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Zusammenfassung Labore SS19: Metallographie, Thermische Analyse, Härteprüfung und Zugversuch...

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Labor - Metallographie Was ist Metallographie? Es ist eine metallkundliche Untersuchungsmethode, die die Untersuchung einer Metallprobe umfasst mit dem Ziel einer qualitativen und quantitativen Beschreibung des Gefüges. Dabei sind makroskopische, mikroskopische (und elektronenmikroskopische) Gefügebetrachtungen zu unterscheiden. Welche Fragen werden in der Metallographie beantwortet? Wie sieht es im Inneren von Metallischen Werkstoffen aus? Bestehen die Metalle aus Kristallen und wie groß sind diese und um welche Art handelt es sich? Welche Form haben die Kristalle? Gibt es in den Metallen Hohlräume oder Einschlüsse? Makroskopisches Verfahren der Metallographie = ein Werkstoff über größere Bereiche hinweg untersuchen ("mit bloßem Auge") - Man erkennt (durch ätzen) grobe Kristalle (manche gröber, manche feiner) -Beispiel (Alltag): Laternenmaste, bei denen jahrelanger Regen ätzend wirkte aufs Metall, (Zink-)Kristalle rauen sich auf, die man dann an der Oberfläche sichtbar erkennt -Beispiel: Ananas Konservierungsdose: Konservierungswasser hat die flache Zinnschicht der Dose aufgeraut und so sichtbar gemacht; eine natürliche und ungewollte Kornflächenätzung hat statt gefunden. Außen ist die Zinnschicht weiterhin unverändert Mikroskopisches Verfahren =Untersuchung bei höherer Vergrößung, meistens mit einem Lichtmikroskop (LiMi) -Für ein Blick ins Innere muss ein Werkstück richtig präpariert werden Präparation für die Mikroskopie 1. Kleine Probe aus dem Werkstück heraustrennen 2. Probe in Kunstharz einbetten 3. Schleifung in verschiedenen Stufen (Erzeugung einer quasi-ebenen Fläche) 4. Polieren (Voraussetzung: richtige Reinigung der Probe, da Rückstände beim Poliern Kratzer verursachen können) 5. Ätzen -Durch Alkohol und Ultraschallbad lösen sich Fett und lose Beläge von der Probe -Nur durch Polieren erkennt man nur Einschlüsse. Möchte man Körner und Korngrenzen sehen, muss man das Werkstück ätzen Rasterelektronenmikroskop (REM)

=ein Elektronenmikroskop, bei dem ein Elektronenstrahl in einem bestimmten Muster über das vergrößert abzubildende Objekt geführt wird und Wechselwirkungen der Elektronen mit dem Objekt zur Erzeugung eines Bildes des Objekts genutzt werden kann -erzeugte Bilder sind Abbildungen der Objektoberflächen und weisen eine hohe Schärfentiefe auf Korngrenzenätzung -das Ätzmittel greift ausschließlich die Korngrenzen an -metallische und nichtmetallische Verunreinigungen sind oft konzentriert in Korngrenzen, was zu vermehrtem Angriff des Ätzmittels und Enstehung von Vertiefungen führt und so dunkle Korngrenzen im Mikroskop sichtbar werden Kornflächenätzung -Je nach Kristallorientierung entsteht ein unterschiedlich starker Angriff des Ätzmittels, was ein unterschiedliches Reflexvermögen zeigt oder -aufgrund unterschiedlicher Orientierung werden die Kristallite verschieden stark abgetragen und aufgerauht. An den Korngrenzen treten schräge Kanten auf, die als Schatten sichtbar werden Phase =durch Grenzflächen (Phasengrenzen) getrennte Gitterbereiche, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung und/oder der Gitterstruktur unterscheiden Phasengrenzen =Sie sind also Grenzen, die Kristallite (Körner), welche verschiedenen Phasen angehören, gegeneinander abgrenzen Korn =durch Korngrenzen abgetrennter Bereich einer Phase Korngrenzen =sind Grenzflächen innerhalb einer Phase, dh. zwischen Körnern identischer Kristallstruktur und identischer chemischer Zusammensetzung Gefüge =Gesamtheit und Anordnung aller aufgtretenden Phasen, die bestimmt wird durch: -chemische Zusammensetzung: bestimmte Legierungselemente stabilisieren bestimmte Phasen -Mechanisch-thermische Vorbehandlung -Temperatur

