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Zusammenfassung

Zusammenfassung Werkstofftechnik HFH SB 1-5

7.620 Wörter / ~63 Seiten sternsternsternsternstern_0.2 Autorin Michi V. im Nov. 2014
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Zusammenfassung
Werkstofftechnik

Universität, Schule

HFH Nürnberg

Note, Lehrer, Jahr

2014

Autor / Copyright
Michi V. ©
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Preis 11.90
Format: pdf
Größe: 1.64 Mb
Ohne Kopierschutz
Bewertung
sternsternsternsternstern_0.2
ID# 43127







Werkstoffe


  • Haben im festen Zustand technisch verwertbare Eigenschaften

  • Werden zu Fertigerzeugnissen oder Halbzeugen (Bänder, Bleche, Rohre) verarbeitet

  • Werkstoffpreise werden beeinflusst durch:

  • Verfügbarkeit

  • Erschließungskosten

  • Herstellungskosten


  • Der Anteil der Werkstoffkosten an den Gesamtkosten wird beeinflusst durch:

  • Automatisierungsgrad

  • Werkstoffkosten

  • Fertigungsverfahren und –kosten

  • Konstruktion


Grundlegende chemische Bindungsarten bei Werkstoffen sind:

  • Ionenbindung oder heteropolare Bindung ( = Nichtmetall + Metall)

    • Erfordert Atome die Elektronen abgeben oder aufnehmen können

    • Äußere Elektronen, welche abgegeben werden können, werden als Valenzelektronen bezeichnet

    • Sie bestimmen die Wertigkeit (Valenz) eines Elements

    • Z.B.:

Na gibt ein äußeres Elektron an Cl ab

Na+ durch Elektronenmangel

Cl- durch Elektronenüberschuss


    • Eigenschaften der Ionenbindung:

      • Hoher Schmelzpunkt

      • Hohe Festigkeit

      • Hohe Härte

      • Hoher Elastizitätsmodul

      • Kleiner thermischer Ausdehnungskoeffizient

      • Elektrischer Isolator

      • Chemisch beständig


    • Werkstoffbeispiel: einige keramische Werkstoffe (Al2O3) ( = Werkstoffe bei denen die Ionenbindung in Form von Oxidien vorliegt)


  • Kovalente oder homöopolare oder Atombindung (= Nichtmetall + Nichtmetall)

    • Streben nach abgeschlossener äußerer Schale (8 Elektronen) durch gemeinsame Nutzung der Atome von mehreren Elektronen

    • Daraus entsteht eine Elektronenpaarbildung

    • Zwei benachbarte Cl-Atome teilen sich zwei Elektronen (ein Elektronenpaar)

    • Gleiche Aufenthaltswahrscheinlichkeit bei beiden Atomen

    • Cl-Atome bleiben neutral, da 14 Elektronen auf zwei Cl-Atome verteilt sind

    • Z.B.:

Ein C-Atom kommt durch gemeinsame Elektronen von vier benachbarten C-Atomen zu einer abgesättigen äußeren Schale


    • Eigenschaften der kovalenten Bindung:

      • Hoher Schmelzpunkt

      • Hohe Festigkeit

      • Hohe Härte

      • Hoher Elastizitätsmodul

      • Geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient

      • Elektrischer Isolator

      • Chemisch beständig


    • Werkstoffbeispiel: Diamant, Siliziumcarbid


  • Metallische Bindung ( = Metall + Metall)

    • Wenn Valenzelektronenzahl nicht ausreicht ist Wechselwirkung durch gemeinsamen Einsatz aller Valenzelektronen möglich

    • Man spricht hier vom Aufenthalt in einer Elektronenwolke (Elektronengas)

    • Valenzelektronen sind nicht mehr einem Atom zugeordnet

    • Atome werden durch Abgabe der Valenzelektronen zu positiv geladenen Atomrümpfen

    • Metallische Bindung schwächer als bei Ionenbindung oder kovalenter Bindung und variiert in weitem Bereich

