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WerkstofftechnikLaborprotokollINHALSTVERZEICHNIS ZUGVERSUCH 1 EINLEITUNG 1 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 1 PRÜFERGEBNISSE: 1 MESSWERTE KERBSCHLAGBIEGEVERSUCH 2 EINLEITUNG 2 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 2 PRÜFERGEBNISSE: FARBEINDRINGVERFAHREN ULTRASCHALLPRÜFVERFAHREN HÄRTEPRÜFUNG NACH VICKERS 5 ABLAUF DER HÄRTEPRÜFUN...

Description

Werkstofftechnik Laborprotokoll

INHALSTVERZEICHNIS 1.

ZUGVERSUCH ............................................................................................ 1 1.1 1.2 1.3 1.4

2.

EINLEITUNG ........................................................................................... 1 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG.................................................................... 1 PRÜFERGEBNISSE: ................................................................................ 2 MESSWERTE.......................................................................................... 2

KERBSCHLAGBIEGEVERSUCH ............................................................... 5 2.1 2.2 2.3

EINLEITUNG ........................................................................................... 5 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG.................................................................... 5 PRÜFERGEBNISSE: ................................................................................ 5

3.

FARBEINDRINGVERFAHREN.................................................................... 6

4.

ULTRASCHALLPRÜFVERFAHREN ........................................................... 6

5.

HÄRTEPRÜFUNG NACH VICKERS ........................................................... 7 5.1 5.2

6.

HÄRTEPRÜFUNG NACH ROCKWELL ...................................................... 8 6.1 6.2 6.3

7.

ABLAUF DER HÄRTEPRÜFUNG NACH VICKERS: ........................................ 7 MESSERGEBNISSE DER PRÜFKÖRPER: .................................................... 7

BESCHREIBUNG ..................................................................................... 8 PRÜFABLAUF......................................................................................... 8 PRÜFERGEBNISSE: ................................................................................ 8

METALLOGRAPHIE (GEFÜGESCHAUBILDER) ........................................9 7.1 7.2 7.3

BESCHREIBUNG ..................................................................................... 9 PRÜFABLAUF......................................................................................... 9 PRÜFERGEBNIS...................................................................................... 9

1. Zugversuch 1.1 Einleitung Mit dem Zugversuch werden die mechanischen Werkstoffkennwerte bei Zugbeanspruchung bestimmt. Er liefert die wichtigsten Kennwerte zur Auslegung von tragenden Bauteilen. Diese Werte werden genutzt bei der Bauteildimensionierung, der Entwicklung und in der Qualitätssicherung.

1.2 Versuchsdurchführung Im Zugversuch wird eine in der Regel genormte, Probe des zu prüfenden Werkstoffs in eine mechanisch oder hydraulisch arbeitende Zugprüfmaschine eingespannt und mit zunehmender Zugkraft so lange verformt, bis der Bruch der Probe eintritt. Die erforderliche Zugkraft F wird in Abhängigkeit der Probenverlängerung ΔL kontinuierlich registriert. Man erhält das Kraft-VerlängerungsDiagramm. Sowohl die Zugkraft als auch die Probenverlängerung ist von der Abmessung der Probe abhängig. Das Kraft-Verlängerungs-Diagramm liefert daher keine Werkstoffkennwerte mit dessen Hilfe ein quantitativer Werkstoffvergleich möglich wäre. Um von der Probengeometrie unabhängige Kenngrößen zu erhalten, bezieht man die Zugkraft F daher auf die Ouerschnittsfläche 𝑆0 der Probe vor der Prüfung und spricht von der (mechanischen) Spannung 𝜎. 𝝈=

𝑭 𝑺𝟎

𝐙𝐮𝐠𝐬𝐩𝐚𝐧𝐧𝐮𝐧𝐠 ( 𝐍/𝐦𝐦² ) =

𝐙𝐮𝐠𝐤𝐫𝐚𝐟𝐭 ( 𝐍 ) 𝐀𝐧𝐟𝐚𝐧𝐠𝐬𝐪𝐮𝐞𝐫𝐬𝐜𝐡𝐧𝐢𝐭𝐭𝐬𝐟𝐥ä𝐜𝐡𝐞 𝐝𝐞𝐫 𝐏𝐫𝐨𝐛𝐞 ( 𝐦𝐦² )