Mehrphasige Werkstoffe (weitere Ätztechniken) unterschiedliche Gefügebestandteile werden unterschiedlich angegriffen (Sichtbarmachung des Gefüges: Elektrolytisches Ätzen, Ionen- und Farbätzen) Prinzipielle Möglichkeiten zur bildanalytischen Datenerfassung -Flächenanalyse -Linienanalyse -Punktanalyse Korngröße -beeinflussen mechanische Eigenschaften -je größer die Körngröße je mehr sinkt Härte, Streckgrenze und Zugfestigkeit

Labor - Härteprüfung Was ist Härteprüfung? Eines der am häufigsten angewendeten Werkstoffprüfverfahren ist die Eindringhärteprüfung. Sie sit einfach durchführbar, fast zerstörungsfrei und der ermittelte Härtewert gibt neben der Härte auch Auskunft über andere wichtige Werkstoffeigenschaften wie Festigkeit oder Verschleißwiderstand. Die Härteprüfung ist in DIN EN ISO 6506 (Brinell), DIN EN ISO 6507 (Vickers) und DIN EN ISO 6508 (Rockwell) genormt. Was ist Härte? (Nach Martens) Härte ist ein Widerstandeines Werkstoffes gegen das Eindringen eines härteren Festkörpers unter Einwirkung einer ruhenden (statistischen) oder schlagartigen (dynamischen) Beansprungung. Härte sit ein technischer Eigenschaftswert - kein Werkstoffkennwert wie E-Modul, Zugfestigkeit, etc Brinell (BHW) -Eindringkörper: Hartmetallkugel -Vermessung des Eindrucks im Werkstoff erfolgt nach: Oberfläche -Anwendung: weiche bis mittelharte Metalle (unlegierter Baustahl. Aluminiumlegierungen) und bei Werkstoffen mit ungleichmäßigem Gefüge (Gusseisen) Vorteile Brinell -Geeignet zur Werkstoffprüfung auch unter "rauen" Werkstattbedingungen bei der Verwendung großer Kugeln und Prüfkräfte -Wegen der großen Prüfeindrücke geeignet zur Härteprüfung von inhomogenen Werkstoffen -Keine Fehlmessung bei Nachgiebigkeit der Probe in Wirkrichtung der Prüfkraft -Einfacher und robuster Eindringkörper Nachteil Brinell -Abplatten der Prüfkugel infolge elastischer Verformung der Prüfkegel -Begrenzung des Anwendungsbereichs auf weiche bis mittelharte Metalle -Zeitaufwand für das Messen des Eindruckdurchmessers -Relativ große Beschädigung der Probe durch den Prüfeindruck Vickers (HV) -Eindringkörper: gerade Diamantpyramide mit quadratischer Grundfläche und Flächenöffnungswinkel 136° (verlgeichbar mit HBW) -Anwendung: Prüfung harter und gleichmäßig aufgebauter Werkstoffe sowie dünnwandiger oder oberflächengehärteter Werkstücke und Randzonen Vorteile Vickers

-Spitze einer vierseitigen Pyramide aus Diamant 10-30s mit definiertem Druck wird in die Oberfläche des Gegenstandes eingedrückt und die Diagonalen des entstandenen Pyramideneindrucks wird gemessen. -praktisch keine Begrenzung der Anwendung des Verfahrens durch die Härte der Probe -Prüfung dünner Bleche, kleiner Proben bzw. Prüfflächen, dünnwandiger Rohre, dünner Härte- und Galvanikschichten möglich -In den meisten Fällen keine Beeinflussung der Funktionstüchtigkeit der Prüffläche infolge kleiner Prüfeindrücke -Unabhängigkeit des Härtewertes von der Prüfkraft im konventionellen Härtebereich -Keine Fehlmessung bei einer begrenzten Nachgiebigkeit der Probe in Wirkrichtung der Prüfkraft Nachteile Vickers -hoher Aufwand -Zeitaufwand für das Messen der Diagonalenlängen -Empfindlichkeit des Diamant-Eindringkörpers gegen Beschädigungen -Bei kleinen Prüfeindrücken Abhängigkeit des Härtewertes von den Formabweichungen des Eindringkörpers und der Prüfflächenvorbereitung -Anfälligkeit gegen Erschütterungen, insbesondere im Mikrobereich Rockwell (HRC) -Prüfkörper mit defininertem Druck wird in die Randschicht des Werkstückes gedrückt und die verbleibende Eindringtiefe gemessen -Rockwell-B-Verfahren: Eindringkörper Stahlkugel; ball) -Rockwell-C-Verfahren: Eindringkörper Kegel; cone) Vorteile Rockwell -Schnelle Auswertung (Direktablesung statt Berechnung) -Vermeiden von Abweichungen aufgrund persönlicher Einschätzung -leicht in elektrische Größen übertragbar -Belastungsdauer beträgt nur 4 s statt 10-15 s bei Vickeres oder Brinell Nachteile Rockwell -im Vergleich zu Vickeres- und Brinell niedrigere Präsizion -minimale Prüfgesamtkraft 147,1 N und maximale Prüfgesamtkraft 1471 N während teilweise kleinere oder größere Prüfkräfte benötigt werden >Lösung: Geräte, die ebenfalls nach dem Rockwell-Verfahren, jedoch mit sehr viel größeren bzw. kleineren und nicht genormten Prüfkräften arbeiten Bezeichnungen -140 HBW 10/3000/30: 140 = Härtewert, B= Kennbuchstabe für Härteprüfung Brinell, W= Prüfkugelwerkstoff Hartmetall, 10= Durchmesser der Prüfkugel, 3000= Kennziffer für die Prüfkraft F [N x 0,102], 30= Einwirkdauer [s] -320 HV 10/20: 320= Härtewert, V= Vickers, 10= Kennziffer für die Prüfkraft [N x 0,102], 20= Einwirkdauer [s]

