DE1521568A1

DE1521568A1 - Mehrschichten-Bauteil

Info

Publication number: DE1521568A1
Application number: DE19661521568
Authority: DE
Inventors: Leichter Herbert Leo
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1965-06-14
Filing date: 1966-06-11
Publication date: 1969-09-11
Also published as: GB1145575A; US3359083A; FR1513255A; BE682505A

Description

78 Freiburg i. Br. I 5 21 5 6 8

United States Atomic Energy Commission, Germantown, Maryland (USA)

Mehrschichten-Bauteil

Die vorliegende Erfindung betrifft einen aus dünnen parallelen Schichten bestehenden Baustoff bzw. Bauteil, insbesondere solche Mehrschichtenteile (Laminates). Hierbei kommt es darauf an, ein Gebilde zu schaffen, das bei einem minimalen Aufwand an Werkstoff, insbesondere bezüglich Querschnitt optimale Beanspruchungswerte ermöglicht, d.h., einen bestmöglichen Wert der Bruch- bzw. Kerbschlagzähigkeit (Fracture Toughness) erreichen läßt.

Hierzu ist folgendes zu bemerken: Die Bruch- bzw. Kerbschlagzähigkeit (Fracture Toughness) eines Materials ist jene Größe, welche auf die Kraft bezogen wird, die notwendig ist, um einen Bruch, Riß-od.dgl. im Material so zu erweitern, daß eine Zerstörung des Werkstoffgefüges zustande kommt. Die Spannungen, die nötig sind, um ein Zerstören des Werkstoffes, welcher Sprünge, Risse, Fehlerstellen oder ähnliche Mängel hat, herbeizuführen, sind normalerweise bedeutend geringer als die diesem Material natürlich zugehörige Bruchfestigkeit oder Streckgrenze.

Die vorliegende Erfindung schlägt einen aus Schichten bestehenden Werkstoff (laminar Structural Material) vor, welcher eine erhöhte Bruchzähigkeit aufweist und welcher dadurch äußerst widerstandsfähig gegen Zerstörung ist, herrührend von Rißbildung od.dgl.,

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bei Beanspruchungen, die noch unterhalb der. natürlichen Bruchoder Streckgrenze des betreffenden Werkstoffes liegen. Der vorliegende, aus verhältnismäßig dünnen Schichten bestehende Werkstoff ist zusammengesetzt aus einer Vielzahl miteinander verbundener lamellen, deren Stärke vorzugsweise so ausgewählt wurde, daß sie nahe jener Dicke liegt, bei welcher die Bruchzähigkeit des Materials ein Maximum hat, wobei die so ausgewählten lamellen dann fest miteinander verbunden sind, um eine zusammengesetzte Struktur zu schaffen, bei welcher die Bruch- oder Spannungsrißbeständigkeit des zusammengesetzten Strukturgefüges einen Optimalwert erlangt.

Mathematisch sei die Bruchzähigkeit (lractire Toughness) eines Werkstoffes durch folgenden Ausdruck charakterisiertϊ

η ^ ' ^α · a¹ cm kp

[j - -C

E cm

Dabei ist B der Elastizitätsmodul des Werkstoffes, U die universelle Kreiskonstante. G- bedeutet die gespeicherte Spannungsenergie, welche freigegeben wird bei einem Riß bzw. einem Sprung der länge a fortschreitend über eine zusätzliche Flächeneinheit des Werkstoffes, wenn er unter dem Einfluß einer Spannung & steht, die senkrecht zur Bruchebene verläuft in dem Bereich Gr, der sich einem Grenzwert G annähert, welcher definiert ist als die Freigabe eines Bnergiebetrages, der infolge der Belastung des Werkstoffes durch rasches Weiterreißen zu einem unmittelbaren Bruch führt. Dieser Wert ist allgemein als Bruchzähigkeit eines Werkstoffes bekannt. Die Bruchzähigkeit scheint eine Grundeigen-

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schaft des Werkstoffes zu sein und ist eine !Punktion einer Anzahl Veränderlicher, insbesondere des Aufbaues und der Zusammensetzung des Werkstoffes, seiner !Temperatur, seiner Belaetungsart bzw* Belastungsgeschwindigkeit und seiner Dimensionen.

