Werk­stoff­technik SB 1: Umfas­sende Prüfungs­vor­be­rei­tung

Werkstofftechnik SB 1 test

Antriebskräfte der Werkstoffentwicklung?

• Automobil und Flugzeugindustrie

Al-Legierung Stellung im Fahrzeugbau?

• Nach Stahl an 2ter Stelle, Kolben und Zylinderköpfe aus Al-Legierung (geringe Massenkräfte und gute Wärmeleitfähigkeit)

Abhängigkeit Preis der Werkstoffe:

• Verfügbarkeit

• Erschlißungskosten

• Energiekosten für die Rohstofferzeugung

Wodurch steigt der Anteil der Werkstoffkosten

• Anteil der Werkstoffkosten steigt durch zunehmende Automatisierung

Warum ist die Wahl des Werkstoffes von großer Wirtschaftlicher Bedeutung?

• Begrenzte Verfügbarkeit des Werkstoffes

• Wegen automatisierung steigt der Anteil der Werkstoffkosten am Gesamterzeugnis

• Hochleistungswerkstoffe sind sehr Preisintensiv (wegen der hohen reinheit der ausgangstoffe)

Warum ist die Wahl der Fertigungsverfahren wichtig?

• Thermische Belastungen (schweißen) führen zu unerwünschten Gefügeausbildungen (spröde Phasen)

• Wirtschaftlichkeit

Zeichne die Einflüsse auf die Bauteilgestaltung

Wie beeinflusst das Recycling die Werkstoffkosten?

• Der energieaufwand sink bei SekundärAlu (wiedervertestes) auf 5-10% (Vorkommen abbauen und reinigen= hoher energieaufwand

• Verwendetes Eisenwerkstoffe werden aus 50% Reycelten Schrott gewonnen = Energieeinsparung von 60%

Welche ökologischen Gesichtspunkte sind bei dem Werkstoffeinsatz zu beachten?

• Luftreinhaltung

• Gewässer und Bodenschutz

• Abfallentsorgung

Was bedeutet Recycling um ganzheitlichen Umweltschutz?

• Innerhabl eines Produkt- Lebenszyklus geschlossene Stoffkreisläufe oder ineinander übergreifende Stoffketten auszubilden, so das im idealfall keine deponierungsbedürftige rest überbleiben

Ziel des Kreislaufwirtschaftsgesetz?

• Senken des:

  • Energieverbrauchs

  • Schadstoffemission (Luft, Wasser, Boden)

  • Ressourcenverbrauchs

Altfahrzeuggesetz/Altfahrzeugverordung?

• Altautos Ab 2006 zu 80% recycln

• Altautos ab 2015 zu 90% recyclen

• Einheitliche Kennzeichnung der verwendeten Materialien

• Demontagefreundliche Gestaltung des Fahrzeuges

Wesentliche rolle zu ökologischen Bewertung:

• Energieaufwand für deren Herstellung

• Verarbeitung und Recycling

Nenne und Zeichne die 4 Arten der Chemischen Bindungen:

• Ionenbindung

• Kovalente Bindung

• Metalische Bindung

• Restvalenzbindung

Erkläre Ionenbindung + beispiel + Eigenschaften

Ionenbindung entseht wenn Atome Elektronen abgeben oder Aufnehmen können, im Beispiel NaCi wandert das Elektron von Na zu CI somit ist Na positiv geladen und CI negativ geladen, ziehen sich somit an.

Diese Verbindung entsteht nur bei 1-3 fach ioniserten Atome, das ist eine starke Bindung somit sind die Eigenschaften:

• Hoher Schmelzpunkt

• Hohe Festigkeit

• Hohe Härte

• Elektrischer Isolator

• Chemisch beständig

Die niedrige Elektirsche und Wärmeleitfähigkeit erklärt sich durch die feste bindung der Elektornen. Dieser Bindungstyp herscht bei keramischen Werkstoffen in form von Oxiden Al³O³

Erkläre Kovalte Bindung + beispiel + eigenschaften

Diese Bindung entseht durch das bestreben einer vollen äußeren Schale, das wird durch die gemeinsame nutzung von Elektronen ermöglicht = Elektonenpaarbildung

