Protokoll Kerbschlagbiegeversuch / SK-II

TU Bergakademie Freiberg ‐ Institut für Werkstofftechnik Schülerlabor „science meets school“ ‐ Werkstoffe und Technologien in Freiberg PROTOKOLL SEKUNDARSTUFE II Modul: Mechanische Werkstoffeigenschaften Versuch: Kerbschlagbiegeversuch 1
Abbildung 1: Pendelschlagwerk I.
HINTERGRUND Beim Kerbschlagbiegeversuch wird die Probe durch eine schlagartige Belastung zerschlagen. Dies geschieht durch die kinetische Energie eines Hammers, welcher an einem Pendel angebracht ist. Die verbrauchte Energie entspricht der Kerbschlagarbeit. Durch diese und andere Größen lässt sich das Bruchverhalten verschiedener Werkstoffe charakterisieren. Dies ist wichtig zum Vergleich von Werkstoffen und zur Qualitätssicherung. Es lässt sich feststellen, ob sich ein Werkstoff duktil oder spröd verhält. Ein sprödes Verhalten kann beim technischen Einsatz sehr gefährlich sein. II.
Versuchsziel und Aufgabenstellung An einem einfachen Baustahl und Edelstahl sollen Kerbschlagbiegeversuche bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden. Die Unterschiede zwischen den Werkstoffen sollen erkannt werden, was Rückschlüsse auf die Auslegung technischer Anwendungen zulässt. Mathematische und physikalische Grundlagen können im technischen Umfeld angewandt und vertieft werden. Die Ergebnisse der unterschiedlichen Werkstoffe sollen innerhalb eines Protokolls ausgewertet und miteinander verglichen werden. Kerbschlagbiegeversuch www.schuelerlabor.tu‐freiberg.de Gegeben: - Kerbschlagbiegeproben aus: Baustahl C15 Edelstahl X5CrNi18‐10 - Versuchsmaterial: instrumentiertes Pendelschlagwerk Schieblehre flüssiger Stickstoff Alkohol Muffelofen - Arbeitsschutz: Schutzbrille Laborkittel Schutzhandschuhe Zange Gesucht: - Ergebnisse der Kerbschlagbiegeversuche - Kerbschlagarbeit der Werkstoffe bei unterschiedlichen Temperaturen - seitliche Breitung und Anteil des kristallinen Flecks der Werkstoffe - Übergangstemperatur des Stahls - Protokoll mit den Bestandteilen: Versuchsziel, Geräte, Durchführung, Ergebnisse und Auswertung III.
Durchführung Zunächst müssen die Proben auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Dazu wird flüssiger Stickstoff (‐196 °C) und ein Muffelofen (100 °C) bzw. ein Gemisch aus flüssigem Stickstoff und Alkohol für – 20 °C und – 50 °C genutzt. Die Proben müssen ungefähr zehn Minuten in den Bädern verweilen bzw. im entsprechend aufgeheizten Muffelofen, ehe sie eine gleichmäßige Temperatur aufweisen. Die erste Probe kann dann mit einer Zange auf das Widerlager gelegt werden. Anschließend muss die Plexiglastüre geschlossen werden, bevor der Versuch gestartet werden kann. Nach dem Versuch bewegt die Prüfmaschine den Hammer wieder in die Ausgangsposition, so dass sie für den nächsten Versuch bereit ist. Ist dies geschehen, können die Plexiglastür geöffnet und die Bruchstücke wiederum mit einer Zange entnommen werden. Diese sind dann zu kennzeichnen, damit keine Verwechslungen auftreten. Die Kerbschlagarbeit der zerbrochenen Probe muss sofort abgelesen werden und kann in Tabelle 1 eingetragen werden. Nachdem alle Proben zerschlagen wurden wird die seitliche Breitung mit einer Schieblehre ausgemessen, wie in Abbildung 2(a) dargestellt. Man bildet den Mittelwert aus den beiden Messwerten. Zusätzlich ist der Anteil des kristallinen Flecks für alle Proben abzuschätzen, eine Hilfestellung findet man in Abbildung 2(b). Der Kerb, also die abgeschrägte Fläche unten im Bild, ist dabei nicht zu berücksichtigen. Kerbschlagbiegeversuch www.schuelerlabor.tu‐freiberg.de 2
(a) (b) Abbildung 2: Ausmessen der seitlichen Breitung (a); unterschiedlicher Anteil des kristallinen Flecks: von links nach rechts: 0%, 30%, 60%, 100% IV.
