Werkstoffkunde

Ist reversibel

Elastizität = Fähigkeit dazu & Steifigkeit (E-Modul) = Widerstand dagegen.

Zähigkeit und Sprödigkeit:

-> Zäh = Bei Belastung Verformung erst elast, dann plast, dann brechen.

-> Spröde = Wenig elast Verformung, dann direkt Bruch

Perlit = Ferrit und Zementit

Ledeburit = Austenit und Zementit

-> Hängt mit der Fließgrenze zusammen

-> Je mehr die Gitterstörungen am Wandern gehindert werden, desto höher ist Festigkeit und Härte

-> Härte geringer je größer der Abstand ziwschen den übereinander gleitenden Gitterelementen ist, da in der Richtung Bindungskräfte kleiner. Z.b. Krz geringere Härte als hdp und kfz.

Ermöglicht Ermittlung von Festigkeits-/Verformungs-kennwerten:

-> E-Modul (Elastizitätsmodul (V)

(Spg die es benötigt damit Lo (Anfangslänge) verdoppelt)

-> Elastizitätsgrenze Rp (F)

-> Streckgrenze Re (F)

-> 0,2 Dehngrenze Rp0,2 (F)

-> Zugfestigkeit Rm (F)

-> Bruchdehnung A (V) = Lu-Lo/Lo

-> Brucheinschnürung Z ist Maß für Zähigkeit(V) = So-Su/So

(So = Durchmesser Anfang, Su = nach Bruch, schmalste Stelle)

-> Poison Konstante μ

Probe wird gleichmäßig gezogen bis zum zerreisen.

Die Probenverlängeung wird in Abhängigkeit der Belastung aufgetragen.

-> Kraft-Verlängerungs (Längenänderng auf Belastung bezogen) &

Spannungs-Dehnungs-Diagramm:

Spannung MPa: omega = F (Zugkraft)/S0 (Anfangs Druchmesser)

Dehnung = Epsilon = Lu - Lo / Lo

(Länge bei Bruch / Anfangslänge)

-> Hooksches Gesetz: omega = Epsilon * E

Bis dahin Spg und Dehnung Proportional, da rein elastisch. Danach auch plastisch

Dient der “Zähigkeits” bestimmung,

die Fähigkeit eines Werkstoff sich oberhalb einer Belastung plastisch zu verformen.

Ist nicht vom Werkstoff festgelegt, sondern viele Faktoren beeinflussen & vermindern sie.

-> Kerben

-> Oberflächenfehler

-> Härten

-> Schleifen

-> niedrige Temperaturen

-> schnelle Lasteinwikungen

-> grobkörniges Gefüge

-> Alterung

-> hdp-/krz-Gitter, weil diese wenig Gleitsysteme haben und eine höhere kritische Schubspannung benötigt wird als im kfz Gitter.

Kerbschlagarbeit = Av

KV150 = 40J (Kerbschlag V Kerbe, 150J Pendel, Av = 40J)

-> C-Gehalt höher = Abnahme

-> Korngröße kleiner = Zunahme

-> Warmverformung = gleichmäßige und feinkörnige Gefüge = Zunahme

-> Allgemein Temp niedriger = Sprödbruchneigung steigt (!!! bei krz Gitter)

Da Beweglichkeit der Gitterbausteine sinkt, Gleitvorgänge erschwert (notwendig für Verformung)

kfz Gitter Werkstoffe sind nicht Temp abhängig, da höheres Gleitvermögen bei plastischer Verformung.

Ist irreversible, wenn Belastung ein gewisses Maß überschreitet (Fließgrenze).

Umformbarkeit = Fähigkeit dazu

Ohne diese würde ein WK direkt brechen, nachdem die elastische Verformbarkeit überschritten ist.

Gesamtverformung = elast + plast.

(Eine plastische Verformung wird immer von einer elastischen begleitet)

A235 <- Kernladungszahl N+Z = 235-92 = 143 Neutronen

Z92 UR <- Ordnungszahl = 92 Protonen/Elektronen

Die 235 ist auch das Gewicht in g/mol.

