Bewertung der Auswirkungen von Kerben auf das Zugbruchverhalten von Metallen

Bei der Verhüttung und Umformung von metallischen Werkstoffen entstehen zwangsläufig innere Defekte wie Einschlüsse und Entmischungen, die zu einer Diskontinuität der inneren Struktur führen können.

Darüber hinaus kann auch die Form von Rillenstufen, Positionierungslöchern, Kanten und Ecken in mechanischen und Ausrüstungskomponenten die Kontinuität der äußeren Oberflächenstruktur von Teilen beeinflussen.

Strukturelle Unstetigkeiten können zu Spannungskonzentrationen an lokalen Stellen von Teilen während des Gebrauchs führen. Solche Strukturen werden in der Technik oft als "Kerben" bezeichnet.

Diese Kerben führen zu einer Spannungskonzentration der Werkstoffe und verändern den Spannungs- und Verformungszustand der Kerbwurzel. So ändert sich beispielsweise während des Zugvorgangs der Spannungszustand an der Kerbwurzel von unidirektionaler Spannung zu bidirektionaler oder dreifacher Spannung, und die plastische Verformung in der Nähe der Kerbspitze wird erheblich eingeschränkt.

Der Einfluss von Kerben auf das Bruchverhalten von Werkstoffen ist aufgrund der unterschiedlichen Plastizität der Werkstoffe unterschiedlich. Allerdings haben nur wenige Wissenschaftler das Bruchverhalten von gekerbten Proben aus verschiedenen plastischen Metallwerkstoffen direkt verglichen.

So führten die Forscher Zugversuche an drei verschiedenen Kunststoffen durch metallische Werkstoffe Vergleich der Zugfestigkeit und der Bruchmorphologie von gekerbten Probekörpern. Ziel dieser Studie ist es, die Auswirkungen von Kerben auf die Zugfestigkeit und das Bruchverhalten verschiedener Kunststoffmaterialien zu verstehen.

1. Prüfverfahren

Für den Test wurden drei Metallarten Materialien, nämlich Stahl 10CrNi3MoV, Aluminiumlegierung 5083 und Sphäroguss 500-7, die jeweils unterschiedliche Plastizitätsgrade aufweisen.

Gemäß den technischen Anforderungen, die im Abschnitt über die Prüfmethode bei Raumtemperatur in Metallische Werkstoffe Zugprüfung Teil 1 (GB/T 228.1-2010) wurden zylindrische R4-Zugproben verarbeitet und eine V-förmige Kerbe wurde in der Mitte des parallelen Abschnitts jeder Probe angebracht.

Der Kerbwinkel betrug 60°, der Kerbspitzenradius 0,1 mm und der Wurzeldurchmesser D der Kerbe 6 mm, 8 mm oder 10 mm (mit den entsprechenden Kerbentiefen von 2 mm, 1 mm bzw. 0 mm und einer glatten Probe ohne Kerben).

Die Form und die Abmessungen der Zugprobe sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1 Form und Größe der Zugprobe

Die elektronische Universalprüfmaschine wurde zur Durchführung des Zugversuchs mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min verwendet. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse des Zugversuchs, der an glatten Proben der drei Materialien durchgeführt wurde.

Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass es einen signifikanten Unterschied in der Bruchdehnung A der drei Werkstoffe gibt. Insbesondere ist die Bruchdehnung von Stahl 10CrNi3MoV größer als die von Aluminiumlegierung 5083 und Sphäroguss 500-7.

Tabelle 2 zeigt die Zugfestigkeit der glatten und gekerbten Proben der drei Werkstoffe. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die Zugfestigkeit der gekerbten Proben von 10CrNi3MoV-Stahl und 5083-Aluminiumlegierung höher ist als die der glatten Proben, während die Zugfestigkeit der gekerbten Proben von 500-7-Gusseisen mit Kugelgraphit niedriger ist als die der glatten Proben.

