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Frank Hahn
Werkstofftechnik-Praktikum
Werkstoffe prüfen und verstehen
1 Thermische Analyse – Zustandssysteme
12
1.1 Einleitung
12
1.2 Ziel des Praktikums
13
1.3 Theoretische Voraussetzungen
13
1.4 Grundlagen
14
1.4.1 Phasenumwandlungen
14
1.4.2 Keimbildung und -wachstum
15
1.4.3 Legierungsstrukturen
19
1.4.4 Grundtypen der Zweistoffsysteme
22
1.4.4.1 Zweistoffsystem mit vollständiger Löslichkeit im flüssigen und im festen Zustand
25
1.4.4.2 Zweistoffsystem mit vollständiger Löslichkeit im flüssigen Zustand und Unlöslichkeit im festen Zustand
30
1.4.4.3 Zweistoffsystem mit vollständiger Löslichkeit im flüssigen Zustand und begrenzter Löslichkeit im festen Zustand – eutektisches System
34
1.4.4.4 Zweistoffsystem mit vollständiger Löslichkeit im flüssigen Zustand und begrenzter Löslichkeit im festen Zustand – peritektisches System
37
1.4.4.5 Zweistoffsystem mit intermetallischer Phase
39
1.4.4.6 Phasenumwandlungen im festen Zustand
40
1.4.5 Das Gesetz der abgewandten Hebelarme
41
1.5 Kontrollfragen zur Praktikumsvorbereitung
43
1.6 Geräte und Hilfsmittel
44
1.7 Versuchsdurchführung
45
1.8 Praktikumsauswertung
46
2 Zugversuch an metallischen Werkstoffen
47
2.1 Einleitung
47
2.2 Ziel des Praktikums
47
2.3 Theoretische Voraussetzungen
48
2.4 Grundlagen
48
2.4.1 Kraft und Spannung
48
2.4.2 Verlängerung und Dehnung
50
2.4.3 Zugproben
51
2.4.4 Verfahrensprinzip
53
2.4.5 Zugversuch – Verformungsbereiche und Auswertung
57
2.5 Kontrollfragen zur Praktikumsvorbereitung
63
2.6 Geräte und Hilfsmittel
64
2.7 Versuchsdurchführung
64
2.8 Praktikumsauswertung
66
2.9 Modelllösungen
66
3 Metallographische Probenpräparation und lichtmikroskopische Gefügeuntersuchung gleichgewichtsnah umgewandelter Stähle
71
3.1 Einleitung
71
3.2 Ziel des Praktikums
72
3.3 Theoretische Voraussetzungen
72
3.4 Grundlagen
73
3.4.1 Die metallographische Probenpräparation
73
3.4.1.1 Trennen
74
3.4.1.2 Einfassen
76
3.4.1.3 Schleifen und Polieren
77
3.4.1.4 Reinigen und Trocknen der Probe
79
3.4.1.5 Aufbau und Einstellung des Auflichtmikroskops
79
3.4.1.6 Vergrößerung
85
3.4.1.7 Auflösungsgrenzen der Lichtmikroskopie
87
3.4.1.8 Gesamte förderliche Vergrößerung
92
3.4.1.9 Kontrastierungsverfahren
92
3.4.2 Das metastabile Zweistoffsystem Eisen-Kohlenstoff
95
3.4.2.1 Reineisen
96
3.4.2.2 Phasen im metastabilen Zweistoffsystem Eisen-Kohlenstoff
97
3.4.2.3 Gefüge im metastabilen Zweistoffsystem Eisen-Kohlenstoff
100
3.4.2.4 Die Stahlecke im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm – Gefügeumwandlung des Austenits bei der Abkühlung im thermodynamischen Gleichgewicht
102
3.5 Kontrollfragen zur Praktikumsvorbereitung
108
3.6 Geräte und Hilfsmittel
108
3.7 Versuchsdurchführung
109
3.8 Praktikumsauswertung
110
4 Härteprüfung
112
4.1 Einleitung
112
4.2 Ziel des Praktikums
112
4.3 Theoretische Voraussetzungen
113
4.4 Grundlagen
113
4.4.1 Überblick
113
4.4.2 Härteprüfung nach Brinell HBW
114
4.4.3 Härteprüfung nach Vickers HV
119
4.4.4 Härteprüfung nach Rockwell Skala C HRC
123
4.5 Kontrollfragen zur Praktikumsvorbereitung
126
4.6 Geräte und Hilfsmittel
127
4.7 Versuchsdurchführung
127
4.8 Praktikumsauswertung
130
4.9 Modelllösungen
131
5 Grundlagen der Wärmebehandlung von Stählen
135
5.1 Einleitung
135
5.2 Ziel des Praktikums
135
5.3 Theoretische Voraussetzungen
136
5.4 Grundlagen
137
5.4.1 Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die Gefüge von Stählen
137
5.4.1.1 Das Dilatometerverfahren
137
5.4.1.2 Diffusionsgesteuerte Umwandlung des Austenits bei leicht erhöhter Abkühlgeschwindigkeit
138
5.4.1.3 Die Martensitbildung
141
5.4.1.4 Die Bainitbildung
145
5.4.1.5 Das Zeit-Temperatur-Umwandlungdiagramm
146
5.4.1.6 Einfluss von Legierungselementen auf die Umwandlung des Austenits bei der Abkühlung
152
5.4.2 Wärmebehandlung von Stahl
154
5.4.2.1 Begriffserklärung
154
5.4.2.2 Das Normalglühen
155
5.4.2.3 Das Härten
158
5.4.2.4 Charakterisierung der Härtbarkeit
165
5.4.2.5 Anlassverhalten von Stählen
168
5.5 Kontrollfragen zur Praktikumsvorbereitung
171
5.6 Geräte und Hilfsmittel
173
5.7 Versuchsdurchführung
173
5.8 Praktikumsauswertung
174
5.9 Modelllösungen
176
6 Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy
179
6.1 Einleitung
179
6.2 Ziel des Praktikums
179
6.3 Theoretische Voraussetzungen
180
6.4 Grundlagen
181
6.4.1 Zähigkeit und Sprödigkeit
181
6.4.2 Der Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy
184
6.4.3 Sprödes Werkstoffverhalten beim KBV
187
6.4.4 Duktiles Werkstoffverhalten beim KBV
189
6.4.5 Der Bruch beim KBV
191
6.4.5.1 Sprödbruch (Spaltbruch)
191
6.4.5.2 Verformungsbruch
194
6.4.5.3 Mischbruch
196
6.4.6 Einflüsse auf die Zähigkeit
197
6.4.7 Das Temperaturkonzept
199
6.5 Kontrollfragen zur Praktikumsvorbereitung
201
6.6 Geräte und Hilfsmittel
202
6.7 Versuchsdurchführung
202
6.8 Praktikumsauswertung
205
6.9 Modelllösungen
206
7 Ermüdung und Schwingfestigkeit
208
7.1 Einleitung
208
7.2 Ziel des Praktikums
209
7.3 Theoretische Voraussetzungen
209
7.4 Grundlagen
209
7.4.1 Ermüdung
209
7.4.2 Rissbildung und -wachstum unter schwingender Beanspruchung – Merkmale des Dauerbruchs
212
7.4.3 Mechanische Schwingungen
215
7.4.4 Einstufige Schwingfestigkeitsuntersuchungen – Wöhlerversuch
216
7.4.4.1 Ermittlung der Überlebenswahrscheinlichkeit im Bereich der Zeitfestigkeit
219
7.4.4.2 Bestimmung der Dauerfestigkeit unter Berücksichtigung des Streubandes im Übergangsbereich
223
7.4.5 Angabe der Dauerfestigkeit
230
7.4.6 Dauerfestigkeitsschaubild nach Smith
230
7.4.7 Einflüsse auf die Schwingfestigkeit
232
7.5 Kontrollfragen zur Praktikumsvorbereitung
234
7.6 Geräte und Hilfsmittel
235
7.7 Versuchsdurchführung
235
7.8 Praktikumsauswertung
240
7.9 Modelllösungen
240
Anhang – Lösungsteil
249
Index
258
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