    • Z.B.:

    • Eigenschaften einer metallischen Bindung:

      • Gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit

      • Verdampfen der Elektronen aus der Metalloberfläche bei hohen Temperaturen (= Glühemissionseffekt)

      • Tendenz zu Bildung dichtester Kugelpackungen, welche als ungerichtete Bindung Voraussetzung für gute plastische Verformbarkeit darstellt


    • Werkstoffbeispiel: Metall


  • Rest- oder Nebenvalenzbindung

    • Im Gegensatz zu anderen Bindungsarten keine primäre Bindung, sondern etwa zwei Stufen schwächere Bindungsart

    • Deshalb sekundäre Bindung

    • Bindung wird durch magnetische Wechselwirkung zwischen Dipolen bewirkt

    • Z.B.:

Dipol wird durch positive Ladung des Kerns auf negativ geladenes Elektro des Nachbaratoms gebildet


    • Eigenschaften:

      • Niedriger Schmelzpunkt

      • Niedrige Festigkeit

      • Kleiner Elastizitätsmodul

      • Großer thermisc.....[Volltext lesen]

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  • Korngrenzen stellen Schwachstellen im Gefüge dar, weshalb ein feinkörniger Werkstoff eine höhere Festigkeit aufweist


    Phasenumwandlungen

    Übergang vom flüssigen zum festen Zustand

    • Unterkühlung

      • Bei Abkühlung sehr reiner Stoffe und unbewegter Schmelze sinkt die Temperatur etwas unter den Erstarrungspunkt ab

      • Diese Unterschreitung des Schmelzpunktes wird als Unterkühlung bezeichnet

      • Gefügeentstehunug bei einem Gussblock

        • durch die hohe Unterkühlung an der Kokillen- bzw. Gussblockwand bildet sich die feinkörnige Randzone

        • daran schließt sich eine Zone stängelförmiger Kristalle (Transkrstallisationszone) an

        • hier wachsen die Kristalle entgegengesetzt zur Wärmeableitung in die Schmelze

        • ein grobes Korn mit einer Vorzugsrichtung (Gusstextur) ist die Folge daraus

        • in der Mitte befindet sich die Restschmelze, welche viele hochschmelzende Verunreinigungen enthält

        • diese Verunreinigungen wirken als Kristallisationskeime und bewirken in der Mitte eine feinkörnige Zone (globulitisches Gefüge)

        • globulistische Kernbereiche bilden sich vor allem im unteren Teil eines Gussblocks aus und kennzeichnen den Schüttkegel

        • da derartige Verunreinigungen sich nach unten absetzen

        • gießtechnische Maßnahmen zum Erreichen eines feinkörnigen Gefüges

          • gießen in Metallformen (Kokillen), um ein schnelles Abführen der Erstarrungswärme zu ermöglichen

          • einlegen von Metallplatten bei Verwendung von Sandgussformen, um an bestimmten Stellen des Gussstücks ein feines Gefüge zu erzielen

          • Das Gussstück soll eine möglichst große Oberfläche besitzen, um eine schnelle Abkühlung zu erreichen

          • Es soll dich oberhalb der Schmelztemperatur abgegossen werden, um die Wärme schnell abführen zu können


        • Lunker

          • Lunker ist ein Hohlraum, der sich infolge der bei der Erstarrung auftretenden Volumenkontraktion bildet

          • Maßnahmen um Lunker zu verhindern:

            • Optimierung des Abgusses

            • Setzen von Steigern

            • Gießgerechte Konstruktion


        • Gasblasen

          • Wesentlich höhere Löslichkeit für Gase als für Fremdkörper in der Schmelze

          • Folglich scheiden bei Erstarrung Gasblasen aus


        • Risse

        • Durch weitere Abkühlung des Gussstückes nach Erstarrung kann es schrumpft

        • Hierbei können Risse entstehen

        • Gefahr besteht vor allem beim Zusammentreffen unterschiedlicher Querschnitte

        • Deswegen sollen nach Regel des gussgerechten Konstruierens bei Gussstücken gleiche Wanddicken zusammenstoßen

