Werkstoffprüfung - erledigt Flashcards
Einfluss auf Werkstoffeigenschaften / ändern sich in Abhängigkeit von
Struktur
Gefüge
Wechselwirkungen mit der Umgebung
Verhalten von Werkstoffen ist eine Reaktion(Widerstand) gegenüber den einwirkenden Belastungen.
Temperatur
Belastungsart und -dauer
Umgebungsmedien
Spannungszustand
Aufgaben der Werkstoffprüfung
Eigenschaften der Werkstoffe/Bauteile unter anwendungsnahen Bedinungen zu bestimmen
Festlegen/Bestimmung von Kenngrößen (für Bauteilberechnung)
Werkstoffdiagnose(Reaktion auf Umgebung)
Qualitätssicherung
Überwachung des Zustandes im Betrieb
Untersuchen von Fertigungsbedingten Eigenschaftsänderungen
Bauteilprüfung
Schadensanalyse
Prüfverfahren
Zerstörende Prüfverfahren
Zerstörungsfrei
Materialographie
Beanspruchungsarten
Mechanisch (statisch - stetig ansteigend - schwingend)
Biologisch
Strahlungsbelastung (Ionisiert / Beschichtungsstrahlung)
Thermisch
Tribologisch (Reibung Schmierung Verschleiß)
Korrosiv(elektrochem. Einflüsse Werkstoff–Umgebung)
Beanspruchungen können in einem Werkstoff sowohl erwünschte als auch unerwünschte Reaktionen hervorrufen.
Mechanische Prüfverfahren
was wird ermittelt?
Prüfverfahren
Festigkeit, Zähigkeit, Härte , Bruchverhalten, Verformungsverhalten, Dauerfestigkeit
Zugversuch Kerbschlagbiegeversuch bruchmechanische Prüfverfahren Schwingfestigkeitsversuche Härteprüfung
Zugversuch
Untersucht Festigkeitswerte, Verformungskennwerte
Belastung steig allmählich/stoßfrei an. (Quasistatisch)
Wird an ungekerbten, glatten Oberflächen durchgeführt
(homogener einachsiger Zustand)
Spannungs-Dehnungs-Diagram liefert Ergebnis (Verformungskurve)
Ausführung: mit geeigneten Prüfmaschinen wird an Probestäben die mit zunehmender Verformung sich einstellende Prüfkraft gemessen.
Probeformen sind Rund und Flachproben
(Proportionalstäbe kurz/lang Länge in Abhängigkeit zum Durchmesser)
Mit konstanter Verformungsgeschwindigkeit bis zum Bruch gedehnt
Spannungs Dehnungs Diagramm
(nur für kleine Veränderungen)
Kontinuierlicher Übergang von el zur pl. Verformung
Diskontinuierlicher Übergang von el zur pl. Verformung
Kurve mit ausgeprägtem Streckgrenzeneffekt
Kurve mit stark eingeschränkter Plastischer Verformung
Das Wahre Spannungs Dehnungs Diagramm
auf die momentanen Werte von Proben bezogen, wird gemacht wenn mit hoher Verformung gerechnet wird.
Gleichmaßdehnung
Erreichter plastischer Verformungsgrad bis zur merklichen Einschnürung
Druckversuch
Bei einer Rundprobe, Kraftfortpflanzung in einem Druckkegel
spröde = brechen plötzlich
zähe = zuerst Radialrisse danach Bruch
Bruch erfolgt in Ebene der größten Druckspannung
(unter 45° zur Druckrichtung)
Kerbschlagbiegeversuch
Festigkeitswerte sind von der Geschwindigkeit der Aufbringung der Belastung abhängig.
Gemessen wird Energie des Pendelhammers vor und nach dem Schlag.
Auch Kerben haben Einfluss. Je stärker die Kerbe desto stärker ist der Übergang vom zähen zum spröden Verhalten. Im Bereich der Kerben enstehen auch Spannungsspitzen.
Zähe Werkstoffe können diese durch plastische Verformung abbauen, spröde nicht.
Zähigkeit: Vermögen eines Werkstoffes Spannungsspitzen in einem Kerbgrund durch plastische Verformung abzubauen.
