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

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

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

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

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

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

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

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

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

10 Technische Aufgabe des Werkstoffs und der 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 Verschleißeigenschaften Verschleißt 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 Eigenschaften Forderungen an den Werkstoff Technische Aufgabe des Werkstoffs und der Werkstoffauswahl Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

11 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. Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

12 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Dichte: Unter der Dichte  eines Stoffes versteht man den Quotienten aus der Masse m und dem Volumen V eines Körpers. 1dm V=1dm³  = 1,29kg/dm³ Luft (0°C, 1,013 bar): 19,27 Wolfram 7,85 Stahl 11,3 Blei 2,7 Aluminium 8,9 Kupfer 1 Wasser Dichte kg/dm³ Stoff Dichte von Stoffen Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

13 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Schmelzpunkt (Schmelztemperatur) Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Werkstoff zu schmelzen beginnt. 3387 Wolfram 658 Al 1536 Eisen 327 Blei 1083 Kupfer 232 Zinn Schmelz- temperatur °C Stoff Schmelztemperatur Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

14 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Elektrische Leitfähigkeit Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, den elektri-schen Strom zu leiten. 8% Blei 62% Aluminium 17% Eisen 106% Silber 29% Zink 100% Kupfer Prozent Stoff Elektrische Leitfähigkeit in Prozent der Leitfähigkeit von Kupfer Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

15 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Thermische Längenausdehnung: l1 l l1 = Ausgangslänge l = Längenänderung  = Längenausdeh- nungskoeffizient t = Temperaturänderung t2-t1 Der thermische Längenausdehnungskoeffizient  gibt die Längenänderung l eines 1 m langen Kör- pers bei einer Temperaturänderung von t = 1°C an. Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

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

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

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

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

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

22 Kristallgitter Kristalliner Aufbau der Metalle Raumgitter
Elementarzelle Metallionen Elektronenwolke Kristalliner Aufbau der Metalle Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

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

26 Entstehung des Metallgefüges
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27 Gefügearten und Werkstoffeigenschaften
Metallgefüge im Schliffbild Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

29 Korngröße Gefüge mit unter- schiedlichen Korngrößen Innerer Aufbau
eines reinen Metalls 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. Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

30 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. Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

32 Das Element erniedrigt
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-NiCr30-3 Wärmedehnung Festigkeit, 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 Anwendungsbeispiel Das Element erniedrigt Das Element erhöht Elemente Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

33 Nichtmetallische Begleitelemente
60SiCr7: Federstahl mit einer Zugfestigkeit Rm1600N/mm² Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit, Tiefziehfähigkeit, Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit Zugfestigkeit, Dehngrenze, Korrosionsbeständigkeit Silizium Si 10SPb20: Automatenstahl Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit Zerspanbarkeit Schwefel S Macht Schmelzen von Stahlguss und Gusseisen dünnflüssig Zugfestigkeit, Warmfestigkeit, Korrosionswiderstand Phosphor P X2CrNiMo : Austenitischer Stahl Alterungsbeständigkeit, Tiefziehfähigkeit Versprödung, Austenitbildung Stickstoff N2 wird bei der Stahlherstellung entfernt, z.B. durch Vakuumbehandlung Kerbschlagzähigkeit Alterung durch Versprödung, Zugfestigkeit Wasserstoff H2 C60: Vergütungsstahl mit Rm  800N/mm² Schmelzpunkt, Dehnung, Schweiß- und Schmiedbarkeit Festigkeit und Härte (Maximum bei C0,9%), Härtbarkeit, Rissbildung Kohlenstoff C Anwendungsbeispiel Das Element erniedrigt Das Element erhöht Elemente Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

34 Gusseisen mit Lamellengraphit (EN-GJL)
7,25kg/dm³ °C N/mm² etwa 1% 1% Kurzname (Bsp.) Dichte Schmelzpunkt Zugfestigkeit Bruchdehnung Schwindmaß Gusseisen mit Lamellengraphit Gefüge von Gusseisen mit Lamellengraphit 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. Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

35 Gusseisen mit Lamellengraphit (EN-GJL)
kugelig Ferrit Ferrit...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 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

36 Kohlenstoffgehalt der Eisenwerkstoffe
Gusseisen mit Lamellengraphit Schwarzer Temperguss Stahlguss, unlegiert Allgemeiner Baustahl Einsatzstahl, unlegiert Vergütungsstahl, unlegiert unlegiert legiert Werkzeugstahl Kohlenstoffgehalt Weißer Temperguss Gusswerkstoffe Baustähle 1 2 3 %C 3,5 2,5 2,9 0,5 0,17 0,15 0,10 0,9 0,6 1,4 2,2 0,2 2,6 2,0 1,8 0,45 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

37 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 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

38 Eigenschaften und Verwendung der Legierungs-Schwermetalle
Legierungsmetall für warmfeste Stähle Farbe: grau; zäh, kor-rosionsbeständig ge-gen Säuren 2410 8,4 Niob Nb Legierungsmetall für Stahl, Ver-schleißschichten, Heizleiter, Röntgenröhren Farbe: silberweiß; hoch zugfest, korro-sionsbeständig 2600 10,2 Molybdän Mo Hartmetalle, Eichgewichte, Hochvakuumtechnik, medizinische Instrumente Farbe: grauglänzend; hart und zäh, korro-sions beständig gegen Säuren 3000 16,6 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 19,3 Wolfram W Höchstschmelzende Legierungsmetalle Kennzeichen Schmelzpunkt °C Dichte kg/dm³ Verwendung Eigenschaften Metall Kurzzeichen Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

39 Eigenschaften und Verwendung der Legierungs-Schwermetalle
Legierungsmetall für Stahl, Kupfer und Leichtmetalle Farbe: grauweiß; hart und spröde 1244 7,4 Mangan Mn Legierungsmetall für Stahl, Hart-metalle, Dauermagnete Farbe: rötlichweiß bis stahlblau; sehr zäh, nickelähnliche Eigen-schaften 1493 8,9 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 1903 7,2 Chrom Cr Hochschmelzende Legierungsmetalle Kennzeichen Schmelzpunkt °C Dichte kg/dm³ Verwendung Eigenschaften Metall Kurzzeichen Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

40 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 321 8,64 Cadmium Cd Niedrigschmelzende Legierungsmetalle Kennzeichen Schmelzpunkt °C Dichte kg/dm³ Verwendung Eigenschaften Metall Kurzzeichen Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

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

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

44 Übersicht über die Wärmebehandlungsarten
Glühen Härten Vergüten Einsatzhärten Randschicht- härten Nitrierhärten Carbonitrieren Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

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

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

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

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