        • Seigerung

        • Treten im Gussblock Konzentrationsunterschiede auf, so wird diese Entmischungs als Seigerung bezeichnet

          • Schwerkraftseigerung

            • Treten auf, wenn die Legierungspartner ein stark unterschiedliches Gewicht besitzen

            • Schwerer Legierungsbestandteil sinkt zu Boden


          • Blockseigerung

            • Hiervon spricht man, wenn Konzentrationsunterschiede über den Blockquerschnitt auftreten


        Diffusion

        • Vorgang, bei dem Atome, Ionen oder niedermolekulare Bestandteile auf Grund thermischer Anregung die Gitterplätze wechseln

        • Folge ist ein makroskopischer Massetransport

        • Bei diesem werden Konzentrationsunterschiede im Werkstoff ausgeglichen

        • Für eine Diffusion müssen Leerstellen im Gitter vorliegen

        • Diffundieren arteigene Atome im Gitter spricht man von Selbstdiffusion

        • Bei Diffusion artfremder Atome handelt es sich um eine Fremddiffusion

        • In amorphen Stoffen erfolgt die Diffusion schneller als in Kristallen, da die Anzahl von Lücken dort größer ist

        • Kirkendall-Effekt

          • Tritt auf, wenn zwei an einer Grenzfläche zusammentreffende Stoffe unterschiedlich schnell diifundieren

          • Charakteristisches Merkmal sind Massedifferenzen an der Grenzfläche

          • Weiterhin ist während des Diffusionsprozesses eine Verschiebung der Trennebenen der unterschiedlichen Stoffe zu erkennen

        Legierungsbildung

        • Kristallgemische

          • Bei Kristallgemischen liegen beide Stoffe (A und B) als verschiedene Kristallarten (Phasen) bzw. Kristallite nebeneinander vor

          • Man bezeichnet sie auch als heterogenes Gefüge

          • Änderung der der Eigenschaften proportional zur Zusammensetzung


        • Mischkristalle (MK)

          • Einlagerungsmischkristalle (EMK)

            • Bedingung für EMK = RadiusB ≤ 0,59 * RadiusA (A: Wirtselement, B: Zusatzelement)

            • Zusatzelemente lagern sich auf den Zwischengitterplätzen des Wirtselementes an

            • Kohlenstoff ist wichtigster Eisenbegleiter

            • Kubisch-flächenzentriert, C liegt im Schnittpunkt der Raumdiagonale

            • γ-MK des Fe mit C wie Austenit genannt

            • Löslichkeit nimmt bei sinkender Temperatur ab

            • Kubisch-raumzentriert, C liegt im Schnittpunkt der Flächendiagonale

            • α-MK des Fe mit C wird als Ferrit bezeichnet

            • Mit abnehmender Temperatur geht Löslichkeit zurück


          • Austauschmischkristalle

            • Wird auch als Substitutions-MK (SMK) bezeichnet

            • Voraussetungen für SMK:

              • Komponenten A und B bilden das gleiche Gitter

              • Ähnliche Größe der Atomradien (Toleranz 10 bis 15 %)

              • Etwa gleiche Zahl der Valenzelektronen bei beiden Komponenten

            • Z.B.: System Ag-Au


      • Überstrukturphasen

        • Wechselwirkung der Elemente A und B überschreitet Grenzwerte

        • Atome B können dann bestimmte Gitterplätze bevorzugen, so dass es zu regelmäßiger Anordnung kommt

        • Bilden sich im Gleichgewichtszustand (d.h. glühendem Zustand)

        • Werden beim Abschrecken unterdrückt

        • Sind spröder als ungeordnete MK

        • Thermisch wenig stabil


      • Intermetallische Phasen

        • A und B bilden bei einem bestimmten stöchiometrischen Verhältni.....

