Werkstoffkunde I WS 05 06 Episode 9 doc

3.3 Schwingende Belastung Seite 197 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Ermittlung der Kennwerte  Prüfmaschine mit Zwangsantrieb: Erzeugung der Prüfkräfte über einen Exzenter Ermittlung der Kennwerte  Prüfmaschine mit Zwangsantrieb: Erzeugung der Prüfkräfte durch einen von einem Servoventil geregelten Hydraulikzylinder 3.3 Schwingende Belastung Seite 198 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Dauerschwingversuch nach WÖHLER  Durchführung: – 6 bis 10 völlig gleichwertige Proben – Belastung der Proben ausgehend von einer Spannungsamplitude oberhalb der geschätzten Dauerschwingfestigkeit bei gleicher Mittelspannung V m nacheinander mit abnehmender Spannungsamplitude – Eintragen der ermittelten Wertepaare (Lastspiel N, Spannungsausschlag V a ) in ein Diagramm WÖHLER-Kurve  Ziel: Bestimmung der Dauerschwingfestigkeit V D eines Werkstoffes  Ziel: Bestimmung der Dauerschwingfestigkeit V D eines Werkstoffes WÖHLER - Schaubild bei Spannungsamplitude sa = Rm  Reine Wechselbeanspruchung (V m = 0): – Maximale Spannungsamplitude V a = Zugfestigkeit R m – Zugeordnete Bruchschwingspielzahl N = 1/4 – x-Achse des WÖHLER-Schaubilds beginnt bei 1/4, da man die Belastung im Zugversuch als das erste Viertel einer Schwingungsperiode auffassen kann 3.3 Schwingende Belastung Seite 199 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Beanspruchungsbereiche im WÖHLER-Diagramm  Diagramm mit: – logarithmisch geteilter x-Achse (Schwingspielzahl N) – linear geteilter y-Achse (Spannungsausschlag V a )  Die Schadenslinie S gibt an, bei welchen Spannungsamplituden V a (N) die ersten Werkstoffschädigungen (Anrisse) auftreten  3 Beanspruchungsbereiche: a: Überbeanspruchung mit Schädigung des Werkstoffes b: Beanspruchung oberhalb der Dauerschwingfestigkeit ohne Schädigung des Werkstoffes c: Beanspruchung unterhalb der Dauerschwingfestigkeit Zeitfestigkeit / Dauerfestigkeit  3 Bereiche: I: Kurzzeitfestigkeit II: Langzeitfestigkeit III: Dauerfestigkeit  Typ A: z. B. krz-Stähle  Typ B: z. B. Leichtmetalllegierungen und weiche Stähle – Amplitude V a (N) fällt für N > 10 7 noch merklich ab – Vereinbarung: N grenz = 5*10 7 für weichen Stahl 1*10 8 für Aluminium 3.3 Schwingende Belastung Seite 200 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Zeitfestigkeit / Dauerfestigkeit logarithmisch  3 Bereiche: I: Kurzzeitfestigkeit II: Langzeitfestigkeit III: Dauerfestigkeit  Logarithmisch geteilte x-Achse führt zu einer schärferen Trennung der 3 Bereiche Bruch durch Dauerbelastung  Kerben in der Oberfläche führen zum Anriss (a)  Unzulässig hohe dynamische Beanspruchung führt zu Werkstoffermüdung und zum Dauerbruch (b)  Schrittweises Wachsen des Dauerbruchs über längeren Zeitraum durch das Werkstück  Entstehung von Rastlinien (c) bei absinkender oder unterbrochener Schwingbeanspruchung  Gewaltsamer Restbruch (d) sobald Restquerschnitt des Werkstücks die Beanspruchung nicht mehr ertragen kann Gebrochene Antriebsachse (200 mm Durchmesser) a b c d 3.3 Schwingende Belastung Seite 201 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach „low cycle fatigue“  Kurzzeit- oder Niedrigwechselermüdung („low cycle fatigue“): Versagen des Werkstoffs nach wenigen Lastwechseln (Kurzzeitfestigkeitsbereich). Charakteristisch ist das Auftreten „großer“ plastischer Wechselverformungen Hysteresekurve  Kurzzeit- oder Niedrigwechselermüdung („low cycle fatigue“): Versagen des Werkstoffs nach wenigen Lastwechseln (Kurzzeitfestigkeitsbereich). Charakteristisch ist das Auftreten „großer“ plastischer Wechselverformungen Hysteresekurve Einfluss von Kerben auf Bruch durch Dauerbelastung Biegewechselbeanspruchung mit eng begrenzter Kerbwirkung Umlaufbiegewechsel- beanspruchung mit schwacher Kerbwirkung am ganzen Umfang D = Dauerbruch G = Restbruch Umlaufbiegewechsel- beanspruchung mit hoher Kerbwirkung am ganzen Umfang 3.3 Schwingende Belastung Seite 203 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Vollständiges Dauerfestigkeitsschaubild (SMITH) V A (V m ) = Dauerschwingfestigkeit V zdW = Zugdruckwechselfestigkeit V zSch = Zugschwellfestigkeit V dSch = Druckschwellfestigkeit R m = Zugfestigkeit R e = Streckgrenze V dF = Druckfließgrenze V dB = Druckbruchspannung Festigkeitsschaubild nach SMITH (Zeitfestigkeitsbereich)  Erweiterung des Festigkeitsschaubildes nach SMITH zur Darstellung der Abhängigkeit V A (V m ) im Zeitfestigkeitsbereich  durch Auftragen der bei einer bestimmten Schwingspielzahl ermittelten Werte V o (N) und V u (N) über V m für N < N grenz 3.3 Schwingende Belastung Seite 204 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Dauerfestigkeitsschaubild: unlegierter Baustahl  Unlegierter Baustahl: E360 (St70)  Kennwerte: V zdW | 290MPa (= 290N/mm²) V zSch | 460MPa (= 460N/mm²) V d0.2 | 500MPa (= 500N/mm²) R m | 700MPa (= 700N/mm²) R e | 480MPa (= 480N/mm²) Dauerfestigkeitsschaubild: Gusseisen mit Lamellengraphit  Gusseisen mit Lamellengraphit: GJL-250 (GG25)  Kleine Spannungsausschläge im Zugschwellbereich  Wesentlich größere Spannungsausschläge im Druckschwellbereich  Kennwerte: V zdW | 70MPa (= 70N/mm²) V zSch | 110MPa (= 110N/mm²) V dSch | 300MPa (= 300N/mm²) V dB | 900MPa (= 900N/mm²) R m | 250MPa (= 250N/mm²) 3.3 Schwingende Belastung Seite 205 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Einflussgrößen auf die Schwingfestigkeit  Die Schwingfestigkeit eines Werkstoffes und insbesondere eines Bauteils (Kerbprobe) wird durch viele Faktoren so stark beeinflusst, dass gemessene Schwingfestigkeiten immer nur für exakt zu definierende Bedingungen gelten.  Die Schwingfestigkeit eines Werkstoffes und insbesondere eines Bauteils (Kerbprobe) wird durch viele Faktoren so stark beeinflusst, dass gemessene Schwingfestigkeiten immer nur für exakt zu definierende Bedingungen gelten.  Einflussgrößen: 1. Beanspruchung: – Spannungszustand – Belastungsfolge – Frequenz 3. Werkstoff: – Festigkeit R m – Werkstofffehler – Wärmebehandlung – Fügungen 2. Gestalt: – Kerbwirkung –Größe 4. Umgebungseinflüsse – Temperatur – Korrosion – Oberflächenschichten Größeneinfluss auf die Schwingfestigkeit  Biegewechselfestigkeit V bW nimmt mit zunehmendem Durchmesser der Probe ab  Ursachen: – Form und Herstellungseinfluss (Bearbeitungsspannungen der Randschicht) – Technologischer Größeneinfluss: Halbzeuge sind nicht vollständig homogen bezüglich Härte und Zugfestigkeit kleine Proben auch aus Randbereich, große Proben mehr aus Halbzeugmitte V bW (D) = K • V bW 3.3 Schwingende Belastung Seite 206 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Zugfestigkeitseinfluss auf Biegewechselfestigkeit  Die Dauerschwingfestigkeit steigt mit zunehmender Zugfestigkeit  Biegewechselfestigkeit von Stahl (empirisch ermittelt): V bW | (0,5 r 0,1)R m  Zugdruckwechselfestigkeit von Stahl (empirisch ermittelt): V zdW | (0,4 r 0,1)R m MW = Mittelwert Zusammenhang zwischen Beanspruchungsverlauf und -kollektiv  gezählt werden die Überschreitungshäufigkeiten bestimmter Klassengrenzen (z. B. Spannungsniveaus V i )  bei einer Beanspruchung mit konstanter Amplitude (a) (WÖHLER-Versuch) werden alle Klassengrenzen mit der gleichen Häufigkeit H überschritten  bei sich zeitlich ändernder Spannungsamplitude (b) werden Klassengrenzen, die hohen Spannungsamplituden entsprechen, weniger häufig überschritten [...]... Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 3.4 Zerstörungsfreie Prüfung Seite 212 Farbeindringverfahren: Teilschritte Verfahrensschritt Ziel 1 Reinigung Risse müssen für Eindringmittel zugänglich sein 2 Aufbringen des Eindringmittels Eindringmittel dringt tief ein (Kapillarwirkung) 3 Entfernung des Eindringmittels Eindringmittel darf nur noch in Rissen vorhanden sein 4 Trocknung Oberfläche muß den Entwickler aufnehmen... Beschichtungen (Beschichtungsdicke, Beschichtungsmaterial) (Beschichtungsdicke, Beschichtungsmaterial) Sichtprüfung Einteilung: Einteilung: Sichtprüfung mit unbewaffnetem Auge Sichtprüfung mit unbewaffnetem Auge Sichtprüfung mit bewaffnetem Auge Sichtprüfung mit