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Mitschrift (Lernskript)

Werk­stoff­kunde: Zusam­men­fas­sung des Skriptes zum Lernen

2.109 Wörter / ~13 Seiten sternsternsternstern_0.25stern_0.3 Autor Gernot Ö. im Dez. 2013
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Mitschrift
Werkstofftechnik

Universität, Schule

Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg

Note, Lehrer, Jahr

2, Großmann, 2011

Autor / Copyright
Gernot Ö. ©
Metadaten
Preis 2.90
Format: pdf
Größe: 0.70 Mb
Ohne Kopierschutz
Bewertung
sternsternsternstern_0.25stern_0.3
ID# 36358







Werkstoffkunde

Zusammenfassung des Skriptes zum Lernen


1.      Struktur der Werkstoffe

2.      Mechanische Eigenschaften

3.      Werkstoffprüfung

4.      Thermodynamik der Legierungsbildung - Entstehung von Gefügestrukturen

5.      Herstellung und Eigenschaften von Eisenwerkstoffen

6.      Nichteisenmetalle

7.      Korrosion


Elastische Kennwerte


Spannung: ϭ =

Schubspannung: τ =

Dehnung: τ =  =

Elastivitätsmodul: E =                         E = 2*(1+μ)*G

Schubmodel: G =                               

Poissonzahl: μ =


1.      Struktur der Werkstoffe


                Bindung zwischen Atomen

                Jedes Atom ist bestrebt einen stabileren Zustand zu erreichen (Oktettkonfiguration)

                Zwischenatomarer Abstand im Festkörper = Gleichgewichtsabstand

               

                Bindungsarten   

                                Kovalente Bindung

                                Reaktion zwischen zwei Nichtmetallen, beide teilen sich einen Elektronenpaar zur                             Erreichung einer stabilen Elektronenstruktur 

                                à (kleiner EN-Differenz >0,5)

                               

                                Ionenbindung

                                Reaktion zwischen Metall und Nichtmetall, Elektronen werden zum Nichtmetall                                                übertragen. Es entstehen Ionen.

                                à (hoher EN-Differenz >1,8)           

                                Metallische Bindung

                                Positive geladene Atomrümpfe umgeben von freiem Elektronen (Leitungselektronen)

                                à (sehr kleiner EN-Differenz 0 bis 0,5)

                                Orbitale

                                                               

                Phasen

                                Maß für den Ordnungs- und Unordnungszustand: Entropie

                                - Ungeordnete Systeme: Entropie (Pfeil nach oben)

                                - Geordnete Systeme: Entropie (Pfeil nach unten)

                                Entropie: Maß für die thermisch bedingte Teilchendurchmischung bew. Unordnung                          

                                Anordnung der Atome:

                                Kristallin: wiederholend, regelmäßig, periodisch

                                Amorph: regellos, zufällig

                                Ideale Kristallstruktur: à OHNE FEHLER

                                Ladungsneutralität             

                                Kovalente Bindung à Richtungsabhängigkeit der Atomanordnung       

                                Minimale Abstoßungskräfte à Anordnung gleich geladener Ionen

                                Bildung möglichst dichter atomarer Packungen

                                Elementarzellen:

                                Kleinste Einheit des Kristallgitters

                                14 verschiedene Elementarzellen (Bravais-Gitter)

                               

                                Kristallsysteme:

                                Kubisch:

                                Tetragonal:

                                Hexagonal:                         

                               

                                Kubisch raumzentriert:                                    Kubisch Flächenzentriert:

                                Metalle: Ferrit, V, Cr, Mo, W                             Metalle: Austenit, Al, Ni, Cu, Ag, Pl,Au

                                Atome/Elementarzelle: 2                                   Atome/Elementarzelle: 4

                                Hexagonal dichtest gepackt:

                                Metalle: Be, Mg, alpha-Ti, Zn, Zs

                                Atome/Elementarzelle: 2  

                                Reale Kristalle: à MIT FEHLER

                                Punktdefekte: Leerstelle, Einlagerungsatom (Atom C), Atom auf Zwischengitterplatz                        Liniendefekte: Stufenversetzung, Schraubenversetzung

                                Dreidimensionale Defekte: Ausscheidung (Dispersion), Einschluss, Mikroriss, Pore

2.      Mechanische Eigenschaften


Ein Werkstoff reagiert auf Belastung

                                Elastisch, d.h. nach Entlastung geht er in seine ursprüngliche Form zδεurück

                                Plastisch, d.h. durch Formänderung und/oder

                                Durch Bruch

               

Als Festigkeit definiert man den Widerstand, den der Werkstoff aufgrund seiner atomaren Struktur und seines Gefüges der Formänderung bzw. dem Bruch entgegensetzt.

