Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
Der Zweck der Dehnungsmessungen ist es in vielen Fällen, aus der Dehnung die zu erwartende Sicherheit eines Baukörpers zu ermitteln. Dazu müssen aus den Dehnungen über die Spannungen
die Lasten bestimmt werden.
Die Spannungsdehnungslinie des Werkstoffes ist aber von zahlreichen Parametern, wie Belastungsdauer, Beanspruchungsgeschwindigkeit, Spannungszustand, Eigenspannungen, abhängig.
Zur Deutung von Dehnungsmessungen muß die Vielfalt der Spannungsdehnungslinien einschließlich ihrer Endpunkte bekannt sein. Die Dehnungsmessung kann hierfür einen Teil, aber nicht die Gesamtheit der notwendigen Parameter liefern.
Die Feststellung der Spannungsdehnungskurve mit ihrer Hilfe ist Sache der Tragfähigkeitsforschung. Die hier zu lösenden Fragen, z.B. Bedeutung der Dehnungen im Atomgitter, Abhängigkeit der Verformungsfähigkeit vom Spannungszustand, Einfluß des Spannungsgefälles, der Beanspruchungsgeschwindigkeit usw., gehören zu den z.Z. wichtigsten Fragen der Werkstoffmechanik und Tragfähigkeitsforschung. Tragfähigkeitsforschung und Dehnungsmeßtechnik sind daher in ihrer Entwicklung gegenseitig voneinander abhängig.
In Auswertung der Theorie lassen sich die Bedingungen des spröden Bruches für eine bestimmte Probenform (Spannungszustand) im Geschwindigkeits-Temperatur-Schaubild durch eine gerade Linie (kritische Gerade) darstellen, welche im Schaubild das Gebiet des zähen Bruches vom Gebiet des spröden Bruches abgrenzt. Die Größe des Raumes zwischen der kritischen Geraden und den Gebrauchsbedingungen ist ein Maßstab für den Sicherheitsgrad des Werkstoffes gegenüber dem spröden Bruch. Die Formänderungsfähigkeit, die der Werkstoff unterhalb dieser Grenzen, also im Gebiet des zähen Bruches aufbringt, ist gänzlich unabhängig von den Sprödbruchbedingungen. Ein Werkstoffprüfverfahren bei Raumtemperatur muß mit Proben sehr scharfer Einkerbung bei entsprechendem Spannungszustand durchgeführt werden, damit die Ergebnisse in die Nähe der kritischen Geraden fallen; denn nur so lassen sich die Werkstoffe hinsichtlich ihrer Sprödigkeitsneigung differenzieren. Außerdem muß die Formänderungsfähigkeit herausdividierbar sein, damit sich die Sprödbruchbedingungen klar absondern lassen. Mildere Probenformen, z.B. die Kerbschlagbiegeprobe mit flacher, kreissegmentförmiger Kerbe, sind indifferent; sie geben nur die von der Sprödbruchneigung unabhängige Formänderungsfähigkeit wieder und bieten daher nichts Neues.
Bei dem vorliegenden Prüfverfahren wird der Sicherheitsgrad durch das Verhältnis der dynamischen zur statischen Brucheinschnürung Ψ(KS)/Ψ(K) bei der Kerbzugprobe wiedergegeben. Die statische Brucheinschnürung Ψ(K) kennzeichnet die Formänderungsfähigkeit, durch welche vor Eintritt der Sprödbruchbedingungen ein, die Sicherheit vermehrender plastischer Abbau von Spannungsspitzen ermöglicht wird.
Kaltreckschäden sind nicht so aufzufassen, daß sie nur bei "alterungsanfälligen" Stählen vorkommen; alle Werkstoffe erleiden Kaltreckschäden. Bemerkbar und gefährlich werden diese nur dann, wenn von vornherein der Quotient Ψ(KS)/Ψ(K) und damit der Sicherheitsgrad klein ist. Diese quantitative Erklärung macht es verständlich, daß der Quotient Ψ(KS)/Ψ(K) im ungeschädigtem Zustand so gute Voraussagen erlaubt.
