Beschreibe die Struktur von Metallen
Metalle weisen in festem Aggregatzustand eine kristalline Struktur auf, die durch eine dichte und regelmäßige Gitterstruktur der Atomrümpfe gekennzeichnet ist.
Erkläre den generellen atomaren Aufbau von Metall
Metallatome teilen sich ihren äußeren Aufbau
geteilte Elektronen formen eine Art Elektronenwolke
-> Darin befinden sich die positive geladenen Atomkerne
Die Elektronenwolke sorgt dafür, dass Atome sich nicht zu nahe kommen
-> Abstand von Atomen sinkt nicht auf 0
-> Abstand stellt sich so ein, dass das Potenzial der Kräfte zueinander möglichst klein ist (also Atome weder zu nahe bei einander, noch zu weit von einander weg)
-> Im Gleichgewichtszustand wirkende Kräfte sind 0 (anziehende & abstoßende Kräfte heben sich auf)
Was sind physikalische Eigenschaften der Metalle?
Der Aufbau der Metalle bildet die Grundlage für die physikalischen Eigenschaften der Metalle, wie die
ausgeprägte elektrische Leitfähigkeit
Wärmeleitfähigkeit
Welche Erkenntnis lässt sich durch Betrachtung der Struktur und Verformbarkeit von Metallen gewinnen?
Aufgrund der regelmäßigen Struktur können die Atome im Metallgitter mit relativ geringem Energieaufwand verschoben werden -> gute plastische Verformbarkeit von Metallen
Die Verschiebungen erfolgen entlang sogenannter Gleitebenen in der Kristallstruktur
Metalle mit vielen Gleitebenen weisen eine bessere Verformbarkeit auf
Was passiert bei dem Zulegieren von Elementen zu einem Metall?
Durch das Zulegieren von Elementen zu einem Metall führt zu einer elastischen Verzerrung des Kristallgitters je nach Größe des gelösten Atoms.
Kleine Atome induzieren in ihrer Umgebung eine Druckspannung
Große Atome induzieren in ihrer Umgebung eine Zugspannung
=> Daraus resultiert eine Festigkeitssteigerung durch Behinderung von Versetzungsprozessen
Was bewirkt die abweichende Bindungsstärke bei zulegierten Atomen?
Eine abweichende Bindungsstärke des zulegierten Atoms zu den Gitternachbarn kann eine Änderung des Elastizitäts- und Schubmoduls in der Umgebung des zugesetzten Atoms führen.
Die Bindungsenergien UAA und UBB werden zu UAB (=Bindungsenergie des resultierenden Mischkristalls)
Einfluss bei Hinzufügen von Nickel:
Woran kann man ca. festlegen, wie hoch der Einfluss des zulegierten Elements auf das E-Modul sein wird?
Wenn Elemente höhere Schmelztemperatur aufweisen, ist der Einfluss auf die Erhöhung des Elastizitätsmoduls höher.
Was ist Festigkeit?
Die Festigkeit ist ein zentrales Charakteristikum technischer Werkstoffe und beschreibt die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs gegen Bruch in Folge einer mechanischen Belastung oder Verformung.
Vergleiche elastische und plastische Verformung
Elastische Verformungen sind reversibel und durch eine Winkeländerung der Gitterebene gekennzeichnet
Plastische Verformungen sind irreversibel, da es zu einem Abgleiten der Gitterebene kommt.
Was erhöht die Verfombarkeit eines Werkstoffs?
Die Verfombarkeit eines Werkstoffs nimmt mit der Anzahl an Gleitebenen zu.
Wie lässt sich die Belastung auf ein Bauteil beschreiben?
Die Belastung eines Bauteils hängt von betrachteten Querschnitt und dem Kraftfluss ab.
Als normierte Größe wird die Spannung eingeführt -> diese beschreibt das Verhältnis von Kraft zu Fläche.
