Wärme­be­hand­lung und Kerb­schlag­bie­ge­ver­sucham Werstoff C45 (unle­gier­ter) Vergü­tungs­stahl

HFH Hamburger Fern-Hochschule · Studienzentrum Stuttgart

Fachbereich Technik: Wirtschaftsingenieurwesen (B.Eng)

Laborbericht zu Werkstofftechnik

Inhaltsverzeichnis

Wärmebehandlung und Kerbschlagbiege-Versuch am Werkstoff C45 (unlegierter) Vergütungsstahl3

Wärmebehandlung von Stahl3

Vorbereitung zur Härtemessung der einzelnen Probe. 6

Härteprüfung nach Vickers der 8 Proben mit tragbarem Härteprüfgerät7

Kerbabschlagbiegeversuch der 8 Proben nach Wärmebehandlung. 8

Versuchsbeschreibung Kerbabschlagbiegeversuch. 9

Aushärten von Aluminium15

Legierungsbildung Al Mg Si 1. 15

Härteprüfung nach Vickers. 17

Tiefungsversuch nach Erichsen. 22

Aufbau der Versuchseinrichtung. 22

Wärmebehandlung und Kerbschlagbiege-Versuch am Werkstoff C45 (unlegierter) Vergütungsstahl

Wärmebehandlung von Stahl

Die Wärmebehandlung ist  nach DIN EN 10052 ein Vorgang, in dessen Verlauf ein Werkstück oder eine Bereich eines Werkstückes absichtlich Temperatur-Zeit-Folgen und/oder chemischen Einwirkungen ausgesetzt wird, um ihm Eigenschaften zu verleihen die für seine Weiterverarbeitung oder Verwendung erforderlich sind.

Bei dem im Labor angewandten technischen Wärmebehandlungsprozessen wurden 6 Proben durch Härten, von den 6 gehärteten Proben wurden 4 Proben durch Vergüten und 2 Proben durch Normalglühen eines unlegierten Stahls von 0.45% Kohlenstoff  behandelt. Die Proben wurden zum Zweck der späteren Analyse (Nachvollziehbarkeit) mit Schlagzahlen (siehe Abbildung 1) von 1 bis 8 gekennzeichnet.

Abbildung 1

Härten

Definition Härten:

Unter dem Härten von Stählen versteht man eine Wärmebehandlung, bestehend aus

dem Austenitisieren und dem Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine

Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits

in Martensit (und ggf. Bainit) oberflächlich oder durchgreifend erfolgt.

Voraussetzung ist also eine Modifikationsänderung des Eisens (Fe) in Abhängigkeit von der Temperatur mit unterschiedlicher Löslichkeit des Kohlenstoffs (C) der Kristallmodifikationen

Durchführung im Labor:

Die im Laborbericht beschriebenen Messergebnisse (siehe Protokoll) beschreiben das Härten von 6 Proben eines unlegierten Stahls mit 0.45% Kohlenstoff, die im Ofen mit einer Temperatur von 850°C in einer Zeitdauer von 20 min erhitzt und unmittelbar danach im Wasser "abgeschreckt" wurden.

Ergebnis der Durchführung

Dabei entsteht eine Gamma/Alpha-Umwandlung. Unlegierte Stähle wie die 6 Proben mit 0.45% Kohlenstoff besitzen gute Voraussetzungen für diese Härtung. Der im Austenit (Gamma-Eisen) gelöste Kohlenstoff kann bei schneller Abkühlung nicht mehr diffundieren und bleibt in einem verspannten Ferritgitter (Martensit) zwangsgelöst.

Vergüten

Definition Vergüten:

Vergüten ist ein Härten mit nachfolgendem Anlassen auf höhere Temperaturen, meist oberhalb 550 °C. Das Anlassen erfolgt unmittelbar nach dem Härten mit dem Ziel, die Spannungen zu mindern und die Zähigkeit zu erhöhen, da sonst im gehärteten Teil Rissgefahr besteht.