Die prüfmäßige Ermittlung der Sprödigkeitsgrenzen von Baustählen im Anlieferungszustand ergibt eine breite Differenzierung, die für die Übergangstemperatur bei statischer Beanspruchung einen Bereich zwischen etwa -90 and -225°C, also von etwa 135°C einnimmt. Bei der Aufschweißbiegeprobe drängt sich dieser Bereich auf etwa 40°C, zwischen etwa +30 und -10°C liegend zusammen. Daraus geht hervor, daß die besseren Stähle durch das Schweißen eine größere Schädigung erfahren als die minderwertigen. Die Ursache sind innere Spannungen, die als Folge räumlich begrenzter Plastizierungen bei Erwärmung und Wiederabkühlung entstehen und die am stärksten bei den Stählen auftreten, welche bei den höchsten Geschwindigkeiten und tiefsten Temperaturen noch plastizieren. Dieselbe Theorie, welche die Qualität der Stähle in Anlieferungszustand bedingt (Becker - Orowan - Kochendörfer), begründet auch die Schädigung der qualifiziertesten Stähle durch das Schweißen. Trotzdem bleiben die qualifizierten Stähle noch überlegen:
1.) sie behalten noch einen, wenn auch kleinen Überschuß an Zähigkeit beim Aufschweißbiegeversuch,
2.) im Sprödigkeitsgebiet (-20°C) ertragen sic höhere elastische Biegewinkel und damit höhere Spannungen,
3.) die inneren Spannungen lassen sich durch Ausglühen umso leichter beseitigen, je besser die Qualität ist; bei Stählen minderer Qualität können schon beim Schweißen Schrumpfrisse entstehen.
Die Qualität ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sprödigkeitsgrenzen des Stahles weit von den Gebrauchsbedingungen entfernt liegen. Die Ermittlung des Brucheinschnürungsquotienten aus dem Kerbschlagzug- und Kerbzugversuch im Anlieferungszustand und bei Raumtemperatur ist das einfachste Verfahren, welches anstelle der umständlichen Ermittlung der Temperaturkurven einen Maßstab für die Sprödigkeitsgrenzen abgibt. Zwischen diesem Prüfwert und den Ergebnissen des Aufschweißbiegeversuches wurden folgende Zusammenhänge gefunden:
1.) Die Bruchgefahr bei der Aufschweißbiegeprobe ist durch einen kleinen Brucheinschnürungsquotienten gekennzeichnet.
2.) lm Gebiet des spröden Bruches ordnen sich die elastischen Biegewinkel, d.h. die ertragenen Spannungen, nach der Größe des Brucheinschnürungsquotienten ein.
3.) Der Erfolg des Spannungsfreiglühens kann nach der Größe des Brucheinschnürungsquotienten vorausgesagt werden.
Die Sprödigkeitsfrage bei geschweißten dicken Profilen läuft also auf die Auswahl des Stahles unter Berücksichtigung seiner Sprödigkeitsgrenzen im Anlieferungszustand hinaus, wofür die Ermittlung des Brucheinschnürungsquotienten das geeignetste Prüfverfahren ist, und auf die Vervollkommnung der Vorrichtungen zum Vorwärmen oder Ausglühen großer Bauteile. Der Erfolg hängt hier von der richtigen Auswahl des Stahles ab.
Außer den Schrumpfspannungen treten noch Umwandlungsspannungen unter Martensitbildung auf. Ihre Beziehungen zu den ursprünglichen Sprödigkeitsgrenzen des Stahles, sowie zum Brucheinschnürungsquotienten im Anlieferungszustand sind noch durch Versuche aufzuklären.