Beispiel hierfür ist ein Diamant, besteht auf 4 elektornenpaare die sich elektronen teilen um eine volle aussenschale zu gewährleisten

Eigenschaften

• Hoher Schmelzpunkt

• Hohe Festigkeit

• Hohe Härte

• Elektrischer Isolator

• Chemisch beständig

Die schlechte elektrische und Wärmeleitfähigkeit ist durch die fixierung der elektronen in der paarbildung zu erklären. Die bindung kommt bei keramischen Werkstoffen wie Nitriden vor(bornitrid, karbiden (siliziumcarbid)

Erkläre Metalische Bindung + beispiel + eigenschaften

Elektoenen können keinem bestimmten atom zu geordnet werden es ist eine sogenante Elektronenwolke/Elektronengas es besteht trotzdem das streben nach der edelgaskonfiguration (volle aussenschale).Die elektronen sind nicht gleichmäßig verteilt , die verteilung wird durch die wertigkeit des gitteraufbaus bestimmt

Eigenschaften:

• Gute Wärme und elektirsche leitfähigkeit durch die hohe beweglichkeit der elektronen

• Verdampfen der Elektronen aus der metaloberfläche bei hohen temperaturen

• Tendenz zur bildung dichtester kugelpackungen der atomrümpfe gute plastische verformbarkeit

Restvalenzbindung, beispiel und iegenschaften

Ist die schwächste Bindungsart, wird deshalb sekundäre bindung bezeichnet. Die Dipolbildung ensteht wenn ein positver Atomkern wirkung auf das negative elektron eine anderen Atoms bildet.

Tritt bei edelgasen die sich in fester form befinden auf, ist durch geringe temperaturerhöhung durch äußeren mechanischen spannungen zu lösen

Eigenschaften

• Niedrieger schmelzpunkt

• Niedrige festigkeit

• Kleiner Elastizitäsmodul

• Großer thermischer ausdehnungskoeffizent

Wie tretten die 4 Bindungsarten auf?

• Reine Bindungen sind selten, tatsächlich kommen Übergänge vor hier im Tetraeder dargestellt

Klassifikation der Werkstoffgruppen:

Was ist ein Kristall?

• Eine dreidimensionale periodische Anordnung von Gitterbausteinen

• Unsere gebrauchsmetale und keramischen Werkstoffe haben einen kristlinen aufbau

Was ist ein Punktgitter?

Eine Strukturdarstellung eines Kristalls in dem Bausteine durch Punkte ersetzt wurden.

Erkläre die schematische Darstellung

Ein dreidimensolanes Punktgitter entsteht durch drei nicht zusammenfallenden verschieberichtungen a,b,c, die Gitterparameter. Zur Beschreibung des Kritalgitters genügen die angaben der Elementarzelle als kleinste Volumeneinheit die sich aus den kantenlängen a,b,c zu einen quader zusammensetzt, durch identische wiederholungen wird ein kirstall aufgebaut d ist der Netzebenenabstand der abstand zwischen 2 Netzebenen

Anisotrope Strukur:

• Durch unterschiedlichen abständen der Gitterbausteine (entlang der Raumdiagonale vs. Entlang der elementarzelle) ergeben sich untschiedliche Bindungskräfte. Somit ergeben sich in verschiedenen richtungen unterschiedliche eigenschaften. Kristalle sind in ihrer eigenschaft richtungsabhägig d.h. anisotrop (bsp holz: zugfestigkeit in faserirchtung zehnerpotenz höher als senkrecht zur faserrichtung)

Quasi-isotropes Verhalten:

• Ein werkstoff besteht aus mehreren ansistropen Kristallen, sind sie nicht ausgerichtet ergibt sich statistisch in jeder richtung die gleichen eigenschaften

• Der werkstoff Kann aber durch verformen zbs durch walzen wieder eine anisotropie ein

Amorphe Struktur:

• Fehlt Festkörpern eine periodiesche anordnung von bauteilen (ähnelt flüssigkeiten) spricht man von einer amorphen struktur. (gläser, kunststoffe)

• Um amorphe Metalle (zumindest in einer dünnen schicht) zu bekomemn sind sehr hohe abkühlgeschwindigkeiten von flüssig zu fest nötig (10^4…10^9K/s) ergebniss ist ein abweichendes Korrisionsverhalten und due weichmagnetischen eigenschaften sind maximal.