Tabelle 1 Zugfestigkeitseigenschaften von glatten Proben aus drei Materialien

MaterialStreckgrenze
Rp0.2/MPa
Zugfestigkeit
Rm/MPa
Dehnung nach Bruch 
A/%
Verkleinerung der Fläche
Z/%
10CrNi3MoV-Stahl63569227.578.1
5083 Aluminiumlegierung17534516.421.7
500-7 Sphäroguss40060410.27.4

Tabelle 2 Zugfestigkeit von glatten und gekerbten Proben aus drei Materialien

MaterialGlattes ExemplarProbe mit einer Kerbentiefe von 1 mmProbe mit Kerbentiefe von 2 mm
10CrNi3MoV-Stahl6929481203
5083 Aluminiumlegierung345398453
500-7 Sphäroguss604575556

2. Testergebnisse

2.1 Zugfestigkeit

Abbildung 2 zeigt die Kurven der Kerbschlagzähigkeit von drei verschiedenen Materialien.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, steigt die Zugfestigkeit von 10CrNi3MoV-Stahl und 5083-Aluminiumlegierung mit zunehmender Kerbentiefe.

Insbesondere ist der Anstieg bei 10CrNi3MoV-Stahl größer als bei der Aluminiumlegierung 5083.

Bei einer Kerbentiefe von 2 mm beträgt die Zugfestigkeit der ersten Probe beispielsweise das 1,74-fache der glatten Probe, während die der zweiten Probe das 1,31-fache beträgt.

Bei 500-7 Gusseisen mit Kugelgraphit ist die Beziehung zwischen Zugfestigkeit und Kerbentiefe jedoch entgegengesetzt zu der von 10CrNi3MoV Stahl und 5083 Aluminiumlegierung.

Mit anderen Worten: Die Zugfestigkeit nimmt mit zunehmender Kerbentiefe ab.

Bei einer Kerbtiefe von 2 mm beträgt die Zugfestigkeit das 0,92-fache der glatten Probe.

Abb. 2 Verhältniskurve zwischen Zugfestigkeit und Kerbentiefe bei verschiedenen Kunststoff-Metallproben

2.2 Morphologie der Brüche

Abbildung 3 zeigt die Makromorphologie der Bruchflächen sowohl von glatten 10CrNi3MoV-Stahlproben als auch von gekerbten Proben mit unterschiedlichen Tiefen.

Wie abgebildet, weist die Bruchfläche der glatten Probe die typische Becher-Kegelform auf. Diese Probe zeigt auch eine gute Plastizität mit einer Dehnung nach dem Bruch von 27,5% und einer Flächenverringerung von 78,1%.

Im Gegensatz dazu kam es bei der gekerbten Probe zu einer Einschnürung, und die Verringerung der Fläche betrug 33% für die Probe mit einer Kerbtiefe von 2 mm.

Abb. 3 Makromorphologie der glatten Probe und der Kerbprobe von 10CrNi3MoV-Stahl

Mit zunehmender Tiefe der Kerbe nimmt die Fläche der Scherlippe an der Bruchkante allmählich ab, während die Fläche der zentralen Faser allmählich zunimmt.

Bei einer Kerbtiefe von 2 mm macht der zentrale Faserbereich 90% der Gesamtfläche aus, wie in Abb. 4a dargestellt.

Abb. 4b zeigt die REM-Morphologie des durch den Pfeil in Abb. 4a gekennzeichneten Bereichs.

Die Abbildung zeigt, dass der Faserbereich im Kern der Probe ein Grübchenbruchmuster mit typischen Merkmalen von Zugbrüchen aufweist. Dies deutet darauf hin, dass die Ausgangsposition der Zugprobe im zentralen Bereich der Probe liegt.

Abb. 4 REM-Morphologie der Bruchfläche einer Probe mit 2 mm Kerbentiefe aus 10CrNi3MoV-Stahl

Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die Makro- und REM-Morphologie der Bruchflächen von Proben aus der Aluminiumlegierung 5083, einschließlich glatter und gekerbter Proben.

