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Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch Von Martin Chemnitz Matthias Fricke (Dauerschwingprüfmaschine für Kranbauteile) (Kerbschlagwerk) Einleitung .................................................................................................................... 1 Der Kerbschlagbiegeversuch .................................................................. 1 Einleitung Kerbschlagbiegeversuch ...................................................................... 1 Der Versuch .............................................................................................................. 2 Kennwerte ....................................................................................................................................... 2 Versuchsaufbau ............................................................................................................................... 3 Bestimmen der Kerbschlagzähigkeit ............................................................................................... 3 Bestimmen der Laterale Breitung.................................................................................................... 3 Die Probenlage im Widerlager des Pendelschlagwerkes ................................................................ 4 Übergangstemperatur (Tü) ....................................................................................... 4 Einflussgrößen auf die Übergangstemperatur ................................................................................. 5 Brucharten ................................................................................................................ 6 Kurventypen ............................................................................................................. 8 Das Werkstoffprobestück ........................................................................................ 9 Ziel der Kerbe................................................................................................................................ 10 Der Dauerschwingversuch .................................................................... 12 Einleitung Dauerschwingversuch ......................................................................... 12 Der Versuch nach DIN 50 100 ................................................................................ 13 Die Wechselbiegemaschine........................................................................................................... 13 Versuchskennwerte ....................................................................................................................... 15 Wöhlerversuche ..................................................................................................... 16 Begriffe.......................................................................................................................................... 16 Ermittlung der Wöhler-Kurve ....................................................................................................... 17 Grenzschwingspielzahl.................................................................................................................. 18 Streuungen der Wöhlerversuche ................................................................................................... 18 Festigkeitsbereiche ................................................................................................ 19 Kurzzeitfestigkeit .......................................................................................................................... 20 Zeitschwingfestigkeit .................................................................................................................... 20 Dauerschwingfestigkeit ................................................................................................................. 20 Einflussgrößen auf die Festigkeit ......................................................................... 20 Werkstoff....................................................................................................................................... 20 Kristallgitter ........................................................................................................................................... 20 Werkstoffzustand ................................................................................................................................... 21 Wärmebehandlung ................................................................................................................................. 21 Eigenspannung ...................................................................................................................................... 22 Bauteilform: .................................................................................................................................. 23 Kerbeinfluss ........................................................................................................................................... 23 Oberflächenzustand ............................................................................................................................... 24 Bauteilabmessungen .............................................................................................................................. 24 Belastung ....................................................................................................................................... 24 Belastungsart ......................................................................................................................................... 24 Mittelspannung ...................................................................................................................................... 25 Spannungen und Frequenzen: ................................................................................................................ 26 Umgebung ..................................................................................................................................... 27 Temperatur: ........................................................................................................................................... 