Werkstoffkunde

• Rohstoffe: Erze, Kohle, Erdöl

• werden zu:

  • Werkstoffe: Metallische/Nichtmetallische Werkstoffe, Verbundstoffe

  • Hilfsstoffe: Brennstoffe, Schmierstoffe,Kühlmittel, Reinigungsmittel

• Eisenwerkstoffe und Nichteisenwerkstoffe

• Schmelzpunkt:

  • niedrigschmelzend <=700°C

  • hochschmelzend <2000°C

  • höchstschmelzend >=2000°C

• Dichte:

  • Leichtmetalle <4,5g/cm³

  • Schwermetalle >4,5g/cm³

• Beständigkeit:

  • chemisch edle Metalle (Edelmetalle)

  • chemisch unedle Metalle

• Dichte

• Elastizität

• elektrische Eigenschaften

• thermische Eigenschaften

• Verformbarkeit

• Härte

• Zähigkeit

• Festigkeit

• Dehnung/Bruchdehnung

• Gießbarkeit

• Umformbarkeit

• Schweißbarkeit

• Härtbarkeit

• Zerspanbarkeit

• Eisenwerkstoffe: reines Eisen, Stahl, Gusswerkstoffe

• Nichteisenwerkstoffe: Leichtmetalle, Schwermetalle (Edelmetalle, unedle Metalle, Buntmetalle, Weißmetalle)

• Nichtmetalle:

  • Naturstoffe: (Leder, Holz, Asbest)

  • abgewandelte Naturstoffe (Celluloid, Zellglas, Vulkanfiber)

  • vollsynthetische Kunststoffe (PVC, Polystyrol, Polyethylen)

• geringe Lichtdurchlässigkeit

• hohe Festigkeiten bie hohen und tiefen Temperaturen

• typische Bindungsart: Metallbindung

• hohe Leitfähigkeit für elektrischen Strom

• hohe Wärmeleitfähigkeit

• gut plastisch verformbar

• kfz-Gitter (Ni, Al, Cu, Pb, Mn) => in Würfel auf jeder Fläche in der Mitte ein Atom

• krz-Gitter (V, Cr, Mo) => in Würfel genau im Zentrum noch ein Atom

• hdp [hexagonal dichteste Kugelpackung] (Mg, Zn) =>oben 7 mitte 3 unten 7 in 6eck

Da jeder Kristall Kristallbau-/Gitterbaufehler aufweist wird die gesamtheit dieser Abweichungen als Realstruktur/kristall bezeichnet.

• Nulldimensionale/Punktförmige Fehler: (passiert bei Übergang von fest nach flüssig)

  • Fehler im atomaren Aufbau der Kristalle

  • z.B. Leerstelle, Zwischengitteratom, Einlagerungsatom, Austauschatom

• Eindimensionale/linienförmige Fehler:

  • Gitterlinien werden beim (plastischen) Biegen von Metallen versetzt (Kaltumformung)

  • bringt dem Werkstoff zusätzlich Festigkeit

• Zweidimensionale/flächenförmige Fehlstellen

  • flächenartige Fehler im Kristallaufbau

  • Leerstellenzonen

  • Korngrenzen: Grenzflächen zwischen einzelnen Kristallen (Körnern) innerhalb eines Festkörpers. Entstehen beim Erstarren einer Schmelze, wenn wachsende Kristalle mit unterschiedlicher Ausrichtung aufeinandertreffen

  • Zwillingsgrenzen: spezielle Form der Korngrenze, bei der die Atomanordnung exaktes Spiegelbild der anderen Seite ist

• Dreidimensionale/räumliche Fehler

  • räumliche Fehler im Kristallbau

  • Einschlüsse, Poren, Ausscheidungen, Risse

Durch Realstruktur werden wichtige Werkstoffeigenschaften (mechanisch-technologische oder Verarbeitungseigenschaften) verändert und möglich gemacht.

