DE10000686B4

DE10000686B4 - Verfahren zur Beurteilung der Duktilitätsreserve von Werkstoffen

Info

Publication number: DE10000686B4
Application number: DE10000686A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. Häußler; Helga Dr.-Ing. Worch; Gustav Prof. Dr.-Ing.habil. Zouhar
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-05-03
Filing date: 2000-01-10
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2020-01-11
Also published as: DE10000686A1

Abstract

Verfahren zur Beurteilung der Duktilitätsreserve von Werkstoffen, wobei mittels eines Prüfverfahrens die Fließkurven-Parameter eines Werkstoffes bestimmt werden, indem wenigstens zwei aus dem Werkstoff bestehende Kalibrierungsproben mit unterschiedlichen Duktilitätsreserven dem Prüfverfahren unterzogen werden und die Fließkurven-Parameter bestimmt werden, wobei von den genannten Kalibrierungsproben die jeweiligen Neutronen-Kleinwinkel-Streukurven oder SANS-Kurven erfasst werden und hieraus Werte einer Prüfgröße bestimmt werden, für die ein Ranking oder eine Zuordnung der unterschiedlichen Duktilitätsreserven erfolgt, wobei ferner für eine zu prüfende Probe des gleichen Werkstoffes oder eines mit diesem hinsichtlich der Fließkurven-Parameter zumindest näherungsweise vergleichbaren Werkstoffs gleichfalls die Neutronen-Kleinwinkel-Streukurve oder SANS-Kurve und ferner ein Wert für die Prüfgröße bestimmt werden und wobei schließlich aus der ermittelten Abhängigkeit der Prüfgröße und den Duktilitätsreserven der Kalibrierungsproben die Duktilitätsreserve der zu prüfenden Probe bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fließkurven-Parameter der Kalibrierungsproben im Zugversuch bestimmt und die Bruchdehnungswerte als Maß für die Duktilität des Werkstoffes ermittelt werden,
dass das...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beurteilung der Duktilitätsreserve von Werkstoffen gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Aus der DE 42 03 035 A1 ist ein derartiges Verfahren bekannt, gemäß welchem mit den Kalibrierungsproben Zeitstandversuche durchgeführt werden, wobei unter konstant angelegter Zugspannung eine Belastung erfolgt und die Dehnung in Abhängigkeit der Zeit gemessen wird. Als Ergebnis wird somit die Kriechkurve der Kalibrierungsproben bestimmt, und als Werkstoffkennwert wird die Kriechdehnung bestimmt. Des Weiteren werden als Prüfgrößen sowohl für die Kalibrierungsproben als auch für die zu prüfende Probe jeweils der Quotient der Streuintensitäten aus den SANS-Messungen herangezogen. Es sind keine Hinweise zu entnehmen, dass mit den Kalibrierungsproben anstelle der Zeitstandversuche Zugversuche durchgeführt werden und ferner anstelle der Kriechkurven als Ergebnis die Spannung-Dehnung-Diagramme ermittelt werden. Als Prüfgröße ist die Bildung des Quotienten der Streuintensitäten vorgesehen.

