WKII HA4 Ermüdung Wärmebehandlung PDF

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4.Pflicht-HA Ermüdung WiSe19/20...

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Modul Werkstoffkunde

Hausaufgabe 4 1. Ermüdung. Um die Produktion zu erhöhen, schlägt ein Kollege vor, eine Maschine schneller laufen zu lassen. Insbesondere die Welle der Maschine, die aus unlegiertem Stahl besteht, wird stark dauerbelastet. Diese Welle steht im Normalbetrieb unter einer Mittelspannung σM von 100 MPa sowie einer sinusförmigen Wechselspannung von ± 250 MPa bei einer Frequenz von 1,5 Hz. Eine Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit der Maschine würde bei gleichbleibender Mittelspannung die sinusförmige Wechselspannung auf ± 310 MPa und die Frequenz auf 2,5 Hz erhöhen a) (0,8 Punkte) Stellen Sie die Belastung der Welle für „normalen Betrieb“ und „schnellen Betrieb“ in einem quantitativen Spannung-Zeit-Diagramm für ca. 2 Lastwechsel dar. b) (0,4 Punkte) Aus einem früheren Ermüdungsversuch ist die folgende Wöhlerkurve bei einer Mittelspannung von σM = 100 MPa generiert worden (Abb.1). Wie beurteilen Sie die Dauerfestigkeit der Stahlwelle im „normalen“ und „schnellen Betrieb“?

Abbildung 1: Wöhlerdiagramm

zum

eingesetzten

σM = 100 MPa.

1

Stahlwerkstoff

bei

HA 4

Modul Werkstoffkunde

c) (0,5 Punkte) Nach wie vielen Lastwechseln würden Sie die Welle im „schnellen Betrieb“ auswechseln? Die Maschine läuft effektiv 5 Stunden am Tag. Wie regelmäßig müssen Sie die Welle austauschen (in Arbeitstagen)? d) (0,8 Punkte) Das Ergebnis einer Simulation ergab, dass durch eine Änderung der Konstruktion die Mittelspannung auf 40 MPa und die Wechselspannung im schnellen Betrieb (2,5 Hz) auf 290 MPa reduziert werden kann. Leider steht für diesen Belastungsfall kein Ergebnis aus einem Ermüdungsversuch zur Verfügung. Jedoch sind ihnen die Zugfestigkeit RM = 700 MPa die Streckgrenze Re = 480 MPa und die reine Wechselfestigkeit RW = 330 MPa bekannt. Mit welchem Diagramm kann anhand dieser Informationen eine Aussage zur Dauerfestigkeit getroffen werden? Zeichnen Sie ein entsprechendes Diagramm, beschriften sie es vollständig und tragen sie auch den Belastungsfall ein.

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HA 4

Modul Werkstoffkunde

2. Wärmebehandlung von Stählen In einem Betrieb wird eine Serie von Wellen aus unlegiertem Stahl mit 1,1 wt.-% Kohlenstoff bei 760°C normalgeglüht und anschließend in Wasser abgeschreckt. Kurz zuvor wurden in derselben Anlage andere Wellen wärmebehandelt. Diese unterscheiden sich ausschließlich im Kohlenstoffgehalt (0,2 wt.%) von den oben genannten Wellen. Leider wurden die Wellen nicht ordnungsgemäß gelagert, so dass hat sich die zwei Serien miteinander vermischt haben. Ihre Aufgabe als Qualitätsprüfer/in ist es, die Wellen mit dem Kohlenstoffgehalt (0,2 wt.-%) zu finden und auszusortieren. a) (0,3 Punkte) Wie heißt die Wärmebehandlung, die an den Wellen durchgeführt wurde? In welcher prüfbaren (die Wellen sollen nach der Prüfung noch einsatzfähig sein) mechanischen Eigenschaft müssten sich die Wellen verschiedener Zusammensetzung unterscheiden? Nennen Sie ein Prüfverfahren, welches hier angewendet werden kann. b) (1,0 Punkt) Wie und warum unterscheiden sich die Wellen bezüglich dieser Eigenschaft? Geben Sie die von Ihnen verwendeten Quellen an. c) (0,5 Punkte) Wie ändert sich qualitativ die Härte der Welle aus unlegiertem Stahl mit 1,1 wt.-% Kohlenstoff über den Querschnitt? Begründen Sie. d) (0,2 Punkte) Nach der erfolgten Wärmebehandlung zeigt sich, dass sich die Wellen spröde verhalten. Nennen Sie die Wärmebehandlung, mit der das spröde Bauteilverhalten wieder verbessert werden kann? Schlagen sie eine geeignete Temperatur vor. Geben Sie die von Ihnen verwendeten Quellen an. e) (0,5 Punkte) Stellen sie in Form eines Temperatur-ZeitDiagramms den gesamten Prozess der Wärmebehandlung dar. Kennzeichnen Sie die einzelnen Temperaturen.

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