Biegewechselversuche mit Flachproben aus Alpha-Eisen-Einkristallen zur Bestimmung der Wechselfestigkeit und der Gleitspuren PDF
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DK 620.178.322.3 669.127.8.·172 FORSCH U NGSBE RICHTE DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS NORDRH E I N-WESTFALE N Herausgegeben von Stoatssekretăr Prof. Or. h. c. lea Brandt Nr.410 Prof. Dr. phil. Franz Wever Prof. Dr. rer. techn. Albert Kochendorfer Dr. phil. nat. Max Hempel Dipl.-Phys. Emil Hillnhagen Max-Plonck-Institut fur Eisenforschung, Dusseldorf Biegewechselversuche mit Flachpraben aus Alpha-Eisen Einkristallen zur Bestimmung der Wechselfestigkeit und der Gleitspuren Ah Manuskript gedruckt Springer Fachmcdien Wiesbaden GmbH 1957 ISBN 978-3-663-03564-0 ISBN 978-3-663-04753-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-04753-7 Ursprunglich erschienen bei Wcstdeutscher Verlag/KOIn Dud Opladen 1957 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Gliederun~ A. Einleitung · . . . . . . . . s. 5 B. Wechselbeanspruchung und Dauerschwing- . . . . . . . . . . . . . . festigkeit · . . . . . . . . s. 6 c. Bisherige Untersuchungen tiber Verformungser- scheinungen an Kristalloberflachen · S. 11 D. Verfahren zur Herstellung von Einkristallen • • · s. 14 E. Versuchsdurchftihrung · · · s. 17 . . . I. Ausgangswerkstoff · · s. 17 II. Einkristall-Herstellung · • · S. 20 . III. Form und Bearbeitung der Proben •••• · · · S. 23 · . . . IV. Bestimmung der Kristallorientierung · · · S. 26 . . . . . . V. Statische Versuche • • · . . s. 28 . . . . . . . . . . . . VI. Dauerschwingversuche • • · . . s. 28 . F. Versuchsergebnisse · · · S. 33 I. Statische Kennwerte · · S. 33 II. Dauerschwingversuche · s. 35 1. Wohler-Linien · · · S. 35 . . . . . . a) Einkristallproben · s. 35 b) Vielkristallproben · · s. 38 c) Bruchlastspielzahl und Oberflachen- · zustand . s. 38 2. Metallographische Untersuchungen • S. 41 a) Einkristallproben · s. 41 b) Zweikristallproben • • • S. 52 c) Dreikristallprobe •• • S. 61 d) Vielkristallprobe ••• • • • • · . . s. 65 . . . . . . s. e) Gleitspuren und RiBbildung 69 . . . . . . . . . . . . . . G. Folgerungen s. 79 · . I. Biegewechselfestigkeit und statische Kennwerte S. 79 . . . . . . II. Biege- und Zugdruck-Wechselfestigkeit •••• s. 84 III. Spannungsverteilung und Gleitspurenbereich ••• S. 85 IV. Wechselfestigkeit und Kristallorientierung S. 86 . . . . . . . . . . V. Gleitspuren und Kristallorientierung S. 89 . . . · . . VI. Gleitspuren und RiBverlauf S. 94 . . . . . . . . . H. Zusammenfassung S. 96 . . . . . . . · . . J. Literaturverzeichnis • S. 98 Seite 3 Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen A. E i n 1 e i tun g Die Metalle sind in ihrer technischen Verwendungsform vielkristallin; sie bestehen aus einer Vielzahl von kleinen Kristalliten verschiedener kristal lographischer Orientierung. Gegenuber einer mechanischen Beanspruchung,die zu elastischen oder plastischen Verformungen fuhrt, verhalt sich ein der artiger Werkstoff quasi-isotrop, d. h. das anisotrope Verhalten der einzel nen Korner wird ausgemittelt und tritt nach auBen nicht mehr in Erschei nung. Deshalb konnen die grundlegenden GesetzmaBigkeiten tiber das mechani sche Verhalten kristalliner Stoffe nicht an Vielkristallen, sondern nur an Einkristallen, deren kristallographische Achsen bezuglich eines raumfesten Koordinatensystems in allen Punkten dieselbe Lage haben, untersucht wer den; ihre auBere Form kann dabei beliebig seine Solche Untersuchungen sind bisher vorwiegend bei einsinnigen Zug-, Biege oder Verdrehbeansprunchungen durchgeftihrt worden (1,2). Sie haben zusam men mit theoretischen Uberlegungen (3,4) die Erkenntnisse tiber die mecha nischen Eigenschaften der Kristalle wesentlich gefordert; die hierbei ge wonnenen Ergebnisse konnten mit Erfolg auf das Verhalten von Vielkristallen angewendet werden (5). Neben den einsinnigen Beanspruchungen treten in der Praxis haufig wechseln de Beanspruchungen auf, so bei Kurbelwellen, Brucken, Eisenbahnradern und -schienen, Federn usw. Unter diesen Beanspruchungen zeigen die Werkstoffe andere Festigkeits- und Formanderungseigenschafteh als bei einsinniger Be anspruchung. Die Verhaltnisse sind bei Vielkristallen zwar weitgehend ex perimentell untersucht und ftir die Bedtirfnisse der Praxis befriedigend ge klart worden (6-9), aber die Erkenntnisse tiber die sich im Werkstoff ab spielenden Vorgange sind noch gering (10). Eine Vertiefung der Erkenntnis se ist deshalb auch bei dieser Beanspruchungsart durch Untersuchungen an Einkristallen notwendig. Besonders erwlinscht ist es, diese Untersuchungen an durchzufuhren, da die meisten Versuche an Stah ~-Eisen-Einkristallen len mit vielkristallinem Aufbau vorg.enommen wurden. Im folgenden wird tiber derartige Versuche berichtet; entsprechende Ver gleichsversuche wurden auch an Vielkristallproben gleicher chemischer Zu sammensetzung durchgefuhrt, urn eine Verbindung zu den an Einkristallen er haltenen Ergebnisse herzustellen. Der vorliegenden Untersuchung lagen fol gende Aufgaben zugrunde: Seite 5 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 1) Herstellung von 0(- Eisen-Einkristallen in Blechform nach dem Rekristal lisationsverfahren. 2) Bestimmung der WOHLER-Linien und der Wechselfestigkeitswerte an Einkri stall- und Vielkristallproben des gleichen Werkstoffes. 3) Ketallographische Untersuchungen der Verformungserscheinungen an der Oberflache wechselbeanspruchter Proben. Ehe tiber die Versuche und ihre Ergebnisse selbst berichtet wird, solI in den Kapiteln 13 bis D ein Uberblick tiber die Grundbegriffe der Wechselbean spruchung, tiber die bisherigen Beobachtungen von Verformungserscheinungen an sowie tiber die Herstellung von Einkristallen vor ~ristalloberflachen angestellt werden. B. W e c h s e 1 b e a n s p r u c hun gun d D a u e r s c h win g f est i g k e i t line bestimmte mechanische Beanspruchung ruft in einem Werkstoff je nach GroBe und Dauer der Beanspruchung eine elastische oder plastische Forman derung oder einen Bruch hervor. Bei den Formgebungsverfahren, z.B. beim Walzen, Schmieden, Ziehen, Pressen usw. werden die Bedingungen, wie Tem peratur, Verformungsgrad, Beanspruchungsgeschwindigkeit u.a. so gewahlt,daB der Werkstoff in kurzer Zeit verhaltnismaBig groBe plastische Formanderun gen erfahren kann. In Bauwerken und Maschinen dtirfen jedoch die Beanspruch ungen nur so groB sein, daB gegebenenfalls auftretende plastische Verfor mungen gentigend klein bleiben und daB auch nach langen Belastungszeiten - von Fall zu Fall verschieden groB - kein Bruch eintritt. Die unter gege benen Bedingungen zulassige Beanspruchung wird durch Dauerversuche in der Weise festgestellt, daB die Hohe der Beanspruchung geandert und die jewei lige plastische Verformung sowie die Zeitdauer bis zum Bruch bestimmt wird. Die zulassige Beanspruchung istdann diejenige, bei der bei vorgegebener, gentigend langer Zeit weder eine unzulassig groBe plastische Verformurtg noch ein Bruch eintritt. Die in der Praxis auftretenden Beanspruchungen sind sehr vielfaltig; sie werden in Langzeit- oder Dauerversuchen durch bestimmte, leicht tib~rseh- bare Beanspruchungen, die beaondere Grenzfalle darstellen, erfaBt. In Ab bildung 1 ist der zeitliche Verlauf der Kraft ftir die wichtigsten Bean spruchungsfalle dargestellt. Teilabbildung a stellt die ruhende Belastung mit einer zeitlich unveranderlichen Kraft dar; aie ist etwa in Druckbehal tern, Dampfkesseln und in Bauwerken,die keinen starken Erschtitterungen ausge- Sei te 6 Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen setzt sind, verwirklicht. Teilabbildung b zeigt den Kraftverlauf bei wie derholter, schlagartiger Beanspruchung; sie wird z.B. an SchienenstoBen, Nockenwellen und PreBluftwerkzeugen hervorgerufen. Teilabbildung c gibt eine sinusformig veranderliche Kraft in Abhangigkeit von der Zeit wieder, die z. B. in Kurbelwellen und Ventilfedern auftritt. Eine Uberlagerung al ler drei Beanspruchungsarten kommt z. B. bei Brticken, Tragfedern usw. vor. t- b) ~lPt\ 7\1\ t __ '" J3J3 J u c) A b b i 1 dun g 1 Zeit-Kraft-Verlauf bei verschiedenen Beanspruchungsarten a) ruhende Beanspruchung b) schlagartige Beanspruchung c) wechselnde Beanspruchung Wirkt jede einzelne der genannten Beanspruchungen oder eine Uberlagerung verschiedener Belastungsarten tiber langere Zeitraume auf ein Bauteil ein, so werden diese Beanspruchungen allgemein als Dauerbeanspruchungen bezeich net. Besteht die Beanspruchung aus der Uberlagerung einer ruhenden und ei ner rein sinusformigen Last, so spricht man von einer Druck- bzw. Zugschwell beanspruchung, wenn nur Druck- bzw. Zugkrafte auftreten, und von einer Wech selbeanspruchung im engeren Sinn, periodisch wechselnde Druck- und ~enn Zugkrafte gleichzeitig auftreten, Abbildung 2 (s. S. 8). Bei den letztgenannten Dauerschwingbeanspruchungen werden nach Abbildung 3 (s.S. 9) die einzelnen Spannungsanteile folgendermaBen bezeichnet (11): 7 Seite Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen fft Schwellbereich. -Schwellbereich (Zug) (Druck) A b b i 1 dun g 2 Bereiche der Wechselbeanspruchung (nach DIN 50 100) statischer Anteil (Kittelspannung): d m Amplitude des schwingenden Anteiles (Spann~~gsausschlag): 6 a groBte Spannung (Oberspannung): 6 o kleinste Spannung (Unterspannung): 6 u Aus Abbildung 3 geht hervor, daB 6 m :c -12 (6 0 + 6 u ) und 6 a ,.. -12 ( 6 0 - 6 u ) i 8 t • Dabei werden Zugspannungen positiv, Druckspannungen negativ gerechnet. Die sinusformige Beanspruchung mit 6 = 6 6 und 6 = 0 wird im beson- a 0 :c - u m deren als reine Wechselbeanspruchung bezeichnet. Um einen tlberblick tiber das Verhalten eines Werkstoffes zu bekommen, wird im allgemeinen zunachst diese Beanspruchung angewandt, da von ihr aus sieh das Verhalten unter all gemein wechselnder Beanspruchung am besten beurteilen laBt. Auch in den folgenden Versuchen an Ein- und Vielkristallen wird diese Beanspruchungs art benutzt und daher weiterhin allein betrachtet. Dauerschwingversuche werden meist in folgender Weise durchgeflihrt: Eine Probe wird zunaehst so hoeh belastet, daB sieh der Bruch erfahrungsgemaB nach wenigen Tausend Lastspielen einstellt. Die Belastung der weiteren Pro ben wird dann stufenweise so weit vermindert, bis nach genugend langer Be anspruchungsdauer kein Bruch mehr eintritt. Die Auswertung solcher Dauer versuche erfolgt nach DIN 50 100(11) in der Weise, daB die Spannungsampli tude + 6 in Abhangigkeit von der Lastspielzahl N, bei der der Bruch ein- a Seite 8 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 1 Lastspiel A b b i 1 dun g 3 Begriffe und Zeichen des Dauerschwingversuches (schematisch) Es bedeutena 6 Oberspannung o 6 Unterspannung u 1 (5 = - (6 + 6 ) Mittelspannung m 1 u 6 = (60 6 ) Spannungsausschlag a 2 0 u tritt, in einem halblogarithmischen Koordinatensystem aufgetragen wird. Die durch diese Versuchspunkte gelegte Kurve, die als WOHLER-Linie bezeich net wird, hat allgemein die in Abbildung 4 gezeigte Form. Sie bringt zum Ausdruck, daB die Lastspielzahl mitabnehmender Spannung stetig zunimmt und bei einer von Null verschiedenen Spannungsamplitude sehr groB wird. Es hat demnach den Anschein, als ob eine von Null verschiedene Amplitude 6 a = 6 besteht, flir die die Bruchlastspielzahl N unendlich wird, d. h. die w WOHLER-Linie eine waagerechte Tangente besitzt. Experimentell laBt sich grundsatzlich nicht feststellen, ob dieser Sachverhalt da nur zutrifft~ endliche Lastspielzahlen angewandt werden konnen und bei diesen die WOHLER Linien vieler Werkstoffe einen hinreichend langen, zur Abszisse parallelen Ast besitzen. Die WOHLER-Linien anderer Werkstoffe weisen dagegen, selbst nach den hochsten praktisch erreichbaren Lastspielzahlen, noch eine gerin ge Neigung auf. Flir die Werkstoffe, deren WOHLER-Linien in einem groBeren Bereich der un tersuchten Lastspielzahlen einen horizontalen Verlauf zeigen, wie dies bei Stahlen bei nicht zu hohen Temperaturen meist festgestellt wird (vgl.Abb.4 , ist die Vorstellung gebildet worden, daB sich dieser waagerechte Verlauf Sei te 9 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen N ~100 't;o .... ~ ~ ........ 1"000.. ~Wohler - Li nie ......... '" "- " .... ---I- --- -r --- ,- ~ Iwe ~hselfer-tigke t l 107 Lastspielzahl N A b b i 1 dun g 4 WOHLER-Linie in halblogarithmischer Darstellung (schematisch) bis zu beliebig hohen fortsetzt. Entsprechend dieser Vor Lastspielza~len stellung wird die Spannungsamplitude des horizontalen Astes der WOHLER Linien als Wechselfestigkeit bezeichnet. In den Fallen, in denen die WOHLER Linien innerhalb der untersuchten Lastspielzahlen einen stetig abfallen den Verlauf besitzen, kann aber nicht gesagt werden, ob sie bei hohen Grenz lastspielzahlen noch einen waagerechten Verlauf annehmen oder auf den Span nungswert Null abfallen. Es sind daher im Laufe der Zeit Zweifel aufgetre ten, ob die Werkstoffe, deren WOHLER-Linien zunachst innerhalb der Versucha fehler waagerecht verlaufen tatsachlich eine von Null verschiedene Dauer t schwingfestigkeit besitzen. 1m technischen Sprachgebrauch wird unabhangig von der Klarung dieser Frage von der Dauerschwingfestigkeit eines Werkstof fes gesprochen und darunter die Spannungsamplitude verstanden, bei der bei 6 8 einer Yorgegebenen, genugend hohen Lastspielzahl, z.E. von 10 bis 10 , die Proben gerade nicht mehr brechen. Die zweite der angegebenen Lastspielzah len entspricht bei einer Prufrequenz yon 50 Hertz in ublichen technischen Prtifmaschinen einer Versuchsdauer von etwa 23 Tagen. Bei einer Pruffrequenz von 250 oder 500 Hertz (Hochfrequenzpulser) betragt die in gleicher Zeit Ar reichbare Lastspielzahl etwa 5 • 108 oder 109• 1m allgemeinen werden jedoch 7 8 die Dauerverauche nur bis zu einer Grenzlastspielzahl von 10 bis 10 durch gefuhrt. Sei te:1 0 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Die Theorie der Wechselfestigkeit (2, 12) ist noch nicht so weit durchge bildet, daB sie eine Aussage dartiber erlaubt, ob eine wahre Wechselfestig keit besteht oder nicht. Es gibt aber Anhaltspunkte daftir, so z.B. das Auf treten von Gleitlinien im Laufe einer Wechselbeanspruchung (13), daB ein einmal angenommener waagerechter Teil der WOHLER-Linien beibehalten wird, wenigstens nicht bei zu hohen Temperaturen. Bei den vorliegenden Untersuchungen wird die bei einer Lastspielzahl von 5 • 107 ohne Bruch ertragbare Spannungsamplitude als Wechselfestigkeit be zeichnet. Diese Lastspielzahl hat sich daraus ergeben, daB die Versuche noch mit ertraglichem Zeitaufwand durchgefUhrt werden kennen und die WOH LER-Linien dabei bereits eine so geringe Neigung aufweisen, daB ein Ver gleich zwischen den Ergebnissen von Ein- und Vielkristallen meglich ist. c. B ish e rig e U n t e r s u c hun g e n ti b e r V e r for m u n g s e r s c h e i nun g e nan K r i s tal lob e r f 1 a c hen In den letzten Jahren gewann die physikalische Werkstofforschung und ins besondere das Studium der Verformungsvorgange in Metallkristallen eine ste tig zunehmende Bedeutung. Die zur Aufstellung einer Theorie der Kristall plastizitat (2,3) notwendigen experimentellen Ergebnisse wurden aus den in der Einleitung genannten Grtinden an Einkristallen erhalten. Die makroskopischen Erscheinungen bei der Verformung eines Einkristalls un ter ruhender Belastung zeigen, daB die Plastizitat anisotrop, d.h. rich tungsabhangig ist. J.A. EWING und W. ROSENHAIN (15) beobachteten erstmalig das Auftreten von Gleitlinien an vielkristallinen Werkstoffen bei verschie denen Beanspruchungsarten. Das Auftreten solcher Verformungslinien an Ein kristallen beschreibt zuerst E.N. da C. ANDRADE (16). Die auf Metallober flachen sichtbaren Gleitlinien sind Spuren der im Innern des Werkstoffes wirksamen Gleitebenen und ftihren zu dem wichtigen SchluB, daB die plasti schen Verformungen kristallographisch bestimmt sind und auf einem Verschie~ ben von Kristallbereichen langs der durch das Atomgitter festgelegten Ebe nen und Richtungen mit Hilfe wandernder Versetzungen beruhen. Aus zahlrei chen untersuchungen an Werkstoffen, die verschiedenen Kristallsystemen ange horen, geht durch die Bestimmung der Lage des betatigten Gleitsystems ge gentiber den kristallographischen Achsen hervor, daB die Gleitebenen meist mit den dichtest besetzten Gitterebenen und die Gleitrichtungen mit den Seite 11
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