Die verschiedenen Kristallsysteme:

Es gibt 7 verschiedenen Kristalsysteme

Wichtigsten Gittertypen der Metalle:

• Kubisch raumzentriert krz Cr,Mo,V, -FE

• Kubisch flächenzentriert kfz FE, Ag. Au, CU

• Hexagonal dichteste Packung hdP -Ti, Mg, Zn

Wie ist die Packungsdichte definiert?

• Volumen der Atome je Elementarzelle V_A durch das Volumen der Elementarzelle V_E

• Kfz und hdP Gitter sind mit einer Packungdichte von 0,74 also mit einer Raumausfüllung von 74% des Volumens der Elementarzelle am dichtesten

Realstruktur:

• Eine Idealstruktur ist wenn man bedenkt das in 1mm³ insgesammt 1021 Gitterbausteine vorhanden sind nicht möglich, und sind somit unregelmäßigkeiten vorhanden. Diese Gittbaufehler charakterisierten die Realstruktur, diese können nach geometrischen Gesichtspunkten eingeteilt werden:

  • Nulldimensional bzw punktförmig

  • Eindimensional bzw linienförmig

  • Zweidimensionl bwz flächenhaft

Nulldimensinale Gitterfehler:

• Leerstellen

  • Wenn nicht alle Gitterplätze belegt sind, tritt bei abschreckung von höheren temperaturen auf

• Zwischengitteratom

  • Wenn zwischen den Gitterplätzen ein artgleiches atom sitzt, ensteht bei bleibenden verformungen bei tiefen temperaturen

• Defektpaar

  • Leerstellen+ Zwischengitteratom, entsteht bei bestrahlung mit energiereichen teilchen

• Gitterverzerrung

  • Entsehen durch Leerstellen oder Zwischengitteratomen

  • Erläutern Sie ausführlich, wie sich die nulldimensionalen Gitterbaufehler auf die Festigkeit

    des betroffenen Werkstoffes auswirken.

    Die nulldimensionalen Gitterbaufehler erzeugen Gitterverzerrungen (1). Diese Gitterverzerrungen

    bewirken eine Hemmung des gegenseitigen Abgleitens von Netzebenen, so

    dass es zur Verfestigung und damit zur Festigkeitssteigerung durch solche Gitterfehler

    kommt (3).

    
    

    Eindimensionale Gitterfehler:

    • Sind Versetzungen und haben eine linienförmige ausdehnung.

      • Stufenversetzung,

      • Schraubenversetzung,

      • Zweidimensionale Gitterfehler:

        • Stapelfehler, kann durch schwingungen ausgelöst werden, die energie die dafür nötig ist ist die Stapelfehlerenergie

        • Korngrenzen,

          • Großwinkelkorngrenzen

          • Kleinwinkelkorngrenzen

          • Zwillingsgrenzen

          • Phasengrenzflächen

        Wie ist das Gefüge Definiert?

        • Über die Gitterfehler, bzw Korn oder Phasengrenzen

        • Gefüge ist durch art, größe form, verteilung und orientierung der Gefügebestandteile (kirstallite bzw körner) charakteriesiert

        
        

        3 Phasenumwandlungen und Änderungen im festen Zustand

        3.1 Erstarren aus der Schmelze: Gießen

        Übergang flüssig zum festen Zustand ist eine wichtige Phasenumwandlung.

• Intermolekularen/interatomaren Energie

• Potentielle Energie

• Kinetische Energie

Thermodynamisches Gleichgewicht ist der Endzustand den Stoffe bei z.B. bestimmten Temperaturen anstreben.dieses gleichgewicht ist definiert als Minimum der freien Enthalpie.

