Duktil-Spröd Übergangstemperatur und Kerbschlagbiegeversuche

Das mechanische Verhalten von Werkstoffen ist sowohl für die Sicherheit als auch für wirtschaftliche Aspekte entscheidend. Da die Herstellung von Maschinenbauprodukten durch die Verwendung geeigneter Werkstoffe erfolgt, muss vor der Montage eine mechanische Prüfung der verwendeten Werkstoffe durchgeführt werden.

Bei der Entwicklung eines technischen Produkts spielt die Wahl des verwendeten Materials für die Ingenieure eine wichtige Rolle. Der Bruchfortschritt der Materialien (meist Metalle für allgemeine Zwecke) muss verlangsamt werden, um plötzliches Versagen zu verhindern. An dieser Stelle kann eine Erinnerung an die Brucharten für weitere Untersuchungen zur Duktil-Spröd-Übergangstemperatur von Vorteil sein. Die Brucharten der Metalle lassen sich in duktile und spröde Brüche unterteilen, die sich in der Art der Ausbreitung und der Energiekapazität stark voneinander unterscheiden. Duktiler Bruch verbraucht meist eine hohe Energiemenge während des Bruchverlaufs. Da das Zähigkeitsvermögen der duktilen Werkstoffe höher ist als das der spröden, ist die benötigte Energie für das Versagen der duktilen Werkstoffe in der Regel höher als die notwendige Energie für die spröden Werkstoffe. Daher erfolgt die Versagensausbreitung bei den spröden Werkstoffen schneller als bei den duktilen Werkstoffen. Außerdem ist bei der Verformung der duktilen Werkstoffe ein erheblicher Anteil an plastischer Verformung zu beobachten. Die plastische Verformung der duktilen Metalle ist von entscheidender Bedeutung, weil die Formänderung des Metalls als Warnung für ein mögliches Versagen des Metalls betrachtet werden kann. Im Gegensatz dazu kann die plastische Verformung von spröden Metallen kaum beobachtet werden, da der plötzliche Sprödbruch der Metalle mit einem geringen Energieaufwand beim Versagen verbunden ist. Daher ist für die meisten Anwendungen die duktile Art von Brüchen für die Erkennung und Kontrolle der möglichen Ausfälle erwünscht. Darüber hinaus ist der Temperaturpunkt, an dem sich das Verhalten des Materials von duktil zu spröde oder umgekehrt ändert, für die Konstruktion der Produkte entscheidend. Darüber hinaus ist die Temperatur, bei der sich das Verhalten des Materials von duktil zu spröde oder umgekehrt ändert, für die Konstruktion der Produkte entscheidend. Die Temperatur, bei der das Material den Wechsel von entweder duktil zu spröde oder spröde zu duktil erfährt, wird als Duktil-Spröd-Übergangstemperatur (DBTT) bezeichnet. Die Information über die Duktil-Spröd-Übergangstemperatur eines bestimmten Metalls (Materials) kann mögliche Katastrophen verhindern. Ein handfestes Beispiel für die Bedeutung der Duktil-Spröd-Übergangstemperatur ist das Versagen des Liberty-Schiffes während des Zweiten Weltkrieges. Die Übergangstemperatur des Metalls vom Schiff wurde bei der Fertigung falsch berechnet. Als das Schiff im kalten Seewasser fuhr, veränderte sich der Metallkörper des Schiffes plötzlich von duktil zu spröde. Die Defekte in der Nähe der Schweißnähte des Schiffes wirkten als Spannungskonzentrationspunkte. Da die Duktil-Spröd-Übergangstemperatur der Stahlgüte falsch berechnet wurde, kam es zu einer plötzlichen Umwandlung von duktil zu spröde, und der Stahl wurde spröde. Außerdem erhöhte sich die Rissausbreitungsrate aufgrund der spröden Umwandlung des Stahlkörpers des Schiffes übermäßig. Schließlich kam es zu einem plötzlichen Bruch des Schiffes. Die untenstehende Abbildung zeigt die Liberty-Schiffskatastrophe.

Abbildung 1. Plötzlicher Bruch des Liberty-Schiffes aufgrund des duktil-spröden Übergangs. Entnommen aus: Sylvie Pommier. Basiselemente zur linear elastischen Bruchmechanik und Risswachstumsmodellierung. Doktorarbeit. Frankreich. 2017. ffcel-0163673
Abbildung 1. Plötzlicher Bruch des Liberty-Schiffes aufgrund des duktil-spröden Übergangs. Entnommen aus: Sylvie Pommier. Basiselemente zur linear elastischen Bruchmechanik und Risswachstumsmodellierung. Doktorarbeit. Frankreich. 2017. ffcel-0163673

Für die meisten technischen Anwendungen muss man eine niedrige Duktil-Spröd-Übergangstemperatur bevorzugen, um einen breiteren Duktilitätsbereich zu gewährleisten. Die Ausnutzung des breiteren Duktilitätsbereichs ist erwünscht, um plötzliche Risse und Ausfälle im Metallkörper zu verhindern. Darüber hinaus ist auch die Kristallstruktur des gewählten Materials (Metall) entscheidend für die Art des Duktil-Spröd-Übergangs. Der Duktil-Spröd-Übergang von FCC-Metallen ist im Vergleich zu der scharfen Übergangskurve der BCC-Metalle weich. Der Grund für dieses Phänomen kann durch die Betrachtung der Peierls-Spannungs-Temperatur-Beziehung für FCC- und BCC-Materialien erklärt werden. Eine kurze Erinnerung an die Peierls-Spannung muss gegeben werden, bevor man die Temperaturabhängigkeit der Peierls-Spannung versteht. Hohe Peierls-Spannungen in bestimmten Materialien führen zu einer schwierigen plastischen Verformung. Wenn die Temperatur der Umgebung sinkt, steigen die Peierls-Spannungen sowohl für FCC- als auch für BCC-Materialien an. Allerdings ist der Anstieg der Peierls-Spannung für BCC-Werkstoffe im Vergleich zum Anstieg der Peierls-Spannung für FCC-Werkstoffe immens größer. Daher führt eine größere Peierls-Spannung zu einem Sprödbruch der Materialien. Der scharfe Übergang des Duktil-Spröd-Übergangs bei BCC-Werkstoffen kann durch die Berücksichtigung der Peierls-Spannungs-Temperatur-Beziehung erklärt werden. Die Änderung des Duktil-Spröd-Übergangs für BCC- und FCC-Werkstoffe ist in der folgenden Abbildung zu sehen.

Abbildung 2. Die duktil-spröde Übergangstemperatur für FCC- und BCC-Kristallstrukturen.
Abbildung 2. Die duktil-spröde Übergangstemperatur für FCC- und BCC-Kristallstrukturen. Entnommen aus: Woo, Seongwoo. (2017). Reliability Design of Mechanical System for mechanical civil Engineer.

Die gewünschten Eigenschaften der verwendeten Metalle in bestimmten Anwendungen müssen während des Fertigungsschritts optimiert werden. Als eine der wesentlichen Eigenschaften der Metalle kann die Zähigkeit genannt werden. Neben der Zähigkeit muss eine niedrigere Duktil-Spröde-Übergangstemperatur gewährleistet sein, um den Duktilitätsbereich des Metalls zu erweitern. Die gewünschten Eigenschaften der verwendeten Metalle in bestimmten Anwendungen müssen während des Fertigungsschritts optimiert werden. Als eine der wesentlichen Eigenschaften der Metalle kann die Zähigkeit genannt werden. Neben der Zähigkeit muss eine niedrigere Duktil-Spröde-Übergangstemperatur gewährleistet sein, um den Duktilitätsbereich des Metalls zu erweitern. Bei Stählen kann die Reduzierung der Kohlenstoffmenge und die Verfeinerung der Korngröße zur Senkung der Duktil-Spröd-Übergangstemperatur führen. Außerdem kann das homogene Gefüge des Stahls die Übergangstemperatur senken. Die Reduzierung der Kohlenstoffmenge und die Verfeinerung des Korns erhöhen auch die Zähigkeit der Stahlgüte. Darüber hinaus müssen Einschlüsse in der Matrix des Stahls verringert werden, um die Zähigkeitseigenschaft zu verbessern.

Wie kann man die Übergangstemperatur bestimmen?

Um die Duktil-Spröd-Übergangstemperatur spezifischer Metalle zu bestimmen, werden Schlagprüfungen durchgeführt. Für die Ermittlung der Übergangstemperatur und der Kerbschlagzähigkeit werden üblicherweise zwei Tests verwendet, nämlich das Charpy- und das Izod-Methode. Bei der Charpy-Kerbschlagprüfung wird eine Probe senkrecht an der Basis der Prüfvorrichtung platziert. Eine V-förmige Kerbe wird in die Probe eingearbeitet, um die Spannungskonzentration zum Bruch des Materials zu erzeugen. Die grundlegende Theorie sowohl des Charpy- als auch des Izod-Tests basiert auf der Änderung der potentiellen Energie. In der Anfangsphase des Charpy-Tests wird ein frei fallendes Pendel mit einer bestimmten Masse (m) in einer bestimmten Höhe (h) angebracht. Wenn das Pendel die Probe durchschlägt, wird ein Teil der potentiellen Energie von der Probe für den Bruch absorbiert. Es ist offensichtlich, dass die Höhe des Pendels nach dem Aufprall geringer sein wird als seine Anfangslage. Die Änderung der potentiellen Energie nach dem Schlag des Pendels kann durch die Betrachtung der Anfangs- und endgültige Höhe des Pendels bestimmt werden. Daher wird die Differenz der potentiellen Energie als die Fähigkeit zur Aufnahme der Aufprallenergie oder die Zähigkeit des Probekörpers angenommen. Die Ermittlung der Übergangstemperatur von duktil zu spröde erfolgt durch die Durchführung eines Kerbschlagbiegeversuchs bei unterschiedlichen Temperaturen. Der Bruch des Materials wird bei verschiedenen Temperaturen beobachtet und es wird entschieden, ob es duktil oder spröde ist. Der Wechsel des Bruchverhaltens von spröde zu duktil wird untersucht, wenn die absorbierte Energie drastisch abnimmt. Der resultierende Änderungsbereich der Temperatur wird als die Übergangstemperatur von duktil zu spröde betrachtet. Die zweite gängige Prüfmethode ist der Izod-Test. Der wichtigste Unterschied zwischen dem Izod-Test und dem Charpy-Test ist die Platzierung der Probe am Boden der Prüfvorrichtung. Im Gegensatz zum Charpy-Test wird der Probekörper beim Izod-Test senkrecht nach unten platziert. Die Izod-Prüfmethode wird meist zur Prüfung der Kerbschlagarbeit von Polymerwerkstoffen verwendet. Die untenstehende Abbildung zeigt das Schlagprüfgerät und den Probekörper.

Abbildung 3. a) Eine klassische v-gekerbte Probe für den Kerbschlagbiegeversuch, b) Das Prüfgerät. Entnommen aus: Callister
Abbildung 3. a) Eine klassische v-gekerbte Probe für den Kerbschlagbiegeversuch, b) Das Prüfgerät. Entnommen aus: Callister, W. (2013). Materials Science and Engineering (9th ed., S. 267). New York: Wiley-Blackwell.

Weiterlesen: Spröd- und Duktilbruch

Referenzliste

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  3. Chao, Y. J., Ward, J. D., & Sands, R. G. (2007). Charpy impact energy, fracture toughness and ductile–brittle transition temperature of dual-phase 590 Steel. Materials & Design, 28(2), 551–557. doi:10.1016/j.matdes.2005.08.009 
  4. Tanguy, B., Besson, J., Piques, R., & Pineau, A. (2005). Ductile to brittle transition of an A508 steel characterized by Charpy impact test. Engineering Fracture Mechanics, 72(1), 49–72. doi:10.1016/j.engfracmech.2004.03.010
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