bewaffnetem Auge (mit optischen Hilfsmitteln) (mit optischen Hilfsmitteln) Die Sichtprüfung ist das einfachste und Die Sichtprüfung ist das einfachste... Automatisierte Wirbelstromprüfung Wirbelstromprüfung mit Sensor und einem ferngesteuerten Manipulator an einem austenitischen Rohrbogen im Kernkraftwerk Video: automatisierte Wirbelstromprüfung Automatisierte Schichtdickenmessung Zerstörungsfreie Bestimmung von Zerstörungsfreie Bestimmung von Schichtdicken auf einem elektrisch Schichtdicken auf einem elektrisch leitfähigen Grundmaterial mit der leitfähigen... gebildet und im Betriebsfestigkeitsversuch so aneinandergereiht, dass die einzelnen Programmstufen streng nach Größe ihrer Spannungsamplituden aufeinander folgen Um Verfestigungseffekte zu vermeiden, beginnt ein Betriebsfestigkeitsversuch jeweils mit einer Programmstufe mittlerer Amplitude (ansteigend) Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 3.3 Schwingende... Beschichtungen) galvanische Beschichtungen) Oberflächenrissprüfung in der Wärmeeinflusszone einer Schweißnaht Durch den Skin-Effekt ist eine Bauteilprüfung Durch den Skin-Effekt ist eine Bauteilprüfung mit der Wirbelstromtechnik nur im Bereich mit der Wirbelstromtechnik nur im Bereich der Bauteiloberfläche möglich der Bauteiloberfläche möglich Fehlerdetektion mit der Wirbelstromprüfung Änderung der Wirbelstromverteilung... Grundmaterial mit der Wirbelstromprüfung Wirbelstromprüfung Beschichtungen: - -Farbschichten Beschichtungen: Farbschichten - -Zinkschichten Zinkschichten - -galvanische Schichten galvanische Schichten NiBSorb-beschichtete Edelstahlplatte Schichtdicke [mm] 1,6 Wirbelstrom-Scan-Prüfung Universität Hannover 2D-Darstellung der ermittelten Schichtdicke Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm... Offshore-Bereich) petrochemischen Anlagen bzw Komponenten (Raffinerien, Offshore-Bereich) Gründe für die Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren Inspektion Inspektion Prozessoptimierung Prozessoptimierung Qualitätskontrolle Qualitätskontrolle Qualitätsoptimierung Qualitätsoptimierung Qualitätssicherung Qualitätssicherung Lebensdauererhöhung Lebensdauererhöhung Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde. .. Dauerschwingversuch nach WÖHLER: – Ziel: Bestimmung der Dauerschwingfestigkeit D eines Werkstoffes Dauerfestigkeitsschaubilder: – Bildliche Darstellung der Dauerfestigkeit für alle Beanspruchungsbereiche Einflussgrößen: – Die Schwingfestigkeit eines Werkstoffes und insbesondere eines Bauteils (Kerbprobe) wird durch viele Faktoren stark beeinflusst Betriebsfestigkeitsversuch Literatur 1 Troost, Alex; Einführung... menschlichen Hörschwelle, Schall oberhalb der menschlichen Hörschwelle, f f>>16000 Hz 16000 Hz Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 3.4 Zerstörungsfreie Prüfung Seite 218 Schallemissionsanalyse Anwendungsbeispiele: Schallemissionen Schallemissionen (engl acoustic emissions, AE))entstehen (engl acoustic emissions, AE entstehen im Werkstoff durch die Initiierung und das im Werkstoff... Transversalwellen Piezoelektrischer Effekt: Piezoelektrischer Effekt: F Krafteinleitung in die Kristallfläche Krafteinleitung in die Kristallfläche erzeugt eine elektrische Spannung erzeugt eine elektrische Spannung V Inverser piezoelektrischer Effekt: Inverser piezoelektrischer Effekt: F Universität Hannover äußere elektrische Spannung erzeugt äußere elektrische Spannung erzeugt eine Geometrieänderung eine Geometrieänderung . Dauerfestigkeit logarithmisch  3 Bereiche: I: Kurzzeitfestigkeit II: Langzeitfestigkeit III: Dauerfestigkeit  Logarithmisch geteilte x-Achse führt zu einer schärferen Trennung der 3 Bereiche Bruch. Seite 206 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Zugfestigkeitseinfluss auf Biegewechselfestigkeit  Die Dauerschwingfestigkeit steigt mit. Dauerschwingfestigkeit ohne Schädigung des Werkstoffes c: Beanspruchung unterhalb der Dauerschwingfestigkeit Zeitfestigkeit / Dauerfestigkeit  3 Bereiche: I: Kurzzeitfestigkeit II: Langzeitfestigkeit III: