Werkstoffkunde

KRZ:

• Es befiindet sich ein Zentrumsatom mittig

• hohe Festigkeit

• Gleitebene geht diagonal durch das Zentrumsatom

KFZ:

• Seitenzentrumsatome auf den “Außenwänden”

• dadurch mehr Gleitebenen

• —> Weicher

• Elastizität (Widerstand gegen reversible, elastische Verformungen)

• Anelastizität (visko­ bzw. entropieelastisches Verhalten)

• Festigkeit (Widerstand gegen Fließen und plastische Verformung so­ wie gegen Bruch)

• Plastizität (irreversible Verformungsfähigkeit oder Werkstoffzähig­ keit)

• Energieaufnahmevermögen (spezifische Verformungsenergie bis zum Bruch, Impact­Verhalten, Kerbschlagzähigkeit, Bruchzähigkeit)

• Schwingfestigkeiten (Werkstoffbelastbarkeit unter periodischen Last­ wechseln LW)

• Härte (Widerstand gegen das Eindringen eines Fremdkörpers)

• Hochtemperaturfestigkeit (Warmfestigkeit, Zeitstandfestigkeit, Kriech­ resistenz, zeitabhängiges Dehnungs­ und Relaxationsverhalten)

• Dichte

• Schmelzpunkt

• Schmelzwärme

• spezifische Wärmekapazität

• thermische Ausdehnung

• Wärmeleitfähigkeit und Thermoschockverhalten

• Korrosionsbeständigkeit in gasförmigen und flüssigen Medien

• Oxidationsverhalten und Brennbarkeit.

• elektrische Leitfähigkeiten (spezifischer elektrischer Widerstand, Isolierfähigkeit),

• thermoelektrische Eigenschaften,

• Magnetisierungsverhalten (Koerzitivkraft, Remanenz, Hysterese­

  kurve),

• optische Eigenschaften (Brechungszahl, Absorption und Reflexion).

• Schmelzbarkeit (Vergießbarkeit, Formfüllungsvermögen)

• plastische Umformbarkeit (Warm­ und Kaltverformung)

• Fügbarkeit wie Schweiß­, Löt­ und Klebbarkeit

• Zerspanbarkeit

• Beschreibt Spannungs-Dehnungs-Verhalten im elastischen Verformungsbereich eines Werkstoffs

• durch z.B. Walzen werden Versetzungen im Metallgitter an die Korngrenzen transportieren

• dort stauen sie sich immer weiter auf und blockieren sich gegenseitig

• sodass elatische Verformung kleiner wird

—> Werkstoff wird härter

• es beginnt mit der Keimbildung (entweder mithilfe von höher schmelziger Leistungen, die in der Schmelze bereits vorhanden sind oder durch Unterkühlung)

• daraufhin Kristallwachstum an den Keimen und an den Außenwänden entlang (Globulite, Stengel oder Dendrite) bis ein vollständiges Gefüge entstanden ist

• Grundstähle

  • „Billigstahl“ für einfache Aufgaben

  • keine Wärmebehandlung vorgesehen

• Qualitätsstähle

  • Anforderungen an Zähigkeit,

  • Schweißbarkeit

  • Sprödbruchunempfindlichkeit

  • keine Wärmebehandlung vorgesehen

• Edelstähle

  • hoher Reinheitsgrad

  • hohe Festigkeit und Verformbarkeit

  • Wärmebehandlung vorgesehen

• Grundstahl unlegiert: GS235

  • G steht für Guss, 235N/mm² Mindeststreckgrenze

• Qualitätsstahl unlegiert: C45

  • mit 0,45% Kohlenstoff

• Qualitätsstahl niedrig legiert: 42CrMo4

  • 42/100% Kohlenstoff, 4/4 Chrom, Spuren von Molybdän

• Qualitätsstahl hoch legiert: X5CrNi18-10

  • 5/100% Kohlenstoff, 18% Chrom, 10% Nickel

• Schnellarbeitsstähle: HS-6-5-2-5

  • W-Mo-V-Co in %

• Edelstähle unlegiert: C45E

• zerstörende Werkstoffprüfung mit untersuchungsbedingter Zerstö­rung der Prüflinge (meist mechanische und strukturelle Untersuchun­gen),

• zerstörungsfreie Werkstoffprüfung ohne Zerstörung der Prüflinge (meist Untersuchung der Feldeigenschaften und Fehlstellenstruktur),

• bedingt zerstörungsfreie Werkstoffprüfung.