27 Umgebungsmedium: .............................................................................................................................. 28 Schwingbruch (Dauerbruch) ................................................................................. 28 Rissbildung .................................................................................................................................... 29 Rissausbreitung ............................................................................................................................. 30 Restbruch....................................................................................................................................... 30 Ermüdungsbruch ................................................................................................... 31 Der Umlaufbiegeversuch (DIN 50113/82) ................................................................... 32 Fazit ............................................................................................................................. 33 Literaturangaben .................................................................................................... 33 Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Einleitung Mit der mechanischen Belastbarkeit von Materialien, Strukturen und Bauteilen sind wir im täglichen Leben in vielfältiger Weise unmittelbar konfrontiert. Unfälle und Katastrophen, die auf das Versagen durch Materialermüdung zurückzuführen sind, belegen, dass die Frage nach der Bruch- und Ermüdungsfestigkeit bewegter und dynamisch belasteter Bauteile in vielen Fällen von existentieller Bedeutung ist. Der Kerbschlagbiegeversuch Einleitung Kerbschlagbiegeversuch Der Kerbschlagbiegeversuch gehört zur Gruppe der Verfahren zur Ermittlung von Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften mit schlagartiger Beanspruchung. Im Kerbschlagbiegeversuch wird die Zähigkeit von gekerbten Werkstoffen bei schlagartiger Beanspruchung in Abhängigkeit von der Temperatur und der Schlaggeschwindigkeit untersucht. Das Ziel besteht darin, die Sprödbruchneigung eines Werkstoffes in Abhängigkeit vom Werkstoffzustand und den gegebenen Prüfbedingungen (schlagartige Beanspruchung, Prüftemperatur) zu bewerten. Beim Kerbschlagbiegeversuch wird der Zähigkeitsnachweis auf der Grundlage einer Übergangstemperatur geführt. Die hierbei ermittelten Versuchsergebnisse können zwar nicht unmittelbar für die Querschnittsbemessung von Bauteilen verwendet werden, stellen jedoch ein entscheidendes Kriterium für die Auswahl eines geeigneten Werkstoffes dar. Weiterhin dient der Kerbschlagbiegeversuch zur Kontrolle der Qualität und Gleichmäßigkeit von Gefügezuständen sowie von Alterungserscheinungen. Man erhält damit ein Maß für das Arbeitsaufnahmevermögen eines Werkstoffs bei plötzlichen Spannungs-spitzen. Bruchvorgange in Werkstoffen werden in duktil und spröd eingeteilt, je nachdem wie viel sich ein Werkstoff vor dem Bruch plastisch verformt. Duktile Brüche gehen einher mit großer, makroskopisch erkennbarer, plastischer Verformung. Jene Spannung, bei der plastische Verformung einsetzt, wird Fließgrenze genannt. Bei einer einachsigen Beanspruchung, (Bsp. Zugversuch, Stauchversuch) ist diese direkt aus dem Experiment bestimmbar und ist gekennzeichnet durch jene Spannung, bei der es zum Abweichen von der linearen Spannungs-Dehnungsbeziehung kommt. Bei mehrachsigen Beanspruchungen (Bsp. Torsionsversuch) wird für duktile Werkstoffe eine Fließspannung gemessen, die um bis zu 50% kleiner ist wie die im Zugversuch ermittelte Fließgrenze. Ein spröder Werkstoff bricht, ein duktiler kann den Riss auffangen. Falls der Werkstoff im Versuch ein gewisses Maß an Sicherheit zeigt, so kann dies auch im Bauteil erwartet werden. Ein Werkstoff muss in der Praxis häufig mehrachsige und sogar schlagartige Beanspruchungen aushalten können. Eine gleichsinnige mehrachsige Beanspruchung wirkt zwar festigkeitssteigernd, aber auch versprödend. Bei gewissen Werkstoffen (z.B. niedriglegierter Stahl) kommt zudem noch eine Temperaturversprödung hinzu. Bei tiefen Temperaturen und konstruktiv bedingten Kerben ist ein Sprödbruch schon -1- Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow unterhalb der statischen Festigkeitskennwerte möglich. Die Resultate des Kerbschlagbiegeversuchs können nicht zur Dimensionierung von Bauteilen herangezogen werden. Sie geben lediglich einen Anhalt über die Neigung zum Sprödbruch verschiedener Werkstoffe und Werkstoffzustände. Auch kann die Kerbschlagarbeit zur Kontrolle der Gefügegleichmassigkeit verwendet werden. Der Versuch ist stark von der Probenform abhängig, so dass Ergebnisse nur vergleichbar sind, wenn mit gleicher Proben- und Kerbform gemessen wurde. Am häufigsten kommt der Kerbschlagbiegeversuch bei Eisenbasiswerkstoffen zur Anwendung. Gewisse Kunststoffe eignen sich auch für den Kerbschlagbiegeversuch. PVC und Polystyrol sind dabei besonders kerbempfindlich. Der Versuch Das Zerschlagen der Proben erfolgt auf einem Pendelschlagwerk. Dabei wird die Probe mit der Kerbseite gegen Widerlager gelegt. Nach dem Ausklinken beschreibt eine Hammerscheibe einen Kreisbogen und überträgt im tiefsten Punkt der Hammerbahn einen Teil ihrer kinetischen Energie auf die Probe. Die Schlagarbeit muss so groß sein, dass die Probe mit einem Schlag durchbricht oder durch die Widerlager hindurch gezogen wird. Die verbrauchte Arbeit kann an einem Schleppzeiger abgelesen werden. Zur Bestimmung der Übergangstemperaturen erfolgt die Prüfung bei mehreren Temperaturen z.B. bei 100 K (flüssiger Stickstoff), 273 K (Eiswasser), 293 K (Raumtemperatur), 373 K (siedendes Wasser), 473 K (Ofen) Kennwerte -2- Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Versuchsaufbau Bestimmen der Kerbschlagzähigkeit Kerbschlagzähigkeit (Ak)= Kerbschlagbiegearbeit (Av) Probenquerschnitt an der Kerbstelle (A0) Bestimmen der Laterale Breitung Neben der Kerbschlagzähigkeit werden noch das makroskopische Bruchaussehen (siehe Brucharten) und die laterale Breitung (LB) (Maße SB in der Abb.) zur Kennzeichnung der Werkstoffzähigkeit herangezogen. -3- Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Die Probenlage im Widerlager des Pendelschlagwerkes Wesentlich dabei ist, dass die Finnenschneide des Pendelhammers genau zentrisch auf der gegenüberliegenden Seite der Kerbe auf die Probe auftrifft. Übergangstemperatur (Tü) Der Konstrukteur