Sehr wesentlich für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, daß festgestellt wurde, daß die Bruchzähigkeit gewisser J laminarer Werkstoffe eine Funktion der Dickendimensionen einer homogenen Werkstoff probe ist, in welcher sich ein Riß befinden mag. Ferner wurde gefunden, daß die funktionelle Beziehung zwischen Bruchzähigkeit und Werkstoffstärke über leicht ermittelbare Stärkebereiche ein Maximum aufweist. Für Metalle wurde durch experimentelle Prüfung bestätigt, daß das Maximum gewöhnlich bei einer Stärke von weniger als etwa 5,1 mm (0,2 inches) bis hinab zu ungefähr 0,25 mm (0,01 inches) auftritt. Außerdem ist gefunden worden, daß scheibenförmige oder laminare Werkstoffe, z.B. Scheibe oder Blech aus Metall, mit einer Stärke nahe jener, bei welcher die Bruchzähigkeit ein Maximum hat, sich in innige laminare ι gegenseitige Verbindung bringen lassen, um einen zusammengesetzten, strukturellen Körper mit einer Bruchzähigkeit zu erhalten, welche weit über der erwarteten liegt. Der Grund, weshalb laminare oder scheibenartige Werkstoffe, bezogen auf ihre Dicke, eine maximale Bruchzähigkeit erlangen, ist nicht ganz geklärt. Es ist möglich, daß die Herstellungsmethode von Schicht- bzw. Blechmaterial, z.B. durch Walzen oder durch andere mechanische Bearbeitung mit dazwischen angewendeter Wärmebehandlung,

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welche notwendigerweise mit der Stärke des geformten Bleches wechselt, bei bestimmten Stärken eine metallographische Struktur liefert, die gleichbedeutend ist mit einer gewissen Behandlung, welche eine metallurgische Struktur mit wahlweisen Eigenschaften liefert. Überdies dürften winzige oder beginnende Bruchfehler im besagten Bereich besonders selten auftreten. Was auch immer der Grund sei, laminare bzw. Mehrschichtenwerkstoffe, die eine solche maximale Bruchzähigkeit aufweisen, können erfindungegemäß in Form von zusammengesetzten strukturellen Körpern mit besonderer Zähigkeit hergestellt werden· Es wurde z.B. festgestellt, daß ein Mehrschichtenteil, zusammengesetzt aus einer Titan-Aluminium-Zinn-legierung mit einer Dicke von etwa 10 mm (0,4 inches) und zusammengesetzt aus einzelnen Plättchen mit einer Stärke von etwa 1,58 mm (Qfio2 inches) eine 7,8 mal so große Bruchzähigkeit hat wie ein homogener Körper desselben Werkstoffes mit gleichen Abmessungen. Im vorliegenden- Zusammenhang, wo selbst eine Verdoppelung der Bruchzähigkeit von bedeutsamem Interesse sein dürfte, sind die in der Praxis gewonnenen Ergebnisse bemerkenswert.

Bei den bisher bekannten Werkstoffen, welche eine isotropische

die
Festigkeit aufweisen, wurden in tu laminare Struktur irgendwelche Teile eingelagert, um eine kttJut hohe Festigkeit zu schaffen. Z.B· werden verschiedene Textil- und fasrige Materialien senkrecht zur Faserrichtung verstärkt, indem Schichten hinzugefügt werden, in welchen die Fasern abwechselnd senkrecht oder winklig zueinander angeordnet sind, d.h. im Hinblick auf die Richtung der hauptsächlichen Gewebefestigkeit. Schichtungsverfahren wurden ferner

angewendet auch, um Werkstoffe mit verschiedenen Eigenschaften

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zu vereinigen zum Zwecke, eine Zusammensetzung zu erhalten, welche die kombinierten Eigenschaften der zusammengefügten Materialien hat. Gewöhnlich wird die Biegungseigenschaft (Biegungsmodul) verbessert, aber die Zugfestigkeit ist fast ganz bestimmt durch die Hinzufügung von speziellen Pasern»

Im Gegensatz zu diesem schon bekannten Mehrschichtenmaterial schafft die vorliegende Erfindung einen laminarkörper mit verbesserter Bruchzähigkeit, erreicht durch die besagt bemessene Schichtendicke bzw. Schichtenstärke. Es ist selbstverständlich, daß die Verbesserung der Bruchzähigkeit sowohl für Werkstoffe mit isotropischen als auch mit anisotropischen Eigenschaften zustande gebracht werden kann, gleich ob die Ausrichtung des Materials in aufeinanderfolgenden Schichten gleichlaufend oder verschieden ist. Dementsprechend kann das vorliegende Material aufgefaßt werden als ein von Natur aus kontinuierlicher struktureller Körper, welcher eine Zusammensetzung von Laminar-Schichten darstellt mit derart ausgewählter Stärke, daß sich ein Maximum in der Bruchzähigkeits-Charakteristik ergibt, wobei die Schichten Fläche auf Fläche verbunden oder aneinandergefügt sind, um ein zusammengesetztes Bauteil von außergewöhnlicher Bruchzähigkeit zu schaffen.