Größter Teil der Metalle kristallisiert in kubisch-raumzentrierter bzw. kubisch-flächenzentrierter Form

Härte ist der Widerstand, den ein Körper gegen Eindringen eines härteren Werkstoffs entgegensetzt.

• statisches Eindringverfahren, bei dem eine Kugel aus Hartmetall unter einer bestimmten Prüfkraft F senkrecht in die Oberfläche des Werkstoffs gedrückt wird

• Gemessen wird das arithmetische Mittel aus zwei rechtwinklig zueinander stehenden Durchmessern des bleibenden runden/ovalen Eindrucks

• Auslesen Messwert: 213HBW2,5/187,5/20

  • 213 = Härtewert

  • HB = Härte Brinell

  • W = Wolframcarbid-Hartmetall

  • 2,5 = Kugeldurchmesser

  • 187,5 = Last in kp (Kilopond) =>187,5kp : 0,102 = 1840N

  • 20 = Einwirkzeit in s

• VT: sehr genau bei weichen Metallen

• NT: nicht für sehr harte Werkstoffe geeignet (Verformung Prüfkugel)

• statisches Eindringverfahren für alle Härtebereiche

• gleichseitige Diamantpyramide mit quadratischer Grundfläche und Spitzenwinkel von 136°

• gemessen werden die Diagonalen d1 und d2 des quadratischen Eindrucks. Der Mittelwert wird genutzt

• Auslesen Messwert: 640HV30/20

  • 640 = Härtewert

  • HV = Härte nach Vickers

  • 30 = Last in kp => 30kp : 0,102 = 294N

  • 20 = Einwirkdauer (Wert entfällt wenn Standard 10-15s)

• VT:

  • Nahezu zerstörungsfrei durch sehr kleine Eindrücke

  • Universell: nutzt bei weichen bis harten Werkstoffen gleiche Skala

• NT:

  • Aufwand bei Vorbereitung (Polieren)

  • zeitaufwendig

• statischen Eindringtiefen-Verfahren

• gemessen wird die bleibende Eindringtiefe h des Prüfkörpers unter einer Vor- und Zusatzkraft

• Härtewert kann direkt an Messuhr oder Anzeige abgelesen werden

• Unterschieden wird:

  • HRC (C=Cone): Diamantkegel 120° für harte Stähle

  • HRB (B=Ball): Hartmetallkugel für weichere Metalle

• VT: extrem schnell, automatisierbar

• NT: ungenau bei sehr weichen Werkstoffen

Beurteilung der Zähigkeit des Werkstoffs.

• Stahl:

  • Eisenanteil größer als jeder andere Massenanteil des Werkstoffs

  • Kohlenstoffgehalt <2,06%

• Gusseisen:

  • Werkstoff mit Kohlenstoffgehalt >2,06% und anderen Elementen

• Unlegierte Stähle: Stahlsorten bei denen nur ein sehr kleiner vorgeschriebener Massenanteil von anderen Elementen enthalten sein darf

• Nichtrostende Stähle: Stähle mit Chromanteil von mind. 10,5% und Kohlenstoffanteil höchstens 1,2%

• Andere legierte Stähle: Stahlsorten, die nicht der Definition von nichtrostenden Stählen entsprechen (und mindestens einen der Grenzwerte für unlegierte Stähle überschreiten)

• Qualitätsstähle

• Edelstähle

• Stähle an die höhere Anforderungen gestellt werden (Zähigkeit, Korngröße, Umformbarkeit)

• nicht für abschließende Wärmebehandlung (härten, Vergüten)

• Beispiele:

  • unlegierte Qualitätsstähle: S235, S355 (unlegierte Baustähle)

  • (andere) legierte Qualitätsstähle: DC06 (kaltgewalztes Feinblech)

• Stähle mit höchstem Reinheitsgrad und exakt kontrollierter chemischer Zusammensetzung

• geeignet für Wärmebehandlung

• Edelstahl ist nicht rostfrei => kann unlegiert oder hochlegiert sein

• Verwendung: Hochbelastete Bauteile (Wellen, Zahnräder), Werkzeuge

• Beispiele:

  • unlegierte Edelstähle: C35, C45 (unlegierte Vergütungsstähle)

  • (andere) legierte Edelstähle: 90MnCrV8, 42CrMo4 (Werkzeugstähle, Vergütungsstähle)

• Stähle für den Stahlbau

• Festgelegte Mindeststreckgrenze Re in N/mm² für kleinsten Dickebereich

• Zusatzsymbole: Kerbschlagarbeit Mindestwerte

  • J = 27J, K = 40J, L = 60J

  • R = +20°C, 0 = 0°C, 2 = -20°C, 3-6 = -30 - -60°C

• Beispiele: S185, S235JRC, S275ML, S335JR

• Stähle für Druckbehälter

• Festgelegte Mindeststreckgrenze für kleinsten Dickebereich

• Bsp: P265, P235S

• Stähle für Leitungsrohre

• Festgelegte Mindeststreckgrenze Re für den kleinsten Dickebereich

• Bsp: L360QB, L415MB

• Maschinenbaustähle

• Festgelegte Mindeststreckgrenze Re in N/mm² für kleinsten Dickebereich

• Bsp: E360, E295GC

• Betonstähle

• Wert der Streckgrenze Re für den kleinsten Abmessungsbereich

• Bsp: B500A, B500B

• Unlegierte Stähle

• Legierte Stähle (Anteil Legierungselemente <5%)

• Legierte Stähle (Anteil ein Legierungselement >5%)

• Kenneichnung beginnt mit C (falls erforderich, vorangestelltes G für Stahlguss)

• als Nächstes: Kohlenstoffanteil mit 100-fachen Wert

• als Nächstes: Zusatzsymbole (werden angegeben)

• Bsp: C35E (Unlegierter Stahl mit 0,35% C und E = vorgeschriebener maximaler S-Gehalt)

• Kennzeichnung beginnt mit Kohlenstoffkennziffer (100-fach) (Ausnahme G für Stahlguss)

• Danach: Chemische Symbole der Hauptlegierungselemente

• Danach: Legierungskennzahlen (müssen durch entsprechenden Faktor dividiert werden)

• Beispiele:

  • 10MnMOCrV4-7: Legierter Stahl mit 0,10% C, 1% Mn, 0,7% Mo und Anteile von Cr und V

  • 42CrMo4 = Legierter Stahl mit 0,42% C, 1% Cr und Anteilen an Mo

• Faktoren werden gegeben sein

• Kennzeichnug beginnt mit X (Ausnahme G für Stahlguss)

• Danach: Kohlenstoffziffer (100-fach)

• Danch: chemische Symbole der Hauptlegierungselemente

• Danach: Prozentuale Gehalte der Legierungselemente

• Beispiele:

  • X12CrNi18-9: legierter Stahl mit 0,12% C, 18% Cr, 9% Ni

  • Gx5CrNiMo18-15: Legierter Stahlguss mit 0,05% C, 18% Cr, 15% Ni und Anteilen Mo

X5CrNi18-18

• ungleichmäßiges Gefüge beseitigen

• Be- oder Verarbeitbarkeit verbessern

• Spannungen vermindern

• Gefüge umwandeln

• Das Normalisieren hat die Aufgabe, das Gefüge eines Stahls in einen feinkörnigen und gleichmäßigen, d.h. “normalen” Zustand zu überführen (gleichmäßiges ferritisch-perlitisches Gefüge)

• Normalglühtemperatur von C-Gehalt des Stahls abhängig:

  • untereutektoide Stähle (bis 0,8%C): 30-50K über A3-Linie

  • übereutektoide Stähle (0,8-2,06%C): 30-50K über A1-Linie

• durch Normalisieren werden alle durch Härten, Vergüten, Überhitzen,Schweißen, Kalt- und Warmformgebung bewirkten Gefügeveränderungen rückgängig gemacht. (Große gestreckte Körner werden wieder klein)

• Haltedauer: 20+d/2 min

• Abkühlung: langsam an ruhender Luft

• Vorgang untereutektoider Stahl: Am Anfang: grobkörniges ferritisch-perlitisches Gefüge ->Ferritkörner werden auch zu mehreren feinen Austenitkörnern, bis nur noch feine Austenitkörner da sind ->Stahl wird abgekühlt und es entsteht ein feinkörniges ferritisch-perlitisches Gefüge

• Ziel: Verbesserung mechanische Eigenschaften: Streckgrenze, Bruchdehnung und vor allem Erhöhung Kerbschlagzähigkeit

• hat die Aufgabe, im Gefüge entstandene innere Spannungen abzubauen ohne, dass es daei zu weiteren Gefügeveränderungen kommt

• Maximale Spannungsarmglühtemperatur wird durch A1-Linie begrenzt. (450-600°C)

• Spannungen im Stahl entstehen durch Biegen, Erwärmen oder Schweißen

• hat die Aufgabe, Verfestigungen, die z.B. bei der Kaltumformung entstehen, durch Herstellen der ursprünglichen Werkstoffeigenschaften zu beseitigen

• Glühtemperatur: unlegiert: 450-650°C, legiert: 600-800°C

  • Temperatur hängt von Legierungsgehalt und Verformungsgrad ab

• Mit steigendem Verformungsgrad werden die Körner nach abkühlen immer feiner

• Bsp: Blech wird gewalzt (kalt) -> Körner werden langgezogen und platt -> Ofen -> Kornneubildung (Rekristallisation)

• hat die Aufgabe, einen weichen Gefügezustand einzustellen, der für eine weitere Verarbeitung, z.B. durch Kaltumformen, Zerspanen, gut geeignet ist.

• Glühtemperatur:

  • geringer C-Gehalt: dich unter A1-Linie

  • höherer C-Gehalt: dicht über A1-Linie

• Ablauf: Werkzeugstahl (Perlit mit Zementit auf den Korngrenzen) -> weichgeglüht -> Werkzeugstahl (reines Zementit, kuglig eingeformt) -> weicher und einfacher zu bearbeiten

• Hat die Aufgabe, Werkstoffe so zu verändern, dass sie eine niedrige Härte und schlechte Zähigkeit haben (Sprödigkeit erhöhen)

• Glühtemperatur: 950-1100°C

• Glühdauer: 2h

• Durch lange Haltedauer entsteht ein grobes Austenitkorn

• ist für Zerspanung vorteilhaft, da durch kurzbrechende Späne geringe Schmierung und Schnittkräfte nötig sind

• Hat die Aufgabe, durch die Bildung von Martensit im Gefüge, die Härte zu steigern

• Härtetemperatur = Normalglühtemperatur (unter-/übereutektoide Stähle)

• Haltedauer 20 + d/2 min

Beim Härten wird der Werkstoff zunächst austenitisiert und anschließend mit Geschwindigkeiten abgeschreckt, die größer als die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit sind.

• mindestens 0,15% C-Gehalt

• entsprechende Abkühlgeschwindikeit

• kombinierte Wärmebehandlung aus Härten und Anlassen

• Höhe der Anlasstemperatur ist so zu wählen, dass eine vergleichsweise hohe Härte, bei ausreichender Zähigkeit für einen vorgegebenen Verwendungszweck erreicht wird. (200-700°C)

  
  

Das Anlassen bewirkt einen Abfall der Festigkeitseigenschaften (Re, Rm) und einen Anstieg der Dehnungseigenschaften (Bruchdehnung A, Schlagarbeit Av, Einschnürung Z)

• Erzeugung einer harten, verschleißfesten Randschicht bei gleichzeitig zähem und schlagfestem Kern

• Da Betriebsbeanspruchungen, wie Verschleiß, hohe Flächenpressung oder schwingende Beanspruchung meist in der Randshcicht auftreten, reicht es aus, nur diese zu härten

• Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Randschicht.

  • Einsatzhärten

  • Nitrieren

• keine Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Randschicht:

  • Flammhärten

  • Induktionshärten