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Metallische Werkstoffe Werkstofftechnik Einführung Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung.

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Präsentation zum Thema: "Metallische Werkstoffe Werkstofftechnik Einführung Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung."—  Präsentation transkript:

1 Metallische Werkstoffe Werkstofftechnik Einführung Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

2 Metalle und Legierungen Struktur und Eigenschaften

3 Einteilung der Werkstoffe Schwer- metalle > 5kg/dm³ Kupfer, Zink, Blei Leicht- metalle < 5kg/dm³ Alu, Titan, Magnesium, Stähle Baustahl, Werkzeug-, Vergütungs- stahl Eisenguss- werkstoffe Gusseisen, Temperguss, Stahlguss Künstliche Werkstoffe Glas, Kunst- stoff, Keramik Natur- Werkstoffe Granit, Holz Asbest Metall Nichtmetalle Eisen –Werkstoffe Nichteisenmetalle Verbund- werkstoffe Verstärkte Kunststoffe, Hartmetalle Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

4 Stoffkonstanten verschiedener Werkstoffe Werkstoff Dichte in kg/dm 3 Schmelzpunkt in °C Aluminium2,7660 Messingca. 8,5ca. 900 Eisen7,81535 Kupfer8,93ca Elastizität elastisch Baustahl weichgeglühtes Kupfer Gummi plastisch Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

5 Stoffkonstanten verschiedener Werkstoffe Zähigkeit Zähigkeit ist das Vermögen, innere Spannungen durch Verformung zu verteilen und damit ohne Beschädigung aufnehmen zu können. Das Gegenteil ist die Sprödigkeit. Härte Härte ist der Widerstand eines Körpers gegen das Eindringen eines anderen Körpers in die Oberfläche Korrosionsbeständigkeit Die chemische Beständigkeit von Metallen gegen Einflüsse von außen nennt man Korrosions- beständigkeit. Technologische Eigenschaften Verformbarkeit, Zerspanbarkeit, Gießbarkeit, Schweißbarkeit, Lötbarkeit Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

6 Anforderungen an die Werkstoffe Dieses Verhalten beschreiben chemisch-technologische 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 fertigungstechnische 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 mechanisch-technologische Eigenschaften, wie Festigkeit und Härte. Kann der Werkstoff den auf das Bauteil einwirkenden Kräften standhalten? Antwort geben physikalische 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 Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

7 Werkstoff-Auswahl Nach Abwägung aller Gesichtspunkte wird der richtige Werkstoff für ein Bauteil ausgewählt: der die Funktion des Bauteils und die technischen Anforderungen 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. Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

8 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe = 1,29kg/dm³ Luft (0°C, 1,013 bar): 19,27Wolfram7,85Stahl 11,3Blei2,7 Aluminium 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. Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

9 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Werkstoff zu schmelzen beginnt. 3387Wolfram658Al 1536Eisen327Blei 1083Kupfer232Zinn Schmelz- temperatur °C Stoff Schmelz- temperatur °C Stoff Schmelztemperatur Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

10 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, den elektri- schen Strom zu leiten. 8%Blei62%Aluminium 17%Eisen 106% Silber 29%Zink 100% Kupfer ProzentStoffProzentStoff Elektrische Leitfähigkeit in % der Leitfähigkeit von Kupfer Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

11 Thermische Längenausdehnung: l1l1 l l 1 = Ausgangslänge l = Längenänderung = Längenausdehnungskoeffizient t = Temperaturänderung t 2 -t 1 Der thermische Längenausdehnungskoeffizient gibt die Längenänderung l eines 1 m langen Körpers bei einer Temperaturänderung von t = 1°C an. Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

12 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Die Wärmeleitfähigkeit ist das Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, Wärmeenergie in sich zu leiten. Wärmeenergie Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

13 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Elastizität eines Sägeblattes Plastizität eines Bleistabes Elastisch-plastische Verformung eines Stabstahls Verformungsverhalten Die verschiedenen Werkstoffe können elastisches, plastisches und elastisch-plastisches Verformungsverhalten haben. Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

14 Bestimmung der HärteZähigkeit, Sprödigkeit, Härte Unter Härte versteht man den Widerstand, den ein Werk- stoff dem Eindringen eines Prüfkörpers entgegensetzt. Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

15 Beanspruchungsarten Beanspruchung der Werkstoffe Reale Körper sind nie vollständig starr, sondern sie werden durch äußere Kräfte verformt. Die äußere Kraft leistet Deformationsarbeit, die in dem elastischen Körper als potentielle Energie gespeichert wird. Elastische Körper nehmen nach dem Wegfall der Kraft wieder ihre alte Form an. Nichtelastische Körper behalten nach der Krafteinwirkung die neue Form bei, denn die Energie wurde durch die Verschiebung der Metallgitter genutzt. Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