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    • Systeme mit Auftreten intermetallischer Phasen

      • Falls sich intermetallische Phase unmittelbar aus Schmelze abscheidet, kann Zweistoffsystem in Teildiagramme zerlegt werden

      • Intermetallische Phase spielt dann Rolle der reinen Komponente

        • System mit Umwandlung und beschränkter Löslichkeit im festen Zustand

          • γ-MK im festen Zustand erfährt Gitterumwandlung

          • Komponente A geht von γ-Modifikation in α-Modifikation bei Temperatur ϑγ/β

          • Unterschied zum Diagramm mit beschränkter Mischbarkeit, am Punkt E’ erfolgt Umwandlung des γ-MK in den α- und β-MK

          • E’ wird als eutekoider Punkt bezeichnet, da Umwandlung nicht aus Schmelze sondern aus festem Zustand in zwei feste Phasen erfolgt

          • Umwandlung im festen Zustand erfolgt durch Diffusion


        • Aufheiz- und Abkühlkurve reinen Eisens

        kubisch-raumzentriert zwischen 1536° und 1392°

        kubisch-flächenzentriert zwischen 1392° und 900°

        Unterschied zwischen Umwandlungspunkt bei A3 zwischen Abkühlung und Aufheizung wird als thermische Hysterese bezeichnet


        • Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

          • Von grundlegender Bedeutung für Stahl und Gusseisen

          • Für Stahl gilt metastabiles System (ausgezeichnete Linien)

          • Für Gusseisen mit Graphit das stabile System (gestrichelte Linien)


        Wärmebehandlung

        Glühen

        • Wärmebehandlung, die aus Erwärmen auf bestimmte Temperatur, Halten der Temperatur und nachfolgendem meist langsamen abkühlen besteht

        • Härten

          • darunter versteht man eine Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in Martensit (und ggf. Bainit) oberflächlich oder durchgreifend erfolgt

          • Voraussetzung ist Modifikationsänderung des Fe in Abhängigkeit von Temperatur mit unterschiedlicher Löslichkeit

          • Durchführung:

    • Erwärmung (Austenitisieren) erfolgt bei untereutektoiden Stählen 30 – 50°C oberhalb der GOS-Linie

    • Bei übereutektoiden Stählen 30 – 50°C oberhalb der SK-Linie

    • Einsatz vorallem bei Werkzeug- und Einsatzstählen


    • Härtbarkeit

      • Neigung des Stahls, nach Austenitisieren in Martensit und/oder Bainit umzuwandeln (Neigung des Stahls zur Härtsteigerung)

      • Umfasst Aufhärtbarkeit und Einhärtung

      • Aufhärtbarkeit:

        • Wird durch erreichbare Härte charakterisiert

        • .....

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  • Natriumcyanid (NaCN) kann als flüssiges Einsatzmittel verwendet werden ist aber giftig (Umweltprobleme)

  • Heute meist gasförmige Einsatzmittel wie Methan, Ethan und Propan


    • Oberflächenhärten

      • Energie wird auf Überführung des Gefüges in austenitischen Zustand auf die Oberfläche bzw. oberflächennahe Bereiche konzentriert

      • Flammhärten:

        • Oberflächenabschnitt wird mit Brenner schnell auf Härtetemperatur erhitzt

        • Unmittelbar danach wird mit Wasser oder Luft-Wasser-Gemisch abgeschreckt

        • Werkstückkern bleibt ungehärtet

        • Rissempfindlichkeit geringer als bei Abschreckhärten, da örtlich konzentrierter

        • Anwendung z.B. bei Bolzen, Zapfen, Wellen, Zahnrädern, Spurkränzen


      • Induktionshärten

        • Wärme wird durch Induktion erzeugt

  • Zylindrisches Bauteil wird in eine stromdurchflossene Spule gebracht

  • Diese ruft hochfrequente Wechselströme hervor

  • Eindringungstiefe ist (in folge von Skineffekts) abhängig von Frequenz der Wechselströme

  • Im Vorschubprinzip, Abschrecken mit Wasserbrause

  • Härtungsbedingungen können eingestellt werden, wodurch Gefahr von Rissen und Verzug deutlich herabgesetzt wird

  • Anwendung z.B. bei Walzen, Gleitschienen, Hämmer


      • Laserhärten

        • Werkstoffoberfläche wird durch aus Lasergenerator austretendes, hochenergetisches Strahlenbündel erhitzt

        • Durch Fokussierung des Bündels folgt eine örtlich sta.....