Werkstoffe liegen im Zustand ihrer Verwendung häufig nicht im thermodynamischen Gleichgewicht vor (glas,hochpolymere, gehärteter stahl)

Es kommt zur Keimbildung wenn es beim Abkühlen der Schmelze der Gleichgewichtszustand erreicht wird. Das ein Keim entsteht muss er aber eine kritische Größe besitzen, diese wird als kritischer Keimradius bezeichnet

Bevor es zur Keimbildung kommt sinkt die Temperatur erst unten den Erstarrungpunkt ab, das wird als Unterkühlung bezeichnet

Die Keimbildungszahl (Keimbildungen pro Zeiteinheit) nimmt mit wachsender Unterkühlung zu

Für die Korngröße im Werkstoff ist das verhältniss von Keimzahl zur Kristallwachstumgeschwindigkeit entscheidend:

• Bei hoher Keimzahl = feinkörniges Gefüge

• Schnelle Kristralwachstum = grokörniges Gefüge

Einkristall entsteht wenn nur ein einziger Kristall in die Schmelze wächst (für halbleiterindustrie)

Anlagerung von Bausteinen an einen Keim erfolgt in einer regelmäßigen weise. Nach folgenden Kriterien:

• Maximaler Energiegewinn

• Geringste Oberflächenenergie beim Wachstum

Unterschieden wird zwischen 2 Keimbildungen

• Homogene Keimbildung: bilden sich frei in der Schmelze (unter Schwerelosigkeit)

• Heterogene Keimbildung: herrscht bei realen Bedingungen, keime lagern sich an Grenzflächen an:

  • Gefäßwand

  • Verunreinigungen, Fremdkeime (mit höheren schmelzpunkt)

Impfen bezeichnet man das hinzugeben von Fremdkeimen bei sehr reinen Stoffen um ein Feinkörniges Gefüge zu erhalten, z.B. bei Alu-Gusslegierungen

Kristalwachstum ist richtungsabhängig, die folge davon ist das entsthen von Dentriten oder Tannebaumkristallen. Zwischen den Dentriten erstarrt die Restschmelze, diese enthält viele Verunreinigungen.

Das Gefüge unmittelbar nach dem erstarren nennt man Primärgefüge,

Gefüge nach Verformungen, Wärmebehandlunlgen nennt man Sekundärgefüge.

Gefüge eines Gussblockes:

Entstehung der 3 unterschiedlichen Gefügezonen:

• Feinkörnige randzone entsteht durch die hohe unterkühlung an der Gussblockwand

• Transkristallisationszone , wachsen die Kristalle entgegen der Wärmeleitung in die schmelze, grobes korn mit vorzugsrichtung

• Die mitte enthält viele Verunrreinigungen die als Keime wirken und somit ein feinkörniges Gefüge entsteht

Lunker: entsteht infolge bei einer Erstarrung auftretenden Volumenkontraktion, dadurch bilden sich Hohlräume aus.

Hohlräume zwischen Körnern =Mikrolunker

3.2 Übergang aus dem gasförmigen Zustand

Der übergang gasförmig zu fest ist beim aufdampfen von dünnen schichten bedeutsam, auch hier zählt die kritische Keimgröße.

Bei auftragen solcher schichten kann eine sogenannte Epitaxie beobachtet werden, das heißt das der Kristall in einer bestimmten Orientierung wächst und eine Kohärenz auftritt.

Somit kann der aufwachsende Kristall ein völlig für ihn untypisches Gitter bilden.

Fehlerfrei nadelförmige Einkristalle die dabei entstehen können, nennt man Whisker.

Technische Anwendungen des Phasenübergangs gas/fest:

• CVD-Verfahren

• PVD-Verfahren

3.3 Phasenänderungen im festen Zustand

3.3.1 Diffusion

Darunter versteht man den Gitter- Platzwechsel von Atomen, Ionen oder kleine Moleküle aufgrund thermischer Anregung, dies erfolgt an Grenzflächen/Oberflächen und Korngrenzen leichter als im inneren eines Stoffes. Grenzflächendiffusion ist gegenüber Volumendiffusion bevorzugt

• Selbstdiffusion: diffundierung arteigene Atome im Gitter

• Fremddiffusion: diffundierung artfremder Atome

Wenn der Konzentrationsunterschied konstant bleibt, kann die Diffusion nach dem 1.Diffusionsgsetz beschrieben werden. Mit diesem kann auch der Wachstum von Schichten angegeben werden.