Die Bruchflächen der glatten Proben weisen typische 45°-Scherbruchmerkmale auf, mit einer gewissen axialen Verformung und Einschnürung. Die Dehnung nach dem Bruch beträgt 16,4% und die Flächenverringerung 21,7%, wie in Abb. 5a dargestellt.

Die Probe mit einer Kerbentiefe von 1 mm hat eine Bruchlast von 20,00 kN, die 13,74 kN höher ist als die Fließlast der glatten Probe, was auf eine deutliche plastische Verformung an der Bruchfläche hinweist.

Die Bruchfläche ist gezackt und weist eine gewisse Richtwirkung auf, wobei die Rissbildung an der Randkerbe erfolgt. Der Hauptteil in der Nähe der Rissinitiierungsposition weist Faserbruch auf, und der gezackte Bereich besteht aus Faserbruch und 45°-Schubbruch, wie in Abb. 5b und Abb. 6a dargestellt.

Darüber hinaus sind deutliche Scherbruchzonen und Faserzonen mit normalen Zugversagensmerkmalen zu erkennen, wie in Abb. 6b und Abb. 6c dargestellt.

Bei der Probe mit einer Kerbtiefe von 2 mm liegt die Bruchlast bei 12,83 kN und damit unter der Streckgrenze der glatten Probe. Die Flächenverringerung ist fast 0, und die Bruchfläche ist hauptsächlich faserig, wie in Abb. 5c, Abb. 6d und Abb. 6e dargestellt. Nur die Kanten zeigen deutliche Scherbruchbereiche, wie in Abb. 6e zu sehen ist.

Abb. 5 Makromorphologie von glatten und gekerbten Proben der Aluminiumlegierung 5083

Abb. 6 SEM-Morphologie der Kerbprobe aus Aluminiumlegierung 5083

Abb. 7 zeigt die Makromorphologie von glatten und gekerbten Proben aus 500-7 duktilem Eisen sowie die REM-Morphologie des Bruchs der glatten Probe.

Die glatte Probe weist eine gewisse plastische Verformung ohne sichtbare Einschnürung auf, mit einer Flächenverringerung von 7,4%, wie in Abb. 7a) gezeigt;

Die gekerbte Probe hingegen zeigt fast keine Flächenverkleinerung und keine plastische Verformung, wie in Abb. 7b) und Abb. 7c) zu sehen ist;

Es gibt keinen signifikanten Unterschied zwischen den Bruchflächen der glatten und der gekerbten Proben, die beide eine Spaltung aufweisen, was auf einen Sprödbruch hindeutet.

Abb. 7d) veranschaulicht die Spaltmorphologie der glatten Proben.

Abb. 7 Makromorphologie und Bruchmorphologie der 500-7-Zugprobe aus duktilem Eisen im REM

3. Analyse und Diskussion

Das Vorhandensein einer Kerbe bewirkt, dass sich ein gleichmäßiger einachsiger Spannungszustand während des Zugvorgangs in einen ungleichmäßigen dreiachsigen Spannungszustand verwandelt, was zu einer deutlichen Spannungskonzentration an der Kerbwurzel führt. Die Kerbe schränkt auch die Spitze ein und begrenzt die Verformung der Kerbenspitze.

Aufgrund der unterschiedlichen Plastizität der Werkstoffe können Kerben während des gesamten plastischen Verformungsprozesses zu einer unterschiedlich starken Spannungskonzentration und Bindung führen, was unterschiedliche Auswirkungen auf die Zugfestigkeit der verschiedenen Werkstoffe hat.

Der Stahl 10CrNi3MoV hat eine gute Plastizität, und die glatte Zugprobe hat eine gute laterale und axiale Verformungsfähigkeit. Obwohl bei gekerbten Proben der Kerbbindungseffekt auftritt, gibt es immer noch eine gewisse plastische Verformung während des Zugprozesses, die die durch die Kerbe verursachte Spannungskonzentration abfedern kann.

