Werkstoffkunde 1 (Fach) / Werkstoffverhalten, Kennwerte, Prüfverfahren (Lektion)

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• Was fällt Dir zum Begriff Spannung ein? Normalspannung oder TangentialspannungNormalspannung wirkt senkrecht auf Querschnittsebene = Normalkraft / Querschnittsfläche So => Einheit = N/mm² = MPa Tangentialspannung = Schubspannung, greifen parallel zur Fläche an
• Was fällt dir zum Begriff Dehnung ein? = Quotient aus Verlängerung und Ausgangslänge - Angabe in %
• Was ist der Unterschied zwischen einem Kraft-Verlängerungs-Diagramm und einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm? Kraft und Verlängerung werden z.B. im Zugversuch gemessen. Hängen aber von der Bauteilgeometrie ab. Um übertragbare Kennwerte zu erhalten erfolgt Normierung auf den Querschnitt bzw. die Ausgangsfläche. Nun können Werkstoffkennwerte ermittelt werden, die für jede Probe eines Werkstoffes gleich sind, egal wie die Probe aussieht
• Was ist der Elastizitätsmodul? Beschreibt die Steigung der elastischen Geraden / hookeschen Geraden- Einheit ist N/mm², da oft sehr groß Gpa (1.000Mpa= 1 Gpa)- wichtiger Werkstoffkennwert, berechnet elastische Verformung z.B. für DImensionierung- beschreibt Werkstoff-Steifigkeit - hoher E-Modul = hohe Steifigkeit
• Welche Werkstoffkennwerte können durch den Zugversuch ermittelt werden? -E-Modul als Steigung der Hookeschen Geraden- Elastizitätsgrenze Rp, Streckgrenze Re, 0,2% Dehngrenze Rp0,2- Zugfestigkeit Rm- Bruchdehnung A- Brucheinschnürung Z
• Wie ist der Zusammenhang zwischen Elastizitätsgrenze Rp, Streckgrenze Re und 0,2% Dehngrenze Rp0,2? Elastizitätsgrenze beschreibt die Größe der mechanischen Spannung, unterhalb der das Material elastisch ist. Bei Werkstoffen mit einem unstetigem Übergang vom elastischen in den plastischen Bereich kann man leicht die Streckgrenze am Zick-Zack-Verlauf ablesen. (Baustähle) Bei Werkstoffen mit einem stetigen Übergang ist der Beginn der plastischen Verformung schwieriger zu bestimmen. Man bedient sich einer Hilfsgeraden, die 0,2% von der Hookeschen Gerade liegt (Nicht-Eisen-Metalle) Einheit ist N/mm² = MPa
• Beschreiben Sie den Verfahrensablauf beim Zugversuch - Universalprüfmaschine wird Probe eingespannt und kontinuierlich bis zum Bruch belastet und verlängert.- Messdosen messen Kraft und Verlängerung- daraus werden Spannungs-Dehnungs-Diagramme abgeleitet (probenunspezifisch)- daraus erfolgt Ermittlung aller relevanten Kennwerte
• Welche Bereiche des Spannungs-Dehnungs-Diagramms kennst Du? 1) rein elastischer Bereich mit der Hookeschen Geraden2) Bereich mit plastischer Verformung mit Verfestigung3) Fließbereich4) Bruch
• Welche Werkstoffe zeigen im Spannungs-Dehnungs-Diagramm einen a) stetigen Verlauf b) unstetigen Verlauf c) sprödes Verhalten a) Nicht-Eisen-Metalle, kaltverfestigte Baustähleb) Baustähle in normalisiertem Zustandc) Gusseisen, gehärtete Stähle
• Was ist Zugfestigkeit? Einheit? Die Zugfestigkeit, Rm, ist die maximale mechanische Zugspannung, die der Werkstoff aushält bevor er bricht - N/mm² oder MPa
• Was ist Bruchdehnung ? Einheit? Die Bruchdehnung gibt die bleibende Verlängerung der Probe bezogen auf den Anfangsquerschnitt an. in % - sagt etwas über Duktiliät aus
• Was ist Brucheinschnürung? Berechnung? Einheit? Z = So - SB           S0 (Ausgangsquerschnitt- Restquerschnitt) / AUsg.querschnitt in % - sagt etwas über Verformbarkeit auis
• Die plastische Verformung läuft als Abgleiten von Gitterebenen unter der Wirkung von Schubspannungen ab ..
