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Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Struktur und Eigenschaften der Materialien Vorlesung Teil 1: Metalle und Legierungen.

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Präsentation zum Thema: "Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Struktur und Eigenschaften der Materialien Vorlesung Teil 1: Metalle und Legierungen."—  Präsentation transkript:

1 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Struktur und Eigenschaften der Materialien Vorlesung Teil 1: Metalle und Legierungen

2 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Die Lehrmaterialien sind ausschließlich für den internen Gebrauch bestimmt. Die verwendeten Quellen sind im Literatur- verzeichnis angegeben.

3 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Eisenwerkstoffe

4 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Nichteisenmetalle

5 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Nichtmetallische Werkstoffe

6 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Verbundwerkstoffe

7 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Einteilung der Werkstoffe Metall Nichtmetalle Verbund- werkstoffe Künstliche Werkstoffe Natur- Werkstoffe z.B. Granit, Asbest, Holz z.B. Glas, Kunststoff, Keramik z.B. Verstärkte Kunststoffe, Hartmetalle Eisen- Guss- werk- stoffe Stähle Schwer- metalle >5kg/dm³ Leicht- metalle <5kg/dm³ Eisen -Werkstoffe Nichteisenmetalle z.B. Aluminium, Magnesium, Titan z.B. Kupfer, Zink, Blei z.B. Guss- eisen, Temper- guss, Stahlguss z.B. Bau-, Werk- zeug-, Vergü- tungs- stahl

8 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Herstellung der Werkstoffe RohstoffeWerkstoffeWerkstücke Umwandlung Energie, Hilfsstoffe Fertigung Hilfsstoffe, Energie

9 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Hilfsstoffe und Energie Kühl- schmier- stoffe Schleif-, Polier- mittel Reini- gungs- mittel Löt- hilfs- mittel Beschich- tungs- stoffe Schmier- stoffe Treib- stoffe Elektr. Strom Druck- luft Druck- öl

10 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Werkstoffauswahl Dieses Verhalten beschreiben die chemisch- technologischen Eigenschaften, wie Korrosionsverhalten und die Zunderbeständigkeit Wird der Werkstoff des Bauteils bei seinem vorgesehenen Verwendungszweck von umgebenden Stoffen oder bei erhöhter Temperatur angegriffen? Hierüber informieren die fertigungstechnischen Eigenschaften, wie Gießbarkeit und Spanbarkeit Mit welchem Fertigungsverfahren lässt sich das Bauteil kostengünstig fertigen? Auskunft darauf geben die VerschleißeigenschaftenVerschleißt der Werkstoff an Gleitflächen? Dies beantworten die mechanisch-technologischen Eigenschaften, wie Festigkeit, Härte Kann der Werkstoff den auf das Bauteil einwirkenden Kräften standhalten? Antwort geben die physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs, wie Dichte Schmelztemperatur und elektrische Leitfähigkeit Ist der Werkstoff z.B. aufgrund seines Gewichts, seiner Schmelztemperatur oder seines elektrischen Leitvermögens für diese Aufgabe geeignet? Erforderliche EigenschaftenForderungen an den Werkstoff Technische Aufgabe des Werkstoffs und der Werkstoffauswahl

11 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Werkstoffauswahl Nach Abwägung aller Gesichtspunkte wird für ein Bauteil der Werkstoff ausgewählt, der die Funktion des Bauteils und die technischen Anforde- rungen am besten erfüllt, dessen Fertigung und Werkstoffpreis am günstigsten ist und der bei der Fertigung und nach dem Gebrauch keine Belastung für die Umwelt darstellt.

12 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe = 1,29kg/dm³ Luft (0°C, 1,013 bar): 19,27Wolfram7,85Stahl 11,3Blei2,7Aluminium 8,9Kupfer1Wasser Dichte kg/dm³StoffDichte kg/dm³Stoff Dichte von Stoffen Dichte: 1dm V=1dm³ Unter der Dichte eines Stoffes versteht man den Quotienten aus der Masse m und dem Volumen V eines Körpers.

13 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Schmelzpunkt (Schmelztemperatur) Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Werkstoff zu schmelzen beginnt. 3387Wolfram658Al 1536Eisen327Blei 1083Kupfer232Zinn Schmelz- temperatur °C StoffSchmelz- temperatur °C Stoff Schmelztemperatur

14 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Elektrische Leitfähigkeit Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, den elektri- schen Strom zu leiten. 8%Blei62%Aluminium 17%Eisen106%Silber 29%Zink100%Kupfer ProzentStoffProzentStoff Elektrische Leitfähigkeit in Prozent der Leitfähigkeit von Kupfer

15 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Thermische Längenausdehnung: l1l1 l l 1 = Ausgangslänge l = Längenänderung = Längenausdeh- nungskoeffizient t = Temperaturänderung t 2 -t 1 Der thermische Längenausdehnungskoeffizient gibt die Längenänderung l eines 1 m langen Kör- pers bei einer Temperaturänderung von t = 1°C an.

16 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Wärmeenergie Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Wärmeleitfähigkeit Die Wärmeleitfähigkeit ist das Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, Wärmeenergie in sich zu leiten.

17 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Elastische und plastische Verformung und elastisch-plastisches Verformungsverhalten Elastizität eines Sägeblattes Plastizität eines Bleistabes Elastisch-plastische Verformung eines Stabstahls Die verschiedenen Werkstoffe können elastisches, plastisches und elastisch-plastisches Ver- formungsverhalten haben.

18 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Zähigkeit, Sprödigkeit, Härte Bestimmung der Härte Unter Härte versteht man den Widerstand, den ein Werk- stoff dem Eindringen eines Prüfkörpers entgegensetzt.

19 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Beanspruchungsarten Zug- und Druckbeanspruchung Weitere Beanspruchungsarten

20 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Innerer Aufbau der Metalle Metalloberfläche und kristalline Struktur Den Feinbau der Metalle bezeichnet man als kristallinen Aufbau oder als kristalline Struktur.

21 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Metallbindung Entstehung der Metallbindung (Beispiel Eisen) Zusammen- lagerung aus dem Erz reduzierte Metallatome (z.B. Eisenatome Fe) Metallionen -Verband (z.B. aus Eisenionen Fe² + ) Elektronen- wolke frei bewegliche Elektronen Metallionen Die Metallbindung bewirkt den äußerst festen Zusammenhalt der Metallteilchen und damit die Festigkeit der Metalle. Metalle sind gute elektrische Leiter.

22 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Kristallgitter RaumgitterElementarzelle MetallionenElektronenwolke Kristalliner Aufbau der Metalle

23 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Verformbarkeit der Metalle

24 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Kristallgittertypen der Metalle kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter (kfz) Hexagonal-dichtestes Kristallgitter (hdp) Metallionen Elektronen- wolke kubisch-raumzentriertes Kristallgitter (krz) Ionenmittelpunkte Die Metalle haben kubisch-raumzentrierte, kubisch flächenzentrierte oder hexagonale Kristallgitter.

25 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Baufehler im Kristall Baufehler bewirken Verzerrungen im Kristallgitter und führen zur Erhöhung der Festigkeit.

26 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Entstehung des Metallgefüges

27 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Gefügearten und Werkstoffeigenschaften Metallgefüge im Schliffbild

28 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Kornformen globulare Körner lamellares Gefüge dendritische Körner polyedrische Körner

29 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Korngröße Die gewünschte Körngröße kann erzielt werden durch: Wärmebehandlung, z.B. Normalglühen, Warmumformen, z.B. Warmwalzen, Zugabe bestimmter Legierungselemente, wie z.B. Mangan bei den Feinkornbaustählen. Gefüge mit unter- schiedlichen Korngrößen Innerer Aufbau eines reinen Metalls

30 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Kristallgemisch - Mischkristall Innerer Aufbau einer Kristall- gemisch-Legierung Innerer Aufbau einer Mischkristall- Legierung Legierungen haben gegenüber ihrem reinen Grundmetall meist ver- besserte Eigenschaften, z.B. eine höhere Festigkeit, verbessertes Korrosionsverhalten oder größere Härte.

31 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Stahl und Eisen-Gusswerkstoffe Weitere typische Eigenschaften der Stähle: Wiederverwertbar Durch Legieren korrosionsbeständig und warmfest. Schwer ( = 7,85 kg/dm³) Die unlegierten Stähle sind korrosionsanfällig. Hohe Festigkeit Wellen, Zahnräder, Schrauben Gut zerspanbar Wellen, Zahnräder, Gehäuse Hart und verschleißfest Wälzlager, Zahnräder Magnetisierbar Blechpakete im Läufer und Ständer Gut gießbar Getriebegehäuse aus Gusseisen Gut umformbar Lüfterrad aus Blech, Schrauben

32 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Legierungsmetalle HS6-5-2: Schnellarbeits-stahl mit 6% W, z.B. für Räumnadeln Dehnung (in geringem Maße), Zerspanbarkeit Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit, Schneidhaltigkeit Wolfram W 115CrV3: Werkzeugstahl, z.B. für Gewindebohrer Empfindlichkeit gegen Überhitzung Dauerfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit Vanadium V EN-GJS-NiCr30-3WärmedehnungFestigkeit, Zähigkeit, Durchhärtbarkeit, Korrosionsbeständigkeit Nickel Ni 56NiCrMoV7: Warmarbeitsstahl, z.B. für Strangpressdorne Anlasssprödigkeit, Schmiedbarkeit, (bei höherem Mo-Anteil) Zugfestigkeit, Warm-festigkeit, Schneidhaltigkeit, Durchhärtung Molybdän Mo 28Mn6: Vergütungsstahl z.B. für Schmiedeteile Zerspanbarkeit,Kalt- formbarkeit, raphit- ausscheidung bei Grauguss Zugfestigkeit, Durchhärtbarkeit, Zähigkeit (bei wenig Mn) Mangan Mn HS : Schnell- arbeitsstahl mit 10% Co, z.B. für Drehmeißel Kornwachstum bei höheren Temperaturen Härte, Schneidhaltigkeit, Warmfestigkeit Cobalt Co X5CrNi18-10: Nichtrostender Stahl Dehnung (in geringem Maße) Zugfestigkeit, Härte, Warm- festigkeit, Verschleißfestig-keit, Korrosionbeständigkeit Chrom Cr 34CrAlMo5: Nitrierstahl; Desoxidationsmittel bei der Stahlherstellung -Zunderwiderstand, Eindringen von Stickstoff Aluminium Al AnwendungsbeispielDas Element erniedrigtDas Element erhöht Elemente

33 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Nichtmetallische Begleitelemente 60SiCr7: Federstahl mit einer Zugfestigkeit R m 1600N/mm² Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit, Tiefziehfähigkeit, Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit Zugfestigkeit, Dehngrenze, Korrosionsbeständigkeit Silizium Si 10SPb20: AutomatenstahlKerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit Zerspanbarkeit Schwefel S Macht Schmelzen von Stahlguss und Gusseisen dünnflüssig Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit Zugfestigkeit, Warmfestigkeit, Korrosionswiderstand Phosphor P X2CrNiMo : Austenitischer Stahl Alterungsbeständigkeit, Tiefziehfähigkeit Versprödung, Austenitbildung Stickstoff N 2 wird bei der Stahlherstellung entfernt, z.B. durch Vakuumbehandlung KerbschlagzähigkeitAlterung durch Versprödung, Zugfestigkeit Wasserstoff H 2 C60: Vergütungsstahl mit R m 800N/mm² Schmelzpunkt, Dehnung, Schweiß- und Schmiedbarkeit Festigkeit und Härte (Maximum bei C 0,9%), Härtbarkeit, Rissbildung Kohlenstoff C AnwendungsbeispielDas Element erniedrigtDas Element erhöht Elemente

34 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Gusseisen mit Lamellengraphit (EN-GJL) Gusseisen mit Lamellengraphit ist wegen seiner vielen guten Eigenschaften der häufigste Gusswerkstoff. Durch den lamel- lenförmigen Graphit ist die Festigkeit begrenzt und die Zähig- keit sehr gering. EN-GJL-200 7,25kg/dm³ °C N/mm² etwa 1% 1% Kurzname (Bsp.) Dichte Schmelzpunkt Zugfestigkeit Bruchdehnung Schwindmaß Gusseisen mit Lamellengraphit Gefüge von Gusseisen mit Lamellengraphit

35 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst kugelig FerritFerrit...Perlit mit Kugel- graphit mit Lamellengraphit Perlit und Ferrit Streifen- zementit Stahlguss flockig Schwarzer Temperguss Graphit + Streifenzementit grobblätterig...fein-blätterig Gusseisen Art des Kohlenstoffs Grundgefüge Zugfestigkeit N/mm² Gefügebilder M 100:1 Eisen-Gusswerk- stoffe Gusseisen mit Lamellengraphit (EN-GJL)

36 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Kohlenstoffgehalt der Eisenwerkstoffe Gusseisen mit Lamellengraphit Schwarzer Temperguss Stahlguss, unlegiert Allgemeiner Baustahl Einsatzstahl, unlegiert Vergütungsstahl, unlegiert unlegiert legiert Werkzeugstahl Kohlenstoffgehalt Weißer Temperguss Gusswerkstoffe Baustähle 123%C0 3,52,5 2,9 0,50,17 0,15 0,100,9 0,6 1,40,5 2,20,2 2,6 2,0 1,80,5 0,45 0,2

37 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Einteilung und Verwendung der Stähle Baustähle Stähle Werkzeugstähle warmfester Stahl, hochwarmfester Stahl, hitzebeständiger Stahl, nichtrostender Stahl, nichtmagnetisierbarer Stahl unlegierter Baustahl, Feinkornbaustahl, Auto- matenstahl, Einsatzstahl, Vergütungsstahl, Nitrierstahl, Federstahl Unterteilung in: Verwendung für: Maschinenbau, Fahrzeugbau, Stahlbau, Gerätebau Unterteilung in: Kaltarbeitsstahl, Warmarbeitsstahl, Schnellarbeitsstahl Verwendung für: Schneidwerkzeuge, Gesenke, Spritzgussformen, Hand- und Maschinenwerkzeuge

38 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Eigenschaften und Verwendung der Legierungs-Schwermetalle Legierungsmetall für warmfeste Stähle Farbe: grau; zäh, kor- rosionsbeständig ge- gen Säuren 24108,4 Niob Nb Legierungsmetall für Stahl, Ver- schleißschichten, Heizleiter, Röntgenröhren Farbe: silberweiß; hoch zugfest, korro- sionsbeständig ,2 Molybdän Mo Hartmetalle, Eichgewichte, Hochvakuumtechnik, medizinische Instrumente Farbe: grauglänzend; hart und zäh, korro- sions beständig gegen Säuren ,6 Tantal Ta Legierungsmetall für Stahl, Hart- metalle Schweißelektroden, Kon- taktwerkstoffe, Glühfäden von Glühlampen Farbe: stahlgrau; sehr hart und zäh, warm- korrosionsbeständig gegen Säuren 3380 höchster Schmelzpunkt der Metalle 19,3Wolfram W Höchstschmelzende Legierungsmetalle KennzeichenSchmelzpunkt °C Dichte kg/dm³ Verwendung Eigenschaften Metall Kurzzeichen

39 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Eigenschaften und Verwendung der Legierungs-Schwermetalle Legierungsmetall für Stahl, Kupfer und Leichtmetalle Farbe: grauweiß; hart und spröde 12447,4 Mangan Mn Legierungsmetall für Stahl, Hart- metalle, Dauermagnete Farbe: rötlichweiß bis stahlblau; sehr zäh, nickelähnliche Eigen- schaften 14938,9 Cobalt Co Legierungsmetall für Stahl Farbe: stahlgrau; hart und spröde 890 6,1 Vanadium V Legierungsmetall für Stahl, galva- nische Überzüge (Rostschutz), Hartverchromung für Werkzeuge und Pressformen Farbe: stahlgrau; hart und spröde, sehr kor- rosions beständig 19037,2 Chrom Cr Hochschmelzende Legierungsmetalle KennzeichenSchmelzpunkt °C Dichte kg/dm³ Verwendung Eigenschaften Metall Kurzzeichen

40 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Eigenschaften und Verwendung der Legierungs-Schwermetalle Elektrische Sicherungen, Kühl- mittel im Reaktorbau Farbe: rötlichweiß; glänzend, leicht schmel- zend, Ausdehnung beim Erstarren 271 9,8 Wismut Bi Lagermetalle, Verkadmen von Eisen, Stahl und Aluminium Farbe: silberweiß; niedrig schmelzend, weich und zäh, korrosionsbeständig, Dämpfe giftig 3218,64 Cadmium Cd Niedrigschmelzende Legierungsmetalle Kennzeichen Schmelzpunkt °C Dichte kg/dm³ Verwendung Eigenschaften Metall Kurzzeichen

41 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Wärmebehandlung der Eisenwerkstoffe Steigender Kohlenstoffgehalt a)Technisch reines Eisen Ferrit-Gefüge Korngrenzen Ferrit- körner b)Eisen mit 0,5% Kohlenstoff Ferrit-Perlit-Gefüge Ferrit- körner Perlit- körner e)Eisen mit 3,5% Kohlenstoff Graphitlamellen in perlitischem Grundgefüge c)Eisen mit 0,8% Kohlenstoff Perlit-Gefüge d)Eisen mit 1,6% Kohlenstoff Perlit-Zementit-Gefüge Perlitkörner (Streifenzementit in Ferrit) Korngrenzen- zementitkörner Perlit- körner Perlitkörner Graphitlamellen Eisen mit bis zu 2,06% C nennt man Stahl Eisen mit mehr als 2,06% C wird Guss- eisen genannt.

42 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Metastabiles Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm Beim Über- schreiten bzw. Unter- schreiten einer Gefüge- begrenzungs- linie wandelt sich das Ge- füge um.

43 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Gefüge und Kristallgitter bei Erwärmung Stahlecke des Fe-C-Zustandsdiagramms Gitter- und Gefügeänderung eines Stahls mit 0,8% C bei 723°C

44 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Übersicht über die Wärmebehandlungsarten Glühen Carbonitrieren NitrierhärtenEinsatzhärten Randschicht- härten VergütenHärten

45 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Glühen: Glühtemperaturen unlegierter Stähle im Fe-C-Zustandsdiagramm Glühen ist eine Wärmebehandlung, bestehend aus langsamem Erwärmen, Halten auf Glühtemperatur und langsamem Abkühlen.

46 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Glühen Glühen Rekristallisationsglühen Weichglühen Normalglühen

47 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Härten Härten Härten ist eine Wärmebehandlung, die Stähle hart und verschleißfest macht. Temperaturverlauf beim Härten Gehärtete Werkstücke

48 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Härten ( Härten (Gefügeumwandlung beim Abschrecken) Nur Stähle mit mehr als 0,2% C sind zum Härten geeignet.

49 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Härte- und Anlasstemperaturen unlegierter Stähle im Fe-C-Zustandsdiagramm

50 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Abkühlungskurven

51 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Härten Schnitt durch ein Zahnrad aus gehärtetem, unlegierten Stahl Härteverzug Entstehung von Härteverzug und Härterissen


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