Wenn man eine Kerbzugprobe im Pendelhammer zerschlägt und eine gleiche Probe in der Zerreißmaschine zu Bruch bringt, dann gibt der Quotient aus beiden gemessenen Brucheinschnürungen vollständigen Aufschluß über die Sprödigkeitsgrenzen des Werkstoffes, als Folge von Temperatur, Belastungsgeschwindigkeit und Spannungszustand. Die Sprödigkeitsgrenze ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elastizität vollständig unterbunden ist. Man ermittelt die Sprödigkeitsgrenze, indem man das Plastizitätsgefälle in Abhängigkeit von einem der genannten Einflüsse feststellt. Geschieht dies in Abhängigkeit von der Temperatur, so treten große Versuchsstreuungen auf, die insbesondere bei tiefen Temperaturen und im Abfallgebiet der Zähigkeit sehr groß werden. Wird dagegen bei konstanter Raumtemperatur die Belastungsgeschwindigkeit variiert und das Plastizitätsgefälle durch Brucheinschnürungsmessungen festgestellt, dann sind die Ergebnisse so gut wie fehlerfrei. Daß man hierbei mit nur zwei Einschnürungsmessungen auskommt, hat seine Begründung in der Eindeutigkeit des Sprödigkeitsgesetzes. Es läßt keine vielseitigen Variationen aus der vier Bedingungen: Stoff, Temperatur, Geschwindigkeit und Spannungszustand zu, sondern seine gesetzmäßigen Möglichkeiten sind nur durch einen Punkt des vierdimensionalen Diagramms festgelegt. Diese empirische Entdeckung war die Folge der Versuchsauswertungen im obigen Bericht. Der Spannungszustand ist die für den Baustatiker wichtigste Bedingung. Sein Einfluß auf den Sprödbruch läßt sich auf das einfache Verhältnis der linearen Streckgrenze σ(S) zur Normalspannung σ(NF) im tragenden Querschnitt bei Fließeintritt zurückführen. Dieses Verhältnis ist - wenn es nicht unmittelbar experimentell gemessen werden kann - aus den räumlichen Spannungszuständen und der Spannungsverteilung zu entwickeln. Daß die Reduzierung beliebiger räumlicher Kräfte auf die drei Hauptspannungen und die Reduzierung dieser auf eine in gewünschter haupttragender Richtung schwierig oder auch noch nicht gelöst ist, wenn die primär angreifenden Kräfte mit einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung behaftet sind, ist Künstlerpech der Elastostatik. Seitens der Physik, Werkstoffmechanik und Werkstoffprüfung kann das Problem des Sprödbruches als gelöst angesehen werden. Aber selbst, wenn solche präzisen Feststellungen nicht möglich sind, ist eine Einordnung des Spannungsquotienten σ(S)/σ(NF) in die von 0 bis 1 (linearer Zustand) reichende Skala leicht abschätzbar, innerhalb welcher die vorliegende Kerbzugprobe mit 0,33 zu beziffern ist.
Dieser umfassende Erfolg der Kerbschlagzugprüfung ist auf die Verbindung zwischen Versuchspraxis und Theorie zurückzuführen, die eine Folge der Kreissymmetrie der Probenform und der Einschnürungsmessung ist. Etwa aus diesen Gründen das Verfahren als umständlich oder schwierig anzusehen, entbehrt der Berechtigung, da sich die praktische Prüfung neben ihrer Exaktheit als einfacher herausstellt als die gealterte Kerbschlagbiegeprobe.
Keines der z.Zt. zur Diskussion stehenden Sprödigkeitsprüfverfahren erlaubt so weitgreifende Auswertungen der Versuchsergebnisse. Insbesondere sind die auf Biegung beanspruchten unsymmetrischen Probenformen mit Schlagarbeitsmessung nicht geeignet, eine Theorie so unmittelbar in die Wirklichkeit umzusetzen und man ist mit ihnen aufs Probieren angewiesen. Wenn man heute die Kerbschlagbiegezähigkeit künstlich gealterter Stähle als Maßstab für die Sprödigkeitsneigung einführen möchte, so läßt sich - ohne erst ausprobieren zu müssen - auf Grund theoretischer Erkenntnis sagen, daß sich die Stähle hinsichtlich ihres Alterungseffektes überhaupt nicht differentieren, da alle eine etwa gleich große Schädigung erfahren, die in einer Verschiebung der kritischen Geraden um etwa +70°C besteht. Wenn also die Kerbzähigkeit gealterter Stähle eine Differentierung erfährt, so nur deshalb, weil schon vor der künstlichen Alterung die kritische Gerade eine ungünstige Lage hatte. Das läßt sich aber ohne die Umständlichkeit des künstlichen Alterns mit der Kerbzugprobe ermitteln. Im übrigen werden im obigen Bericht die Unsicherheiten und die starken Streuungen der Kerbschlagbiegezähigkeit im gealterten Zustand erläutert, die darauf zurückzuführen sind, daß dieser Begriff kein so reiner Ausdruck für die Sprödigkeitsgrenzen wie der Brucheinschnürungsquotient ist, sondern Einflüsse enthält, die mit der Sprödigkeitsgrenze nichts zu tun haben.