Durchführung im Labor:

Die im Laborbericht beschriebenen Messergebnisse (siehe Protokoll) beschreiben das Vergüten von 4 Proben nach dem Härten eines unlegierten Stahls mit 0.45% Kohlenstoff, zwei Proben wurden im Ofen mit einer Temperatur von 550 °C und die anderen 2 Proben mit einer Temperatur von 650 °C innerhalb 35 min erhitzt und unmittelbar danach im Wasser "abgeschreckt" .

 

.....[Volltext lesen]

An den 8 Proben wurden jeweils an der blanken Oberfläche 10 Messungen an verschiedenen Punkten durchgeführt (siehe Abbildung 4) und die einzelnen Härtewerte (HV5) am Display des Härtemessgerätes direkt abgelesen und in die Messwerttabelle (siehe Protokoll) eingetragen.

Abbildung 4

Aus den 10 Messungen wurde der Mittelwert ermittelt und Dokumentiert.

Nach DIN 50 150 wurde der Ermittelte Mittelwert des Härtewertes (HV) der einzelnen Proben in Zugfestigkeitswerte (MPa) umgerechnet und die Messwerttabelle (siehe Protokoll) eingetragen.

Kerbabschlagbiegeversuch der 8 Proben nach Wärmebehandlung

Definition

Der Kerbschlagversuch nach DIN EN 10045 ist ein Versuch zur Bewertung der Zähigkeit eines Werkstoffes. Er zeichnet sich durch seine unkomplizierte und schnelle, damit auch kostengünstige Durchfuhrbarkeit aus. Als Ergebnis des Versuchs ermittelt man die bis zum vollständigen Bruch aufgewendete Energie, die Kerbschlagarbeit K. Die Kerbschlagarbeit stellt eine Werkstoffkenngröße dar, die sich jedoch unter unterschiedlichen Bedingungen verändert.

Beispiel Abbildung

Beispiel Abbildung

Versuchsbeschreibung Kerbabschlagbiegeversuch

Für den Kerbabschlagbiegeversuch nach Charpy wurde eine Pendelschlagwerkmaschine aus dem Jahre 1960 verwendet.

Die einseitigen gekerbten 8 Proben wurden durch einen herabfallenden Pendelhammer zerschlagen. Der Pendelhammer wurde zuerst ohne Probe ausgelost und die verbrauchte Arbeit lag bei 2J. Damit ist sichergestellt, dass Luft und Lagerwert im Toleranzbereich liegen.

Die Reibungskräfte sind < 1% der Schlagkraft. Die Pendel erreicht eine Auftreffgeschwindigkeit von 5,2 m/s. Das Nennarbeitsvermögen lag für die Versuche bei 300J und entspricht ca. einem Gewicht von 30 kg, dass man 1m vom Boden hochhebt.

Die verbrauchte Schlagarbeit wird auf einer Skala durch einen Schleppzeiger angezeigt. Dieser sollte vor dem Versuch bei „0“ sein. Die Proben werden mit einer Zentrierstange eingelegt, so dass der Lagerabstand immer bei 40 mm ist.

Ergebnisse der Durchführung

Abbildung 5

Der erste Versuch (siehe Abbildung 5) Probe 1 wurde bei Raumtemperaturdurchgeführt und ergab eine Kerbschlagarbeit von 29J. Die Kerbschlagarbeit von 29 J ist für C45 Stahl  als Wert unplausibel. Bei der ersten Probe wurde versehentlich kein C45 Stahl verwendet. Anhand des Bruches und des Martensitischen Aussehens war die Probe wahrscheinlich ein C15 Stahl.

Beim zweiten Versuch (siehe Abbildung 5) Probe 2 wurde eine Kerbschlagarbeit von 3 J ermittelt. Hier handelt es sich um einen geraden ohne Struktur Sprödbruch mit einem gleic.....