Falls zwei an den Grenzflächen zusammentreffende Stoffe unterschiedlich schnell diffundieren, tritt der Kirkendall-Effekt auf, der durch Massedifferenzen an Grenzflächen charakterisiert ist.

3.3.2 Sintern

Ist eine technisch wichtige Anwendung der Diffusion, erzeugnisse aus gesinterten Metalpulver wird Metallkeramik genannt.

Werkstoffherstellung durch Sintern:

• Wirtschaftlichen Formgebung (nahezu abfallfrei)

• Masenproduktion

• Bei spezifischen Stoffaufbau

• Herstellung von spanenden Werkzeugen

Mehrphasige Werkstoffe

Sintern ist die Grundlage der Pulvermetallurgie, dabei werden Werkstoffe aus Metalpulver durch Pressen und nachfolgenden oder gleichzeitigen Wärmebehandlung (80-90% Schmelztemp) hergestellt.

Sintertemperatur ist abhängig vom Schmelztemperatur des Sintergutes

Von Heißpressen spricht man bei einer kombination von Pressen+Sintern

Das nachfolgende Schmieden wird als Pulverschmieden bezeichnent, dabei wird die Porosität von 5-10% auf 3% herabgesetzt.-> gute Dauerfestigkeit

Von Flüssigphasensintern spricht man wenn bei einem Mehrstoffsystem eine Phase flüssig ist, die dann die Hohlräume gut ausfüllt

Tränklegierungen= einphasiger hoch Poröser Werkstoff unter druck getränkt in eine flüssige Phase (zbs. ÖL) für selbstschmirende Lagerwerkstoffe

3.3.3 Phasenumwandlung in den festen Zustand

Wird für die herstellung von einer Martinsit schicht benötigt

2 Legierungsbildung und Wärmebehandlung, Festigkeit und Verformung

1 Legierungsbildung

Zulegieren ist einer Komponente ist das ältest Verfahren der Eigenschaftsänderung,

Man unterscheidet Zweistoffsystem als Kristallgemische und Mischkristalle

1. Kristallgemisch

Dabei liegen die verschiedenen Kristallarten (Phasen) bzw Kristallite nebeneinander (A und B)

Das wird als heterogenes Gefüge bezeichnet

Lineare Eigenschaftsänderung eines Kristallgemisches am Beispiel seiner spezifischen elektrischen Leitfähigkeit

2. Mischkristalle

Sind feste atomare Lösungen der beiden Komponenten A und B ineinander, es ein homogenes Gefüge vor.

Es gibt dabei 2 Möglichkeiten:

• Einlagerungs –MK

• Austausch- MK

1. Einlagerungsmischkristalle

Die Bedingungen für die Entstehung eines EMK ist das die Radien der Atome A und B verschieden groß sind.

An dieser Stelle hervorzuheben ist das Kohlenstoff als wichtigster Eisenbegleiter in EMK Stahl ist.

Austenit ist ein γ Mischkristalldes Eisens (C = 2,06% bei 1147°C)

Ferrit ist ein Mischkristall des Eisens ( C= 0,02% bei 723°C)

Durch die Aufnahme von C ins Gitter kommt es zu Verzerrungen des Wirtskristall das zu einer Festigkeits- und Härtesteigerung führt = Mischkristall Verfestigung

Martensit ist ein mit Kohlenstoff übersättigter Mischkristall,

2. Austauschmischkristalle

Wird auch als Substitutions-MK bezeichnet,

Vorraussetzungen:

• A und B bilden gleiches Gitter

• Atomradien ähnlich groß

• Etwa gleiche Valenzelektronen

Bei SMK können die Elemente A und B über den sämtliche Konzentrationen hinweg substituieren

=Ununterbrochenen MK-Reihe

Nichtlineare Eigenschaftsänderung am Beispiel seiner elektrischen Leitfähigkeit

3. Überstrukturphasen

Regelmäßige Anordnung von Atomen im Gitter als Ausdruck von Überstrukturphasen.