In analoger Weise geht man von der Probenverlängerung ΔL auf die von der Probengröße (Messlänge) ebenfalls unabhängige Dehnung 𝜀 über: 𝜺=

𝑳 − 𝑳𝟎 ∙ 𝟏𝟎𝟎 % 𝑳𝟎

𝐃𝐞𝐡𝐧𝐮𝐧𝐠 ( 𝟏𝟎𝟎 %) =

𝐕𝐞𝐫𝐥ä𝐧𝐠𝐞𝐫𝐮𝐧𝐠 𝐝𝐞𝐫 𝐏𝐫𝐨𝐛𝐞 𝚫𝐋 ( 𝐦𝐦 ) 𝐀𝐧𝐟𝐚𝐧𝐠𝐬𝐦𝐞𝐬𝐬𝐥ä𝐧𝐠𝐞 𝐝𝐞𝐫 𝐏𝐫𝐨𝐛𝐞 ( 𝐦𝐦 )

Auf diese Weise erhält man das sich vom Kraft-Verlängerungsdiagramm nur durch die Achsenmaßstäbe unterscheidende Spannungs-Dehnungs-Diagramm, mit dessen Hilfe wichtige Festigkeits- und Verformungskenngrößen des Werkstoffs ermittelt werden können Beim Zugversuchen werden im Wesentlichen folgende Werkstoffkennwerte ermittelt: Zugfestigkeit 𝑹𝒎 Streckgrenze 𝑹𝒆 Dehngrenze 𝑹𝒑𝟎,𝟐 Bruchdehnung 𝑨 Die Abb. 1 zeigt ein Kraft-Verlängerungs-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze, z.B. bei weichem Stahl , welches in einen elastischen und plastischen Bereich unterteilt werden kann. Der elastische Bereich wird begrenzt durch die Streckgrenze 𝑹𝒆 . Bei ausgeprägter Streckgrenze gibt es einen oberen und einen unteren Wert. Diese werden wie folgt berechnet: 𝑹𝒆𝑯 =

𝑭𝒆𝑯 𝑺𝟎

,

𝑹𝒆𝑳 =

𝑭𝒆𝑳 𝑺𝟎

Für Werkstoffe ohne ausgeprägte Streckgrenze wird als Ersatz für die Streckgrenze 𝑅𝑒 die Dehngrenze 𝑹𝒑𝟎,𝟐 verwendet, die mit einer Parallelen zur Hookeschen Geraden bei 𝟎, 𝟐 % der Verlängerung konstruiert wird. Die Verformung in diesem Bereich ist reversibel, das heißt nach Entlastung geht der Körper wieder in seine Ausgangsform zurück. Beschrieben wird dieser Abschnitt durch das Hookeschen Gesetz. 𝝈 = 𝑬 ∙ 𝜺

1

Abb. 1: Spannungs-Dehnungs-Diagramm (schematisch) F auf Ausgangsquerschnitt 𝑺𝟎 bezogen (a) F auf tatsächlichen Querschnitt bezogen (wahre Spannung) (b)

Bei Überschreitung der Streckgrenze kommen wir in den Bereich der plastischen Verformung. Diese ist gekennzeichnet durch die Bewegung der Versetzungen (Gleiten der Ebenen). Bis zur maximalen Kraft dehnt sich die Probe gleichmäßig aus und verfestigt sich. Dieses Maximum wird als Zugfestigkeit 𝑹𝒎 bezeichnet und ergibt sich folgendermaßen: 𝑹𝒎 =

𝑭𝒎 𝑺𝟎

Eine weitere Belastung führt zur Bildung einer Einschnürung und letztendlich zum Versagen des Werkstoffes, d.h. zum Bruch. Dieses Verhalten wird durch folgende Größen gekennzeichnet: Brucheinschnürung 𝒁: 𝒁=

𝑺𝟎 − 𝑺𝒖 ∙ 𝟏𝟎𝟎 % 𝑺𝟎

𝑨=

𝑳𝒖 − 𝑳𝟎 ∙ 𝟏𝟎𝟎 % 𝑳𝟎

Bruchdehnung 𝑨:

1.3 Prüfergebnisse: Für die vorliegenden Proben wurden folgende Diagramen ermittelt: Werkstoff: G-AlSi10Mg+U/+VW G: Aluminium-Gusslegierung AL: Hauptanteil Aluminium Si: Silicium-Anteil 10% Mg: geringer Anteil Magnesium +U: unbehandelt +VW: veredelt und wärmebehandelt (bei 500°C/4h homogenisiert in Wasser abgeschreckt und bei 170°C/h warmausgelagert) 11SMnPb30 Automatenstahl, warmgewalzt C: Kohlenstoffgehalt 0,11% S: Schwefelgehalt 0,3% MnPb: geringe Anteile Mangan und Blei

1.4 Messwerte Die im Versuch am 30.11.2019 aufgenommenen Messwerte und Graphen befinden sich auf den angehefteten Zusatzblättern (Anhang 1, Anhang 2).

2

Anhang 1

Abb. 2: Kraft-Verlängerungs-Diagramm der 1. Probe AlSi10Mg+VW

Abb. 3: Kraft-Verlängerungs-Diagramm der 2. Probe AlSi10Mg+U

3

Anhang 2

Abb. 4: Kraft-Verlängerungs-Diagramm der 3. Probe 11SMnPb30

z.B. diese Werte können errechnet werden durch:

𝒆 ∙ 𝑳𝟎 𝟏𝟎𝟎 % 𝝅 ∙ 𝒅𝟐 𝑺𝟎 = 𝟒 𝑭𝒑𝟎,𝟐 𝑹𝒑𝟎,𝟐 =

𝜟𝑳𝒑𝟎,𝟐 =

𝑺𝟎

Abb. 5: Kraft-Verlängerungs-Diagramm ( vergrößerten Ausschnitt) der 3. Probe

4

2. Kerbschlagbiegeversuch 2.1 Einleitung Beim Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy (DIN EN ISO 148-1) wird die Probe durch eine schlagartige Belastung zerschlagen. Dies geschieht durch die kinetische Energie eines Hammers, welcher an einem Pendel angebracht ist. Die verbrauchte Energie entspricht der Kerbschlagarbeit. Durch diese und andere Größen lässt sich das Bruchverhalten verschiedener Werkstoffe charakterisieren. Dies ist wichtig zum Vergleich von Werkstoffen und zur Qualitätssicherung. Es lässt sich feststellen, ob sich ein Werkstoff zäh oder spröd verhält.