Prinzig der Martenshärte -Martenshärte HM ist nach Adolf Martens benannt und wurde früher als Universalhärte HU bezeichnet -Norm: DIN EN ISO 14577 -Instrumentierte Härteeindringprüfung: Eindringkraft und Eindrngtiefe werden kontinuierlich gemessen; Kraft- oder Eindringtiefenregelung möglich -Eindringkörper: Diamantpyramide nach Vickers oder Diamantpyramide nach Berkovich -Martenshärte wird unter wirkender Prüfkraft bestimmt >elastische und plastische Anteile der Verformung enthalten >kann somit für alle Werkstoffe berechnet werden

Stirnabschreckversuch (Jominy) Was ist der Stirnabschreckversuch? Ziel des Stirnabschreckversuchs ist die Untersuchung der Aufhärtbarkeit (maximale Härte) und Einhärtbarkeit (Verlauf der Härte) von Stählen. Die Ergebnisse aus dem Stirnabschreckversuch können zb für die Verfahrensfestlegung der Härtung von Wellen verwendet werden. Der Versuch ist in DIN EN ISO 642 genormt. Versuchsablauf 1. Erstellung der Form und Vorbereitung der Probe 2. Erwärmung der Probe auf eine festgelegte Temperatur im austenitischen Bereich für eine definierte Dauer 3. Abschreckung der Probe an der Stirnfläche durch einen Wasserstrahl unter vorgegebenen Bedingungen 4. Prüfung der Härte an definierten Punkten in Längsrichtung der angeschliffenen Probenprüffläche Verfahren zur Festlegung der Härtbarkeit -Festlegung einer oder zwei Grenzkurven für die Härtetiefe beim Jominy-Versuch (untere/ obere Grenzkurve, obere und untere Grenzkurve) -Festlegung bestimmter Punkte auf der Härtekurve (oberer Grenzpunkt, unterer Grenzpunkt, oberer und unterer Grenzpunkt)

Labor - Thermische Analyse -Bei der thermischen Analyse werden reine Metalle oder Legierungen von oberhalb ihrer Scmelztemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt. Dabei wird der Temperaturverlauf über der Zeit gemessen. Diese Abkühlungskurve erlaubt Rückschlüsse auf die Zustandsänderungen während der Abkühlung. - Thermische Analyse dient der Beschreibung fester und flüssiger Zustände durch Ermittlung von Temperatur-Zeit-Kurven - Diese sind KEIN Werkstoffprüfverfahren - Binäres Zustandsdiagramm

- Phasen = ist ein ein Bereich konstanter Struktur (Atomanordnung) und chemischer Zusammensetzung, dh keine sprunghafte Änderung -Legierungen = einem Basiselement werden ein oder mehrere weitere Elemente zugesetzt (zuglegiert). -LEGIERUNG: Metallische Werkstoff, der aus mindesens zwei Elementen besteht, eines dieser Elemente muss ein Metall sein. - gute Löslichkeit durch Substituion ist zu erwarten, wenn die Atome der beteiligten Elemente etwa gleich groß sind und die reinen Elemente gleiche Gitterstruktur besitzen -degressiver Verlauf = im Ein- und Zweiphasengebiet (ohne Umwandlung) exponentieller Abfall -Knickpunkt = bei Überschreitung einer Phasengrenzlinie -Progressiver Verlauf = Zweiphasengebiet i´mit Umwandlung aus Schmelze - Haltezeit = Überschreiten einer Phasengrenzlinie mit 3 angrenzenden Phasen und Erstarrung reiner Metalle

