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Abscheren kleiner Stahlproben - Werkstoffverhalten und Kraft-Weg-Verlauf

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Hier der Versuchsstand: Rechts unten die Schervorrichtung, darüber das Mikroskop, links der Schreiber. Er zeichnet die Kräfte und Wege auf, die während des Schervorgangs gemessen werden. Beobachten wir einen solchen Schervorgang.
In der Mitte die Probe aus Stahl C 15 in normalgeglühtem Zustand. Der Querschnitt beträgt 3 x 3 mm, die Spandicke 1 mm.
Derselbe Vorgang, diesmal durch das Mikroskop betrachtet. Unter erheblicher Verformung des Werkstoffes drückt der Gegenhalter, rechts, die Probe gegen das Schermesser bis zum Abriß. Das Prinzip des Vorgangs soll noch einmal schematisch dargestellt
werden: Der Gegenhalter drückt - von rechts kommend - die Probe gegen das feststehende Schermesser. Der Span wird abgeschert, während die Probe nach links weitergleitet. Diese Bewegung wird als Scherweg von einem induktiven Wegaufnehmer gemessen. Die vom Schermesser ausgeübte Scherkraft wird von Dehnungsmeßstreifen angegeben. Die Meßstreifen sind auf einem der kraftübertragenden Maschinenteile angebracht. Wird die Scherkraft als Funktion des Scherweges in ein Koordinatensystem eingezeichnet, so entsteht eine charakteristische zwei Merkmale: eine Stufe und ein Maximum. Kurve, die das Werkstoffverhalten wiedergibt. Auffällig sind Um Werkstoffverhalten und Kraft-Weg-Verlauf gleichzeitig zu dokumentieren, ist das Diagramm dem mikroskopischen
Bild überlagert. Die Probe wird gegen das Messer gedrückt, die Kraft steigt an - vorerst linear. Das Abscheren beginnt. Während sich das Material zunehmend verformt, steigt die Kraft weiter an, aber nicht mehr linear. Jetzt entsteht ein Riß, der schnell nach rechts läuft. Der Span
reißt ab. Wir können also zwei Phasen unterscheiden: Verformung
und Rißbildung. Zunächst die Verformung. Vor dem eindringenden Messer verformt und verfestigt sich der Werkstoff - dabei linearer Kraftanstieg. Jetzt erfaßt die Verformung den gesamten Querschnitt. Ein Teil der Verformung ging vom Gegenhalter aus. Mit dieser vollplastischen Verformung ist die Stufe in der Kurve zu erklären. Ihre Ausbildung erinnert an die Streckgrenze im Zugversuch. Der Übergang zur vollplastischen Verformung deshalb
nun noch einmal in stärkerer Vergrößerung. Während der Probenbewegung laufen die Verformungsfronten von Messer und Gegenhalter aufeinander zu und begegnen sich jetzt. Wiederholen wir diese Szene noch einmal. Für den Versuch
wurde die Oberfläche poliert. Die Verformung rauht die Oberfläche auf, so daß die Verformungsfronten gut zu erkennen sind. In ähnlicher Weise beobachtet man die Lüdersbänder beim Zugversuch. Die bisher nur an der Oberfläche beobachteten Werkstoffreaktionen lassen sich gut durch
Härtemessungen verfolgen. Für eine Härtemessung wird der Scherversuch irgendwann unterbrochen, die Probe bis zur Mitte abgeschliffen und in der Scherebene auf ihre Härte geprüft. Hier das Ergebnis einer Härtemessung an einer unbeanspruchten Probe. Die Härteverteilung ist gleichmäßig. Jetzt eine Härtemessung an einer Probe, in die das Messer bereits ein Stück eingedrungen war. Es ergibt sich eine Härteverteilung, bei der die Härte links entsprechend angestiegen ist. Wählen wir in unserem Kraft-Weg-Diagramm einen Punkt am Ende des linearen Anstiegs, so erhalten wir für diesen Probenzustand diese Härteverteilung. Bei weiter angestiegener Härte im Bereich des Messers ist auch erstmals im Bereich des Gegenhalters eine höhere Härte zu erkennen. Diesen Sachverhalt finden wir in dem Kraft-Weg-Diagramm in der nun beginnenden leichten Rechtskrümmung der Kurve wieder. Wählen wir in diesem Bereich - aber noch vor der Stufe - einen Punkt, so erhalten wir die folgende Härteverteilung. Wählen wir dagegen einen Punkt nach der Stufe, so kann man an der neuen Härteverteilung erkennen, daß nunmehr der gesamte Querschnitt plastisch verformt ist. Eine Verformung findet aber nicht nur
in der Scherebene, sondern auch in der Längsrichtung der Probe statt. Eine bereits abgescherte Probe, wie diese hier, zeigt eine deutliche Krümmung als Folge der vorangegangenen Druck- und Biegekräfte. Schert man nun eine solche Probe erneut, so bleibt die gewohnte Stufe in der Kraft-Weg-Kurve aus. Eine Erklärung hierfür liefern Härtemessungen in Längsrichtung der Probe.
