Werkstoffe 3 - Werkstoffprüfung

WERKSTOFFE 3 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Januar 2014


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3. WERKSTOFFPRÜFUNG

3.1. ZERSTÖRENDE PRÜFUNGEN

3.2. ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNGEN

3.3. METALLOGRAPHIE


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LERNZIELE

Nach der Vorlesung sind Sie in der Lage...

...die wichtigsten Aufgaben der Werkstoffprüfung zu nennen und näher zu beschreiben

...zwischen den verschiedenen Typen der Werkstoffprüfung (dynamisch, statisch, zerstörend, zerstörungsfrei) zu unter-scheiden

...die wichtigsten Charakteristika folgender Prüfverfahren zu beschreiben:

Zugversuch (einschl. Bruchverhalten) Härteprüfung (BRINELL, VICKERS, ROCKWELL, MARTENS) Kerbschlagbiegeversuch (einschl. Temperaturabhängigkeit) Dauerschwingversuch (einschl. WÖHLER-Kurve)


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LERNZIELE

...die Besonderheiten einiger ausgewählter technologischer Prüfverfahren wiederzugeben

...die wichtigsten Charakteristika folgender zerstörungs-freier Prüfverfahren zu beschreiben:

Eindringverfahren magnetisch-induktive Verfahren Ultraschallprüfungen radiographische Methoden

...die Bedeutung der Metallographie als weiteren Zweig der Werkstoffprüfung zu verstehen


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Bestimmung technologischer Eigenschaften

( Grundlagen-forschung)

Ermittlung von Schadensursachen

(Gutachten)

Überprüfung fertiger Werkstoffe (Qualitätsprüfung)

Aufgaben der Werkstoffprüfung


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Bestimmung technologischer Eigenschaften

( Grundlagen-forschung)

Ermittlung von Werkstoffkennwerten

Kontrolle von Behandlungen, die die Eigenschaften

der Werkstoffe verändern

Vergleich wichtiger Eigenschaften unterschiedlicher

Werkstoffe und Werkstoffzustände

Dimensionierung (Ermittlung von zulässigen Quer-

schnitten) von Bauteilen für vorgegebene Bean-

spruchungen (Lastspannungen)



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Überprüfung fertiger Werkstoffe

( Qualitätsprüfung)

Anforderungen bzw. Soll/Ist - Abweichungen

chemische Zusammensetzung

Gefügezustand

Größe und Verteilung von Einschlüssen, Ausscheidun-

gen oder dispergierten Teilchen

Eigenspannungszustand

Oberflächenzustand (Rauhigkeit, Traganteil)

Dicke von Oberflächenschichten (Schutzschichten)



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Ermittlung von Schadensursachen

( Gutachten)

Werkstoff- oder Bauteilfehler

innere Risse und Oberflächenrisse

Lunker (Gußfehler)

Poren, Schlauchporen und Porennester

Einschlüsse (Schlackeneinschlüsse, Schlackennester,

Schweißfehler



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zerstörende Prüfung Überprüfung von

chem./physik. Eigenschaften

zerstörungsfreie Prüfung Qualimetrie/Defektoskopie

Prüfung von Verarbeitungseigenschaften

Prüfung mechanischer Eigenschaften

statische

Prüfungen

dynamische

Prüfungen

Systematik der Methoden


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statische

Prüfungen

dynamische

Prüfungen

Belastung wird langsam bis zum Höchstwert gesteigert

oder schnell ausgebracht und konstant gehalten.

Belastung wird schlagartig ausgebracht oder ändert sich

periodisch zwischen zwei Grenzwerten.

Zugversuch Druckversuch Härteprüfung Zeitstandversuch

Kerbschlag-biegeversuch

Dauerschwing-versuch

Systematik der Methoden


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Zug

Druck

Biegung

Torsion

Zugversuch

Druckversuch


Torsionsschwing-versuch

Systematik der Methoden Art der Beanspruchung


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Zerstörende Prüfung


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Statische Prüfungen


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Zugversuch


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Definitionen &

Normung


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klassisches Prüfverfahren zur Bestimmung der mechanischen Gütewerte von

Metallen und Nichtmetallen

einachsige Zugbeanspruchung: gleichmäßige & stoßfreie Streckung bis zum

Bruch bzw. Riß der Probe

Spannung ist beim Versuch gleichmäßig über Querschnitt verteilt

Dehngeschwindigkeit niedrig: < 10% Dehnung/Minute bzw. < 10 N/mm2

Steigerungsrate

Normung:

Begriffe des Zugversuchs: EN 1002-1:01

Probestabformen: EN 50125:04

Zugversuch Definitionen &

Normung



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Probestabformen:

kurzer Proportionalstab: L0 = 5 d0 ()bzw. L0 = 5 1,13 √S0 ()

langer Proportionalstab: L0 = 10 d0 () bzw. L0 = 10 1,13 √S0 ()

Zugversuch Definitionen &

Normung



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Theoretische

Grundlagen


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Theoretische

Grundlagen

Belastung elastische

Verformung plastische

Verformung

Elas

tizi

täts

gre

nze

Rückkehr zur alten

Form nach Entlastung

Zurückbleiben einer Form-

veränderung nach Entlastung

spröde WS brechen plötzlich (Gläser/Keramiken)

oder fortschreitend (Zement/Beton)

Zugversuch Statische

Prüfungen


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Längenänderungen (Dilatationen) ΔL

Dehnung: = ΔL/L0 (Verkürzung Stauchung)

Winkeländerungen (Torsionen) γ

Zugversuch Theoretische

Grundlagen

Formänderungen



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Zugkraft F Verlängerung ΔL: Kraft-Verlängerungs-Diagramm


Grundlagen

Formänderungen


L01 = L02

A02 = n · A01


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Eliminierung des Geometrieeinflußes Normierung


Grundlagen

Formänderungen

Normalspannung

= F/S0 (F ⊥ S0)

Schubspannung

= F/S0 (F ‖ S0)

Cave: Jede äußere Belastung erzeugt innerhalb eines

Bauteils sowohl Normal- als auch Schubspannungen!


Dehnung

ε = (L – L0)/L0


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Zugversuch Kennwerte

Proportionalitätsfaktor zwischen Normalspannung und

elastischer Verformung ( kleine ε–Werte)

Elastizitätsmodul E E = Δσ/Δε

Proportionalitätsfaktor zwischen Schubspannung und

Schiebung ( kleine γ–Werte)

Schubmodul G G = Δτ/Δγ

elastische Konstanten



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Proportionalitätsfaktor zwischen Druck und relativer

Volumenänderung ( kleine ΔV-Werte)

Kompressionsmodul K K = - p/ΔV

K ≈ E, G ≈ 3/8 E

elastische Konstanten



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Längenzunahme (Streckung) hat bei der Verfor-

mung metallischer Werkstoffe zwangsläufig eine

Querschnittsabnahme (Stauchung) zur Folge


Querkontraktion

negatives Verhältnis aus relativer

Dickenänderung (Δd/d) und rela-

tiver Längenänderung (Δl/l) bei

Einwirkung einer äußeren Kraft

oder mechanischen Spannung

POISSON-Zahl ν

ν = - (Δd/d)/(Δl/l) ν = εquer/εlängs

Δl > 0 Δd < 0

Δd > 0 Δl < 0

ν > 0



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Zusammenhänge zwischen elastischen Konstanten:


Querkontraktion

ν = E/2G - 1 ν = (3K - E)/6K ν = (3K – 2G)/(6K + 2G)

Volumenänderung bei einachsigen Spannungszuständen (Zugversuch):

ΔV/V = (1 – 2ν) · Δl/l mit V = const: 1 – 2ν = 0 (da Δl ≠ 0) ν = 0,5

Metalle: 0,3 < ν < 0,4 Zugbelastung: V, Druckbelastung: V

Zug/Druck ΔV ≠ 0 Dichteänderung



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Exkurs: Auxetische Materialien


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Dehnung ⊥ Streckrichtung

(Δd > 0)

POISSON-Zahl

ν < 0

Streckung

(Δl > 0)

Einführung

auxetos, griech. dehnbar


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Modellvorstellung

wabenförmiger Aufbau mit „inverted hexagonal periodicity“ („auxetic he-

xagons“):


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Anwendungen

schußsichere Westen

künstliche Lungen

…

http://www.applied-auxetics.de/auxetik.html

http://www.hyperraum.tv/2013/04/30/auxetik-querdenker-gefragt/

http://www.auxetix.com/index.htm


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Durchführung


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Zugversuch

Prüfmaschine

Durchführung Statische

Prüfungen


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Zugversuch

Stahl S235JR

Verformung einer Zugprobe

Durchführung Statische

Prüfungen


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Spannungs-Deh-

nungs-Diagramm


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Zugversuch Spannungs-Deh-

nungs-Diagramm

WS mit ausgeprägter Streckgrenze


HOOKEsche Gerade

LÜDERS-Dehnung

Gleichmaßdehnung

Brucheinschnürung


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nungs-Diagramm

HOOKEsche Gerade


Bereich der elastischen Verformung: Entlastung

ursprüngliche Form

Dehnung ist proportional zur Spannung im Werk-

stoff: ε ~ σ

Proportionalitätskonstante E (E-Modul): E = σ/ε

E ist charakteristisches Maß für die Steifigkeit (Widerstand gegen elasti-

sche Verformung WS 2.1. – mechanische Eigenschaften) eines Werk-

stoffes unter Zug- und Druckbeanspruchung

obere Streckgrenze ReH kennzeichnet Übergang vom elastischen zum plasti-

schen Werkstoffverhalten


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nungs-Diagramm

LÜDERS-Dehnung


Bereich der plastischen Verformung: Entlastung

keine Rückkehr zur Ausgangsgeometrie (blei-

bende Dehnung)

Erreichen von ReH: Spannungsabfall auf ReL (untere

Streckgrenze)

Ursache: kombiniertes Wirken von Zwischengit-

teratomen (C, N) und Versetzungen

COTTRELL-Wolke


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nungs-Diagramm

LÜDERS-Dehnung


Wanderung von ZG-Atomen in das Spannungsfeld unterhalb der Versetzung

Behinderung der Versetzungsbewegung

ReH: Versetzungen lösen sich von ZG-Atomen; weitere Bewegung benötigt

weniger Energie: ReL

Verformung ist auf einen kleinen Bereich innerhalb der Meßlänge örtlich be-

grenzt

zunehmende plastische Verformung: Bereich wandert durch gesam-

te Probe „LÜDERS-Bänder“: „Spuren“ der Gleitschichten (Verfor-

mung)

http://vimeo.com/4586024


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nungs-Diagramm

LÜDERS-Dehnung


Auftreten: krz-Metalle (unlegierte/niedriglegierten untereutektoide Stähle)

eigentliche LÜDERS-Dehnung AL (auch εL): plastische Dehnung mit konstanter

Nennspannung (bei ReL)

ohne ausgeprägte Streckgrenze: Dehngrenze Rp


41


nungs-Diagramm

Gleichmaßdehnung


weitere plastische Verformung: Verfestigung

σ für ε (Verformungsverfestigung bzw. Kalt-

verfestigung)

plastische Verformung Bewegung von Verset-

zungen & Entstehen neuer Versetzungen (Verset-

zungsvervielfachung) gegenseitige Hinderung

der Beweglichkeit (σ)

gleichmäßige Dehnung der Zugprobe über die gesamte Meßlänge Quer-

kontraktion (da V = const)


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nungs-Diagramm

Gleichmaßdehnung


Begrenzung der Gleichmaßdehnung: Zugfestigkeit Rm (= Fm/S0)

Rm ist die größte technische Spannung während des Zugversuches

Gleichmaßdehnung Ag: plastische Dehnung bei Höchstzugkraft, ε(Rm)

Ermittlung durch parallele Verschiebung der HOOKEschen Geraden (ge-

samte Dehnung setzt sich aus elastischem und plastischem Anteil

zusammen)

Gleichmaßdehnung ist ein wichtiger Werkstoffkennwert zur Beurteilung

der Kaltumformbarkeit eines Werkstoffes


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nungs-Diagramm

Brucheinschnürung


weitere plastische Verformung: , Begrenzung

der Verformung auf kleines Gebiet

lokal begrenzte Dehnung örtliche Querschnitts-

abnahme (Einschnürung)

Bruch an der am stärksten eingeschnürten Stelle

Bruchdehnung A: plastische Dehnung zum Zeitpunkt des Bruches (A = ΔL/L0

in %, graphische Bestimmung analog zu Ag)

Ermittlung von Lu anhand bleibender Probenverlängerung


Brucheinschnürung Z: wichtiges Merkmal zur Beschreibung des Verformungs-

vermögens eines Werkstoffes

größte Querschnittsänderung an der Zugprobe im Bereich der Einschnürung

nach dem Bruch, bezogen auf den Anfangsquerschnitt: Z = (S0 – Su)/S0 (in %)

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nungs-Diagramm

Brucheinschnürung



45


nungs-Diagramm


WS ohne ausgeprägte Streckgrenze

Dehngrenze


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nungs-Diagramm


WS ohne ausgeprägte Streckgrenze

keine ausgeprägte Streckgrenze: allmählicher

Übergang vom elastischen zum plastischen Werk-

stoffverhalten

Bestimmung der Dehngrenze Rp: Spannung, bei der

eine vorgegebene Verformung erreicht wird

üblicherweise Rp0,2

Ermittlung durch parallele Verschiebung der HOOKEschen Geraden

Auftreten: viele Aluminium- und Kupferlegierungen


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Zugversuch

Werkstoff-kennwerte

Elastizitäts-modul E

Streckgrenze Re

Dehngrenze Rp0,2

Zugfestigkeit Rm

Bruch-dehnung A

E = Δσ/Δε Re = Fe/S0 A = 100 (Lu – Lo)/Lo Rm = Fm/S0 Rp0,2 = Fp0,2/S0

Spannungs-Deh-

nungs-Diagramm

Werkstoffkennwerte



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nungs-Diagramm

wahre Spannung


Nennspannung

= F/S0

wahre Spannung

(ε) = F/S(ε)

Verhalten der

Konstruktion

Merkmal für das reine

Werkstoffverhalten

Vernachlässigung zu Beginn

der plastischen Verformung

Dehnung nur noch im

Bereich der Einschnürung

wahre Spannung

Nennspannung


49


nungs-Diagramm

Vergleich



50


nungs-Diagramm

Vergleich



51


nungs-Diagramm

Vergleich



52

Zeitstandversuche


53

Untersuchung des Zeiteinflußes auf Werkstoffverhalten unter Be-

lastung (in der Regel bei höheren Temperaturen)

THUM & RICHARD (1941): keine minimale Festigkeitsgrenze („Dau-

erstandfestigkeit“ Dauer[schwing]festigkeit im Dauerschwing-

versuch) bei erhöhten Temperaturen

Langzeituntersuchungen/Zeitstandversuche (DIN EN ISO 204)

Unterscheidung:

Zugversuch Zeitstandversuche Statische

Prüfungen

Kriechen

(Retardation)

= const, ε ≠ const

Relaxation

ε = const, ≠ const

Fließen

irreversible Verformung

unter Krafteinwirkung

nach Überschreiten

einer Fließgrenze


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Zeiteinfluß bei hoher Spannung (und erhöhten Temperaturen): stetige Zu-

nahme der Verformung bei konstanter Belastung


Prüfungen

Kriechen (creep)

Einführung

elastischer/plastischer

Festkörper

ε = 𝒇(σ)

kriechender

Festkörper

ε = 𝒇(σ, t, T)

Hochtemperaturverhalten

wenig vertrautes

Phänomen im Alltag


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Prüfungen

Kriechen

Kriechversuch


56


Prüfungen

Kriechen

Kriechkurve

Bereich I

Belastungsdehnung (vk = 0): kein Kriechen

Bereich II

primäres Kriechen (vk > 0): Kriechen des

WS, aber vk (dε/dt → 0)

Bereich III

sekundäres/stationäres Kriechen (vk > 0):

Kriechen des WS mit vk = const (dε/dt = 0)

Kriechgeschwindigkeit:

vk = dε/dt


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Prüfungen

Kriechen

Kriechkurve

Bereich IV

tertiäres Kriechen (vk > 0): Kriechen des WS

mit vk (dε/dt → ) Bruch (u.U. nach

Jahren!)

Kriechgeschwindigkeit:

vk = dε/dt


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Kriechvorgänge sind z.B. in Wärmekraftanlagen

oder Turbinenschaufeln von Bedeutung

Übergangstemperatur: ca. 0,3 – 0,4 TS

Forderung bei Turbinenschaufeln: vk ≤ 10-6 %/h

ε = 10-3% in 1000 h (ca. 42 d)

ε = 10-2% in 10000 h (ca. 13 m)

ε = 0,1% in 100000 h (ca. 11,5 a)


Prüfungen

Kriechen


59

Zeiteinfluß bei konstanter Verformung: stetiger

Spannungsabfall bei konstanter Dehnung

Messung des zeitlichen Verlaufs (die Abnahme) der

benötigten Kraft zur Aufrechterhaltung einer kon-

stanten Verformung bzw. Dehnung

Bsp.: „Erlahmen“ von Federn bei fest vorgegebe-

ner Einbaulänge Kraftabfall


Prüfungen

Relaxation

ε = const, ≠ const


60

Bruchverhalten


61

Zugversuch

Gewaltbrüche einmalige

Überlastung

verformungslose/-arme Spröd-/Trennbrüche

Verformungsbrüche (duktile Brüche)

spröde Werkstoffe

zähe Werkstoffe

Bruchverhalten

Unterscheidung



62

Zugversuch

Probestab mit Rechteckquerschnitt (sehr grob-

körnig; ein Kristallit nimmt gesamten Querschnitt

ein)

Trennung der Atome längs Ebene I durch Zugkraft F

(> Trennwiderstand)

vor Trennung: Versetzungen in Ebenen II kommen

in Bewegung Verformung des Stabs

Bruchverhalten

innere Vorgänge



63

Zugversuch

Ursache: Schubkräfte Fq

Herkunft von Fq: Schnitt unter Winkel α

Kräftegleichgewicht: F = Fq + FN

Normalkraft FN = F sin α ( Normalspannung )

Trennung der beiden Schnittufer; Gegenkraft:

Bruchwiderstand

Schubkraft Fq = F cos α ( Schubspannung )

Verschiebung der beiden Schnittufer; Gegen-

kraft: Verformungswiderstand

Bruchverhalten

innere Vorgänge



64

Zugversuch

Verformungswiderstand < Bruchwiderstand („Es ist leichter, Versetzungen zu

verschieben, als Atome zu trennen.“)