- Wie viele Phasen liegen vor? --> F= K - P +2; K=Anzahl der Komponenten (Elemete), P=Anzahl der Phasen, F=Anzahl der Freiheitsgrade (Zahl der Zustandsgrößen Wie T, p, c welche unabhängig voneinander geändert werden können, ohne dass sich dabei Anzahl der Phasen ändert) -Reduzierte Phasenregel ("Gibbsche Phasenregel") F*=K-P+1 -Seebeck-Effekt: ("vergleichende Messung")

-Thermospannung ist ein Maß für die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle, um die tatsächliche Temperatur der Messstelle zu ermitteln, muss die Temperatur der Vergleichsstelle bekannt sein FE,FE3C-DIAGRAMM -x Achse: Gewichtsprozente des Kohlenstoffes -y Achse: Temperatur -stellt nur den Kohlenstoffgehalt von 0% bis 6,69% dar -Liquiduslinie kennzeichnet Erstarrungsbeginn (unterhalb der Schmelze), dh oberhalt dieser Linie ist Legierung flüsslig - Soliduslinie kennzeichnet Erstarrungsende, dh unterhalt dieser Linie ist die Legierung komplett erstarrt -im Temperaturintervall zwischen Liquidus- und Solidustemperatur hat die Legierung eine breiige Konstistenz -als SCHMELZE wird die flüssige Eisen-Kohlenstoff-Legierung bezeichnet. Oberhalb der Liquiduslinie ist die gesamte Legierung flüssig, zwischen Liquidus- und Soliduslinie nur ein Teil. -DELTA-FERRIT: krz Kristallsturktur

-AUSTENIT:(y-Mischkristalle): kfz Kristallstruktur -ALPHA-FERRIT: krz Kristallstruktur -PERLIT und LEDEBURIT sind keine Phasen, sondern handelt es sich um besondere Phasengemische (Gefüge). Diese entsehen nur im stabilen oder metastabilen System, also bei langsamer Abkühlung. -ENTMISCHUNG: "Ausscheidung"; geschieht bei zu schneller Änderung der Ankühlungsgeschwindigkeit (hat Auswirkung auf mechan. Eigenschaften) -EUTEKTIKUM: unmittelbarer und volständiger Überganga vom schmelzflüssigen in den festen Zustand, dh Liquidus- und Soliduslinie fallen zusammen. Eutektische Legierung hat immer den niedrigsten Schmelzpunkt und die besten Gießeigenschaften -eutektische Raktion: Dreiphasenreaktion, bei der aus einer festen Phase zwei andere feste Phasen entstehen -eutektoide Phase: Dreiphasenreaktion, bei der aus einer festen Phase zwei andere feste Phasen enstehen. -peritektische Reaktion: Dreiphasenreaktion, bei der aus einer festen und einer flüssigen Phase eine andere feste Phase entsteht -ZTU Schaubild: zeigt Beginn und Ende der Austenitumwandlung beim Abkühlen; Angaben, über Umwandlungsgefüge und Härte

ZUGVERSUCH genormt -hier wird das das Werkstoffverhalten unter einachsiger, setig wachsender Beanspruchung bestimmt -es werden wichtige Festigkeits- und Verformungskennwerte (Zugfestigkeit, Dehn- und Streckgrenze und Bruchdehnung) ermittelt -Diese Kennwerte gelten streng genommen nur für statische Belastungen, sie dienen jedoch grundlegend dazu Werkstoffe zu beurteilen und miteinander zu vergleichen -Zugversuch is in DIN EN ISO 6892 genormt -wichtigster und grundlegender Versuch der zerstörenden Werkstoffprüfung (Ergebnis: technologische Kennwerte --> Auslegung von Bauteilen!) -Für alle Metalle, Kunststoffe, z.T. Verbundwerkstoffe, Keramiken, Gläser, Textilien -für breites Temperaturspektrum -dem Kraft-Verlängerungs-Diagramm können nicht unmittelbar Werkstoffkennwerte entnommen werden, da die ermittelten Kraft- und Verlängerungswerte nicht geometriefrei sind. Daher wird das Spannung-Dehnungs-Diagramm eingeführt

