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

Metalle und Legierungen Struktur und Eigenschaften

Einteilung der Werkstoffe Verbund- werkstoffe Metall Nichtmetalle Eisen –Werkstoffe Nichteisenmetalle 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- Granit, Holz Asbest Verstärkte Kunststoffe, Hartmetalle Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

Stoffkonstanten verschiedener Werkstoffe Dichte in kg/dm3 Schmelzpunkt in °C Aluminium 2,7 660 Messing ca. 8,5 ca. 900 Eisen 7,8 1535 Kupfer 8,93 ca. 1083 Elastizität elastisch plastisch weichgeglühtes Kupfer Gummi Baustahl Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

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

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 Eigenschaften Forderungen an den Werkstoff Technische Aufgabe des Werkstoffs und der Werkstoffauswahl Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

dessen Fertigung und Werkstoffpreis am günstigsten ist und 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

Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Unter der Dichte  eines Stoffes versteht man den Quotienten aus der Masse m und dem Volumen V eines Körpers. Dichte:  = 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 1dm V=1dm³ Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe 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 Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe 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 % der Leitfähigkeit von Kupfer Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Thermische Längenausdehnung: l1 l l1 = Ausgangslänge l = Längenänderung  = Längenausdehnungskoeffizient t = Temperaturänderung t2-t1 Der thermische Längenausdehnungskoeffizient  gibt die Längenänderung l eines 1 m langen Körpers bei einer Temperaturänderung von t = 1°C an. Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

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

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

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

Beanspruchung der Werkstoffe Beanspruchungsarten 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

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

Metall-Strukturen Metallbindung (Beispiel Eisen) 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. Zusammen- lagerung Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

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 polyedrische Körner dendritische Körner lamellares Gefüge Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

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

Verformbarkeit der Metalle Aggregatszustände Stufenversetzung 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. Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

Kristalliner Aufbau der Metalle Defekt im Atomgitter: Zwischengitteratome : Atome oder Ionen, die sich im Atomgitter einer Kristallstruktur nicht auf einem regulären Gitterplatz befinden. 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

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 eines polykristallinen Metalls Korngrenzen Kupfer Korrosion an Korngrenzen Korngrenze in einer verzinkten Stahloberfläche Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

Korngrößen Die gewünschte Korngröße kann erzielt werden durch: Gefüge mit unter- schiedlichen 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. Innerer Aufbau eines reinen Metalls Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

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

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

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

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 Stahl Dehnung (in geringem Maße) Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit Chrom Cr Nitrierstahl; Desoxidationsmittel bei der Stahlherstellung - Zunderwiderstand, Eindringen von Stickstoff Aluminium Al Anwendungsbeispiel Das Element erniedrigt Das Element erhöht Elemente EN-GJS-NiCr30-3 Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung

Eisen: Beeinflussung durch nichtmetallische Begleitelemente Federstahl mit einer Zugfestigkeit Rm1600N/mm² Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit, Tiefziehfähigkeit, Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit Zugfestigkeit, Dehngrenze, Korrosionsbeständigkeit Silizium Si Automatenstahl Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit Zerspanbarkeit Schwefel S Macht Schmelzen von Stahlguss und Gusseisen dünnflüssig Zugfestigkeit, Warmfestigkeit, Korrosionswiderstand Phosphor P Austenitischer Stahl Alterungsbeständigkeit, Tiefziehfähigkeit Versprödung, Austenitbildung Stickstoff N2 wird bei der Stahlherstellung entfernt, z.B. durch Vakuumbehandlung Kerbschlagzähigkeit Alterung durch Versprödung, Zugfestigkeit Wasserstoff H2 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 Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildungc

Einteilung und Verwendung der Stähle Baustähle Werkzeugstähle 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