Bruchzähigkeit: kennzeichnet Rissausbreitungswiderstand
2Probenformen: U / V -Kerbung
2 Ausführungsarten: IZOD/CHARPY
Positv: Schnelle Aussagen über Sprödbruchneigung durch Bruchflächenbetrachung möglich.
Konstengünstig, vollautomatisierbar. einfach, schnell
Negativ: keine Aussagen über Rissenstehung und ausbreitung möglich.
Abhängigkeit der Kerbschlagarbeit von Probengeometrie und Kerbenform
Kerbschlagbiegeversuch
Ausführung
2 Brucharten
Ausführung: Einseitig gekerbte Probe durch einen Pendelschlaghammer schlagartig in Drei/Zweipunktbiegung bis zum Probenbruch belastet.
Ein Teil der kinetischen Energie wird dabei für Verformung und Bruch der Probe verbraucht.
Verformungsbruch (Zäh)
Trennbruch (Spröde)
Durch ermittlung der Kerbschlagarbeit in Abhängigkeit von Temperatur können wichtige Aussagen über die Temperaturlage eines ggf. vorhandenen Übergangs vom verformungsarmen Sprödbruch bei tiefen Temperaturen zum duktilen Verformungsbruch bei höheren Temperaturen gewonnen werden. (Stahlkonstruktionen)
Bruchsicherheit von Konstruktionen
An Proben Im Zug/Druckversuch gewonnene Werkstoffkenngrößen reichen durch mögliche Kerben, Steifigkeitssprünge, Material und Bauteilschädigung nicht aus um die Bruchsicherheit zu gewährleisten.
Fraktographie:
Methoden:
Anwendung:
Bruchvorgänge
Analyse der entstandenen Bruchfläche.
Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie
zur Identifikation von Bruchausgangsorten, Aussagen über mikroskopischen Bruchverlauf, Ausmaß beteiligter plastischer Verformungsvorgänge
örtliche plastische Verformung
Rissbildung
Rissausbreitung (Spalten von Atomverbindungen/ Abscheren von Gitterebenen)
Restbruch
Brucherscheinungen
Makroskopisches Bruchverhalten
Mikroskopisches Bruchverhalten
Mikroskopischer Bruchpfad
Verformungsbruch: Verformungsränder, zerklüftete Bruchfläche
Trennbruch: ebene Fläche, Glatte Ränder
Spaltbruch: Aufspalten des Atomgitters entlang dicht besetzter Gitterebenen
Plastische Bruch; 1) reine Schervorgänge
2) Riss/Porenbildung an Teilchen und Vereinigung durch Schervorgänge
Transkristalliner Bruch: durchs Innere des Korns
Interkristalliner Bruch: englang der Korngrenzen
Einflussfaktoren auf das Bruchverhalten
Versprödung durch folgendes gefördert.
Spannungsüberhöhungen und Mehrachsigkeit des Spannungszustandes (Kerben, Risse …)
Niedrige Temperatur (Tiefentempversprödung)
Hohe Verformungsgeschwindigkeit( keine Zeit für Werkstoff nachzugeben)
Versprödung durch aggressive Umgebungsmedien (zb Wasserstoff)
Festigkeitssteigerung (Mischkristallbildung, Kaltverformung..)
Anreicherung bestimmter Elemente
Strahlenschäden
Kerbschlagarbeit Temperatur Diagramm
3 char kurven
Rehe von Kerbschlagbiegeversuchen bei verschiedenen Temperaturlagen. Einzelne Messpunkte werden als Kurve verbunden.
3 Typen:
a) Kurve mit hoher weitgehend von der Temp unabhängiger Zähigkeit. (kfz)
b) Kurve mit Steilabfall zwischen Hoch/Tieflage (krz)
c) Kurve mit niedriger weitgehnd von Temp unabhängiger Zähigkeit (hochfeste martensitische Stähle)
Für Konstruktionen /Anwendungen sollte die Übergangstemperatur es KT Diagrammes deutlich niedriger als die Einsatztemperatur liegen.
Dynamische Beanspruchungen und Werkstoffverhalten
Statische Elemente
Dynamische Elemente
Alle sich bewegenden Teile sind Schwingungen ausgesetzt. Spannung ist zeitlichen Änderungen unterworfen.