16 Innerer Aufbau der Metalle Den Feinbau der Metalle bezeichnet man als kristallinen Aufbau oder als kristalline Struktur. Kupfer gediegen Metallproben unter dem Elektronen-Mikroskop: Man erkennt die Kristallstruktur, die an Tannenbäume erinnert. Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

17 Metall-Strukturen Metallbindung (Beispiel Eisen) Zusammen- lagerung Aus dem Erz reduzierte Metallatome (Eisenatome Fe) Metallionen -Verband (aus Eisenionen Fe² + ) Elektronen- wolke frei bewegliche Elektronen Metallionen Die Metallbindung bewirkt den Aufbau der Metallkristalle und damit den äußerst festen Zusammenhalt (Festig- keit) der Metallteilchen. Metalle sind gute elektrische Leiter. Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

18 Metallgefüge Kristallbildung Entstehung der Kristalle: Metalle bilden normalerweise beim Übergang aus der Schmelze in den festen Zustand Kristalle mit regelmäßig angeordneten Atomen. Diese Kristalle wachsen zu Körnern mit jeweils unterschiedlicher Ausrichtung der Kristallgitter und teilweise unterschiedlichen Kristallsystemen und Zusammensetzungen. globulare Körner lamellares Gefüge dendritische Körner polyedrische Körner Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

19 Kristalliner Aufbau der Metalle Kristallgitter mit Elementarzelle RaumgitterMetallionen Kubisch- flächenzentriert Die wichtigsten Kristallgitter der Metalle Kubisch- raumzentriert Hexagonal dichteste Packung Die Gitter bilden sich anfänglich aus Elementarzellen. Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

20 Aggregatszustände Verformbarkeit der Metalle Gitterfehler Während der Kristallbildung entstehen Störungen im geometrischen Aufbau des Gittersystems beim Übergang in die feste Phase, durch Gitter- und Phasen- umwandlung, thermische Einflüsse und spanlose Umformung. Störungen in der Gitterstruktur erhalten die meisten Werkstoffe überhaupt erst die gewünschten Eigenschaften, sie stellen sie also meistens eine Verbesserung dar. Stufenversetzung Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

21 Kristalliner Aufbau der Metalle Defekt im Atomgitter: Zwischengitteratome : Atome oder Ionen, die sich im Atomgitter einer Kristallstruktur nicht auf einem regulären Gitterplatz befinden.AtomeIonenAtomgitterKristallstruktur Leerstelle ist ein Platz in der regelmäßigen Anordnung von Atomen, Ionen oder Molekülen im Kristallgitter, der unbesetzt ist. Zwischengitteratome sind Atome oder Ionen, die sich im Atomgitter einer Kristallstruktur nicht auf einem regulären Gitterplatz sondern zwischen den Gitterplätzen befinden. Substitutionsatome finden sich in Mischkristallen aus mindestens zwei Stoffen, bei dem die Atome der zweiten Komponente auf regulären Gitterplätzen der ersten Komponente sitzen. Frenkel-Defekt: Ein Ion oder Atom verlässt seinen regulären Gitterplatz und wandert auf eine normalerweise nicht besetzte Position im Kristallgitter. Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

22 Metallgefüge im Schliffbild unter dem Rastermikroskop Defekt im Atomgitter: Körner gibt es fast in jedem metallischen Werkstoff, meist sieht man sie jedoch nicht. Je kleiner die Körner, desto fester ist das Metall. Mit Glühen kann die Korn Größe verkleinert werden. Korngrenzen sind zweidimensionale Gitterfehler. Die Korngrenze trennt in einem Kristall Bereiche (Kristallite oder auch Körner genannt) unter-schiedlicher Ausrichtung mit ansonsten gleicher Kristallstruktur. An Korngrenzen sammeln bzw. bilden sich Ausscheidungen, insbesondere Oxide. Korngrenzen Kupfer Korrosion an Korngrenzen Korngrenze in einer verzinkten Stahloberfläche Korngrenzen eines polykristallinen Metalls Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

23 Korngrößen Die gewünschte Korngröße kann erzielt werden durch: Wärmebehandlung z.B. Normalglühen Warmumformen z.B. Warmwalzen Zugabe von Legierungs- elementen z.B. Mangan bei den Feinkornbaustählen. Gefüge mit unter- schiedlichen Korngrößen Innerer Aufbau eines reinen Metalls Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

24 Kristallgemisch - Mischkristall Legierungen haben gegenüber ihrem reinen Grundmetall meist verbesserte Eigenschaften, wie: höhere Festigkeit verbessertes Korrosionsverhalten größere Härte Bessere Formbarkeit Innerer Aufbau einer Kristallgemisch- Legierung Innerer Aufbau einer Mischkristall- Legierung Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