Spannung lässt sich aufteilen:
Normalspannung - senkrecht zu der Querschnittsfläche
Schubspannung - parallel zu einer Fläche
Beschreibe grob die Matrix der Spannung
1. Index = Normale der Fläche, auf welche die Spannung wirkt
2. Index = Wirkrichtung der Spannung
Wie lässt sich Dehnung berechnen?
Die Dehnung eines Bauteils berechnet sich aus der Längenänderung bezogen auf die Ausgangslänge
Was beschreibt der Elastizitätsmodul?
Der Elastizitätsmodul E dient als Proportionalitätsfaktor und definiert das Ausmaß der Zunahme der Spannung als Folge einer einwirkenden Dehnung.
Je größer der Elastizitätsmodul, desto geringer ist die elastische Verformung (bei gleichbleibender Belastung)
Beschreibe die Querkontraktion
Wird ein Bauteil elastisch gedehnt, so induziert dies neben der Dehnung in Kraftrichtung eine negative Dehnung quer zu Kraftrichtung. Dies wird als Querkontraktion bezeichnet.
Was beschreibt das Schubmodul?
Das Schubmodul G beschreibt die Steifigkeit eines Materials gegen Scherverformung unter dem Schwerwinkel Y.
Mit Hinblick auf geleistete Arbeit: Was ist der Unterschied zwischen elastischer und plastischer Verformung?
Bei elastischer Verformung wird die Energie im Werkstoff durch die Dehnung atomarer Verbindungen gespeichert, die bei Entlastung in ihren Ausgangszustand zurückfallen
Bei plastischer Verformung wird ein Teil der geleisteten Arbeit in Wärme umgewandelt und kann bei Entlastung des Werkstoffs nicht wieder in Arbeit zur Verformung in den Ausgangszustand umgesetzt werden.
Was ist der Zugversuch?
Der Zugversuch gehört zu den Standardverfahren in der Werkstoffprüfung und dient der Ermittlung von Festigkeits- und Verformungseigenschaften der Werkstoffe.
Durch den Zugversuch kann das elastisch-plastische Verformungsverhalten beschrieben werden.
Wie läuft grob der Zugversuch ab?
Für den Versuch wird ein Prüfstab mit definierter Messlänge L0 und Durchmesser d0 verwendet.
Dann wird mit konstanter Prüfgeschwindigkeit uniaxial gedehnt, während aufgewendete Zugkraft F und die Längenänderung der Probe ΔL gemessen werden.
Aus den Größen wird die technische Spannung und technische Dehnung berechnet
Erkläre die Spannungs-Dehnungs-Kurve/ das Spannungs-Dehnungs-Diagramm
Zu Beginn nehmen Kraft und Weg bzw. Spannung und Dehnung linear zu, während der Probenquerschnitt gleichmäßig abnimmt
-> im linearen Bereich entstehen Verformungen mit vollständig reversiblen Vergrößerungen des Atomabstands
Wird die Streckgrenze Re überschritten, erfährt der Probekörper zusätzlich zur elastischen Verformung eine plastische (irreversible Dehnung)
-> Streckgrenze ist somit die Spannung, die aufgebracht werden muss um ein erstes Verschieben der Atome durch Gleiten zu verursachen
-> wenn Spannung beim Aufbringen weiterer Dehnung wieder abfällt, ist eine obere (Reh) und untere (Rel) Streckgrenze sichtbar
Der nächste Bereich ist rein plastisch und durch einen weiteren Anstieg der Spannung gekennzeichnet
Die technische Spannung steigt dann bis zu einem maximalen Wert der Zugfestigkeit Rm & die Gleichmaßdehnung Ag stellt sich ein
Ab jetzt setzt die deutliche Einschnürung des Prüfkörpers ein
Es kommt zum Bruch
Was macht man, wenn der Übergang von elastischen zur plastischen Dehnung fließend ist?
Ist der Übergang von elastischer und plastischer Dehnung fließend, kann keine eindeutige Streckgrenze ermittelt werden.