• röntgengrafische Feinstrukturen (Kristallstrukture)

• elektroenmikroskopische Untersuchungen:

  • Feldionen- und Rastertunnelmikroskopie (atomare Strukture)

  • Durchstrahlungs- und Rasterelektronenmikroskopie (Mirkostruktur)

• Lichtmikroskopie, Metallografie, Keramografie, Interferenz- und Polarisationsmikroskopie und Ultraschallmikroskopie (Gefüge)

• Die Wöhlerlinie (Bruchlinie) entsteht in Schwing- und Betriebsfestigkeitsversuchen

• gibt die Wechselfähigkeit (Dauerfestigkeit) eines Werkstoffes in Abhängigkeit von seiner Belastung an (Kurzzeitfestigkeit, Zeitfestigkeit und Dauerfestigkeit) an

• Versuchskörper, die die Schwingspielzahl 107 überschreiten, werden als Durchläufer bezeichnet (sie haben eine unendliche Lebensdauer)

• Aus dieser Wöhler-Linie lässt sich das Smith-Diagramm ableiten

Smith-Diagramm:

Schadenslinie = bei der erste Risse auftreten

Zeichnung!

• Sonstige Werkstoffprüfverfahren:

  • Zugversuch (Ergebnis: Spannungs-Dehnungs-Diagramm),

  • Kerbschlagbiegeversuch (Zähigkeit- bzw. Härteprüfung),

  • Härteprüfverfahren

  • Oberflächenprüfverfahren

• Prüfung von Festigkeit und Verformungsverhalten

• einachsiger Zugversuch

• vorliegende Werkstoffe -> Form von genormten Zugproben

• mit stetig ansteigenden Zugbeanspruchung werden Proben bis zum Zerreißen gebracht

• gemessenen Zugkräfte und Probenverlängerung werden durch Probengeometrie und Werkstoffeigenschaften bestimmt

• werkstofftypische mechanische Verhalten wird in sog. Spannungs-Dehnungs-Diagramm aussagekräftig dokumentiert

• man kann 3 Stadien unterscheiden: Elastizität, Plastizität, Bruch

• Energieelastizität: spontane Rückbildung

• Viskoelastizität: zeitlich verzögerte Rückbildung

• Irreversible Verformung: mit bleibenden Formänderungen nach Entlastung (plastische Verform.)

• Bruch: Trennung des Werkstoffes durch Rissbildung

Brinell:

• Hartmetallkugel wird auf Werkstück gedrück

• Querschnitt des Eindrucks wird gemessen

• 229HBV*

• Zeichnung!

Vickers:

• Diamantpyramide wird auf Werkstück gedrückt

• Querschnitt des Eindrucks wird gemessen

• 210HV*

• Zeichnung!

Rockwell:

• Kegel oder Kugel wird auf Werkstück gedrückt mit Vorlast und Prüflast

• Tiefe des Eindrucks wird gemessen

• 56HRC

• Zeichnung!

Brinell -> Vickers -> Rockwell

in der Reihenfolge steigt auch die Härte der zu prüfenden Materialien

Shore-Härte:

• mobiles Testgerät

• Kugel wird auf Kunstsiff geschossen

• Abprallhöhe wird gemessen

Kapillarverfahren / Farbeindringverfahren:

• Fluorreszierender Farbstoff wird aufgetragen und abgestriffen -> Risse sichtbar

Magnetpulver-Prüfverfahren:

• Magnetspäne werden auf Werkstück magnetisiert und ordnen sich um Risse herum

Röntgenstrahlverfahren:

• abhängig von der Dichte der Elemente im Gewebe werden diese heller / dunkler dargestellt

Schallverfahren (z.B. Oszillograph):