Es wurde gezeigt, daß die Bruchzähigkeit eines Werkstoffes eine Größe ist, welche für die Ingenieur-Praxis äußerst wichtig ist. In der Praxis hat sich gezeigt, daß viele strukturellen Werkstoffe oft Risse oder Sprünge haben, weshalb Materialzerstörung einzutreten pflegt, hervorgerufen durch beträchtlich und nicht im voraus

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bestimmbar niedrigere Belastungen als die Bruchfestigkeit eines Werkstoffes, wie sie durch Prüfungen von nahezu vollkommenen Proben festgelegt ist. Um den unvorhersehbarδη schädlichen Einfluß von Rissen und Sprüngen auf die Festigkeitseigenschaften eines Werkstoffes zu berücksichtigen, wird für die Konstruktionsteile gewöhnlich ein verhältnismäßig hoher Sicherheitsfaktor vorgesehen. Außerdem werden Werkstoffe gewöhnlich geprüft und unterk sucht mit Verfahren, welche zeitraubend und kostspielig sind, um Risse und Sprünge zu finden. Danach können zweckmäßige Abhilfsmaßnahmen ergriffen werden, wie Schweißen oder gar Wegwerfen des gesamten Teiles unter beträchtlichem wirtschaftlichem Verluste Um im Interesse erhöhter Sicherheit kleinere Unzulänglichkeiten zu finden, werden offenbar immer aufwendigere und zeitrafcendere Untersuchungsverfahren angewendet. Bs ist deshalb klar, daß der Gebrauch von konventionellen Werkstoffteilen einenSicherheits- oder Gewichtsaufwand in sich schließt, was von wesentlichem Nachteil ist, besonders auf dem Luftfahrtisektor, in der Konstruktion von Unterseebooten oder irgendeiner anderen Anwendung, bei der ein Konstruktionsteil hohen und sich wiederholenden Belastungen oder hohen Schlagimpulsen ausgesetzt ist. Kr solche Anwendungsgebiete ist das Mehrschichtenmaterial entsprechend vorliegender Erfindung zufolge seiner 3ek verbesserten Bruchzähigkeitseigenschaften ideal geeignet.

Dementsprechend sind die hauptsächlichen Gegenstände oder Vorteile der vorliegenden Erfindung wie folgend zusammengefaßt: 1) einen strukturellen Werkstoff mit wesentlich verbesserter Bruchzähigkeit zu schaffen, ohne *e* eine Erhöhung der Dimensionierung

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oder Verschlechterung anderer physikalischer Eigenschaften in Kauf nehmen zu müssen;

2) durch die Schaffung eines strukturellen Materials, welches der Zerstörung durch Rißvergrößerung weniger ausgesetzt ist, die Notwendigkeit für Kraftbeanspruchungs-Untersuchungen von Werkstoffen auf kleine normale Fehler zu vermindern;

3) einen Werkstoff zu schaffen, der besonders dort geeignet ist,

wo stoßweise Schlagbeanspruehungen auftreten; ι

4) eine laminierte Zusammensetzung für Bauteile zu schaffen, welche gekennzeichnet ist durch eine von Natur aus gegebene,hohe Sicherheit gegen Bruch, verueacht durch Materialfehler im Vergleich ssu einfachen und kontinuierlich homogenen Bauteilen von isotropischer Zusammensetzung,

Weitere Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden dem Sachverständigen offebar au· der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren:

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Bruchzähigkeit verschiedener Metalle, aufgetragen über der Stärke des Materials;

Pig. 2(A) ist eine isometrische Zeichnung eines aus Folien bestehenden Probekörpers, welcher quer durch die Oberfläche der obersten Lamelle eingekerbt und schwächend gebrochen ist;

Fig. 2(B) ist eine isometrische Zeichnung eines aus Folien bestehenden Versuchskörpers, welcher senkrecht zur Ebene der Lamellen über die ganze Breite eingekerbt und

schwächend gebrochen ist. 909837/0543

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Ganz allgemein ist die vorliegende Erfindung,wie oben erwähnt ein zusammengesetztes, aus Folien bestehendes Bauteil, hergestellt aus laminarem oder schichtförmigern Werkstoff, welcher gekennzeichnet ist durch die Eigenschaft, daß seine Bruchzähigkeit sich mit der Stärke des Materials ändert und ein Maximum aufweist. Das Mehrschichtenteil ist zusammengesetzt aus einer Vielzahl einzelner plättohenartiger Schichten, deren Stärke so ausgewählt wurde, daß sie bei dem oder nahe bei dem Maximum der Bruchzähigkeit liegt. ψ Die plättchenartigen Schichten werden Fläche auf Fläche liegend zu einem geschlossenen Körper verbunden und haben alle die äußeren Abmessungen eines gewünschten Bauteiles.

AIg praktische Anwendung werden die vorliegenden Mehrschichtenteile zur Herstellung von Trägerbauteilen oder Platten benutzt, deren Gesamtstärke die der optimalen Bruchzähigkeit des Materials um wenigstens einen Faktor von etwa 2 übersteigt.