Voraussetzung für Wandern von Versetzungen: ausreichend große Schub-

spannung , welche den Gleitwiderstand überwindet, ehe Normalspannung

die Größe des Bruchwiderstands erreicht

Schubspannung: = Fq/AS = F cos α sin α/b s

AS = A/sin α = b s/sin α („Wurstanschnitt“)

maximal, wenn α = 45°

Bruchverhalten

innere Vorgänge



65

Zugversuch

innere Schubspannungen erreichen in allen Ebenen, die unter 45° zur Achse

der Zugkraft liegen, einen Höchstwert

Bruchverhalten

innere Vorgänge



66

Zugversuch Bruchverhalten

Ursachen für Bruchverhalten



Probe bricht plötzlich ohne sichtbare plastische

Verformung

Ausbreitungsgeschwindigkeit: ca. 1000 m/s (in

(Stahl) schwere Schadensfälle (siehe rechts: Pe-

dalbruch)

Bruchfläche ist wenig uneben, zeigt glatte Spalt-

flächen (⊥ zur größten Normalspannung)

67

Zugversuch Bruchverhalten

Spröd-/Trennbruch



68

Zugversuch

auch: transkristalliner Sprödbruch

Entstehung: Trennung von Kristallebenen inner-

halb eines Korns (Spaltflächen) Ausbreitung

über gesamten Querschnitt

Spaltbruchfläche in 22 Mo4

Bruchverhalten

Spröd-/Trennbruch Spaltbruch



69

Zugversuch

mikroskopisch: verformungslos, aber Ent-

stehung setzt mikroskopische plastische

Verformbarkeit (Mikroplastizität) voraus

Bewegung von Versetzungen in einem

Korn führt zu Versetzungsaufstau vor Hin-

dernissen Spannungsfeld Mikroriß in

einem Nachbarkorn, sobald Spannung groß

genug

Bruchverhalten

Spröd-/Trennbruch



70

Zugversuch

Ausbreitung des Mikrorisses/Entstehung hinter einer Korngrenze: bestimmte

Ausrichtung des Gitters dieses Korns erforderlich

Bruchverhalten

Spröd-/Trennbruch



71

Zugversuch

Wahrscheinlichkeit von Sprödbrüchen abhängig von Gitterstruktur des

Werkstoffes: nahezu ausschließlich in krz/hdp-kristallisierenden Metallen

(bzw. WS ohne Gleitmöglichkeiten/mit hohem Verformungswiderstand)

Bsp.: α-Fe, Cr, Mo, W, Zn (Glas, Keramik)

sprödbruchbegünstigend:

tiefe Temperaturen

mehrachsige Spannungszustände (Kerben, schroffe Übergänge…)

ungleichmäßiges Gefüge (fehlerhafte Wärmebehandlung, Schweißnähte)

Bruchverhalten

Spröd-/Trennbruch



72

Zugversuch

auch duktiler Bruch

Probe bricht nach starker plastischer

Verformung

Bruchfläche ist zerklüftet und zeigt

Waben, deren Ränder erst in der

letzten Phase des Bruches getrennt

wurden zäher Bruch mit Waben in S235J2

Bruchverhalten

Verformungsbruch



73

Zugversuch

Auftreten bei dünnen Flachstäben und Werkstoffen mit vielen Gleitmöglich-

keiten

nach einer möglichen Einschnürung bricht die Probe unter Wirkung der

Schubspannungen in einer 45°-Ebene

makroskopisch verschiedene Formen

Bruchverhalten

Verformungsbruch



74

Zugversuch

gesamte Bruchfläche liegt unter 45° zur Zugrichtung

reiner Scher- oder Schrägbruch

Bruchverhalten

Scher-/Schrägbruch



75

Zugversuch

Einschnürbruch

Folge einer Querschnittsverringerung,

die bei sehr gut verformbaren Metallen

bis zu einer annähernd punktförmigen

Bruchfläche führen kann

Bruchverhalten

Einschnürbruch



76

Zugversuch

auch Krater-Kegel-Bruch

häufige Bruchform bei zähen Werkstoffen

neben einer mehr oder weniger starken Ein-

schnürung weist der Rand des Bruches Flä-

chen unter 45° zur Zugrichtung aus (Scher-

lippen)

restliche Bruchfläche ist rechtwinklig zur

Zugrichtung („Normalspannungsbruch“)

Trichterbruch

Bruchverhalten

Trichterbruch



77

Zugversuch

weitere Bruchformen: Wabenbruch, Fräser-

bruch, Quasi-Spalt- oder Rosettenbruch

oft Mischbruch

Mischbruch

Bruchverhalten

Trichterbruch



78

Härteprüfung


79

Einführung


80

Einsatz zur Qualitätskontrolle:

Messung erfolgt am Werkstück selbst, es ist keine Probe erforderlich

kurze Meßzeit, Direktablesung der Härte als Kennwert H

Eindringvermögen ist abhängig von Gestalt und Härte des Eindringkörpers

sowie Art und Größe der Belastung

Härteprüfung

Bei der zahlenmäßigen Angabe von Härtewerten muß

immer das Härteprüfverfahren angegeben werden!

Einführung

Definition

„Härte ist der Widerstand, den ein Stoff dem Eindringen eines Körpers aus einem härteren Stoff entgegensetzt.“



Eindringen eines Prüfkörpers unter

statischer Belastung

Eindringen eines Prüfkörpers unter

dynamischer Belastung

81

Härteprüfung Einführung

Einteilung der Methoden

Härteprüf-verfahren

Ritzhärte-prüfverfahren

statische Prüfverfahren

dynamische Prüfverfahren

Feilhärte-prüfverfahren



82

Härteprüfung

statische Prüfverfahren

dynamische Prüfverfahren

Prüfkraft wird stoßfrei aufgebracht und wirkt bei den

meisten Verfahren eine vorbestimmte Zeit ruhend ein

nach dem Entlasten: Messung des bleibenden Eindrucks

Eindruckfläche Härte =

Prüfkraft/Eindruckfläche

Eindringtiefe direkte Umwandlung

in Härtewert

Eindringtiefe Rückprallverfahren

Prinzip der elastischen Rückfederung

Einführung

Einteilung der Methoden



83

qualitative, nicht-lineare Härteskala

(hauptsächlich für Mineralien)

Prinzip: Härtere Stoffe ritzen wie-

chere.

Härteprüfung Einführung

MOHSsche Ritzhärte (1812)



84

Härteprüfung nach

Brinell


85

statisches Härteprüfverfahren

Messung der Eindruckfläche

Eindringkörper:

früher: geschliffene Stahlkugeln (preisgün-

stig & unempfindlich)

seit 2006: Kugeln aus Sinterhartmetall

Kugeldurchmesser D hängt ab von

Dicke der Probe

Härte des Werkstoffes

Härteprüfung

EN ISO 6506:06

Härteprüfung nach

Brinell (1906)

Einführung



86

Auflagefläche der Probe darf keine sichtbare Verformung zeigen; Durchmes-

ser D der verwendeten Kugel richtet sich nach der Probendicke s

Eindruck plastische Verformung des Werkstoffs & Kaltverfestigung neben

und unterhalb der entsprechenden Kalotte (Eindrucktiefe)

vergleichbare & reproduzierbare Härtewerte: Höhe h der Kalotte soll höch-

stens 1/8 der Probendicke s betragen

Härteprüfung Härteprüfung

nach Brinell

Prüfbedingungen



87

Kugeldurchmesser D = 1; 2,5; 5 und 10 mm

D so groß wie möglich: nach Härteprü-

fung muß festgestellt werden, ob für

den ermittelten Eindruckdurchmesser d

die Mindestdicke kleiner ist als die Pro-

bendicke

sonst: Verwendung der nächstkleineren

Kugel


nach Brinell

Prüfbedingungen



88

entstehende Kalotte soll nicht zu flach sein (unscharfe Ränder), aber auch

nicht zu tief (bei unterschiedlicher Eindrucktiefe kaum differenzierte Meß-

werte

Eindruckdurchmesser d zwischen 24 und 60% des Kugeldurchmessers D

Mindestdicke smin ≥ 8 h

Eindrucktiefe h = ½ [D - √(D2 – d2)]

Eindruckdurchmesser d: 0,24 D < d < 0,60 D


nach Brinell

Prüfbedingungen



89

Meßwerte nur vergleichbar, wenn Beanspru-

chungsgrad (0,102 F/D2) konstant ist

Normung für fünf Werkstoffgruppen


nach Brinell

Prüfbedingungen



90

Prüfkraft:

Prüfkraft F wird aus Tabellen entnommen oder berechnet:

Beanspruchungsgrad für zu prüfenden Werkstoff und zu erwartende Här-

te ablesen und

Prüfkraft F berechnen nach: F = D2/0,102 Beanspruchungsgrad

Meßwert: Durchmesser d der entstandenen Kalotte

bei unrunden Abdrücken: Mittelwert aus zwei senkrecht aufeinanderstehen-

den Durchmessern


nach Brinell

Prüfbedingungen



91

Härtewert: HBW = 0,204 F/{π D[D - √(D2 – d2)]} bzw. Tabel-

len der Norm

Härteprüfung

Härtewert

229 HBW 2,5/187,5/30

D

Dauer der Lasteinwirkung

F = 187,5 9,81 N = 1839 N

Härteprüfung

nach Brinell

Prüfbedingungen

Kurzzeichen



92

Werkstoffe mittlerer Härte (bis zu 650 HBW): bei härteren Werk-

stoffen verformt sich die Kugel unter Belastung plastisch Ab-

plattung täuscht geringere Härte vor

Werkstoffe mit Phasen von unterschiedlicher Härte: große

Prüfkugel stellt Durchschnittshärte des gesamten Gefüges sicher

Nachprüfung der Zugfestigkeit von wärmebehandelten Teilen aus

un- und niedriglegiertem Stahl

empirischer Zusammenhang: Rm ≈ 10/3 HBW


nach Brinell

Anwendungsbereiche



93

Brinellprüfung nicht geeignet für:

sehr harte Stoffe

dünne Oberflächenschichten

dunkle Oberflächen


nach Brinell

Anwendungsbereiche



94

Härteprüfung

nach Vickers


95


Messung der Eindruckfläche

Eindringkörper:

stumpfe, quadratische Diamantpyramide

Prüfkraft:

bevorzugte Prüfkräfte ohne Berücksichti-

gung möglicher Härtewerte: F = 49; 98;

196; 294; 490; 980 N

Härteprüfung

EN ISO 6507:06

Härteprüfung nach

Vickers (1925)

Einführung



96

für Proben mit sehr kleiner Prüffläche, für dünne Schichten oder nur gerin-

ger Beschädigung der Oberfläche: F = 1,96-49 N

Lasteinwirkung: 5 s Anstieg auf Höchstwert, 10-15 s Einwirkung

Meßwert:

Diagonale d des Eindrucks, eventuell als Mittel-

wert der beiden Diagonalen

Härteprüfung

EN ISO 6507:06

Härteprüfung nach

Vickers (1925)

Einführung



97

Härtewert: HV = 0,189 F/d2

Härteprüfung

Härtewert

210 HV 50/30

Dauer der Lasteinwirkung (erhöht)

F = 50 9,81 N = 490 N

Härteprüfung

nach Vickers

Prüfbedingungen

Kurzzeichen



98

Werkstoffe aller Härtegrade, auch härteste Stoffe wie Sinterhart-

stoffe

kleiner Eindruck hohe Oberflächengüte

dünne Randschichten: Prüfkraft im Kleinkraftbereich

Schichtdicke mindestens 1,5fache der Eindruckdiagonalen

einzelne Kristalle im Gefüge mit Kräften von 0,01…1 N auf Mikro-

härteprüfern

Die Vickers-Härteprüfung ist die genaueste Messung und hat den

breitesten Meßbereich!


nach Vickers

Anwendungsbereiche



99

Härteprüfung

nach Rockwell


100


Messung der Eindringtiefe

15 verschiedene Prüfverfahren (HRB, HRC…)

Eindringkörper:

Rockwell B: Kugel aus Sinterhartmetall

Rockwell C: stumpfer Diamantkegel mit ei-

nem Spitzenwinkel von 120°; die Spitze ist

mit einem Radius von 0,2 mm gerundet

Härteprüfung

EN ISO 6508:06

Härteprüfung nach

Rockwell (1920)

Einführung



101

Prüfkräfte: Gesamtkraft ist konstant (F = 1471N) und wird in zwei Stufen

aufgebracht

Prüfvorkraft F0 = 98 N

Prüfkraft F1 = 1373 N

Härteprüfung

EN ISO 6508:06

Härteprüfung

nach Rockwell

Einführung



102

Prüfung erfolgt in vier Phasen:

sichere Lage des Prüflings (saubere Auflage), Prüffläche ⊥ Kraftrichtung

Prüfvorkraft F0: Kontakt zwischen Prüfkörper und Eindringkörper Ein-

dringtiefe t1 (Bezugsebene für die Messung)

Zuschalten der Prüfkraft F1 (mind. 4F0, 2 bis 8 s): Eindringtiefe (ohne

weitere Bedeutung)

Wegnahme von F1: elastische Verformungen gehen zu-

rück, Eindringkörper bleibt aber unter F0 in Kontakt mit

Prüfkörper bleibende Eindringtiefe tb

Härteprüfung

Prüfbedingungen

Härteprüfung

nach Rockwell



103

Härteprüfung

Prüfbedingungen

Härteprüfung

nach Rockwell



104

Härtewert: HRC = 100 – h/0,002 mm

Härteprüfung

Härtewert

56 HRC

Prüfbedingungen

Kurzzeichen

Härteprüfung

nach Rockwell



105

Werkstoffe mit Härten 20 < HRC < 70: Ergebnis liegt schnell

vor; für weichere Werkstoffe: HRB-Verfahren

gehärtete Randschichten: Schichtdicken sollen das 10fache

der Eindringtiefe tb betragen

Härteprüfung

Anwendungsbereiche

Härteprüfung

nach Rockwell



106

Härteprüfung

nach Martens


107

früher: Universalhärte HU

statisches Prüfverfahren

Messung der Eindringtiefe

Eindringkörper:

stumpfe, quadratische Diamantpyramide ( VICKERS)

Härteprüfung

EN ISO 14577:03

Härteprüfung

nach Martens

Einführung



108

Eindringkörper wird mit anwachsender

Prüfkraft F in die Probe gedrückt und nach

Erreichen der Maximalkraft (bis 30000 N

hmax) wieder entlastet ( hmin)

fortlaufende Messung von momentaner

Prüfkraft F und Eindringtiefe h Dia-

gramm


nach Martens

Prüfbedingungen



109


nach Martens

Prüfbedingungen



110

Härtewert: HM = F/(26,43 h2)

Cave: [HM] = N/mm2 = MPa

Härteprüfung

Maximalprüfkraft

HM 580/20/20 = 2540 N/mm2

Aufgabezeit

Härtewert Haltezeit

Härteprüfung

nach Martens

Prüfbedingungen

Kurzzeichen



111

Werkstoffe aller Härten

Bestimmung des elastisch/plastischen Werkstoffverhaltens durch hmax/hmin-

Verhältnis möglich


nach Martens

Anwendungsbereich



112

Härteprüfung

Vergleich der Härteprüfverfahren



113

Härteprüfung

Vergleich der Härteskalen



114

Dynamische Prüfungen


115

Kerbschlag-

biegeversuch


116

Beurteilung der Trennbruchneigung

Zähigkeit unter verschärften Versprödungsbedingungen

Verformungszeit nur sehr kurz: innere Trennung leichter als bei langsamen

Abgleitvorgängen

Zähigkeitsmaß: Kerbschlagarbeit KV (zum Bruch der Probe) bzw. Kerb-

schlagzähigkeit aV (KV bezogen auf den gekerbten Probenquerschnitt)

Normung:

EN ISO 148-1:11, EN 10045-1:90, 10045-2:92, 50115:91



Definitionen & Normung


117


Theoretische

Grundlagen

Zähigkeit

„Zäh ist ein Werkstoff, bei dem eine Probe auch unter

ungünstigen Bedingungen erst nach starker Verformung bricht.“

„Die Arbeit, die zum Zerbrechen einer Probe aufgebracht werden muß,

ist ein Maß für die Zähigkeit eines Werkstoffes.“

Bruchverhalten

Verformungs-/

Brucharbeit



118

plastische Verformungen werden erst durch innere Schubspannungen ausge-

löst Spannungszustand spielt eine wichtige Rolle

Zähigkeit ist keine reine Stoffeigenschaft, sondern wird von der Form des

Werkstücks und dem Kraftangriff stark beeinflußt, die den Spannungszu-

stand bestimmen!


Theoretische

Grundlagen

Zähigkeit



119

Zähigkeit in Abhängigkeit von den Gleitsystemen:


Kristallgitter Gleitsysteme Beispiele

kfz 12 sehr zäh Cu, Al, austenitische

Stähle

hdP 3 wenig zäh Mg, Zn

krz keine Hauptgleitebenen

zäh/spröde Baustähle

kompliziert keine spröde Carbide, Gläser, Diamant

Theoretische

Grundlagen



120

Bsp.: Probe beim Zugversuch vor Beginn der

Einschnürung

Beanspruchung durch äußere Kräfte in eine

Richtung

zwei bzw. drei Achsen stehen für unbehinder-

tes Fließen zur Verfügung

Folge: Dehnung mit gleichmäßiger Verjüngung

des Querschnitts


Theoretische

Grundlagen

Spannungszustände einachsig



121

Bsp.: Blech eines Druckbehälters

allseitiger Angriff von Zugkräften

keine Schubkräfte in der Schnittfläche, sondern

nur Normalkräfte


Theoretische

Grundlagen

Spannungszustände zweiachsig



122

Bsp.: Bauteile, bei denen durch Kerben, Absätze oder Kröpfungen eine

Kraftumlenkung im Werkstück erfolgen muß

keine Achse für unbehindertes Fließen zur Verfügung (obwohl Versetzungen

im Gefüge eigentlich beweglich sind)

„Dreiachsige Spannungszustände begünstigen ein

sprödes Bruchverhalten des Werkstoffs.“


Theoretische

Grundlagen

Spannungszustände dreiachsig



123

Kerben in biegebeanspruchtem Balken

erzeugen solche Spannungssysteme:

Umlenken der Kraftlinien bewirkt zwei-

achsiges Spannungssystem am Kerbrand

Schlag Einschnüren im Kerbgrund:

spannungslose Kerbränder behindern

den querschrumpfenden Kerbgrund

und setzen ihn unter Zugspannung


Theoretische

Grundlagen

Spannungszustände zweiachsig



124

Arbeitsvermögen: 300 J

Probe wird am tiefsten Punkt in

Widerlager eingelegt und das Pen-

del in Ausgangslage angehoben

Ausklinken: Fall von h2 auf kreis-

förmiger Bahn nach unten; in der

tiefsten Position gilt: Wpot→Wkin


Prüfbedingungen Pendelschlagwerk



125

Hammerfinne trifft Probe und

zerschlägt sie: (Kerb-)Schlagar-

beit KV wird vom Pendel aufge-

bracht Wkin geringere

Steighöhe h1





126

Geschwindigkeit der Hammerfinne:

v = √(2g Δh) – etwa 5 m/s

(Kerb-)Schlagarbeit: KV = FG Δh = mg Δh

(Kerb-)Schlagzähigkeit: aK = KV/A0 = mg Δh/A0

m: Pendelmasse ( FG: Gewichtskraft); A0: maß-

geblicher Probenquerschnitt; Δh: Höhendifferenz

des Pendels vor (h2) und nach (h1) dem Schlag





127


Verfahren nach CHARPY

Prüfkörper ist an zwei Seiten ge-

lagert und das Schlagpendel tritt

die Probe auf Höhe der Kerbe

EN ISO 148-1:11

EN ISO 10045-1/2

Prüfbedingungen CHARPY


http://www.steeluniversity.org/content/html/eng/default.asp?catid=151&pageid=2081271964


128


Verf. n. IZOD oder DYNSTAT

Prüfkörper hochkant; Schlagpen-

del trifft die Probe oberhalb der

Kerbe am freien Ende

EN ISO 180:07

53435:83

Prüfbedingungen IZOD bzw. DYNSTAT



129

gekerbte Balken auf zwei Stützen,

die durch eine mittig angreifende

Kraft schlagartig auf Belastung be-

ansprucht werden

Kerbe führt zu Behinderung der

Querverformung mehrachsiger

Spannungszustand, der Auftreten

von Trennbrüchen durch Anheben

der Streckgrenze begünstigt


Prüfbedingungen Probengeometrie



130

scharfe Kerben behindern Verformung stärker niedrigere Meßwerte

Vergleichbarkeit der Ergebnisse nur mit Proben gleicher Geometrie gegeben!


Prüfbedingungen Probengeometrie



131


Prüfbedingungen Temperaturabhängigkeit

Hochlage

Tieflage

zähes Verhalten

sprödes Verhalten

Übergangs-

temperatur

Bedingungen: aK ≥ 35 J/cm2,

KV ≥ 27 J



132

Verhalten abhängig von der Gitterstruktur:

kfz-Metalle sind auch bei tiefen Temperaturen zäh (z.B. Cu, Ni, austeniti-

sche Stähle)

krz-Metalle sind bei höheren Temperaturen zäh (Hochlage), bei niedrigeren

Temperaturen spröde (Tieflage)





133

Verhalten abhängig von der Proben-

geometrie

Verhalten abhängig von der Bean-

spruchungsgeschwindigkeit




https://www.youtube.com/watch?v=MhyUV3m4Jlw


134

Kontrolle der Wärmebehandlung der Stähle: bei Überhitzung oder Anlaß-

sprödigkeit liegt KV niedrig

Kontrolle der Gütegruppen von Stählen: Stahlsorten müssen KV bei ver-

schiedenen Temperaturen – und damit die Sicherheit gegen Sprödbruch –

nachweisen

Kontrolle der Altersneigung von Stählen: künstliche Alterung einer Probe

(Streckung um 10%, Anlassen auf 250-300 °C) Zähigkeit der Probe zeigt

Alterungsbeständigkeit


Anwendungsbereich



135

Dauerschwing-

versuch


136

Dynamische Prüfungen Einführung

1998

Ursache: Bruch eines Radreifens

kein Materialfehler, sondern Materialer-

müdung durch Wechselbeanspruchung

„Beginn der modernen Materialprüfung

und –normung“

Ursache: Bruch eines Radreifens infolge

Materialermüdung

Eisenbahnunfall von Timelkam

ICE-Unfall in Eschede


137


Ermüdung ist einer Form der Werkstoffschädigung in Bauteilen, die dynami-

schen und wechselnden Belastungen ausgesetzt sind

Versagen bei deutlich geringerer Belastung möglich, als nach Zugfestigkeit

oder Streckgrenze zu erwarten und im Normalfall nach einem langen Zeit-

raum

Ermüdung ist die bei weitem häufigste Ursache bei Werkstoffver-

sagen (bis zu 90% aller Fälle)!

Ermüdung engl. fatigue


138


Ermüdungsbrüche:

Sprödbrüche (auch in duktilen Metallen), von

sehr geringen plastischen Verformungen begleitet

Entstehung und Ausbreitung von Rissen

Bruchfläche im Normalfall senkrecht zur Rich-

tung der einwirkenden Zugspannung

wegen plötzlichen Auftretens (ohne Vorwarnung)

oft mit weitreichenden Folgen verbunden

Ermüdung


139

Dynamische Prüfungen Definitionen

schwingende

Beanspruchung

zeitlich veränderliche Beanspruchung mit mehr oder minder

regelmäßiger Wiederholung

absolute

Beanspruchungshöhe

zeitlicher

Ablauf

Bedeutung im

Maschinenbau Mehrheit von Bauteilen wird schwingend beansprucht!

http://www.fkm-net.de/fkm-richtlinien/index.html


140


Schwingungs-

ausschlag a

Amplitude

Ober-

spannung o

Maximalwert

Unter-

spannung u

Minimalwert

Mittelwert der

Belastung m

(o + u)/2

Schwingbreite o + u

Schwingspiel volle Schwingung mit der Periodendauer T

Schwingungs-

frequenz f Reziprokwert der Periodendauer f = 1/T


141


Spannungsverhältnis

(Lastverhältnis) R

Quotient aus Unter-

und Oberspannung

R = u/o -1 ≤ R ≤ +1

R = -1

R < 0

reine Wechselbeanspruchung (m = 0)

Wechselbeanspruchung

reine Schwellbeanspruchung (u = 0)

Schwellbeanspruchung ohne Richtungswechsel

statistische Beanspruchung

R = 0

R > 0

R = +1


142

Dynamische Prüfungen WÖHLER-Kurve

Prüfung von Proben mit m = const und a bis zum Bruch (Bruchschwing-

spielzahl NB)

einstufige Beanspruchung

Start mit ca. 2/3 Rm

AUGUST WÖHLER: erste methodische Schwingfestigkeitsversuche

1858-70 auf der Niederschlesisch-Märkischen Eisenbahn


143


Werkstoffe mit

Ermüdungsgrenze

Werkstoffe ohne

Ermüdungsgrenze

a 0: N Beendigung des Ver-

suches bei einer Grenzschwingspiel-

zahl NG ohne Bruch

D vieler Stähle: 35-60% von Rm

NG = 2 · 106 – 107 für Stähle

NG = 108 für Aluminiumlegierungen

WÖHLER-Kurve


144


Ermüdungsfestigkeit

bei N Lastzyklen

Ermüdungsbeständigkeit

bei der Last S (= a)

Parameter

Zeitfestigkeit

bei 107 (108) Schwingspielen


145


Parameter

WÖHLER-Kurve

Kurzzeitfestigkeit K

(low cycle fatigue)

bei <5·104 Schwingspielen

Zeitfestigkeit Z bis ca.

2·106 (107)Schwingspielen

keine echte Dauerfestigkeit

bei Basiswerkstoffen mit

kfz-Gitter (Al, Au, Cu…)

Dauerfestigkeit D (D)

(high cycle fatigue)

bei >107 (108)Schwingspielen


146


Parameter

WÖHLER-Kurve

Dauerfestigkeit D

D = m a

Wechselfestigkeit W

D bei m = 0

Schwellfestigkeit S

D bei R = 0

mehrstufige Belastungen: Beanspruchungen mit verschiedenen Amplituden

und gegebenenfalls verschiedenen Mittelwerten

Mehrstufige Belastungen entsprechen den betrieblichen

Bedingungen von Bauteilen und haben deshalb bei Bauteilprüfungen

mehr Bedeutung als bei der reinen Werkstoffprüfung!