Die Becker-Orowan-Kockendörfersche Plastizitätstheorie bildet eine anschauliche Grundlage für die Sprödigkeitsbedingungen. Danach sind für den Eintritt des Sprödbruches außer den Materialeigenschaften drei äußere Faktoren maßgebend: Temperatur, Belastungszeit und Spannungszustand (Gestalt). Um den Sprödbruch herbeizuführen, braucht man nur einen dieser drei Faktoren genügend zu verschärfen. Diesen Umstand macht sich die Materialprüfung zu Nutze, indem z.B. bei der Kerbschlagbiegeprobe Schlaggeschwindigkeit und Probenform unveränderlich bleiben und nur die Temperatur soweit erniedrigt wird, bis der Sprödbruch erfolgt. Die so ermittelte "Übergangstemperatur" ist - obgleich sie nur für diese speziellen Zeit- und Gestaltverhältnisse Gültigkeit hat - ein guter Vergleichsmaßstab für verschiedene Werkstoffe.
Nun ist aber die Prüfung bei veränderlichen, insbesondere niedrigen Temperaturen sehr umständlich. Deshalb wird bei dem hier beschriebenen Prüfverfahren nicht die Temperatur, sondern die Belastungszeit verändert. Infolge der achsen-symmetrischen Einkerbung und der daraus folgenden Möglichkeit, die Brucheinschnürung sehr einfach zu messen, kommt man mit nur zwei Geschwindigkeitsstufen aus, weil das zwischen beiden liegende meßbare Zähigkeitsgefälle für die Beurteilung der Sprödigkeitsneigung ausreicht, vorausgesetzt, daß man sich nahe der Sprödigkeitsgrenze befindet ohne aber die wirkliche Sprödbruchgrenze erreichen zu müssen.
Diese Studie zeigt Probleme auf, die sich bei der Analyse von Erzen, Erzkonzentraten und Metallen bei Produktion, Kontrolle und industrieller Verwendung ergeben können. Untersucht werden die zurzeit verwendeten Verfahren und die noch offenen Analyseprobleme speziell im Hinblick auf die industrielle Verarbeitung.
1. Einleitung zur Tragfähigkeitsbeurteilung von Bauteilen aus Stahl. 2. Allgemeine Überlegungen. 3. Die Anwendung der Methode des Temperaturvergleiches auf geschweißte Bauteile aus R St 37-2 N. 4. Bemerkenswerte Beobachtungen bei den durchgeführten Untersuchungen und Hinweise zu ihren Deutungen. 5. Proben, Versuchseinrichtung und Versuchsdurchführung. 6. Versuchsergebnisse. 7. Zur Beurteilung der Sprödbruchgefahr geschweißter Stahlkonstruktionen mit Hilfe des Temperaturvergleiches.
Bewegungsvorgänge kontaktierender Werkstoffoberflächen produzieren durch Reibung im Grenzflächenbereich Temperaturerhöhungen, die Werkstoffeigenschaften im Kontaktbereich verändern und somit Bewegungs- u, Funktionsabläufe beeinflussen. Die Literatur-Recherche umfasst alle bekannten messtechnischen Methoden zur Erfassung von Grenzflächentemperaturen.