25 Wärmebehandlung «Glühen» Was bedeutet Wärmebehandlung? Durch unterschiedliche Aufheizgeschwindigkeiten, Haltezeiten, Halte- temperaturen und Abkühlungsbedingungen lassen sich Zwangs- zustände im Werkstoff schaffen oder aufheben. Dies geschieht durch Umlagern von Teilchen (Atome, Moleküle) innerhalb des Gefüges. Dadurch können die Eigenschaften von Metallen gezielt verändert werden. Wärmebehandlung «geschützt» Mit der Wärmebehandlung im Vakuum oder unter Schutzgas werden Oberflächenreaktionen vermieden und werden zudem alle reaktionsfähigen Gasbestandteile erreicht. Das Ergebnis ist eine oxid- und entkohlungsfreie Oberfläche. Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

26 Übersicht über die Wärmebehandlungsarten Weichglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von Brammen, Blech, Rohren, Halbzeug bessere spanende Bearbeitbarkeit Nitrierhärten Härten von Stahl durch Zufuhr von Stickstoff Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit Normalglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von Blech, Rohren, Halbzeug feinkörnig, gleichmäßiges Gefüge Randschichthärten Flamm-, Induktions-, Laserstrahl- und Elektronenstrahlhärten Gezielte Oberflächenhärtung Vergüten Kombination aus Härten und Anlassen bei höheren Temperaturen Erhöht Dehnbarkeit und Zähigkeit Härten Wärmebehandlung zum Erhöhen der Härte von Legierungen verschleißfeste, zähe Bauteile Spannungsarmglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von Blech, Rohren, Halbzeug Spannungen im Gefüge abbauen Rekristallisationsglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von Blech, Rohren, Halbzeug Zähigkeit wieder herstellen Magnet-Schlussglühen Glühen in Vakuum oder Schutzgasen sowie Reaktionsgasen Magnetische Eigenschaften reaktivieren Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

27 Eisen: Beeinflussung durch metallische Legierungszusätze Schnellarbeitsstahl mit 6% W, z.B. für Räumnadeln Dehnung (in geringem Maße), Zerspanbarkeit Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit, Schneidhaltigkeit Wolfram W Werkzeugstahl, z.B. für Gewindebohrer Empfindlichkeit gegen Überhitzung Dauerfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit Vanadium V Wärmedehnung Festigkeit, Zähigkeit, Durchhärtbarkeit, Korrosionsbeständigkeit Nickel Ni Warmarbeitsstahl, z.B. für Strangpressdorne Anlasssprödigkeit, Schmied- barkeit, (bei höherem Mo-Anteil) Zugfestigkeit, Warm-festigkeit, Schneidhaltigkeit, Durchhärtung Molybdän Mo Vergütungsstahl z.B. für Schmiedeteile Zerspanbarkeit, Kaltformbarkeit, Graphitausscheidung bei Grauguss Zugfestigkeit, Durchhärtbarkeit, Zähigkeit (bei wenig Mn) Mangan Mn Schnellarbeitsstahl mit 10% Co, z.B. für Drehmeißel Kornwachstum bei höheren Temperaturen Härte, Schneidhaltigkeit, Warmfestigkeit Cobalt Co Nichtrostender StahlDehnung (in geringem Maße) Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit Chrom Cr Nitrierstahl; Desoxidationsmittel bei der Stahlherstellung -Zunderwiderstand, Eindringen von Stickstoff Aluminium Al AnwendungsbeispielDas Element erniedrigtDas Element erhöht Elemente EN-GJS-NiCr30-3 Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

28 Eisen: Beeinflussung durch nichtmetallische Begleitelemente Federstahl mit einer Zugfestigkeit R m 1600N/mm² Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit, Tiefziehfähigkeit, Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit Zugfestigkeit, Dehngrenze, Korrosionsbeständigkeit Silizium Si AutomatenstahlKerbschlagzähigkeit, SchweißbarkeitZerspanbarkeit Schwefel S Macht Schmelzen von Stahlguss und Gusseisen dünnflüssig Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit Zugfestigkeit, Warmfestigkeit, Korrosionswiderstand Phosphor P 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 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 erhöhtElemente Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildungc

29 Einteilung und Verwendung der Stähle BaustähleWerkzeugstähle Stähle warmfester Stahl, hochwarmfester Stahl, hitzebeständiger Stahl, nichtrostender Stahl, nichtmagnetisierbarer Stahl unlegierter Baustahl, Feinkornbaustahl, Automatenstahl, Einsatzstahl, Vergütungsstahl, Nitrierstahl, Federstahl Unterteilung in: Verwendung für: Maschinenbau, Fahrzeugbau, Stahlbau, Gerätebau Kaltarbeitsstahl, Warmarbeitsstahl, Schnellarbeitsstahl Verwendung für: Gesenke, Spritzgussformen, Schneid-, Hand- und Maschinenwerkzeuge Unterteilung in: Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung


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