muss den Einsatz seiner zu verwendenden Werkstoffe unter schlagartiger Belastung und dreiachsigem Spannungszustand unterhalb der Übergangstemperatur vermeiden. Die Bestimmung der Übergangstemperatur erfolgt: − Bei 50% Sprödbruch − Bei 50% Verformungsbruch − Wenn 50% Kerbschlagbiegearbeit (Av) der Hochlage erreicht ist -4- Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Die Übergangstemperatur Tü kennzeichnet die Lage des Steilabfalls in dem Kerbschlagarbeit - Temperatur – Diagramm Einflussgrößen auf die Übergangstemperatur -5- Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Brucharten Diagrammkurve für ein kubisch raumzentriertes Metall Das Bruchaussehen ist die Erscheinungsform der Bruchfläche nach der Prüfung. Die Bruchflächen werden optisch unter makroskopischer Größenordnung bewertet. Man unterscheidet grob in Brüche mit matten oder faserigen Bruchaussehen und in Brüche mit glatten oder kristallinen Bruchaussehen. -6- Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Sprödbruch Unter stoßartiger Belastung und Temperatureinfluss können Werkstoffe eine unterschiedliche Neigung zum Sprödbruch haben, der ohne vorwarnende Erscheinung plötzlich eintritt. Das heißt, ein Sprödbruch tritt dann auf, wenn die Trennfestigkeit von der größten Zugspannung erreicht wird, ehe die Schubspannung den Gleitwiderstand überschreitet. Die dabei verbrauchte Schlagarbeit ist gering. Es entsteht eine feinkörnige, glitzernde Bruchfläche. Verformungsbruch Die bei einem Verformungsbruch verbrauchte Schlagarbeit ist sehr groß. Der Bruch tritt ein, wenn die Schubspannung den Gleitwiderstand überschreitet, bevor die Zugspannung die Trennfestigkeit erreicht. Bei Ablauf dieses Vorganges innerhalb des Werkstoffes wächst der Gleitwiderstand durch den Eintritt der Verfestigung immer mehr an und die Probe wird dann abgeschert. Es entsteht eine sehnige Bruchfläche die starke plastische Verformungen aufweist. Mischbruch Bei einem Mischbruch fallen in der Bruchfläche die Bruchformen des Sprödbruches und des Verformungsbruches an. Die reinen Verformungsbrüche kennzeichnen die Hochlage und die reinen Sprödbrüche die Tieflage der Kurve des Schlagarbeit – Temperatur Diagramms. In dem Streugebiet oder auch dem Steilabfall genannt siedeln sich die Mischbrüche an. Die Verschiebung des Steilabfalls nach rechts ergibt meistens eine Erniedrigung der Hochlage Einflussgrößen des Bruchverhaltens − Werkstoffbedingte: Werkstoffart, Gitterart, Reinheit, Gefüge (Korngröße), Wärmebehandlungsmethoden − bauteilbedingte: Eigenspannungen, Gefügeveränderungen durch Herstellverfahren (Wärmebehandlung) − beanspruchungsbedingte: mehrachsige Spannungszustände, Beanspruchungsgeschwindigkeit, Temperatur -7- Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Kurventypen Av-T Diagrammkurven in Abhängigkeit der Gitterstruktur Typ I:(blau) -gute Zähigkeit bei höheren Temperaturen (”Hochlage”), -jedoch ausgesprochen spröde bei tiefen Temperaturen (”Tieflage”), -da zwischen Steilabfall mit stark streuenden Messwerten über einen relativ schmalen Temperaturbereich; -charakteristisch für krz-Metalle, z.B. Baustähle und niedrig legierte Stähle Typ II:(grün) -über den gesamten Temperaturbereich relativ niedrige Zähigkeitswerte (spröde); -typisch für amorphe oder komplizierte Gitterstrukturen, z.B. Grauguss Lamellengraphit Typ III: (lila) -sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen nahezu konstant -hohe Kerbschlagzähigkeit; -kfz-Metallen z.B. Kupfer oder austenitische Stähle -8- mit Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Das Werkstoffprobestück Für die Versuchsdurchführungen werden hauptsächlich zwei Probenformenarten verwendet, die Charpy-U-Probe und die Charpy-V-Probe. Diese sind nach DIN EN 10045 genau genormt. Sie unterscheiden sich in der Kerbform, U-Kerb bzw. V-Kerb. Durch die Form des Kerbradius kann eine Versuchsverschärfung in Richtung Sprödbruch erfolgen. -9- Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Ziel der Kerbe Es wird die Werkstoffneigung zum Bruchverhalten unter dreiachsigem Spannungszustand mit Temperatureinfluss und der zu untersuchenden Probenform beurteilt. Die Beurteilung erfolgt u.a. durch die optische Vermessung der entstandenen Brucharten nach dem Versuchsablauf und der Bewertung ihrer prozentualen Anteile. Durch das Einbringen einer definierten Kerbe in den genormten Probenkörper der Werkstoffprobe wird bei der Versuchsdurchführung ein dreiachsiger Spannungszustand im Kerbgrund erreicht. F FL b = eingeleitete Schlagkraft = Gegenkraft im Widerlager = einachsige Biegespannung Durch Umlenkung der Kraft F im Kerbgrund wird die Spannung b in einen mehrachsigen Spannungszustand umgelenkt Als Bsp. Ein Kerbschlag – Temperatur Diagramm für Erläuterung der Abhängigkeit von mehr achsigen Spannungszuständen der Probe. - 10 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow original Foto einer Probe vor und nach dem Versuch - 11 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Der Dauerschwingversuch Einleitung Dauerschwingversuch Mit der mechanischen Belastbarkeit von Materialien, Strukturen und Bauteilen sind wir im täglichen Leben in vielfältiger Weise unmittelbar konfrontiert. Unfälle und Katastrophen, die auf das Versagen durch Materialermüdung zurückzuführen sind, belegen, dass die Frage nach der Bruch- und Ermüdungsfestigkeit bewegter und dynamisch belasteter Bauteile in vielen Fällen von existentieller Bedeutung ist. Durch oftmals tragische Ereignisse in Natur und Technik hat der Mensch erkennen müssen, dass sowohl lebende als auch künstliche Strukturen bei schwingender Beanspruchung eine geringere Festigkeit als bei ruhender (statischer) Belastung haben und unter erhöhter dynamischer Spannung wesentlich kürzere Lebensdauer aufweisen als unter niedrigerer Belastung. Eine systematische Untersuchung dieser Zusammenhänge wurde durch die Entwicklung des neuzeitlichen Verkehrswesens erzwungen und bereits in der Mitte des vorigen Jahrhunderts erstmals von August Wöhler für Eisenbahnwagen-Achsen durchgeführt. Als Bruch- oder Versagensursache bei schwingender Beanspruchung vermutete er Ermüdungszerrüttung des Werkstoffgefüges. Ermüdendes Material antwortet auf dauernd wiederholte Überlastzustände in der Regel mit Schwingungsbrüchen, die ein Bauteilversagen zur Folge haben. Meist liegt der Ursprung von Anrissen in Fehlstellen wie Materialeinschlüssen, in Kerbstellen bei scharfen Querschnittsübergängen oder bei fehlerhaft ausgeführten Schweißverbindungen. Der Fortschritt von Ermüdungsrissen ist im allgemeinen makroskopisch mehr oder weniger deutlich durch konzentrische Rastlinien im Bruchbild zu erkennen und führt mit einem finalen Gewaltbruch des letztlich zu schwachen Restquerschnitts zum Totalausfall des Bauteils. Die durch Wöhlerkurven beschriebene Schwingfestigkeit von Proben oder Bauteilen ist in der Hauptsache abhängig vom Werkstoff und der Geometrie (Form und Größe) sowie von der Beanspruchungsart (Biegung, Zug-Druck-Belastung, Torsion, usw.). Schwingversuche an meist runden oder flachen Materialproben werden mit verhältnismäßig einfachen Prüfmaschinen durchgeführt und dienen im Allgemeinem zum Vergleich von Werkstoffen oder Fertigungsprozessen sowie als Basis zur konstruktiven Auslegung. Bauteil-Schwingversuche erfordern oft aufwendige steuer- und regelbare Versuchsanlagen und werden meist in geringerem Prüfmusterumfang zwecks abschließenden Nachweises der Sicherheit gegen Bauteilversagen angesetzt. - 12 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Wöhler wies auch schon nach, dass eine Belastungsamplitude existiert, unterhalb der auch bei unendlich häufiger Beanspruchung keine Probe mehr bricht. Das bedeutet, dass für eine dauerhaft ausgelegte Bemessung funktions- und sicherheitsrelevanter Bauteile die größte im Betrieb zu erwartende Beanspruchung unterhalb der sogenannten Dauerfestigkeit liegen muss. Der durch Schwingversuche ermittelbare Zusammenhang zwischen Belastungsamplitude und Lebensdauer, messbar in Schwingspielen bis zum Bruch, wurde ihm zu Ehren Wöhlerkurve genannt. Der Versuch nach DIN 50 100 Die Dauerschwingfestigkeit in N/mm² ist der um eine gegebene Mittelspannung schwingende größte Spannungsausschlag, den ein Werkstoff "unendlich oft" ohne Bruch und ohne unzulässige Verformung aushält. Die Beanspruchung der Probe verläuft in Form eines Schwingvorganges. Die Dauerfestigkeit wird nach dem Wöhlerverfahren ermittelt. Es werden nacheinander völlig gleichwertige Proben gestaffelten Schwingbeanspruchungen unterworfen und die zugehörigen Bruchschwingzahlen festgestellt. Der Spannungswert S a (Spannungsamplitude) wird von Probe zu Probe so gestaffelt, dass jene größte Beanspruchung gefunden wird, die "unendlich oft" ohne Bruch ertragen wird. Bei einigen Werkstoffen, wie z.B. Austenitischer Stahl oder Aluminiumlegierungen, fällt die Wöhlerkurve immer weiter bis zum Nullpunkt, es gibt keine Dauerschwingfestigkeit. Beanspruchung und Schwingspielzahl jeder Probe werden im Versuchsbericht festgehalten. Diese Wertepaare werden zur Auswertung in das Wöhlerschaubild eingetragen. Man unterscheidet Wechsel- und Schwellfestigkeit als Sonderfälle der Dauerfestigkeit. Der Dauerschwingversuch dient zur Ermittlung der schwächsten Stellen einer Konstruktion bzw. Bruch begünstigender Ursachen z.B. an Schraub- und Schweißverbindungen. Die Wechselbiegemaschine Als Bsp. dient eine schematische Darstellung einer Wechselbiegemaschine. Ihr mechanischer Antrieb ermöglicht eine stufenlos einstellbare Spannungsamplitude. Dies wird durch einen Doppelexzenter auf der Antriebswelle realisiert. Über einem Pleuel wird der Exzenterhub auf die Antriebsschwinge übertragen und ein Biegemoment in die Probe eingeleitet. Das Gegenmoment wird von der Mess-Schwinge mit Hilfe der Messfeder aufgebracht. Somit ist das auf die Probe wirkende Biegemoment den Ausschlägen der Messuhren, welche die vertikale Bewegung der Messschwingenenden anzeigen, proportional. Der Umrechnungsfaktor ergibt sich aus Messfedersteifigkeit und den geometrischen Maschinenabmessungen. Zur Bestimmung der Bruchzyklenzahl sind die Wechselbiegemaschinen mit einem Zählwerk ausgerüstet. Eine Abschaltautomatik stoppt den Antriebsmotor bei Probenbruch. - 13 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Kurze Bedienungsanleitung Im folgenden werden die wichtigsten Handgriffe, die zur Bedienung der Maschine erforderlich sind, stichwortartig zusammengefasst. 1. Prüfquerschnitt der Probe feststellen (messen und notieren). 2. Widerstandsmoment des Prüfquerschnittes nach berechnen. (b: Probenbreite, h: Probendicke). 3. Biegemoment errechnen nach der Gleichung:( W=(b*h²)/6 4. Die zum errechnetem Biegemoment passende Messfeder einbauen. 5. Zählerstand des Lastspielzählers notieren. 6. Kontaktschraube des Ausschaltkontaktes hochschrauben. 7. Exzenter auf den Wert Null einstellen. Ausschläge der Messuhren notieren. 8. Probe einspannen und dabei beachten, dass die neutrale Faser der Probe in der Schwenkachse der Schwinge liegt. 9. Exzenterwelle von Hand durchdrehen und Messuhrwerte kontrollieren. Die Werte müssen die gleichen sein, wie vor dem Einspannen der Probe. Hat eine nicht ganz ebene Probe die Messeinrichtung vorgespannt, so muss die Motorschlittenposition korrigiert werden. 10. Exzenter einstellen. (Zur Messuhranzeige in der Nullstellung des Exzenters wird der aus der Kennlinie entnommene Messfederweg addiert. Durch Variation der Exzentereinstellung an gewünschten Messuhrausschlag annähern.) 11. Tastspitzen beider Messuhren genügend weit von der Messschwinge entfernen. 12. Druckknopfschalter betätigen und Motorschütz einschalten. 13. Sobald die Maschine läuft, am ölgedämpften Ausschalter die Kontaktschraube vorsichtig an den Kontakthebel herandrehen, bis die Maschine abschaltet. 14. Kontaktschraube ca. 45° zurückdrehen. 15. Druckknopfschalter betätigen und Motorschütz einschalten. Nun kann die Maschine sich selbst überlassen werden. Bei Bruch oder Anriss der Probe schaltet sie selbständig ab und die rote Kontrolllampe leuchtet auf. 16. Zählerstand des Lastspielzählers notieren. Die Differenz zum Zählerstand bei Versuchsbeginn ergibt die von der Probe ertragene Lastspielzahl. 17. Ausbau der gebrochenen bzw. gerissenen Probe. - 14 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz Versuchskennwerte Spannungsamplitude σa (auch Spannungsausschlag) Mittelspannung σm Oberspannung σo Unterspannung σu Spannungsschwingbreite ∆σ (auch zyklische Spannung) Spannungsverhältnis (R = σo /σu) - 15 - bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Metallische Werkstoffe ertragen schwingende Belastungen selbst dann nicht beliebig oft, wenn die hierbei auftretenden Spannungsamplituden gering gegenüber der im Zugversuch ermittelten maximalen Zugfestigkeit sind. Die sich zeitlich veränderten und wiederholten Beanspruchungen führen in vielen Fällen zu einem Ermüdungs- oder Dauerbruch. So gehen z.B. Proben aus normalen unlegierten Stählen unter Zug- Druckoder Wechselbeanspruchung selbst dann noch zu Bruch, wenn ihre Spannungsamplitude kleiner als ihre Streckgrenze ist. Hieraus ergibt sich für die Auslegung schwingend belasteter Bauteile die zwingende Forderung Werkstoffkenngrößen zu verwenden, welche das mechanische Verhalten unter schwingender Beanspruchung widerspiegeln. Solche Kenngrößen können mit Schwingprüfmaschinen oder Wechselbiegemaschinen aus Dauerschwingversuchen ermittelt werden. Oft wird zur Durchführung eines Dauerschwingversuches eine sinusförmige Belastung mit konstanter Amplitude bis zum Bruch der Probe aufgebracht und die Bruchzyklenzahl registriert. Die Belastung kann hierbei spannungs- und dehnungskontrolliert erfolgen. Zusätzlich zur schwingenden Belastung kann eine statische Last überlagert sein. Je nach Lage der Mittelspannung unterscheidet man verschiedene Bereiche der Dauerschwingbeanspruchung. So ist beispielsweise der Druckschwellbereich dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachte Unter- wie auch die Oberspannung im Druckbereich liegen. Analog hierzu ist der Zugschwellbereich durch eine Unter- und Oberspannung im Zugbereich gekennzeichnet. Im Wechselbereich liegt die Oberspannung im Zug- und die Unterspannung im Druckbereich. Diese schematisch dargestellten Bereiche lassen sich in einfacher Form durch das Spannungsverhältnis R angeben. Das Spannungsverhältnis ergibt sich aus dem Quotienten von Unter- zu Oberspannung. Wöhlerversuche Für Untersuchung des Ermüdungsverhaltens werden mindestens sechs bis zehn, vom Werkstoff, Gestalt und Bearbeitung völlig gleichartige Proben im Schwingfestigkeitsversuchen ohne Pause bis zum Bruch zyklisch beansprucht und die jeweiligen Bruchlastspielzahlen ermittelt. Begriffe Bruchlastspielzahl (NB): Schwingspielanzahl welche die Lastspiele, die bis zum Bruch führen, angibt. Schwingspielanzahl (N): Anzahl der Schwingungen eines Versuchs Grenzschwingspielzahl (NG): ist die festgelegte maximale Anzahl der Schwingungen, der die Versuchsprobe ausgesetzt wird. Dauerschwingfestigkeit (zd Sch oder zd W): die Probe erträgt eine unendlich Anzahl Schwingungen minimal aber 106 Schwingungen (Sch =schwellende, W=wechselnde Belastung) - 16 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Zeitfestigkeit: für eine gewisse Anzahl der Versuche ist die Probe Schwingfest (mindestens 102 Schwingungen) Kurzzeitfestigkeit: nur kurzzeitige Belastung mit konstanter Spannungsamplitude möglich, da sofort der Bruch erfolgt. Durchläufer: Eine beim Versuch nicht gebrochene Probe heißen Durchläufer. Ermittlung der Wöhler-Kurve Man beginnt mit der ersten Probe mit einer relativ hohen Belastung, die rasch den Bruch herbeiführt, und wendet bei den folgenden Proben jeweils eine niedrigere Beanspruchung an, bis auch nach vielen Lastwechseln kein Bruch mehr erfolgt. Trägt man nun die zum Bruch führenden Belastungen (Spannungsamplitude) über die Belastung nicht gebrochener Proben über der erreichten Grenzschwingspielzahl auf, so erhält man entsprechende Diagramme, welche als Wöhlerkurven benannt sind. Verschiedene Proben werden mit der gleichen Mittelspannung, aber mit unterschiedlichen Spannungsamplituden jeweils bis zum Bruch geprüft und ihre Lebensdauer durch das zählen der Schwingspielzahlen ermittelt, so ergibt die Auftragung der Spannungsamplitude über die ermittelten Lebensdauer die Wöhler-Kurve. Je kleiner die Spannungsamplitude, umso größer wird die Lebensdauer der Probe. Versuche, bei denen die Lebensdauer der Probe ins „Unendliche“ anwächst, werden bei einer bestimmten Grenzschwingspielzahl (NG) beendet. - 17 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Grenzschwingspielzahl Die annähernd waagerechte Kurve im fortgeschrittenen Verlauf lässt den Schluss zu, dass eine Probe nicht unendlich lang geprüft werden muss, sondern nur bis zu einer praktisch relevanten Grenzlastspielzahl NG. Die für die Begrenzung der Versuchsdauer erforderliche Festlegung der Grenzschwingspielzahl ist zum Teil werkstoffabhängig. Bei weichem Stahl z.B. geht die Wöhler-Kurve zwischen 106 und 107 Schwingspielen in einen Waagerechten Verlauf über, so dass die Grenzschwingspielzahl für diesen Werkstoff mit 2*106 bis 107 gewählt wird. Die meisten anderen Metalle weisen stetig abfallende Wöhler-Kurven auf, bei diesen werden höhere Grenzschwingspielzahlen (z.B. 108 für Aluminium Legierungen) festgelegt. Die Spannungsamplitude, die bis zur Grenzschwingspielzahl ertragen wird, bildet zusammen mit der Mittelspannung die Dauerfestigkeit. Streuungen der Wöhlerversuche In der Versuchspraxis ergeben sich bei Schwingfestigkeitsversuchen starke Streuungen der Ergebnisse. Die Ermittlung einer Wöhler-Kurve erfordert einen hohen Aufwand. Bei genaueren Versuchen werden stets mehrere Proben mit gleicher Beanspruchung geprüft. Sie brechen bei verschiedenen Schwingspielanzahlen, die Werte streuen also. Es entsteht ein Streuband von Versuchswerten, in dem man nur bei genügend großer Probenanzahl Wöhler-Kurven einzeichnen kann. Aufgrund Statischer Berechnungen können bestimmte Überlebens- oder Bruchwahrscheinlichkeiten zugeordnet werden. Da die Streuung in der Nähe der Dauerfestigkeit besonders stark ist und dort auch am längsten dauern, hat man spezielle Versuchsverfahren entwickelt, um bei kleinerer Probenzahl die Aussagegenauigkeit zu erhöhen. Für sichere Aussagen ist die Prüfung vieler Pro- - 18 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow ben erforderlich, deren Daten mit statischen Methoden ausgewertet werden. Im Bereich der Zeitfestigkeit sind Streuungen um den Faktor 25 völlig normal. Die Wöhlerkurve stellt dann die statische Auswertung eines Streubandes dar. Sie ergibt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit den Bruch oder die Dauerfestigkeit an. Festigkeitsbereiche Die Abgrenzung von Kurzzeit-, Zeit- und Dauerfestigkeitsgebiet ist nicht eindeutig festgelegt. Lebensdauerwerte über 106 Schwingspielen werden im Allgemeinen der Dauerfestigkeit zugerechnet. Im Bereich unter 10 4 ertragene Schwingspiele liegt das Gebiet der Kurzzeitfestigkeit. - 19 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Kurzzeitfestigkeit Hier ist nur kurzzeitige Belastung mit konstanter Spannungsamplitude möglich, da sofort der Bruch erfolgt. Zeitschwingfestigkeit Oberhalb der Dauerfestigkeit tritt bei N≤ND ein steiler Anstieg der Schwingfestigkeit auf (Zeitfestigkeit), der sich bei kleinen Schwingspielzahlen der Zugfestigkeit oder statischen Formfestigkeit (bei einmaliger Belastung) nähert (Kurzzeitfestigkeit). Der Übergang von der steiler verlaufenden Zeitfestigkeitslinie in die flacher verlaufende Kurzzeitfestigkeitslinie erfolgt im Bereich von N = 102 – 104 (abhängig von Kerbzustand, Mittelspannung und weiteren Einflussgrößen) oder, alternativ ausgedrückt, im Bereich der Fließgrenze oder statischen Formdehngrenze. Dauerschwingfestigkeit Das für Baustähle typische horizontale Auslaufen der Wöhler-Linie bei sehr hoher Schwingspielzahl kennzeichnet die eigentliche Dauerfestigkeit. Oberhalb einer Grenzschwingzahl tritt bei beliebig langer Fortsetzung des Versuchs kein Bruch auf. In der Praxis wird als Ersatzwert die technische Dauerfestigkeit bei der technischen Grenzschwingspielzahl NG = 2 * 106 oder höher festgelegt. Der weitere stetige Abfall tritt auch bei Baustählen und Titanlegierungen ein, wenn regelmäßige Überlastungen, korrosive Einflüsse oder erhöhte Temperaturen den Ermüdungsvorgang mitbestimmen. Einflussgrößen auf die Festigkeit Werkstoff Durch Verändern des Werkstoffgefüges in der Nähe der Oberfläche (Flamm- und Induktionshärten) und/oder Erzeugen von Druckeigenspannungen in der Oberflächenschicht (Kugelstrahlen, Oberflächenrollen) kann die Schwingfestigkeit von Bauteilen merklich angehoben werden. Kristallgitter Der Verlauf der Wöhlerkurve für kubisch-raum-zentrierte Stähle und für viele heterogene Nichteisenmetalllegierungen geht bei großen Zyklenzahlen (Bruchlastspielen) in einen horizontalen Verlauf über. Dieser Kurvenverlauf wird als Wöhlerkurve vom Typ I bezeichnet. Aus der Lage der Horizontalen resultiert dann die Dauerschwingfestigkeit. Dagegen fällt die Wöhlerkurve vom Typ II auch bei niedrigeren Belastungsamplituden, wenn auch nur allmählich, ab. Ein solches Verhalten tritt bei vielen kubisch-flächenzentrierten Legierungen, wie z.B. Aluminiumlegierungen, α-Messing oder austenitischen Stählen, auf. Ferrittische Stähle (krz) und heterogene Nichteisenmetalllegierungen weisen Typ I, austenitische Stähle und andere kfz-Legierungen (z.B. Al-Leg.) Typ II auf. Der Knickpunkt bei Typ I liegt meistens bei 2-10·106 Schwingspielen. Es genügt somit, Proben bis maximal 107 Schwingspiele zu prüfen. Die Spannungsamplitude, die ein - 20 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Werkstoff bis zu dieser Grenzlastspielzahl ohne Bruch erträgt, wird als Dauerfestigkeit bzw. im Spezialfall der rein wechselnden Belastung als Wechselfestigkeit bezeichnet. Ein Wöhlerdiagramm beschreibt also nur das Verhalten bei einer Mittelspannung. Bei einigen Werkstoffen, wie z.B. austenitischer Stahl oder Aluminiumlegierungen, fällt die Wöhlerkurve (Typ II) immer weiter bis zum Nullpunkt, es gibt keine Dauerschwingfestigkeit. Hier muss man sich mit einer begrenzten „Lebensdauer“ zufrieden geben. Man gibt dann die Schwingspielzahl N an, bis zu der bei den gewählten Belastungen kein Bruch eintritt. Werkstoffzustand Da bei Richtungswechsel während eines Lastspiels treten in Mikrobereichen plastische Verformungen durch Versetzbewegungen auf. Da diese Versetzbewegungen mir einer Energiezufuhr verbunden sind, können dadurch Gefügeveränderungen aktiviert werden, insbesondere die Auflösung oder Bildung von Ausscheidungen (Extrusionen bzw. Intrusionen). Die Werkstoffeigenschaften haben auf die Versuchsergebnisse einen entscheidenden Einfluss. Harte spröde Werkstoffe neigen eher zum Bruch als weiche zähe Materialien, die eher zur Dauerfestigkeit neigen. Wärmebehandlung Durch Wärmebehandlung wird die Art der vorhandenen Eigenspannungen (Oberflächenspannung; Zug- oder Druckspannung) beeinflusst. - 21 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Eigenspannung Der Ermüdungsvorgang wird durch Werkstoff-Eigenspannungen, die auch als innere Spannungen bezeichnet werden, je nach deren Größe und Richtung(Zug- oder Druck) beeinflusst, Als Bsp. dient hier eine Kugelstrahlbehandlung Eine Kugelstrahlbehandlung führt bei den meisten Metallen zu Druckeigenspannungen unter der gestrahlten Oberfläche. Diese Druckeigenspannungen werden von der plastischen Verformung aufgebaut, welche vom auftreffenden Strahlgut verursacht wird. Aus der Mechanik ist bekannt, dass sich Spannungen mit Hilfe der Superposition überlagern lassen. Abb. zeigt die Überlagerung einer Druckeigenspannung mit einer Biegespannung. Aus dem Verlauf der resultierenden Spannung ist zu erkennen, dass die maximale Zugspannung für den überlagerten Fall kleiner ist als bei reiner Biegebeanspruchung. Aus diesem Grund ist bei kugelgestrahlten Proben eine höhere Schwingfestigkeit zu erwarten. Ein weiterer Effekt, der die Schwingfestigkeit kugelgestrahlter Proben anhebt, ist - 22 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow die Werkstoffverfestigung. Sie ist eine Folge von Versetzungsbewegungen, welche aus plastischen Verformungen resultieren. Bauteilform: Kerbeinfluss - 23 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Unter Kerben werden alle konstruktiv bedingten Querschnittsänderungen sowie Bohrungen, Gewinde, Drehriefen, Rostnarben und andere Spannungskonzentrationsstellen verstanden, an denen Maximalspannungen, die über der Nennspannung liegen, auftreten. Der Einfluss der Kerben auf die Festigkeit wird bei zyklischer Beanspruchung durch die Kerbwirkungszahl, das ist das Verhältnis der Schwingfestigkeiten glatter zu gekerbten Proben, ausgedrückt. Im Gebiet der Zeit-, und Dauerfestigkeit haben gekerbte Bauteile immer eine niedrige Festigkeit als ungekerbte. Oberflächenzustand Dauerbrüche gehen meist von Kerben oder Oberflächenfehlern aus. Glatte Oberflächen erhöhen die Lebensdauer schwingend beanspruchter Werkstücke. Werkstücke, die schwingend belastet werden, wie Kurbelwellen, Pleuelstangen, Schrauben, dürfen wegen der Dauerbruchgefahr an der Oberfläche keine Fehler haben. Sie sind ohne Kerben und schroffe Querschnittsveränderungen herzustellen. Hochfeste Stähle weisen eine sehr starke Abhängigkeit auf. Um hohe Festigkeiten auch bei Schwingbeanspruchung auszunutzen, muss für eine entsprechend hohe Oberflächengüte gesorgt werden. Je nach Oberflächenbeschaffenheit(Prägepoliert, geschlichtet, geschmiedet kugelgestrahlt, glatt gewalzt) kommt es zu einer Festigkeitsänderung an der Oberfläche. Veränderungen der Oberfläche durch mechanische, chemische oder thermische Vorgänge wirken sich positiv aus, wenn in der Oberfläche Druckeigenspannungen entstehen. Der Einfluss der Oberflächengüte, d.h. der Rauheit, entspricht dem Einfluss der Kerbwirkung. Je rauer die Oberfläche, desto geringer ist die Dauerfestigkeit. Aus diesem Grund werden Dauerfestigkeitsversuche zur Ermittlung des Werkstoffverhaltens (nicht des Bauteilverhaltens!!) fast ausschließlich an polierten Proben vorgenommen. Bauteilabmessungen Die Abmessungen des Vormaterials sind meist unterschiedlich, dadurch weist dieses Unterschiede im Verformungsgrad, in der Korngröße und anderen Gefügemerkmalen auf. Das Vormaterial stammt aus verschiedenen Schmelzen, dadurch kommen Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung, im Gehalt der Verunreinigungen usw. hinzu. Die Proben werden einheitlichem Vormaterial entnommen und enthalten deshalb je nach ihrer Größe verschieden große Anteile von Rand- und Kernmaterial. Belastung Belastungsart Es wird bei periodischer Beanspruchung (konstanter Mittelspannung und variabler Spannungsamplitude)zwischen den Bereichen der Zugschwell-, Wechsel- und Druckschwellbeanspruchung unterschieden. Hervorgehoben wird die reine Wechselbeanspruchung mit R = 0, die reine Druckschwellbeanspruchung mit R = ±∞ und die statische Zug- oder Druckbeanspruchung mit R = 1. - 24 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow schwellende oder wechselnde Beanspruchung Mittelspannung Bei Amplituden im Bereich einer mittleren Zugspannung sinkt die Ermüdungs- oder Bruchlastgrenze, während sie bei mittlerer Druckspannung steigt. Ein Wöhlerdiagramm beschreibt also nur das Verhalten bei einer konstanten Mittelspannung m. - 25 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Der bei einer Mittelspannung σm = 0 und einer beliebig oft aufgeprägten Spannungsamplitude σa wirksame Werkstoffwiderstand gegen Ermüdungsbruch, wird bei Werkstoffen, vom Wöhlerkurven Typ I, als Wechselfestigkeit σW bezeichnet. Analog wird die bei σm ≠ 0 gerade noch ohne Bruch ertragene Spannungsamplitude als σ D = Dauerfestigkeit angesprochen. Bei spannungskontrollierten Versuchen mit σm = konstant werden die dauerfest ertragbaren Spannungsamplituden innerhalb bestimmter Grenzen mit abnehmender Mittelspannung erhöht. Da in der technischen Praxis häufig eine Überlagerung einer zeitlich konstanten mit einer periodisch veränderlichen Spannung vorliegt, kommt dem Werkstoffverhalten unter Schwingbeanspruchung mit Mittelspannung eine erhebliche Bedeutung zu. Spannungen und Frequenzen: Die Prüffrequenz hat im normalen Frequenzbereich von 1 Hz bis 250 Hz keinen nennenswerten Einfluss auf die Dauerfestigkeit, sofern sich nicht bei niedrigen Frequenzen Korrosionseinwirkungen bemerkbar machen. Hohe Frequenzen können mitunter zu einem Temperaturanstieg führen, was bei unzureichender Wärmeabfuhr den Ermüdungswiderstand beeinträchtigt. Spannungen und Frequenzen unterscheiden sich je nach der entsprechenden Schwingfestigkeitsuntersuchung. Je nach Schwingprüfmaschine die mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden können. - 26 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Der Einfluss der Schwingfrequenz auf die Schwingfestigkeit im Wöhler-Versuch ist vielfach untersucht worden. Die Schwingfrequenz f ist bei Stahl im Bereich 1 ≤ f ≤ 10 3 Hz von nur geringem Einfluss auf die Schwingfestigkeit, vorausgesetzt Korrosion, erhöhte Temperatur und Annäherung an die Fließgrenze werden vermieden. Bei Leichtmetalllegierungen wird dagegen zum Teil ein erheblicher Einfluss festgestellt. Der Anstieg der Schwingfestigkeit mit der Frequenz erklärt sich aus dem zunehmenden Widerstand gegen Versetzungsbewegung. Wenn sich die Probe infolge dieser Bewegung, welche die plastische Formänderung ausmacht, erwärmt, wird der Anstieg abgeschwächt oder in einen Abfall umgekehrt. Umgebung Temperatur: - 27 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Temperaturänderungen erzeugen Wärmespannungen im Material. Überschreiten die Wärmespannungen die Elastizitätsgrenze kommt es zu plastischen Verformungen bis hin zu Rissbildungen. Man nennt diesen Prozess thermische Ermüdung. Mit steigender Prüftemperatur fällt die Dauerfestigkeit im Allgemeinen ab, wie es auch bei den statischen Festigkeitswerten der Fall ist. Umgebungsmedium: Der Einfluss des umgebenden Mediums, in dem die Dauerschwingversuche durchgeführt werden, ist im Allgemeinen korrosiver Natur. Dabei kann der Angriff normaler Luft schon ausreichen. Bei Aluminium Legierungen bewirkt z.B. die übliche Luftfeuchtigkeit eine deutliche Verringerung der Lebensdauer. Da Korrosionsschäden mit der Zeit zunehmen, gibt es unter Korrosion keine Dauerfestigkeit, sonder die Wöhler-Kurven fallen stetig ab. Die Schwingfestigkeit ist also in jedem Fall zeitabhängig. Die Lebensdauer im Zeitfestigkeitsbereich und auch die Dauerfestigkeit kann zunehmen, wenn die Metalloberfläche von Gasen und Feuchtigkeit durch Öl verhindert wird. Schwingbruch (Dauerbruch) Die Restbruchfläche hebt sich durch eine körnige bzw. stark zerklüftete Struktur ab. Elektronenoptisch lassen sich auf der Schwingbruchfläche Streifen feststellen, die den einzelnen Schwingspielen zugeordnet werden können, die sogenannten Schwingstreifen.(Bruchriefen oder Bruchlamellen) Die Entstehung eines Schwingbruches lässt sich in drei Phasen einteilen: - Rissbildung - Rissausbreitung - Restbruch - 28 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Rissbildung Extrusion: Auspressung Intrusion: Einsenkungen Bei der 1.Zugphase ist bei dem Richtungswechsel eine Versetzungsbewegung auf einer Gleitebene zu erkennen. Bei erneutem Richtungswechsel zur ersten Druckphase ist die Versetzungsbewegung auf einer anderen Gleitebene aktiv. Aus diesen Gleitbändern entstehen Extrusionen und Intrusionen. Die Intrusionen bilden Risskeime, weshalb Dauerrisse fast ausschließlich von der Oberfläche ausgehen. Seltener bilden sich Risskeime auch an Korngrenzen oder an nichtmetallischen Einschlüssen. Die Intrusionen sind häufig Ausgangspunkte für die Rissbildung. In Teilen mit ortsunabhängigen mechanischen Eigenschaften wird die Rissbildung in der Regel an der Oberfläche dieser Teile beobachtet, wenn von speziellen Beanspruchungen mit Beanspruchungsmaxima unter - 29 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow der Oberfläche und von groben Werkstofffehlern unter der Oberfläche abgesehen wird. Hierfür können verschiedene Ursachen ausschlaggebend sein. Im einfachsten Fall ist die äußere Beanspruchung, zum Beispiel eine Biege- oder Torsionsbeanspruchung, dafür verantwortlich, dass die höchsten Spannungen an der Oberfläche vorliegen. Eine zweite Ursache kann das Auftreten von konstruktiv bedingten Kerben mit entsprechender Spannungsüberhöhung sein. Eine dritte Ursache sind Mikrokerben, die fertigungsbedingt oder beanspruchungsbedingt entstehen können. Fertigungsbedingte Mikrokerben sind als Oberflächenrauhigkeit am unbeanspruchten Teil messbar. Beanspruchungsbedingte Mikrokerben können durch Metallauflösung in korrosiver Umgebung oder durch die mechanische Beanspruchung selbst infolge der plastischen Verformung entstehen, die durch Abgleitvorgänge eine Aufrauung der Oberfläche verursacht. Rissausbreitung Auch bei Beanspruchungsamplituden unterhalb der Streckgrenze treten unter Schwingbeanspruchung irreversible plastische Abgleitungen auf. In den Gitterebenen mit der höchsten Schubspannung, bei Zug-Druck-Beanspruchung also unter 45° zur Achse, führt dieses Hin- und Hergleiten allmählich zu einer Zerrüttung des Gefüges. Außerdem bilden sich durch die Abgleitungen an der Oberfläche Erhebungen und Vertiefungen, sogenannte Extrusion und Intrusion, die durch ihre Kerbwirkung die Rissbildung begünstigen. Meist bilden sich von der Oberfläche ausgehend viele Mikrorisse in Richtung der größten Schubspannung. Ab einer gewissen Größe wächst nur noch einer dieser Mikrorisse weiter, wobei er sich dann in einer Ebene senkrecht zur größten Normalspannung ausbreitet. Der Restbruch des Bauteiles tritt ein, wenn der Restquerschnitt die aufgebrachte (Zug-)Beanspruchung nicht mehr tragen kann. Die makroskopisch glatte Schwingbruchfläche weist sog. Rastlinien auf, die durch Belastungsänderungen entstehen. Restbruch Der Restbruch des Bauteiles tritt ein, wenn der Restquerschnitt die aufgebrachte (Zug-) Beanspruchung nicht mehr tragen kann. Die makroskopisch glatte Schwingbruchfläche weist sog. Rastlinien auf, die durch Belastungsänderungen entstehen. Da bei schwingend beanspruchten Bauteilen die höchste Spannung fast immer an der Oberfläche auftritt, nimmt der Dauerbruch meistens von dort seinen Ausgang. Der Oberflächenzustand übt daher einen beträchtlichen Einfluss auf die Dauerschwingfestigkeit aus. Hochfeste Stähle weisen eine sehr starke Abhängigkeit auf. Um hohe Festigkeiten auch bei Schwingbeanspruchung auszunutzen, muss für eine entsprechend hohe Oberflächengüte gesorgt werden. - 30 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Ermüdungsbruch (bevorzugt an der Probenoberfläche nach Wechselbeanspruchung) - 31 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Im ersten Stadium breitet sich der Riss mit geringer Geschwindigkeit geradlinig unter einem Winkel von 45 grad zur Zugrichtung aus, d.h. er folgt einer etwa in Richtung liegenden Gleitebene. Risse im Stadium I erstrecken sich in der Regel über ein bis zwei Kristallite. Der Riss geht fast immer von einer Stelle der Oberfläche aus. Sie können länger werden, wenn die Rissausbreitungsgeschwindigkeit klein bleibt. Im zweiten Stadium pflanzt sich der Riss in der Ebene der größten Normalspannung, d.h. senkrecht zur Zugrichtung, mit größer werdender Geschwindigkeit fort. Der Umlaufbiegeversuch (DIN 50113/82) Der Dauerschwingversuch wie er am Anfang beschrieben wurde, ist der häufigste Versuch um Dauerbelastungen zu ermitteln. Ein ganz anderes Bsp. ist der Umlaufbiegeversuch. Der Umlaufbiegeversuch belastet die Probe durch die Anordnung der Kräfte mit einem konstanten Biegemoment. Bei einer Drehung entstehen wechselnde Biegespannungen, die um die Mittelspannung Null schwingen. Es werden mehrere Proben gleichen Werkstoffes und gleicher Vorbehandlung mit fallenden Spannungsausschlägen bis zum Bruch geprüft und die Bruchlastspielzahl bis dahin festgehalten. Proben, welche die Grenzlastspielzahl erreichen, brechen nicht mehr, so dass sie aus dem Versuch genommen werden. - 32 - Fach: Fertigungstechnik Thema: „Kerbschlagbiegeversuch und Dauerschwingversuch“ Datum: 23.04.2005 Gruppe: Fricke, Chemnitz bbs meTechnikerschule Hannover Lehrer: Herr Wuthenow Fazit In der Werkstofftechnik wird es immer nötig sein, zerstörende Prüfverfahren anzuwenden. Dabei hängt das Ergebnis in der Regel von sehr vielen Einflüssen ab. Im Fall vom Kerbschlagbiege Versuch erhält der Prüfer noch nicht einmal ein für die Zukunft relevanten oder einen klaren vergleichbaren Messwert. Jeder neue Werkstoff muss wieder neu geprüft werden. Im Falle des Dauerschwingversuchs wird nur eine grobe Annäherung erreicht, da die Versuchsaufwände sehr groß und die erzielten Ergebnisse doch erheblich stark streuen. Weiter sind die Resultate von vielen verschiedenen Einflussgrößen abhängig, welche in der Regel immer unterschiedlich sind. Daher ist es auch notwendig, teils komplette Bauteile zu Prüfen, um ein entsprechendes Ergebnis zu erzielen. Literaturangaben − − − − − − − − − − − − − − − DIN 50100 – Dauerschwingversuch, Beuth Verlag, 1978 Einführung in die Ermüdungsfestigkeit, Hanser Verlag, München, 1999 Stüssi – Dauerfestigkeit und Versuche A.Wöhler, VSB Verlag Hirsch – Einfluß des Kugelstrahlens auf Biegeschwingfestigkeit, Grässer, Karlsruhe Bergmann – Werkstofftechnik, Hanser Verlag, München Laborbericht – Werkstoffkunde, FH Hannover, 1999 Univ.-Prof. Dr.- Ing. G. Leykauf – Laborversuche/ KomponentenBauteiluntersuchung, Technische Universität München Hengstenbach, Koch, Pyzalla, Quadflieg, Schilke, Schmidt - Fachwissen Metall, Stam Verlag Köln-München http://www.gussbedarf.de/dauerschwingversuch-01.htm http://www.imwf.unistuttgart.de/lehre/vd/wkp/05_Schwingfestigkeit/Schwingfestigkeit.htm http://www.slv-muenchen.de/wt/werkzers.htm http://www.fh-muenchen.de/home/fb/fb05/vf/vf_homepage/material/ko_1vs.pdf http://www.imwf.unistuttgart.de/lehre/vd/wkp/03_Kerbschlagbiegeversuch/Kerbschlagbiegeversuch.h tm http://www.fhsoest.de/fb12/einrichtungen/werkstoff/Prak_PDF/Kerbschlagversuch.pdf http://www.htw-dresden.de/mb/w151_lab.htm - 33 -