Diese bilden sich im Gleichgewichtszustand gebildet (geglüht und nicht abgeschreckt)

Eigenschaftsänderungen mit und ohne Ausbildung von der Überstrukturphasen

4. Intermetallische Phasen

Komponenten A und B können ein neues in der Regel ein wesentlich komplizierteres Gitter bilden

= intermetallischen Phase

Im Fe-C System tritt ab 6,67% C diese Phase ein Fe₃C = Zemetit

3. Zustandsbeschreibung und Gefüge

Zustandsdiagramm zeigen den Phasenzustand in Abhängigkeit von Konzentration (der verschiedenen Stoffe) und Temperatur

2. System mit vollständiger Unlöslichkeit der Komponenten im festen Zustand

Je nach dem Verhältnis von A und B sinken der Schmelzpunkt.

Beide Komponenten sind im festen Zustand nicht miteinander mischbar.

Eutekikum ist der niedrigste Schmelzpunkt, dort besteht das Gefühe aus A+B ohne Inseln von reinen A oder B, -> sehr feinkörnig da viele Keime

Phasengrenzen:

• Liquiduslinie=Phasegrenze zur Schmelze

• Soliduslinie =Phasengrenze zum Festkörper

3. System mit vollständiger Löslichkeit der Komponenten im festen Zustand

Für dieses System gilt die ununterbrochene MK-Reihe.

Während der Abkühlung kommt es zu Konzentrationsänderung des MK

Bei schneller Abkühlung treten sog Zonen-MK auf

Erklärung:

-Punkt 2:Schmelze hat Konzentration C_S3 und MK C_m2

Eigenschaften der zwei Grundtypen der Legierungsbildung

4. Systeme mit teilweiser Löslichkeit der Komponenten im festen Zustand

Mischungslücke: Komponenten sind nur in bestimmten Bereichen löslich.

Dieses Diagramm ist eine Kombination der beiden Grundtypen.

Härtesteigerung durch Aushärten am Beispiel von Aluminium Kupfer legierung

1. Homogenisieren/Lösungsglühen: reiner  MK liegt vor (1)

2. Abschrecken auf Raumtemperatur: (3) übersättigter Zustand tritt ein, CU Löslichkeit sinkt

3. Auslagern: Kaltaushärtung, übersättigte Anteil von CU wird über 5-7 Tage ausgeschieden

Härteänderung bei Warmaushärtung

5. System mit Umwandlung und beschränkter Löslichkeit im festem Zustand

Hier zusehen ist die Umwandlung aus dem festen Zustand in 2 feste Phasen am punkt E` dem eutektoider Punkt. Umwandlung erfolgt durch Diffusion

Als ergebnis der eutektoiden Reaktion erhält man Perlit:

6. Aufheiz und Abkühlkurve des reinen Eisens

7. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Für Stahl gilt das metastabile System (ausgezeichnete Kurven)

Für Gusseisen mit Graphit das stabile System (gestrichelte Kurven)

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm besteht aus 3 Teildiagrammen

• Peritektische Reaktion: bei 1392°C = umwandlung Ferrit in Austenit

• Eutektische System: das eutektikum wird als Ledeburit bezeichnet und besteht aus austinit und Primärzemetit( zuerst aus der schmelze abscheidet)

• Eutektoide System: umwandlung Austinit zu ferrit

9. Ungleichgewichtszustände (beschleunigte Abkühlung)

Gefügearten bei beschleunigter Abkühlungsgeschwindigkeit des Austinits

Temperatur des Martinsitbildung fällt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt

Härte des Martensits steigt mit dem Kohlenstoffgehalt

ZTU Schaubild

In alten Prüfungen kucken was die da Wollen!!!!!!

2. Eigenschaftsänderung durch Wärmebehandlung

Wärmebehandlung ist die wichtigste Methode zur Eigenschaftsänderung von Werkstoffen

2.1 Glühen

ist das erwärmen auf eine bestimmte Temperatur, dem halten bei dieser Temperatur und dem nachfolgenden meist langsamen Abkühlen

Ziel: Eigenspannung ohne wesentliche Änderung des Gefüges und damit der mechanischen Eigenschaft zu verringern

Durchführung:

• Stahl: 450-650°C je nach dicke 30-120min, abkühlung langsam im Ofen

• Alu_ 200°C ca 2std, abkühlen langsam im Ofen

2.1.2 Weichglühen

Ziel: Verminderung der Härte eines Werkstückes -> besser Zersparnbarkeit/Verformbarkeit