. Ks ist ,iedoch ?u vermerken, daß die Beständigkeit gegen Zerstörung eines Baustoffen gesteigert wird, wenn immer der gemessene Durchschnittswert der Bruohzähigkeit der einzelnen LameLlen den eines kontinuierlichen homogenen Körpers desselben Materials wie das der besagten Lamelle übersteigt. Infolge der Eigenschaften Ära der zusammengesetzten Lominarstruktur sind die Zähigkeitseigenschaften von solchen strukturellen Körpern, hergestellt in der genannten Art, mit¹großer Sieherneit besser als diejenigen entsprechender konventioneller Strukturen, während noch zusätzliche Vorteile, Z₀B. vermindertes Gewicht, meist erreicht werden können, da eine

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wesentliche niedrigere Sieherheitsgrenze noch zuverlässig eingehalten werden kann.

TJm eine Zusammensetzung zu erreichen, welche durch eine gesteigerte Bruchzähigkeit gekennzeichnet ist, verglichen zu einem kontinuierlichen Körper derselben Abmessung, Z₀B. hergestellt durch Pressen, Gießen, Schmieden, spanabhebende Bearbeitung wie bei einem massiven Werkstück, können die Lamellen von zweckmäßiger Gestalt durch , jegliche sie verbindende Methode zusammengefügt werden, einschließ- ' lieh durch Kleben und Löten oder durch mechanische Mittel wie Punktschweißen, Vernietung oder es können in manchen Fällen auchTeüe von Mehrschichtenteilen durchbohrt sein. Für strukturelle Werkstoffe jedoch wird bevorzugt, eine Spannungsverteilung über das gesamte Werkstück zu erzielen und für Bauzwecke werden die Lamellen bevorzugt Fläche auf Fläche verbunden, wozu ein geeignetes Bindemedium verwendet wird, um einen aus einem Stück bestehenden oder einheitlichen Körper zu erlangen, bei dem sich die Verbindung zwischen den einzelnen Lamellen einheitlich über die gesamte Ober- i fläche der Lamellen erstreckte Auf einen solchen Körper ausgeübte Kräfte, z.B. Scher- oder Schubbeanspruchungen usw., werden dadurch zwischen den Lamellen übertragen und gleichmäßig über rlas gesamte Bauteil verteilt, um Körper mit hohem Biegungsmodul, hoher Festigkeit usw. zu schaffen, während gleichzeitig die wesentlich günstigere Bruchzähigkeit erreicht wird.

Kun zurück zu Figur 1} die graphischen Darstellungen verdeutlichen die Beziehung zwischen der Bruchzähi^keit und der Dicke bzw. Stärke von zwei Legierungen« Die mit (a) bezeichnete Kurtoe entspricht

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einer Titanlegierung, insbesondere für Ti-5Al-2,5Sn und die mit (b) bezeichnete Kurve gilt für 18 $> Ni-Maraging-Stahl Güte 300. Bei beiden Kurven erkennt man ein Maximum in dem Stärkebereich zwischen 0,635 und 2,5 mm (0,025 und 0,1 inches). Mit ansteigender Dicke des Bleches oder Teiles fällt die. Bruchzähigkeit ab und nähert sich asymptotisch einem konstanten Wert. Die Bruchzähigkeit eines kontinuierlichen homogenen Werkstoffes ist gleich der Bruchzähigkeit entsprechend seiner Stärke, wie durch die Kurve angegeben ist. Die Bruchzähigkeit eines Mehrschichtenteils dagegen ist in weitem Maß bestimmt durch die gewählte Dicke der einzelnen Lamellen, entsprechend der Zähigkeit der Einzelschicht und ferner "bestimmt durch die Kombination von ausgewählten Schichten, um einen zusammengesetzten strukturellen Körper zu schaffen. Wenn die einzelnen Lamellen eine Stärke haben, die jener entspricht, bei welcher die Bruchzähigkeit des Materials ein Maximum hat, wird das Mehrschichtenteil, welches aus solchen Lamellen besteht, eine Bruchfestigkeit haben, die offensichtlich jedem kontinuierlichen homogenen Körper gleicher oder gar größerer Gesamtstärke aus dem gleichen Material überlegen ist.

Um die Bruchzähigkeit eines Werkstoffes zu bestimmen, können verschiedene Methoden angewendet werden. Prüfungen mit geringen Verformungsgraden sind die Mittelkerbzugprobe and die Charpy'ische Methode der »-eringen Biegung einer vorgekerbten Probe. Diese Methoden werden im einzelnen in folgenden. Aufsätzen beschrieben: "American Society for Testing Material (ASTM) Committee Reports on Fracture Testing of High Strength Metallic Materials", AH^w-Bi¹.; ».e uin, tTam

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Februar I960; und "Sheet Fracture Toughness Evaluation ογ Impact and Slow Bend", G.M. Orner and G.E. Hartbower, Welding Journal, Research Supplement, September 1961·

Eine andere Methode zur Bestimmung der Bruchzähigkeit eines Werkstoffes ist die üharpy Dauerschlagproue mit Vorkeroung, welche mit hohen verformungswerten von etwa 10 cm pro cmSekunde durchgeführt wird«. Diese Prüfung hat Grenzen; die erreichten Werte für sehr zähe Werkstoffe sind allgemein niedrig· Während üeim Messen auso- λ luter Bruchfestigkeitswerte mitunter Fehler auftreten, ergibt die Charpy'sche Dauerschlagproue mit vorkeruung eine Bruchfestigkeits— Dicke-Kurve mit zuverlässigem Verlauf und Verhältniswerten_e Für die vorliegenden Zwecke ö^e(loch muß zuallererst die Materialstärke ermittelt werden, bei der die Bruchfestigkeit ein Maximum erreicht, und Kenntnis gewonnen werden über das relative Ansteigen der Bruchfestigkeit, welche durch Verwendung eines Mehrschichtenteils gegenüber einem kontinuierlichen homogenen Körper erreicht werden kana. Seither kann diese Information durch den Test mit -vernünftiger Genauigkeit gewonnen werden und seither werden die Dauerschlagprohen mit hohen Spannungsraten bevorzugt wegen der relativ großen Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit beim Vorbereiten und Prüfen einer großen Anzahl von Probekörpern» Das verfahren wird im einzelnen beschrieben von Hartblower und Orner in "Sheet Fracture Toughness Evaluation by Impact and Slow .Bend"· Die vorgekerbten oharpy'sehen Probestücke werden mit einer DauerDruchmaschine am Fuße der Kerbe dauergebrochen. Der Kraftangriff wird solange beioehalten, bis die Risse ungefähr O_e635 aim (0,025 inches) bis ungefähr

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0,89 mm (0,035 inches) tief werden. Abweichungen der Tiefe der Ermüdungsrisse innerhalb dieser Grenzen beeinflussen die Ergebnisse der Prüfung nicht wahrnehmbar.

Die Bruchzähigkeit ist definiert als die Arbeit, welche beim Brechen des Probekörpers verbraucht wird, dividiert durch die Bruchfläche. Dieser Wert wird für eine Anzahl von Probekörpern verschiedener Dicken ermittelt und aufgezeichnet. Eine durchgezogene Kurve, welche die einzelnen Meßpunkte verbindet, wird d«in eine graphische Darstellung zum Ergebnis haben, wie es in Pig. dargestellt ist. Von besonderem Interesse für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind die Teile erhöhter Bruchfestigkeit der Kursen (a) und (b) in den Dicken-Bereichen R und R^ für die Titanlegierung und den Stahl· Die Bruchzähigkeit eines Werkstoffes mit der Dicke innerhalb dieses Bereiches übertrifft die Bruchzähigkeitswerte (x_ic, denen sich die Kurve annähert, wesentlich.

Pur die Zweeke der Erfindung und die praktische Anwendung ist der Bereich gesteigerter Bruchzähigkeit durch die Bereiche zwischen den Dicken-Werten, bei welchen die Bruchzähigkeit zwischen der maximalen Bruchzähigkeit und G_ic liegt, definiert.

Beziehen wir uns nun auf die figuren 2(A) und 2(B). Diese zeigen aus dünnen, parallelen Schichten zusammengesetzte Baukörper, welche der Erfindung entsprechend aufgebaut sind. Einzelne lamellen 11 sind Fläche an Fläche miteinander verbunden. Die Dicke "d" jeder Ianielle entspricht der Dicke des Schichtmaterials im Bereich des nach

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oben ragenden Teils der Bruchzähigkeitskurve, dargestellt in ]?ig. Die Verbindungsstellen 12 werden gewöhnlich und bevorzugt von einer Schicht aus metallischem Kitt oder einer Bindungslegierung gebildet, ZeB. Iiötmaterial| welches auf die Oberfläche aneinandergrenzender Lamellen 11 aufgeschmolzen ist. Die Verbindung zwischen dem Lötmaterial und den Lamellen 11 erstreckt sich ohne Unterbrechung über die gesamte Oberfläche der Lamellen. Ssx Das Lötmaterial ist ausgewählt in Übereinstimmung mit der üblichen ingenieurmäßigen Praxis I aufgrund der Güte der Verbindung, welche das Lot mit dem Lamellenwerkstoff eingeht, und aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften, welche den umgebenden Anwendungsbedingungen der Lamelle entsprechen müssen. Während die bevorzugte Methode zur Verbindung der Lamellen 11 das Löten ist, worin gleichzeitig alle einschlägigen Methoden eingeschlossen seien, die sich auf eine Verbindungslegierung oder ein Durchdringungsbindemittel, Z₀B. Silber, stützen, kommt es in Betracht, daß bei entsprechenden Anwendungsbedingungen auch andere Verbindungsmethoden anstelle des Lötens zu benutzen sind, voraus- ι gesetzt, daß eine sichere Verbindung zwischen den Lamellen 11 gebildet wird. So können in niedrigen Temperaturbereichen, wenn nur mäßige Verbindungsfestigkeit verlangt ist, synthetische Klebemittel, wie z.B. katalytische Epoxydklebeharze, zur Verbindung der Lamellen 11 benutzt werden. Mittels Lötungs- oder Diffusionsverbindung erfolgt der Aufbau der vorliegenden Mehrschichtenteile durch Erhitzung eines druckdichten Stapels von abwechselnden Schichten von Lötfolien und lamellenartigen Plättchen auf die Lötungstemperatur der Folie, bevorzugt in einer reaktionsträgen Atmosphäre.