Auswertung Die Angabe der Kennwerte aus dem Kerbschlagbiegeversuch erfolgt beispielsweise so: Normalbedingungen: Pendelschlagwerk mit 300 (+10) J, Verwendung einer Normalprobe KV – Verwendung einer Probe mit V‐Kerb KU – Verwendung einer Probe mit U‐Kerb Beispiele: KV = 121J: die beim Bruch verbrauchte Kerbschlagarbeit beträgt 121 Joule (bei RT) TÜ27J = 25 °C: Übergangstemperatur für eine Kerbschlagarbeit von 27 Joule beträgt 25 °C TÜ0,4 = 25 °C: Übergangstemperatur bei 0,4 mm seitlicher Breitung beträgt 25 °C Fülle folgenden Lückentext aus: Der Kerbschlagbiegeversuch ist der wichtigste Versuch zur Bewertung der Zähigkeit eines Werk‐ stoffes. Er zeichnet sich durch seine unkomplizierte und s………………., damit auch k……………………….. Durchführbarkeit aus. Nachteil ist, dass die Versuchsergebnisse keine unmittelbare Anwendung in der Bauteilberechnung zulassen. Die Ergebnisse ermöglichen jedoch eine q………………………….…. Be‐
wertung der Werkstoffe. Es lässt sich charakterisieren, ob ein Werkstoff unter bestimmten Bedin‐ gungen ein s……………….. oder ein d……………………. Verhalten zeigt. Dabei handelt es sich um ein genormtes Prüfverfahren, bei dem neben den Vorgaben zur Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung auch Vorschriften zu der zu verwendenden P………………………………… festgelegt wurden. Neben dem Werkstoff kann die T…....................... einen entscheidenden Einfluss auf das Werkstoffverhalten nehmen. Im Kerbschlagarbeit–Temperatur–Diagramm zeigt sich bei einigen Stählen eine Hoch...................... und eine T……..…............... . Aus dieser Kurve kann man z.B. die Übergangs………….............. für eine bestimmte Kerbschlagarbeit bestimmen. Weitere Kenngrößen aus diesem Versuch sind der kr........................... Fleck und die seitliche B……………..…………........... . Kerbschlagbiegeversuch www.schuelerlabor.tu‐freiberg.de 3
In die folgende Tabelle kannst du die verschiedenen Ergebnisse eintragen: Tabelle 1: Versuchsbedingungen und Ergebnisse Probe Werkstoff Temperatur
KV
SB KF
in ° C in J in mm in % V‐ Kerb Baustahl C 15
‐ 196 Baustahl C 15
‐ 50
Baustahl C 15
‐ 20
Baustahl C 15
20
Baustahl C 15
100
Edelstahl X5CrNi18‐10 ‐ 196
Edelstahl X5CrNi18‐10 20
U‐Kerb Baustahl C 15
‐ 50
1. Erläutere die beim Kerbschlagbiegeversuch realisierte Art der Beanspruchung kurz. 2. Zeige den Unterschied zwischen sprödem und duktilem Bruchverhalten auf! 3. Nenne drei Faktoren, welche den Wert der Kerbschlagarbeit beeinflussen können. 4. Trage die einzelnen Punkte der beiden Werkstoffe auf Millimeterpapier in ein KV – T‐ Diagramm ein. Verbindet die Punkte miteinander, bei Edelstahl sollte sich eine Grade ergeben, bei Baustahl eine Art S‐förmiger Verlauf. Erstelle auf gleichem Wege ein SB – T – Diagramm und ein KF – T – Diagramm. 5. Bestimme aus dem KV – T – Diagramm die jeweilige Übergangstemperatur des Stahls für eine Kerbschlagarbeit von 27 Joule bzw. 80 Joule. Gib zusätzlich die verbrauchte Kerbschlagarbeit beider Werkstoffe bei Raumtemperatur an. Alle Kennwerte sind entsprechend der oben aufgeführten Bezeichnung anzugeben. 6. Bestimme aus dem SB – T – Diagramm die jeweilige Übergangstemperatur des Stahls für eine seitliche Breitung von 0,4 mm und 0,2 mm und gib die Kennwerte richtig an. Zusatzfragen: 7. Erkläre die Bedeutung der Übergangstemperatur für den technischen Einsatz von Baustahl. 8. Benenne den Grund dafür, dass Edelstahl ein anderes Bruchverhalten zeigt als Baustahl. Literatur [1] „Grundlagen Kerbschlagbiegeversuch – Sekundarstufe II“, Arbeitsunterlagen des Schülerlabors „Science meets School“, Technische Universität Freiberg, 2009 [2] Blumenauer, Horst, „Werkstoffprüfung“, 6. Auflage, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1994, S. 147‐155 Kerbschlagbiegeversuch www.schuelerlabor.tu‐freiberg.de 4