Bindung zwischen Elast. Verformung und der Aufweitung von Atombindungen:

(Bindungsenergie à Bindungskraft à Kraft à Spannung)                                                                       à S.....[Volltext lesen]

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Nach Vickers:     quadratische Diamantpyramide

Spitzenwinkel  136°

HV = 0,189 *      d: Mittelwert

640 HV 50/10: Vickershärte 640; F=50*9,81=490; 10s Einwirkdauer

                Nach Brinell:       geschliffene Kugel

                                                Ablesfehler: bei kleinem Durchmesser d, bei großem Durchmesse d

    à 0,24 D<d<0,6 D

                                                Prüfung vorallem von weichen Werkstoffen (bis 450 HB)

                                                350 HBW 10/3000: Brinellhärte 350 mit Hartmetallkugel (W: Hartmetall, S:

  Stahl) mit Durchmesser D = 10 und F = 3000*9,81 =    

  29420 N

               Nach Rockwell:   Eindringtiefe des Eindruckkörpers wird gemessen

                                                Rockwell B: Eindringkörper Kugel (engl. Ball) F0 = 98,07N, F1 + F0 = 980,7N

                                                Rockwell C: Eindringkörper Diamantkegel (120°),

    F0=98,07N, F1+F0=1471N

               

Kerbschlagbiegeversuch

Einflussfaktoren:

Kohlenstoffgehalt: Hoher C-GehaltàS-Kurve sinkt

Korngröße: kleine KorngrößeàS-Kurve verschiebt sich

     links

Legierungszusammensetzung

                               


Zerstörungsfreie Prüfmethoden  à   Vollprüfung mit Erhalt der Funktionstüchtigkeit und des

      Gebrauchswertes

-          Magnetpulverprüfung

-          Röntgendurchstrahlungsverfahren

-          Ultraschallprüfung

-          Farbeindringprüfung

-          Wirbelstromprüfung

Magnetpulverprüfung

Dabei werden Eisenspänen auf den Werkstoff geleg und magnetisiert. Bei Fehlern an der Oberfläche oder ein bisschen tiefer sammeln sich Anhäufungen von Spänen.

Tiefer sitzende Fehler können nicht gefunden, untersucht oder überprüft werden.

Röntgendurchstrahlungsverfahren

Ultraschallprüfung

Dabei werden Ultraschallsende an den Werkstoff befestigt, welche dann Signale liefern wenn die Fehler horizontal liegen (kurzer Anstieg im Diagramm). Bei schrägen Fehlern wird im Diagramm ein kleinerer, aber dafür längerer Anstieg im Diagramm angezeigt. Bei vertikalen Fehlern kann diese Art der Prüfung nichts aussagen.

Farbeindringverfahren

1. Reinigung
2. Farbe auftragen und eindringen lassen
3. Oberflächliches reinigen
4. Entwickler auftragen

à zur Prüfung nach oberflächlichen Rissen oder Poren

Wirbelstromprüfung

Mikroskopische Methoden

-          Lichtmikroskopie

-          Elektronenmikroskopie

-          Röntgenmethoden

4.  Thermodynamik der Legierungsbildung - Entstehung von Gefügestrukturen


Homogenes System: besteht aus einer Phase

Heterogenes System: besteht aus mehreren Phasen


Definition Phase:

Stofflicher Zustandsbereich, der in sich homogen (völlig gleichartig) ist und konstante Eigenschaften aufweist und sich gegenüber anderen Bereichen durch scharfe Grenzflächen abgrenzt.

Thermodynamik

·         Werkstoffe sind Phasensysteme

·         Werkstoffe liegen nur selten in Reinform, d.h. in einer Phase vor.

·         Für jedes Phasensystem existiert ein stabiler Zustand mit eindeutig festgelegte Eigenschaften

ð  Gleichgewichtszustand

·         Änderung von Werkstoffeigenschaften erfolgt über Ungleichheitszustände und somit Phasenreaktionen

·         Die Stabilität der Phasen ist über d.....

