Table Of ContentDK 620.178.322.3 669.127.8.·172
FORSCH U NGSBE RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH E I N-WESTFALE N
Herausgegeben von Stoatssekretăr Prof. Or. h. c. lea Brandt
Nr.410
Prof. Dr. phil. Franz Wever
Prof. Dr. rer. techn. Albert Kochendorfer
Dr. phil. nat. Max Hempel
Dipl.-Phys. Emil Hillnhagen
Max-Plonck-Institut fur Eisenforschung, Dusseldorf
Biegewechselversuche mit Flachpraben aus Alpha-Eisen
Einkristallen zur Bestimmung der Wechselfestigkeit und
der Gleitspuren
Ah Manuskript gedruckt
Springer Fachmcdien Wiesbaden GmbH
1957
ISBN 978-3-663-03564-0 ISBN 978-3-663-04753-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04753-7
Ursprunglich erschienen bei Wcstdeutscher Verlag/KOIn Dud Opladen 1957
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Gliederun~
A. Einleitung · . . . . . . . . s. 5
B. Wechselbeanspruchung und Dauerschwing-
. . . . . . . . . . . . . .
festigkeit · . . . . . . . . s. 6
c.
Bisherige Untersuchungen tiber Verformungser-
scheinungen an Kristalloberflachen · S. 11
D. Verfahren zur Herstellung von Einkristallen • • · s. 14
E. Versuchsdurchftihrung · · · s. 17
. . .
I. Ausgangswerkstoff · · s. 17
II. Einkristall-Herstellung · • · S. 20
.
III. Form und Bearbeitung der Proben •••• · · · S. 23
· . . .
IV. Bestimmung der Kristallorientierung · · · S. 26
. . . . . .
V. Statische Versuche • • · . . s. 28
. . . . . . . . . . . .
VI. Dauerschwingversuche • • · . . s. 28
.
F. Versuchsergebnisse · · · S. 33
I. Statische Kennwerte · · S. 33
II. Dauerschwingversuche · s. 35
1. Wohler-Linien · · · S. 35
. . . . . .
a) Einkristallproben · s. 35
b) Vielkristallproben · · s. 38
c) Bruchlastspielzahl und Oberflachen-
·
zustand . s. 38
2. Metallographische Untersuchungen • S. 41
a) Einkristallproben · s. 41
b) Zweikristallproben • • • S. 52
c) Dreikristallprobe •• • S. 61
d) Vielkristallprobe ••• • • • • · . . s. 65
. . . . . . s.
e) Gleitspuren und RiBbildung 69
. . . . . . . . . . . . . .
G. Folgerungen s. 79
· .
I. Biegewechselfestigkeit und statische Kennwerte S. 79
. . . . . .
II. Biege- und Zugdruck-Wechselfestigkeit •••• s. 84
III. Spannungsverteilung und Gleitspurenbereich ••• S. 85
IV. Wechselfestigkeit und Kristallorientierung S. 86
. . . . . . . . . .
V. Gleitspuren und Kristallorientierung S. 89
. . . · . .
VI. Gleitspuren und RiBverlauf S. 94
. . . . . . . . .
H. Zusammenfassung S. 96
. . . . . . . · . .
J. Literaturverzeichnis • S. 98
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Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
A. E i n 1 e i tun g
Die Metalle sind in ihrer technischen Verwendungsform vielkristallin; sie
bestehen aus einer Vielzahl von kleinen Kristalliten verschiedener kristal
lographischer Orientierung. Gegenuber einer mechanischen Beanspruchung,die
zu elastischen oder plastischen Verformungen fuhrt, verhalt sich ein der
artiger Werkstoff quasi-isotrop, d. h. das anisotrope Verhalten der einzel
nen Korner wird ausgemittelt und tritt nach auBen nicht mehr in Erschei
nung. Deshalb konnen die grundlegenden GesetzmaBigkeiten tiber das mechani
sche Verhalten kristalliner Stoffe nicht an Vielkristallen, sondern nur an
Einkristallen, deren kristallographische Achsen bezuglich eines raumfesten
Koordinatensystems in allen Punkten dieselbe Lage haben, untersucht wer
den; ihre auBere Form kann dabei beliebig seine
Solche Untersuchungen sind bisher vorwiegend bei einsinnigen Zug-, Biege
oder Verdrehbeansprunchungen durchgeftihrt worden (1,2). Sie haben zusam
men mit theoretischen Uberlegungen (3,4) die Erkenntnisse tiber die mecha
nischen Eigenschaften der Kristalle wesentlich gefordert; die hierbei ge
wonnenen Ergebnisse konnten mit Erfolg auf das Verhalten von Vielkristallen
angewendet werden (5).
Neben den einsinnigen Beanspruchungen treten in der Praxis haufig wechseln
de Beanspruchungen auf, so bei Kurbelwellen, Brucken, Eisenbahnradern und
-schienen, Federn usw. Unter diesen Beanspruchungen zeigen die Werkstoffe
andere Festigkeits- und Formanderungseigenschafteh als bei einsinniger Be
anspruchung. Die Verhaltnisse sind bei Vielkristallen zwar weitgehend ex
perimentell untersucht und ftir die Bedtirfnisse der Praxis befriedigend ge
klart worden (6-9), aber die Erkenntnisse tiber die sich im Werkstoff ab
spielenden Vorgange sind noch gering (10). Eine Vertiefung der Erkenntnis
se ist deshalb auch bei dieser Beanspruchungsart durch Untersuchungen an
Einkristallen notwendig. Besonders erwlinscht ist es, diese Untersuchungen
an durchzufuhren, da die meisten Versuche an Stah
~-Eisen-Einkristallen
len mit vielkristallinem Aufbau vorg.enommen wurden.
Im folgenden wird tiber derartige Versuche berichtet; entsprechende Ver
gleichsversuche wurden auch an Vielkristallproben gleicher chemischer Zu
sammensetzung durchgefuhrt, urn eine Verbindung zu den an Einkristallen er
haltenen Ergebnisse herzustellen. Der vorliegenden Untersuchung lagen fol
gende Aufgaben zugrunde:
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
1) Herstellung von 0(- Eisen-Einkristallen in Blechform nach dem Rekristal
lisationsverfahren.
2) Bestimmung der WOHLER-Linien und der Wechselfestigkeitswerte an Einkri
stall- und Vielkristallproben des gleichen Werkstoffes.
3) Ketallographische Untersuchungen der Verformungserscheinungen an der
Oberflache wechselbeanspruchter Proben.
Ehe tiber die Versuche und ihre Ergebnisse selbst berichtet wird, solI in
den Kapiteln 13 bis D ein Uberblick tiber die Grundbegriffe der Wechselbean
spruchung, tiber die bisherigen Beobachtungen von Verformungserscheinungen
an sowie tiber die Herstellung von Einkristallen vor
~ristalloberflachen
angestellt werden.
B. W e c h s e 1 b e a n s p r u c hun gun d
D a u e r s c h win g f est i g k e i t
line bestimmte mechanische Beanspruchung ruft in einem Werkstoff je nach
GroBe und Dauer der Beanspruchung eine elastische oder plastische Forman
derung oder einen Bruch hervor. Bei den Formgebungsverfahren, z.B. beim
Walzen, Schmieden, Ziehen, Pressen usw. werden die Bedingungen, wie Tem
peratur, Verformungsgrad, Beanspruchungsgeschwindigkeit u.a. so gewahlt,daB
der Werkstoff in kurzer Zeit verhaltnismaBig groBe plastische Formanderun
gen erfahren kann. In Bauwerken und Maschinen dtirfen jedoch die Beanspruch
ungen nur so groB sein, daB gegebenenfalls auftretende plastische Verfor
mungen gentigend klein bleiben und daB auch nach langen Belastungszeiten -
von Fall zu Fall verschieden groB - kein Bruch eintritt. Die unter gege
benen Bedingungen zulassige Beanspruchung wird durch Dauerversuche in der
Weise festgestellt, daB die Hohe der Beanspruchung geandert und die jewei
lige plastische Verformung sowie die Zeitdauer bis zum Bruch bestimmt wird.
Die zulassige Beanspruchung istdann diejenige, bei der bei vorgegebener,
gentigend langer Zeit weder eine unzulassig groBe plastische Verformurtg
noch ein Bruch eintritt.
Die in der Praxis auftretenden Beanspruchungen sind sehr vielfaltig; sie
werden in Langzeit- oder Dauerversuchen durch bestimmte, leicht
tib~rseh-
bare Beanspruchungen, die beaondere Grenzfalle darstellen, erfaBt. In Ab
bildung 1 ist der zeitliche Verlauf der Kraft ftir die wichtigsten Bean
spruchungsfalle dargestellt. Teilabbildung a stellt die ruhende Belastung
mit einer zeitlich unveranderlichen Kraft dar; aie ist etwa in Druckbehal
tern, Dampfkesseln und in Bauwerken,die keinen starken Erschtitterungen ausge-
Sei te 6
Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
setzt sind, verwirklicht. Teilabbildung b zeigt den Kraftverlauf bei wie
derholter, schlagartiger Beanspruchung; sie wird z.B. an SchienenstoBen,
Nockenwellen und PreBluftwerkzeugen hervorgerufen. Teilabbildung c gibt
eine sinusformig veranderliche Kraft in Abhangigkeit von der Zeit wieder,
die z. B. in Kurbelwellen und Ventilfedern auftritt. Eine Uberlagerung al
ler drei Beanspruchungsarten kommt z. B. bei Brticken, Tragfedern usw. vor.
t-
b)
~lPt\ 7\1\
t
__ '" J3J3 J
u
c)
A b b i 1 dun g 1
Zeit-Kraft-Verlauf bei verschiedenen Beanspruchungsarten
a) ruhende Beanspruchung
b) schlagartige Beanspruchung
c) wechselnde Beanspruchung
Wirkt jede einzelne der genannten Beanspruchungen oder eine Uberlagerung
verschiedener Belastungsarten tiber langere Zeitraume auf ein Bauteil ein,
so werden diese Beanspruchungen allgemein als Dauerbeanspruchungen bezeich
net. Besteht die Beanspruchung aus der Uberlagerung einer ruhenden und ei
ner rein sinusformigen Last, so spricht man von einer Druck- bzw. Zugschwell
beanspruchung, wenn nur Druck- bzw. Zugkrafte auftreten, und von einer Wech
selbeanspruchung im engeren Sinn, periodisch wechselnde Druck- und
~enn
Zugkrafte gleichzeitig auftreten, Abbildung 2 (s. S. 8).
Bei den letztgenannten Dauerschwingbeanspruchungen werden nach Abbildung 3
(s.S. 9) die einzelnen Spannungsanteile folgendermaBen bezeichnet (11):
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Seite
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
fft
Schwellbereich.
-Schwellbereich
(Zug)
(Druck)
A b b i 1 dun g 2
Bereiche der Wechselbeanspruchung (nach DIN 50 100)
statischer Anteil (Kittelspannung): d
m
Amplitude des schwingenden Anteiles
(Spann~~gsausschlag): 6
a
groBte Spannung (Oberspannung): 6
o
kleinste Spannung (Unterspannung): 6
u
Aus Abbildung 3 geht hervor, daB
6 m :c -12 (6 0 + 6 u ) und 6 a ,.. -12 ( 6 0 - 6 u ) i 8 t •
Dabei werden Zugspannungen positiv, Druckspannungen negativ gerechnet.
Die sinusformige Beanspruchung mit 6 = 6 6 und 6 = 0 wird im beson-
a 0 :c - u m
deren als reine Wechselbeanspruchung bezeichnet. Um einen tlberblick tiber
das Verhalten eines Werkstoffes zu bekommen, wird im allgemeinen zunachst
diese Beanspruchung angewandt, da von ihr aus sieh das Verhalten unter all
gemein wechselnder Beanspruchung am besten beurteilen laBt. Auch in den
folgenden Versuchen an Ein- und Vielkristallen wird diese Beanspruchungs
art benutzt und daher weiterhin allein betrachtet.
Dauerschwingversuche werden meist in folgender Weise durchgeflihrt: Eine
Probe wird zunaehst so hoeh belastet, daB sieh der Bruch erfahrungsgemaB
nach wenigen Tausend Lastspielen einstellt. Die Belastung der weiteren Pro
ben wird dann stufenweise so weit vermindert, bis nach genugend langer Be
anspruchungsdauer kein Bruch mehr eintritt. Die Auswertung solcher Dauer
versuche erfolgt nach DIN 50 100(11) in der Weise, daB die Spannungsampli
tude + 6 in Abhangigkeit von der Lastspielzahl N, bei der der Bruch ein-
a
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
1 Lastspiel
A b b i 1 dun g 3
Begriffe und Zeichen des Dauerschwingversuches (schematisch)
Es bedeutena 6 Oberspannung
o
6 Unterspannung
u
1
(5 = - (6 + 6 ) Mittelspannung
m 1 u
6 = (60 6 ) Spannungsausschlag
a 2 0 u
tritt, in einem halblogarithmischen Koordinatensystem aufgetragen wird.
Die durch diese Versuchspunkte gelegte Kurve, die als WOHLER-Linie bezeich
net wird, hat allgemein die in Abbildung 4 gezeigte Form. Sie bringt zum
Ausdruck, daB die Lastspielzahl mitabnehmender Spannung stetig zunimmt
und bei einer von Null verschiedenen Spannungsamplitude sehr groB wird. Es
hat demnach den Anschein, als ob eine von Null verschiedene Amplitude 6
a
= 6 besteht, flir die die Bruchlastspielzahl N unendlich wird, d. h. die
w
WOHLER-Linie eine waagerechte Tangente besitzt. Experimentell laBt sich
grundsatzlich nicht feststellen, ob dieser Sachverhalt da nur
zutrifft~
endliche Lastspielzahlen angewandt werden konnen und bei diesen die WOHLER
Linien vieler Werkstoffe einen hinreichend langen, zur Abszisse parallelen
Ast besitzen. Die WOHLER-Linien anderer Werkstoffe weisen dagegen, selbst
nach den hochsten praktisch erreichbaren Lastspielzahlen, noch eine gerin
ge Neigung auf.
Flir die Werkstoffe, deren WOHLER-Linien in einem groBeren Bereich der un
tersuchten Lastspielzahlen einen horizontalen Verlauf zeigen, wie dies bei
Stahlen bei nicht zu hohen Temperaturen meist festgestellt wird (vgl.Abb.4 ,
ist die Vorstellung gebildet worden, daB sich dieser waagerechte Verlauf
Sei te 9
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107
Lastspielzahl N
A b b i 1 dun g 4
WOHLER-Linie in halblogarithmischer
Darstellung (schematisch)
bis zu beliebig hohen fortsetzt. Entsprechend dieser Vor
Lastspielza~len
stellung wird die Spannungsamplitude des horizontalen Astes der WOHLER
Linien als Wechselfestigkeit bezeichnet. In den Fallen, in denen die WOHLER
Linien innerhalb der untersuchten Lastspielzahlen einen stetig abfallen
den Verlauf besitzen, kann aber nicht gesagt werden, ob sie bei hohen Grenz
lastspielzahlen noch einen waagerechten Verlauf annehmen oder auf den Span
nungswert Null abfallen. Es sind daher im Laufe der Zeit Zweifel aufgetre
ten, ob die Werkstoffe, deren WOHLER-Linien zunachst innerhalb der Versucha
fehler waagerecht verlaufen tatsachlich eine von Null verschiedene Dauer
t
schwingfestigkeit besitzen. 1m technischen Sprachgebrauch wird unabhangig
von der Klarung dieser Frage von der Dauerschwingfestigkeit eines Werkstof
fes gesprochen und darunter die Spannungsamplitude verstanden, bei der bei
6 8
einer Yorgegebenen, genugend hohen Lastspielzahl, z.E. von 10 bis 10 , die
Proben gerade nicht mehr brechen. Die zweite der angegebenen Lastspielzah
len entspricht bei einer Prufrequenz yon 50 Hertz in ublichen technischen
Prtifmaschinen einer Versuchsdauer von etwa 23 Tagen. Bei einer Pruffrequenz
von 250 oder 500 Hertz (Hochfrequenzpulser) betragt die in gleicher Zeit Ar
reichbare Lastspielzahl etwa 5 • 108 oder 109• 1m allgemeinen werden jedoch
7 8
die Dauerverauche nur bis zu einer Grenzlastspielzahl von 10 bis 10 durch
gefuhrt.
Sei te:1 0
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Die Theorie der Wechselfestigkeit (2, 12) ist noch nicht so weit durchge
bildet, daB sie eine Aussage dartiber erlaubt, ob eine wahre Wechselfestig
keit besteht oder nicht. Es gibt aber Anhaltspunkte daftir, so z.B. das Auf
treten von Gleitlinien im Laufe einer Wechselbeanspruchung (13), daB ein
einmal angenommener waagerechter Teil der WOHLER-Linien beibehalten wird,
wenigstens nicht bei zu hohen Temperaturen.
Bei den vorliegenden Untersuchungen wird die bei einer Lastspielzahl von
5 • 107 ohne Bruch ertragbare Spannungsamplitude als Wechselfestigkeit be
zeichnet. Diese Lastspielzahl hat sich daraus ergeben, daB die Versuche
noch mit ertraglichem Zeitaufwand durchgefUhrt werden kennen und die WOH
LER-Linien dabei bereits eine so geringe Neigung aufweisen, daB ein Ver
gleich zwischen den Ergebnissen von Ein- und Vielkristallen meglich ist.
c.
B ish e rig e U n t e r s u c hun g e n ti b e r
V e r for m u n g s e r s c h e i nun g e nan
K r i s tal lob e r f 1 a c hen
In den letzten Jahren gewann die physikalische Werkstofforschung und ins
besondere das Studium der Verformungsvorgange in Metallkristallen eine ste
tig zunehmende Bedeutung. Die zur Aufstellung einer Theorie der Kristall
plastizitat (2,3) notwendigen experimentellen Ergebnisse wurden aus den in
der Einleitung genannten Grtinden an Einkristallen erhalten.
Die makroskopischen Erscheinungen bei der Verformung eines Einkristalls un
ter ruhender Belastung zeigen, daB die Plastizitat anisotrop, d.h. rich
tungsabhangig ist. J.A. EWING und W. ROSENHAIN (15) beobachteten erstmalig
das Auftreten von Gleitlinien an vielkristallinen Werkstoffen bei verschie
denen Beanspruchungsarten. Das Auftreten solcher Verformungslinien an Ein
kristallen beschreibt zuerst E.N. da C. ANDRADE (16). Die auf Metallober
flachen sichtbaren Gleitlinien sind Spuren der im Innern des Werkstoffes
wirksamen Gleitebenen und ftihren zu dem wichtigen SchluB, daB die plasti
schen Verformungen kristallographisch bestimmt sind und auf einem
Verschie~
ben von Kristallbereichen langs der durch das Atomgitter festgelegten Ebe
nen und Richtungen mit Hilfe wandernder Versetzungen beruhen. Aus zahlrei
chen untersuchungen an Werkstoffen, die verschiedenen Kristallsystemen ange
horen, geht durch die Bestimmung der Lage des betatigten Gleitsystems ge
gentiber den kristallographischen Achsen hervor, daB die Gleitebenen meist
mit den dichtest besetzten Gitterebenen und die Gleitrichtungen mit den
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