• Impulse geben Info über Oberflächenstörungen

Reihenfolge stimmt mit zunehmender Tiefenwirkung überein (Kapillarverfahren nur bei Öffnung zur Oberfläche, Schallverfahren bei Fehlern bis zu 3500 mm Tiefe)

• Grauguss mit Lamellengraphit

  • sehr spröde durch Kerbwirkungen, geringer Zugwiderstand

  • Zeichnung

• Grauguss mit Vermikularengrphit

  • duktil (verformbar)

  • Zeichnung

• Grauguss mit globularem Graphit

  • duktil, hohe Schwingungsdämpfung

  • Zeichnung

Weißes Gusseisen wird sehr viel schneller abgekühlt, daher entsteht Hartguss, der sehr spröde ist und keine plastische Verformung aufweist

Stahl hat unter 0,2 % Kohlenstoff

von Gusseisen spricht man bei 2-4 % Kohlenstoffgehalt

gibt die Freiheitsgrade eines thermodynamischen Systems an, d.h. die Anzahl an Größen, die man ändern kann, ohne dass sich der Zustand des Systems ändert

F = K + 2 - p

K = Anzahl Komponenten

P = Anzahl der Phasen (wie z.B. Feststoff und Schmelze)

Bilder noch mal neu?

• Vollkommene Unlöslichkeit

• Vollkommende Löslichkeit

• Vollständig löslich (flüssig) mit vollständig unlöslich (fest)

• Vollständig löslich (flüssig) mit begrenzt löslich (fest)

Völlige Löslichkeit:

Völlige Unlöslichkeit:

Teilweise Löslichkeit:

α-Fe-Phase: ferromagnetisch (durch extern magnetisiert)

β-Fe-Phase: paramagnetisch (durch extern Magnetfeld im Inneren verstärkt)

α → γ : Übergang ist mit einer Volumenabnahme

γ -> α : Volumenvergrößerung verbunden

kfz-Austenit (γ-Fe): max. 2,05 % Kohlenstoff im Gitter zu lösen

krz-Ferrit (α-Fe): max. 0,02 % C aufnehmen kann

Metastabile Ausbildung:

• Kohlenstoff liegt als Grafit innerhalb des Eisengitters vor, also als Ausscheidung

• liegt natürlicher Weise vor

• kann durch längeres Glühen in stabiles System umgewandelt werden

Stabile Ausbildung:

• Kohlenstoff liegt entweder gelöst im Eisengitter vor oder als Karbid (also gebunden, aber eingeschlossen)

• es kann kein Zementit vorkommen

eine Hysterese ist der Unterschied zwischen den latenten Temperaturen in der Abkühl- und Erhitzungskuve desselben Stoffes

Sie kann nur bei Stoffen auftreten, die in unterschiedlichen Temperaturen ihre Gitterstruktur ändern (z.B. krz zu kfz)

Zeichnungen einfügen!!

Ferrit:

• ist das Gefüge, das reines Eisen bei Raumtemperatur und bei Temperaturen bis 911°C annimmt

• Kohlenstoffgehalt bis 0,8 % & kubisch raumzentriert

• begünstigt durch ferrit stabilisierende Legierungselemente wie z.B. Chrom

Zementit:

• ist magnetisch und sehr hart

• ab Kohlenstoffgehalt > 0,8 % herstellbar & kubisch raumzentriert

Austenit:

• kubisch flächenzentriertes Gitter

• schlecht zerspanbar, aber umformbar

• unter 723°C mithilfe von austenitstabilisierenden Legierungselementen wie z.B. Nickel

Perlit:

• besteht aus Zementitlamellen und Ferritgefüge

• meist in Gusseisen, erhöht die Festigkeit

Martensit:

• entsteht durch sehr schnelle Abkühlung eines austenitischen Gefüges

• sodass Kohlenstoff eingeschlossen bleibt und nicht wieder ausgelagert werden kann

• tetragonales Gefüge

• sehr spröde und hart

Glühen:

• i.d.R. um Spannungen, Gefügefehler, Seigerungen zu beseitigen und Korngröße bzw. Versetzungsdichten anzupassen und zu homogenisieren

Härten:

• um dynamische Festigkeit zu erhöhen durch sehr schnelles Abkühlen und damit Bilden eines Martensits oder durch Nitrieren

Vergüten:

• um die Zähfähigkeit gehärteter Bauteile zu erhöhen durch anschließendes Anlassen

• also bei 200-400°C um krz Martensite herzustellen und Restaustenit umzuwandeln

Reihenfolge: höchster Temp. zu niedrigster

Diffusionsglühen:

• Beseitung von Kristallseigerungen (Dendrite verschwinden nach und nach)

• Konzentrationsausgleich durch Diffusion und Kornwachstum

• bei ca. 100°C unter der Soliduslinie, 1100 - 1300°C

  
  

Grobkornglühen:

• Ziel: Grobkornbildung; Zur besseren Zerspanbarkeit (geringe Festigkeit, kurze Späne)

• z.B. bei Automatenstählen

• durch Kornwachstum

• bei 950°C-1100°C

Normalglühen:

• eher Untereutektoid

• C-Atome sind Keimzelle für Kornnenbildung

• Beseitigung der Gefüge- und Eigenschaftsänderungen nach dem Härten, Vergüten, Schweißen, Kalt- und Warmunformen

• Kornneubildung (Kornverfeinerung) durch mehrfache α-γ-α-Umwandlung (Erwärmen: Übergang vom α-Eisen zum γ-Eisen, Abkühlen: vom γ-Eisen zum α-Eisen)

Weichglühen:

• eher Übereutektoid

• Pendelglühem um 723°C; Z wird kugelig eingeformt

• Ziel: Einformen von Zementitlamellen des Perlits bzw. Korngrenzenzementits in globularen Zementit; zur besseren Zerspanbarkeit (geringe Festigkeit, kurze Späne)

Rekristallisationsglühen:

• Ziel: Eigenschaftsänderung aus der Kaltumformung aufheben

• Verringerung der Versetzungsdichte, Rekristallisation

• in Abhängingkeit von Umformungsgrad auf ca. 500 - 650°C bis dicht unter Acl erwärmen

• Gefahr: Grobkornbildung

Spannungsanglühen:

• Ziel: Abbau von Eigenspannung z.B. aus ungleichmäßiger Erwärmung, Abkühlung oder teilplastischer Verformung (nach Härten oder Schweißen)

• durch Verringern der Versetzungsdichte ohne Kristallneubildunf

• 550-650°C (unterhalb Kristallisationstemperatur)

Warmumformen: T oberhalb T_R (Rekristallisationstemp.)

Kaltumformen: T unterhalt T_R

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Warmumformbarkeit:

• Umformtemperaturen liegen im Austenitgebiet unterhalb der Soliduslinie

• kohlenstoffarmere Stähle können bei höheren Temp. verarbeitet werden

• es sind kleinere Umformkräfte erforderlich und eine stärkere Umformung ist möglich, als bei höheren C-Gehalt

Kaltumformbarkeit:

• Ferrit ist gut umformbar

• spröder Zementit vermindert Burchdehnung und -einschnürung

• Grenze liegt bei ca. 0,8 % Kohlenstoff

• Kraft und Arbeitsbedarf steigern mit Kohlenstoff-Gehalt

• die kugelige Ausbildung von Zementitkristallen verbessert die Kaltformbarkeit

genügend hoher Versetzungsgrad

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Dieser muss überschritten werden, um die Rekristallisation bei erhöhter Temperatur zu ermöglichen

wenn nicht überschritten -> thermodynmische Gitterenergie nicht hoch genug um Rekristallisation zu ermöglichen

• sehr schnelles Abkühlen und damit Bilden eines Martensits oder durch Nitrieren

• ZTU-Schaubilder zeigen die unterschiedlichen Gefügeentwicklungen je nach Temperatur und Dauer dieser jeweiligen Temperatur

  • Isothermes ZTU (schnelle Abkühlung auf bestimmte Temperatur)