Die Position der Rissbildung bei Zugproben mit unterschiedlichen Kerbentiefen befindet sich in der Mitte der Probe, wo sich eine große Faserzone befindet, die normale Zugbrucheigenschaften mit einem Grübchenbruch aufweist. Wenn die axiale Spannung in der Mitte die normale Zugbruchfestigkeit des Materials selbst übersteigt, bricht die Probe. Aufgrund der Einschränkung durch die Kerbe trägt die tangentiale plastische Verformung weniger zum Spannungsabbau bei, und das Spannungsniveau der gesamten Bruchebene ist sehr hoch, wenn der Bruch auftritt.

Während des Prozesses der Rissentstehung und der Ausdehnung nach außen weist der gesamte Bruch einen Grübchenbruch auf, der durch die Überschreitung der normalen Zugbruchfestigkeit verursacht wird, mit nur wenigen Scherlippen an der Kante, die durch tangentialen Bruch gekennzeichnet ist.

Die Bruchfläche der glatten Probe aus der Aluminiumlegierung 5083 ist ein typischer 45°-Scherbruch mit einer gewissen axialen Verformung und Einschnürung. Wenn die Kerbe der Probe 1 mm beträgt, befindet sich die Rissausgangsstelle am Rand der Probe.

Wenn die Spannung während des Zugversuchs die Streckspannung übersteigt, beginnt in der Nähe der Kerbe der Probe eine Scherverformung in einem Winkel von 45°, und der Bruch schrumpft während des Versuchs weiter. Die Scherdehnung tritt im gesamten Kerbabschnitt in 45°-Richtung auf, wodurch die Spannung an der Stelle, an der die Scherdehnung auftritt, abgebaut wird.

Aufgrund der Spannungskonzentration in der Nähe der Kerbspitze und der Unfähigkeit, eine große Scherverformung zu erzeugen, nimmt die Axialspannung jedoch allmählich zu.

Wenn die Belastung der Kerbkante den Bruchwiderstand übersteigt, kommt es zu einem lokalen normalen Zugversagen an der Kerbkante, und die axiale Spannung wird anschließend auf den gesamten Bruch übertragen.

Während der Bruchausbreitung wird die Probe entlang des Teils beschädigt, der eine 45°-Scherverformung erfahren hat, und es entsteht ein gezackter Bruch.

Bei einer Probe mit einer 2 mm langen Kerbe befindet sich die Position der Rissauslösung am Übergang zwischen plastischer und elastischer Verformung des Kerbenabschnitts.

Da die Spannung zum Zeitpunkt des Bruchs der gekerbten Probe die Fließspannung nicht übersteigt, wird die Probe in der 45°-Scherrichtung nicht großflächig verformt.

Wenn die Spannung an der Wurzel der Kerbe die Fließspannung der Probe übersteigt, kommt es aufgrund von Spannungskonzentration zu einer geringen plastischen Verformung.

Aufgrund der Bindungswirkung der Kerbe und der Bewegungseigenschaften des Gleitsystems aus Aluminiumlegierung kann sich die Probe jedoch in radialer Richtung nicht nennenswert plastisch verformen, und die plastische Verformungszone kann sich nicht bis zur Mitte der Probe erstrecken. Infolgedessen wird die maximale Kraft an der Schnittstelle zwischen der plastischen Verformungszone und der elastischen Verformungszone aufgebracht.

Wenn die maximale Kraft die Bruchfestigkeit des Materials übersteigt, kommt es bei der maximalen Kraft zu einem Normalspannungsbruch, der sich dann auf den gesamten Kerbschnitt ausdehnt. Die Bruchfläche weist eine Grübchenform mit normalen Zugbrucheigenschaften auf.

Die Bruchfläche der glatten Probe aus 500-7 duktilem Gusseisen hingegen erscheint flach, senkrecht zur Spannungsrichtung und mit deutlichen Sprödigkeitseigenschaften. Die glatte Probe erfährt während des Zugvorgangs eine gewisse axiale und radiale Verformung, die aus der maximalen Schubspannung resultiert.

Bei gekerbten Proben kommt es zu einer Spannungskonzentration an der Kante, und die Zugspannung erreicht früher die Bruchfestigkeit, so dass die Probe zu reißen beginnt und sich schnell auf den gesamten Abschnitt ausdehnt.