In diesem Fall kann die Elastizitätsgrenze auch durch die Dehngrenze Rp definiert werden.
Bleibt nach Entlastung eine Verformung von z.B. 0,2% bestehen, so wird die Dehngrenze Rp0,2 erreicht.
Was ist der Unterschied zwischen technischer und wahrer Spannung?
Technische Spannung bezeichnet die Kraft bezogen auf den Ausgangsquerschnitt des Probekörpers.
Wahre Spannung bezeichnet die Spannung unter kontinuierlicher Berücksichtigung der Querschnittsänderung während der Dehnung des Probekörpers.
-> Im Bereich der plastischen Verformung nimmt der Probenquerschnitt durch die beginnende Einschnürung stark ab. Die wahre Spannung nimmt dadurch stärker zu als die technische Spannung.
Welche Herausforderungen treten bei der Bestimmung von Werkstoffparametern aus dem Zugversuch auf?
Nur einige Werkstoffe weisen eine ausgeprägte Streckgrenze und somit klare Abgrenzung des linear-elastischen Bereichs und dem Bereich plastischer Verformung auf
-> zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls ist es alledings entscheidend, die Lage der Streckgrenze zu kennen
Es fällt auf, dass Proben des selben Werkstoffs im Verlauf der Spannungs-Dehnungskurven Unterschiede aufweisen
Was machen wir im Praktikum?
Wir untersuchen unterschiedliche Methoden zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls und deren Einfluss auf das Ergebnis.
Grundlage hierfür stellt die Erfassung der Dehnung eines Bauteils während der Belastung im Zugversuch.
Welche Möglichkeiten zur Dehnungserfassung gibt es?
Videoextensometer
Laserextensometer
Dehnmessstreifen
Faseroptisches Messsystem
Digital Image Correlation
Beschreibe das Videoextensometer
Videoextensometer ist ein kamerabasiertes Messverfahren zur berührungslosen Erfassung von Dehnung.
Auf dem Probekörper werden zwei Markierungen aufgetragen.
Algorithmen der Bildverarbeitung ermitteln die Abstandsänderung der Markierungen zueinander.
Beschreibe das Laserextensometer
Laserextensometer sind ein laserbasiertes Messverfahren zur berührungslosen Erfassung von Dehnung.
Auf dem Prüfkörper werden zwei Markierungen aufgetragen, an welchen der Laserstrahl diffus reflektiert.
Der Abstand wird dann anhand von Änderungen der Lichtintensität bestimmt
Beschreibe Dehnmessstreifen
Dehnmessstreifen (DMS) sind Sensoren zur Erfassung von relativen Längenänderungen.
DMS werden auf dem Bauteil aufgeklebt
Anschließend wird der DMS mit Strom beaufschlagt und eine elektrische Spannung gemessen.
Durch Änderung des Widerstands und damit Spannung lässt sich anhand der Spannungsabweichung die Dehnung umrechnen.
Beschreibe das Faseroptische Messsystem
Bei faseroptischen Messsystemen handelt es sich um ein optisches Messverfahren auf der Grundlage von Glasfasern.
Eine ummantelte Glasfaser wird auf den Prüfkörper aufgeklebt.
Kommt es durch Dehnung zu einer Veränderung der Faser, so verändert sich das Streuverhalten des Lichts in der Glasfaser.
Beschreibe Digital Image Correlation
DIC ist eine kamerabasierte Methode der Verformungs- und Dehnungsmessung.
Es werden Dehnfelder erfasst. Dabei erfasst das Messsystem einzigartige Pixelansammlungen in stochastischen Mustern und erkennt deren Verschiebung und Verformung.
Was sind Rahmenbedingungen im Zugversuch?
Gemäß der Norm muss die Kraftmesseinrichtung mindestens Klasse 1 aufweisen.
Das Dehnungsmesssystem mindestens Klasse 0,5.
Das Messsystem muss in der Lage sein, mindestens 50 Messwerte in dem relevanten Bereich aufzuzeichnen
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