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Eine "bevorzugte Methode der Herstellung des Mehrschichtenteils ist das Hortonclao^-Verfahren, welches im einzelnen im US-Patent Nr. 2 713 196 beschrieben wird, erteilt an R.I. Brown unter dem 19o Juli 1955. Entsprechend dieser Methode werden dünne Schichten (Bleche) aufgeschichtet, wobei Lötungslegierung in Folienform zwischen die Bleche gelegt wird. Dieser Stapel, welcher abwechselnd aus lamellenwerkstoff und lötungslegierungsfo/lien" besteht, wird luftdicht in einer biegsamen Stahlumhüllung verschlossen, unter " Vakuum gesetzt, auf die Lö'tungstemperatur erhitzt und je nach lötungswerkstoff eine bestimmte Zeit lang auf dieser Temperatur gehalten.

Eine bevorzugte Methode zur Ausführung des Lötungsvorganges, welche besonders für die Lötung in kleinen Mengen angebracht ist, wobei weniger als eine Atmosphäre Druck erforderlich ist, besteht darin, den Stapel von lamellenwerkstoff und dazwischengefügten Lötungsfolien in eine Ummantelung aus rostfreiem Stahl zu geben. Diese • Umhüllung ist hermetisch abgedichtet und zum Auspumpen geeignet. Vor dem Einbringen des Stapels in einen Ofen wird die Umhüllung auf einen Druck in der Größenordnung von 0,1 Torr ausgepumpt. Die Stahlumhüllung fällt dann zusammen und preßt den Stapel zusammen, während sie die meiste luft aus dem Stapel während der Erhitzung ausscheidet. Die Umhüllung wird dann erhitzt und für eine gewisse Zeit in einem Ofen auf der lötungstemperatür gehalten. Das erfindungsgemäße zusammengesetzte Mehrschichtenteil und die Herstellungsmethode soll an den folgenden besonderen Beispielen weiter verdeutlicht werden.

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Beispiel 1:

T1-5A1-2, 5Sn-Mehrs chichtenteil

Die BruchzähigkeitsfeLcke-Beziehung für die Titanlegierung Ti-5A1-2,5Sn wurde ermittelt, wie es in der obigen Beschreibung angegeben ist. Es wurde gK festgestellt, daß die Kurve im Bereich einer Dicke von etwa 1,9 mm (O,O7S"inches) ein Maximum aufweist, wie es in Figur 1 (a) dargestellt ist. Dementsprechend wurde eine mehrschichtige Platte hergestellt, wobei Titanlegierungsblech von einer j Stärke von 1,58 mm verwendet wurde, was also im Bereich der erhöhten Bruchzähigkeit liegt. Bin Stapel von sechs legierungslamellen wurde zusammengefügt mit gleich großen folien einer lötlegierung, die dazwischengelegt wurden. Die bevorzugte Zusammensetzung der lötlegierung waV92 i» Silber, 7»5 i» Kupfer und 0,5 $> litium und di· Stärke der lötfolien war 0,05 mm. Der Stapel wurde in eine Umhüllung aus rostfreiem Stahl gegeben und durch Auspumpen der tJmh.u3.lung auf etwa 0,15 Torr zusammengepreßt. Die Umhüllung wurde in einen Ofen gelegt und auf eine Temperatur von 942° i 1»1° C erhitzt. Diese Temperatur und der Druck von 0,15 wurden für einen ' Zeitabschnitt von etwa 5 Hin. beibehalten, um eine lötverbindung zwischen den lamellen aus der Titanverbindung herzustellen. Danach wurde die umhüllung, welche das Mehrschichtenteil enthielt, unter Vakuum luftgekühlt. Die Fehlerlosigkeit der Bindungen zwischen den lamellen wurde durch Ultraschallmethoden nachgeprüft.