Aufgrund des Bindungszustands der Kerbe und der Sprödigkeitstendenz des Materials ist die Fähigkeit der Probe, die Spannungskonzentration in der Nähe der Kerbe durch plastische Verformung abzubauen, gering. Daher ist die Normalspannung der Probe von der Kerbe bis zur Mitte deutlich unterschiedlich.

Im Allgemeinen führen Unregelmäßigkeiten in der Form zu Spannungskonzentrationen.

Bei spröden Materialien kann die Spannungskonzentration zu einem vorzeitigen Bruch der Probe führen, was eine Abnahme der Festigkeit zur Folge hat.

Mit zunehmender Tiefe der Kerbe nimmt die Spannungskonzentration an der Wurzel zu, was zu einem früheren Bruch der Probe und einer geringeren Zugfestigkeit führt.

Das plastische Material an der Kerbspitze kann jedoch die Spannungskonzentration abbauen, indem es sich bis zu einem gewissen Grad plastisch verformt und die Spannung entlang des Kerbabschnitts umverteilt.

Auf der Grundlage des dritten FestigkeitstheorieDie maximale Schubspannung ist der Hauptfaktor, der zur plastischen Verformung und zum Versagen von Materialien führt, während die Normalspannung weit unter der maximalen Normalspannung liegt, die zum Bruch und Versagen des Materials führen kann.

Bei gekerbten Proben begrenzt der Bindungszustand die Verformung des Materials entlang der Richtung der maximalen Scherspannung, wodurch sich die Bruchart von Schneiden auf Ziehen ändert und sich die Zugfestigkeit anschließend erhöht.

Bei Materialien mit besserer Plastizität kann die plastische Verformung zu einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung über die gesamte Kerbe führen, und der Abschnitt, in dem sich die Kerbe befindet, nähert sich der theoretischen Zugfestigkeit des Materials an, was zu einem deutlicheren Anstieg der Zugfestigkeit führt.

Die Zugfestigkeit der gekerbten Probe aus 10CrNi3MoV-Stahl ist deutlich höher als die der glatten Probe. Wenn jedoch die Plastizität unzureichend ist oder die Kerbbindung erheblich ist und die Dehnung sich nicht bis zur Mitte ausdehnen kann, kann der Kerbabschnitt an der Schnittstelle zwischen elastischer und plastischer Verformung zerstört werden.

Ein Teil der Schnittstellenkräfte verbleibt vor dem Bruch in der elastischen Zone. Infolgedessen ist die Zugfestigkeit der Kerbprobe aus der Aluminiumlegierung 5083 höher als die der glatten Probe, aber der Anstieg ist geringer als bei Stahl 10CrNi3MoV.

Je tiefer die Kerbe ist, desto geringer ist die plastische Verformung, durch die der Probenkern die theoretische Zugfestigkeit erreichen kann. Folglich nimmt die Festigkeit in der Nähe der Kerbe weniger ab, was zu einer Erhöhung der Zugfestigkeit der gekerbten Probe führt.

4. Schlussfolgerung

(1) Die Kerbung führt zu einer Spannungskonzentration der beanspruchten Materialien.

Bei Materialien, die eine gute Plastizität aufweisen, kann die Spannungskonzentration im Kerbschnitt durch plastische Verformung der Kerbspitze abgebaut werden. Dieses Verfahren trägt dazu bei, die Spannung gleichmäßig zu verteilen, ohne die Festigkeit des Materials zu beeinträchtigen.

Bei spröden Materialien hat die Kerbenspitze jedoch nur eine begrenzte plastische Verformungskapazität, so dass es schwierig ist, die Spannungskonzentration wirksam abzubauen. Infolgedessen kann die Spannungskonzentration zu einem lokalen Versagen des Materials führen, das sich dann über den gesamten Abschnitt ausbreiten kann, was letztlich die Gesamtfestigkeit des Materials verringert.

(2) Die Kerbung verändert den Spannungszustand und die Bruchart von plastischen Materialien während der Verformung.

