WSK Festigkeit

Fähigkeit eines Körpers, auf ihn wirkende Belastungen Widerstand gegen Verformung und Bruch entgegenzusetzen

• Wegen der Versuchsbedingungen:
• uniaxiale Belastung
• einfache Geometire der Normproben

• Werkstoffeigenschaften
• Art des Spannungszustandes
• Bauteilgeometrie
• Schwingspielzahl bei schwingenden Belastungen
• Höhe der einzelnen Belastungen
• Geschwindigkeit der Krafteinwirkung
• Temperatur

Beanspruchung

• -statisch
• --kurzzeitig
• --langzeit
• -dynamisch
• -zyklisch

• Zugversuch
• Druckversuch
• Biegeversuch
• Verdrehversuch

Zeitstandversuch

• Schlagzugversuch
• Crash-Versuch
• Kerbschlagbiegeversuch

• Nachfahrversuch
• Betriebsfestigkeitsversuch
• Zeitfestigkeitsversuch
• Dauerschwingfestigkeitsversuch

unendlich langsam

unterschieden in kurz- und langzeit...

Mit steigender Spannung bis zum Bruch

Mit konstanter Kraft über einen langen Zeitraum

Zusätzliche, zeitabhängige Veränderung der Werkstoffeigenschaften

Hohe Beanspruchungsgeschwindigkeit

Periodisches Be- und Entlasten (z.B. Motor und Antriebsteile)

• Ermittlung des Werkstoffverhaltens unter uniaxialer, stetig wachsender beanspruchung bis zum Bruch
• Zugprobe wird mit konstanter Verformungsgeschwindigkeit bis zum Bruch belastet

Eine Zugprobe, bei der Anfangsmesslänge und Anfangsquerschnitt im Verhältnis zueinander stehen

• relevant:
• Probendurchmesser d₀
• Anfangsmesslänge L₀
• Ausgangsquerschnittsfläche S₀

• irrelevant:
• Gewinde d₁
• Kopfhöhe h

Bei der elastischen Verformung geht die Verformung nach Wegnahme der außen anliegenden Kraft auf Null zurück

Bei plastischer Verformung verringert sich die Verformung nach Wegfall der äußeren Kraft um den Betrag der elastischen Dehnung, geht aber NICHT auf Null zurück

• Zugfestigkeit
• Elastizitätsgrenze
• Streckgrenze
• Dehngrenze
• E-Modul
• Streckgrenzenverhältnis

Spannung = E-Modul * Dehnung = Kraft*Ausgangslänge / (Ausgangsquerschnitt*Längenänderung)

Maximum der Spannungs-Dehnungs-Kurve und die max. Spannung, die ein Werkstoff ertragen kann

R_m= F_m/S₀ in [MPa] bzw. [N/mm²]

Spannung, die ein Körper gerade noch ohne platische Verformung ertragen kann

Kann meistens nicht genau ermittelt werden, weswegen sie über die Streckgrenze R_e bzw. über die Dehngrenze R_p0,2 angenähert wird

• Spannung, bei der Fließen einsetzt, ohne dass die anliegende Spannung weiter erhöht wird
• Kommt es bei Fließbeginn sogar zu einem Spannungsabfall, gibt es eine obere (R_eH) und eine untere (R_eL) Streckgrenze

R_p= F_p/S₀ ; R_p0,2= F_0,2/S₀

• Spannung bei einer nichtproportionalen Dehnung epsilon_p. R_p0.01 (0,01%) oder R_p0.2 (0,2%)
• Aus Diagramm -> Gerade parallel zu Hook'schen Gerade mit x-Achsenschnitt bei 0.2%

• Gedachte Spannung, die 100% elastische Dehnung erzeugen würde
• Steigung der Hook'schen Gerade
• Hoher E-Modul -> Großer Formänderungswiderstand

• S_v
• Quotient aus Streck- bzw. Dehngrenze und Zugfestigkeit
• Maß für Belastungsfähigkeit nach überschreiten der Streckgrenze

• Gleichmaßdehnung
• Bruchdehnung
• Brucheinschnürung

Sie dienen zur Beurteilung der plastischen Verformungsfähigkeit bei Kaltumformung

