Kapitel 3&4 Flashcards
Zeitstandversuch: Durchführung und Norm
Probe wird in einem Ofen eingebaut und mit konstanter Last auf Zug beanschlagt.
- -> Vermeidung von Spannungsspitzen
- -> Längenänderung wird durch mechanische Spiegelgeräte oder induktive Weggeber gemessen
Nach DIN EN 10291 genormt
–> Die Norm zielt dabei auf die Messung von Nenndehnungen bei konstanter Nennspannung
Nomenklatur: ɛ_p: plastische Dehnung A_u: Zeitbruchdehnung Z_u: Zeitbrucheinschnürung σ_0: Anfangsspannung
Auswirkungen der Temperatur auf den Zeitstandversuch
bei konstanter Spannung gilt für…
…Temperaturen bis 0,3*T_s:
Verformung nicht abhängig von der Belastungsdauer (nur elastische Dehnung bis Streck- & Dehngrenze)
–> auch wenn plastische Verformung stattfand, wird es keine zeitliche Veränderung der Dehnung mehr geben!
… Temperaturen bis 0,4*T_s:
Dehnung gering zeitabhängig, kommt oft wieder zum Stillstand
… Temperaturen größer 0,4*T_s:
Werkstoff gibt bis zum Bruch langsam plastisch nach
–> Kriechen!!!
T_s: Schmelztemperatur in K
Definiere Kriechen
Ein Werkstoff gibt unter konstanter Last und Temperatur allmählich plastische nach
–> meist im Temperaturbereich von >= 0,4*T_s
Welche Bereiche zeigen Kriech- & Zeitdehnungskurven unter Zugbelastung?
Bereich 1: primäres Kriechen mit sinkender Kriechgeschwindigkeit (kann auf 0 absinken)
Bereich 2: sekundäres Kriechen mit konstanter Geschwindigkeit
Bereich 3: tertiäres Kriechen mit steigender Geschwindigkeit
–> führt zum Bruch!
Wie wirkt sich die Spannungssteigerung auf den Zeitstandversuch aus?
–> ähnlich wie bei Temperaturänderung
–> Verringerung der Belastung führt zur Absenkung der Kriechgeschwindigkeit
–> Soweit möglich, dass innerhalb der technischen Zeit kein Bruch mehr stattfindet
Wie ist die Formel des Norton’schen Kriechgesetz?
ε’_s = A * σ^n
ε’_s: Kriechgeschwindigkeit
n: 3<= n <= 5-8
Bezeichnung der Zeitdehngrenzen
R_(p ε / t / T)
R_p: Dehngrenze
ε: plastische Dehnung
t: Prüfzeit in Stunden
T: Prüftemperatur in °C
Bezeichnung für Zeitstandfestigkeit
R_(u / t_u / T)
u: Bruch
R_u: Anfangsspannung σ_0, die zum Bruch führt
t_u: Bruchzeit in Stunden
T: Prüftemperatur
Welchen Bereich des Kriechens lässt man für technische Anwendung zu?
–> sekundäres Kriechen
ABER: Vermeiden des beschleunigten tertiären Kriechens, um keine Bruchgefahr einzugehen!
Formel für Monkman-Grant-Beziehung:
C_MG = t_u * ε = konstant
Abschätzung der Beanspruchungsdauer
Formel für Larson-Miller-Parameter
P = T * (c + log(t_u))
P: Larson-Miller-Parameter
T: Temperatur in K
c: Konstante (für Eisen-, Nickel- & Kobaltbasiswerkstoffe 20)
t_u: Zeit bis zum Bruch in Stunden
Larson-Miller-Diagramm
Aus experimentellen Werten kann man σ und P in einem Diagramm auftragen
Die Spannung wird dabei halblogarithmisch über eine lineare P-Achse aufgeteilt
–> Es ergibt sich jeweils für einen Werkstoff ein enges Streuband
Damit lassen sich Inter- & Extrapolationen durchführen und die Larson-Miller-Gleichung lösen
Lebensdauer bis zur zulässigen Zeitdehngrenze bestimmen
Dafür benötigt man die Kriechgeschwindigkeit aus dem sekundären Kriechbereich und vernachlässigt die plastischen Anteile des primären Kriechens
Beispiel:
R_p0,5: zulässige plastische Dehnung
(5 * 10^-4 %) / h : Kriechgeschwindigkeit
t_zul = 0,5% /( (5 * 10^-4 %) / h ) = 1000h
Kriechverhalten grob- und feinkristalliner Werkstoffe
–> Werkstoffe mit GROBEN Kristallgefügen KRIECHEN WENIGER als FEINKRISTALLINE Metalle
–> Schwachpunkte sind Grenzflächen zwischen Kristallen, die SENKRECHT zur Zugspannung liegen
=> Bauteile, die großen Spannungen & hohen Temperaturen ausgesetzt sind, werden mit GROBEM Gefüge hergestellt
Definiere Ermüdung
Versagen eines Werkstoffs bei dynamischer Belastung (schwingend beansprucht)
Das Versagen tritt weit UNTERHALB der Streckgrenze ein
Definiere Ermüdungsfestigkeit
Ertragbare Spannung unter schwingender Belastung
Was ist ein duktiler Werkstoff?
Ein Werkstoff, der sich vor dem Bruch zunächst plastisch verformt.
Dies kann zum Beispiel bei einem Zugversuch die Einschnürung des Querschnitts an der Bruchstelle sein
Gegenteil: spröder Werkstoff (bricht sofort ohne plastische Verformung)
Wöhlerversuch: Durchführung und Norm
- -> Mittelspannung im Verlauf des Versuchs konstant halten
- -> Belastung zunächst mit großer Spannungsamplitude bis zum Bruch
- -> Dann kontinuierliches Verkleinern der Spannungsamplitude und messen der Anzahl der Anzahl N an Schwingungswiederholungen bis zum Bruch
- -> So lange wiederholen bis kein Bruch mehr entsteht (N_grenz)
- -> Zur Auswertung Spannungsamplitude über log(N) auftragen
N: Schwingungsspielzahl (Anzahl d. Schwingung bis zum Bruch)
N_grenz: Grenzschwingspielzahl
In Europa nach DIN 50100 genormt
–> Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit
Was ist σ_A ?
Was ist σ_a ?
Ausschlagsspannung
σ_A führt nicht zum Bruch
σ_a führt zum Bruch
Was ist σ_D ?
Dauerschwingfestigkeit
Was ist σ_O ?
Was ist σ_o?
Oberspannung (größte Spannung je Schwingspiel)
σ_O führt nicht zum Bruch
σ_o führt zum Bruch
Was ist σ_U ?
Was ist σ_u ?
Unterspannung (kleinste Spannung je Schwingspiel)
σ_U führt nicht zum Bruch
σ_u führt zum Bruch
Was ist σ_m ?
Mittelspannung (Mittelwert aus Ober- und Unterspannung)
Wie ist Schwellfestigkeit definiert?
σ_Sch = 2 * σ_A
Wie ist das Spannungsverhältnis definiert?
R = ( σ_u / σ_o )
Wie ist der Druckschwellbereich definiert?
σ_m | >= σ_a
Wie ist der Zug-Druck-Wechselbereich definiert?
σ_m | < σ_a
Wie ist der Zugschwellbereich definiert?
σ_m >= σ_a
Wann ist R = -1 ?
Wenn: σ_m = 0
Dann liegt Wechselfestigkeit vor => σ_D = σ_w
Wann ist R = -∞ ?
Wenn: | σ_m | = σ_a
also wenn: σ_o = 0
Dann liegt Schwellfestigkeit vor => σ_D = σ_Schw
Wann ist R = 0 ?
Wenn: σ_m = σ_a
also wenn: σ_u = 0
Was definiert Wechselfestigkeit?
σ_D = +/- σ_w
R = -1
Wie ist die Zug-Druck-Wechselfestigkeit definiert?
σ_zdW
Wie ist die Biegewechselfestigkeit definiert?
σ_bW
Wie ist die Torsionswechselfestigkeit definiert=
tau_tW
Wie ist Druckschwellfestigkeit definiert?
Wann tritt diese auf?
σ_dSch
bei σ_o = 0 , also R = -∞
Wie ist Zugschwellfestigkeit definiert?
Wann tritt diese auf?
σ_zSch
bei σ_u = 0 , also R = 0
Wie ist Biegeschwellfestigkeit definiert?
σ_bSch mit R = 0
Wie ist Torsionsschwellfestigkeit definiert?
Wann tritt diese auf?
tau_tSch mit R = 0
Angabe / Schreibweise von Dauerfestigkeiten
σ_D = σ_m +/- σ_A (für N >= N_grenz)
wenn N anders als vorgeschrieben (z.B. Stahl N=10*10^6), so muss es als eingeklammerter Index zusätzlich angegeben werden (als Vielfaches von 10^6)
Sonderfälle:
σ_W,(N) = +/- σ_A
σ_Sch,(N) = 2σ_A
In welche Bereiche wird die komplette Wöhlerkurve aufgeteilt?
hier: N ist Bruchlastspielzahl
1. Kurzzeitfestigkeit: N <= 10^4
2. Langzeitfestigkeit: 10^4 <= N <= N_grenz (speziell Stahl: 10^4 <= N <= 2*10^4)
3. Dauerfestigkeit: N >= N_grenz
Nenne Einflussfaktoren auf die Dauerfestigkeit
- Werkstoff
- Wärmebehandlungszustand
- σ_m (Mittelspannung)
- Beanspruchungsart (Wechsel/Schwellbelastung)
- Probengröße
- Oberflächenzustand
- äußere Kerbwirkung (konstruktiv bedingte Querschnittsübergänge)
- innere Kerbwirkung (unabsichtliche/absichtliche herstellungsbedingte Werkstofffehler)
Zusammenhang Zugschwellfestigkeit und Zug-Druck-Wechselfestigkeit
für DUKTILE pulvermetallurgische Stähle & Al-, Mg- und Cu-Legierungen:
σ_zSchw / 2 = K_a * σ_zdW
K_a = 0,84
Zusammenhang Torsionswechselfestigkeit und Biegewechselfestigkeit
Biegewechselfestigkeit leichter zu ermitteln
für DUKTILE pulvermetallurgische Stähle & Al-, Mg- und Cu-Legierungen:
tau_tW = (0,55 +/- 0,05) * σ_bW
Zusammenhang Wechselfestigkeit und Zugfestigkeit
Bis ca. 1500 N/mm^2 ist bei Stählen die Zunahme von …
… Biegewechselfestigkeit gegeben durch:
σ_bW = (0,5 +/- 0,1) * R_m
… Zug-Druck-Wechselfestigkeit gegeben durch:
σ_zdW = (0,4 +/- 0,1) * R_m
Werden reine oder unreine Stähle bevorzugt?
Reiner Stahl OHNE Schlackeneinschluss, Sulfidzeile oder sonstigen inneren Störstellen werden bevorzugt