Die Duktilitätsreserve von Werkstoffen ist eine wesentliche Kenngröße zur Charakterisierung der mechanischen Belastbarkeit und/oder Restlebensdauer. Falls die Bestimmung über standardisierte Zugversuche erfolgt sind bisher regelmäßig Proben aus den Bauteilen zur Bauteilprüfung erforderlich. Die Ermittlung der Duktilitätsreserve von im Gebrauch befindlichen, insbesondere thermisch und/oder mechanisch belasteten Bauteilen, insbesondere aus Aluminiumlegierungen, wie sie beispielsweise im Flugzeugbau oder Automobilbau im Einsatz sind, erfolgte bisher mittels standardisierten Proben für die Werkstoffprüfung. In der Praxis sind jedoch oftmals Stellen an Konstruktionen, vor allem im Hinblick auf die erforderlichen Abmessungen der standardisierten Proben, nicht zugänglich und somit nicht bewertbar.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Beurteilung der Duktilitätsreserve von Werkstoffen, insbesondere von Aluminiumlegierungen, vorzuschlagen. Das Verfahren soll eine vereinfachte Beurteilung der Duktilitätsreserve von belasteten Werkstoffen ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die zerstörungsfreie Bewertung der Duktilitätsreserve der zu beurteilenden Probe des Werkstoffes, wobei für diese Probe kein an sich bekanntes Prüfverfahren, insbesondere kein Zugversuch erforderlich ist. So kann in besonders vorteilhafter Weise die Duktilitätsreserve auch an solchen Stellen einer Konstruktion bestimmt werden, an welchen eine Entnahme von Zugproben praktisch nicht möglich ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Kombination einer geeignet definierten Prüfgröße Ψ mit dem mechanischen Verhalten der geprüften Komponente. Die Prüfgröße Ψ wird in definierter Weise aus der an dem Prüfobjekt gemessenen Neutronenkleinwinkelstreu-Kurve ermittelt, welche auch als SANS-Kurve bezeichnet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in Verbindung mit einer Kalibrierungsprozedur, bei welcher wenigstens zwei Proben mit unterschiedlichen Duktilitätsreserven des gegebenen Werkstoffes erfaßt werden, eine Bewertung der zu prüfenden Komponente bzw. Probe. Die Kalibrierungsproben und/oder die zu prüfende Probe sind hinsichtlich ihrer Fließkurvenparameter und/oder ihrer Bruchdehnungswerte erfindungsgemäß zumindest näherungsweise gleich und werden nachfolgend auch bei vorgegebenen bzw. bekannten Abweichungen der genannten Werte der Einfachheit halber als Proben des gegebenen Werkstoffes bezeichnet. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Duktilitätsreserve an Stellen einer Konstruktion bestimmt werden kann, die eine Entnahme von Zugproben nicht erlauben. Folgende Verfahrensschritte werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt:

1. Von dem Werkstoff, insbesondere eines Legierungssystems auf Aluminium-Basis, werden zur Kalibrierung wenigstens zwei Zugproben mit unterschiedlichen Duktilitätsreserven im Zugversuch geprüft und die Bruchdehnungswerte bestimmt.
2. Von den unter 1. genannten Kalibrierungsproben werden die jeweiligen SANS-Kurven gemessen und daraus die Prüfgrößen Ψ errechnet.
3. Aus 1. und 2. ergibt sich ein Ranking oder eine Zuordnung unterschiedlicher Duktilitätsreserven in Abhängigkeit von der Prüfgröße Ψ.
4. An Proben des gleichen Werkstoffes und/oder Legierungssystems unbekannter Duktilitätsreserve erfolgt zerstörungsfrei (ohne Zugversuch) mittels SANS die Bestimmung der Prüfgröße Ψ, die vermittels des kalibrierten Zusammenhanges A = f(Ψ) die Bruchdehnung A ergibt.

Die Bestimmung der Prüfgröße Ψ erfolgt für die wenigstens zwei Proben, welche als Kalibrierungsproben bezeichnet werden, mit bekannten, jedoch unterschiedlichen Duktilitätsreserven in gleicher Weise wie die Bestimmung der Prüfgröße Ψ der zu prüfenden Probe von zunächst unbekannter Duktilitätsreserve. Zur Bestimmung der Strukturdaten der Streuobjekte wird mittels des SANS-Verfahrens der makroskopische differentielle Streuquerschnitt dΣ/dΩ (Q) ermittelt. Liegen in einer als homogen angenommenen Matrix Kugeln mit dem Radius R vor, so gilt:

Die Größe Q bezeichnet den Streuvektorbetrag. Er ist definiert durch Q = 4/λ·sin (β/2) mit λ als die Wellenlänge der streuenden thermischen Neutronen und β als der Streuwinkel. Das durchstrahlte Probenvolumen V_g enthält k kugelförmige Streuobjekte mit dem Kontrast u bezüglich thermischer Neutronen.