Die für eine Vielfalt von konstruktiven Aufgaben einsetzbaren Kunststoffe werden auch bei möglichen Dauerwechselbeanspruchungen verwendet. Angaben für thermoplastische Kunststoffe liegen zu den hier ausgewählten Werkstoffen für technische Konstruktionen vor. Nach einer kritischen Durchsicht veröffentlichter Ergebnisse von Wechselfestigkeitsuntersuchungen wird die Konstruktion einer Prüfmaschine vorgestellt, die bei vorgegebener Wechselverformung eine Dauerbeanspruchung von Probekörpern begrenzter Steifheit bei Regelung der vorgegebenen Mittelkraft und Beanspruchungsfrequenz und geringem Energieverbrauch zuläßt. Eine Registrierung der Meßwerte ist beim Einlaufvorgang und bei der Dauerbeanspruchung möglich.
An den Materialien PA 6, PA 6 KR 1313, PA 6+25 % GF, PA 66 und POM CP wurde das Verhalten thermoplastischer Kunststoffe während der Wechselbeanspruchung bis zum Bruch der Proben untersucht. Die Messwerte konnten mit Annahmen und Ergebnissen thermischer Vorversuche auf einem Großrechner korrigiert und zur Beschreibung des wirklichen Probenverhaltens ausgewertet werden.
Die Ergebnisse weisen auf interessante Eigenheiten der thermoplastischen Kunststoffe und zeigen zum Teil Abweichungen gegenüber Literaturangaben. Diese werden damit hinsichtlich ihrer teilweise widersprechenden Aussagen über den Verlauf der Wöhlerkurven und eines Temperatur- wie Beanspruchungsfrequenzeinflusses verständlicher. Der Dauerwechseldehnungsversuch ist mit seiner intensiven Materialbeanspruchung zur Klärung struktureller Zusammenhänge thermoplastischer Kunststoffe wie auch zur Förderung eines besseren Verständnisses und damit besseren Nutzung dieser modernen Konstruktionswerkstoffe geeignet.
Alle untersuchten Materialien zeigen im Einlaufbereich der Wechselbeanspruchung eine temperaturabhängige Abnahme des E-Moduls.
Das ausgeprägt unterschiedliche Verhalten der hier gewählten thermoplastischen Kunststoffe bei andauernder Wechseldehnungsbeanspruchung wird bei ihrer Verwendung für technische Konstruktionen mit deren durch Form, Kraft und Temperatur bedingten ungleichen Dehnungen im Vergleich mit einer Stahlkonstruktion zu ebenso unterschiedlichen Beanspruchungen des Bauteils führen.
Die beim Betrieb von Reaktoren bei Verwendung von dickwandigen Spannbeton-Reaktordruckbehältern im Beton entstehenden Temperaturen beeinflussen dessen Wärme- und Feuchtigkeitsleitung. Derartige Vorgänge wurden an je drei balkenförmigen Probekörpern aus Beton mit gebrochenem (caicitischem) Zuschlag bzw. ungebrochenem (Rhein-Kiessand-) Zuschlag untersucht. Die Erscheinungen stehen in Beziehung zu der Gefügeentwicklung des Betons, was durch Serienbestimmung des Gehaltes an nicht verdampfbarem Wasser, der Gesamtporosität sowie der Porengrößenverteilung nachgewiesen werden kann. Die örtlichen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen beeinflussen auch die technologischen Eigenschaften, von denen Druckfestigkeit, Längenänderungen infolge Schrumpfens und Schwindens sowie Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit ermittelt worden sind.
Holz ist ein traditioneller Roh- und Werkstoff, der seit Jahrhunderten einen bedeutenden Platz in der Wirtschaft einnimmt. Den Anforderungen des Marktes nach homogenen, großflächigen und isotropen Werkstoffen wurde die Holzindustrie durch die Entwicklung der Holzwerkstoffe gerecht.
Unter Holzwerkstoffen versteht man im engeren Sinne Furnier- und Tischlerplatten, Faserhart- und Faserdämmplatten sowie Holzspanplatten und Formteile aus Holzspänen oder Holzfasern. Furnier- und Tischlerplatten werden unter dem Oberbegriff Sperrholz zusammengefaßt. Jeder dieser Werkstoffe stellt spezifische Anforderungen an das Grundmaterial Rohholz.
