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

Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

Struktur und Eigenschaften der

Materialien

Vorlesung Teil 1: Metalle und Legierungen


Die Lehrmaterialien sind ausschließlich für den internen Gebrauch bestimmt.

Die verwendeten Quellen sind im Literatur-verzeichnis angegeben.


Eisenwerkstoffe


Nichteisenmetalle


Nichtmetallische Werkstoffe


Verbundwerkstoffe


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- werkstoffe

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- tungsstahl


Herstellung der Werkstoffe

Rohstoffe Werkstoffe Werkstücke

Umwandlung

Energie, Hilfsstoffe

Fertigung

Hilfsstoffe, Energie


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-luftDruck-öl


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


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.


Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

= 1,29kg/dm³Luft (0°C, 1,013 bar):

19,27Wolfram7,85Stahl

11,3Blei2,7Aluminium

8,9Kupfer1Wasser

Dichte kg/dm³StoffDichte kg/dm³Stoff

Dichte von Stoffen

Dichte:Vm

1dm

1dm

1dm

V=1dm³

Unter der Dichte eines Stoffes versteht man den Quotienten aus der Masse m und dem Volumen V eines Körpers.



Schmelzpunkt (Schmelztemperatur)

Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Werkstoff zuschmelzen beginnt.

3387Wolfram658Al

1536Eisen327Blei

1083Kupfer232Zinn

Schmelz-

temperatur °C

StoffSchmelz-

temperatur °C

Stoff

Schmelztemperatur



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



Thermische Längenausdehnung: tll **1

l1 l l1 = Ausgangslängel = Längenänderung = Längenausdeh- nungskoeffizientt = Temperaturänderung t2-t1

Der thermische Längenausdehnungskoeffizient gibt die Längenänderung l eines 1 m langen Kör-pers bei einer Temperaturänderung von t = 1°C an.


Wärmeenergie


Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit ist das Maß für dieFähigkeit eines Stoffes, Wärmeenergie in sich zu leiten.


Elastische und plastische Verformung und elastisch-plastisches Verformungsverhalten

Elastizität eines Sägeblattes Plastizität eines Bleistabes

Elastisch-plastische Verformung eines Stabstahls

Die verschiedenen Werkstoffe können elastisches, plastischesund elastisch-plastisches Ver- formungsverhalten haben.


Zähigkeit, Sprödigkeit, Härte

Bestimmung der Härte

Unter Härte versteht man den Widerstand, den ein Werk-stoff dem Eindringen eines Prüfkörpers entgegensetzt.


Beanspruchungsarten

Zug- und Druckbeanspruchung

Weitere Beanspruchungsarten


Innerer Aufbau der Metalle

Metalloberfläche und kristalline Struktur

Den Feinbau der Metalle bezeichnet man als kristallinen Aufbau oder als kristalline Struktur.


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.


Kristallgitter

Raumgitter Elementarzelle

Metallionen Elektronenwolke

Kristalliner Aufbau der Metalle


Verformbarkeit der Metalle


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.


Baufehler im Kristall

Baufehler bewirken Verzerrungen im Kristallgitter und führen zur Erhöhung der Festigkeit.


Entstehung des Metallgefüges


Gefügearten und Werkstoffeigenschaften

Metallgefüge im Schliffbild


Kornformen

globulare Körner

lamellares Gefügedendritische Körner

polyedrische Körner


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


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.


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 FestigkeitWellen, Zahnräder, Schrauben

Gut zerspanbarWellen, Zahnräder, Gehäuse

Hart und verschleißfestWälzlager, Zahnräder

MagnetisierbarBlechpakete im Läufer und Ständer

Gut gießbarGetriebegehäuse aus Gusseisen

Gut umformbarLüfterrad aus Blech, Schrauben


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

HS10-4-3-10: 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 erhöhtElemente


Nichtmetallische Begleitelemente

60SiCr7: Federstahl mit einer Zugfestigkeit Rm1600N/mm²

Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit, Tiefziehfähigkeit, Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit

Zugfestigkeit, Dehngrenze, Korrosionsbeständigkeit

Silizium Si

10SPb20: AutomatenstahlKerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit

ZerspanbarkeitSchwefel S

Macht Schmelzen von Stahlguss und Gusseisen dünnflüssig

Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit

Zugfestigkeit, Warmfestigkeit, Korrosionswiderstand

Phosphor P

X2CrNiMo17-13-5: Austenitischer Stahl

Alterungsbeständigkeit, Tiefziehfähigkeit

Versprödung, AustenitbildungStickstoff N2

wird bei der Stahlherstellung entfernt, z.B. durch Vakuumbehandlung

KerbschlagzähigkeitAlterung durch Versprödung, Zugfestigkeit

Wasserstoff H2

C60: Vergütungsstahl mit Rm

800N/mm²Schmelzpunkt, Dehnung, Schweiß- und Schmiedbarkeit

Festigkeit und Härte (Maximum bei C0,9%), Härtbarkeit, Rissbildung

Kohlenstoff C

AnwendungsbeispielDas Element erniedrigtDas Element erhöhtElemente


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

1150.....1250°C

100....350 N/mm²

etwa 1%

1%

Kurzname (Bsp.)