V_p stellt das Volumen des streuenden Partikels dar und |f(Q,R)|² die Streufunktion, deren Verlauf durch die Geometrie des Teilchens bestimmt wird. Bei Einführung einer Volumenkonzentration f

erhält man aus (1)

Für Q = 0 erhält man aus (3)

Mit der Einführung eines effektiven Hindernisabstands d_eff und der Aufstellung der Proportionalitäten deff ~ R/f ~ Rg/f, (5)wobei für den Gyrationsradius R_g der Kugel R_g ~ R gilt, läßt sich (4) wie folgt darstellen:

Nunmehr gilt für den effektiven Hindernisabstand

Ausführungsbeispiele

Das erfindungsgemäße Verfahren soll an zwei Ausführungsbeispielen erläutert werden, die sich auf kommerziell verfügbare Aluminiumlegierungen beziehen.

Ausführungsbeispiel 1
Das Beispiel bezieht sich auf kommerzielle Al-Mg-Si-Legierungen. An Proben aus Blechen der Legierung 6013 in den genormten Wärmebehandlungszuständen T4 und T6 erfolgten Zugversuche längs und quer zur Walzrichtung. Die ermittelten Bruchdehnungswerte A sind in der Tabelle 1a und in 1 den aus SANS-Experimenten bestimmten Prüfgrößen Ψ gegenüber gestellt. In Abhängigkeit von der Prüfgröße Ψ ergibt sich ein Ranking in der Duktilitätsreserve. Erfindungsgemäß erfolgten an der Al-Mg-Si-Legierung 6061 im Wärmebehandlungszustand T6 SANS-Messungen, welche die Prüfgröße Ψ = 18573 ergaben (Tab. 1b). Mit Hilfe dieses Meßwertes kann aus dem Diagramm der Kalibrierungsproben entnommen werden, daß die Bruchdehnung A der untersuchten Legierung geringer ist als die der Legierung 6013T4, aber größer ist als die Bruchdehnung von 6013T6.
Eine Überprüfung durch Zugversuche quer und längs zur Walzrichtung an Blechproben der Legierung 6061T6 ergab eine mittlere Bruchdehnung von A = 13,3%, in Übereinstimmung mit der Beurteilung gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens. Durch Verwendung einer größeren Anzahl von Kalibrierproben kann die Treffsicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht werden.
Die chemische Zusammensetzung der verwendeten Legierung 6013 lautet (alle Angaben in Masse-%): 0,65% Si; 0,09% Fe; 0,80% Cu; 0,39% Mn; 1,04% Mg; 0,07% Cr; 0,05% Zn; 0,016% Ti; Rest Al. Die chemische Zusammensetzung der Legierung 6061 beträgt (sämtliche Angaben in Masse %): 0,60% Si; 0,42% Fe; 0,45% Cu; 0,06% Mn; 0,75% Mg; 0,21% Cr; 0,06% Zn; 0,02% Ti; Rest Al.
a) Kalibrierung (Tab. 1a)
b) Test des Ranking (Tab. 1b)
1 zeigt eine Gegenüberstellung der Bruchdehnungswerte A und der Prüfgrößen Ψ kommerzieller Al-Mg-Si-Legierungen gemäß dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel 1.
Ausführungsbeispiel 2
Das Beispiel bezieht sich auf kommerzielle Al-Cu-Mg-Legierungen. Aus Blechen der Legierung 2024 in den genormten Wärmebehandlungszuständen T3 und T81 wurden Zugproben quer und längs zur Walzrichtung entnommen und geprüft. Die sich ergebenden Bruchdehnungswerte A sind in der Tabelle 2a und in 2 den aus SANS-Experimenten ermittelten Prüfgrößen Ψ gegenüber gestellt. In Abhängigkeit von der Prüfgröße Ψ ergibt sich ein Ranking in den Bruchdehnungswerten A. Erfindungsgemäß erfolgten an der Aluminiumlegierung 2524 im Wärmebehandlungszustand T3 SANS-Messungen, welche die Prüfgröße Ψ = 23040 ergaben (Tab. 2b). Dieser Meßwert läßt an Hand des Diagramms der Kalibrierproben A = f(Ψ) den Schluß zu, daß diese Legierung eine deutlich höhere Duktilitätsreserve als die Legierung 2024 T81 mit Ψ = 791 aufweisen sollte, vergleichbar bzw. etwas erhöht gegenüber der Bruchdehnung der Legierung 2024 T3. Die experimentelle Überprüfung der Bruchdehnung an der Legierung 2524 T3 ergab einen mittleren Bruchdehnungswert von 20,3%. Dieser Wert überschreitet denjenigen der Legierung 2024 T81 erheblich und liegt im Bereich der Duktilitätsreserve der Legierung 2024 T3. Durch Verwendung einer größeren Anzahl von Kalibrierproben kann die Voraussagegenauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht werden.
Die chemische Zusammensetzung in der verwendeten Legierung 2024 lautet (alle Angaben in Masse-%): 0,06% Si; 0,14% Fe; 4,12% Cu; 0,64% Mn; 1,55% Mg; 0,05% Cr; 0,08% Zn; < 0,05% Ti. Die chemische Zusammensetzung der Legierung 2524 unbekannter Duktilität lautet:
Si nicht bestimmbar; 0,13% Fe; 4,04% Cu; 0,58% Mn; 1,22% Mg; Cr nicht bestimmbar; 0,30% Zn; 0,03% Ti.
b) Test des Ranking (Tab. 2b)
2 zeigt eine Gegenüberstellung der Bruchdehnungswerte A und der Prüfgrößen Ψ kommerzieller Al-Cu-Mg-Legierungen gemäß dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel 2.

Claims

Verfahren zur Beurteilung der Duktilitätsreserve von Werkstoffen, wobei mittels eines Prüfverfahrens die Fließkurven-Parameter eines Werkstoffes bestimmt werden, indem wenigstens zwei aus dem Werkstoff bestehende Kalibrierungsproben mit unterschiedlichen Duktilitätsreserven dem Prüfverfahren unterzogen werden und die Fließkurven-Parameter bestimmt werden, wobei von den genannten Kalibrierungsproben die jeweiligen Neutronen-Kleinwinkel-Streukurven oder SANS-Kurven erfasst werden und hieraus Werte einer Prüfgröße bestimmt werden, für die ein Ranking oder eine Zuordnung der unterschiedlichen Duktilitätsreserven erfolgt, wobei ferner für eine zu prüfende Probe des gleichen Werkstoffes oder eines mit diesem hinsichtlich der Fließkurven-Parameter zumindest näherungsweise vergleichbaren Werkstoffs gleichfalls die Neutronen-Kleinwinkel-Streukurve oder SANS-Kurve und ferner ein Wert für die Prüfgröße bestimmt werden und wobei schließlich aus der ermittelten Abhängigkeit der Prüfgröße und den Duktilitätsreserven der Kalibrierungsproben die Duktilitätsreserve der zu prüfenden Probe bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließkurven-Parameter der Kalibrierungsproben im Zugversuch bestimmt und die Bruchdehnungswerte als Maß für die Duktilität des Werkstoffes ermittelt werden, dass das Ranking oder die Zuordnung der Bruchdehnungswerte und somit die Duktilitätsreserve in Abhängigkeit der Prüfgröße
erfolgt, wobei R_g der Gyrationsradius von im Werkstoff enthaltenen kugelförmigen Streuobjekten und dΣ/dΩ den Streuquerschnitt bedeutet, und dass schließlich für die zu prüfende Probe mittels der Neutronen-Kleinwinkel-Streukurve oder SANS-Kurve über die Prüfgröße
unter Zugrundelegung des für die Kalibrierungsproben ermittelten Zusammenhangs A = f(Ψ) die Bruchdehnung der zu prüfenden Probe bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es für die Beurteilung der Duktilitätsreserve von Aluminiumlegierungen zum Einsatz gelangt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Proben zur Kalibrierung bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierungsproben und die zu prüfende Probe mit unbekannter Duktilitätsreserve dem gleichen Legierungssystem angehören.