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Burkhard Heine
Werkstoffprüfung
Ermittlung der Eigenschaften metallischer Werkstoffe
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
167
6.1.3.3.2 f = f_g
168
6.1.3.3.3 f > f_g
170
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
180
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
202
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
208
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
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