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  • Ist ein Werkstoff „durchvergütet“ so hat er vom Rand bis zum Kern keine wesentlichen Gefügeunterschiede aufzuweisen und damit keine oder nur geringe Festigkeitsdifferenzen


    • Nitrieren

      • Wärmebehandlung in stickstoffabgebenden Medien zur Anreicherung der Randschicht des Bauteils mit Stickstoff

      • Häufig zur Steigerung der Oberflächenhärte und damit der Verschleißbeständigkeit eingesetzt

      • Ist eine thermochemische Behandlung

      • Nitriertemperatur 500 bis 580°C

      • Unterschiedliche Verfahren:

        • Gasnitrieren

        • Badnitrieren

        • Ioennitrieren

        • Nitrocarburieren

      • Deutlich geringerer Verzug als bei Härten, da Temperaturen niedriger


    • Aushärtung

      • Wärmebehandlung gliedert sich in Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern, um Ausscheidungen in Gefüge zu erreichen

      • Wird vor allem bei Al-Legierungen verwendet


    Zugversuch

    • Ablauf des Zugversuches:

      • Genormter Probestab wird unter langsam wachsender Beanspruchung in einer Prüfmaschine elastisch und anschließend plastisch bis zum Bruch gedehnt

    • Kenngrößen die mit Zugversuch ermittelt werden können:

    • Elastizitätsmodul

    • Obere Streckgrenze

    • Zugfestigkeit

    • Bruchdehnung

    • Brucheinschnürung

  • Im Anfangsbereich lineare Beziehung zwischen Spannung und Dehnung (Hookesche Gerade)

  • Winkel α gibt den Elastizitätsmodul an

  • Hookesche Gerade endet mit Abfall auf .....

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  • Häufig auch Unsicherheiten bei Lastannahmen, diese werden mit Sicherheitsfaktor abgefangen



    Härteprüfung

    • Härte ist der Widerstand eines Werkstoffes gegen das Eindringen eines härteren Körpers

    • Härte dient in erster Linie Werkstoff- bzw. Gefügezustandsbeschreibung

    • Vorteile der Härteprüfungen:

      • Relativ einfach

      • schnell

      • aus gerätetechnischer Sicht effizient durchführbar

      • geringer Beschädigungsgrad der Werkstoffoberfläche

      • keine Beeinträchtigung der Funktionsweise des Werkstücks

      • für Qualitätsprüfungen in Großserienfertigung geeignet

  • unmittelbar in den technologischen Prozess integrierbar

  • Deshalb ist es heute das am häufigsten verwendete Verfahren zur Werkstoffprüfung

  • Messgrößen bei der Prüfung sind Prüfkraft, Eindruckfläche oder Eindringtiefe

  • Härteprüfwerte sind allerdings nicht miteinander vergleichbar, da unterschiedliche Messgrößen und Eindringkörper zu Grunde liegen


    • Härteprüfung nach Brinell

      • Hartmetallkugel mit genormter Prüfkraft, die senkrecht zur Messobjektfläche wirken soll, stoßfrei in Prüfobjekt eingedrückt

      • Durchmesser der Kugel ist 10, 5, 2.5 oder 1mm

      • Prüfkraft ist abhängig vom prüfenden Werkstoff und gewählten Durchmesser der Eindruckkugel

      • Eindruckdurchmesser wird aus zwei senkrecht stehenden P.....

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