Durchführung:

• Stahl: Temperaturen um die PSK-Linie Pendeln lassen (680-750°C) =Pendelglühen, Haltezeit beträgt mehrere Stunden, Abkühlung muss langsam erfolgen

• Alu: 350 -450°C mehrere Stunden, -> steigert die verformbarkeit

2.1.3 Normalglühen

Ziel: Umkristallisation gestörter Gefüge-> erzeugt eine Gefüge der Perlitstufe,

Durchführung:

• Nur bei Stählen möglich,

• Untereutektoider Zusammensetztung 30-50°C über GOS Linie

• Übereutektoider Zusammensetztung 30-50°C über SK-Linie

• Abkühlung erfolgt an ruhender Luft

2.1.4 Grobglühen

Ziel: grobes Korn erzeugen -> verbesserung der mechanischen Bearbeitbarkeit

Durchführung:

• Untereutektoider Stählen 1050-1300°C bei ausreichend langer Haltedauer

2.1.5 Diffusionsglühen

Ziel: Seigerungen /Ausscheidungen durch Diffusion werden verringert

Durchführung:

• Stahl: 1050-1200°C, haltezeit bis 2 tage

2.2 Härten

Wärmebehandlung zum Zweck der Umwandlung austenitischen Stahls in ein Martensitgefüge.

Durchführung:

• Untereutektoiden Stählen 30-50°C über GOS-Linie

• Übereutektoiden Stählen 30-50°C über SK-Linie

Härtbarkeit ist die Neigung eines Stahls Austenit in Martensit/Bainit umzuwandeln

• Aufhärtbarkeit: höchst mögliche Härte, härte Steigt mit C-Gehalt

• Einhärten: härtung bis zu einem bestimmten Oberflächenabstand

• Durchhärtung: wenn Einhärtetiefe im Kern vorliegt, 50% im Kern Martensit

2.2.1 Abschreckhärten

Definition: Abschrecken aus dem Austinit Bereich oberhalb der GOSK Linie, in einem ensprechenenden Medium, dessen Temperatur unterhalb des MArtensitpunktes des Stahls liegt

Durchführung:

• 30-50°C über GOSK Linie

• Abschreckung mit Öl oder Wasser

• Wenn Härtetemperatur zu hoch

  • Dauert abkühlung zu lange

  • Menge an Restaustenit wächst

  • Grobes Austinitkorn+spördes Martensit

2.2.2 Einsatzhärten

Durchführung:

• Es werden Einsatzstähle verwendet C-Gehalt 0,1-0,2%

• Aufkohlen erhöht den C-Gehalt in der Randschicht

• Durch Flüssiges oder Gasförmiges Einsatzmittel

• 900°C etwa 6std

• Nachfolgend Normalglühen

2.2.3 Oberflächenhärten

Energie zur Überführung in Austenit wird nur in Oberfläche eingebracht

Flammhärten

• Oberflächenabschnitt wird mit einem Brenner rasch auf Härtetemperatur erhitzt und unmittelbar mit einem Luft-Wasser gemischt abgbraust

• Anwendung:

  • Bolzen,Zapfen, Wellen, Zahnräder, Maschinenbetten

Induktionshärten

• Wärme wird durch Induktion verursacht

• Zylindrisches Bauteil wird in eine Stromdurchflossene Spule gebracht

• Je höher die Frequenz umso stärker die erwärmung am rand

• Anschreckung durch Wasserbrause

• Rissgefahr/Verzug sehr gering durch gute einstellbarkeit

• Erst bei großer stückzahl gleichartiger teile wirtschaftlich

Laserhärten

• Werkstückoberfläch wird durch ein aus dem Lasergenerator austretendes hochenergetisches Strahlenbündel erhitzt

• Dieses bündel is durch fokussierung örtlich stark konzentriert

Abschreckung erfolgt duch selbstabschreckung (wärmeleitung in umliegenden werkstoff)

Absorbationsschicht nötig, da es sonst zu refelktion kommt und kein wärmeeintrag erfolgt

