Was versteht man

unter der Struktur von Werkstoffen ?

Nennen Sie die Hauptvalenzbindungen, geben Sie jeweils ein Beispiel an!

Wodurch unterscheiden sich die Bindungen?

Bei welchen Werkstoffen treten Neben-valenzbindungen auf?

Welche typischen Eigenschaften haben Metalle, Keramiken, Polymere?

Wie kann man den amorphen Zustand beschreiben?

Unter welchen Bedingungen entstehen metallische Gläser?

Weshalb nimmt das Volumen fester Stoffe mit

steigender Temperatur zu?

Wodurch unterscheiden sich die Strukturen von

Metallen, Flüssigkeiten und Gläsern?

Was ist eine Elementarzelle?

Zeichnen Sie die 3 typischen Kristallgitter,

in denen die meisten Metalle kristallisieren

und geben Sie jeweils 3 Vertreter an!

Ionenbindung Heterpolare Bindung (MgO)

Kovalente Bindung Atombindung (Diamant)

Metallische Bindung (Al)

Elektrostatische Anziehung zwischen entgegengesetzt gel. Ionen (Coulombkraft)

Ungerichtete Bindung - positiv gel. Ionen üben in alle Richtung gleiche Anziehung auf negativ gel. Ionen aus

Keine freien Elektronen - schlechte elektr. bzw. Wärme-leiter

Durch Ionenbindungen entstehen 3D Raumgitter

Lichtdurchlässig , durchsichtig

Extrem schlecht verformbar

Überlappung der äußeren Elektronenschalen - voll oder halbbesetzte Schale (energetisch günstiger Zustand)

Starke gerichtete Bindung

Keine freien Elektronen - schlechte elektrische bzw. Wärmeleiter

Hoher Schmelzpunkt , hohe Härte

Positive Atomrümpfe umgeben von freien Elektronen - Elektronengas

Ungerichtete Bindung - möglichst dichte Kugelpackung

Frei bewegliche Elektronen - gute elektrische und Wärmeleiter

Gut Plastisch verformbar

Schwächere Bindung als Atom– bzw. Ionenbindung

Die Geometrische Anordnung der Bausteine: Atome, Ionen und Moleküle

im Volumenelement.

Metalle Keramiken Polymere

Gute elektrische Leitfähigkeit

Gute Wärmeleitfähigkeit

Metallischer Glanz

Undurchsichtigkeit

Verformbarkeit (Duktilität)

Hitzebeständigkeit (Hohe Schmelztem-peratur)

Elektrisch isolierend

Korrosionsbeständig

Geringe Bruchzähig-keit

Hohe mechanische Festigkeit

Nicht so steif wie Metalle

Nicht so fest wie Metalle

Eigenschaften abhängig von chemischer Zusammensetzung , Länge der Kettenmoleküle , Infrastruktur der Makromoleküle

Anziehung bzw. Bindung von verschiedenen Polymerketten

Polymerwerkstoffe , Keramische Werkstoffe

natürliche Kristallisation muss verhindert werden , z.b. durch rasches Abkühlen der Schmelze

Große Unterkülung

Geeignete Legierungszusammensetzung

Technisch relevante amorphe Metalle sind bis heute nur spezielle Legierungen (meist nahe am eutektischen Punkt ) aus mehre-ren Elementen, für die die nötige Abkühlra-te technisch erreichbar ist

Knäuelform der Moleküle

Ketten können bei elastische Verformung oder Streckung zeitweilig oder Ständig kri-stalline Bereiche annehmen

Metalle Flüssigkeiten Gläser

Geordnete Kristallstruktur in drei Dimensionen (Fernordnung ) Atome haben feste Gitterplätze kristallin

Regellose Verteilung der Bestandteile Wechseln ständig ihr Plätze Kurzzeitige Bindungen

Sind verhinderte Kristalle Nur Nahordnungsbereiche Regellose Struktur (amorph)

Da die Atome mit steigender Temperatur immer mehr schwingen , somit mehr Platz benötigen —>

Ausdehnung (Volumenzunahme)

kleinster Bestandteil eines Kristallgitters der die volle Symmetrie des Gitters zeigt

Welche Kristallgitter

sind dichtest gepackt?

Was ist Polymorphie ? Geben sie ein Beispiel für die

Technische Nutzung an !

Zeichnen Sie in einem kubischen Gitter die (111)-Ebene ein! Was bedeutet [100]

(in kubisches Gitter eintragen)?

Welche metallischen Legierungsstrukturen gibt es?

Nennen und skizzieren Sie 0-, 1-, 2-dimensionale Gitterbaufehler!

Wodurch sind die Strukturen polymerer Werkstoffe gekennzeichnet?

Nennen Sie die Merkmale der räumlichen Anordnung

von Thermoplasten, Elastomeren Und Duromeren!

Welche typischen Eigenschaften dieser Polymergruppen lassen sich

daraus ableiten?

Was versteht man unter einem Gefüge? Was sind Körner oder Kristallite?

Wie geht man bei der metallographischen Untersuchung vor?

Nennen Sie die wesentlichen Arbeitsschritte bis zur

Entwicklung des Gefüges!

Welche Aussagen lassen sich aus dem Gefüge ableiten?

Kristallmodifikationen ( Polymorphie) =

Auftreten von verschiedenen Gitterstrukturen eines Elements bzw. einer Legierung in Abhängig-

keit von Temperatur oder Druck.

Kfz und HdP —> 0,74 Krz —> 0,68

Kristallgemisch

Mischkristall Einlagerungsmischkristall Austauschmischkristall Überstruktur

Intermetallische Phase [100] steht für die Richtung

Bausteine = Makromoleküle, die aus 10³ - 105 Monomeren zusam-

mengesetzt sind

Länge >> Durchmesser

Strukturformel : Zusammensetzung der Monomere

Plastomere / Thermoplasten Elastomere Duromere

Verzweigtes Makromolekül, Schwache Bindung zwischen den Ketten

Weitmaschig verknüpfte Makromoleküle

Eng vernetzte Makromoleküle

Bei erhöhter Temperatur plastisch verformbar, löslich , schmelzbar

Elastische Eigenschaften Hohe Härte und Festigkeit, nicht schmelzbar

0 - dim. (punktförmig): Leerstellen , Fremdatome 1 - dim. (linienförmig): Versetzungen 2 - dim. (flächenförmig): Korngrenzen, Phasengrenzen

Kristallite sind Kristalle, die die eigentliche Kristallform nicht

oder nur Teilweise abzeichnen. In der Metallkunde werden Kristallite auch

als Korn bezeichnet. Kristallite entstehen, wenn Kristalle

in einer Schmelze erstarren .

Gefüge Bestandteile des Werkstoffes,

Die im Licht– oder Elektronenmikroskop Erkennbar werden.

Vorgeschichte des Werkstoffes, z.b. Guss-gefüge, Verformungsgefüge

Chemische Zusammensetzung

Schadensbeurteilung

Möglichkeit für Weiterverarbeitung ab-schätzen

Behandlungszustand des Werkstoffes

Eigenschaften

Probennahme - keine Gefügeveränderungen herbeiführen - Umformung beachten (Warm/Kalt) —> Bearbeitungsschicht entfernen - Trennen (Ohne Verformung und thermischen Einfluss) - Lage der Probe —> Querschliff , Länsschliff - Probengröße —> einbetten in z.b. in Harz

Schleifen (meist nass, meiste SiC-Papier) - Schleifpapier von grob zu fein , Probe mehrmals um 90° drehen - reinigen der Probe

Polieren (Al2O3—wässrige Suspensionen —> 3Korngrößen auf Tüchern (Filz))

- Diamantsuspensionen und Gleitmittel —> Unterschiedliche Tücher in abh. Von Werkstoff

Ätzen (Gefügeentwicklung)

- Korngrenzenätzung - Kornflächenätzung

In welchem Gleichgewichtszustand werden Werkstoffe verwendet?

Wodurch wird in der Technik im Wesentlichen ein

Ungleichgewichtszustand herbeigeführt? Nennen Sie Beispiele für

Ungleichgewichtszustände in der Praxis!

Was verstehen Sie unter den Begriffen: Werkstoff, Phase, Komponente, System?

Was ist ein Mischkristall? Was ist ein Kristallgemisch?

Welchen Verlauf hat das Temperatur-Zeit-Diagramm beim Abkühlen eines reinen

geschmolzenen Metalls bis auf Raumtemperatur?

Wie heißt die Unstetigkeitsstelle im Abkühlungsverlauf

und weshalb tritt sie auf?

Weshalb treten im Abkühlungsverlauf einer Legierung zwei Knickpunkte auf?

Unter welchen Bedingungen entstehen feinkörnige Gefüge

beim Erstarren einer Schmelze?

Skizzieren Sie die Zustandsdiagramme für Systeme mit völliger Mischbarkeit,

Nichtmischbarkeit und teilweiser Mischbarkeit

der Komponenten im festen Zustand!

Was ist ein Eutektikum?

Zeichnen Sie in ein

eutektisches Zustandsdiagramm eine Legierungszusammensetzung ein und

erläutern Sie unter Anwendung der Hebelbeziehungen den Abkühlungsverlauf von

der Schmelze bis zur Raumtemperatur! Welche Zusammensetzung hat die Schmelze bei Erreichen der eutektischen Temperatur

(im Diagramm eintragen!)?

Beim Härten wird durch das schnelle Abkühlen (Abschrecken) ein Gefüge erzeugt das einem Un-

gleichgewichtszustand entspricht .

Beispiel: Taschenwärmer → die Flüssigkeit im inneren ist nicht im Gleichgewichtszustand

Im Gleichgewichtszustand und im Ungleichgewichtszustand !

In einem Zustandsdiagramm sind aber die Existenzbereiche der sich im Gleichgewicht befindlichen Phase eines Systems dargestellt!

Kristallgemisch Wirtselement, weiteres Element kommt hinzu, behält eigenes Gitter bei . → Gemisch der beiden Kristallarten - heterogenes Gefüge

Mischkristall Raumgitter des Grundmetalls kann Fremdatome aufnehmen. Aufnahme mehrerer Fremdatome möglich. Im Mikroskop, homogen .

Werkstoff = stoffliches System

Phase = Bestandteile, aus denen ein System

aufgebaut ist; makroskopisch und mikroskopisch homogen, Zusammensetzung kann veränderlich sein

Komponente = Die am Aufbau der Phasen

beteiligten Bestandteile (Atome, Moleküle)

System = mehrere Phasen, die sich

miteinander im Gleichgewicht befinden

Die Knickpunkte zeigen den Anfang und das Ende der Umwandlung von Schmelze zu Mischkristall an. In dem Bereich zwischen den Beiden Knickpunkten liegen Schmelze und Mischkristall vor.

Die Kurve verläuft exponentiell bis zur Raumtemperatur, die Unstetigkeitsstelle , auch genannt Haltepunkt ist eine Horizontale, diese tritt auf da es bei der Umwandlung durch die frei werdende Umwandlungswärme zu einer Unterbrechung der weiteren Abkühlung kommt. Der Haltepunkt befindet sich an der Stelle an der die Schmelze fest wird.

System mit völliger Mischbarkeit der Komponenten im festen Zustand System mit völliger

Nichtmischbarkeit der Komponenten im festen Zustand

System mit teilweiser Mischbarkeit der Komponenten im festen Zustand Dann, wenn ideale Unterkühlung der Schmelze

erzielt wird und Keimbildung sehr hoch ist.

Anwendung der Hebelbeziehung:

Eine Legierung mit der Konzentration 40% A und 60 % B wird abgekühlt. Beim erreichen der Liquiduslinie beginnen sich in der Schmelze B-Kristalle zu Bilden. Die Temperatur T1 liegt kurz nach erreichen der Liquiduslinie und somit haben sich schon ein paar B-Kristalle gebildet . Am Verhältnis mB/mS lässt sich ablesen das in diesem Bereich 5 % B-Kristalle und zu 95% die Schmelze S1 vorhanden ist. Die Schmelze hat jetzt nur noch eine Konzentration S1 (42% A und 58% B) . Beim weiteren Abkühlen bilden sich immer mehr B-Kristalle und beim erreichen von T2 hat die Schmelze eine Konzentration von S2 (61% A und 39% B ). Beim erreichen der Eutektischen Temperatur erstarrt die restliche Schmelze. Beim erreichen der Eutektischen Temperratur hat die Schmelze die eutektische Zusammensetzung (66% A und 34% B).

Tem

peratu

r

Konzentration

S + A

T SB

T SA

B A

S + B

A + B

S

L

T 1

T 2

m S

m B m S

S 2 S 1

T E

Ist diejenige Zusammensetzung von zwei oder mehreren Stoffen in einer Legierung, die den niedrigsten Schmelz- bzw. Erstarrungspunkt aufweist. Weicht das Mischungsverhältnis vom Eutektikum ab, so scheidet sich beim Abkühlen der Schmelze zuerst der im Überschuss enthaltene Stoff aus, bis das Eutektikum erreicht ist. Eutektische Legierungen zeichnen sich vor anderen Legierungen dadurch aus, dass sie bei einer ganz bestimmten, der eutektikalen Temperatur und nicht innerhalb eines mehr oder weniger weiten Temperaturbereichs schmelzen.

Wodurch ist die Martensitbildung ge-kennzeichnet?

Unter welchen Bedingungen entsteht

Was versteht man unter der kritischen Abkühlgeschwindigkeit?

Welche Einschränkungen liegen beim Brinellverfahren vor?

Durch welche Prüfung kann das Umformverhalten eines Werkstoffs

charakterisiert werden?

Erklären sie den Wöhlerversuch ! Welche Aussagen lassen sich für die

praktische Anwendung der ermittelten Festigkeitswerte ableiten?

Welche Gefügetypen gibt es?

Was ist Primär und Sekundärgefüge? Welche Phasen treten im Fe-Fe3C-Diagramm auf?

Wie wird der Zugversuch durchgeführt, welche Bedingungen

müssen eingehalten werden, welche Messgrößen werden erfasst?

Was ist Martensit?

Spaltet sich in untere und obere auf. Zwischen beiden können Perlit, Bainit und Martensit nebeneinander vorliegen. Ab der oberen wird nur noch Martensit gebildet. Die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit beschreibt wie schnell die Schmalze abkühlen muss damit sich erstmals Martensit bildet.

Martensitstufe

Umklappen von γ (kfz) in αübersättigt (krz)

Notwendige Abkühlgeschwindigkeiten:

Untere kritische Abkühlgeschwindigkeit - Beginn der Martensitbildung

Oberer kritische Abkühlgeschwindigkeit - es entsteht nur noch Martensit

Martensitbildung beginnt bei der Martensitstarttemperatur

und ist bei der Martensitendtemperatur abgeschlossen Die Martensitbildungstemperatur ist abhängig vom Kohlenstoffgehalt . Der Kohlenstoff im Martensit wirkt sich auf dessen Härte aus.

Fließkurven ermitteln durch Zug-und Stauchversuch, Torsionsversuch. Zugversuch für kleine Umformgrade und Stauchversuch für große Umformgrade. Der Zusammenhang Flließspannung kf und Um-formgrad φ ist durch die Fließkurve gegeben.

Größere Härten als 630 nicht Prüfbar da sich die Hartmetallkugel (Prüfkörper) sonst verformt.

Grundlage für die Untersuchung des Ermüdungsverhalten ist der Wöhlerversuch. Dabei werden mindestens 6 bis 10 vom Werkstoff, von Gestalt und Bearbeitung her völlig gleiche Proben in Schwingfestigkeit-versuchen ohne Pause bis zum Bruch zyklisch belastet. Ermit-telt werden die jeweiligen Bruchlastspielzahlen. Meist beginnt man mit hoher Belastung , die rasch den Bruch herbeiführt , bei den folegenden Proben wird die Belastung immer geringer gewählt , bis schließlich kein Bruch mehr eintritt –Durchläufer. Diagramm : Spannungsamplitude (zum Bruch führende Belas-tung) über der Bruchschwingspielzahl. —> Wöhlerkurve

Aus dem Diagramm lassen sich Kurzzeitfestigkeit, Zeitfestigkeit und Dauerfestigkeit der Proben ableiten!

α-MK (Ferrit)

γ-MK (Austentit) δ-MK (δ-Ferrit) Fe3C (Zementit) α + Fe3C (Perlit) γ + Fe3C (Ledeburit I) α + Fe3C + Fe3C (Ledeburit II)

Primärgefüge :

nach dem Gießen —> Gussgefüge Sekundärgefüge: nach Verformung —> Wärmebehandlung

Martensit ist ein Metastabiles einphasiges Gefüge , das entsteht da beim schnellen Abkühlen eines Ausgangsgefüges (Stahl) die Diffusion völlig unterbunden wird.

Durchführung: Probenstab wird nach Bedingungen in Zug-Prüfmaschine eingespannt —> Bei Dehnung wird Kraft-Verlängerungsdiagramm erstellt Bedingungen: Probenquerschnitt —> rechteckig, kreisförmig, quadratisch, ringförmig Probenlänge abhängig vom Querschnitt Proportionale Proben L0 (Anfangsmesslänge) < LC (Versuchslänge) Messgrößen: ΔL F Rm = Zugfestigkeit Rp 0,2 bzw Rp 0,01 = technische Elastizitätsgrenze REH / REL = obere/ untere Streckgrenze AG = Gleichmaßdehnung A = Bruchdehnung Z = Brucheinschnürung

Welche Bedeutung haben Versetzungen für die plastische Verformung?

Beschreiben sie die Vorgänge bei elastischer Verformung eines kristallinen

Werkstoffes!

Was versteht man unter Ms- und Mf -Temperatur, A1- und A3-Temperatur?

Wie sind Normalspannung und Schub-spannung definiert ?

In welchem Dehnungsbereich gilt das Hooksche Gesetz und wie lautet es?

Was versteht man unter dem E-Modul?

Was sind Gleitebenen, Gleitrichtungen und Gleitsysteme?

Welche Gleitrichtungen und Gleitebenen gibt es im kfz-Gitter?

Beschreiben sie die Vorgänge bei plastischer Verformung eines kristallinen

Werkstoffs!

Welche Möglichkeiten gibt es die Festigkeit metallischer Werkstoffe zu erhöhen?

Bei Krafteinwirkung werden die Abstände der Atome zueinander verändert, Vorgang ist reversible d.h. bei Rücknahme der Belastung wird Ausgangszustand wieder hergestellt.

Bewegung von Versetzungen = plastische Verformung Unter Wirkung der Schubspannung wird eine Versetzung durch den Kristall hindurch bewegt. Dazu ist weniger Energie aufzubringen als für das verschieben zweier Gitterbereiche als Ganzes.

Normalspannung —> Kraft F, die senkrecht zur Fläche wirkt. Schubspannung —> Kraft F, die in Fläche A wirkt

Ms- Temperatur bei der die Martensitbildung einsetzt Mf - Temperaturbei der die Martensitbildung beendet ist A1- Temperatur bei der sich Ferrit bildet A3- Temperatur bei der sich kfz in krz umwandelt

Das Elastizitätsmodul ist eine Werkstoffkenngröße, die den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers bei linear elastischem Verhal-ten beschreibt. Spannung = E * Dehnung E = tan α (Neigungswinkel der Hookschen Geraden)

Im Bereich der Elastischen Dehnung . σ = E * e

4 Gleitebenen (111); (-111); (1-11); (-1-11)

3 Gleitrichtungen [011]; [101]; [110]

12 Gleitsysteme

Gleitebene: Ebene dichtester Kugelpackung Gleitrichtung: Richtung dichtester Kugelpackung Gleitsystem: Ebene dichtester Kugelpackung Richtung dichtester Kugelpackung Das verschieben von Kristallitbereichen ist nur in solchen Ebenen und Richtungen möglich.

Mischkristallhärtung (Leg.-Atome verzerren Gitter -> Erschweren

Versetzunsgbew., Zähigkeit↓, Begrenzt durch Löslichkeit der LE)

Versetzungshärtung (Erzeugung hoher Versetzungsdichte (z.B.

durch Kaltumformung), gegenseitige Behinderung -> Verfestigung,

Zähigkeit↓)

Teilchenhärtung (Einlagern kleiner Teilchen, welche z.b.bei der

Ausscheidungshärtung entstehen wenn die Löslichkeit im MK überschritten

ist , Zähigkeit ↓)

Korngrenzenhärtung (Kornfeinung -> Festigkeit + Zähigkeit ↑, )

meist Kombi aus allen bzw. mehrere Mechanismen gleichzeitig

Bei Krafteinwirkung werden die Abstände der Atome zueinander verändert, Vorgang ist irreversible d.h. bei Rücknahme bleibt die plastische Verformung erhalten. Plastische Verformung:

bei niedriger Temperatur nahezu zeitunabhängig, wird bei höherer

Temperatur zeitabhängig ( Viskoplastizität —> Kriechen)

Nicht proportional zu mechanischen Belastung

Setzt ein, wenn Belastung eine werkstoffabhängige Dehngrenze über-

schreitet

Führt bei zyklischer Belastung zur —> Wekstoffermüdung

Wie ändert sich durch die Anwendung der Härtungsmechanismen die Zähigkeit

des Werkstoffs?

Erklären sie die Vorgänge die zu einer ausgeprägten Streckgrenze führen!

Was versteht man unter zäher bzw. – spröder Bruch?

Wodurch werden Brüche hervorgerufen?

Wodurch wird sprödes Verhalten eines Werkstoffes bzw. Bauteils

hervorgerufen?

Wie wirkt eine erhöhte Beanspruchungsgeschwindigkeit

auf die Festigkeit und die Zähigkeit eines Werkstoffs und welche Wirkung

haben spröde eingelagerte Phasen und feinkörniges Gefüge?

Was versteht man unter Spaltbruchspannung?

Wie ist die Übergangstemperatur allgemein definiert?

Welche Wirkung hat die Erhöhung der Streckgrenze auf

die Übergangstemperatur ?

Weshalb nimmt die Festigkeit mir steigender Temperatur ab?

Bei Mischkristallhärtung: Stahl: C– und N– Atome ordnen sich an energetisch günstigen Plätzen im gestörten Gitter—Versetzungen— an und bilden Atomwolken . Dadurch werden die Versetzungen blockiert und können sich erst bei höher wirkenden Spannungen bewegen, Versetzungen müssen von Fremdatomen losgerissen werden. Folge: Erhöhung der Streckgrenze—―ausgeprägte Streckgrenze― , da fließen erst bei höherer Spannung einsetzt—obere Streckgrenze. Die freigewordenen Versetzungen können sich nun bei niedriger Spannung bewegen—untere Streckgrenze. Sind die C– und N-Atome im Eisen gleichmäßig verteilt, kommt es nicht zur Ausbildung einer ausgepräg-ten Streckgrenze.

Mit Ausnahme der Festigkeitssteigerung durch Korngrenzen (Kornfeinung) bewirken die übrigen Härtungsmechanismen immer eine Verspödung d.h. Abnahme der Zähigkeit!

Überwindung der Bindungen im Festkörper —> Trennen des Werkstoffes

Ermüdung des Werkstoffes

Überbeanspruchung (Beanspruchungsgeschw.)

Überhitzung (Kriechbruch),

Unterkühlung Temperatur sinkt -> spröde

Zu große Plastische Verformung

Zäher Bruch (Verformungsbruch) —> Bruch tritt erst nach beträchtlicher plastischer Verformung ein Sprödbruch —> Bruch tritt praktisch direkt aus dem elastischen Verformungszustand ein

Hohe Beanspruchungsgeschwindigkeit: Festigkeit nimmt zu, Zähigkeit nimmt ab

Feines Gefüge: Zähigkeit nimmt zu, Festigkeit nimmt zu

eingelagerte spröde Phase: Zähigkeit nimmt ab, Festigkeit nimmt zu

Einwirkung von niedrige Temperaturen

Hoher Kohlenstoffgehalt

Hohe Verunreinigung, Lunker u.ä.

Gitterfehler

Mehrachsiger Spannungszustand —> Kerbe

Grobes Korn

Oberflächenrauheit

Größere Verformungsgeschwindigkeit

Kaltverformung

Die Grenze zwischen makroskopisch sprödem Bruch und mehr oder weniger Duktilem Werkstoffverhalten wird gekennzeich-net durch die Übergangstemperatur: T<TÜ: Makroskopisch spröder Bruch; die Spaltbruchspannung ist niedriger als die Streck-grenze —> Spaltbruch ohne makroskopische Verformung

T>TÜ: Mit zunehmender Zugspannung wird Streckgrenze erreicht —> plastische Verformung und Verfestigung, Streckgrenze steigt bis zur Spaltbruchspannung —> Spaltbruch nach vorheriger plastischer Verformung

T↑: Es kommt zum Gleitbruch bevor die Spaltbruchspannung erreicht ist.

Spaltbruchspannung: Ist die kritische Zugspannung bei der örtlich Spaltbruch entstehen kann.

Atome werden zum stärkeren Schwingen angeregt�—> Abnahme der Fernordnung

Tü wird zur höheren Temperatur verschoben -> Sprödbruchbereich wird vergrößert

Weshalb ist eine bestimmte Temperatur für einen Werkstoff hoch ,

für einen anderen Werkstoff tief?

Was versteht man unter Erholung und Rekristallisation?

Durch welche Parameter wird die Korngröße beim

Rekristallisationsglühen beeinflusst ? Und welche Bedingungen

muss man einhalten, damit ein feinkörniges Gefüge entsteht?

Weshalb wird ein feinkörniges Gefüge angestrebt?

Welchen Einfluss haben Kerben auf die statische Festigkeit und Zähigkeit?

Welche Stadien des Ermüdungsvorganges unterscheidet

man?

Was sind Schwingungstreifen , kann man sie mit bloßem Auge erkennen ?

Welchen Einfluss haben Eigenspannungen auf

die Ermüdungsfestigkeit ?

Welche praktischen Maßnahmen können zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit

genutzt werden?

Was versteht man unter Verschleiß?

Durch Kaltverformung wird der Energiegehalt des Werkstoffes deutlich erhöht. Die gespeicherte Energie besteht primär aus der elastischen Energie der Versetzungen. Bei hinreichender Aktivierung (Temperaturerhöhung) erfolgt oberhalb bestimmter Temperatur:

a) Erholung = Energieabbau durch Ausheilen und Umordnung von Gitterbaufehlern bei noch höherer Temperatur erfolgt: b) Rekristallisation = Kornneubildung wobei die Zahl der Versetzun-gen auf den Wert des unverformten Zustandes zurück geht. Es liegt dann die Festigkeit des unverformten Zustandes vor. Bei noch höhe-ren Temperaturen bzw. längerer Glühzeit können die rekristallisierten Körner weiter wachsen = Kornvergrößerung. (Grobes, aber regelmäßi-ges Gebilde). Es kann ggf. auch zu sekundärer Rekristallisation kom-men, in der nur einzelne Kristallite auf kosten ihrer Nachbarn wach-sen (unregelmäßiges Gefüge mit einigen sehr großen Körnern).

Da die Werkstoffe unterschiedliche Schmelztemperaturen und unterschiedliche

chemische und physikalische Eigenschaften haben!

—> feinkörniges Gefüge besitzt höhere Festigkeit —> feinkörniges Gefüge ist zäher besitzt höhere Verformbarkeit (Duktilität)

Verformungsgrad

Glühtemperatur

Glühdauer Bei steigenden Umformgraden und sinkender Rekristallisationstemperatur nimmt die Korngröße der neugebildeten Körner ab. + Kurze Glühdauer —> feinkörniges Gefüge!

Ausbildung einer Ermüdungsstruktur (anrissfreie Phase)

- Akkumulation zyklischer plastische Verformungen

- Umordnung und Neubildung von Versetzungen

- Entstehen charakteristischer Versetzungsstrukturen und Oberflächentopografien, Bildung von Ermüdungsgleitbändern

Bildung von Anrissen (Rissentstehung)

- Rissentstehung: Vorgänge im Gefüge , die zu submikroskopischen

Werkstofftrennungen bis hin zur Bildung eines gerade nachweisbaren Anrisses führen.

Ausbreitung eines Risses (Risswachstum)

Durch die Kerbe kommt es zu einem mehrachsigen Spannungszustand dadurch wird ein Sprödbruch begünstigt. (Zähigkeit nimmt ab) . Statische Festigkeit auf den Querschnitt der Kerbebene bezogen nimmt zu!

Druckeigenspannungen im Oberflächenbereich lassen eine größere Belastung zu d.h. größere Ermüdungsfestigkeit. Zugeigenspannungen führen zu einer niedrigeren Ermüdungsfestigkeit!

Für die Bildung von Schwingungsstreifen ist die irreversible plastische Verformung an der Rissspitze verantwortlich. An ihrem Abstand zueinander ist der Rissfortschritt pro Zyklus zu erkennen, Mit bloßem Auge sind die Schwingungsstreifen jedoch nicht zu erkennen so dass die Rissoberfläche relativ glatt erscheint

Verschleiß ist der Vorschreitende Materialverlust aus der Oberfläche eines Festkörpers hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d.h Kontakt und Relativbewegungen eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers. Die beim Verschleiß auftretende Beanspruchung wird als tribologische Beanspruchung bezeichnet!

Einbringung von Druckeigenspannungen im Oberflächenbereich (durch Kugelstrahlen)

Erhöhung der Streckgrenze in der Randzone (Oberflächenbehandlung : Einsatzhärten)

—> Schwingfestigkeit um bis zu 100% evtl. auch mehr gesteigert werden

Erklären sie kurz allgemeine Verschleißmechanismen und geben Sie

jeweils allgemeine Lösungsmöglichkeiten für geeigneten Werkstoffeinsatz an.

Weshalb ist der Verschleiß nicht durch eine Werkstoffkenngröße zu messen?

Was versteht man unter Korrosion? Was ist die Ursache der Korrosion?

Geben sie ein Beispiel für chemische Korrosion an!

Was ist elektrochemische Korrosion?

Welche anodische und kathodische Reaktionen laufen bei den beiden

Korrosionstypen ab?

Weshalb ist die unter Standartbedingungen aufgestellte

Spannungsreihe in der Praxis oft nicht zutreffend?

Weshalb korrodiert Kupfer nicht unter Wasserstoffentwicklung?

Was versteht man unter einem Korrosionselement ?

Nennen sie Beispiele aus der Praxis!

Verschleiß ist eine Systemeigenschaft , er ist nicht als Werkstoffkenngröße zu messen da er nicht allein vom

Werkstoff sondern auch von den Verschleißbedingungen abhängt .

Es gibt 4 Hauptverschleißmechanismen

Adhäsion Abrasion Oberflächenzerrüttung Tribochemische Reaktionen

Ausbildung und Trennung von Grenzflächen - Haftverbindungen (z.B. „Kaltverschweißungen“, „Fressen“) Lösung: - artfremde Werkstoffpaa-rung (Metall, Keramik, Kunststoff) - heterogener Gefügeauf-bau (Ferrit/Perlit oder eingelagerte

Carbide) - hoher kovalenter Bindungsanteil - Aufbringen von Oberflä-chenschichten mit geringer Adhäsionsneigung

Material-abtrag durch ritzende Beanspru-chung Lösung: - hohe Härte, d.h. härter als das angreifen-de Abrasiv bei ausreichender Zähigkeit - gummielasti-sche Werkstoffe

Ermüdung und Rissbildung in Oberflä-chenbereichen durch tribologische Wechselbeanspruchungen, die zur Materialtrennung führen. Lösung: - Einsatz von Werkstoffen mit hoher Härter und großer Zähigkeit - Risseinleitung durch Einstellung hoher Festigkeit verzögern - Verwendung homogener Werkstoffe bzw. Werkstoffe mit fein verteilten und feinkörnigen harten Phasen - Verringerung der wirkenden mech. Kontaktspannung (Schmierung) - geringe Rauhigkeit der Oberfläche - Vermeidung inhomogener Span-nungsverteilung durch Einschlüsse oder innere Kerben

Entstehung von Reaktions-produkten durch die Wirkung von tribologischer Beanspruchung bei chemischer Reaktion von Grundkörper, Gegenkörper und angrenzendem Medium. Lösung: - Vermeidung von metallischen Werkstoffen (besser Keramik, Polymerwerkstoffe) - Einsatz von Edelmetallen , die keine Reaktionsschicht bilden (z.B. bei elektr. Kontakten)

- Umgebungsmedien die keine störende chem. Reaktion bewirken

Das bestreben der Metalle in einen energieärmeren Zustand überzugehen. Treibende Kraft für eine Reaktion ist die Änderung der freien Enthalpie ∆G, Reaktion läuft spontan ab, wenn damit Abnahme der freien Enthalpie eintritt —> ∆G ist negativ ( im Gleichge-wicht ∆G=0) Beispiel: Herstellung von Metall aus Erz—Energiezufuhr , d.h. Metall hat das Bestreben in energieärmeren Zustand überzugehen —> Metall oxidiert oder andere Reajtion

Korrosion ist eine physikochemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung , die zu einer Veränderung der Eigenschaften des Metalls führt und die zu erheblichen Beeinträchtigungen der Funktion des Metalls, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem diese ein Teil bilden, führen kann. Diese Wechselwirkung ist oft elektrochemische Natur.

Bei der elektrochemischen Korrosion erfolgt die Korrosion durch die Bildung galvanischer Elemente.

Wenn sich zwei unterschiedliche Metalle berühren (elektrochemische Spannungsreihe), wie bei

Verbindungen durch schrauben; nieten; löten usw., dann fließt bei Anwesenheit eines Elektrolyten

ein elektrischer Strom. Dabei wird das unedlere Metall gelöst. Je nachdem welche Metalle vorliegen

fließt mehr oder weniger Strom und es findet mehr oder weniger Zerstörung statt.

Unter Elektrolyt versteht man wässerige Flüssigkeiten auch hohen Luftfeuchtigkeit die den

elektrischen Strom leiten, also auch normales Wasser. (Leitungs- u. Regenwasser) Beide sind durch

ihre Ionen elektrisch leitend. Ein galvanisches

Element bildet sich nur , wenn die in Berührung

stehenden Metalle sich direkt in einer Flüssig-

keit befinden.

Merke: Die elektrochemische Korrosion tritt bei

verschieden Metallen in einem Elektrolyten auf.

Es bilden sich galvanische Element, die das

unedlere Metall zerstören und das edlere

schützen.

(Anode -/ Kathode +)

Chemische Korrosion Einwirken von Sauerstoff; Salzen; Gasen; Säuren auf die Metalloberfläche, wobei eine chemische Verbindung entsteht. Dabei spielt der Sauerstoff eine wesentliche Rolle, der mit den Metallen dass Metalloxid bildet. Ein typisches Beispiel für chemi-sche Korrosion ist das Zundern von Stahl. Bei hoher Temperatur reagiert der Luftsau-erstoff unmittelbar mit dem Eisen, es bildet sich Eisenoxid.

Zundern von Eisen

Zunder bildet sich schichtförmig aus Oxiden , deren Wertigkeit vom Metall zur Gasphase zunimmt.

Fe bei T> 570° C Schichtfolge: Fe - Fe0 - Fe3O4 - Fe2O3 - O2 Wüstit Magnetit Hämatit ca. 90% 7-10% 1-3%

Oxide haben unterschiedliche Dichte und sind spröde —> Bildung von Mikrorissen

Da Metalle sich in unterschiedlichen Lösungen unterschiedlich verhalten. Und in der Praxis nur in den seltensten Fällen die Standardbedingungen erfüllt sind !

Elektrochemische Korrosion Chemische Korrosion

Anodische Metallauflösung: Me —> Mez+ + ze- (= Oxidation) Kathodische Metallabscheidung: Mez+ + ze- —> Me (=Reduktion) Kathodische Wasserstoffabscheidung: 2H+ + 2e- —> H2

Anodische Wasserstoffionisation: z/2 H2 —> zH+ + ze-

2 Me + O2 —> 2MeO Beispiel: 4Fe + 3 O2 —> 2 Fe2O3

Chemische Korrosion tritt beim Härten, Glühen , Schmieden , Schweißen und beim Hochtemperaturlöten von Werkstücken auf .

Ein Korrosionselement ist ein kurzgeschlossenes galvanisches Element, wobei die Elektro-den durch unterschiedliche Bereiche auf einem Bauteil oder durch verschiedene Metalle repräsentiert werden. Anode und Kathode sind elektronisch leitend verbunden von ionisch leitender Elektrolytlösung umgeben. (geschlossener Stromkreis) Korrosionselement:

2 elektrisch leitend verbundene Elektroden

Elektrolyt , z.b. Regenwasser, Tau, Erdfeuchtigkeit reichen bereits aus

Beispiele für mögliche Korrosionselemente: - Verbindungsstellen von Metallen mit unterschiedlichem Potenzial ( Bsp. Cu/Al, rostender/ nichtrostender Stahl) - belüftete—nichtbelüftete Bereiche, Spalten , Ablagerungen: nichtbelüftete Bereiche - Ablagerungen von z.B. Korrosionsprodukten - Temperaturunterschiede, Konzentrationsunterschiede im Elektrolyt - Kristallgemische; Bsp. Messing αMK und βMK (unedler als αMK) - Korn—Korngrenze: Korngrenze maist unedler als Matrix - verformte—nicht verformte Bereiche (verformte sind unedler) - Ausscheidungen mit anderem Potential als Matrix

Da die Stromdichte-Potenzialkurve von Kupfer bei hohen Potenzialen liegt d.h. höher als das der Was-serstoffabscheidung. Deshalb kann Kupfer (rel. Edles Metall) nicht unter Wasserstoffabscheidung in die Lösung gehen!

Weshalb korrodiert (rostet ) ein Stahl mit mind. 13% Cr-Gehalt nicht unter normalen Umweltbedingungen?

Wodurch wird Lochfraßkorrosion ausgelöst und wodurch kann man in der

Praxis Lochfraßkorrosion verhindern?

Nennen sie Möglichkeiten für passiven und aktiven Korrosionsschutz!

Nennen sie Gebiete der Werkstoffprüfung!

Welche Ziele sollen durch Werkstoffprüfung erreicht werden?

Welche Werkstoffkenngrößen werden beim Zugversuch ermittelt?

Welche Kenngrößen werden für die Be-messungen von Bauteilen benutzt?

Welche Aussage liefert die Bruchdehnung für die Praxis?

Für Welche Werkstoffe ist jeweils die Werkstoffprüfung durch Zugversuch ,

Druckversuch oder Biegeversuch geeignet?

Wovon ist die Härte des Martensits hauptsächlich abhängig?

Bis zu welchen Temperaturen müssen unlegierte Stähle für das Härten erwärmt

werden? Was ist bei übereutektoiden

Stählen zu beachten?

Lochfraßkorrosion - örtliche Vertiefungen bei praktisch nicht angegriffener Umgebung - tritt bei passivierten Metallen auf die sich in einem chlorid- oder bromidhaltigen Elektrolyten befinden

Auslöser:

Aus der Oxidschicht des passivierten Metalls wird Sauerstoff durch Chlorid- bzw. Bromidionen verdrängt. Durch Anlagerung von weiteren Chlorid- und Bromidionen entsteht ein Bereich, der nicht mehr durch eine Oxidschicht geschützt ist. Diese Stelle bietet nun einen Angriffspunkt für Korrosion. Da der Sauerstoffgehalt außer-halb des Lochs wesentlich größer ist als im Loch, bildet sich außerdem ein Konzent-rationselement. Das kleine Loch bildet die Anode, die restliche Oberfläche die Kathode. Da die Korrosionsgeschwindigkeit durch das Flächenverhältnis von Katho-de zu Anode bestimmt wird, schreitet die Reaktion mit großer Geschwindigkeit voran.

Stähle werden durch Legieren mit Chrom und Molybdän gegen Lochfraßkorrosion beständig gemacht.

Cr ist ein Passivierendes Metall d.h. es bildet unter Vorhandensein von Luftsauerstoff eine Oxidschicht.

Bei mind. 13% Cr-Gehalt im Stahl überträgt Cr seine Passivität auf den Stahl —> nichtrostender Stahl.

Teilgebiete der Werkstoffprüfung Werkstoffdiagnostik - stoffliche Zusammensetzung - struktureller Aufbau

Eigenschaftscharakterisierung - mechanische Eigenschaften—Festigkeitsprüfung - Korrosion - physikalische Eigenschaften

Qualitätsprüfung—Qualitätsmanagement - Überwachung der Werkstoffbeschaffenheit - Nachweis von bei der Herstellung entstandenen Werkstofffehlern

Zuverlässigkeits- und Schadensanalyse - Kontrolle des Schädigungszustandes —> Abschätzung der Restlebensdauer - Schadensanalyse —> Ursachen für Schaden finden!

Ziele: Ermitteln von Verhalten und Werkstoffkenngrößen von normierten Werkstoffproben oder fertigen Bauteilen (Bauteilprüfung) unter mechanischen, thermischen oder chemischen Beanspruchungen.

Passiver Korrosionsschutz (räumliche Trennung Medium –Werkstoff) Metallische Überzüge - Schmelztauchverfahren: Feuerverzinken, Feueraluminieren - Galvanische Verfahren: Ni, Cr, Cd, Cu, Zn, Pb - Auftragschweißverfahren

Anorganische nichtmetallische Beschichtungen - Emailieren - Anodisieren - Brünieren

Organische Beschichtungen - Streichen - Tauchen - Pulverbeschichten

Aktiver Korrosionschutz (Beeinflussung des jeweiligen Korrosionssystems-Medium-Werkstoff) Medium - Entfernung aggressiver Bestandteile (z.b. keine Chloridionen, ↓ Sauerstoffgehalt) - Zusatz von Hemmstoffen—Inhibitoren (z.b. Deckschichten bildende Stoffe wie Carbonate)

Werkstoff - Legierungselemente zusetzen oder absenken von Legierungselementgehalt - möglichst homogenes, Spannungsfreies Gefüge

Gesamtes Korrosionssystem - Temperatur absenken : meist günstig - Betriebsweise : kontinuierlich, zyklisch , Stillstand

Zugfestigkeit Streckgrenze Elastizitätsmodul

obere Streckgrenze (ReH)

Untere Streckgrenze (ReL)

Zugfestigkeit (Rm)

Dehngrenze bei nichtproportionaler

Dehnung (Rp)

Elastizitätsmodul (E) Bruchdehnung (Ac) —> ( L0-LU/L0)* 100

Nichtproportionale Dehnung bei

Höchstkraft Fm (Ag)

Gesamte Dehnung beim Bruch (At)

Brucheinschnürung (Z) —> (S0– SU/S0)* 100

Reißfestigkeit und Reißdehnung speziell für Kunststoffe und textile Stoffe

Arbeitsvermögen

Zugversuch

- allgemeine Anwendung mit Ausnahme sehr spröder Werkstoffe

Druckversuch

- Baustoffe, Holz, Gestein;

- Metallische Werkstoffe nur für Sonderzwecke (z.b. Lagermetalle)

Biegeversuch

- Kunststoffe, Glas, Keramik, spröde metallische Werkstoffe (Z.B. Werkzeug-

stähle, Hartmetalle)

Materialkennwert der die prozentuale Verlängerung im Augen-blick des Bruchs, bezogen auf die Anfangsmesslänge angibt. Charakterisiert die Verformungsfähigkeit eines Werkstoffes. Z.b. für Strangpressen

unlegierte Stähle bis 0,8% C (untereutektoider Stahl) —30 bis 50K oberhalb der A3 Temperatur

Unlegierte Stähle über 0,8% C (übereutektoider Stahl) —30 bis 50 K oberhalb der A1 Temperatur ,

Da bei höheren Temp. Zu viel C gelöste wird —> Abnahme der Härte

Bei legierten Stählen sind höhere Tempera-turen zu Auflösung der Carbide notwendig

Der Kohlenstoffgehalt im Martensit wirkt sich auf die Härte des Martensits aus . Zunächst steigt die Härte mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt an, erreicht ein Maximum und fällt wieder ab, was auf den Anteil von Reaustenit im Gefüge zurückzuführen ist.

Welche Arten von ZTU - Diagrammen gibt es ?

Wie sind diese zu lesen?

Was kann man aus ZTU-Diagrammen ent-nehmen und unter welchen Bedingungen

gelten sie?

Wie wird die Härtbarkeit eines Stahls festgestellt?

Was versteht man unter Aufhärtung und Einhärtung?

Wodurch werden Aufhärtung und Einhärtung beeinflusst?

Wie tief härten unlegierte Stähle etwa ein?

Weshalb müssen Stähle nach dem Abschrecken von Härtetemperatur

möglichst sofort angelassen werden?

Welche Vorgänge laufen beim Anlassen in der ersten bis dritten Anlassstufe ab und wie ändern sich die Eigenschaften

des Stahls?

In diesen Diagrammen kann man den Umwandlungsablauf und Möglichkeiten seiner Beeinflussung durch Legierungselemente entnehmen. Die Diagramme enthalten jeweils die Kurven für den Beginn und das Ende der Umwandlung in die verschiedenen Gefüge. Es kann verfolgt werden welche Gefü-ge sich nacheinander bilden.

ZTU-Diagramme gelten jeweils nur für eine bestimmte STAHLZUSAMMENSETZUNG und die angegebene Austenitisiertemperatur.

Zeit –Temperatur-Umwandlungs-Diagramme sind immer so zu lesen , wie sie Aufgestellt wurden

kontinuierliches ZTU-Diagramm - entlang der eingetragenen Abkühlungskurve

isothermes ZTU-Diagramm - schnelle Ab-kühlung auf konstante Temperatur und dann bei dieser Temperatur die Umwand-lung verfolgen

Aufhärtung: Maximal mögliche Härte (Martensithärte) an der Probenfläche , die die Legierung erreichen kann. Sie ist im wesentlichen nur von der Menge des im Austenit gelösten Kohlenstoffs abhängig. Einhärtung: Härte eine bestimmten Tiefe, wobei der Ort (Abstand von der Stirnfläche ), auf den sich die Bewertung bezieht , nicht festgelegt ist. Die Einhärtung nimmt mit zunehmendem Gehalt bestimmter im Austenit gelöster Legierungselemente wie Mn, Cr, Ni, Mo, und V zu.