Prüfprotokoll: Wärmebehandlung Stahl und Kerbschlagbiegeversuch

Aushärten von Aluminium

Legierungsbildung Al Mg Si 1

Durch Legierungsbildung und Wärmebehandlung (Aushärten) von Aluminium können die mechanischen Eigenschaften auf Werte gebracht werden, die bei wenig veränderter Dichte, mit denen vieler Stahlsorten vergleichbar sind, sie in verschiedenen Fallen sogar übertreffen. Der Schlüssel hierzu liegt in der Aushärtungsbehandlung, die beträchtliche Festigkeitssteigerungen ermöglicht.

In diesem Versuch wurde eine Aluminiumlegierung Al Mg Si 1 verwendet. Die Proben wurden zuerst auf 460°C lösungsgeglüht. Anschließend wurden die Proben abgeschreckt, bei 200°C warm ausgelagert (Ausscheidungshartung) und zum Schluss poliert (angeschliffen). Die erste Probe 0 wurde nicht nach dem Abschrecken ausgelagert. Die restlichen Proben wurden in einen Ofen bei 200°C ausgelagert.

Zur Kennzeichnung des Werkstoffzustands wurde die Härtemessung nach Vickers

durchgeführt.

Versuchsbeschreibung & Versuchsauswertung

Die Proben wurden im Ofen bei den angegebenen Temperaturen und Haltezeiten (siehe Prüfprotokoll) geglüht. Nach diesem Glühen wurden die Proben aus dem Ofen entnommen und schnellstmöglich abgeschreckt. Es musste beachtet werden, dass die Zeit zwischen der Entnahme aus dem Ofen und dem Eintauchen in den Wassereimer weniger als 1 bis 1,5 Sekunden beträgt.

Andernfalls ist es möglich, dass es lokal schon zu Ausscheidungsvorgängen im Werkstück kommt. Diese beeinflussen den Aushä.....

Abschrecken: Aus der Glühtemperatur werden die Proben durch Wasser abgeschreckt. Damit wird die Mischkristallphase konserviert (unterkühlt) und die Legierungsbestandteile konnten nicht diffundieren. Es finden Diffusionsvorgange statt. Die Entmischung führt zu Spannungsfeldern im Gitter und es entsteht eine

hohe Festigkeit.

Warmaushartung: Im Ofen wurden die Proben bei 200°C ausgehartet. Mehrschichtige Atomlagen führen zu intensiverem Anstieg von Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze. Man spricht von einer Ausscheidungshärtung.

Kaltaushärtung: Die abgeschreckte Probe 0 wurde bei Raumtemperatur ausgelagert. Der instabile Zustand nach dem Abschrecken strebt das Gleichgewicht an. Die übersättigt in Lösung vorhandenen Bestandteile scheiden in Stunden bzw. Tagen nachträglich aus. Hierbei kommt es auch zu Entmischungsvorgängen, die die chemischen und physikalischen Eigenschaften beeinflussen.

Härteprüfung nach Vickers

Die Vickershärte HV ist definiert als Prüfkraft F (in N), bezogen auf die Eindrucksflache AP (in mm2) des pyramidenförmigen Eindrucks. Der Eindringkörper bei der Vickers-Prüfung (DIN EN ISO 6507-1) ist eine regelmäßige vierseitige Diamantpyramide mit einem Flachen Öffnungswinkel von 136°. Der Eindringkörper

mit einer genormten Prüfkraft wird senkrecht und stoß frei, in nicht weniger als 2 oder mehr als 8 Sekunden, auf das Werkstuck aufgebracht und für die Dauer von 10 bis 15 Sekunden in das Objekt eingedruckt. Aus dem arithmetischen Mittelwert d der gemessenen Eindruck-diagonalen d1 und d2 wir die Vickers-Härte bestimmt. HV = Konstante x Prüfkraft / Eindruck Oberfläche. Als Prüfkraft F wurde 98,07 N mit HV10

(Prüfbedingung) .....

Aluminiums zu steigern kann die Bildung von Ausscheidungen durch die

Auslagerungstemperatur und –Dauer beeinflusst werden.