Für eine Beurteilung sind Versuche an bauteilähnlichen Proben mit praxisnahen Störstellen gefahren worden. Dabei wurden die Differenzen zwischen der Temperatur am Übergang vom zähen zum spröden Bruchverhalten der Störstelle im Bauteil und der Übergangstemperatur der ISO-Spitzkerbprobe im Kerbschlagbiegeversuch ermittelt.
1. Einleitung und Aufgabenstellung. 2. Experimentelle Ermittlung der notwendigen Zündenergie mit Kondensator-Entladungsfunken. 3. Theoretische Abschätzung. 4. Zusammenhang zwischen experimentell ermittelten Werten der Mindestzündenergie und anderen Daten der Gase. 5. Zusammenfassung. 6. Zusammenstellung der Formelzeichen. 6. Literaturverzeichnis.
Setzung von Fundamenten infolge dynamischer Last, angewendet auf die Fundamente einer geplanten Schnellbahn Ziel der Untersuchung ist die Ermittlung der Satzungen von Fundamenten einer geplanten Magnet-Schwebebahn aufgrund dynamischer Last von Baubeginn. Dadurch wurde ein Verfahren entwickelt, das schon vor Baubeginn Veränderungskriterien darstellt.
Ausgegangen wird von der Vorstellung, dass die Anwendung der Kontinuumsmechanik auf polykristalline Werkstoffproben als Ganzes nicht der Natur der Schädigungsvorgänge bei der Werkstoffzerrüttung gerecht werden kann. Die Aufmerksamkeit muss sich vielmehr auf das Verhalten der einzelnen Kristalle richten.
Zur Klärung der Problematik wurde eine Probe verwendet, bei der durch die geometrische Gestaltung trotz einachsiger Belastung parallel zur Rissfront eine zusätzliche Nennspannung wirksam wird. Ihnen werden Ergebnisse von Vergleichsproben ohne zusätzliche Nennspannung gegenübergestellt. Ergänzt worden die Untersuchungen durch Spannungsanalysen und vergleichende Rissaufweitungsmessungen.
Ein Beitrag zur Untersuchung der wasserstoffbeeinflußten Kaltrißneigung höherfester niedriglegierter Feinkombaustähle mit dem Implantversuch Das Problem der wasserstoffbeeinflussten Kaltrissneigung höherfester niedriglegierter Feinkornbaustähle, ihre Einflussgrößen auf Methoden zu ihrer Bewertung werden vorgestellt. Aus dem Bereich möglicher Prüfverfahren wird der Implantversuch verwendet.
Die für Gewebe und andere textile Flächengebilde gebräuchlichen Methoden zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften sind für Maschenwaren in den meisten Fällen ungeeignet, da diese sehr hohe Dehnbarkeit besitzen. Es wurde ein Prüfverfahren entwickelt, das es gestattet, aufgrund der bei einem einachsigen Belastungszyklus gefundenen Kennwerte Rückschlüsse auf das Verhalten von Maschenwaren beim praktischen Gebrauch hinsichtlich ihres elastischen Verhaltens zu ziehen.
Verbunduntersuchungen mit Betonstabstahl BSt 420/500 RK (Rippen-TORSTAHL) und kurzer Verbundstrecke unter Berücksichtigung praxisüblicher Betondeckung der Bewahrung, plastischer Dehnungen des Bewehrungsstahls und der Entfernung des betrachteten Verbundstreckenabschnitts zum nächsten Riss sowie vergleichende Untersuchungen zur Übertragbarkeit auf Bauteile.
Modellrechnungen zur Ausbreitung der Erschütterungen im Boden, mit denen der Einfluss des Bodenaufbaus, der Materialeigenschaften des Bodens und der Geometrie der Erschütterungsquelle auf die Stärke der Erschütterungen untersucht wurde. Ergebnisse sind auch auf andere Erschütterungsquellen, wie Maschinen, Rammungen oder Sprengungen, übertragbar.