiver Wegaufnehmer

=


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Fachbereich MaschinenbauKraft und Spannung

Kraftmessdose

Messbalken mitDehnungsmess-

streifen

Messbalken mitinduktivem

Wegaufnehmer


150




Mechanische Eigenschaften (Kap. 4.1): Reversible Verformung (Elastizität) - Irreversible Verformung (Plastizität) - Bruch

α

Kraft-Verlängerungs-DiagrammSpannungs-Dehnungs-Diagramm


151




Zugproben


152




Spannungs – Dehnungs – Diagramm – Grundtypen metallischer Werkstoffe

Charakte-ristische

Diagramme

Typ: Beispiele:

I typisch für kfz reine Metalle wie Al, Ni, Cu sowie für Ag und austenitische Stähle

II viele Cu und Al-Basislegierungen

III unlegierte Stähle mit nicht zu großen C-Gehalt

IV wird oft als theoretische Abstraktion benutzt

V typisch für unlegierte und legierte Stähle im martensitischen Zustand

VI Effekte beruhen auf der dynamischen Reckalterung


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Zugverfestigungskurven verschiedener metallischer Werkstoffe

1 Gehärteter Stahl 2 Vergüteter Stahl 3 Weicher Stahl 4 AlCuMg ausgehärtet 5 Gußeisenlegierung

ReH = obere Streckgrenze ReL = untere Streckgrenze L = Lüdersdehnung

Unlegierte Stähle mit nicht zu großen Kohlenstoffgehalten zeigen

ausgeprägte Streckgrenzeneffekte


154




Lüdersdehnung Cottrellwolke


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Fachbereich MaschinenbauZugkurven von KunststoffenProf. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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Fachbereich MaschinenbauBruchverhaltenTrennung des Werkstoffes infolge der Bildung und Ausbreitung von Rissen

Mechanische Eigenschaften(Kap. 4.1)


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Fachbereich Maschinenbau9.2 Härteprüfung

Härte = der Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines (härteren) Körpers entgegensetzt

Härteprüfverfahren

Quasistatische Verfahren: Brinell (DIN 10003) Vickers (DIN 50133) Rockwell (DIN 10109)

Dynamische Verfahren: Schlaghärteprüfung

(plast. Verformung)

Ritzverfahren: Mohs

Bem.: Die Interpretation dieser Definition läßt verschiedene Prüfverfahren zu, so daß die Härtekennwerte von der Prüfmethode abhängen und i.a. nicht miteinander vergleichbar sind.


158



Fachbereich MaschinenbauHärteprüfung nach Brinell (1900)

Prüfprinzip:

Eindringkörper: Kugel (Stahl oder Hartmetall), genormte Durchmesser 10, 5, 2.5, 1 mm,

Prüfkraft F: Ist so zu wählen, daß der Eindruckdurchmesser zwischen 0,24 und 0,6 D liegt, ( Prüfkrafttabelle nach Norm für verschiedene Beanspruchungsgrade C=0,102F/D² mit C = 30, 10, 5, 2.5, 1)

Berechnung: ][,102,0 NinFA

FHBk

][,,)(2

22 mmindDdDDDAk

Beispiel: 120 HBS 5/250/30 Normalbed.: Einwirkdauer 30 s 10 ... 15 s

Prüfkraft 2450 N 29420 N

(Stahl)Kugel 5 mm 10 mm

Brinellhärte 120 120

C 10 30

nur Härtewert angegeben 120 HB

NinFA

FHBk

;102,0

mmindDdDDDA k,;

222 --


159



Fachbereich MaschinenbauHärteprüfung nach Vickers (1925)

NinFA

FHV ;102,0

mminddA ;

2136sin2

2


160



Fachbereich MaschinenbauHärteprüfung nach Rockwell (1922)

Prüfprinzip: Eindringkörper: Diamantkegel mit Kegelwinkel von 120° (HRC, C=Cone) Krümmungsradius an der Kegelspitze 0,2 mm,

Prüfkraft F: Prüfvorkraft F0 = 98 N Prüfzusatzkraft F1 = 1373 N Prüfgesamtkraft F = 1471 N

Berechnung: 002,0100 hHRC h = bleibende Eindringtiefe in mm

unter Prüfvorkraft nach Rücknahme der Prüfzusatzkraft,

Beispiel: 57 HRC, d.h. Rockwellhärte 57, Härteskala C nach DIN 10109-1 58-66 HRC: gehärteter Werkzeugstahl

HRC = 100 – h/0,002


161



Fachbereich MaschinenbauHärteskala nach Mohs (1811)

1 Speckstein Mg3(Si2O5)2(OH)2

2 Gips CaO4 2H2O

3 Kalkspat CaCO3

4 Flußspat CaF2

5 Apatit Ca5(PO4)3O(F, Cl)

6 Feldspat KaSi3O8

7 Quarz SiO2

8 Topas Al2SiO4 (F, OH)

9 Korund Al2O3

10 Diamant C

gehärteter Stahl

Hartmetall

Aluminium

Weicher Stahl

Tafelglas

Beispiele:


162




Verfahren Brinell Vickers Rockwell C Rockwell A

Eindring- körper

geh. Stahlkugel Hartmetallkugel

Diamantpyramide quadratisch, 136°

Diamantkegel 120°

geh. Stahlkugel ø 1,5875 mm

Meßgröße Flächenpressung Flächenpressung Eindringtiefe Eindringtiefe Kennzeichen Wert HBS(W)D/F/t Wert HV F/t Wert HRC Wert HRB Einheit - - - -

Anwendungs-grenze

HBS < 300 HBW < 600

Bereich beliebig

20 < HRC < 70

35 < HRB < 100

Meßunsicher- heit

HB < 200 : 1% HB > 200 : 2-6%

HV < 200: 2% HV 400 : 1% HV > 400 : 1,5%

HRC<50: 2HRC HRC>50: 1,5HRC

Vorteile

Summenhärteprüfung für heterogene Gefüge, Zusammenhang zwischen HB und Rm näherungsweise Rm=cHB unleg. Stahl : c=3,5 bis Rm=1400 MPa; c=4,0 bis Rm=2100 MPa; Grauguß: C=1; Cu,Ms,Al-Bz,Sn-Bz (kaltverformt):C=4,5; geglüht. c=5,5; Al+Al-Leg.:c=3,7; Al-Guß: c=2,6; Al-Mg-Leg.: c=4,3; Lagerweißmetall:c=2,2

Härte lastunabhängig; geometrisch ähnlicher Eindruck; für hohe Härten; für dünne Schichten, galvanische Niederschläge, oberflächengehärtete Teile, für dünnste Querschnitte. durchlaufende Härteskala Eindruckgröße an Meßobjekt anpaßbar keine Verformung der Pyramide

schnelle Härteermittlung; für automatische Serienprüfung direkte Ablesung der Härtewerte, daher einfach kleine Meßzeiten relativ genau für Vergleichszwecke bei gleichartiger Oberflächengüte HRC auch für Werk- stoffe hoher Härte praktisch unwesentliche Beschädigung des Prüflings

Nachteile

lastabhängiger Eindruck, nicht geometrisch ähnlich, Belastungsgrad beachten; Kugelabplattungen bei großen Härten; empfindlich gegen unterschiedlichen Oberflächenzustand; relativ zeitaufwendig

nicht geradlinig begrenzte Eindrücker erfordern Korrekturen, relativ großer Zeitaufwand; Ausmessung kompliziert, vor allem bei Kleinlasthärteprüfung: teurer, empfindlicher Eindringkörper

hohe Anforderungen an die Auflagerfläche des Prüfobjekts; empfindlich gegen die Form des Prüfobjekts; empfindlich gegen seitliche Verschiebung;

Beschädigung der Kegelspitze schlecht feststellbar.

willkürlich festgelegte Härtewerte; Veränderungen der Eindruckform bleiben unberücksichtigt

Anwendung

alle Werkstoffe bis 300 HBS bis 600 HBW

alle Werkstoffe mit homogenem Gefügeaufbau

harte Werkstoffe

weiche Werkstoffe

Gegenüberstellung der wichtigsten Härteprüfverfahren

Vickers BrinellRmMPa

RockwellB C

Mohs

34067010101350

100

1000

800

600

400

200

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

200300400430

90,056,4

19,230,340,748,354,459,363,566,970

1 Talkum2 Steinsalz3 Kalkspat4 Flußspat5 Apatit6 Feldspat7 Quarz

8 Topas

9 Korund

10 Diamant

Kupferweicher StahlDuraluminvergüteterStahl

Hart-Metalle

Saphir

Härtevergleich der verschiedenen Verfahrennach DIN 50150 (graphisch)

0 100 200 300400500 600 700800 9001000-15-10

-505

10152025303540455055606570

Vickershärte

Brinellhärte

Roc

kwel

l-Här

te H

RC

Vickers- bzw. Brinell-Härte


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Fachbereich MaschinenbauSchlaghärteprüfung


164



Fachbereich Maschinenbau9.3 KerbschlagbiegeversuchProf. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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Fachbereich MaschinenbauKerbschlagarbeit Kerbschlagarbeit- Temperaturkurven (schematisch)

Typ I: z.B. krz-Strukturen; Typ II: z.B. kfz-Strukturen

Trennbrüche

Verformungsbrüche

Tieflage

Hochlage

Kerbschlag-arbeit

Typ I

Typ II

Übergangsbereich(Steilabfall)

Streubereich

Mischbrüche

PrüftemperaturÜbergangs-temperatur

wp-kerb6.cdr


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Fachbereich MaschinenbauEinfluß des KohlenstoffesProf. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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9.4 Dauerschwingversuch

Phänomen:Versagen von Bauteilen bei schwingender Belastung unterhalb der Streckgrenze

Ursache:Anisotroper Aufbau des Werkstoffes führt zu lokalen Spannungsüberhöhungen, damit zu Fließen und Verfestigung und schließlich zur Schädigung

Ergebnis:Dauerbruch (=Schwingbruch=Ermüdungsbruch) ist die Summe dieser lokalen Schädigungen


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Fachbereich MaschinenbauSchwingbeanspruchungBelastungsarten sind Zug, Druck, Biegung und Torsion

1 Schwingspiel

Zeit

Span

nung

σ m

σ a

2σa σ o

σ aσ u

Zug-Druck-Schwingbeanspruchungen

Spannungs-Zeit-Kurve

σσ

ma

>

σσ

ma

=

σσ

ma

<

σ m =

0

σσ

ma

>

σσ

ma

=

σσ

ma

<

Schwellbereich(Druck)

Schwellbereich(Zug)

Wechselbereich

+ Zu

g- D

ruck

m a

m a

m a

m a

m a

m a

m

0

m

a u

a

o

2a


169




Wöhlerkurve undSmithdiagramm

Lastspielzahl log N

Dauerfestigkeit

Zeitfestigkeit

Kurzzeit-festigkeit

Span

nung

sam

plitu

de

(log

)σ a

ND

Zeitfestigkeits-gerade

Wöhlerkurve

Schwellbereich(Druck)

Schwellbereich(Zug)

Wechselbereich

Grenzlinie derOberspannungfür +

σσ

o

m

Grenzlinie derUnterspannungfür -

σσ

u

m

Grenzlinie derOberspannungfür +

σσ

o

m

+σm(Zug)

+σ(Zug)

-σm(Druck)

-σ(Druck)

Re

Rm

σ A σ zSc

h

σ W

Grenzlinie derUnterspannungfür +

σσ

u

m

σ W

σ A

σ DSc

h

m

m

u

om

um

m

m

o

A A

W W

DSc

h

ZSc

h

a


170




Statische und dynamische Belastung

b

c d

aRm

Re

σD b

c d

Lastspielzahl log NDehnung bzw. Zeit

Betriebs-festigkeit

LebensdauerlinieW

öhlerlinie

Dauerfestigkeit

Zeitfestigkeit

2*106

Span

nung

Span

nung

D


171




Smith-Diagramme


172




9.5 Zerstörungsfreie Prüfverfahren

Ziel der Verfahren:

- Fehlersuche (z.B. Lunker, Porositäten, Bindefehler,Einschlüsse)

- Längen- und Dickenmessung

- Zusammensetzung der Struktur (z.B. Gefüge, chem.Zusammensetzung)

- Werkstoffzustand (z.B. Eigenspannungen)


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Fachbereich MaschinenbauRadiographische Verfahren Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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Fachbereich MaschinenbauRadiographische VerfahrenProf. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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Fachbereich MaschinenbauMagnetpulververfahren

Ferromagnetisches Pulver (Fe2O3, Fe3O4) macht den gestörten Fluß der magnetischen Kraftlinien durch Oberflächen- und oberflächennaheFehler sichtbar.


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Magnetinduktive Verfahren

Das verursachende Magnetfeld HP wird durch das induzierte Magnetfeld HSgeschwächt. Diese Schwächung ist messbar.Die Einflüsse der Probe auf die Stärke der Schwächung sind:

- Elektr. Leitfähigkeit- Magnet. Permeabilität- Chem. Zusammensetzung- Wärmebehandlung- Fehlstellen


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Ultraschall-verfahren


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UltraschallverfahrenProf. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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