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Moderne Methoden der Werkstoffprüfung

E-BookEPUB2 - DRM Adobe / EPUBE-Book
440 Seiten
Deutsch
Wiley-VCHerschienen am09.09.20151. Auflage
Strengere Maßstäbe an die Qualität, Zuverlässigkeit und technische Sicherheit sowie veränderte Konstruktions- und Fertigungsprinzipien in Verbindung mit dem Einsatz neuartiger Hochleistungswerkstoffe stellen zunehmend höhere Anforderungen an die Werkstoffprüfung. Um diesen gerecht zu werden, bedarf es zunehmend der Entwicklung und Umsetzung neuartiger, wissenschaftlich fundierter Verfahren zur Untersuchung von Werkstoffgefüge und -struktur, zur Messung mechanischer und physikalisch-chemischer Eigenschaften sowie für die immer wichtiger werdende zerstörungsfreie Materialprüfung.

Im Fokus des Buches stehen moderne, anspruchsvolle Verfahren zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften sowie die analytischen Methoden der Prüfung verformter, metallischer Werkstoffe zur Aufklärung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Hierfür werden in den einzelnen Kapiteln jeweils die Grundlagen der Methoden vorgestellt. Danach folgen Darstellungen der modernen Prüf- bzw. Analysetechniken sowie Anwendungsbeispiele aus Forschung und Praxis. Behandelt werden dabei insbesondere neue und modifizierte Prüfverfahren, die aufgrund der Weiterentwicklung von Werkstoffen sowie der Prüf- und Messtechnik, aber auch aufgrund von Anforderungen an die Werkstoffprüfung im Qualitäts-, Sicherheits- und Umweltmanagement erforderlich werden.

Horst Biermann leitet seit dem Jahr 2000 als Universitätsprofessor das Institut für Werkstofftechnik der Technischen Universität Bergakademie Freiberg. Als Arbeitsgebiete stehen die Themen Plastizität und Ermüdung sowie Randschichttechnik im Fokus, mit etwa 230 Publikationen als Autor oder Co-Autor. Seit 2008 ist er Sprecher des DFG-Sonderforschungsbereiches 799 und seit 2011 stellvertretender Sprecher des SFB 920. 1997 wurde ihm der Gerhard-Hess-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft verliehen und 2012 der Preis 'Durchbruch' der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde. Seit 2012 ist er ordentliches Mitglied der Akademie der Wissenschaften und der Literatur, Mainz. Darüber hinaus ist er seit 2008 Fachkollegiat der Deutschen Forschungsgemeinschaft.


Lutz Krüger ist seit 2006 Universitätsprofessor für Werkstoffprüfung und Bauteilfestigkeit am Institut für Werkstofftechnik der Technischen Universität Bergakademie Freiberg. Er hat Werkstofftechnik an der Technischen Universität Chemnitz studiert und dort promoviert. Vor seinem Ruf nach Freiberg war er für 1 Jahr an der University of California in San Diego (UCSD) sowie für einige Zeit in der privaten Wirtschaft tätig. In Freiberg hat er ein Speziallabor für Hochgeschwindigkeitswerkstoffprüfung aufgebaut. Seine Arbeitsgebiete sind die hochdynamische Werkstoffprüfung, Bruchmechanik und Korrosionsprüfung sowie die Materialsynthese mit dem Spark Plasma-Sinterverfahren. Er ist Autor und Co-Autor von etwa 130 Publikationen.mehr
Verfügbare Formate
E-BookPDF2 - DRM Adobe / Adobe Ebook ReaderE-Book
EUR88,99
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Produkt

KlappentextStrengere Maßstäbe an die Qualität, Zuverlässigkeit und technische Sicherheit sowie veränderte Konstruktions- und Fertigungsprinzipien in Verbindung mit dem Einsatz neuartiger Hochleistungswerkstoffe stellen zunehmend höhere Anforderungen an die Werkstoffprüfung. Um diesen gerecht zu werden, bedarf es zunehmend der Entwicklung und Umsetzung neuartiger, wissenschaftlich fundierter Verfahren zur Untersuchung von Werkstoffgefüge und -struktur, zur Messung mechanischer und physikalisch-chemischer Eigenschaften sowie für die immer wichtiger werdende zerstörungsfreie Materialprüfung.

Im Fokus des Buches stehen moderne, anspruchsvolle Verfahren zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften sowie die analytischen Methoden der Prüfung verformter, metallischer Werkstoffe zur Aufklärung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Hierfür werden in den einzelnen Kapiteln jeweils die Grundlagen der Methoden vorgestellt. Danach folgen Darstellungen der modernen Prüf- bzw. Analysetechniken sowie Anwendungsbeispiele aus Forschung und Praxis. Behandelt werden dabei insbesondere neue und modifizierte Prüfverfahren, die aufgrund der Weiterentwicklung von Werkstoffen sowie der Prüf- und Messtechnik, aber auch aufgrund von Anforderungen an die Werkstoffprüfung im Qualitäts-, Sicherheits- und Umweltmanagement erforderlich werden.

Horst Biermann leitet seit dem Jahr 2000 als Universitätsprofessor das Institut für Werkstofftechnik der Technischen Universität Bergakademie Freiberg. Als Arbeitsgebiete stehen die Themen Plastizität und Ermüdung sowie Randschichttechnik im Fokus, mit etwa 230 Publikationen als Autor oder Co-Autor. Seit 2008 ist er Sprecher des DFG-Sonderforschungsbereiches 799 und seit 2011 stellvertretender Sprecher des SFB 920. 1997 wurde ihm der Gerhard-Hess-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft verliehen und 2012 der Preis 'Durchbruch' der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde. Seit 2012 ist er ordentliches Mitglied der Akademie der Wissenschaften und der Literatur, Mainz. Darüber hinaus ist er seit 2008 Fachkollegiat der Deutschen Forschungsgemeinschaft.


Lutz Krüger ist seit 2006 Universitätsprofessor für Werkstoffprüfung und Bauteilfestigkeit am Institut für Werkstofftechnik der Technischen Universität Bergakademie Freiberg. Er hat Werkstofftechnik an der Technischen Universität Chemnitz studiert und dort promoviert. Vor seinem Ruf nach Freiberg war er für 1 Jahr an der University of California in San Diego (UCSD) sowie für einige Zeit in der privaten Wirtschaft tätig. In Freiberg hat er ein Speziallabor für Hochgeschwindigkeitswerkstoffprüfung aufgebaut. Seine Arbeitsgebiete sind die hochdynamische Werkstoffprüfung, Bruchmechanik und Korrosionsprüfung sowie die Materialsynthese mit dem Spark Plasma-Sinterverfahren. Er ist Autor und Co-Autor von etwa 130 Publikationen.
Details
Weitere ISBN/GTIN9783527670697
ProduktartE-Book
EinbandartE-Book
FormatEPUB
Format Hinweis2 - DRM Adobe / EPUB
FormatFormat mit automatischem Seitenumbruch (reflowable)
Verlag
Erscheinungsjahr2015
Erscheinungsdatum09.09.2015
Auflage1. Auflage
Seiten440 Seiten
SpracheDeutsch
Dateigrösse20919 Kbytes
Artikel-Nr.3218163
Rubriken
Genre9201

Inhalt/Kritik

Inhaltsverzeichnis
Vorwort

BRUCHMECHANISCHES VERHALTEN UNTER QUASISTATISCHER UND DYNAMISCHER BEANSPRUCHUNG
Einleitung
Grundlagen
Experimentelle Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte

KENNWERTERMITTLUNG BEI ZYKLISCHEM LANGRISSWACHSTUM
Einführung
Grundlagen
Probenformen
Versuchsführung
Risslängenbestimmung
Versuchsauswertung
Zusammenfassung und Ausblick

ERMÜDUNG BEI SEHR HOHEN LASTSPIELZAHLEN (VHCF)
Einführung
Werkstoffverhalten im VHCF-Bereich
Gerätetechnik und Analyseverfahren
Aktuelle Forschungsergebnisse
Zusammenfassung und Ausblick

MEHRACHSIGE WERKSTOFFEIGENSCHAFTEN
Einleitung
Planar-biaxiale Prüfung
Konzepte für die Gestaltung von kreuzförmigen Proben
Beispiele für die Bestimmung des mehrachsigen mechanischen Verhaltens

THERMOMECHANISCHE ERMÜDUNG
Einleitung
Experimentelle Vorgehensweise
Lebensdauervorhersage
Eigene Untersuchungen

DYNAMISCHE WERKSTOFFPRÜFUNG
Einleitung
Experimentelle Methoden
Messkette und Messtechnik
Werkstoffverhalten als Funktion von Temperatur und Dehnrate
Modellgesetze
Werkstoffbeispiele

MODERNE METHODEN DER RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE
Einleitung
Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie
Wechselwirkung Elektronenstrahl-Materie
Kontrastarten
Analytische Verfahren der Rasterelektronenmikroskopie
Möglichkeiten zur in situ-Charakterisierung im Rasterelektronenmikroskop
Anwendungsbeispiele kombinierter abbildender und analytischer Verfahren der Rasterelektronenmikroskopie
Zusammenfassung und Ausblick

RÖNTGENDIFFRAKTOMETRIE
Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit der Materie
Röntgenbeugung an defektfreien kristallinen Materialien
Einfluss der Mikrostrukturdefekte auf das Röntgendiffraktogramm

NANOINDENTIERUNGSPRÜFUNG
Einleitung
Von der klassischen Härteprüfung zur Nanoindentierungsprüfung
Kontaktmechanik
Nanoindentierungen bei kleinen Lasten - Phänomene und Anwendungen
Neuere Nanoindentierungsmethoden jenseits von Härte und Elastizitätsmodul

RÖNTGEN-TOMOGRAFIE
Übersicht
Grundlagen der Röntgen-Tomografie
In-situ-Untersuchungstechniken
Quantitative Gefügeanalyse
Anwendungsbeispiele
Ausblick

ELEKTROCHEMISCHE KORROSION
Einleitung
Korrosionsarten
Einflussfaktoren
Elektrochemische Grundlagen
Ausgewählte Korrosionsprüfverfahren

VERSCHLEIß
Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen
Werkstoffe
Randschichten
Tribologische Prüfverfahren
Messgrößen für tribologische Systeme
Anwendungsbespiel

Sachverzeichnismehr
Leseprobe
1
Bruchmechanisches Verhalten unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung

L. Krüger, P. Trubitz und S. Henschel
1.1 Einleitung

Im allgemeinen Maschinenbau werden Konstruktionen zunächst nach klassischen Festigkeitskriterien ausgelegt. Abbildung 1.1 zeigt an einer auf Zug beanspruchten Komponente, dass in einer Beanspruchungsanalyse die wirkenden Spannungen (Beanspruchung: vorhandene Spannung Ïvorh) ermittelt werden. Durch die experimentell zu bestimmenden Werkstoffkennwerte wird die Beanspruchbarkeit (zulässige Spannung Ïzul) charakterisiert. Für das gewählte Beispiel eines glatten, allmählich auf Zug beanspruchten Bauteils ergibt sich die Beanspruchungsgröße als Ïvorh = F â A.

Die Bewertung bezüglich der Sicherheit des Bauteils, sich nicht plastisch zu verformen oder zu brechen, erfolgt über einen Vergleich der Beanspruchungsgröße mit der experimentell zu ermittelnden Beanspruchbarkeit. Mit Ïvorh ⤠Ïzul ist der Festigkeitsnachweis erbracht.

Sind plastische Verformungen (Bauteildeformationen) unzulässig, dienen die Streckgrenze Re oder die 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 als Werkstoffkennwert. Ist eine plastische Verformung zulässig und nur der Bruch des Bauteils auszuschließen, wird die Zugfestigkeit Rm herangezogen.

In der Praxis kann es jedoch zur Abweichung von den im Beispiel dargestellten idealisierten Beanspruchungsbedingungen kommen.

Lokale Überlastungen durch
Fehler in der Lastannahme,
Eigenspannungen,
stoß- bzw. schlagartige Beanspruchungen oder
Kerben und Risse

sind oft nicht auszuschließen. In der Folge kann die vorhandene Spannung deutlich höher als zunächst angenommen sein, wenn sich beispielsweise Last- und Eigenspannungen überlagern. Weiterhin können Spannungsspitzen existieren, welche die berechneten und als homogen angenommenen vorhandenen Spannungen deutlich übersteigen.

Abb. 1.1 Ablaufschema für die Festigkeitsberechnung am Beispiel einer quasistatisch zugbeanspruchten Komponente.

Die im Nennspannungsnachweis übliche Forderung nach einem homogenen beanspruchten Querschnitt stimmt weiterhin oft nicht mit der Realität überein. In Bauteilen treten u. a. Lunker, Poren, Einschlüsse, Seigerungen oder Risse auf. Die Risse können durch die Fertigung (z. B. Schweiß-, Härte-, Schleif- oder Warmrisse) oder betriebsbedingt (z. B. Ermüdung oder Korrosion) entstehen. Dadurch erhöht sich die Kerbwirkung und es treten Spannungsspitzen auf. Die Frage ist, wie der Werkstoff auf diese Überbeanspruchungen reagiert.

Eine besondere Gefahr für das Bauteil geht von Sprödbrüchen aus. Durch die Behinderung der Werkstoffplastifizierung ist der Abbau der Spannungskonzentrationen durch plastische Verformung stark eingeschränkt. Es treten meist verformungsarme Trennbrüche auf. Die instabile Rissausbreitung findet in Bruchteilen von Sekunden statt. In Tab. 1.1 sind Einflussgrößen, deren Wirkung und entsprechende Werkstoffaspekte zusammengefasst.

Der Bewertung der Zähigkeit kommt eine große Bedeutung zu. Unter Zähigkeit wird die Fähigkeit des Werkstoffes verstanden, unter sprödbruchfördernden Beanspruchungen des Bauteils die Überbeanspruchungen (Spannungsspitzen) durch örtliche plastische Verformung abzubauen.

Typische Prüfverfahren zur Bewertung der Zähigkeit kombinieren mehrere sprödbruchfördernde Bedingungen. Dementsprechend werden für das Übergangstemperaturkonzept im Kerbschlagbiegeversuch (engl. Charpy pendulum impact test) [1] zur Bestimmung der Übergangstemperatur Tt (Temperatur beim Übergang vom (duktilen) Verformungsbruch zum Sprödbruch; früher als TÜ bezeichnet) mehrere gekerbte Proben bei unterschiedlichen Prüftemperaturen schlagartig beansprucht und die verbrauchte Schlagenergie (z. B. KV, KU) bestimmt. Kennwerte des Kerbschlagbiegeversuchs sind Bestandteil sehr vieler Normen bzw. Materialdatenblätter. Sie dienen für bestimmte Werkstoffzustände als Qualitätskriterium, welche sich im praktischen Einsatzfall bereits bewährt haben. Der entscheidende Nachteil dieses Prüfverfahrens ist, dass die Kennwerte (z. B. KV, KV-T-Kurve, Tt) nicht zur Bauteilauslegung herangezogen werden können, da alle Ergebnisse nur für die jeweiligen Prüfbedingungen (Probengröße, Beanspruchungsgeschwindigkeit, Kerbung, Temperatur) gültig sind.

Tab. 1.1 Sprödbruchfördernde Bedingungen.
Einflussgrößen Wirkungsweise Werkstoffaspekte Konstruktive Gestaltung Dehnungsbehinderung (engl. constraint) durch Kerben oder große Bauteilquerschnitte (mehrachsiger Spannungszustand) Streckgrenze Re â bzw. 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 â Fertigung Oberflächenfehler und Anrisse durch Schweißen, Härten, Schleifen, Ausbildung komplexer Eigenspannungszustände Kerbwirkung â Beanspruchungsbedingungen schlagartige Krafteinwirkung, mehrachsiger Spannungszustand Streckgrenze Re â bzw. 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 â Umgebungsbedingungen tiefe Temperaturen, Spannungsrisskorrosion, Neutronenversprödung T ââRe â bzw. Rp0,2 â, Kerbwirkung â, Elektrolytwirkung Werkstoffgefüge Grobkorn, Ausscheidungen an Korngrenzen, Alterung, Verunreinigungen, nichtmetallische Einschlüsse Verformbarkeit â
Mit der Einführung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuchs [2] erhält man über die globale Energiebetrachtung hinausgehend detailliertere Informationen zum Versagenshergang. Aus dem gemessenen Kraft-Durchbiegungs-Verlauf lassen sich charakteristische Werte für das Verformungs- und Schädigungsverhalten (z. B. die Fließkraft Fgy, die Kräfte für die Initiierung Fiu und Arretierung Fa des Spaltbruches) entnehmen (Abb. 1.2). Wie schon beim nicht instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch sind diese Kennwerte nicht zur Bauteilauslegung geeignet.

Abb. 1.2 Kraft-Durchbiegungs-Kurve (schematisch) und kennzeichnende Kräfte des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuchs.

Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse einer dynamischen Beanspruchung auf Bauteile zu ermöglichen, werden im Grenztemperaturkonzept Proben in Bauteildicke mit scharfen Kerben verwendet. Durch die Analyse des temperaturabhängigen Verhaltens werden Grenztemperaturen (z. B. gegen Risseinleitung/-auslösung bzw. Rissauffang, s. Tab. 1.2) ermittelt. Weit verbreitet ist u. a. der Fallgewichtsversuch nach Batelle (engl. drop weight tear test, DWTT) [3], bei dem eine Risseinleitungstemperatur Ti (i = Initiierung) ermittelt wird. Aus dem Bruchbild der gekerbten Biegeprobe (Dicke 8-20 mm) wird die (Grenz)Temperatur T50G% oder T85G% ermittelt, bei welcher der nichtkristalline Bruchanteil 50% bzw. 85% beträgt.

Prüfverfahren basierend auf dem Rissauffangkonzept (z. B. Fallgewichtsversuch nach Pellini sowie Robertson-Test) dienen der Ermittlung einer Grenztemperatur, bei der ein sich instabil ausbreitender Riss gestoppt wird. Im Fallgewichtsversuch nach Pellini (engl. drop weight test, DWT) [4, 5] wird eine 13-25 mm dicke Drei-Punkt-Biegeprobe schlagartig bis zur 0,2%-Dehngrenze durchgebogen. Auf der Zugseite befindet sich eine gekerbte spröde Einlagenschweißraupe, in der unter schlagartiger Belastung ein Sprödbruch ausgelöst wird. Als Grenztemperatur (engl. nil-ductility transition temperature, NDT-Temperatur) gilt die Prüftemperatur, bei der die Probe den sich instabil ausbreitenden Riss nicht auffangen konnte, während bei zwei weiteren Proben und um 5 K höherer Prüftemperatur in beiden Fällen der Riss aufgefangen wird. Die NDT-Temperatur kann über die Temperaturabhängigkeit der im instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch bestimmten Rissauffangkraft Fa abgeschätzt werden [6, 7].

In einer Variante des Robertson-Versuches [8-10] wird ausgehend von einem unterkühlten Bereich ein instabil wachsender Riss in einer unter Zugspannung stehenden Platte ausgelöst. Da die Gegenseite der Platte erwärmt ist, läuft der Riss in Bereiche mit zunehmender Plastizität. Es wird die Temperatur (Crack Arrest Temperature, CAT) ermittelt, bei welcher der Riss gestoppt wird.

Die Grenztemperaturen dienen zur Abschätzung einer minimalen Einsatztemperatur rissfreier Bauteile. Es kann jedoch keine Auslegung von Bauteilen mit rissartigen Fehlern bei dynamischer Beanspruchung durchgeführt werden. Diese Zielstellung verfolgt die Bruchmechanik...
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