Dichte

Schmelzpunkt

Zugfestigkeit

Bruchdehnung

Schwindmaß

Gusseisen mit Lamellengraphit

Gefüge von Gusseisen mit Lamellengraphit


kugelig

FerritFerrit...Perlit

400...800

mit Kugel-graphit

mit Lamellengraphit

370...690

Perlit und Ferrit

Streifen-zementit

Stahlguss

340...690

flockig

Schwarzer

Temperguss

100...400

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)


Kohlenstoffgehalt der Eisenwerkstoffe

Gusseisen mit Lamellengraphit

Schwarzer Temperguss

Stahlguss, unlegiert

Allgemeiner Baustahl

Einsatzstahl, unlegiert

Vergütungsstahl, unlegiert

unlegiert

legiertWerkzeugstahl

Kohlenstoffgehalt

Weißer Temperguss

Gu

ss

we

rks

toff

eB

au

stä

hle

1 2 3 %C0

3,52,5

2,9

0,50,17

0,15

0,10 0,9

0,6

1,40,5

2,20,2

2,6

2,0

1,80,5

0,45

0,2


Einteilung und Verwendung der Stähle

G ru n d s tä h le Q u a litä tss tä h le E d e ls tä h le

U n leg ie rte S tä h le

Q u a litä tss tä h le E d e ls tä h le

L eg ie rte S tä h le

S tä h le

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


Eigenschaften und Verwendung der Legierungs-Schwermetalle

Legierungsmetall für warmfeste Stähle

Farbe: grau; zäh, kor-rosionsbeständig ge-gen Säuren

24108,4Niob

Nb

Legierungsmetall für Stahl, Ver-schleißschichten, Heizleiter, Röntgenröhren

Farbe: silberweiß; hoch zugfest, korro-sionsbeständig

260010,2Molybdän

Mo

Hartmetalle, Eichgewichte, Hochvakuumtechnik, medizinische Instrumente

Farbe: grauglänzend; hart und zäh, korro-sions beständig gegen Säuren

300016,6Tantal

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 °CDichte kg/dm³

VerwendungEigenschaften

MetallKurzzeichen



Legierungsmetall für Stahl, Kupfer und Leichtmetalle

Farbe: grauweiß; hart und spröde

12447,4Mangan

Mn

Legierungsmetall für Stahl, Hart-metalle, Dauermagnete

Farbe: rötlichweiß bis stahlblau; sehr zäh, nickelähnliche Eigen-schaften

14938,9Cobalt

Co

Legierungsmetall für StahlFarbe: stahlgrau; hart und spröde

8906,1Vanadium V

Legierungsmetall für Stahl, galva-nische Überzüge (Rostschutz), Hartverchromung für Werkzeuge und Pressformen

Farbe: stahlgrau; hart und spröde, sehr kor-rosions beständig

19037,2Chrom

Cr

Hochschmelzende Legierungsmetalle

KennzeichenSchmelzpunkt °CDichte kg/dm³

Verwendung

EigenschaftenMetall

Kurzzeichen



Elektrische Sicherungen, Kühl-mittel im Reaktorbau

Farbe: rötlichweiß; glänzend, leicht schmel-zend, Ausdehnung beim Erstarren

2719,8WismutBi

Lagermetalle, Verkadmen von Eisen, Stahl und Aluminium

Farbe: silberweiß; niedrig schmelzend, weich und zäh, korrosionsbeständig, Dämpfe giftig

3218,64Cadmium

Cd

Niedrigschmelzende Legierungsmetalle

KennzeichenSchmelzpunkt

°CDichte kg/dm³

VerwendungEigenschaften

MetallKurzzeichen


Wärmebehandlung der Eisenwerkstoffe

Steig

end

er Ko

hlen

stoffg

ehalt

a) Technisch reines EisenFerrit-Gefüge

Korngrenzen

Ferrit-körner

b) Eisen mit 0,5% KohlenstoffFerrit-Perlit-Gefüge Ferrit-

körner

Perlit-körner

e) Eisen mit 3,5% KohlenstoffGraphitlamellen in perlitischem Grundgefüge

c) Eisen mit 0,8% KohlenstoffPerlit-Gefüge

d) Eisen mit 1,6% KohlenstoffPerlit-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.


Metastabiles Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm

Beim Über-schreiten bzw. Unter-schreiten einer Gefüge-begrenzungs-linie wandelt sich das Ge-füge um.


Gefüge und Kristallgitter bei Erwärmung

Stahlecke des Fe-C-Zustandsdiagramms

Gitter- und Gefügeänderung eines Stahls mit 0,8% C bei 723°C


Übersicht über die Wärmebehandlungsarten

Glühen

Carbonitrieren

NitrierhärtenEinsatzhärtenRandschicht-

härten

VergütenHärten


Glühen:Glühen: Glühtemperaturen unlegierter Stähle Glühtemperaturen unlegierter Stähle im Fe-C-Zustandsdiagramm im Fe-C-Zustandsdiagramm

Glühen ist eine Wärmebehandlung, bestehend aus langsamem Erwärmen, Halten auf Glühtemperatur und langsamem Abkühlen.


GlühenGlühen

Rekristallisationsglühen

Weichglühen

Normalglühen


HärtenHärten

Härten ist eine Wärmebehandlung, die Stähle hart und verschleißfest macht.

Temperaturverlauf beim Härten

Gehärtete Werkstücke


Härten Härten ((Gefügeumwandlung beim Abschrecken)

Nur Stähle mit mehr als 0,2% C sind zum Härten geeignet.


Härte- und Anlasstemperaturen unlegierter Stähle im Fe-C-Zustandsdiagramm


Abkühlungskurven


Härten

Schnitt durch ein Zahnrad aus gehärtetem, unlegierten Stahl

Härteverzug Entstehung von Härteverzug und Härterissen

Documents

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