Die Bruchspannung von Kunststoffen ändert sich von Scher- zu Normalspannung, wodurch sich die Bruchart von Scherbruch zu axialem Normalzugversagen ändert. Dies bedeutet, dass Kerben in der Regel die Zugspannung erhöhen Festigkeit von Werkstoffenund je höher die Plastizität ist, desto größer ist der Anteil des normalen Zugversagens und desto deutlicher ist der Anstieg der Zugfestigkeit.

Bei spröden Werkstoffen führt der Effekt der Kerbspannungskonzentration jedoch zu einem erheblichen Gradienten der Normalspannung von der Kerbwurzel zum Zentrum der Probe während des Bruchs. Infolgedessen bildet sich ein Mikroriss zunächst an der Wurzel und breitet sich schnell zur Mitte hin aus, was zu einer Verringerung der Zugfestigkeit führt, ohne dass sich die Bruchart ändert.

Vergessen Sie nicht: Teilen ist wichtig! : )
Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

Nächster Punkt

Beherrschung von CAD/CAM: Die wichtigsten Technologien erklärt

Grundlegende Konzepte des computergestützten Entwurfs und der computergestützten Fertigung Der computergestützte Entwurf und die computergestützte Fertigung (CAD/CAM) sind ein umfassendes und technisch komplexes Fachgebiet der Systemtechnik, das verschiedene Bereiche wie die [...]

Virtuelle Fertigung erklärt: Konzepte und Prinzipien

Konzept der virtuellen Fertigung Die virtuelle Fertigung (VM) ist die grundlegende Umsetzung des tatsächlichen Fertigungsprozesses auf einem Computer. Sie nutzt die Technologien der Computersimulation und der virtuellen Realität, unterstützt durch [...]

Flexible Fertigungssysteme verstehen: Ein Leitfaden

Ein flexibles Fertigungssystem (FFS) beruht in der Regel auf den Prinzipien der Systemtechnik und der Gruppentechnologie. Es verbindet CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen (Bearbeitungszentren), Koordinatenmessmaschinen, Materialtransportsysteme, [...]

Erforschung von 4 hochmodernen Nanofabrikationstechniken

So wie die Fertigungstechnologie heute in verschiedenen Bereichen eine entscheidende Rolle spielt, nimmt die Nanofabrikationstechnologie eine Schlüsselposition in der Nanotechnologie ein. Die Nanofabrikationstechnologie umfasst zahlreiche Methoden, darunter mechanische [...]

Ultrapräzisions-Bearbeitung: Arten und Techniken

Unter Ultrapräzisionsbearbeitung versteht man Präzisionsfertigungsverfahren, die ein extrem hohes Maß an Genauigkeit und Oberflächenqualität erreichen. Die Definition ist relativ und ändert sich mit den technologischen Fortschritten. Derzeit kann diese Technik [...]

Die 7 wichtigsten neuen technischen Werkstoffe: Was Sie wissen müssen

Als fortschrittliche Werkstoffe werden Materialien bezeichnet, die in jüngster Zeit erforscht wurden oder sich in der Entwicklung befinden und über außergewöhnliche Leistungen und besondere Funktionen verfügen. Diese Materialien sind für den Fortschritt in Wissenschaft und Technik von größter Bedeutung, [...]

Methoden der Metallexpansion: Ein umfassender Leitfaden

Die Wulstumformung eignet sich für verschiedene Arten von Rohlingen, z. B. für tiefgezogene Tassen, geschnittene Rohre und gewalzte konische Schweißteile. Klassifizierung nach dem Medium der Wulstumformung Wulstumformverfahren lassen sich in folgende Kategorien einteilen [...]
MaschineMFG
Bringen Sie Ihr Unternehmen auf die nächste Stufe
Abonnieren Sie unseren Newsletter
Die neuesten Nachrichten, Artikel und Ressourcen werden wöchentlich an Ihren Posteingang geschickt.

Kontakt

Sie erhalten unsere Antwort innerhalb von 24 Stunden.