147


Streuung der Ermüdungsdaten: Schwankungen bzgl. Ermüdungsbeständig-

keit und/oder Ermüdungsgrenze/-festigkeit

Folge: beträchtliche Unsicherheiten bei der Konstruktion

WÖHLER-Diagramme zeigen nur gemittelten Datenverlauf

Versagen von 50% der geprüften Probenkörper bei Belastungen bis zu 25%

unterhalb des Kurvenverlaufs!

statistische Verfahren: Beschreibung von Ermüdungsbeständigkeit/-grenze

durch Versagenswahrscheinlichkeiten

Parameter


148


Parameter

a = 200 MPa


149


Prüfverfahren

historische Prüfmaschine zur

Schwingbeanspruchung

https://www.youtube.com/watch?v=NdWkaxt6Acs


150

Dynamische Prüfungen Rißmechanik

Rißeinleitung hohe lokale Spannungskonzen-

tration (Anrisse, Kerben…)

Ermüdungsvorgang

kleiner Riß mit Ursprung an der

Oberfläche

Rastlinien

Bruchfläche Schwingstreifen


151


Ermüdungsvorgang

Rißausbreitung Ausdehnung des Rißes mit jedem Lastzyklus

Bruch Bedingung: Riß überschreitet kritische Größe


152


Ermüdungsvorgang

Rißausbreitung

Gewaltbruch


153



Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Bauteilen gegen Ermüdungs-

erscheinungen Möglichkeiten der Einflußnahme

mittlere Belastung

Erhöhung der mittleren Belastung σm Verringe-

rung der Ermüdungsbeständigkeit


154



Oberflächeneffekte

Punkte mit Spannungsverstärkung bzw. –überhohung als Ursprung für Risse

Ermüdungsbeständigkeit ist vom Zustand und der Ausführung der Bauteil-

oberfläche abhängig Auslegung/Oberflächenbehandlungen

Auslegungsfaktoren:

Kerben/geometrische Diskontinuitäten mit span-

nungserhöhender Wirkung

Reduzierung z.B. durch abgerundete Übergänge


155



Oberflächen-

behandlungen

Oberflächendefekte schränken Ermüdungsbeständigkeit ein Polieren (!)

dünne Oberflächenschicht Druckeigenspannung

gleicht an der Oberfläche angreifende Zugspan-

nung teilweise aus

Kugelstrahlen: lokale plastische Verformung

Einsatzhärten: Verbesserung der Oberflächenhär-

te


156

Technologische Prüfungen


157


Bestimmung von Kennwerten, die abhängig von der Probenform sind

Aufgaben:

Feststellung der Eignung von Vorprodukten (Halbzeuge) für die Weiterverar-

beitung

Anwendbarkeit von Fertigungsverfahren

Unterteilung:

Einführung

Prüfung der

Umformeigenschaften

Prüfung der

Gießeigenschaften

Eignung für eine

Wärmebehandlung

Eignung zum

Schweißen/Löten

Kaltumformbarkeit von Halbzeugen


158


Ermittlung des Biegewinkels, bei dem die Probe auf der Zugseite reißt

Prüfung der

Umformeigenschaften Biegeversuch

EN ISO 7438

http://www.ulttc.com/de/leistungen/pruefverfahren/mechanische/biegeversuch-mit-e-modul.html


159


fest eingespanntes Blech/Band wird mit ei-

nem kugeligen Stempel eingebeult, bis es

reißt

Kennwert: ERICHSEN-Tiefung IE

Stempelweg bis zum Anriß

weitere Parameter:

Form des Anrisses Beurteilung der Isotropie des Bleches

Anriß als Vollkreis isotrop

einseitiger Anriß Textur (geringe Eignung zum Tiefziehen)

Prüfung der

Umformeigenschaften

Tiefungsversuch nach ERICHSEN

EN 20482

http://aluminium.matter.org.uk/content/html/ger/default.asp?catid=175&pageid=2144416595


160


Narbigkeit der Oberfläche

Korngröße grobkörnige Werkstoffe ungeeignet zum Tief-

ziehen

Prüfung der

Umformeigenschaften

Tiefungsversuch nach ERICHSEN


161


Prüfung der

Umformeigenschaften

Auswahl weiterer Verfahren:

Tiefziehversuch (Näpfchenprobe)

Hin- und Herbiege-versuch


162


Prüfung der

Gießeigenschaften

Testen auf:

Fließfähigkeit

Formfüllungsvermögen

Schwindmaß

Warmrißanfälligkeit

Schwindmaß-bestimmung

Einsatz der Gießspirale


163


Eignung für

Wärmebehandlung

Stirnabschreckhärteprüfung ( WS 6 – Wärmebehandlung der Stähle)

Eignung zum

Schweißen/Löten

Festigkeits- und Zähigkeitsprüfungen des Schweißguts und der Wärmeein-

flußzone

Prüfung von u.a.

Schweißverbindungen aus Stahl/aus Nichteisenmetallen

Weich- und Hartlötverbindungen


164

Zerstörungsfreie Prüfung

http://www.bam.de/de/index.htm

http://www.izfp.fraunhofer.de/


165

Einführung

zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (ZfP) ist „Werkstückprüfung“:

keine Beeinträchtigung der Funktion des Werkstücks durch ZfWP

Ermittlung von Werkstoffeigenschaften nur in Ausnahmefällen

EN 1330

Erkennen & Erfassen von Fehlern eines Bauteils (Risse, Po-

ren, Lunker, …) vor Inbetriebnahme/während des Betriebs

Prüfung der Zusammensetzung und der Struktur (chem.

Zusammensetzung, Homogenität, Gefüge & Struktur, …)

Ermittlung des Werkstoffzustandes über physikalische Größen

(indirekte Härtemessung, …)

Ermittlung von Geometriekenngrößen (Randschichtdickenmes-

sung, Wand-/Blechdickenmessung, …)

Qualitätskontrolle:

Prozeß- & Produkt-

überwachung


166

Einführung

Zuverlässigkeit von Produkten

Forderung

Verantwortungs-

träger Versagensart

Verantwortungs-

bereich

Konstrukteur einwandfreier Entwurf Konstruktionsfehler

Fertigungsingenieur fehlerfreie Ausführung

der Fertigung Herstellungsfehler

Werkstoffingenieur Einhaltung zugesagter

Materialkenngrößen Materialfehler

Betreiber sachgerechter/vorschrifts-

mäßiger Betrieb & Wartung Bedienungsfehler


167

Einführung Verfahrensgruppen der ZfWP

Eindring- bzw. Penetrierverfahren

(auch Kapillarverfahren)

magnetische/magnetinduktive Verfahren

Ultraschallprüfungen

Radiographie

(Röntgen-/Gammastrahlenprüfung)

EN 571

EN ISO 9934

EN 12084

EN 583

EN 544


168

Eindring-verfahren


169

Eindringverfahren

Erkennen sehr feiner Oberflächenrisse ohne mikroskopische Untersuchung

Kapillarität saugt Detektorflüssigkeit in Oberflächenrisse

Eigenschaften der Detektorflüssigkeit: benetzend, geringe Viskosität/Ober-

flächenspannung

Abstreifen Spur durch austretende Flüssigkeit

Fehleranzeige:

Variante a: Zugabe eines Fluoreszenzfarbstoffs in die Detektorflüssigkeit

helles Aufleuchten in UV-Licht

Variante b: Anfärben der Eindringflüssigkeit und Bestreuen der Oberfläche

mit einem saugfähigen weißen Pulver gut sichtbare Spur

Eindring-verfahren


170

geringer apparativer Aufwand

für große Stückzahlen geeignet

Ortung von Oberflächenrissen bei allen Arten von Werkstoffen

Eindringverfahren

ausschließlich Detektion von Oberflächenrissen möglich

Variante: Beizprobe

Verstärkung der Rißränder durch Verwendung von Säuren

Eindring-verfahren


171

Überblick Eindring-verfahren

http://www.youtube.com/watch?v=-4DrzYRpyeY


172

magn.-ind. Verfahren


173

Unterteilung

Magnetpulververfahren (magnetisches

Streuflußverfahren)

Wirbelstromverfahren (induktives Verfahren)

EN ISO 9934 EN 12084



174

Einsatzgebiet: ferromagnetische Werkstoffe (z.B. unlegierte oder niedrigle-

gierte ferritische Stähle)

direkte Detektion von Inhomogenitäten in Oberflächennähe (an bzw. dicht

unter der Oberfläche, bis etwa 5 mm Tiefe)

Visualisierung der Fehler durch magnetische Streu-

felder:

Störung des Feldes durch Fehler Feldlinien wer-

den gestreut und treten an der Oberfläche aus

Ausbildung bei äußerem Erregerfeld ⊥ Rißebene

Magnetpulververfahren

Beschreibung engl.: magnetic particle inspection



175

Vorgehensweise:

Aufbringen von magnetischen Teilchen

(Fe2O3 oder Fe3O4) als feines Pulver oder

als Suspension auf die Oberfläche

Orientierung entlang der Feldlinien bzw.

Aggregation („Magnetpulverraupen“) an

den Fehlerstellen Fehlerbild

Verstärkung durch Zugabe von Fluores-

zenzfarbstoffen

Magnetpulververfahren

Beschreibung



176

Überblick

Magnetpulververfahren magn.-ind. Verfahren

http://www.youtube.com/watch?v=KM3qVpSG_-w


177

indirekte Detektion: kein „bildgebendes“ Verfahren Meßwert = „Warnsig-

nal“

Theorie:

zeitlich veränderliche Magnetfelder induzieren in

den Randbereichen des elektrisch leitenden

Werkstücks Wirbelströme

Wirbelströme erzeugen Magnetfeld, das Erreger-

feld entgegengerichtet ist (LENZsche Regel)

Wirbelstromverfahren

Beschreibung engl.: eddy current testing



178

Risse, Poren & nichtmetallische Einschlüsse beeinflußen Stromfluß gerin-

gere Leitfähigkeit geringere Wirbelströme schwächeres Magnetfeld

Aussage über Größe des Fehlers, keine Aussage über Art des Fehlers

Nachweis von Fehlern in Tiefen um 5 mm

Beschreibung

Wirbelstromverfahren magn.-ind. Verfahren


179

Anwendungen:

Fehlerprüfung im oberflächennahen Bereich (auch Anrisse & Härtungsfehler)

Zusammensetzungsunterschiede (Diffusionszonen)

indirekte Bestimmung von Werkstoffeigenschaften bzw. der Gefügezusam-

mensetzung

Messung von Schichtdicken

Eignung zur vollautomatischen Ausschußermittlung bei Massenprodukten

(Werkstoffsortierung)

Beschreibung

Wirbelstromverfahren magn.-ind. Verfahren


180

Ultraschall-prüfungen


181


Beschreibung

Ultraschall: Frequenz 𝒇> 16 kHz ( )

„Durchschallung“ des Werkstücks mit Frequenzen

0,2 MHz < 𝒇 < 25 MHz

Stahl – vSchall = 6000 m/s; 𝑓 = 10 MHz; λ = 0,6 mm

Werkstücke müssen größer als λ sein, Ausdehnung

der Fehler maximal in Größenordnung von λ

Detektionsprinzip: starke Reflexion der Schallwellen

an Grenzflächen zu Fehlern (bis 30 cm Tiefe)

große Eindringtiefen wegen geringer Schwächung der Schallwellenintensität

engl.: ultrasonic testing

EN 1320


http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/cc_ut_index.htm


182


Beschreibung

Erzeugung des Ultraschalls mit Hilfe des

piezoelektrischen Effekts

hochfrequente Wechselspannung indu-

ziert hochfrequente Schwingungen in be-

stimmten Substanzen (z.B. Quarz)

Auswertung: Echos der aufgegebenen

Schallimpulse

Gegensatz: Strahlenverfahren – Schwä-

chung durch Absorption (Dämpfung)



183

Impulsecho-Verfahren Auswertung der Reflektogramme

Ultraschallprüfungen Ultraschall-prüfungen


184




185




186

Durchschallungsverfahren

„Schallbildverfahren“ wird selten angewandt

Probe zwischen Sender und Empfänger

Vorgehensweise:

Abtasten der Querschnitts

Inhomogenitäten im Werkstück führen

zu Schwankungen der Schallintensität

Störstellen zeichnen sich dunkel im

Schallbild ab



187

Beschreibung

Anwendung:

Fehlersuche in dickwandigen Prüfkörpern

Ultraschallprüfungen sind bei der Untersuchung von Schweißnähten vorge-

schrieben

einfache Meßapparatur Prüfung „vor Ort“


http://www.youtube.com/watch?v=1LBXHMsYhQ4


188

Radio-graphie


189

Radiographie

Grundlagen engl.: radiographic testing

Prüfprinzip: Messung der Absorption (Schwächung der Intensität von I0 auf I)

von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung beim Durchgang durch einen

Prüfkörper der Dicke d (Normierung nach )

kurzwellige Strahlung besitzt höheres Durchdringungsvermögen

Registrierung der Reststrahlung:

Fotomaterial (klassisches Verfahren)

Röntgendetektor ( Monitor)

EN 444

Radio-graphie


190

Radiographie

Intensität der Strahlung I: I = I0 ∙ exp (-µ · d)

Schwächungskoeffizient µ

abhängig vom Absorptionsvermögen: µ ~ Ordnungszahl Z

abhängig von der Strahlungsenergie: µ ~ 1/E

Grundlagen

Radio-graphie


191

Unterteilung

Radiographie

Materialprüfung mit Röntgenstrahlung

Materialprüfung mit Gammastrahlung

Radiographie Radio-graphie


192

Exkurs: Röntgen- und Gammastrahlung

Grundlagen

Röntgenstrahlung: kurzwellige elektromagnetische Strahlung

weiche Röntgenstrahlung: λ ≈ 1 – 10 nm

mittlere Röntgenstrahlung: λ ≈ 0,1 – 1 nm

harte Röntgenstrahlung: λ ≥ 5 pm

Gammastrahlung: sehr kurzwellige elektromagnetische Strahlung, „Neben-

produkt“ bei bestimmten radioaktiven Zerfällen

Wellenlänge: λ ≤ 5 pm

Radio-graphie


193


Energie E

Wellenlänge λ

Grundlagen

Radio-graphie


194


Röntgenstrahlung:

Röntgenröhre: Emission von Elektronen

an einer Glühkathode

Beschleunigung durch angelegte Span-

nung zur Anode hin

Kollision mit Anodenmaterial: Heraus-

schlagen innerer Elektronen

Erzeugung

Radio-graphie

http://lp.uni-goettingen.de/get/text/6639


195


Folgen:

Wärme ( Kühlung)

Bremsstrahlung (polychromatische Röntgenstrahlung)

charakteristische Strahlung

Erzeugung

Radio-graphie



196


Erzeugung

Radio-graphie




197


Gammastrahlung:

Kernzerfall radioaktiver Elemente (be-

stimmte künstliche Isotope, u.a. 60Co, 137Cs,

192Ir)

Abschirmung der monochromatischen

Strahlung nur durch massive Bleiplatten

( Strahlenschutzmaßnahmen!)

Erzeugung

Radio-graphie


198

Beschreibung

Registrierung der unterschiedlichen Massendichte

geringere Absorption bei geringerer Massen-

dichte höhere Restintensität stärkere

Schwärzung

Ursachen:

unterschiedliche Dicke ( Anwendung: berüh-

rungslose Banddickenmessung)

Hohlräume (Lunker, Poren)

Zusammensetzungsunterschiede (Seigerungen)



199

Beschreibung

Einfluß von Bauteilgeometrie und Materialfehler auf Intensität:



200

Beschreibung

Vor- und Nachteile bei Verwendung von Gammastrahlung:

keine äußere Energiezufuhr

Prüfung komplizierter Bau-

teile

Prüfung dicker Schichten

geringe Intensität (höhere

Belichtungszeiten, Verwen-

dung von Spezialfilmen)

höherer Strahlenschutz

geringer Kontrast

ständige Strahlung (auch

bei Nichtbenutzung!)



201

Beschreibung

Vor- und Nachteile bei Verwendung von Gammastrahlung:

allseitige Strahlenausbrei-

tung (gleichzeitige Prüfung

mehrerer Prüfkörper)

transportable Geräte („Iso-

topenmolch“)



202

Metallographie


203

Metallographie wird heute als Teilaspekt der Mate-

rialographie verstanden

Gefügeanalyse: qualitative & quantitative Beschrei-

bung des Gefüges

Art, Menge, Verteilung, Form, Größe der Gefüge-

bestandteile bzw. Phasen, Grenzflächen zwischen

den Phasen

Definition

Die Metallographie beschäftigt sich mit der Untersuchung und

Beschreibung des Gefüges metallischer Werkstoffe und stellt den

Zusammenhang zu den Zustandsdiagrammen, den Eigenschaften

und damit der Verwendung von technischen Legierungen her.


204

Methoden

Mikroskopie

Lichtmikroskopie

Rasterelektronen-

mikroskopie (REM)

Transmissionselektronen-

mikroskopie (TEM)


205

augenscheinliche Beurteilung der Prüfobjekte

Auflösung: ca. 0,1 mm

Beurteilungen

im Ausgangszustand

als metallographischer Schliff

Einsatz:

Rißprüfung (evtl. mit farblichen Kontrastierungsmitteln Farbeindringver-

fahren)

Beurteilung von Bruchflächen (z.B. Spröd-, Verformungs-, Dauerbruch)

Beurteilung von Randschichthärtezonen


206

Schweißnahtbeurteilung

Untersuchung von verformten Materialien (Faserverlauf)

Dokumentation: „physische“ oder digitale Speicherung (Angaben von Ver-

größerung oder Maßbalken wichtig!)

Mehrlagenschweißnaht, geätzt in 5%iger

HNO3, 1:1

Faserverlauf nach Kaltstauchung,

geätzt in Oberhofer Ätzmittel, 1:1

http://www.youtube.com/watch?v=oGRQ76VvbpQ


207

Mikroskopie

Lichtmikroskopie

Auflösung: ca. 0,2 µm (Vergrößerung bis

1000:1)

Tiefenschärfe von Auflichtmikroskopen

gering

scharfe Abbildung von Bereichen in nur

einer Ebene

Kontrastierung erforderlich

Probe muß vor der mikroskopischen Un-

tersuchung präpariert werden

Auflichtmikroskop


208

Mikroskopie

Lichtmikroskopie

Einsatz:

Bestimmung der Gefüge (z.B. bei Stählen:

ferritisches, ferritisch-perlitisches, perliti-

sches, bainitisches, austenitisches oder

martensitisches Gefüge)

Bestimmung der Gefügeanteile (z.B. Perlit-

anteil in einem Stahl)


209

Mikroskopie

Lichtmikroskopie

Bestimmung der Verteilung der Gefügeanteile

Korngrößenbestimmung

Beschreibung der Form der Gefügebestandteile (z.B. globularer oder lamel-

larer Graphit im Grauguß)

Beschreibung des Wärmebehandlungszustands

Untersuchung von Korrosionsprodukten

Schichtdickenbestimmung

Beschreibung des Kaltverformungszustands (z.B. Streckungsgrad)


210

Lichtmikroskopie Präparation

Probenentnahme Einfassen der Probe Ebnen (Schleifen)

Glätten (Polieren) Reinigen & Trocknen Kontrastieren

Mikroskopie


211

Lichtmikroskopie Probenentnahme

Probenentnahme (Trennen mittels Sägen oder Trennschleifen) und weitere

Bearbeitung dürfen zu keiner Beeinflußung des Gefüges führen

keine Verformungen ( geringe Schnittkräfte)

keine unzulässigen Erwärmungen ( Kühlen)

Trennvorgang (Trennscheibe, Vorschub- und Schnittgeschwindigkeit) an

Werkstoff angepaßt, z.B. Korund für Stahl oder Diamant für Keramiken

Kriterium für Probenentnahme: Probe muß das Gefüge des untersuchten

Werkstoffs repräsentativ wiedergeben

Lage & Richtung müssen dokumentiert werden (z.B. Längs-, Quer- oder

Flachprobe bei gewalzten Blechen)


212

Lichtmikroskopie Probenentnahme

Untersuchung einer bestimmten Stelle Zielpräparation

systematische Untersuchung Probenentnahme an mehreren Stellen

Untersuchung von Beschichtungen Schrägschliff

Möglichkeiten der Probenentnahme


213

Lichtmikroskopie Einfassen der Probe

Sinn: Vermeidung von Kantenabrundungen beim Schleifen & Verbesserung

der Handhabbarkeit

Einbetten in ein Polymer auf Epoxidharz-, Polyesterharz- oder Acrylbasis

eingebettete Proben im Exsikkator


214

Lichtmikroskopie Ebnen (Schleifen)

Ziel: Herstellen einer ebenen Fläche mit sehr geringer Rautiefe (Schärfe!)

Vorgehensweise: Materialabtrag an der Schliff-

fläche zur Beseitigung unerwünschter Unebenhei-

ten, Verformungen und Schmierschichten

Schleifmittel: abhängig von Härte des Werkstoffs

hart: Korund- oder Diamantscheiben

mittelhart/weich: Siliciumcarbid in verschiedenen

Körnungen

Läppen: Spanen mit losem, in Paste oder Flüssig-

keit verteiltem Korn (Läppgemisch)


215

Lichtmikroskopie Glätten (Polieren)

Ziel: Erzeugung einer verformungsfreien und planen Oberfläche

Poliermittel: Sprays oder Pasten mit feinsten Diamantpartikeln (0,25 – 15 µm)

Einfluß der Polierzeiten:

Politur von Kugelgraphit

Politur eines Sinterstahls


216

Lichtmikroskopie Reinigen & Trocknen

Ziel: Entfernung der Schleifmittel (auch zwischen den einzelnen Schleif-

und Polierstufen!)

Reinigung mit Wasser, Ethanol oder Seifenlösung

evtl. Ultraschallbad

sofortige Trocknung (um Korrosion an der Schlifffläche zu vermeiden) mit-

tels Fön (warm/kalt), Druckluft oder Abreiben


217

Lichtmikroskopie Kontrastierung

Ziel: Erhöhung des Reflexionsvermögens

(zur Unterscheidung im Lichtmikroskop)

Ausnahmen: z.B. Schliffe von Graphit

Sichtbarmachen und Identifizieren aller

unterschiedlichen Gefügebestandteile so-

wie der Korn- bzw. Phasengrenzflächen


218


wichtigstes Verfahren: (chemisches) Ätzen

Kornflächenätzung: Oberfläche der Körner wird durch elektrochemische

Prozesse unterschiedlich stark abgetragen

Korngrenzenätzung: elektrochemischer Angriff erfolgt nur auf die Korngren-

zen


219


wichtige Ätzmittel:

Makroätzmittel:

Nital (90:10-Mischung aus Ethanol und Sal-

petersäure)

Mikroätzmittel:

alkoholische Salpetersäure (Ethanol: Salpe-

tersäure, 98:2)

makrogeätztes Aluminiumstück

http://www.metallograf.de/start.htm?/probenvorbereitung/makroaetzung.htm

http://www.metallograf.de/start.htm?/probenvorbereitung/mikroaetzung.htm


220


lichtoptische Kontrastierungsverfahren („optisches Ätzen“)

Methoden:

Hellfeldmikroskopie

klassisches Mikroskopier-

verfahren

möglichst objektgetreue

Vergrößerung der Probe

Dunkelfeldmikroskopie

seitliche Beleuchtung

reflektiertes Licht strahlt

am Objektiv vorbei

Kontrastverstärkung (lo-

kale Schattenbildung)


221


Hellfeldmikroskopie


222


Dunkelfeldmikroskopie


223

Mikroskopie

Elektronen-

mikroskopie (EM) …von der Licht- zur Elektronenmikroskopie…

Nachteile der Lichtmikroskopie:

Wellenlänge des sichtbaren Lichts (400 – 750 nm) begrenzt Auflö-

sung des zu untersuchenden Bereichs (ca. 0,2 µm) physika-

lische Grenze

höhere Auflösung geringere Wellenlänge

geringe Tiefenschärfe keine Untersuchungen an rauhen Ober-

flächen (z.B. Bruchflächen)


224

Mikroskopie

Elektronen-

mikroskopie (EM)

Entwicklung der Elektronenmikroskopie:

Konstruktion des ersten EM durch ERNST RUSKA 1931, No-

belpreis für Physik 1986, „for his fundamental work in

electron optics, and for the design of the first electron

microscope“


225

Mikroskopie

Elektronen-

mikroskopie (EM)

Prinzip der Elektronenmikroskopie:

DE BROGLIE (1923): Teilchen-Welle-Dualismus

Elektronenstrahlen be-

sitzen geringere Wellen-

längen


226

Mikroskopie

Rasterelektronen-

mikroskopie (REM)

Entwicklung des Rasterelektronenmikroskops durch MANFRED

VON ARDENNE (1937)

Prinzip: zeilenförmiges Abtasten (Rastern) der Probenober-

fläche mit einem sehr dünnen Elektronenstrahl (ø ca. 0,01 µm)

Primärelektronen des Elektronenstrahls lösen Sekundärelek-

tronen aus der Probenoberfläche heraus

Aufnahme der Verteilung der Sekundärelektronen über die

Probenoberfläche

Prinzip


227

Mikroskopie

Rasterelektronen-

mikroskopie (REM)

herausragende Bereiche strahlen viele Sekundär-

elektronen ab ( hell)

Schrägeinfall des Elektronenstrahls Schattenbil-

dung plastisches Bild der Oberfläche

Prinzip


228

Rasterelektronen-

mikroskopie (REM) Prinzip

Mikroskopie

http://www.youtube.com/watch?v=uXjXx63Nb6k


229

Rasterelektronen-

mikroskopie (REM)

Anwendungen:

Gefügeuntersuchungen, insbesondere bei der Ausbildung von feinsten Kör-

nern/Phasen (z.B. Untersuchung der Carbidausscheidungen von Vergütungs-

stählen)

Untersuchungen von Bruchflächen

Untersuchungen von Oberflächen (z.B. Verschleiß- und Korrosionsschäden)

Einsatz

Mikroskopie


230

Rasterelektronen-

mikroskopie (REM) Beispiele

REM-Aufnahme der Bruchfläche des

Stahls C45 nach Zugbeanspruchung

REM-Aufnahme eines perlitischen

Gefügebestandteils im Einsatzstahl 20MoCrS4

Mikroskopie


231

Rasterelektronen-

mikroskopie (REM)

sehr große Auflösung

hohe Tiefenschärfe

Untersuchung von Bruchflächen und anderen nicht-präparierten

Oberflächen

Zusatzgeräte: Ermittlung von chemischer Zusammensetzung und

Gitterstruktur ( nächste Folie)

Vor- und Nachteile Mikroskopie


232

Rasterelektronen-

mikroskopie (REM)

sehr hohe Anschaffungs- und Wartungskosten

hohe Anforderungen an Proben: elektrische Leitfähigkeit, sehr

sauber, fett- und wasserfrei

begrenzte Probengröße

Vor- und Nachteile Mikroskopie


233

Rasterelektronen-

mikroskopie (REM) Signale im REM

Mikroskopie


234

Mikroskopie


mikroskopie (TEM) Prinzip

Durchdringungsmethode (für sehr dünne Objekte)

Wechselwirkung zwischen Elektronen und Material:

Absorption: abhängig von Dichte & Ordnungszahl des

Materials, Dicke der Probe

Beugung

Streuung

http://www.youtube.com/watch?v=j2A6KeWrqeM

http://www.youtube.com/watch?v=_kpN2jPjRYs


235

Mikroskopie


mikroskopie (TEM) Prinzip

Detektion der hindurchgelassenen Elektronen

Auflösung: ca. 0,05 nm

Probenvorbereitung: sehr aufwendig

dünnste Folien (0,01 – 0,3 µm) durch elektrolytischen Abtrag


236


mikroskopie (TEM) Beispiele

TEM-Aufnahme eines zyklisch

verformten Einsatzstahls

Versetzungslinien in einer Legierung

Mikroskopie


237

Übersicht EM, REM & TEM

Mikroskopie


238

Übersicht EM, REM & TEM

Art max. Auflösung Vergrößerung

Lichtmikroskopie 0,5 µm bis 1500 x

Rasterelektronen-

mikroskopie

≤ 2 nm bis 80000 x


mikroskopie

≤ 0,2 nm bis 800000x

Auflösungsvermögen & Vergrößerungsbereiche von Mikroskopen:

Mikroskopie


239

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Werkstoffe 3 - Werkstoffprüfung