Werkstoffkunde I WS 05 06 Episode 9 doc

3.3 Schwingende Belastung Seite 198 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof.. 3.3 Schwingende Belastung Seite 200 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof..

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Ermittlung der Kennwerte

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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 Vmnacheinander mit abnehmender Spannungsamplitude

– Eintragen der ermittelten Wertepaare (Lastspiel N, Spannungsausschlag Va) in ein Diagramm WÖHLER-Kurve

Ziel: Bestimmung der Dauerschwingfestigkeit VDeines Werkstoffes

WÖHLER - Schaubild bei Spannungsamplitude sa = Rm

Reine Wechselbeanspruchung (Vm= 0):

– Maximale Spannungsamplitude Va= Zugfestigkeit Rm

– 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

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 3 Beanspruchungsbereiche:

a: Überbeanspruchung mit Schädigung des Werkstoffes

b: Beanspruchung oberhalb der Dauerschwingfestigkeit ohne Schädigung

Typ A: z B krz-Stähle

Typ B: z B

Leichtmetalllegierungen und weiche Stähle

– Amplitude Va(N) fällt für

N > 107noch merklich ab– Vereinbarung:

Ngrenz= 5*107 für weichen

Stahl1*108 für Aluminium

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Zeitfestigkeit / Dauerfestigkeit logarithmisch

3 Bereiche:

I: KurzzeitfestigkeitII: LangzeitfestigkeitIII: 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

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„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

Umlaufbiegewechsel-am ganzen Umfang

D = Dauerbruch

G = Restbruch

beanspruchung mit hoher Kerbwirkung am ganzen

Umlaufbiegewechsel-Umfang

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Vollständiges Dauerfestigkeitsschaubild ( SMITH )

durch Auftragen der bei einer bestimmten Schwingspielzahl ermittelten Werte Vo(N) und

Vu(N) über Vmfür N < Ngrenz

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Dauerfestigkeitsschaubild: unlegierter Baustahl

Dauerfestigkeitsschaubild: Gusseisen mit Lamellengraphit

Gusseisen mit Lamellengraphit: GJL-250 (GG25)

Kleine Spannungsausschläge im Zugschwellbereich

Wesentlich größere Spannungsausschläge im Druckschwellbereich

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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 Rm

– Werkstofffehler– Wärmebehandlung– Fügungen

2 Gestalt:

– Kerbwirkung– Größe

4 Umgebungseinflüsse– Temperatur

– Korrosion– Oberflächenschichten

Größeneinfluss auf die Schwingfestigkeit

Biegewechselfestigkeit VbWnimmt 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

VbW(D) = K • VbW

Trang 10

Zugfestigkeitseinfluss auf Biegewechselfestigkeit

Die Dauerschwingfestigkeit steigt mit zunehmender Zugfestigkeit

Biegewechselfestigkeit von Stahl (empirisch ermittelt):

VbW| (0,5 r 0,1)Rm

Zugdruckwechselfestigkeit von Stahl (empirisch ermittelt):

VzdW | (0,4 r 0,1)Rm

MW = Mittelwert

Zusammenhang zwischen Beanspruchungsverlauf und -kollektiv

gezählt werden die Überschreitungshäufigkeiten bestimmter Klassengrenzen (z B Spannungsniveaus Vi)

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

Trang 11

Bestimmung der Lebensdauer im Betriebsfestigkeitsversuch

da konventionelle Schwingprüfmaschinen nur einen mehr oder weniger

sinusförmigen Ablauf der Beanspruchungswechsel zwischen

gleichbleibenden Spannungsgrenzen erzeugen, wird das Kollektiv der

Betriebsbelastung in ein treppenförmiges Kollektiv der Versuchsbelastung

überführt

Programmstufen im Betriebsfestigkeitsversuch

8 sogenannte Programmstufen werden 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)

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Zusammenfassung

Schwingende Belastung:

– Viele Bauteile und Konstruktionen werden durch periodisch aufgebrachte

Belastungen schwingend beansprucht Diese Belastung führt zu einem

charakteristischen Bruch durch Dauerbelastung

Dauerschwingfestigkeit:

– VDist der um eine gegebene Mittelspannung schwingende größte

Spannungsausschlag, den eine Probe unendlich oft ohne Bruch und ohne

unzulässige Verformung aushält

Dauerschwingversuch nach WÖHLER:

– Ziel: Bestimmung der Dauerschwingfestigkeit VDeines 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 in die allgemeine Werkstoffkunde metallischer Werkstoffe I; Wissenschaftsverlag

2 Vorlesung Werkstoffkunde II; Institut für Werkstoffkunde RWTH Aachen

3 Domke, Wilhelm; Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung; Cornelsen-Verlag

4 Bargel, Hans-Jürgen; Schulze, Günter; Werkstoffkunde; VDI-Verlag

5 DIN 50100; Dauerschwingversuche

6 DIN 51228; Schwingprüfmaschine

7 www.tu-bs.de/forschung/projekte/CAMPUS/5_CAMPUS/N5_05_1/5_05_1T.HTM

8 Lektor Werkstoffe; Version 1.0; TIM-GmbH 1996

9 Handbuch der Schadenverhütung; Allianz Versicherungs-AG; Berlin u München 1979

10 Schmitt-Thomas, K.-G.; Metallkunde für das Maschinenwesen; Springer

11 Ilschner, B.; Werkstoffwissenschaften; Springer

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Anwendungsbereiche zerstörungsfreier Prüfverfahren

Qualitätsprüfung

in den Industriebereichen Maschinenbau, Chemie, Stahl, Luft- und Raumfahrt,

Kunststoffe, Petrochemie und Elektrotechnik

Qualitätsprüfung

in den Industriebereichen Maschinenbau, Chemie, Stahl, Luft- und Raumfahrt,

Kunststoffe, Petrochemie und Elektrotechnik

Prozesskontrolle und -diagnose

beim Betrieb von Anlagen und Maschinen, wie z B in Produktionsanlagen oder

Kraftwerken

Prozesskontrolle und -diagnose

beim Betrieb von Anlagen und Maschinen, wie z B in Produktionsanlagen oder

Kraftwerken

Instandhaltung und Revision

von Sicherheitskomponenten an bzw in Flugzeugen, Kraftwerken, chemischen und petrochemischen Anlagen bzw Komponenten (Raffinerien, Offshore-Bereich)

Instandhaltung und Revision

von Sicherheitskomponenten an bzw in Flugzeugen, Kraftwerken, chemischen und petrochemischen Anlagen bzw Komponenten (Raffinerien, Offshore-Bereich)

Gründe für die Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren

ProzessoptimierungVerbesserung von Produktions-prozessen zur Kostenreduzierung und Produktivitätssteigerung

Qualitätskontrolle

Prüfung der Produktqualität nach

festgelegten Normen und Standards

Qualitätskontrolle

Prüfung der Produktqualität nach

festgelegten Normen und Standards

QualitätsoptimierungOptimierte Qualität als Schlagwort moderner Marketing- und Verkaufs-strategien

LebensdauererhöhungPrüfung von Komponenten und Maschinen anlässlich von Instand-haltungsmaßnahmen in Kraftwerken

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3.4 Zerstörungsfreie Prüfung Seite 210

Anwendungsbereiche

Fehlerprüfung

– Oberflächenfehler(z B Risse, Oberflächenporen)– Volumenfehler bzw verdeckte Fehler(z B Einschlüsse, Lunker, innen liegende Poren)

Fehlerprüfung

– Oberflächenfehler(z B Risse, Oberflächenporen)– Volumenfehler bzw verdeckte Fehler(z B Einschlüsse, Lunker, innen liegende Poren)

Materialcharakterisierung

– Legierung, Werkstoffgüte, Gefüge – Kennwerte (Festigkeit, Härte, Verfestigung, Anisotropie)– Charakterisierung von Beschichtungen

(Beschichtungsdicke, Beschichtungsmaterial)

Materialcharakterisierung

– Legierung, Werkstoffgüte, Gefüge – Kennwerte (Festigkeit, Härte, Verfestigung, Anisotropie)– Charakterisierung von Beschichtungen

(Beschichtungsdicke, Beschichtungsmaterial)

Sichtprüfung

Sichtprüfung von Innenrohren

mit starren Endoskopen

Eigenschaften:

+ geringe Kosten der Messtechnik

- zeit- und personalintensiv

Detektierbar sind Änderungen in derOberflächenstruktur:

- Risse, Rauigkeitsänderungen

- Verunreinigungen, Anlassfarben an Lagern

- Zustand von Schweißnähten

Einteilung:

- Sichtprüfung mit unbewaffnetem Auge

- Sichtprüfung mit bewaffnetem Auge (mit optischen Hilfsmitteln)

Die Sichtprüfung ist das einfachste und gebräuchlichste der zerstörungsfreien Prüfverfahren

Einteilung:

- Sichtprüfung mit unbewaffnetem Auge

- Sichtprüfung mit bewaffnetem Auge (mit optischen Hilfsmitteln)

Die Sichtprüfung ist das einfachste und gebräuchlichste der zerstörungsfreien Prüfverfahren

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Sichtprüfung mit bewaffnetem Auge

Visuelle Inspektion mit Lichtleitern,

Spiegeln/Linsen, Endoskopen oder

nicht unterbrochenem Strahlengang

zwischen dem Auge des Prüfers

und der Prüffläche

Direkte Sichtprüfung:

Sichtprüfung mit

nicht unterbrochenem Strahlengang

zwischen dem Auge des Prüfers

und der Prüffläche

Visuelle Inspektion mit Bildschirmenund Videotechnik

Lichtleiter zur Beleuchtung

Beleuchtungseinheit

Objektiv und StrahlenausgangFaseroptisches Endoskop (schematischer Aufbau)

Trang 16

3.4 Zerstörungsfreie Prüfung Seite 212

Eindringmittel darf nur noch

in Rissen vorhanden sein

4 Trocknung Oberfläche muß den Entwickleraufnehmen können

Sichtprüfung mit dem Farbeindringverfahren

Ziel des Farbeindringverfahrens:

Verbesserung der Fehlererkennbarkeit durch:

- farbliche Markierung der Werkstofftrennung auf der Oberfläche

- Kontrastanhebung der Fehlstelle gegenüber demGrundwerkstoff bei der Prüfung ohne Hilfsmittel

Ziel des Farbeindringverfahrens:

Verbesserung der Fehlererkennbarkeit durch:

- farbliche Markierung der Werkstofftrennung auf der Oberfläche

- Kontrastanhebung der Fehlstelle gegenüber demGrundwerkstoff bei der Prüfung ohne Hilfsmittel

Charakteristische Eigenschaften des Farbeindringverfahrens:

- Anwendbar zur Oberflächen-Rissprüfung

nicht poröser Werkstoffe

Fehlerbreite (Rissbreite) kleiner als Auflösung desmenschlichen Auges

- Bestimmung der Fehlertiefe nicht möglich

Charakteristische Eigenschaften des Farbeindringverfahrens:

- Anwendbar zur Oberflächen-Rissprüfung

nicht poröser Werkstoffe

Fehlerbreite (Rissbreite) kleiner als Auflösung desmenschlichen Auges

- Bestimmung der Fehlertiefe nicht möglichFarbeindringverfahren

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Einteilung elektromagnetischer Prüfverfahren

magnetische Gleichfeldverfahren

magnetische Wechselfeldverfahren

Streuflussverfahren:

- Prüfung von ferromagnetischen Werkstoffen

(Stahl, Gusseisen, Nickel, Kobalt)

- Detektion von Werkstofftrennungen

und Materialinhomogenitäten

in der Oberfläche und dicht darunter

Streuflussverfahren:

- Prüfung von ferromagnetischen Werkstoffen

(Stahl, Gusseisen, Nickel, Kobalt)

- Detektion von Werkstofftrennungen

und Materialinhomogenitäten

in der Oberfläche und dicht darunter

Wirbelstromprüfung:

- Prüfung von elektrisch leitfähigen Werkstoffen

(NE-Metalle, Stahl, austenitischer Stahl, Gusseisen)

- Detektion von Werkstofftrennungen und Materialinhomogenitäten in der Oberfläche

- Materialcharakterisierung

Wirbelstromprüfung:

- Prüfung von elektrisch leitfähigen Werkstoffen

(NE-Metalle, Stahl, austenitischer Stahl, Gusseisen)

- Detektion von Werkstofftrennungen und Materialinhomogenitäten in der Oberfläche

- Materialcharakterisierung

Streuflussverfahren

(magnetisches Gleichfeldverfahren)

Arbeitsprinzip

Rissanzeige durch austretende Feldlinien in

ferromagnetischen Werkstoffen bei

Quer-schnittsreduzierung, da sich die Permeabilität

von Luft und Werkstoff stark unterscheiden

Der Nachweis des Streuflusses erfolgt:

- visuell durch Suspensionen mit Eisenspänen und Farbpartikeln

Der Nachweis des Streuflusses erfolgt:

- visuell durch Suspensionen mit Eisenspänen und Farbpartikeln

Werkstofftrennungen:

in der

Oberfläche

nah Streufluss

fern

oberflächen-Ein Fehlernachweis ist möglich, wenn der magnetische Fluss senkrecht zur Werkstoff-trennung verläuft,

d h wenn der magnetische Fluss durchden Fehler gestört (gestreut) wird

Fehler in der Oberfläche und im nahen Bereich können detektiert werden

oberflächen-Ein Fehlernachweis ist möglich, wenn der magnetische Fluss senkrecht zur Werkstoff-trennung verläuft,

d h wenn der magnetische Fluss durchden Fehler gestört (gestreut) wird

Fehler in der Oberfläche und im nahen Bereich können detektiert werden

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oberflächen-3.4 Zerstörungsfreie Prüfung Seite 214

manuelle / automatisierte Rissprüfung

Manuelle Streuflussprüfung:

Prüfmagnetjoch zum Nachweis der im

Fehlerbereich austretenden Feldlinien

Automatisierte Streuflussprüfung:

das Bauteil verfährt axial durch das rotierende Prüfjoch

Messprinzip:

- Aufprägen eines magnetischen Gleichfeldes;

- Ausbildung eines konstanten magn Flusses;

- Werkstofftrennungen ändern lokal die

magnetische Flussdichte B; B ) / A

Messprinzip:

- Aufprägen eines magnetischen Gleichfeldes;

- Ausbildung eines konstanten magn Flusses;

- Werkstofftrennungen ändern lokal die

magnetische Flussdichte B; B ) / A

Eigenschaften des Verfahrens:

- die Gestalt des Fehlers wird abgebildet;

- Nachweis oberflächennaher Fehler;

- keine Bestimmung der Fehlertiefe möglich;

Eigenschaften des Verfahrens:

- die Gestalt des Fehlers wird abgebildet;

- Nachweis oberflächennaher Fehler;

- keine Bestimmung der Fehlertiefe möglich;

Magnetfeldlinien

Suspension mit Eisenspänen

Prüfkörper mit Riss

Anwendungsbeispiel:

Handmessung mit Jochmagnetisierung

Streuflussprüfung zur visuellen Inspektion

Video: Magnetpulververfahren

Định dạng
Số trang	25
Dung lượng	1,41 MB