Werkstoffprüfung (eBook)

Prof. Dr. rer. nat. Burkhard Heine hält Vorlesungen zur Werkstoffkunde sowie Werkstoffanalytik und Werkstoffprüfung an der Hochschule für Technik (HTW) Aalen in der Fakultät Maschinenbau und Werkstofftechnik.

Vorwort 6
Inhalt 8
1 Einleitung 16
Weiterführende Literatur 22
2 Bindungsbasierende nichtmechanische Eigenschaften 23
2.1 Zustandsänderungstemperaturen 23
2.1.1 Anordnung 25
2.1.2 Durchführung 28
2.1.3 Ergebnis 30
2.2 Spezifische Umwandlungswärmen 30
2.2.1 Anordnung 30
2.2.2 Durchführung 30
2.2.3 Ergebnis 32
2.3 Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient 32
2.3.1 Anordnung und Durchführung 33
2.3.2 Ergebnis 34
2.4 Wärmeleitfähigkeit 34
2.4.1 Anordnung und Durchführung 35
2.4.2 Ergebnis 35
Weiterführende Literatur 35
3 Kristallgitter – Kristallstruktur 37
3.1 Grundlagen 37
3.1.1 Millersche Indizes – Netzebenenabstand 37
3.1.2 Elektronenstrahlung und Röntgenstrahlung 43
3.1.2.1 Elektronenstrahlung 43
3.1.2.2 Röntgenstrahlung 44
3.1.3 Beugung von Strahlung an Kristallgittern 50
3.1.3.1 Kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur 54
3.1.3.2 Kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur 55
3.1.4 Reziprokes Gitter 56
3.2 Feinstrukturanalyse 58
3.2.1 Einkristalle 58
3.2.1.1 Anordnung und Durchführung 58
3.2.1.2 Ergebnis 59
3.2.2 Einzelne Kristalle eines Polykristalls 61
3.2.2.1 Anordnung und Durchführung 62
3.2.2.2 Ergebnis 65
3.2.3 Einkristallschüttung, Pulverschüttung, polykristalline Massivprobe 66
3.2.3.1 Anordnung und Durchführung 66
3.2.3.2 Ergebnis 67
Weiterführende Literatur 73
4 Kristallstrukturbasierende nichtmechanische Eigenschaften 74
4.1 Dichte 74
4.1.1 Anordnung und Durchführung 74
4.1.2 Ergebnis 74
4.2 Temperatur einer allotropen Umwandlung 76
4.2.1 Anordnung und Durchführung 76
4.2.2 Ergebnis 76
Weiterführende Literatur 77
5 Kristallbaufehlerbasierende nichtmechanische Eigenschaften 78
5.1 Chemische Zusammensetzung 78
5.1.1 Grundlagen 78
5.1.2 Atomemissionsspektroskopie 80
5.1.2.1 Anordnung und Durchführung 80
5.1.2.2 Ergebnis 81
5.1.3 Elektronenstrahlmikroanalyse 82
5.1.3.1 Anordnung und Durchführung 82
5.1.3.1.1 Wellenlängendispersives Röntgenspektrometer 83
5.1.3.1.2 Energiedispersives Röntgenspektrometer 85
5.1.3.1.3 Punktanalyse 86
5.1.3.1.4 Linienanalyse 86
5.1.3.1.5 Flächenanalyse 87
5.1.3.2 Ergebnis 87
5.1.4 Röntgenfluoreszenzanalyse 88
5.1.4.1 Anordnung und Durchführung 88
5.1.4.2 Ergebnis 88
5.2 Mikroskopische Darstellung von Gefüge, Oberfläche, Bruchfläche und lokalen Werkstofftrennungen 89
5.2.1 Lichtmikroskopische Darstellung von Gefüge und von lokalen Werkstofftrennungen 91
5.2.1.1 Anordnung und Durchführung 92
5.2.1.1.1 Probennahme 93
5.2.1.1.2 Schliffherstellung 94
5.2.1.1.3 Gefügeentwicklung 97
5.2.1.1.4 Gefügedarstellung 102
5.2.1.2 Ergebnis 107
5.2.1.2.1 Flächenanalyseverfahren 108
5.2.1.2.2 Linienanalyseverfahren 109
5.2.1.2.3 Punktanalyseverfahren 110
5.2.1.2.4 Quantitative Bildanalyse 111
5.2.2 Transmissionselektronenmikroskopische Darstellung des Gefüges 112
5.2.2.1 Anordnung und Durchführung 112
5.2.2.2 Ergebnis 114
5.2.3 Rasterelektronenmikroskopische Darstellung von Gefüge, Oberfläche, Bruchfläche und lokalen Werkstofftrennungen 115
5.2.3.1 Anordnung und Durchführung 115
5.2.3.2 Ergebnis 119
5.3 Zerstörungsfreie Darstellung von lokalen Werkstofftrennungen 119
5.3.1 Röntgenstrahlverfahren 120
5.3.1.1 Anordnung und Durchführung 121
5.3.1.2 Ergebnis 123
5.3.2 Ultraschallwellenverfahren 127
5.3.2.1 Grundlagen 127
5.3.2.2 Anordnung und Durchführung 134
5.3.2.3 Ergebnis 138
5.3.3 Wirbelstromverfahren 140
5.3.3.1 Anordnung und Durchführung 140
5.3.3.2 Ergebnis 141
5.3.4 Streuflussverfahren 142
5.3.4.1 Anordnung und Durchführung 142
5.3.4.2 Ergebnis 145
5.3.5 Thermographie 146
5.3.5.1 Anordnung und Durchführung 146
5.3.5.2 Ergebnis 146
5.3.6 Penetrationsverfahren 147
5.3.6.1 Anordnung und Durchführung 147
5.3.6.2 Ergebnis 148
Weiterführende Literatur 149
6 Mechanische Eigenschaften rissfreier Proben bei steigender Beanspruchung 151
6.1 Zugversuch 151
6.1.1 Anordnung 152
6.1.2 Durchführung 154
6.1.3 Ergebnis 156
6.1.3.1 s-e-Kurve bei T = 0,4 • T_s 156
6.1.3.1.1 Bereich der elastischen Dehnung 157
6.1.3.1.2 Kontinuierlicher Übergang zur elastisch/plastischen Dehnung 158
6.1.3.1.3 Diskontinuierlicher Übergang zur elastisch/plastischen Dehnung 159
6.1.3.1.4 Bereich der elastisch/plastischen Dehnung 161
6.1.3.2 s_w-e_w-Kurve bei T = 0,4 • T_s 163
6.1.3.2.1 Bereich der elastischen Dehnung 163
6.1.3.2.2 Gleichmaßdehnungsbereich 164
6.1.3.2.3 Einschnürdehnungsbereich 165
6.1.3.3 Entfestigung und Verfestigung bei T = 0,4 • T_s im Wettbewerb 166
6.1.3.3.1 f < f_g
6.1.3.3.2 f = f_g 168
6.1.3.3.3 f > f_g
6.1.3.4 Temperatureinfluss auf die Fließkurve bei T = 0,4 • T_s 170
6.1.3.4.1 Fließgrenze 171
6.1.3.4.2 Fließspannung 173
6.1.3.5 Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit auf die Fließkurve bei T = 0,4 • T_s 174
6.1.3.5.1 Fließgrenze 174
6.1.3.5.2 Fließspannung 175
6.1.3.6 Verformungsgeschwindigkeitseinfluss auf die Fließkurve bei T > 0,4 • T_s
6.1.3.7 Versuchsergebnis bei anisotropem Verformungsverhalten 189
6.1.4 Zerstörungsfreie Ermittlung des Elastizitätsmoduls 192
6.2 Druckversuch 194
6.2.1 Anordnung 194
6.2.2 Durchführung 197
6.2.3 Ergebnis 199
6.2.3.1 s-e-Kurve bei T = 0,4 • T_s 199
6.2.3.2 sw-e-Kurve bei T = 0,4 • T_s 201
6.2.3.3 sw-e-Kurve bei T > 0,4 • T_s
6.3 Torsionsversuch 202
6.3.1 Anordnung 203
6.3.2 Durchführung 204
6.3.3 Ergebnis 204
6.3.3.1 t_R-._R-Kurve bei T = 0,4 • T_s 205
6.3.3.2 t_R-._R-Kurve bei T > 0,4 • T_s
6.4 Biegeversuch 211
6.4.1 Anordnung 211
6.4.2 Durchführung 212
6.4.3 Ergebnis 213
6.5 Härteprüfung 218
6.5.1 Ritzhärteprüfung 218
6.5.2 Quasistatisch ablaufende Eindringhärteprüfung nach Brinell 222
6.5.2.1 Anordnung 222
6.5.2.2 Durchführung 223
6.5.2.3 Ergebnis 224
6.5.3 Quasistatisch ablaufende Eindringhärteprüfung nach Vickers 225
6.5.3.1 Anordnung 226
6.5.3.2 Durchführung 228
6.5.3.3 Ergebnis 228
6.5.4 Quasistatisch ablaufende Eindringhärteprüfung nach Knoop 230
6.5.4.1 Anordnung 230
6.5.4.2 Durchführung 231
6.5.4.3 Ergebnis 231
6.5.5 Quasistatisch ablaufende Eindringhärteprüfung nach Rockwell 232
6.5.5.1 Anordnung 232
6.5.5.2 Durchführung 235
6.5.5.3 Ergebnis 235
6.5.6 Vergleich von Härtewerten untereinander und mit der Zugfestigkeit 238
6.5.7 Instrumentierte Eindringhärteprüfung 239
6.5.7.1 Anordnung 239
6.5.7.2 Durchführung 241
6.5.7.3 Ergebnis 242
6.5.7.3.1 Martenshärte 242
6.5.7.3.2 Eindringhärte 243
6.5.7.3.3 Eindringmodul 244
6.5.7.3.4 Elastische Verformungsarbeit 245
6.5.8 Dynamisch ablaufende Härteprüfverfahren 246
6.5.8.1 Dynamisch ablaufende Eindringhärteprüfverfahren 246
6.5.8.1.1 Poldihammer 247
6.5.8.1.2 Baumannhammer 247
6.5.8.1.3 UCI-Verfahren 248
6.5.8.2 Dynamisch ablaufende Rücksprunghärteprüfverfahren 249
6.5.8.2.1 Rücksprunghärteprüfung nach Shore 249
6.5.8.2.2 Rücksprunghärteprüfung nach Leeb 250
6.5.9 Härteprüfung bei höheren Temperaturen 250
Weiterführende Literatur 253
7 Mechanische Eigenschaften rissfreier Proben bei statischer Beanspruchung 256
7.1 Versuchsanordnung 257
7.2 Versuchsdurchführung 259
7.3 Versuchsergebnis 259
7.3.1 Kriechkurve 259
7.3.2 Zeitdehnschaubild 264
7.3.3 Zeitstandschaubild 265
7.4 Lebensdauerabschätzungen 267
Weiterführende Literatur 274
8 Mechanische Eigenschaften rissfreier Proben bei dynamischer Beanspruchung 275
8.1 Anordnung 275
8.2 Durchführung 276
8.2.1 Spannungskontrollierte Durchführung 280
8.2.2 Dehnungskontrollierte Durchführung 281
8.3 Ergebnis 287
8.3.1 Ergebnis einer spannungskontrollierten Durchführung 287
8.3.2 Ergebnis einer dehnungskontrollierten Durchführung 289
8.3.3 Mathematische Beschreibung 289
8.3.4 Statistische Auswertung der Versuchsergebnisse 294
8.3.5 Einflüsse auf das Ergebnis 298
8.3.5.1 Probenausführung 298
8.3.5.1.1 Zugfestigkeit 298
8.3.5.1.2 Probenquerschnitt 299
8.3.5.1.3 Kerbwirksamkeit 299
8.3.5.1.4 Druckeigenspannungen 300
8.3.5.2 Versuchsparameter 300
8.3.5.2.1 Mittelspannung 301
8.3.5.2.2 Beanspruchungsform 302
8.3.5.2.3 Mehrstufige Beanspruchung 303
8.3.5.2.4 Beanspruchungsfrequenz und Temperatur 305
Weiterführende Literatur 309
9 Mechanische Eigenschaften angerissener Proben bei steigender Beanspruchung 311
9.1 Grundlagen 314
9.1.1 Theoretische Bruchspannung 314
9.1.2 Mögliche Beanspruchungsfälle 315
9.1.3 Bruchbegünstigende Wirkung von Rissen bei linear-elastischem Probenverhalten 316
9.1.3.1 Erhöhung der Nennspannung 316
9.1.3.2 Überhöhung der Zugspannung 316
9.1.3.3 Mehrachsiger Spannungszustand 322
9.1.3.4 Mikroskopische Gesichtspunkte eines Spaltbruchs 324
9.1.4 Bruchbegünstigende Wirkung von Rissen bei quasi linear-elastischem Probenverhalten 326
9.1.4.1 Elastisch/ideal-plastisches Werkstoffverhalten 326
9.1.4.2 Elastisch/real-plastisches Werkstoffverhalten 330
9.1.4.3 Mikroskopische Gesichtspunkte eines Gleitbruchs 334
9.1.5 Temperaturabhängigkeit des Bruchverhaltens 336
9.1.5.1 Glatte Proben eines kubisch-raumzentriert oder hexagonal dicht gepackt vorliegenden Werkstoffs 336
9.1.5.1.1 Temperaturbereich I 337
9.1.5.1.2 Temperaturbereich II 337
9.1.5.1.3 Temperaturbereich III 338
9.1.5.1.4 Temperaturbereich IV 339
9.1.5.1.5 Temperaturbereich V 339
9.1.5.2 Angerissene Proben eines kubisch-raumzentriert oder hexagonal dicht gepackt vorliegenden Werkstoffs 339
9.1.5.2.1 Temperaturbereich I 339
9.1.5.2.2 Temperaturbereich II 341
9.1.5.2.3 Temperaturbereich III 341
9.1.5.2.4 Temperaturbereich IV 341
9.1.5.2.5 Temperaturbereich V 341
9.1.5.3 Proben eines kubisch-flächenzentriert vorliegenden Werkstoffs 342
9.2 Kerbschlagbiegeversuch 342
9.2.1 Anordnung 343
9.2.2 Durchführung 344
9.2.3 Ergebnis 345
9.3 Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch 347
9.3.1 Anordnung 348
9.3.2 Durchführung 349
9.3.3 Ergebnis 349
9.4 Bauteilsimulierende Versuche 351
9.4.1 Großzugversuche 351
9.4.1.1 Anordnung 351
9.4.1.2 Durchführung 352
9.4.1.3 Ergebnis 352
9.4.2 Fallgewichtsversuch 352
9.4.2.1 Anordnung 353
9.4.2.2 Durchführung 353
9.4.2.3 Ergebnis 354
9.4.3 Rissauffangversuch 354
9.4.3.1 Anordnung 355
9.4.3.2 Durchführung 355
9.4.3.3 Ergebnis 355
9.4.4 Bauteilversuch 356
9.4.5 Bruchmechanische Versuche bei quasi linear-elastischem Probenverhalten 356
9.4.5.1 Anordnung 357
9.4.5.2 Durchführung 360
9.4.5.3 Ergebnis 362
9.4.6 Bruchmechanische Versuche bei elastoplastischem Probenverhalten 365
9.4.6.1 Rissspitzenaufweitung (CTOD-Verfahren) 366
9.4.6.1.1 Anordnung 366
9.4.6.1.2 Durchführung 366
9.4.6.1.3 Ergebnis 367
9.4.6.2 J-Integral 374
9.4.6.2.1 Anordnung 374
9.4.6.2.2 Durchführung 376
9.4.6.2.3 Ergebnis 377
9.4.6.3 Temperaturabhängigkeit der Risszähigkeit, der Rissspitzenaufweitung und des J-Integrals bei Werkstoffen mit einen Spröde/Zäh-Übergangsverhalten 383
9.4.7 Abschätzung des stabilen Risswachstums bei wechselnd belasteten Proben 384
9.4.7.1 Anordnung 385
9.4.7.2 Durchführung 387
9.4.7.3 Ergebnis 387
Weiterführende Literatur 391
Index 393