Statisch: Säulen, Ständer, Fundamente, Rahmen , Gehäuse
Dynamisch: Getriebeteile(Wellen Zahnräder), Achsen , Federn, Kolben
Von Schwingungen beanspruchte Maschinenteile können bereits bei Belastung zu Bruch gehen die weit unter dem mit Zugversuch ermittelten Kennwerten liegen. Grund ist Werkstoffschädigung durch zyklische Belastung –> Ermüdung
Granzwerte = Dauerfestigkeit
Die meisten Werkstoffe sind in der Lage die Lastwechsel unbeschaded zu überstehen.
Dauerbruch
char. Bild
Ursachen
Bruch durch zyklische Belastung
- immer gleiches typisches Aussehen
Teils Glatt (dauerbruchfläche)
Rest Zerklüftet (gewaltbruchfläche)
Rissfortschritt an Rastlinien zu erkennen.
Etwa 90% der bei Maschinen/Fahrzeugen auftretenden Brüche sind Dauerbrüche
Ursachen:
Hohe Schwingungsbeanspruchung
Hohe Schwingspielfrequenzen
Große Versetzungskonzentrationen
Äußere Kerben (Übergänge, Eindrehungen, Bohrungen)
Innere Kerben (Poren, nichtmetall. Einschlüsse, Lamellen)
Einfluss auf Dauerfestigkeit haben Form/Größe des Bauteils und Oberflächenbeschaffenheit
Deshalb Gestaltfestigkeit definiert –> berücksichtigt Form/Größe/Oberfläche
Dauerschwingverhalten positiv beeinflussbar durch
Äußere Kerben durch Ausrundungen mildern (absätze zb)
Hohe Oberflächenqualität (fein/feinstbearbeitung)
Aufbau von Druckeigenspannung in den Randzonen eines Bauteils um dadurch äußere Spannungen zu kompensieren. (Kugelstrahlen Oberflächenhärten)
Dauerschwingversuch
3 Bereiche
Ermittlung des mechanischen Werkstoffverhalten an genormten Probestücken. Prüfmaschine für Schwingungen
3 Bereiche der Schwingbeanspruchung :
Schwellbereich Druck
Wechselbereich
Schwellbereich Zug
Versuch nach Wöhler
Zur Ermittlung der Dauerfestigkeit
Ergebnis ist die Wöhlerkurve
Probe wird bei GLEICHER MITTELSPANNUNG aber unterschiedlicher Amplitude getestet. Lastspiele bis zum Bruch werden gezählt. Probeform fläche größe müssen genau gleich sein.
Ergebnis ist die Wöhlerkurve, beim Erreichen von NG = 10hoch7 Lastspielen ist der Werkstoff als dauerfest einzustufen. Im Bereich bis 10hoch7 spricht man von Zeitfestigkeit.
Dauerfestigkeitskurve nach Smith
um gesamten Bereich der Schwingbeanspruchung zu erkennen. (Verschiedene Mittelspannungen)
Abszisse x Achse
Ordinate y Achse
Dauerschwingfestigkeit
max Spannungsausschlag um eine gegebene Mittelspannung den eine Probe ohne Rissbildung Bruch oder unzulässige Verformung beliebig oft erträgt.
Wird für Zug / Druck, Biegung und Abscherung berechnet.
Härteprüfung
Härte
Verfahren
Widerstand den ein Werkstoff dem Eindringen eines anderen/härteren Körpers entgegensetzt.
Statische Härteprüfung: Brinell Vickers Rockwell
Instrumentierte Härteprüfung
Dynamische Härteprüfung: Schlag/Rückprallprüfung
Indirekte Härteprüfung: Magnetische/elektrische Verfahren
Brinell-Härteprüfung
für metallische Werkstoffe
Prüfkörper: Hartmetallkugel wird zu 90° in Oberfl. gedrückt
Prüfkraft: wird langsam und stetig aufgebracht und eine gewisse Zeit gehalten. Dann wird der Eindruck gemessen.
Prüfdurchmesser = Mittelwerkt von 2 d im Rechten Winkel gemessen.
+ auch für zweiphasige/anisotrope Werkstoffe
Robuster Eindringkörper
- Lastabhängige Härtewerte
nur bis 650HBW
Bedienereinfluss (Fehler)
Vickers Härteprüfung
Prüfköper; quadratische Pyramide mit 136° Spitzenwinkel
Prüfdurchmesser: Mittelwert aus den Diagonalen
Haltezeit: 10-15s
Prüfkraft: - F aus Tabelle entnehmen
3 Härtebereiche: konventioneller Härtebereich
Kleinkrafthärtebereich
Mikrohärtebereich
Anwendung: für fast alle metallischen Werkstoffe
Härteverläufe an Einsatzgehärteten Querschnitten im Kleinkraftbreich
für dünne Bauteile und Schichten im Kleinkraftbereich
für Gefügebestandteile (Mikrobereich)
+ hohe Genauigkeit, breite Anwendung, lastunabhängige Härtewerte
- empfindlicher Eindringkörper, Rissgefahr bei spröden Werkstoffen, Messprobleme bei Anisotropie/Mehrphasigkeit, Bedienereinfluss
Härteprüfung Rockwell
Prüfkörper: Diamantkegel 120°
Nur für Werte 20-70 HRC
Prüfkraft: 98N
Prüfzusatzkraft 1,3kN
Diamantkegel wird zuerst durch Prüfvorkraft in Prbe gedrückt, danach durch Prüfzusatzkraft.
Eindringtiefe wird gemesssen.
1-8s Prüfzusatzkraft 2-6s Haltezeit
Anteil der elastischen Verformung wird dabei ausgeschaltet
Überprüfung von Wärmebehandlungseigenscahften nach Härten/Vergüten …
Bestimmung von Aufhärtbarkeit/Einhärtbarkeit von Stählen
+ Direktes Ablesen der Härte, kein Bedienereinfluss
gut automatisierbar, berücksichtigt el./pl. Verformung
- geringe Auflösung, weiche Materialien nicht Prüfbar, für dünne Härteschichten nicht geeignet
Instrumentale Härteprüfung Martenshärte
Eindrücken des Prüfkörpers erfolgt kontinuierlich. Die sich verändernde Prüfkraft wird über Eindringtiefe aufgezeichnet.
Prüfkörper: Diamantpyramide 136°. Kraft wird ständig registriert Makrobereich: zwisch 2N-30kN Mikro unter 2N, h> 0,2µm Nano h<0,2µm
Martenshärte ist das Verhältnis der Kraft zur momentanen Eindruckoberfläche
Andwendung Mikro/Nano für dünne Schichten und Gefügebstandteile
+ schnell , präziese, automatisierbar
kein Bedienereinfluss
Berücksichtigung el.pl Verhalten
auch bei sehr Elastischen Werkstoffen möglich
dünne Härteschichten/Gefügebestandteile messbar
- Aufwendige Technik
hohe Oberflächenqualität erforderlich
Vergleich von Härtewerten
Tabellen vorhanden für Umwertung. Beruhen nur auf pratischen Erfahrungen. Umwertung nur zw. bestimmten Werkstoffgruppen möglich.
Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung
Aufgaben
Liefert Rückschlüsse auf das Verhalten von Werkstoffen auf physikalische Einflüsse, Werkstoffzustand und Materialfehler.
Aufgaben:
Fehlersuche in Produktkontrolle
Prüfung der Zusammensetzung der Struktur
Ermittlung Geometriekenngrößen
Werkstoffzustand über physikalische Größen ermitteln
(Risse,Poren,..)
(chem,Gefüge, Struktur, Homogenität)
(Randschichtstücke, Wanddicke ..)
(Eigenspannungsmessung, indirekte Härtemessung)
Durchstrahlungsprüfung (Röntgen / Gamma)
Elektromagnetische Wellen die in der Lage sind Festkörper zu durchdringen.
Röntgen: Kurzwellig (je < Wellenlänge umso größere Durchdringung)
entstehen beim Auftreffen von energiereicher Ladung auf Metalloberfläche in der Röntgenröhre. Kontrastreiche Bilder
Gamma: enstehen beim Zerfall instabiler radioaktiver Isotope.
Strahlen werden beim Druchdringen geschwächt.
Wenn Materialfehler so ist die Strahlungsintensität gegenüber dem restlichen homogenen Werkstoffteil verändert.
Röntgenfilm zeichnet die Intensität durch Schwärzung des Films auf. (Homogene Stellen hoher Schwärzegrad - mittlerweile Digitaltechnik 3d Bilder)
Strahlen sind gesundheitlich schädlich
Ultraschallprüfung
Schallwellen
Prüfkopf Bauformen
2Verfahren
> 20kHZ
Schallwellen= elastische Wellen, regen Teilchen des Werkstoffes in bestimmten Frequenzbereichen zur Schwinung an.
Ausbreitung als Longitudinalwellen und Transversalwellen.
Für Erzeugung und Empfang ist piezoelektrischer Effekt verantwortlich.
3 Prüfkopf Bauformen:
Senkrecht Prüfkopf : senkrecht zur Bauteiloberfläche, für Bleche, Schmiedeteile, Gusseisen
SE Prüfkopf: getrennte Sende/Empfangsstation
für Wanddickenmessung
WinkelPrüfkopf: bestimmter Winkel zur Bauteiloberfläche
für Schweißnahtprüfung
2Verfahren:
Impuls-EchoVerfahren: Schallwellen werden beim Auftreffen reflektiert - Fehlstelle=Luftpolster. Echo wird wieder Empfangen, Laufzeitimpulse werden gemessen.
Durchstrahlungsverfahren: Probe liegt zw. Sender und Empfänger, Unterschiedliche Schallintensität durch Fehlstellen wird gemessen.
Magnetische Prüfverfahren
Magnetpulververfahren
Wirbelstromprüfung
Magnetpulververfahren
Nur für ferromagnetische Werkstoffe
Fehler, Risse, Bindefehler, Fremdeinschlüsse bis zu 5mm unter der Oberfläche können nachgewiesen werden.
Kleine frei bewegliche Metallteilchen werden auf Oberfläche gesprüht, sammeln sich an den Streufeldern. (Mittels Uv Licht und fluoreszierenden Teilchen noch ebsser Erkennbar). Aussage über Risstiefe nicht möglich.
Wirbelstromprüfung
Es wird zur Prüfung elektrisch leitender Werkstoffe eingesetzt.
Bei der Wirbelstromprüfung wird der Effekt ausgenutzt, dass die meisten Verunreinigungen und Beschädigungen in einem elektrisch leitfähigen Material auch eine andere elektrische Leitfähigkeit als das eigentliche Material haben.
Bei der Prüfung wird durch eine Spule ein wechselndes Magnetfeld erzeugt, welches im zu untersuchenden Material Wirbelströme induziert. Bei der Messung wird mittels eines Sensors, die Wirbelstromdichte durch das vom Wirbelstrom erzeugte Magnetfeld detektiert.
Fehler auch in größeren Tiefen erfassbar und Größe bestimmbar.
Zugfestigkeit [Rm]
Fließgrenze
Gleichmaßdehnung[Ag}
Bruchdehnung[A]
Streckgrenze [Re]
Brucheinschnürung
Duktilität
Spannung, die im Zugversuch aus der maximal erreichten Zugkraft bezogen auf den ursprünglichen Querschnitt der Probe errechnet wird
Zugfestigkeit = Max Zugkraft/Ausgangsquerschnitt
Ab hier plastische Verformung
Ag = die auf Ausgangslänge bezogene plastische Längenänderung bei Belastung mit FMax. Gibt an dass sich die Probe bis Fmax nicht einschnürt sondern nur gleichmäßig dehnt. Ab hier nimmt die von der Probe ertragbare Kraft aufgrund der Einschnürung ab.
Bleibende Verlängerung der Probe nach dem Bruch bezogen auf die Ausgangslänge. [A=DeltaL/Lo]
Bezeichnet die Spannung bis zu der ein Werkstoff bei Zugbeanspruchung keine dauerhafte plastische Veränderung zeigt.
Ab Rm tritt örtliche Einschnürung auf, auf der dann der Bruch der Probe erfolgt. Die dabei auftretende größte relative Querschnittsänderung wird als Brucheinschnürung Z bezeichnet. Ist ein Maß für die Duktilität des Werkstoffes. [Z=deltaS/So]
Ist die Eigenschaft eines Werkstoffs, sich unter Belastung plastisch zu verformen, bevor er versagt.
Seilprüfung
Analyse vor Ort
Kennwerte die ermittelt werden
Prüfung laufender und stehender Seile
Förderseile, Kranseile, Seilbahnseile, Abspannseile, Brückenseile, Offshore Seile
Visuelle und magnetinduktive Prüfung auf äußere/innere Drahtbrüche, Verformungen, Korrosion und Verschleiß
Ultraschallprüfung von verdeckten Bereichen unter Seilschellen/Vergussbereich
Zerstörungsfreie Prüfung an Seilverlagerungsstrukturen wie Ankerstangen oder Zug/Spanngliedern
Bruchkräfte Biegezahlen/Vorwindezahlen Längungsmodul Zeitstandverhalten Dauerfestigkeit Drehmomente undDrehwinkel
Visuelle Seilprüfung
Ist oft gesetzlich vorgeschrieben, Kontrolle des Seils im Vorbeilaufen. v<0,5m/s
- unergonomische Arbeitsverhältnisse, Witterungseinflüsse, Konzentrationsbeanspruchung
Protoyp wurde entwickelt,
4 Kameras mit Led scannen laufendes Seil, Abweichung der Normalen Seilstruckturen werden erkannt und vom PC aufgezeichnet.
Magnetinduktive Seilprüfung
Durchstrahlungsprüfung
Inhomogenität erzeugt magnetische Streufelder, Messpule erfasst diese.
Drahtbrüche, Korrosion und Beschädigungen werden angezeigt.
Schadensanalyse
Systematisches Verfahren zur Emittlung der Ursache des Versagens technischer Bauteile.
Gewonnene Erkenntnisse dienen zur Vermeidung weiterer Schäden, es lassen sich häufig Regeln und Normen ableiten.
Ziel: Ermittlung der direkten Schadensursache
Ursache ist meist Summe verschidener Faktoren.
Einflüsse aus Produktion/Fertigung Konstruktive Mängel Falsche Werkstoffauswahl Werkstofffehler Falsche Dimensionierung Unerwartete Beanspruchungen
Folgende Maßnahmen ziehen:
Veränderung der Inspektionsintervalle
Austausch
bei Serie Rückrufaktion
Ablauf: Schadensbeschreibung Bestandsaufnahme Schadenshypothese Art/Umfang der Untersuchungsschritte festlegen Durchführung der Untersuchung Vergleich der Ergenbisse Bericht
Hooke´sche Gerade
Die Hooke´sche Gerade ist der linear-elastischen Bereich des Diagramms (Proportionalbereich), in welchem die Dehnung der Spannung proportional ist und somit das Hookesche Gesetz (σ = E * ε) gilt. E = E-Modul (für Stahl 210.000 N/mm²), beschreibt den Anstieg der Geraden im Hooke´schen Bereich.
Unterschied techn / wahres Spannungsdehnungsdiagramm
Das wahre Spannung-Dehnung-Diagramm bezieht die Einschnürung der Probe mit ein. Dies ist in der Praxis wichtig, wenn man mit hohen Verformungsgraden rechnen muss.
Die wahre Spannung wird auf den geringsten Querschnitt bezogen - kein Scheitelpunkt im SDD. Der Werkstoff verfestigt kontinuierlich bis zum Bruch.
Elastizität
Festigkeit
Arbeitsvermögen
Zusammenhang zwischen Zugspannung und Dehnung
Werkstoffwiderstand gegen plastische Verformung
plastische Verformungsarbeit
IZOD/Charpy
Im Unterschied zu der Prüfung von gekerbten Prüfkörpern in der Charpy-Anordnung, wo der Schlag auf die dem Kerb gegenüberliegende Seite erfolgt(3Punkt Biegung), schlägt der Pendelhammer in der IZOD-Anordnung auf die Seite, auf der sich der Kerb befindet(2Punkt Biegung).