Anwendung

• Nockenwellen, getriebebau, zylinderlaufflächen

3. Anlassen und Vergüten

2.3.1 Anlassen

Erfolgt unmittelbar nach dem Härten um die Spannungen zu mindern und die Zähigkeit zu erhöhen

Man unterscheidet 4 Anlassstufen

• 1. Bis 250°C, maximaler Effekt bei 150°C, aussscheidung von KArbit

• 2. 230-280°C. maximaler Effekt bei 250°C, Restaustenit wandelt sich in Martensit um( Volumenvergrößerung)

• 3. 260-380°C maximaler Effekt bei 360°C, umwandlung Karbit in -MK

• 4. Über 400°C, einfomrung des Zementits zu Kugelform, bei legierten Stählen erfolgt Festigkeitszunahme

A= Zähigkeit (Bruchdehnung)

Rm= Festigkeit (Streckgrenze)

2.3.2 Vergüten

Definition: Härten bei Nachfolgendem Anlassen bei höheren Temperaturen

Verfahren:

• Zähigkeit soll verbessert werden, festigkeit sinkt

• Vergütet werden Vergütungsstähle C-Gehalt 0,2-0,6%

• Je Abschreckmedium spricht man von Luft- Wasser- Öl-vergütung

Definition: Wärmebehandlung in stickstoffabgebenden Medium zur Anreicherung der Randschicht des Bauteils mit Stickstoff

• Steiergerung der Oberflächenhärte

• Ist eine thermochemische Behandlung

• Temperatur 500-580°C

• Verfahren

  • Gasnitrieren 0,5mm tiefe

  • Badnitrieren 0,2mm

  • Ionennitrieren

  • Nitrocarburieren

• Vorteile

  • Geringerer Verzug

  • Höhere Härte ca200-300HV höher

3. Zugversuch

Wichtigstes mechanisches Prüfverfahren

Der Zugversuch ist eine Aufnahme eines Kraft-Verlängerung-Diagramm

Spannungsdehnungs-Diagramm

 gibt das Elastizitäsmodul E an

• Stahl 210`000 N/mm²

• Cu 125`000N/mm²

• AL 72`000N/mm²

Starre Werkstoffe haben ein hohes E-Modul

Streckgrenze

• ReH: obere Streckgrenze-> danach plastische (bleibende) Verformung

• ReL: untere Steckgrenze

Lüders-Dehnung: Breich der inhomogenen plastischen Verformung

Zugfestigkeit Rm: bis dahin ist die verformung gleichverteilt, ab dahin kommt es zu einer Einschnürrung

Bruchdehnung A: ist die plastische Bruchdehnung

Brucheinschnürrung Z: gibt an um wieviel hat sich der Querschnitt in % geändert hat

Bei Werkstoffen ohne ausgeprägte Streckgrenze wird eine Ersatzstreckgrenze R_p definiert.

4. Härteprüfung

4.1 Definition und Bedeutung der Härte

Härte ist der Widerstand gegen das Eindringen eines härteren Körpers

Bedeutung:

• Kennzeichnung des Werkstoffzustandes

• Indentifizierung des Werkstoffe

Vorteile:

• Relativ schnell, einfach

• Aus gerätetechnischer Sicht effizient durchführbar

• Geringer Beschädigungsgrad

• Eigent sich sehr gut als Qualitätsprüfung

4.2 Verfahren der Härteprüfung

die Verfahren unterscheiden sich durch ihrer verschiedenen Eindringkörper

4.2.1 Brinell

Eindringkörper:

• Hartmetalkugel D= 10mm, 5mm, 2,5mm, 1mm

Definition: Prüfkraft bezogen auf Eindruckfläche

• HB=0,102* F/S

Prüfkraft:

• abhängig vom zu prüfenden Werkstoff und dem Kugeldurchmesser

• Eindruckdurchmesser soll zwischen 0,24-0,6 D liegen

Belastungsgrad:

• Eindruck darf weder zu tief noch zu glatt sein, wird Kugeldurchmesser und Belastungrad B für jeden Werkstoff gewählt

Umrechnung in Festigkeit R_m

• Stähle R_m= 3,5*HB

• AlCuMg R_m=4,4*HB

4.2.2 Vickers

Eindringkörper: