Werkstoffkunde Metall/ Werkstoffprüfung/ mechanische Prüfungen

"Wie stark darf ich die Konstruktion belasten ohne das sie sich bleibend verformt oder bricht?"- und weitere Fragen werden mit Hilfe der mechanischen Prüfungen geklärt.

Bei diesen Prüfverfahren werden Kennwerte und Größen ermittelt.

So kann der Konstrukteur bereits im Vorfeld die einzelnen Werkstoffe mit einander vergleichen und den attraktiveren wählen. In jedem Bereich werden unterschiedliche Anforderungen gestellt. Um die Eignung eines Werkstoffes zu ermitteln werden Prüfungen durchgeführt. Da die mechanischen Prüfverfahren Kennwerte ermitteln, lassen sich die Werkstoffe mit einander vergleichen. So kann beispielsweise geprüft werden ob es einen leichteren oder günstigeren Werkstoff gibt, der die gleichen Eigenschaften hat.

Zugversuch

Einleitung

Der Zugversuch ist eine Prüfung zur Ermittlung der Festigkeit. Die Probe wird mit einer Normalspannung (senkrecht zur Querschnittfläche wirkenden Kraft) belastet.
Häufig zu ermittelnde Kennwerte sind die Streckgrenze und die Zugfestigkeit. Weitere Kennwerte sind die Bruchdehnung und Brucheinschnürung.

Versuchsaufbau und Durchführung

Das Prüfprinzip ist relativ simpel: Die Probe wird

• zuerst angefertigt
• vermessen
• eingespannt und gezogen

Die Proben für die Versuchsdurchführung sind genormt. Es gibt Flach- und Rundzugproben.
Bei den Flachzugproben ist die Querschnittfläche rechteckig, bei den Rundzugproben rund.

Um eine Rundzugprobe zu fertigen, muss folgendes beachtet werden:
$L_{0}=5*d_{0}$

Wobei $d_{0}$ der Probendurchmesser und $L_{0}$ die Probenlänge sind. Anhand dieser Vorgabe wird die Rundzugprobe gefertigt. Bei anderen Querschnittsformen gilt entsprechend:
$L_{0}=5,65*{\sqrt {S_{0}}}$
Hierbei ist $S_{0}$ der Probenquerschnitt. Damit wird die gleiche Proportionalität von Anfangslänge und Anfangsquerschnittsfläche gewährleistet wie bei der Rundzugprobe (sog. Proportionalstab).

Um später die gewünschten Werte zu erhalten, müssen die Probenabmessungen vor der Prüfung protokoliert werden. Wichtig ist hierfür der Probendurchmesser bzw. die Querschnittfläche.

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Hinweis auf Normen

Die Proben sind genormt nach DIN 50125.
Die Versuchsdurchführung ist genormt nach DIN EN ISO 6892-1

Härteprüfung

Einleitung

Im Maschinenbau werden zur Prüfung metallischer Werkstoffe üblicherweise Eindringprüfverfahren verwendet. Die Härte ist dabei definiert als ein Maß des Widerstands, den ein Körper dem Eindringen eines anderen (härteren) Körpers entgegensetzt.

Brinell

Bei diesem Verfahren wird eine Hartmetallkugel (D = 10 mm, 5 mm, 2,5 mm, 1 mm) (HBO) stoßfrei in ein Werkstück eingedrückt. Die ausgeübte Prüfkraft F ist genormt, wird senkrecht auf das Testobjekt aufgebracht und ist abhängig von:

  - dem Werkstoff des Prüfobjekts
  - vom Durchmesser D der Hartmetallkugel

Dabei wird F stets so gewählt, dass der Eindruckdurchmesser d (ermittelt als empirischer Mittelwert aus zwei Messwerten) zwischen 0,24...0,6 D hinterlässt

HB = 0,102 F/S

(HB ist die Bezeichnung für die „Brinell-Härte“; S ist die Eindruckfläche)

HB = 0,102 * 2F/π D(D-wurzelauf:D^2-d^2:wurzelzu)

B (Belastungsgrad) = 0,102 F/D^2

Die Härte sollte über viele Körner hinweg gemessen werden damit ein großer Prüfeindruck (d.h. große Prüfkugel, Prüfkraft) entsteht. Die Einschränkungen dabei sind die vertretbaren Beschädigungen und die Probenabmessungen (s=10*Eindringtiefe).