Gemessen wurde wieder über den Querschnitt, aber auch über die Längsrichtung der Probe. Die erhaltenen Werte sind zu Höhenlinien miteinander verbunden, so daß die Härteverteilung im Inneren der Probe hier als Gebirge erscheint. Wie erwartet, ist die Härte unmittelbar neben der Scherebene am größten und fällt in Probenlängsrichtung ab. Legen wir nun einen Folgeschnitt durch diesen Bereich, so trifft er auf einen bereits verformten und verfestigten Zustand. Für ein streckgrenzenähnliches Verhalten des Werkstoffes stehen daher nicht mehr genügend frei bewegliche Versetzungen zur Verfügung, so daß eine Stufenbildung in der Kraft-Weg-Kurve unterbleibt. Unabhängig davon, ob ein Folgeschnitt oder, wie hier, ein erster Schnitt
durchgeführt wird - in jedem Fall nehmen mit fortschreitendem Schermesser die Verformungen und Verfestigungen des Werkstoffes, insbesondere an der Messerschneide, zu. Hier ist sein Verformungsvermögen auch zuerst erschöpft. Es bildet sich ein Riß, der dem Messer vorausläuft. Der Span weicht der zusätzlichen Biegebeanspruchung aus und reißt schließlich ab. Die Wiederholung verdeutlicht den Ablauf:
Zunächst dringt das Messer etwa 0,5 mm tief ein, bis kurz vor dem Kraftmaximum der Anriß entsteht. Der gesamte Querschnitt verformt sich, auch auf der rechten Seite - hier verursacht vom Gegenhalter. Der voreilende Riß trifft also auf zunehmend verfestigten Werkstoff, was ihn beschleunigt. Der Blick auf die so entstandene Scherfläche zeigt in der Vergrößerung eine typische Struktur. Der größere, rechte Teil ist rauh. Dies ist die Riß- oder Bruchfläche. Links dagegen ist die schmale, glatte Anschnittfläche zu sehen. Diese Anschnittfläche läßt bei höherer Vergrößerung die schneidende und schabende Wirkung des Schermessers an den parallel verlaufenden Riefen erkennen. Bei den helleren Bereichen sind Werkstoffteilchen herausgerissen worden. Der Riß hat eine stark zerklüftete Oberfläche hinterlassen, die aus zahlreichen unterschiedlich großen und unregelmäßig gestalteten Vertiefungen und Graten besteht. Sie sind in Scherrichtung von links nach rechts verzogen und ergeben so die charakteristische Struktur eines Scherbruchs. Die einzelnen Vorgänge des hier gezeigten Scherversuchs lassen sich anhand des
Kraft-Weg-Verlaufs zusammenfassen: Nach geringer elastischer Verformung dringt das Schermesser zunächst mit seiner Schneide, dann über eine größere Fläche in die Randschicht der Probe ein und staucht den Span in dem anliegenden Querschnitt. Der Gegenhalter hat einen viel größeren Abrundungsradius als das Schermesser und dringt deshalb erst bei höherer Scherkraft in den Werkstoff ein. Das Zusammentreffen der Verformungszonen erzeugt eine Stufe im Kurvenverlauf, wenn der Stahl noch im unverformten Zustand vorliegt. Das Abscheren des Gesamtquerschnittes erfordert wegen der Verfestigung steigende Scherkräfte; der allmählich flacher werdende Kurvenverlauf ergibt sich aus der gleichzeitigen Abnahme des Querschnittes. Mit dem Entstehen und Wachsen des Risses überwiegt dieser Einfluß schließlich, so daß die Scherkraft nach ihrem Höchstwert wieder abfällt. Der Riß läuft der Messerbewegung zunehmend voraus. Der bis zum Abriß des Spanes zurückgelegte Scherweg ist daher wesentlich kleiner als die Probenhöhe von 3 mm. Man kann den Scherversuch demnach grob in zwei Phasen unterteilen: Links entsteht die Anschnittfläche, rechts etwa gleich lang die Bruchfläche. Entsprechend läßt sich die Arbeit, die zum Abscheren erforderlich gewesen ist, in Einzelbeträge unterscheiden: Die Umformarbeit, die die Fließvorgänge in der ersten Versuchsphase bewirkt hat, nimmt fast die Hälfte der Fläche unter der Kurve ein. Die andere Hälfte enthält noch Arbeit für die plastische Verformung des Spanes und des Restquerschnitts sowie die Brucharbeit.
Beobachter <Kybernetik>
Stoffeigenschaft
Kraftpapier
Computeranimation
Stahl
Abbruch
Experiment innen
Deformation
Werkstoff
Span
Messer
Material
Maschinenelement
Stufe
Stoffeigenschaft
Computeranimation
Zugversuch
Rissbildung
Streckgrenze
Messer
Deformation
Stufe
Werkstoff
Zugversuch
Messer
Deformation
Härte
Messer
Stuck
Deformation
Stufe
Computeranimation
Span
Versetzung <Kristallographie>
Messer
Härte
Deformation
Biegung
Werkstoff
Nachlauf <Verfahrenstechnik>
Computeranimation
Verfestigung
Werkstoffkunde
Riss
Stahl
Abbruch
Messer
Werkstoff
Computeranimation
Span
Holster
Bruchfläche
Fass
Grat <Fertigung>
Stufe
Elastische Deformation
Randschicht
Plastische Deformation
Bruchfläche
Scherbruch
Verfestigung

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Abscheren kleiner Stahlproben - Werkstoffverhalten und Kraft-Weg-Verlauf
Alternativer Titel Shearing of Steel - Material Behaviour and Dynamic
Autor Hußmann, Winfried
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung - keine Bearbeitung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt in unveränderter Form zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.3203/IWF/C-1679
IWF-Signatur C 1679
Herausgeber IWF (Göttingen)
Erscheinungsjahr 1988
Sprache Deutsch
Produzent IWF
Produktionsjahr 1987

Technische Metadaten

IWF-Filmdaten Film, 16 mm, LT, 122 m ; F, 11 1/2 min

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Technik
Abstract Verformungs-, Schneid- und Abrißvorgänge beim Abscheren von Stahl C 15 (Mikroaufnahmen). Gleichzeitige Dokumentation der Kraft-Weg-Kurve erlaubt direkte Zuordnung von Werkstoffverhalten und Meßergebnis. Erläuterung der Schervorgänge durch Trickdarstellungen.
Shearing, cutting and tearing in C15 steel. Photomicrography allows examination plus simultaneous documentation of material behaviour and dynamics, allowing direct comparison of material and results.
Schlagwörter Abrißvorgänge / Stahl
Schneidvorgänge / Stahl
Verformungsvorgänge / Stahl
Werkstoffverhalten / Stahl
Abscheren / Stahl
Stahl / Abscheren
Steel / shearing
steel
Material behaviour / steel
Deformation / steel
Cutting / Steel
Tearing / Steel

Zugehöriges Material

Video ist Begleitmaterial zur folgenden Ressource

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