• A_gl = delta-l/l_o bei F_max
• Verlängerung der Probe bis zur max. kraft, bezogen auf die Ausgangslänge

• A=(L_u-L₀)/L₀
• Bleibende Verlängerung bis zum Bruch

• Z=(S₀-S_u)/S₀
• Auf den Anfangsquerschnitt bezogene größte bleibende Querschnittsänderung bis zum Bruch
• Maß für Zähigkeit

Integral über die Spannung

• Nennspannung
• Wahre Spannung

Kraft bezogen auf Ausgangsquerschnitt

Kraft bezogen auf die tatsächliche Querschnittsfläche

Führt zu starkem Spannungsanstieg vor dem Bruch

Kaltverfestigung, durch Zunahme der Versetzungsdichte

• Höhere Zugfestigkeit, da Kaltverfestigung überwunden werden muss
• Verformungsfähigkeit sinkt

• Zunahme der Verformungskennwerte
• Abnahme der Festigkeitskennwerte
• E-Modul sinkt => geringere Steigung der Hook'schen Gerade

• Stähle mit geringem C-Gehalt
• Maximum der Zugfestigkeit
• Minimum der Formänderungsgrößen

Austinitische Werkstoffe mit kfz-Gitter

Auftreten temperatur- und zeitabhängigen Kriechens!

• Anstieg Festigkeitskennwerte
• Schlagartiger Abfall der Verformungskennwerte => Versprödung

• Bevorzugt bei krz- und hex-Gitter (Ferrit, un- und niedrig legierte Stähle, Zink, Magnesium)
• A und Z bei kfz-Gittern annähernd konst. (austenitische Stähle, Alu, Kupfer, Nickel)

• Festigkeitszunahme, da Versetzungsvorgänge Zeit brauchen
• Bruch bei geringerer Verformung

Zeitabhängige, fortschreitende plastische Verformung bei konstanter Belastung

• Unter hohen Spannungen und insbesondere unter hohen Temperaturen
• T>0.4*T_s

• Bewegungen von Versetzungen im Metallgitter
• Gleitung entlang Korngrenzen
• Diffusion von Leerstellen

• 1. Übergangskriechen (primäres Kriechen)
• 2. Stationäres Kriechen (sekundäres Kriechen)
• 3. Tertiäres Kriechen

• Anfänglich hohe Kriechgeschwindigkeit nimmt mit der Zeit ab
• Überwiegend Verfestigungsmechnismen (z.B. Aufstau von Versetzungen vor Hindernissen)

• konstante Verformungsgeschwindigkeit
• Gleichgewicht zw. verfestigenden und entfestigenden (Versetzungsstau, Quergleitung von Schraubenversetzungen, Klettern von Stufenversetzungen)
• Großer Teil der Lebensdauer von Bauteilen (v.a. bei warmfesten)
• Ende des sek. Kriechbereichs beginnt mit Auftauchen von irreversiblen Schäden (z.B. Poren)

• Schädigungen aus Bereich 2 schreiten fort
• Kriechdehnung steigt progressiv an
• Mikrorisse und Porenketten (v.a. an Korngrenzen)
• Verringerung des Probenquerschnitts => Spannungserhöhung
• Bruch entlang Korngrenzen

• Reduzierung der Spannung, wenn Anfangsverformung konst. gehalten
• Bleibende Dehnung nach Entlastung (durch Kriechen)

• Eigenschaft fester Körper, sich unter mechan. Beanspruchungen bis zum Bruch plastisch verformen zu können
• Wird im Zug- bzw. Druckversuch über Bruchdehnung oder Brucheinschnürung ermittelt

• Gewaltbrüche (bei einmaliger Überlastung)
• Schwingungsbrüche (durch wiederholte Beanspruchung)

• Sprödbrüche (mit keiner oder geringer Verformung)
• Verformungsbrüche (mit teils erheblicher makroplastischer Verformung)

• Transkristallin
• Interkristallin

• Ohne jegliche Vorwarnung
• Geringe Energien nötig
• Hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit

• Tiefe Temperaturen
• Mehrachsige Spannungszustände (Kerben, schroffe Übergänge, dicke Wände)
• Schlagartige Beanspruchung
• Ungleichmäßige Gefüge (fehlerhafte Wärmebehandlung, Schweißnahtbereiche)
• Geringe Verformungsfähigkeit bei Werkstoffen hoher Festigkeit

• Trennen von Kristallebenen innerhalb des Korns
• Aufstauen von Versetzungen=>Spannungsfeld=>Mirkroriss
• Ausbreitung vom Mikroriss wenn benachbarter Korn entsprechend orientiert
• Fast ausschließlich in krz- und hex-Gittern (bei kfz äußere Einflüsse nötig z.b. Korrosion)
• Bruchfläche senkrecht zur größten Normalspannung

• Riss entlang der Korngrenzen
• v.a. wenn Korngrenzen durch Ausscheidungen oder Verunreinigungen versprödet

• hauptsächlich Versetzungsbewegungen infolge Schub
• hohe Energieaufnahme

Bruchfläche unter 45° zur Zugrichtung

Bruch aufgrund Querschnittsverringerung bei gut verformbaren Metallen

• Mehr oder weniger starke Einschnürung
• Am Rand Scherlippe unter 45° zur Zugrichtung
• Restliche Bruchfläche senkrecht zur Bruchfläche

• Wabenstruktur, durch Aufweitung des Werkstoffes an Einschlüssen/Ausscheidungen
• Erforderliche Spannung zur Aufweitung sinkt mit größe der Einschlüsse
• Hohlraumbildung=>Lochaufweitung=>innere Einschnürung

• chem. Zusammensetzung
• Gitterstruktur
• Herstellungsverfahren (z.B. Walzen)
• Wärmebehandlung=> Lage im Bauteil (außen z.B. Martensit, innen z.B. Bainit)
• Gefügestruktur
• Beanspruchungsrichtung (axial, tangential, radial)
• Art der beanspruchung
• ==>Zug, Druck, Biegung, Torsion
• ==>Geschwindigkeit
• ==>Temperatur
• Spannungszustand im Bauteil

• Abnehmende Korngröße
• Ungleichmäßige Korngröße (Gefügestruktur)
• Möglichst wenige Einschlüsse (Silikate, Oxide)
• Möglichst fein verteilte Ausscheidungen (Carbide, Nitride, Boride)
• Viele Korngrenzen (Hindernisse), außer beim Kriechen

• Körper wird mit vorgegebener Verformungsgeschwindigkeit mit zunehmender Druckkraft gestaucht
• Druckkörper zylindrisch oder würfelförmig mit glatten, planparallen Druckflächen
• Spannungs-Stauchungs-Schaubild

Spröde Stoffe, wie Baustoffe (Beton) und Lagermetallen

• Duktile Werkstoffe ausgeprägte Verformung (Ausbauchung), Riss parallel zur Belastungsrichtung, wenn Tangentialspannungen zu groß werden
• Spröde Werkstoffe geringe Verformung, Bruch unter 45° zur Belastungsrichtung (Schubspannungszone)

• I: Geringe Verformung (Reibungsbehinderung)
• II: Mäßige Zugverformung
• III: Hohe Schubverformung

• Duktil: R_ez ~= R_ed, Plastisches Formänderungsvermögen R_mDruck teils sehr groß
• Spröde: R_mZug < R_mDruck
• 

• Spröder Werkstoff, R_{m, Zug} < R_{m, Druck}, da Graphiteinschlüsse als innere Kerben wirken
• E-Modul im Zug-und Druckversuch unterschiedlich

• Beim homogenen Werkstoff geringer (, da zunehmende Querschnittsfläche)
• 

• Abnehmende Probenhöhe => Erhöhung der Druckfestigkeit
• Unterschiedliche Stützwirkung der Druckkegel
• Reibungseinfluss nimmt von Kraftwinwirkungsflächen ins Innere ab
• 

• Druckverformung vor Zugverformung führt zu früherem Beginn der plastischen Verformung
• Ungleichmäßige Verteilung der Verformungen=>Eigenspannungen=> bei Umkehr der Bewegungsrichtung frühere Aktivierung von Versetzungsbewegungen

• Einachsiger Verformungsversuch
• Inhomogene Spannungs- und Dehnungsverteilung
• Insbesondere spröde Werkstoffe (Gusseisen, Hartmetalle)

• Spröde: Biegefestigkeit
• Duktil: Größtmöglicher Biegewinkel

• Duktil/Zäh: Biegefließgrenze sigma_dF , erreicht wenn Werkstoff bei max. Biegerandspannung zu fließen beginnt
• Spröde: Biegefestigkeit sigma_bB , Versagen von Biegezugseite ausgehend, Bruch senkrecht zur größten Normalspannung. Ideal-Sprödes-Verhalten=>Biegefestigkeit=Zugfestigkeit

Biegefestigkeit i.d.R. größer=>Verschiebung der neutralen Faser zur Druckseite hin

• Zur Bestimmung der Verdrehfestigkeit
• Runder Probestab einseitig eingespannt=> am Ende durch Kräftepaar verdreht
• Messung von Drehmoment und Verdrehwinkel => Schubspannungs- und Schiebewinkel-Schaubild

• gamma=theta*G
• wieder Anfangssteigung

• Duktil: Torsionsfließgrenze theta_tF
• Spröde: Torsionsfestigkeit theata_tB

• Untersuchung des Verhaltens unter Scherbeanspruchung
• Besonders bei Nieten, Schraubenbolzen (Scherversuch), Blechwerkstoffen(Lochversuch)

• Scherfestigkeit theta_B
• Bei duktilen Werkstoffen ungenau, wegen Überlagerung von Scherspannung und Biegemoment

• Widerstand gegen Rissbildung, Rissausbreitung und Versagen
• Im Kerbschlagbiegeversuch

• Dynamischer Kurzzeitversuch
• Instrumentiert durchgeführt => Bruchkriterien (Bruchkraft, Bruchverformung, Brucharbeit, Rissstoppverhalten)
• Einsatz: Qualitätssicherung und -überwachung (Alterung, Zeitstandversprödung, Kaltversprödung, Kontolle von Wärmebehandlung und Schweißverfahren)

• Unterschiedliche Kerbformen (Rundprobe, V-Probe, Radius etc.)
• Kerbschlagarbeit bei Probe mit scharfer Kerbe immer kleiner

Kerbe ersetzt Riss mit noch viel kleineren Rissspitzenradius

Von der Temperatur

• Auf tieftemperaturversprödende(krz) Werkstoffe beschränkt
• 

• viel Erfahrung
• weltweite Verbreitung
• gute Vergleichbarkeit mit bestehenden Konstruktionen
• hohe Empfindlichkeit bei Fertigungskontrolle; zeigt Abweichungen gut an
• kostengünstig einzusetzen

• Kerbschlagzähigkeit kein reiner Werkstoffkennwert
• Verschiedene Werkstoffe nicht voll vergleichbar
• keine direkte quantitative Übertragung der Messwerte auf Bauteile
• nicht immer wird die Bauteilsituation konservativ erfasst

• Deutlicher Übergang des Bruchaussehens im Übergangsbereich
• FATT (= Fracture-Appearance-Transition-Temperatur)
• FATT ist die Temp., bei der der Anteil des Zähbruchs bei Mischbrüchen 50% der Bruchfläche ausmacht
• FATT kennzeichnet Übergang von sprödem zu zähem Werkstoffverhalten
• Mit zunehmender Zähigkeit bei Raumtemperatur verschiebt sich die FATT zu tieferen Temp. und die laterale Breiterung nimmt zu

• mit Hilfe des 50%-Zähbruchanteils (Diagramm)
• 

• Gefügestruktur (bainitisches Gefüge hat höhere Zähigkeit als maartensitisches)
• Korngröße (Grobkorn geringere Zähigkeit als Feinkorn)
• Einschlüsse verringern Zähigkeit
• Lage der Probe im Bauteil (an Oberfläche meist Zäher als im Inneren bei großen Bauteilquerschnitten)
• bei geschnittenen oder gewalzten Bauteilen ist Zähigkeit in Walz- bzw. Schneidrichtung besser als in Querrichtung
• zunehmende Festigkeit => abnehmende Zähigkeit

• Zähigkeit kann sich infolge Zeit- und Temperaturbeanspruchung ändern
• 

• KSBV: Nachweis der Zähigkeit
• Zugversuch: Verformungsfähigkeit
• Hohe Zähigkeit: Bauteil mit Riss bricht später; eingeleiteter, sich instabil ausbreitender Riss kann aufgehalten werden