Anwendbarkeit: Bei metallischen Werkstoffen bis 650 HBW [[ Normung:]] Das Verfahren ist nach DIN EN ISO 6506-1 genormt; nach DIN EN 10003/1 werden nur noch Hartmetallkugeln verwendet (früher auch Kugeln aus gehärtetem Stahl)

Vergleichbarkeit der Prüfergebnisse: Wenn D (Kugeldurchmesser), F (Prüfkraft), B (Belastungsgrad), Kugelwerkstoff und Einwirkdauer übereinstimmen können die Prüfergebnisse verglichen werden. Bei gleichem Belastungsgrad B ist auch eine bedingte Übereinstimmung akzeptabel.

Aufgrund der großen Prüfeindrücke ist dieses Verfahren besonders zur Prüfung inhomogener Werkstoffe geeignet.

Darstellung der Ergebnisse

120 HB W 5/250/30

Härtewert; Kennbuchstabe „Brinell“; Art des Prüfkörpers; Kugeldurchmesser; Kennziffer Prüfkraft F * 0,102; Einwirkdauer (in Reihenfolge)

Der Kennbuchstabe lautete „HBS“ wenn Stahlkugeln verwendet wurden.

Mit der Brinell-Härte kann die Festigkeit Rm eines Werkstoffs näherungsweise berechnet werden: Stahl (un-, niedriglegiert) Rm=3,5*HB AlCuMg Rm=4,4*HB

Vickers

Härteprüfung nach Vickers

Als Eindringkörper wird eine regelmäßige, vierseitige Diamantpyramide mit einem Flächenöffnungswinkel von 136° verwendet. Aus den gemessenen Eindruckdiagonalen d1 und d2 wird der Mittelwert d berechnet.

Vickers-Härte HV = 0,102 F/S (S ist die Eindruckfläche) HV = 0,1891 F/d^2

Mirko- (Messungen z.B. innerhalb eines Korn oder Einschlusses; 0,098...1,961 N), Kleinlast- (Messungen in dünnen Schichten;1,961...49,03 N) und Makrobereich (49,03-980,7 N)

Die Härtewerte dieser drei Prüfbereiche sind untereinander nicht vergleichbar.

Probenmindestdicke = 10*Eindringtiefe

Aufgrund des Diamant-Eindringkörpers gibt es keine Begrenzung durch die Härte.

[[ Darstellung:]]

540 HV 1/20 Härtewert; Vickershärte; Prüfkraft F*0,102; Einwirkdauer (hier: 20s)

Rockwell

Rockwell-Härte HR

Als Eindringkörper dient ein Diamantkegel von 120° Flächenöffnungswinkel oder eine Kugel aus Hartmetall oder gehärtetem Stahl.

Prinzip: 1.Vorkraftstellung mit Prüfkraft F0 (auch Vorkraft genannt); Bezugsebene ist die Eindringtiefe mit F0 2.Belastungsstellung mit Prüfzusatzkraft F1 und F0 (F=F0+F1) 3.Messstellung mit F0 (bleibende Eindringtiefe h)

F0 und F1 sind abhängig von dem Eindringkörper und dessen Abmessungen

HR= N – H/S (N ist ein Zahlenwert, welcher von der Art des HR-Verfahrens abhängig ist; S ist ein Skalen werte, der entweder 0,002 oder 0,001 mm beträgt)

Anwendungsbereiche: Der Kennbuchstabe des gewählten HR-Verfahrens muss angegeben werden.

Kerbschlagbiegeversuch

Einleitung

Welche Werkstoffeigenschaft wird mit dem Kerbschlagbiegeversuch untersucht? -Der Kerbschlagbiegeversuch dient zur Beurteilung der Zähigkeit von Stahl und Stahlguß, eignet sich vor allem für die Überwachung der Wärmebehandlung und für den Nachweis der Neigung zum Trennbruch (z.B. nach Alterung oder im anlaßspröden Zustand) sowie zur Untersuchung von Stumpfschweißnähten. Die dabei verbrauchte Schlagarbeit ist ein Maß für die Widerstandsfähigkeit des Werkstoffes gegen schlagartige Beanspruchung. Das ist die verbrauchte Schlagarbeit(KV oder KU, in (J) ), sie wird auch Kerbschlagarbeit genannt und in [J] Joule gemessen. Ebenfalls gehört die Bestimmung von "tü" = Übergangstemperatur zu diesen Kennwerten.

Welche Prüfbedingungen müssen eingehalten werden, damit die Prüfergebnisse reproduzierbar sind? -Im Kerbgrund der Proben dürfen mit bloßem Auge keine Riefen erkennbar sein, die parallel zum Kerbgrund verlaufen. Die Proben dürfen nicht an Flächen gekennzeichnet werden die mit Auf- und Widerlager in Berührung kommen. Die Kennzeichnung muss jedoch mindestens 5mm vom Kerb entfernt erfolgen. Dadurch wird eine Beeinflussung durch Kaltverfestigung vermieden. Die Auftreffgeschwindigkeit des Hammers ist gnormt und muß gewährleistet sein. Das Pendelschlagwerk muß starr ausgeführt und standfest aufgestellt sein und der EN-Norm 10045-2 entsprechen. Grenzmaße der Proben, siehe Tabelle 2./EN-10045 Teil 1 müssen eingehalten werden. Die Kerbschlagarbeitswerte dürfen nur unter gleichen Bedingungen verglichen werden.

Wie bezeichnet man die Bruchflächen der Verschiedenen Brucharten? Trennbruch - transkristaline Bruchfläche Mischbruch - beide Arten der Bruchfläche treten auf Verformungsbruch - sehniges Aussehen der Bruchfläche

Wie kann die Lage des Steilabfalls in der KVT-Kurve angegeben werden? Die Lage des Steilabfalls wird mit Hilfe von "tü" (Übergangstemperatur)angegeben.

Wodurch wird der Steilabfall nach links und wodurch nach rechts auf der Prüftemperatur Achse verschoben? Änderung der Versuchsbedingungen: Probe länger Verschiebung des Steilabfalls nach links. Probe breiter Verschiebung des Steilabfals nach rechts. Kerb schärfer Verschiebung des Steilabfals nach rechts. Kerb tiefer Verschiebung des Steilabfals nach rechts. Schlaggeschwindigkeit größer Verschiebung des Steilabfals nach rechts. Auflagerentfernung größer Verschiebung des Steilabfals nach links. Werkstoff vergütet Verschiebung des Steilabfals nach links. (gegenüber dem normalgeglühtem Zustand) überhitzt Verschiebung des Steilabfals nach rechts. kaltverformt Verschiebung des Steilabfals nach rechts. gealtert Verschiebung des Steilabfals nach rechts.

Versuchsaufbau und Durchführung

Die Zugprüfmaschine besteht aus zwei Teilen:

- Gestell - Einspannvorrichtung

Das Gestell bildet das Grundgerüst der Zugmaschine und ist als Halterung der Einspannvorrichtung gebaut. Es dient dazu, die Vorrichtung in einer Höhe zu positionieren die geeignet ist für das Einspannen des Prüfstückes.

Die Einspannvorrichtung dient zum Belasten des Werkstückes bei der Probe. Das Werkstück wird in die Spannbacken der Vorrichtung gespannt und dort unter Zug gesetzt. Am oberen Kolben wird in einer Kraftmessdose die übertragene Kraft gemessen.

Zur Durchführung wird als erstes der Punkt berechnet an der das Werkstück in die Spannbacken eingespannt wird um die bestmöglichen Prüfungsergebnisse zu erlangen. Dies wird durch die Durchmesser des Werkstücks berechnet. Da das Werkstück nicht überall den gleichen Durchmesser hat wird ein Mittelwert berechnet.

Hinweis auf Normen

DIN EN 10025 DIN EN 10113