Kartenstapel

• fest -> flüssig

• Endotherme Reaktion

• Zunahme Volumen + Temperatur

• Tm (Schmelztemperatur) wird erreicht -> Haltepunkt (Temperatur ist konstant)-> Gitterstrukturen werden aufgebrochen + Atome entfernen sich voneinander (Aufschmelzen) -> nach vollständigen Aufschmelzen steigt Temperatur wieder

• Schmelzwärme/ Schmelzenthalpie -> Energie für Schmelzvorgang

• beim Abkühlen sinkt die Temperatur bis zur Kristallisationstemperatur (Tk) wie eine Exponentialfunktion

• -> Temperatur bleibt konstant -> Haltepunkt (bis vollständigem Erstarren) -> danach kann Temperatur weiter sinken

• Exotherm

  
  

1. Kristallkeime vorhanden

2. Kristallwachstum -> Unterkühlung der Schmelze notwendig ( Unterschreitung der Kristallisationstemperatur)

• Kristallkeime :

  • Eigenkeime: winzige noch nicht aufgeschmolzene Kristallreste (in allen nicht überhitzen Schmelzen)

  • Fremdkeime: Schlackteilchen/ Zusätze -> buwusst eingebracht um Kristallisation zu beeinflussen

• viele Keime = feinkörnige Erstarrung

• wenig Keime = großkörnige Erstarrung

  ==> feinkörniges Gefüge = fester, zäher

• Kristallwachstum bis diese sich gegenseitig stoßen oder keine Schmelze mehr vorhanden ist

bezeichnet eine Struktur aus Kristallen und Verunreinigungen in Metallen und Legierungen

Primärgefüge: erstmalige Formgebung durch Urformverfahren

Sekundärgefüge: Verändert durch Wärmebehandlung, Umwandlungs- oder Umformvorgänge

Ausgangsstoffe des Zweistoffsystems ( Aufschmelzen von 2 Metallen oder Metall + Nichtmetall)

• Temperatur (T)

• Konzentration (c)

• Druck (p)-> meist vernachläddig, da 1 bar Luftdruck ist

  ==> Zustandsschaubild (aus 2 Komponenten) gibt Übersicht über allen möglichen Zustandsänderungen/Legierungen die gebildet werden können

• z.B. Eisen - Blei

• Entmischung bereits in der Schmelze (Eisen schwimmt auf Blei)

• Abkühlvorgang -> 1. Haltepunkt -> fest + flüssig -> 2. Haltepunkt fest + fest ( ungemischt)

• Konzentration irrelevant -> beide Komponenten reagieren unabhängig von c auf Temperaturänderung

  -> sehr selten

• Legierung (da Komponente im flüssigen Zustand gemischt sind)

Im festen Zustand:

1. vollständige Löslichkeit -> gleichartige Mischkristalle entstehen

2. vollständige Entmischung -> Metallgemisch aus reinen Metallkomponenten

3. begrenzte Löslichkeit -> 2 verschiedene Mischkristalle ( höheren Anteil A oder höheren Anteil B )

• Gefüge-Bild unterscheidet sich nicht von dem (völlige Unlöslichkeit im flüssigen + festen Zustand) -> da Einlagerung von Substitutionsatomen nicht sichtbar sind

• Einlagerungsmischkristalle -> Zwischengitteratomen

• Substitutionsmischkristalle -> Substitutionsatomen :

  • Drei Voraussetzungen:

  • gleiche Gittertypen

  • etwa gleiche Atomradien

  • chemische Ähnlichkeit (Anzahl Valenzelektronen + Elektronegativität)

unterschiedlichen Grundbausteine, die aus Komponenten gebildet werden

Halte + Knickpunkte eintragen

1. Knickpunkt= Beginn der Kristallisation

2. Knickpunkt= Ende der Kristallisation

für jede Legierung kann nun der Beginn + Ende von Erstarrung/ Aufschmelzen bestimmt werden

Änderung der Zusammensetzung von Mischkristallen beim Abkühlvorgang -> Mitte der Körner befindet sich größer Anteil der höher schmelzenden Komponente

• die ungerichtete Zufallsbewegung von Teilchen aufgrund ihrer thermischen Energie

• bei ungleichmäßiger Verteilung: Teilchen hoher Konzentration bewegen sich zu Teilchen niedriger Konzentration => Stofftransport => Konzentrationsausgleich (In Schmelze einfach + schnell-> im festen Zustand = deutlich längere Zeiten)

• Platzwechsel durch benachbarten Leerstelle -> geringere Energie wird benötigt als Wechsel auf Zwischengitterplatz

• übliche Abkühlgeschwindigkeit ist keine Diffusion möglich -> Seigerungen

Legierungen mit engen Zweiphasengebieten neigen weniger stark zu Seigerungen als solche mit ausgeprägten Zweiphasengebieten

• lassen sich nicht aus den Einzelnen Komponenten berechnen

  • eingebrachten Gitterverzerrungen nicht proportional zur Konzentration der Legierung

  • stärkste Verzerrung bei ca. 50%

• durch Substitutionsatome -> Zugfestigkeit über max beider einzelnen Komponente (Härte ähnlich)

  • Reduktion Bruchdehnung

  • nicht so drastischen Versprödung wie bei Kaltverfestigung -> immer noch ausreichend duktil

    
    

Summe aller ihm anliegenden Drehmomenten = 0

=> kurzer Hebelarm = größeres Gewicht

=> langer Hebelarm = kleineres Gewicht

• z.B. Antimon (Sb) und Blei (Pb)

• Eutektische Legierung erstarrt nicht im Intervall, sondern bei fester Temperatur -> im Eutektischem Punkt

  • geschieht bei viel niedrigerer Temperatur als bei den einzelnen Komponenten => feines, gleichmäßiges Gefüge mit lamellarer Struktur (feine Schichten die übereinander liegen-> sehr dichte Oberfläche )

  • Ursache: Temperatur lässt nur kurze Wege der Atome zu -> nur Bildung kleiner Kristalle

  • Untereutektische- und Übereutektische Legierungen = Knick- und Haltepunkt

    • Knickpunkt: Unterschreiten der Liquiduslinie

    • Haltepunkt: Unterschreiten der Soliduslinie (Eutektikale)

• höhere Festigkeit als schwächste Komponente

• mechanischen Eigenschaften durch Anteil von Phasen im Gefüge definiert

  • Einfluss von Primärausscheidungen ( Strukturen, die sich aufgrund mangelnder Löslichkeit aus der Schmelze bilden

  • Bis zum Eutektikum steigt Härte um Faktor 3

• nicht für Umformvorgängen geeignet

• für Gießvorgängen besonders geeignet -> dünnflüssig und niedrigschmelzend

• gewünschte kurzbrüchige Späne

  
  

• um Menge und Art der Phasen bei Raumtemperatur darzustellen

• Anteil A und B-Kristalle und Eutektikum für jede Konzentration ablesbar

• Mischkristalle -> Alpha ( an a reich) und Betta ( an b reich)

• Löslichkeit sinkt (meist) mit sinkender Temperatur

  • ausscheidende Komponente bildet eigne Mischkristalle an Korngrenzen (Segregat)

• Für die Segregatbildung sind Platzwechsel notwendig (im festen Zustand sehr langsam )

  • bilden sich an Orten wo keine Gitteratome verschoben werden müssen:

    • Korngrenzen, Anhäufungen von Leerstellen, Versetzungen oder andere Gitterdefekte

• Durch schnelle Abkühlung kann Diffusion -> Segregatbildung verhindert werden

  • übersättigte einphasige Mischkristalle im metastabilen Zustand (Verlangen sich zu verändern -> z.B. durch höheren Energieeintrag möglich )entstehen dabei

• Basis für Stähle und Gusseisen Werkstoffe

• mechanischen Eigenschaften können in großen Bereichen verändert werden

  • Umwandlungsverhalten des Eisengitters

  • Wechselwirkungen zwischen Kohlenstoff und kfz+krz

• kann stabile und metastabile Phasenzustände ausbilden

  • dadurch gut gießbare Eisenwerkstoffe mit anpassbaren mechanischen Eigenschaften realisierbar

• durch Wärmebehandlung oder Legierungselemente Eigenschaften des Eisen veränderbar

• Polymorphie des Eisens (3 Haltepunkte):

  • 1536° 1. Haltepunkt bei der Erstarrung -> Kristalle mit krz-Gitter werden ausgebildet -> δ-Eisen (Delta-Eisen)

  • 1401° Exotherme Festkörperumwandlung (keine Erstarrung mehr) -> kfz-Gitter wird ausgeprägt -> γ-Eisen (Gamma-Eisen)

  • 911° weitere exotherme Festkörperumwandlung -> krz-Gitter (kleinere Gitterkonstanten im Vergleich zu Delta-Eisen)-> α-Eisen (Alpha-Eisen)

    
    

  • 769° Unstetigkeit -> Übergang von paramagnetisch/paraelektrisch (oberhalb) zu ferromagnetisch/ferroelektrischen Eigenschaften (unterhalb) ==> Curie-Temperatur (keine Gitterumwandlung)

• α-Eisen + γ-Eisen für technische Anwendungen relevant

• α-Eisen/Ferrit: Atome können nur Spannungsfrei gelöst werden, die Atomdurchmesser von 15% des Eisenatoms besitzen ; krz-Gitter

• γ-Eisen/Austenit: ….”, die einen Atomdurchmesser von 41% haben ;kfz-Gitter; beste Verformbarkeit; unmagnetisch; etwas höhere Wärmedehnung; löst deutlich mehr Kohlenstoff im Mischkristall

• α-Eisen mehr Gitterlücken -> 0,02% C lösbar, γ-Eisen größere Gitterlücken -> 2,06% C lösbar

• Kohlenstoffkonzentration bis 6,67% praxisrelevant -> da Werkstoff bei hohem C-Gehalt aus spröden Grafit besteht =>praxis irrelevant

• man geht von einem nahezu unendlich langsamen Abkühlvorgang aus => für Gusseisenanwendungen interessant

• 4,3% Kohlenstoffkonzentration (eutektischer Punkt) => Schmelztemperatur des reinen Eisens sinkt durch gelösten C von 1536° auf 1147° => sehr gut fürs gießen geeignet (dünnflüssig, keine starke Neigung zu Seigerungen + Lunkerbildung [Hohlraumbildung]

• bis C-Konzentration von 2% homogene Gamma-Mischkristalle entstehen (langgestreckte Forme mit Seitenästen => Tannenbaumkristalle / Dendriten) => Schmiedbaren Stählen

• Sobald Ledeburit im Gefüge vorhanden => Versprödung des Werkstoffes => keine Kalt-/ Warmumformung mehr möglich

• Abkühlung aus der Schmelze im untereutektischen Bereich (C-Gehalt 3,1%)

  • Unereutektischen Legierung: Verhalten wie abnehmende Löslichkeit im festen Zustand -> im Überfluss vorhandene Komponente in der Schmelze wird ausgeschieden

  • Gamma-Mischkristalle die max 2% C im Austenit einlagern können

  • restlichen 1,1% in Form von Eutektikum Ledeburit aufgenommen

  • C-Konzentration im aus feinkörnigen Gamma- Mischkristallen+ Zementit => 4,3% im Verhältnis 1:1 (Reine Gamma-Mischkristalle und Ledeburit)

• übereutektischen Legierung: scheiden Fe3C Kristalle aus -> C-Konzentration der Schmelze sinkt bei sinkender Temperatur

  • unterschreiten der Soliduslinie = Bildung Ledeburit => mitFe3C (Primärzementit) stellt das Gefüge dar

1. unterperlitischen/ untereutektoiden Stählen: C-Gehalt < 0,8%

   • Oberhalb GS-Linie = ungesättigte Gamma-Mischkristalle

   • Unterschreitung der GS-Linie = Gamma-Alpha Umwandlung

   • sinkende Temperatur zu steigenden C-Gehalt (+ steigendem Ferrit-Anteil) => dabei entsteht im Austenit in der 2.Phase durch umklappen krz-Ferrit

   • bei langsamer Abkühlung: besteht immer aus Ferrit + noch nicht umgewandelten Gamma-Kristallen mit C-Gehalt von 0,8% bei 723° (Erreichen der PSK-Linie)

   • Danach Umwandlung in Ferrit + Zementit (da Ferrit nicht so viel C aufnehmen kann wie Austenit -> überschüssige C diffundiert in Nachbarbereiche)

• Perlit (Zementit) neben Ferrit bei Raumtemperatur

• überperlitsichen Stählen C-Gehalt > 0,8%

• langsame Abkühlung : Oberhalb der Linie SE = ungesättigte Gamma-Mischkristalle -> sinkende Temp.= sinkender C-Gehalt entlang der Linie => C-Atome diffundieren dabei aus den Gamma-Mischkristallen und lagern sich an den Korngrenzen als Sekundärzementit-Kristalle ab

• an PSK Linie : Gamma-Mischkristalle mit 0,8% C-Anteil und Sekundärzementit

• Unterschreitung der PSK: Austenit in Perlit um

• zunehmender Kohlenstoffgehalt:

  • Zementitgehalt nimmt etwa linear zu

  • linearen Anstieg der Härte (HB)

  • linearen Anstieg der Zugfestigkeit (Rm) bis 0,8% C und Abfall ab ca. 1% C

    => solange Zementit im Perlit vorliegt steigt Rm -> Ausbildung Zementit an Korngrenzen

  • Brucdehnung nimmt ab (Aufgrund der spröden Eigenschaften des Zementit)

1. zäher Stahl = C-Gehalt < 0,2%

2. Kompromiss Zähigkeit und Härte = 0,2% - 0,8%

3. hohe Festigkeit + Zähigkeit egal = 0,8% - 2%

• Steigendem C-Gehalt:

  • verbesserte Gießbarkeit (bei C-Gehalt <2% jedoc noch hohe Gießtemperatur benötigt)

  • verbesserte Zerspanbarkeit

  • verschlechterte Warmumformbarkeit und Kaltverformung (oberhalb 0,8% gar nicht mehr möglich)

  • verschlechterte Schweißeignung (bis 0,25% besonders gut Schweißbar)

• 0,2 - 0,6 % sehr harte Gefüge entstehen durch Wärmebehandlung => z.B. Martensit

• da durch die Anpassung der Abkühlgeschwindigkeit, die Umwandlung verändert oder gar verhindert werden kann => neue Gefüge können dabei entstehen und Anteile sich verändern

  • Festigkeit, Härte, Verformbarkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit lassen sich durch die Abkühlgeschwindigkeit verändern => Können mithilfe Härteprüfverfahren und metallografischen Verfahren untersucht werden

• nur ein bestimmter Stahltype (Verzicht auf Konzentration der Legierung) => Gilt immer nur für einen Werkstoff

• geben die Gefügeausbildung eines bestimmtem Stahls in Abhängigkeit der Abkühltemperatur wieder

  
  

• untersuchte Stähle etwa 30-50° über ihrer Gamma-Alpha Umwandlungstemperatur (Austenitisierungstemperatur) bei der Linie GSK erwärmt ->Gesamter C löst sich in kfz-Austenit => feste Lösung Fe und C vorliegen

• bei langsamer Abkühlung: Umwandlung Austenit in Alpha-Ferrit an der G-S Linie und Austenit in Perlit an der P-S Linie

• Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit = Umwandlungstemperatur reduziert, Gefügestrukturen vereinfacht

• Extreme Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit: Umwandlung von Austenit in Alpha-Ferrit oder Perlit nicht mehr möglich (nicht mehr ausreichend Zeit zu Diffusion) => wird dann ins extrem harte und spröde Martensit umgewandelt (stark verspanntes krz-Gitter und im Gefüge als nadelförmige Struktur) ==> kritische Abkühlgeschwindigkeit

1. bestehend aus Ferrit (helle Körner) und Perlit (gestreifte Körner durch dunklen Zementit)

2. Martensit -> nadelförmige Strukturen

3. Bainit => schneller Abkühlung, jedoch keine Abschreckung (nicht besonders charakteristisch => schwer ablesbar)

• Die Zeit wird genommen, da Abkühlgeschwindigkeit schwer messbar ist

• kann nur anhand eingezeichneter Abkühlkurve abgelesen werden

• Gefügeuntersuchungen für die ZTU-Schaubilder erfolgen metallografisch + Gefügeumwandlungen werden durch Längenänderung der Proben bestimmt

  
  

• dickere Werkstücke lassen sich durchhärten

• dünnwandigere Werkstücke können auch mit milden Abschreckmedien wie Öl abgeschreckt werden

  => Thermospannungen im Material werden auf ein Minimum reduziert

• maximal erreichbare Härtewerte können mit zunehmenden C-Gehalt weiter erhöht werden (Aufhärtung)

• nicht Teil der Messung, beeinflussen diese aber:

• Austenitisierungstemperatur und -dauer, hinzulegierte Elemente

  • Legierungselemente verlängern die Gefügeumwandlung (durch Behinderung der C-Diffusion)

    • Legierte Stähle zeigen niedrigere kritische Abkühlgeschwindigkeit => optimale Gefüge Zusammensetzungen fallen leichter (vor allem Martensit)

    • hohe Austenitisierungstemperatur=geringe Anzahl von Keimen und grobes Korn => Verschiebung Perlit und Ferrit zum späteren Zeitpunkt

• Werkstücke werden kurz im beheizten Blei/Salzbad über Ms (Martensitlinie) abgekühlt und bei gleicher Temperatur gehalten -> Abkühlvorgang wird unterbrochen (isothermen halten)-> Umwandlung in Bainit

• vom Querschnitt abhängig

• in Hektosekunde angegeben

• ob Durchhärten möglich bzw. bis welcher Werkstofftiefe

• in Öl: Halbsolange Abkühlzeiten wie Wasser

• Luft: Faktor 50 langsamer als in öl

gleichbleibende oder allmählich zunehmende Belastung

• Brinellprüfung

  • weichen bis mittelharten Werkstoffen

  • Hartmetallkugel wird in Oberfläche des Werkstückes gedrückt-> Durchmesser je nach Werkstoffdicke variierend => Durchmesser des Eindrucks wird gemessen

  • plangeschliffene Oberfläche

• Vickersprüfung

  • Verhältnis von Prüfkraft zu Eindruckoberfläche

  • dünnen Blechen, Schichten und Werkstücken aus gleichmäßig aufgebauten Werkstoffen

  • vierseitige Pyramide aus Diamant mit 136°Winkel

  • plangeschliffene Oberfläche

  • HV = (0,102*F*1,8544)/d^2

• Rockwell C

  • ohne Vorbehandlung der Oberfläche

  • Diamantkegel mit 120°

  • zuerst mit Prüfvorkraft (um unsaubere Oberfl. auszugleichen )

  • elastische Rückverformung tritt ein => Rockwällhärte HRC entspricht der bleibende Eindrucktiefe

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schlagartige Belastung