Während des oben bereits beschriebenen Auslagerungsprozesses werden in der

Metallmatrix fein disperse kohärente Ausscheidungen gebildet, welche zu einer

Verzerrung der Matrix führen und somit Spannungen aufbauen. Dieser Vorgang

blockiert die Versetzungsbewegung. Die durch die Matrix gleitenden Versetzungen

benötigen nun mehr Schubspannung, um die Spannungsfelder der kohärenten

Ausscheidungen überwinden zu können und um die kohärenten Ausscheidungen zu

schneiden.

Dieser mikroskopische Vorgang führt zu einem Härteanstieg im Metall,

was sich durch den steilen Anstieg der Funktionsgraphen bemerkbar macht.

Der übersättigte Mischkristall strebt dem thermodynamischen Gleichgewicht zu,

wodurch sich bei zunehmender Auslagerungsdauer immer gröbere Ausscheidungen

bilden.

Die fein dispersen kohärenten (GPI, GPII) Ausscheidungen wandeln sich in

teilkohärente (θ’-Phase) und anschließend in inkohärente Ausscheidungen (θ-Phase

um. Bei hohen Auslagerungstemperaturen geht dieser Vorgang auf Grund der

schnellen Diffusionsbewegung der Moleküle schneller von statten.

Zu erkennen ist dies am Kurvenverlauf der Härte. Der Graph erreicht schnell das Härtemaximum vo.....

An zwei Messuhren wurden die momentane Tiefung in mm (dies entspricht dem Stempelweg) und die dabei auftretende Kraft in kg abgelesen werden. In die Messwerttabellen (siehe Prüfprotokoll) wurde die Kraft in N (* 9,81 m/s2) eingetragen.

Abbildung 6

Versuchsablauf

Die Dicke der Bleche wurde mit einer Mikrometerschraube mit 3 verteilten Messungen ermittelt und die Daten in die Messwerttabelle (siehe Prüfprotokoll) eingetragen. Die Bleche wurden auf der Rückseite an nur der Stelle, an der sie mit der Prüfkugel in Berührung kommen, dünn mit Fett bestrichen.

Fett soll jedoch keineswegs an die Stellen kommen, wo das Blech durch die Matrize gehalten wird, da sonst ein anderer Reibfaktor μ zur Geltung kommt. Die Matrize hat die Funktion, das Blech so zu „befestigen", dass der Werkstoff nur innerhalb des ihm zur Verfügung stehenden Bereiches fließen und kein Material von außerhalb nachfließen kann, was eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleistet.

Die Bleche (Werkstoffe der einzelnen Proben: Stahl, Messing, Alu, Alu kaltgelagert, Alu warmgelagert, siehe Prüfprotokoll) wurden mittig in die Prüfvorrichtung eingelegt, diese geschlossen und verriegelt. Vor Versuchsbeginn musste darauf geachtet werden, dass das Handrad zur Einstellung der Versuchsgeschwindigkeit auf null steht, da es sonst zu einem sofortigen Druckanstieg in der Hydraulikanlage, ohne dass eine Nulljustierung vorgenommen wurde und es damit zu einer Verfälschung der Versuchsergebnisse gekommen wäre.

Bei diesem Gerät stehen zur Messung zwei Kraftbereiche zur Verfügung, die durch einen kleinen Hebel geschaltet werden. Die linke Messuhr zeigt kleinere Kräfte bis zu 2000 kg und die rechte größere Kräfte bis 12000 kg an. Für die Tiefungsprüfung nach Erichsen wurde bei den Proben der kleine .....

Bei deutlich sichtbarem Anriss wurde der Versuchsablauf mittels des roten Aus-Schalters gestoppt. Die maximale Tiefung wurde an der Tiefungsskala abgelesen und in die Messwerttabelle (siehe Protokoll) eingetragen, ebenso die aufgetretene Maximalkraft. Durch Zurückstellen des Hebels erfolgte die Entlastung der Anlage. Die Versuchseinrichtung wurde nun geöffnet und das Blech (Probe) herausgenommen und hinsichtlich der Rissform und der Oberfläche beurteilt (siehe Prüfprotokoll).

Prüfprotokoll: Tiefungsversuc.....