• Was sind Gleitebenen, Gleitrichtungen und Gleitsysteme? Gleitebenen: Ebenen zwischen Atomlagen mit dichtester Packung und großem Schichtabstand. Die Ebenen wo wenig Schubspannung für Versetzung benötigt wird Gleitrichtung: die Richtung dichtester Packung und somit die Richtung in die Versetzungsbewegung mit wenig Aufwand möglich ist Gleitsystem: Aus Gleitebenen und Gleitrichtungen ergeben sich die Gleitsysteme
• Wie viele Gleitebenen, -Richtungen, und -Systeme haben krz-kfz- und hdp Metalle? krz: 6 Ebenen, 2 Richtungen, 12 Systeme kfz: 4 Ebenen, 3 Richtungen, 12 Systeme hdp: 1 Ebene, 3 Richtungen, 3 Systeme
• Welche Bedingungen sind für die Kaltverformbarkeit eines Metalls wichtig? Welche Strukturen erfüllen diese am besten? 1) möglichst hohe Zahl von Gleitsystemen (krz und kfz = 12) 2) dichtest gepackte Gleitebenen (in kfz und hdp ja, in krz nein) 3) dichtest gepackte Gleitrichtungen (in krz, kfz, hdp) kfz erfüllt alle Bedingungen am besten
• Welche Gefügeänderungen treten bei Kaltverformung auf? - Starke Erhöhung der Versetzungsdichte- Kornstreckung- Verformungstextur (Kristallorientierung in Walzrichtung)
• Wie verändern sich die Werkstoffeigenschaften bei Kaltverformung? - Kaltverfestigung: Versetzungen blockieren sich immer mehr gegenseitig, größere Spannungen nötig, je mehr Kaltverfestigung desto höher Rp0,2 und Rm - Abnahme von Duktilität und Zähigkeit - Anisotropie (Richtungsabhängigkeit) der Werkstoffkennwerte, unterschiedliche Spannungs-Dehnungs-Kurven, je nachdem ob längs zur Walzrichtung oder quer zur Walzrichtung - wegen Kornstreckung und Verformungstextur - Korrosionsbeständigkeit: hohe Zahl der Versetzungen führt zu unedlerem Material, anfälliger für Korrosion
• Nennen Sie Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung in Metallen! -. Kaltverfestigung- Korngrenzenverfestigung- Mischkristallverfestigung (Mischkristallhärtung)- Teilchenverfestigung-
• Erläutere Kaltverfestigung - Defekttyp sind Versetzungen selbst, hohe Versetzungsdichte, Versetzungen blockieren sich selbst- Dadurch aber deutliche Abnahme der Bruchdehnung, Duktilität- meist mit anderen Mechanismen bei Halbzeugen und kaltgeformten Bauteilen, bei vielen Werkstoffen (Stähle, Alulegierungen)- Metalle mit niedrigen Schmelzpunkten (Zinn, Blei, Zink) zeigen bei Raumtemperatur keine Verfestigung, Raumtemperatur ist schon höhere Temperatur
• Erläutere den Mechanismus Korngrenzenverfestigung - Korngrenzen sind Hindernis für Versetzungsbewegung. Nachbarkristalle haben andere Orientierung- je kleiner die Körner, desto schneller erreichen die Versetzungen eine Korngrenze - Stau an den Grenzen, erhöhte Schubspannungen - neue Versetzungsbewegungen- Neben Festigkeit wird auch Duktiliät erhöht weil 1) kleine Körner, niedriger Spannungszustand an den Korngrenzen2) Wahrscheinlichkeit für günstig orientierte Gleitsysteme ist höher3) Verunreinigungen an Korngrenzen nicht so schlimm, weil hohe Korngrenzenfläch Methoden: Kornfeinungsmittel beim Abguss, Wärmebehandlungsverfahren, Legierungselemente zur Stabilisierung der Korngrenzen
• Erläutern Sie Mischkristallverfestigung Legierungselemente sitzen als Fremdatome auf Gitterplätzen oder in Lücken- Gitterebenen werden durch untersch. Größe der Atome wellig-Gitterverzerrungen, dadurch höhere Schubspannung nötig- interstitielle Atome wirksamer als Substitutionsatome, da größere Verzerrungen- je wirksamer je größer die Differenz der Atomdurchmesser- je höher die Konzentration der Legierungselemente desto mehr Wellen in Gleitebenen - Bruchdehnung kann je nach System abnehmen oder zunehmen
• Erläutern Sie Teilchenverfestigung! - wenn Teilchen winzig klein sind (Submikrometerbereich), können sie effektive Hindernisse für die Versetzungsbewegung sein. Um Teilchen starke Verzerrungsfelder. Höhere Schubspannung nötig- entweder Ausscheidungsteilchen aus intermetallischen Verbindungen- oder Dispersionsteilchen Aushärtung durch Ausscheidungsteilchen wichtig bei Aluminiumlegierungen
• Ausscheidungsteilchen entstehen in bestimmten Legierungssystemen bei geeigneter Wärmebehandlung aus instabilem MK-Zustand
• Dispersionsteilchen thermisch stabil, werden mit pulvermetallurgischen Methoden im Matrixgitter verteilt
• Begründen Sie die unterschiedliche Kaltverformbarkeit von metallen mit verschiedenen Gitterstrukturen anhand des Mechanismus der plastischen Verformung Der wesentliche innere Mechanismus der plastischen Verformung ist die Abgleitung auf Gleitebenen durch Versetzungsbewegung. Je höher die Zahl der Gleitsysteme desto besser die plastische Verformbarkeit. hdp nur 3 Gleitsysteme, schlecht kaltverformbar, kfz hat 12 Gleitsysteme - sehr gut kalt verformbar, krz ebenfalls 12 , allerdings keine dichtest gepackten Gleitebenen - gut kaltverformbar aber höherer Kraftaufwand
• Ein weiches Alublech wird kaltgewalzt. a) Welche Gefügeänderungen treten auf? b) Wie ändern sich die mechanischen Eigenschaften? a) starke Erhöhung der Versetzungsdichte durch Versetzungsmultiplikation, Kornstreckung, Texturb) Kaltverfestigung: Erhöhung der 0,2% Dehngrenze und der Zugfestigkeit, Abnahme von Duktilität und Zähigkeit. Bruchdehnung und Kerbschlagarbeit sinken. Richtungsabhängigkeit der mech. Eigenschaften
• Warum haben feinkörnige Gefüge höhere Festigkeiten als grobkörnige? Der wesentliche mikroskopische Mechanismus der plastischen Verfomung ist die Bewegung von Versetzungen auf Gleitsystemen aufgrund der wirkenden Schubspannung. Durch Gitterdefekte wird die Beweglichkeit von Versetzungen behindert, es ist eine höhere Schubspannung erforderlich, dh plastische Verformung tritt erst bei höheren Spannungen auf - Festigkeitssteigerung Kornfeinungsmittel, Wärmebehandlungsverfahren, Legierungselemente zur Korngrenzenstabilisierung
• Welche Art von Brüchen kennen Sie ? Kurze Erläuterung Verformungsbruchtritt nach vorangegangener plastischer Verformung auf. Vorher erkennbar, ggf. kann reagiert werden. Viel Energie wird schon durch plastische Verformung abgebaut, Bruchfläche zeigt Wabenstruktur SprödbruchVersagen tritt plötzlich (oft ohne vorherige Anzeichen) auf, kein vorheriger EnergieabbauBruch unmittelbar aus dem elastischen Teil der Spannungs-Dehnungs-Kurve, schlagartige Energiefreisetzung. Bei tiefen Temperaturen, schlagartigen Belastungen etc. können auch duktile Metalle Sprödbruch erleiden. Risspfad transkristallin (quer durch Kristallite) oder interkristallin (auf Korngrenzen) Ermüdungsbruch/Schwingungsbruchtritt bei wechselnder Belastung auf . kleine Ermüdungsanrisse, die unter Wechselbelastung wachsen. tragende Restquerschnitt wird immer kleiner...plötzlicher Bruch. Schwingstreifen an Bruchfläche
• Welche Versagensursachen bei Bauteilversagen kommen in Frage? Fast immer menschliches Versagen- Nicht adäquate Dimensionierung- Nicht adäquate Wartung- nicht adäquate Nutzung- Nutzung von Verschleißteilen über die vorhergesehene Lebensdauer hinweg
• Warum setzt man gerne Härteprüfverfahren ein? - besonders einfach und preisgünstig- zerstörungsfrei, kann auch am fertigen Bauteil gemacht werden- produktionsbegleitend zur QS
• Verfahrensablauf Brinell Kugel aus Hartmetall wird mit definierter Kraft in Prüfkörper gedrückt- Eindruckdurchmesser d wird kreuzweise vermessen - Mittelwert- aus Tabelle kann Härtewert HB entnommen werden 450 HB 10/ 1500 / 20Brinellhärte 450 / Kugeldurchmesser 10mm/ 1500 kp Prüfkraft / 20s Einwirkdauer nicht geeignet für besonders harte Werkstoffe ( Kugel plattet ab), schwierig bei Blechen, ausreichende Dicke muss gegeben sein
• Verfahrensablauf Vickers Stumpfe Diamantpyramide wird in Prüfkörper gedrückt. Nach Entlastung werden die Diagonalen des Eindrucks gemessen. Mittelwert und Tabelle - eignet sich für weiche und auch harte Werkstoffe- erlaubt auch kleine Prüfkräfte (wegen der Pyramide) - also auch einsetzbar bei Oberflächenschichten, Dünnen Teilen, Härteverlauf 600HV 30/20Vickershärte 600, Prüfkraft 30kp/20s EInwirkdauer
• Verfahrensablauf Rockwell Eindringtiefe wird gemessen. Verschiedene Eindringkörpergeometrien- Eindirngkörper wird mit VorKraft vorbelastet. Dann kommt eigentliche Prüfkraftnach Entlastung auf Vorkraft wird Eindringtiefe abgelesen- man kann direkt Härtwert ablesen- sehr preisgünstig, Probe muss nicht geschliffen werden- nicht für weiche Werkstoffe oder dünne Stähle- besonders für Härten und Vergüten von Stählen
• Erläutere den Kerbschlagbiegeversuch! - dient der Charakterisierung der Zähigkeit bzw. Sprödigkeit eines Werkstoffes, besonders bei tiefen Temperaturen- gekerbte Probe wird bei tiefen Temperaturen schlagartig belastet. Im Kerbgrund liegt eine mehrachsiger Spannungszustand vor.- Pendelschlagwerk wird aus bestimmter Höge fallengelassenKerbschlagarbeit ist die Energie, die der Hammer beim Zerschlagen an die Probe abgibt- je nachdem wie hoch der Hammer weiterschwingt- quaderförmige Proben, Schlag auf die kerbabgewandte Seite- immer eine Reihe von Versuchen nötig, starke STreuung- kfz- temperaturunabhängig, immer zäh- krz - bei hohen Temperaturen zäh, bei niedrigen spröde

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