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(Entropieerhöhung)

à Energieminderung bei Werkstoffen


Gibbsche Phasenregel

F = K + 2 * P

F: Freiheitsgrad

K: Anzahl der Komponenten

P: Anzahl der Phasen


Löslichkeit

In einer Lösung ist ein Stoff mit einem anderen Stoff homogen vermischt, ohne dass sich eine zweite Phase bildet.

Löslichkeit im festen Zustand

Analog dem Flüssigen Zustand treten bei Metallen ebenfalls völlige, teilweise oder keine Mischbarkeit/Löslichkeit auf.

z. B.:      Mischkristall: elast. Verzerrungsenergie, 1-phasig, zwischen Atomen

                Kristallgemisch: Grenzflächenenergie, 2-phasig, mehrere Fremdatome

Phasendiagramm für ein vollständig mischbares System


Phasendiagramm für ein im festen Zustand unlösliches System

Phasendiagramm Sn-Pb

Hebelgesetz


Phase % =

Phasendiagramm mit Eutektoid                                                   Peri.....

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Platzwechsel an Leerstellen à sehr wahrscheinlicha

Definition: Stofftransport in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen durch atomare Einzelschritte. Im

   Festkörper: Platzwechselvorgänge von Atomen

Anwendung: Aufkohlung

Gefügestabilität

Erholung

Abbau und Umlagerung von verformungsbedingten Gitterfehlern (Versetzungen, Punktdefekte), keine Veränderung von Großßwinkelkorngrenzen.


Auswirkungen:     Werkstoffeigenschaften gleichen sich denen des weichgeglüht Zustands an, Abbau von Eigenspannungen

Triebkraft: Abbau gespeicherter mechanischer Energie

Weichgegelüht (Große Körner) [wenige Eigenspannungen] à

Verformt (große gedehnte Körner) [viele Eigenspannungen] à

Erholt (feinere Körner)

Prozesse der Erholung in der Versetzungsstruktur:

-          Anihilation                    Versetzungen ungleichen Vorzeichens löschen sich aus

-          Polygonisation             Versetzungen gleichen Vorzeichens ordnen sich in

.....

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2.       Keimwachstum: Wachstum der gebildeten Körner + Keimbildung bis verformtes Gefüge „aufgebraucht“ ist

Einflussfaktoren auf Erscheinungsbild der Rekristallisation:

Verformungsgrad, Rekristallisationstemperatur T, Zeit t, Ausgangskorngröße dk0, Konzentration Fremdatome, Fremdphasen

Anwendung Rekristallisation:

Kaltverformung: 

-          Werkstoff wird unterhalb der Rekristallisationstemperatur verformt

-          Begrenzte Verformbarkeit aufgrund abnehmender Duktilität

-          Beispiel: Tiefziehen

Warmverformung:

-          Werkstoff wird oberhalb der Rekristallisationstemperatur verformt

-          Beim Werkstoff finden während der Verformung Erholung- und/oder Rekristallisationsprozesse statt

-          Beispiel: Schmieden, Warmwalzen

Technische Bedeutung der Rekristallisation:

1.       Erwünscht:

A)      Beseitigung der Verfestigung beim Kaltverformen durch Glühung T >= Tkrit

àWerkstoff wird wieder w.....

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Technische Bedeutung der Kornvergröberung:

-          Für die meisten technischen Anwendungen ist grobes Korn unerwünscht, da damit eine Verschlechterung der Festigkeit einhergeht

-          Vergröberung tritt auf z.B. in Heizleitern

-          Die Vergröberungskinetik kann durch gezielte Ausscheidungsteilchen an den Korngrenzen verringert werden

-          Die Vergröberung (gerichtete Rekristallisation) kann gezielte für die Erreichen bestimmter Mikrostrukturen genutzt werden, z.B. bei ODS-Legierungen

Einfluss von Erholung, Rekristallisation und Vergröberung

5.   Herstellung und Eigenschaften von Eisenwerkstoffen

Einteilung der Metalle

-          Nach der chem. Zusammensetzung (Fe-Metalle, NE-Metalle)

-          Nach dem Schmelzpkt(niedrig(T<700),hoch(700<T<2000),höchstschme(T>2000)

-          Nach dem Verwendungszweck (Lager-,Kontakt-,Katalysatorwerkstoffe)

-          Nach dem Aussehen (Schwarz(Fe-Basis), Bunt(NE-Met.),Weißmet.(Sb,Pb,Sn-Le)

-          Nach der Dichte (Leichtmetalle(unter 5g/cm3), Schwermetalle(über 5g/cm3))

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