Von der Mehrschichtenplatte wurden Charpy-i-sche Probestücke abgeschnitten, eingekerbt und mit Dauerbrüchen von einer Tiefe von etwa 0,76 mm versehen und die Eigenschaften durch die Charpy'sche

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Dauereehlagprobe mit Vorkerbung geprüft. Wie in Fig. 2(A) dargestellt ist, wurde ein Probestück durch die Fläche 13 der obersten Schicht senkrecht zur Lamellenebene -eingekerbt. Ein «weites Probestück, dargestellt in Pig, 2(B), wurde quer zu den Seiten 14 eingekerbt und mit einem Dauerbrueh durch die gesamte Dicke am Boden der V-förmigen Kerbe versehen. Die physikalischen Eigenschaften beider Lamellenproben und ebensolcher Probestücke eines kontinuierliehen Schmiedestabes wurden unter denselben Bedingungen getestet. Die Mehrschichtenteile, welche quer zur Fläche der obersten Schicht gekerbt und gebrochen wurden, konnten bei der maximalen Schlagbelastung von 33,2 mkp nicht völlig durchgebrochen werden, welche der Pendelhammer der Prüfmaschine lieferte. Die Ergebnisse der Tests mit den durch die gesamte Stärke gebrochenen Proben und mit dem kontinuierlichen Stab sind in Tafel 1 angegeben.

Beispiel 2:

18 i» Nickel-Maraging-Stahl Gütegrad 250.

Der genannte 18 f> Nickelstahl weist ein Maximum auf im Bereich etwa zwischen 0,5 (Q02 inches) und 2 mm (0,08 inches). Eine sechsschichtige Platte aus 18 # Nickelstahl wie genannt wurde hergestellt durch Zusammenfügung eines Bündels von sechs Stahllamellen mit einer Dicke von 1,58 mm (0,062 inches). Eine 0,05 mm dicke Lötfolie der Zusammensetzung von 92 i* Silber, 7,5 9^ Kupfer und 0,5 96 Litium wurde zwischen die aufeinanderfolgenden Stahlbleche gelegt. Die Zusammenstellung wurde in eine biegsame Umhüllung aus Stahl gegeben, in einen Ofen gelegt und für einen Zeitraum von "(θ Min. auf die Löttemperatur von 957 ί 2,8° 0 erhitzt, während

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welcher Zeit ein Vakuum von etwa 0,04 Torr "beibehalten wurde. Das Mehrschichtenteil wurde dann luftgekühlt und auf die Austenitisierungstemperatur von 815° 0 wieder erhitzt. Nach 40 Min. wurde das Mehrsehichtenteil wieder luftgekühlt. Von dem Mehrschichtenteil und von einem homogenen Stahlstab wurden gekerbte öharpy'sche Werkstücke hergestellt und, wie oben ausgeführt, geprüft. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tafel 1 angegeben. Wiederum übertrafen die an der Oberfläche der obersten Schicht gekerbten Probe- ' körper die 33,2/ mkp-Kapazität der Prüfeinrichtung. Rohe Abschätzung, welche auf der teilweisen Brechung der Proben beruhte, ergab eine Bruehzähigkeit, welche etwa 30 bis 40 mal so groß war wie die des kontinuierlichen Stabes.

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ε ι s ο / L ε 8 6 ο 6

Tafel 1

Bruch- bzw. KerbschlaQzähigkdt von Mehrschichtenteilen , einzelnen Blechschichten und kontinuierlichem Plattcnmater/ai bei Raumtemperatur

Material	*Stärke u.Aufbau*	in	*Bruchzähigkdt* *CKerbschlagzähigk.)*	inlb/_fn*	*Streckgrenze*	*Vin*	*Bruchfestigkeit*	^ib/in*	*Dehnung*
	*Constitution ofthickness*	0,374" Plate	*Fracture Toughness*	*S17*	*Yield Stren&M*	130 300	*Ultimate Strength*	*132 300*	*Elongation*
*Ti-SAl-2,5Sn* *AMS 4-910*	mm	*0.Q6Z Sheet*	*cmkfi_/cmz*	54 iO		//50OO		120 TOO	/o
1»	9_tSmm-Piatte	*U.Q6Ü sneet*	9&.Z ^ω	4540	*91,6*	//5000	*93,0*	*1ZQ Ψ00*	*21,0*
IJ	tSQmm-Siech	*€piy lammte* *of0,062 Sheet*	966,0 ^CfJ	40 4€	*ShO*	115000	*eS.Q*	UO ?50	*21.8*
Il		η	*810, O &*	404-0	*81,0*	USOQO	*Q5,0*	*IZQ Ϋ&0*	*ZI,* β ^C
	6 faches Mchrsck *tOiausiSQmm'Bleut*	0,394" Ptate	*HO₁O ⁽⁰*	574	*βιο*	271400	*85,1*	*Z 79 €00*	/0,5
*Maraging-stQhl* *Gütegrad* 2SO	Il	0,394' Ptate	*119,0 ^U)*	401	81.0	2.71400	*85,1*	*Z73SQ0*	*19,5*
It	*10mm-Watte*	0,060. Sheet	*102J ^(ϋ*	12.00	191,0 *	2.74300	*196,* e *	Z8?300	*11,0* *
Il	iO mm Platte	*O₁QoZ Sheet*	*71,5 ®*	12jQ4	191,0 *	*Z? 4 3QQ*	196,6 *	^7300	11,0 *
Il	*1.5Smm Blech*	*6piy laminate* *QfQQ6Z$heCt*		*1045*	**m,o ***	*264000*	**ZQJi₁Q ***	Z 76 QOO	3.2 *
Il	(Jd mm Blech	Il	ZHJ ^(2J	*860*	**m,o ***	*264000*	**ZOZ₁Q ***	*276000*	3,2 *
M	*£ fachet Mehrsch -* *τώ aus iSammSiech*	*tS€,3 ®*	**186,0 ***	**194,3 ***	*8.25 il**
U	153,2. <*	**m,o ***	**194,3 ***

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senkrecht -zur VAxtzrichtung des Materials parallel zur Waterichtung des Materials

Werfe für Stahl Gütegrad 300

Die Meß- und Versucliswerte in Tafel 1 verdeutlichen die Bruehzähigkeitsverbesserung geschichteter Materialien gegenüber der kontinuierlicher homogener Stabwerkstoffe. Obwohl nur zwei besondere Beispiele angegeben wurden, ist die Erfindung nicht nur auf die genannten speziellen Werkstoffe zu beschränken. Die bemerkenswerte Verbesserung der Bruchzähigkeit dieser Mehrschichtenteile gegenüber homogenen Körpern derselben Ausdehnung kann entsprechend auch erzielt werden bei anderen Werkstoffen, vorausge- J setzt lediglich, daß die Bruchzähigkeit-Dicke-Kurve für den Werkstoff ein Maximum hat und daß ein geeignetes Bindemittel zum Zusammenfügen der Lamellen benutzt werden kann. Während die optimalen oder maximalen Effekte im allgemeinen erreicht werden, indem ein Mehrschichtenteil benutzt wird, welches nur aus Lamellenblechen mit der speziellen höehstbruchbeständigen Stärke zusammengesetzt ist, ist aber außerdem sogar eine Verbesserung möglich, wenn nur ein einziges derartiges Blech oder Lamellenschicht mit Blechen oder Lamellen anderer Stärke und mit Blechen oder Lamellen anderen Materials zusammengefügt wird. Der zusatz- ' liehe Nutzen, welcher im allgemeinen mit zusammengesetzten Strukturen erreicht wird, verlangt es, daß zwei oder mehr solche dünnen Bleche oder Lamellen benutzt werden. Die Anwendungsmöglichkeit der Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche erfaßt:

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Claims

Patentansprüche

2) Mehrschichtenteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Lamellenmaterial ein metallischer Werkstoff ist.

3) Mehrsohiohtenteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten dünnen Blechlamellen eine Stärke im Bereich von etwa 0,25 bis etwa 5 mm (0,01 bis ca. 0,2 inches) haben.

4) Mehrschichtenteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Blechlamellen eine Materialstärke haben, die im wesentlichen gleich jener Stärke ist, bei welcher die Bruchzähigkeit für das betreffende Material ein Maximum hat.

5) Mehrschichtenteil nach Anspruch 1 oder einem der ihm folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl gleich großer Lamellen vorgesehen ist, hergestellt aus einem Μχ±κ

_t metallischen Werkstoff, welcher in einem gewissen Stärkenbereioh

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eine "bessere Bruchzähigkeit aufweist, wobei die genannten Lamellen eine dem Bereich der "besseren Bruchzähigkeit entsprechende Stärke haben, diese lamellen Fläche auf Fläche aneinandergelegt sind und zwischen ihre sich angrenzenden Oberflächen zur Schaffung eines einheitlichen Mehrschiehtenteils eine Bindemittelschicht aufgetragen bzw. aufgeschmolzen ist.

6) Mehrschichtenteil nach Anspruch 1 oder einem oder mehreren der ihm folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten metallischen Lamellen aus einer Titanlegierung mit etwa 5 $» Aluminium und 2,5 ^ Zinn bestehen.

7) Mehrschiohtenteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten aus einer Titanlegierung bestehenden Lamellen eine Stärke im Bereich von etwa 0,76 bis 3,3 mm (0,03 bis 0,13 inches) haben.

8) Mthreohichtenteil nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dftS die genannte Bindemittelechicht au· einer Lötlegierung beiteht, welche ca. 92 % (by wt.) Silber, 7_f5 ^ Kupfer und 0,5 f Litiua enthält.

9) Mehrsohichtenteil nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten metallisohen Lamellen aus (Maraging) Stahl bestehen, welcher etwa 17 bis 20 # Nickel enthält.

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tO) Mehrschichtenteil nach Anspruch S₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllamellen eine Materialstärke im Bereich von etwa 0,5 "bis 2 mm (0,02 bis 0,08 inches) aufweisen.

11) Mehrschichtenteil nach Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischengegebene Lötschicht aus einer Lötlegierung zusammengesetzt ist, welche 65 # (by wt.) Kupfer, 22 j, Mangan, 10 + Kobalt und 5 f> Nickel enthält.

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