- x-Achse Dehnung in % (Epsilon [%]) - y-Achse Spannung in Spannung im Werkstoff bei der Dehnung einstellt in Sigma [N/mm^2]

-Vorgang: Werkstoffprobe mit einer Anfangslänge von L0 wird an beiden Enden eingespannt; wird mit der Kraft F auf Zug beansprucht; unter Zugprobe dehnt sich auf die neue Länge L (Längenänderung Delta L) Berechnung dazu: Delta L = L - L0; Prozentuale Längerung wird als Dehnung Epsilon angegeben (Epsilon = Delta L/ L0 * 100%) -Hooksche Gesetz: dient der Beschreibung des elastischen Verhaltens von Festkörpern. Elastische Verformung einer Werkstoffprobe proportional zur der auf sie einwirkenden Belastung. das linear-elastische Verhalten von Festkörpern wird beschrieben. Typisch für Metalle bei geringen Belastungen, ebenso für andere harte und spräde Stoffe wie Silizium, Glas und Keramik -VERSUCHSDURCHFÜHRUNG: -Genormte in DIN EN ISO 6892 vorgegebene Probengeometrien (Bestimmung des Anfangsquerschnitts S0, Kennzeichnung der Anfangsmesslänge L0) -Einspannen der Probe (einachsige Zugbeansprachung sicherstellen) -Beanspruchung gemäß der Vorgabe -Messung und Aufzeichnung der Kraft-Verlängerung-Kurve -Umrechnung der Last in die Spannung (Nennspannung)

Umrechnung der Verlängerung in die Dehnung (Nenndehnung)

-Bestimmung der technischen mechanischen Kennwerte -Ausbau der gebrochenen Probe -Ermittlung A (Bruchdehnung), Z (Brucheinschnürung) -Beurteilung des Bruchbildes (makroskopische Bruchverformung) --> verformungsreicher Bruch (Zähbruch) verformungsarmer Bruch (Teller-Tasse Bruch) verformungsloser Bruch (Sprödbruch) -Brucheinschnürung ist die auf den Ausgansquerschnitt bezogene Verkleinerung des eben gedachten Bruchquerschnitts gegenüber des Ausgangsquerschnitts -Dehngrenze ist der Werkstoffwiderstand gegen das Überschreiten einer plastischen Verformung von x% -Dehnung ist die auf die Ausgangsmesslänge bezogene Probenverlängerung in Prozent - Proportionalstab ist der Zugstab mit genormten Messlängen-Durchmesser-Verhältnis -Spannung ist auf den Probenquerschnitt bezogene Kraft -Streckgrenze ist der Werkstoffwiderstand gegen einsetzende plastische Verformung -Zugfestigkeit ist der Werkstoffwiderstand gegen beginnende Einschnürung und einsetzenden Bruch -Nachteil des Kraft-Verlängerungs-Diagramm gegenüber dem SpannungsDehnungsdiagramm:

da die ermittelten Kraft- und Verlängerungswerte nicht geometriefrei sind, können keine Werkstoffkennwerte entnommen werden -Was geschieht im Werkstoff an der Streckgrenze? Die Legierungsatome sammeln sich um die Versetzungen an und behindern diese bei ihrer Bewegung. Ist die anliegende Spannung groß genug, können sich die Versetzungen losreißen, was sich in der Verfestigungskurve als obere Streckgrenze darstellt. -Für Werkstoffe ohne ausgeprägte Streckgrenze gibt es einen Ersatzkennwert für die Streckgrenze: Es wird der Ersatzkennwert R[p0,2] eingeführt, der dem Werkstoffwiderstand gegen Überschreiten einer plastischen Verformung von 0,2% entspricht. -Was ist der Unterschied zwischen einer technischen und einer physikalischen Verfestigungskurve? Bei Berechnung der Spannung wird für die technische Verfestigungskurve aus der Ausgangsquerschnitt der Probe herangezogen, während für die physikalischen Verfestigungskurven der jeweils aktuelle Probenquerschnitt als Berechnungsgrundlade dient -Ab welchem Punkt der Verfestigungskurve beginnt die Einschnürung der Probe? Probe beginnt sich einzuschnüren, sobald die Zugfestigkeit Rm überschritten wurde. Vor dem Einschnürungsbeginn dehnt sich die Probe gleichmäßig über ihre gesamte Messlänge -Was versteht man unter der Brucheinschnürung Z? Z ist die auf den Ausgangsquerschnitt bezogene Verkleinerung des eben gedachten Bruchquerschnitts Ab gegenüber dem Ausgangsquerschnitt A0....