  • Kontinuierliches ZTU (konstantes Abkühlen mit bestimmter Geschwindigkeit)

• Restaustenit bleibt als Gefügestörung zurück

• Härterisse

• Verzug des Bauteils

Kaltaushärtung:

• Erwärmung auf über 500°C, dann blitzschnelle Abkühlung auf Raumtemperatur

• sodas Legierungselement eingeschlossen bleibt

• dann Temperatur halten

Warmaushärtung:

• Erwärmung auf über 500°C, dannerneut leichte Erwärmung auf etwa 180°C

• und stunden- bzw. tagelanges liegen lassen,

• sodass Teilchen der Legierungselemente wachsen können

Thermoplaste:

lineare Makromoleküle ohne Vernetzung

daher geringe Festigkeit

sind warmumformbar und schweißbar

Bsp.: Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polyproplyen (PP), Polystyrol (PS)

Duroplaste/Duromere:

sehr viele Vernetzungsstellen

daher nicht ziehbar

sind nicht umformbar und nicht schweißbar

Bsp.: Polyurethan (PUR), Naturkautschuk (NR)

Elastomere:

wenige Vernetzungsstellen

daher bewegunugsfreier

sind gummielastisch sowie nicht warm umformbar und nicht schweißbar

Bsp.: Phenoplaste (Phenol-Formaldehyd PF), Epoxidharze (EP)

• gleiche oder verschiedenartige Monomermoleküle verbinden sich ohne Abspaltung eines Nebenproduktes zu Makromolekülen

• gleiche oder verschiedenartige Moleküle verbinden sich zu Makromolekülen unter Abspaltung eines niedermolekularenstoffes, wie z.B. Wasser (H2O) oder Ammoniak (NH3)

• Entstehung von Makromolekülen durch Aneinanderreihung der reaktionsfähigen Maoleküle einer einzigen Monomerart unter Aufhebung der Doppelbindungen

Beispiel: Polyethylen aus Ethylen

(Grundmoleküle)

(ein Radikal zum Start der Kettenreaktion oder Ende dieser nötig)

Stahl:

• Hochofen -> Eisenerz wird zusammen mit Koks und weitren Bestandteilen zum Möller vermischt

• anschließend im Hochofen zur Reduktion gebracht,

• sodass Roheisen und Schlacke entsteht

• beim Frischen wird Kohlenstoff oxidiert, dass Stahl überbleibt

Aluminium:

• Bayer-Prozess und Schmelzflusselektrolyse -> Bauxid als Rohstoff,

• im Autoklav werden überschüssige Elemente ausgeschieden (Bayer-Prozess),

• dann Oxide abgefiltert

• im Brennprozess Tonerde hergestellt und diese daraufhin mit der Schmelzflusselektrolyse flüssig gezogen (hierbei wird auch Sauerstoff rausgezogen)

Kunststoffe:

• Monomere (kurzkettige Moleküle) reagieren zu Polymeren

• Diese können durch Spritzgießen und Blasextrusion (falls flüssig) oder durch Formpressung (falls fest) in Form gebracht werden

Vorteile:

• sehr hart

• hochtemperaturfest

• korrosionsbeständig

• verschleißfest

Nachteile:

• schlechte Duktilität

• keine elektrische und

• kaum thermische Leitfähigkeit

• keine thermische Ausdehnung

Maximale Kraft, die ausgeübt werden kann ohne dass es sich um plastische Verformung des Werkstoffs handelt (also Grenzkraft der elastischen Verformung)

-> Bindungskraft innerhalb des Atomgitters

Kristallin:

• Anisotrope Körper

• Eigenschaften bezogen auf Kräfte, Licht, Strom & Wärme sind nicht gleich in allen Richtungen

Amorph (gestaltlos):

• Isotrope Körper

• Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften bezüglich Kräfte, Licht, Strom & Wärme

Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebung (z.B. Säuren, Salzen, …), die auf Dauer zu seiner Zersetzung führt

Schutz durch Beschichtungen (z.B. mit Kunstharzen) oder durch Legierungselemente (z.B. Nickel, Kupfer,Chrom,…)