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Fachbereich Maschinenbau
4. Werkstoffeigenschaften
4.1 Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften kennzeichnen das Verhalten von Werkstoffen gegenüber äußeren Beanspruchungen. Es können im allg. 3 Stadien der Verformung unterschieden werden:
- Reversible Verformung
- Irreversible Verformung
- Bruch
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Reversible Verformung:Vollständiger Rückgang einer Formänderung bei Entlastung entweder sofort (Elastizität) oder zeitlich verzögert (Viskoelastizität/Anelastizität)
Irreversible Verformung:Bleibende Formänderung auch bei Entlastung (Plastizität, Viskoplastizität)
Bruch:Trennung des Werkstoffes infolge der Bildung und Ausbreitung von Rissen
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E = tan
α
4.1.1 ReversibleFormänderungsmechanismen:
a)linear-elastischesVerhalten:Energie-Elastizität
Lenard-Jones-Potential(potent. Energiezwischen2 Atomen)
U(r) = - r -m + r -n
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Fachbereich MaschinenbauLinear-elastisches Verhalten:
- Zeitunabhängigkeit zwischen Belastung undVerformung (Schallgeschwindigkeit)
- lineare Abhängigkeit der Verformung von derBelastung (Hooke´sches Gesetz)
- Modell des Werkstoffes ist die Feder
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Fachbereich MaschinenbauWerkstoffkennwerte:
- E Elastizitätsmodul = E - G Schubmodul = G - Querkontraktionszahl(Poisson-Zahl) = - quer / längs
Es gilt:E = 2 G (1 + )
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E-Modul:Stahl 210.000Alu 72.000Titan 110.000Porzellan 580.000SiC 800.000Polystyrol 3.500Plexiglas 4.000
Querkontraktionszahl :für die wichtigsten Metalle gilt 0,3 0,36 und daher
G 3/8 E
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b) nichtlinear-elastisches Verhalten:- Zeitunabhängigkeit von Belastung und Verformung- nichtlineare Abhängigkeit der Verformung von derBelastung
- Formänderungen von mehreren 100% (gummielastisch)- vollständig reversible Verformung
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Fachbereich Maschinenbauc) anelastisches/viskoelastischesVerhalten:
- Zeitabhängigkeit von Belastung und Verformung- vollständig reversible Verformung- Werkstoffmodell ist eine Feder-Dämpfer-Kombination
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Fachbereich MaschinenbauDämpfung:Dämpfungsarbeit entspricht der Hysteresefläche, bei jeder vollständigen Schwingung wird diese Energie im Werkstoff in Wärme umgewandelt und dissipiert
Energieverlust pro Zyklus:Gußeisen 5 %Stahl 0,01%Bronze 0,1 %Gummi 20-30 %
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Fachbereich Maschinenbau4.1.2 IrreversibleFormänderungsmechanismen:
a) plastisches Verhalten:
- Zeitunabhängigkeit vonBelastung undVerformung
- irreversible Verformung
- Werkstoffmodellbesteht aus Federund Reibelement e = elastische Dehnung
p = bleibende bzw. plastische Dehnung
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Fachbereich MaschinenbauSituation im Werkstoff:Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau
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Schmid´sches Schubspannungsgesetz:Wird ein Werkstoff unter Zug/Druck belastet, dann sind die Schubspannungen unter 45° maximal.
r = cos sin
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Fachbereich MaschinenbauProf. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau
b) viskoplastisches Verhalten(Kriechen):
- Zeitabhängigkeit vonBelastung und Verformung
- irreversible Verformung- Werkstoffmodellbesteht aus Feder,Dämpfer undReibelement
- Metalle bei T > 0,3-0,4 TMKeramiken bei T > 0,4-0,5 TM(TM = Schmelztemp. in K)
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Fachbereich MaschinenbauCharakteristik der Kriechkurve:Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau
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Fachbereich MaschinenbauTemperatureinfluß auf Kriechkurve:Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau
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Fachbereich MaschinenbauKriechkurve und Zeitstandschaubild: Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau
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Auslegung warmfester Stähle:Ohne Kriechen- temperaturabhängige0,2%-Dehngrenze
Mit Kriechen(verformungsreich=duktil)- 0,2%-Zeitdehngrenze
Mit Kriechen(verformungsarm)- Zeitstandfestigkeit(Bruch)
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Fachbereich Maschinenbau4.1.3 Bruch:Mikroskopische Bruchvorgänge
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Makroskopische Bruchformen:
- einachsig, quasistatisch beanspruchter Zugstab
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Fachbereich MaschinenbauMakroskopische Brucharten:
- Sprödbruch (Trennbruch)
- Zähbruch = duktiler Bruch = Verformungsbruch(Gleitbruch)
a) transkristalliner Sprödbruchb) interkristalliner Sprödbruchc) duktiler Bruch durch Porenbildung
an Einschlüssen(cup and cone fracture)
d) duktiler Bruch mit vollständiger Einschnürung(z.B. reine Einkristalle)
e) duktiler heterogener Scherbruch
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transkristallin
interkristallin
Sprödbruch
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Zähbruch
Grübchen- oder Wabenbruch
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Intrusion und Extrusion
Dauerbruch = Ermüdungsbruch
ZyklischeBeanspruchung
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4.2 Verfestigung
- Erhöhung vonStreckgrenze Re undZugfestigkeit Rm
- Erhöhung derHärte (z.B. HB, HV)
- Erniedrigung derBruchdehnung A
- Erhöhung desVerformungs-widerstandes
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Einschränkung der Bewegung von Versetzungen
Verfestigungsmechanismen
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Fachbereich MaschinenbauVerfestigungsmechanismen
Mischkristallverfestigung (Einlagerung)= Härtungsverfestigung
Mischkristallverfestigung (Substitution)= Legierungsverfestigung
Dispersionsverfestigung= Teilchenverfestigung
= Ausscheidungshärtung
Kaltverfestigung = Verformungsverfestigung
Feinkornhärtung = Korngrenzenverfestigung
0D
0D
3D
1D
2D
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