Elektronen pro Bahn 2*n^2

Periode = Anzahl Schalen -> Mehr Schalenm -> Größer

Gruppe = Anzahl Valenzelektronen

Elektronen abgeben = positiv geladen = Kation

Elektronen aufnehmen = negativ geladen = Anion

Hohe Korrosions & Temp. beständigkeit der Keramiken wegen ionischen und kovalten Bindungen.

-> Ionenbindung:

• Ab delta EN (Elektronegativität)>1,7

• Spröde, nicht verformbar, starke Bindung, wenn 1-2 Elektronen über sind.

-> Kovalentebindung (Atombindun/Elektronenpaarbindung)

• Bei ähnlicher delta EN, Valenzelektronen werden gemeinsam genutzt.

• Starke Bindung

-> Metallische Bindung

• Auch ähnliche delta EN, Balenzelektronen werden geteilt, aber als sog. Elektronengas (sie können sich im Gitter das sich bildet frei bewegen)

• Geringere Bindung, dadurch gut plastisch verformbar und daher auch gute El. Leitwerte von Metallen.

Anordung der Atome entweder Amorp (Gestaltlos, Schmelze und wenn z.B. schnelle Abkühlung bei Metallen oder kristalline (geordnet, regelmäßige Anordnung in energetisch gutem Gitter)

-> KRZ (Kubisch Raumzenriert):

• PD=68%, gut umformbar wegen Gleitsystemen, z.B. Ferrit

-> HDP (hexagonal dichteste Packung)

• PD=74% (maximum), schlechter kalt umformbar, z.B. Magensium

-> KFZ (Kubisch Flächenmzentriert):

• PD=74%, besonders gut umformbar

-> 0-dimensionale Fehler = Punktdefekte = Leerstellen, Fremdatome

-> 1- = Liniendefekte = Versetzungen

-> 2- = Flächendefekte = Korngrenzen

-> 3- = Volumendefekte = Ausscheidungen & Einschlüsse

Wenn z.B. Erstarrung zu schnell und sich noch nicht alle Atome “sortiert” haben.

Schnelle Abkühlung der Beschuss mit Strahlung zur gezielten Beeinflussung

-> Zwischengitter Atom und Lücke bildet sich, Gitterverzerrt.

Fremdatome:

Ungewollt als Verunreinigung, Gewollt als Legierung.

Gitter wird verzerrt, da Fremdatom größer/kleiner oder Zwischen dem Gitter, dadurch Festigkeitssteigerung.

Sind notwendig für plastische Veformbarkeit eines Metalls.

Reduzieren aber die Belastbarkeit.

Können sich vermehren wenn sie auf Bewegungshindernisse stoßen (Versetzungsaufstau), stets bei plastischer Verformung

Können Kröfte aufeinander ausüben (sich anziehen/abstoßen)

Erstarrung beginnt an vielen Stellen sog. Keimen gleichzeitig.

Jeder Kristall wächst zufällig, dadurch entstehen Korngrenzen. Hier stauen sich Versetzungen, da die Gleitsysteme in vercch. Richtungen zeigen.

Großwinkelkorngrenze außerhalb und Kleinwinkelkorngrenze innerhalb eines Korns.

Mehr Korngrenzen = Höhere Festigkeit

Feine Partikell in Schmelze geratten

Während Abkühlung werden gelöste Fremdatome ausgeschieden

Öfter geziehlt zur Festigkeitssteigerung

-> Kaltverformung (Versetzungsdichte erhöht sich und Leerstellen)

-> Mischkristal (Legierung), einzelne Fremdatome werden gezielt eingebracht.

Dadurch viele kleine Hindernisse für die Versetzungsbewegung-

-> Feinkorn = Viele Korngrenzen erzeugen

-> Ausscheidungsverfestigung, “übersättigung” der Schmelze mit Fremdatomen (mehr als ins Kristallgitter passt), führt zu Ausscheidungen. Diese sind recht massive Hindernisse für die Versetzungsbewegung.

! Verformbarkeit sinkt dabei, Material wird spröder !

Im Lichtmikroskop Perlit = dunkel, Ferrit = hell

-> Hohe Temp = wenig Keime = Grobkonrgefüge

-> Geringe Temp = viele Keime = Feinkörnigeres Gefüge

Bei Erhitzung gibt es Zeiten wo die Temp konstant bleibt, bis alles in den nächsten Zustand gewechselt hat.

Platzwechselvorgang im Gitter, benötigt Energie z.B. durch Wärme.

Diffusion möglich durch Leerstellen, Zwischengitter, von Hoher zu geringer Konzentration.

-> Schnellere Diffusion wenn Temp höher (da Gitterlücken dann größer), kleinere Teilchen schneller als größere und schneller in weiteren Kristallstrukturen wie krz.

-> Versetzungen ausrichten mit Wärme

-> X5CrN18-10

X=Hochlegiert, 5=C-Gehalt/100=0,05% und hinten Cr und N direkt in %

-> S235J2

S=Baustahl, 235=Min Streckgrenze 235MPa, J=Min Kerbschalgarbeit 27J, 2=bei -20°C

(K 40J & L 60J, 0=0°C, R=Raumtemp)

-> C35

C=unlegierte Stähle, 35=C-Gehalt/100=0,35%

-> 20MnCr5

niederlegiert, 20=C-Gehalt/100=0,2%, 5=Mn Gehalt, da für Cr nix steht = <1%

!! Teiler !!:

100: N,P,S,Ce

4: Mn, Si, Ni, W, Cr, Co (Man sieht nie 4 Weise Crocodile)

10: Al, Cu, Mo, Ta, Ti, V, Pb, Np, Zr, Be (AlCuMoTaTiV)

1000: B (Bor)

An diesem Punkt, bei dieser Zusammensetzung, hat das “Gemisch” den niedrigsten Schmelzpunkt

Ist der Punkt im Phasendiagramm, bei dem eine 1-Phasige feste Phase z.B. Austenit, beim Abkühlen in zwei andere feste Phasen umwandelt.

• Er definiert die Grenze zwischen untereutektoiden und übereutektoiden Stählen:

  • Untereutektoide Stähle (< 0,8 % C): Bestehen aus Ferrit und Perlit.

  • Übereutektoide Stähle (> 0,8 % C): Enthalten Zementit und Perlit.

Belastungen die in Höhe und Art wechseln (Druck und Zugbelastung) Schwingbelastung, wie z.B. bei Eisenbahnachsen.

-> Führen zur Ermüdung d.h. Abnahme der Werkstoffestigkeit.

1. Pahse: Rissbildung

2. Phase: Stabiles Risswachstum, wird von LAstwechsel zu Lastwechsel größer. Die Spgkonzentration stigt & beschleunigt das Risswachstum.

3. Phase: Gewaltbruch, irgendwann wird der Riss instabil & bricht plötzlich.

Will man die Anrissbildung vermeiden muss Oberfläche hart sein, Kern aber zäh damit es, falls doch ein Riss entstheht nicht direkt reisst.

Auch Streck/Dehngrenze genannt.

Widerstand gegen plastische Verformung.

Belastung < Fließgrenze = Verformung rein elastisch

Widerstand gegen Bruch.

Höchste Spannung die ein Werkstoff erträgt ohne zu brechen.

Z.b. Seile werden hiermit Dimensioniert, andere WKs müssen mit Fließgrenze dimensioniert werden, da sie sich bereits plastisch verformen bevor sie brechen.

Hier ist die plastische Verformung dann noch eine Sicherheitsreserve, bei spröden WKs die über die Festigkeit dimensioniert werden muss man eine solche mit einrechen da der WK bei überbeanspruchung direkt bricht.

Widerstand gegen elastische Verformung.

Entscheidend für Stabilitätsversagen, wann treten Knicke/Beulen auf.

Maß für die plastische Verformbarkeit.

Z.B. beim Tiefziehen große Dehnung, Werkstoff darf nicht reißen.

Widerstand gegen Verschleiß.

Z.b. 2 Oberflächen reiben aufeinander, wie schnell wird dann etwas von der Oberfläche abgetragen.

Nicht für Dimensionierung geeignet, nur als Vergleichswert.

Die obere kristische abkühltemperatur = 100% Martensit.

Bei der untern bilden sich erste Anteile an Martensit.

krz - Raumtemp bis 911°C - Ferrit (Alpha - Fe) - Volumen nimmt zu

kfz bei 911 bis 1392^C - Austenit (Gamma-Fe) - Volumen nimmt ab

krz bei >1392°C - delta-Ferrit (Omega-Fe) - Volumen nimmt zu

ab 1526^C Schmelze

Ac Aufheizkurve und Ar Abkühlkurve für Haltepunkte, da Temp bei Abkühlung leicht unterschiedlich

Bei krz max 0,02% da dieser stärker verzerrt werden muss als der kfz Kristall, hier 2% max.

Nur für Stahl mit perlitischen Gefügeanteilen.

Erhitzen -> Stahl wird wieder zu Austenit, danach langsam abkühlen, Perlit bildet sich neu und ein nun feineres Korn.

Für perlitische Stähle.

Glühen nur bis knapp unter Ac1, Gitterstruktur ändert sich hier also nicht, aber C-Atome sortieren sich im Kern neu und es bilden sich Zementitkügelchen.

-> Besser Kaltumformbar

Kornvergröberung.

Glühen 950-1100°C.

C und Fe-Atome ordnen sich neu, Stähle mit wenig C-Anteil lassen sich danach besser zerspanen.

Wenn Metal stark verformt wird, stauen sich Versetzungen auf & Verfromungstexturen bilden sich.

Zähigkeit und Umformbarkeit sinken, daher erhitzen damit sich dies entspann, feinkörniges Gefüge entsteht und weiteres Verformen ermöglicht. Nutzt z.B. Hufschmied.

So hoch erhitzen das Diffusionsvorgänge schneller ablaufen können.

Nach genügend Zeit sind Legierungselemente dann homogen verteilt.

Keine Gefügeänderung, Eigenspannungen werden beseitigt. Z.b. von Biegen, Tiefziehen.

Im Vergleich zu den vorigen Verfahren wird hier schnell abgekühlt, damit geziehlt ein Nichtgleichgewichtsgefüge (Martensit) entsteht.

Dieser ist extrem hart und fest, aber auch spröde.

Temp für Martensitbildung je nach C-Gehalt anders.

-> Stahl darf nicht rein austenistisch oder ferritisch sein

-> C-Gehlat 0,2 bis 2%, max Härte bei 0,8% HBW700

-> Reinheitsgrad muss ausreichend sein (in Bezug auf Schwefel und Phosphor)

-> Austenitisieren -> Abschrecken -> Anlassen

Austenitisieren:

• Glühen so heiß und lang damit Ferritanteil in Austenit gewandelt wird. C-Gehalt Höher in Austenit -> Zementit löst sich und C-Atome verteilen sich homogen

Abschrecken:

• So schnell abkühlen, dass der Kohlenstoff keine Zementitausscheidungen bilden kann. Kohlenstoff bleibt zwangsgelöst, es bildet sich Martensit. Dieser ist ein verzerrter Kristall, Gitterverzerrungen d.h. Gleitebenen sind gestört und Versetzungen haben es schwerer zu wandern.

Anlassen:

• Stahl nun sehr spröde, daher wird er erneut erhitzt auf 100-400°C (je nach gewünschter Härte und Legierung), es bilden sich feine Eisenkarbidausscheidungen, Kristallgitter entspannt sich etwas & Eigensapannungen bauen sich etwas ab.

Gleich wie beim Härten nur Anlasstemperatur ist Höher.

Dadurch wird zwar Härte wieder verringert, die Zähigkeit nimmt aber erheblich zu. (Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte sinken, dafür steigt Einschnürrung und Dehnung)

Es bilden sich wieder sehr feine Zementitausscheidungen im Gefüge, wird als Vegütungsgefüge bezeichnet.

Vergüten mit Nickel kann bei tiefen Temperaturen die Av Kerbschlagzähifkeit verbessern.

Nötig wenn gleichzeitig hohe Verschleißbeanspruchung und hohe mech Anspruchung. Ziel zäher Kern, harte Randschicht.

Bauteil wird lokal intensiv Erwärmt z.B. durch Flamme, Laser, Induktion und danach in einer Dsuche abgeschräckt.

Durch Einstellung der Intensität der Wärmequelle und Vorschubgeschwindigkeit kann die Einhärttiefe eingestellt werden.

Für Stahl der eignetlich nicht Härtbar wäre, Kohlenstoffarm.

Ziel auch zäher Kern und harte Randschicht.

Stahl wird im Ofen (800-1050°C) geglüht in kohlenstoffhaltiger Atmosphäre.

Dieser kann dann in die Randschicht diffundieren.

Bei allen anderen Härteverfahren startet der Diffusionsvorgang des Kohlenstoff wieder bei hoher Erhitzung und der Martensit verfällt, somit auch die Härte.

Dafür wird Nitrieren genutzt.

Härtet auch die Randschicht, Kern bleibt zäh.

Stahl muss Legierungselemente enthalten die mit Stickstoff die entsprechenden Nitride bilden können.

Stahl wird ebenfalls geglüht, in stickstoffhaltiger Umgebung. Prinzip dann gleich wie beim Einsatzhärten.

Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild.

Stellt den Einfluss der Abkühlgechw auf das entstehende Gefüge dar.

Man kann ablesen welche Abkühlgeschw dann benötigt wird um ein gewisses Gefüge zu erhalten.

Für jeden Stahl sieht dieses anders aus.

S.189 im Skript

-> Ferrit alpha-Fe = krz bis 911°C

-> Austenit gamma-Fe = kfz bis 1392°C

-> Delta-Ferrit delta-Fe = krz bis 1536°C

-> Darüber Schmelze bei > 1536°C

! kfz ist größer vom Volumen als krz.

D.h. Volumen zu und abnahme beim schmelzen/erstarren.

alpha-Fe hat mehr Lücken für Fremdatome z.B. C-Atome als delta-Fe. Überkapazitäten werden dann als Graphit ausgeschieden.

°C + 273K = Temp in K z.B. für Diffusion nötig

Alu = 2,7g/cm^3

Eisen = 7,87g/cm^3

Bereits in der Konzeptionsphase werden Gestalt, Werkstoff und Fertigung gleichzeitig betrachtet.

plastische Verformung

Widerstand gegen elastische Verformung

plastsiche Verformung beginnt

Widerstand gegen elastische Verformung

10000:1

Ionenbindung oder Kovalentebindungen

Diese sind stärker als bei Metallen, daher haben sie einen höheren Schmelzpunkt

Vom Atomgewicht und der Packungsdichte

Im KFZ Gitter

Die Festigkeit nimmt zu und die Umformbarkeit ab.

Sie verzerren die Gleitebenen und behindern so die Versetzungen in ihrer Bewegung.

Die Druckfestigkeit, bei faserverstärkten Werkstoffen ist es in Faserrichtung aber umgekehrt.

-> Rissinitiierung

-> Stabiles Risswachstum

-> Gewaltbruch

Härte

Eine zeitlich zunehmende irreversible Verformung

-> Eutektische Umwandlung:

Übergang Schmelze -> fest

-> Eutektoide Umwandlung:

Übergang innerhalb der festen Phase in eine andere Gitterstruktur krz<->kfz

kfz

austenistische Phase

0,02%

Stähle und Hartguss

Stahl < 2,06% C, Guseisen hat mehr

Perlit Hell/Dunkel Lamellen

Phosphor und Schwefelgehalt ist extrem gering, Daher für Härtung geeignet.

Cr > 13% = Rostfrei

Ni > 8% = austenistisch