2.2 Versuchsdurchführung Die Probe besitzt in der Regel eine Länge von 55 mm und einen quadratischen Querschnitt mit 10 mm Kantenlänge. Die mittig eingelassene Kerbe hat eine V-Form oder eine U-Form. Die gekerbte Probe wird in das Widerlager eingelegt und mit einer Hilfsvorrichtung zentriert. Der Pendelhammer des Schlagwerks wird zunächst auf eine bestimmte Höhe H angehoben, Schleppzeiger in seine Startposition gebracht und anschließend ausgeklinkt. Das Pendelhammer wird ausgelöst und fällt dabei mit vorgegebener kinetische Energie auf die der Kerbe gegenüberliegende Seite der Probe (Aufprallgeschwindigkeit in der Regel zwischen 5,0 und 5,5 m/s). Die Probe wird zerschlagen und nimmt dabei einen Teil der Bewegungsenergie des Hammers auf. Mit der verbliebenen Restenergie schwingt der Hammer auf eine bestimmte Höhe aus. Aufgrund der absorbierten Bewegungsenergie durch die Probe erreicht dieser jedoch nicht wieder seine ursprüngliche Ausgangshöhe. Zum Schluss kann die Kerbschlagarbeit direkt an der Messuhr abgelesen werden Die Verformungsenergie und damit die erreichte Endhöhe ist abhängig von der Zähigkeit der Probe. Je zäher das Material, desto stärker muss dieses bis zum Bruch verformt werden. Die benötigten Verformungsenergien sind dementsprechend groß und die Pendelenergie wird stark absorbiert. Der Hammer erreicht dann nur noch eine geringe Endhöhe nach Zerschlagen der Probe. Sehr spröde Proben brechen hingegen fast ohne Verformung und benötigen demzufolge nur eine geringe Verformungsenergie. Der Pendelhammer schwingt nahezu auf Ausgangsniveau. Ein solcher Vergleich zwischen zähem und sprödem Bruchverhalten ist vorerst nur möglich nur, wenn auch identische Probengeometrien genutzt werden. Versuchstechnisch ergibt sich die Kerbschlagarbeit K als Differenz der potenziellen Energien des Pendel-hammers (Masse m) vor und nach dem Schlag (Reibungseffekte vernachlässigt): 𝑲𝑽 = 𝒎 ∙ 𝒈 ∙ (𝑯 − 𝒉) 𝐊𝐕 = 𝐕𝐞𝐫𝐛𝐫𝐚𝐮𝐜𝐡𝐭𝐞 𝐒𝐜𝐡𝐥𝐚𝐠𝐞𝐧𝐞𝐫𝐠𝐢𝐞 ( 𝐉 ) 𝐦 = 𝐌𝐚𝐬𝐬𝐞 𝐝𝐞𝐬 𝐏𝐞𝐧𝐝𝐞𝐥 ( 𝐤𝐠 ) ∙ 𝐠 = 𝐄𝐫𝐝𝐛𝐞𝐬𝐜𝐡𝐥𝐞𝐮𝐧𝐢𝐠𝐮𝐧𝐠 ( 𝟗, 𝟖𝟏 𝒎/𝒔𝟐 ) 𝐇 = 𝐅𝐚𝐥𝐥𝐡ö𝐡𝐞 𝐝𝐞𝐬 𝐏𝐞𝐧𝐝𝐞𝐥 𝐯𝐨𝐫 𝐝𝐞𝐦 𝐒𝐜𝐡𝐥𝐚𝐠 (𝐦 ) 𝐡 = 𝐒𝐭𝐞𝐢𝐠𝐡ö𝐡𝐞 𝐝𝐞𝐬 𝐏𝐞𝐧𝐝𝐞𝐥 𝐧𝐚𝐜𝐡 𝐝𝐞𝐦 𝐒𝐜𝐡𝐥𝐚𝐠 (𝐦 )

2.3 Prüfergebnisse: Gebräuchliche genormte Kerbschlagbiegeprobe nach DVM-Probe

C45+N/+H/+QT: Unlegierte Vergütungsstahl C: Kohlenstoff 45: Kohlenstoffkennzahl 0,45% C +N: normalgeglüht +H: gehärtet +QT: vergütet

Probe 1: C45+N Probe 2: C45+H Probe 3: C45+QT

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KV = 57J KV = 2J KV = 95J

3. Farbeindringverfahren Das Farbeindringverfahren zählt zu den zerstörungsfreien Prüfverfahren, da Oberflächenfehler (z.B. Oberflächen Rissen) von Bauteilen sichtbar gemacht werden. Bedingung für das Farbeindringverfahren ist, dass die Fehler bis zur Oberfläche gehen.

Ablauf: • • • • • •

Gründliche Oberflächenreinigung zur Beseitigungen der Verunreinigungen am Oberflächenfehler Auftragung Farbmittel Durch Kapillarwirkung dringt Farbmittel tief in den Oberflächenfehler ein. Nach ca. 10 min Einwirkzeit wird Oberfläche mit speziellem Reiniger vorsichtig gereinigt, sodass Farbmittel noch durch Kapillarwirkung im Oberflächenfehler tief verbleibt Nach grober oberflächlicher Säuberung, wird Entwicklerflüssigkeit aufgetragen Durch Entwicklerflüssigkeit wird Oberflächenfehler sichtbar

4. Ultraschallprüfverfahren Das Ultraschallprüfverfahren gehört zu den zerstörungsfreien Prüfverfahren und ist ein akustisches Prüfverfahren zum Lokalisieren von Gefüge/Materialfehlern in einem Objekt mittels Sendung von Ultraschall. Somit ist man auch in der Lage Elemente im eingebauten Zustand zu prüfen. Das Grundprinzip des Verfahrens ist, dass sich Schallwellen in Medien unterschiedlich schnell bewegen. So werden Sie an Grenzflächen mit verschiedener Wellenimpedanz entweder reflektiert (zum Teil) oder breiten sich weiter aus. Bei steigendem Delta der Wellenimpedanz steigt auch der reflektierende Anteil (Luft Metall Grenze). Das Verfahren wird unter anderem unter der Norm DIN EN ISO 16810 geführt. Um das Verfahren durchzuführen benötigt man ein Koppelmittel (Gel, Wasser, Öl etc.), welches man auf das Prüfobjekt aufträgt und anschließend mit einem Prüfkopf das Objekt abfährt. Dabei dient der Prüfkopf als Sender und Empfänger und fährt beispielsweise mit einer Frequenz von 0,02 bis 50 MHz ab. Diese Frequenzen variieren je nach Verfahren und Nutzungsbedingungen. Dabei wird durch das Senden und Empfangen der erzeugten Schallwellen auf Lunker, Risse etc. untersucht. Dies wird dadurch erreicht, dass die Zeitdifferenz zwischen senden und empfangen gemessen wird, wodurch man ermitteln kann wo und in welcher Größe sich ca. der Gefüge Fehler des Objektes befindet (das sogenannte Impuls-Echo-Verfahren). Bei einer anderen Prüfvariante dem Durchschallungsverfahren nutzt man zwei Prüfköpfe. Der Sender an der oberen Seite des Prüfobjektes und der Empfänger an der unteren gegenüberliegenden Seite des Prüfobjektes. Das Prinzip beruht aber auf demselben wie beim Impuls-Echo-Verfahren.

Anwendungsgebiete: Das Ultraschallverfahren ist für schallleitfähige Werkstoffe (überwiegend Metalle) geeignet. Dies wird zur Auffindung von inneren und äußeren Fehlern eingesetzt, wie zum Beispiel bei Schweißnähten, Schmiedestücke, Guss, Halbzeugen oder Rohren, aber ebenfalls auch durch spezielle Sonderverfahren, wie die Durchschalltechnik mit der Squirter-Technik (Airbus) für CFK/GFK Leitwerkskomponenten. So wird in der Flugzeugindustrie oft die Durchschalltechnik eingesetzt, wohingegen in der Automobilindustrie das Impuls-Echo-Verfahren genutzt wird.

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Typische Anwendungsgebiete sind: • • • • • •

Schweißnahtprüfung Wanddickenmessung Blechprüfung Schmiedestückprüfung Reinheitsgradprüfung Bindungsprüfung von Weißmetall-Lagern

5. Härteprüfung nach Vickers Es wird die Eindruckgröße (Diagonalen des Eindrucks) gemessen, die der Eindringkörper bei einer definierter Prüfkraft hinterlässt. Als Eindringkörper wird ein pyramidenförmiger, vierseitiger Körper aus Diamant verwendet mit Flächenwinkeln von 136°. Die Prüfkraft F betrug 98,07 N. Als Prüflinge wurden drei unterschiedlich wärmebehandelte C45- Stahlkörper verwendet.

5.1 Ablauf der Härteprüfung nach Vickers: 1.

Die Prüflinge wurden jeweils auf den Prüftisch der Standprüfmaschine gelegt

2.

Der richtige Abstand vom Eindringkörper zum Prüfling wurde mit Hilfe der in die Prüfmaschine integrierter Mattscheibe (Einjustierung der höchsten Bildschärfe) eingestellt.

3.

Die Prüfkraft von 98,07 N „Prüfbedingung HV 10“ wurde an der Maschine eingestellt.

4.

Durch Betätigung vom Prüfhebel wurde die Prüfkraft allmählich angelegt.

5.

Nach dem vollen Anlegen der Prüfkraft, wurde 15 Sekunden abgewartet.

6.

Anschließend wurde der Prüfhebel in Ausgangsstellung gebracht um damit das Einwirken der Prüfkraft zu unterbunden.

7.

Die Diagonalen wurden mit Hilfe der Vergrößerung auf der Mattscheibe ausgemessen, anschließend wurde der Mittelwert vorhergehender Messungen gebildet.

8.

Mit den Angaben „Mittelwert der Eindruckdiagonalen“ und der „Prüfkraft“ wurde aus der Tabelle die Härte nach Vickers abgelesen.

5.2 Messergebnisse der Prüfkörper: Normal geglüht: Vergütet: Gehärtet:

d1=2,7mm, d2=2,26mm -> 254HV10 d1=0,27mm, d2=0,27mm -> 245HV10 d1=0,13mm, d2=0,15mm -> 824HV10

7

6. Härteprüfung nach Rockwell 6.1 Beschreibung Die Rockwellhärtemessung ist eine sehr schnelle Methode um die Härte eines Prüfkörpers zu bestimmen, allerdings stellt sie hohe Ansprüche an das Einspannen des Prüflings und die Form des zu prüfenden Körpers, dünnwandige Rohre oder weiche Materialien können mit diesem Prüfverfahren nicht gemessen werden. Bei der Härteprüfung wird eine mechanische Kraft auf den zu prüfenden Körper gegeben. Daraus ergeben sich Werte, die etwas über die Härte des geprüften Werkstoffes aussagen. Die Härteprüfung nach Rockwell ergibt sich aus der Eindringtiefe eines Prüfkörpers beim Anlegen einer bestimmten Vorspann- und Prüfkraft Die Prüfkörpergeometrie, Prüfkraft, Prüfdauer und die Einheitenberechnungsformel sind in der Norm DIN EN ISO 6508-1 festgelegt. Bei sehr harten Prüfkörpern wird nach dem Verfahren Skala C gearbeitet. Bei dieser Methode wird ein kegelförmiger Prüfkörper aus Diamant mit einem Spitzenwinkel von 120° und einer abgerundeten Spitze mit einem Radius von 0,2 mm, verwendet. Bei dem Prüfverfahren nach Skala C (HRC) muss der zu prüfende Körper zwischen 20 HRC und 70HRC liegen

6.2 Prüfablauf 1.

Vorspannkraft aufgeben – bei HRC 10 kp (≈98 N)

2.

Messuhr nullen

3.

Hauptkraft zusätzlich aufgebe, durch betätigen des Prüfauslösers 140 kp (≈1372,9 N)

4.

Einwirkdauer hängt vom Kriechverhalten des Stoffes ab:

5.

2–3 s: für Metalle ohne zeitabhängiges plastisches Verhalten

6.

3–6 s: für Metalle mit zeitabhängigem plastischen Verhalten

7.

Hauptkraft aufheben

8.

Härtewert an der Messuhr ablesen

9.

Vorspannkraft aufheben

6.3 Prüfergebnisse: Kohlenstoffstahl C45 Normal: ca. 23 HRC Kohlenstoffstahl C45 Gehärtet: ca. 65 HRC Kohlenstoffstahl C45 Vergütet: ca. 21 HRC

8

7. Metallographie (Gefügeschaubilder) 7.1 Beschreibung Bei der Metallographie werden metallische Werkstoffe auf ihre quantitativen und qualitativen Eigenschaften unter einem Mikroskop untersucht. Die dabei sichtbare Struktur gibt Auskunft über die Gefügebindung den Reinheitsgrad und eventuelle Fehler (Einschlüsse). Ebenso lassen sich anhand des Gefügeschaubilds die einzelnen Korngrenzen und das Gefüge betrachten (Ferrit, Perlit, Austenit, Zementit)

Mikroskopische Metallographie-Aufnahme einer Schweißnaht (geätzt)

7.2 Prüfablauf 1.

Der zu betrachtende Werkstoff wird in einem Vakuumerhitzer mit Kunststoff vergossen (Warmeinbetten)

2.

Die entstandenen Prüfkörper werden mit Schleifmaschinen geschliffen

3.

Der Prüfkörper wird Poliert um eine saubere Oberfläche zu erhalten

4.

Mittels Salpetersäure oder Ethanol wird die Oberfläche angeätzt

5.

Die Probe wird unter einem Mikroskop ab 50-facher Vergrößerung betrachtet

7.3 Prüfergebnis C45, C45 gehärtet, C45 Vergütet: Unter dem Mikroskop konnte man genau die Korngröße und die Korngrenzen sehen, außerdem konnte man auch zwischen perlitischem, ferritischem und martensitischem Gefüge unterscheiden.

9...