Die Härtbarkeit eines Stahls wird durch den Stirnabschreckversuch festgestellt. Ermittelt wird die höchsterreichbare Härte beim Abschreckhärten (Aufhärten) und der Verlauf der Härte in die Tiefe bei einem bestimmten Querschnitt (Einhärten). Versuch: Eine zylindrische Stahlprobe von 100 Millimetern Länge und 25 Millimetern Durchmesser wird nach dem werkstoffabhängigen Normalglühen auf Härtetemperatur erwärmt, dann innerhalb von 5 Sekunden aus dem Ofen genommen und an der Stirnseite von unten mindestens 10min lang mit einem 20 °C warmen Wasserstrahl abgeschreckt. Danach wird die Zylindermantelfläche gegenüberliegend um 0,4 bis 0,5 Millimeter plan abgeschliffen. Ausgehend vom Rand der abgeschreckten Stirnfläche wird schrittweise (1,5 - 3 - 5 - 7 - 9 - 11 - 13 - 15 - 20 - 25 - 30 - ... Millimeter) die Härte nach Rockwell (HRC) oder nach Vickers (HV30) gemessen. Die ermittelten Werte sinken von einem Maximum bei 1,5 Millimeter ab, je weiter man sich von der abgeschreckten Stirnfläche entfernt.

Unlegierte Stähle haben nur eine sehr geringe Einhärtbarkeit das heißt das ihre Härte bereits nach geringem Abstand zur Oberfläche strakt absinkt.

Aufhärtung: Abhängig von der menge des im Austenit gelösten Kohlenstoffs Einhärtung: Abhängig von dem Gehalt gelöster Legierungselemente im Austenit. Nimmt mit zunehmendem Gehalt von gelöstem Mn, Cr, Ni, Mo, und V im Austenit zu.

Vorgänge im Gefüge

1. Anlassstufe (ab ca. 100°C)

Ausscheidung von ε-Carbid (Fe2C)

Dadurch Umwandlung von tetragonalem Martensit in kubischen Martensit

—> keine wesentliche Härteabnahme

2. Anlassstufe (ab ca. 200/280°C und höher)

Zerfall des Reaustenits nach Mechanismus der Zwischenstufe

3. Anlassstufe (ab 300/350° C)

Umwandlung von Fe2C in Fe3C und Wachstum der Zementitteilchen

—> mit zunehmender Anlasstemperatur nimmt die Härte ab Irreversible Anlasssprödigkeit bei 300°C durch Umwandlung des Reaustenits in spröderes Gefüge.

Um möglichst die Gefahr von Härterissbildung zu umgehen, außerdem

wird durch das Anlassen eine größere Zähigkeit des Werkstückes

eingestellt ohne die Härte wesentlich zu verändern.

Was ist zu beachten, wenn eine Welle mit Durchmesser > 20 mm durchvergütet

werden soll und dabei eine hohe Festigkeit erreicht werden muss?

Was ist Ausscheidungshärten (Aushärten) ?

Welche Legierungen können ausgehärtet werden (allgemeine Voraussetzungen

angeben)!?

Erläutern sie die einzelnen Schritte beim Aushärten!

Welche Fehler sind beim Aushärten zu Vermeiden?

Was bedeutet die Bezeichnung T3 und T6?

Unlegierter Stahl niedrig legierter Stahl legierter Stahl

Wasser oder Schalenhärter Ölhärter Lufthärter

Wie ist der Begriff Stahl definiert?

Ausscheidungshärten: Die Ausscheidungshärtung ist eine Möglichkeit zum Erhöhen der Festigkeit metallischer Werkstoffe. Das Verfahren wird auch als Aushärten oder Auslagern bezeichnet.

Voraussetzungen: Legierungssystem mit teilweiser Mischbarkeit im festen Zustand, abneh-mender Löslichkeit mit fallender Temperatur. Das Aushärten erfolgt in drei Schritten. Schritt eins ist das Lösungsglühen, also das Erwärmen bis alle erforderlichen Elemente in Lösung sind. Danach wird der Werkstoff abgeschreckt, wodurch man einer Diffusion vorbeugt. Der entstandene Mischkristall bleibt jetzt im metastabilen und übersättigten Zustand. Das an-schließende Auslagern ist eigentlich ein Anlassen, also Erwärmen.Hierbei wird nun die Diffusion kontrolliert nachgeholt und der Mischkristall erfährt eine Um-wandlung in eine Legierung, die zweiphasig ist. Es bilden sich viele kleine homo-gen verteilte Ausscheidungen. Man kann durch geeignete Wahl der Materialien und genauen Prozedur die zukünftigen Materialeigenschaften gut steuern und beeinflussen. Je kleiner die Ausscheidungen sind, um so größer ist die nun mittels der Aushärtung erreichte Festigkeit.

Es muss ein tief einhärtender Stahl (legierter Stahl) benutzt werden, die Anlasstemperatur sollte niedrig gewählt werden da sonst die Festigkeit verloren geht.

Zu lange Auslagerzeiten und zu hohe Auslagertem-peraturen führen wieder zu einer Abnahme der

Streckgrenze , Zugfestigkeit und Härte.

1. Lösungsglühen: homogener MK, Temperatu dicht unter der eutektischen

Temperatur ( wenn Temperatur zu niedrig sind zu wenig Legierungselemente in der Lösung, bei zu hoher Temperatur kommt es zum anschmelzen )

2. Abschrecken: übersättigter Mischkristall (MK-Härten), Abschrecken in

Wasser und Wassernebel; noch keine Härteerhöhung vorhanden —> Auslagern

3. Auslagern: Kaltauslagern: bei Raumtemperatur

Warmauslagern : bei erhöhter Temperatur (Dauer und Temperatur abhängig von der Legierung) Es bilden sich Zwischenzustände (metastabile Phasen) Ausscheidungen aus dem MK , dadurch steigt die Streckgrenze , Zugfestigkeit und die Härte aber die Dehnung sinkt.

T3 — steht für Lösungsgeglüht und kaltausgelagert

T6 — steht für Lösungsgeglüht und warmausgelagert

Stahl Eine Eisen-Kohlenstofflegierung bis 2% C ;

größter Maßgehalt Eisen; in Ausnahmefällen Kohlenstoffgehalt > 2%

Welche Wirkung

hat Kohlenstoff im Stahl?

Weshalb werden Bestimmten Stählen Legierungselemente hinzugegeben und

wie beeinflussen diese die Stahl Eigenschaften ? Beispiele angeben!

Welche Eigenschaften von Stahl werden durch Begleitelemente wie P und S be-

einflusst? Welche Folgen ergeben sich für die Verarbeitung und hinsichtlich eines

Werkstoffeinsatzes bei tiefen Temperaturen?

Nennen sie allgemeine Kriterien für einen Hochtemperaturwerkstoff?

Durch welche Maßnahmen kann die Warmfestigkeit eines Werkstoffs erhöht

werden?

Nennen sie Härtungsmechanismen die bei der Martensithärtung wirksam sind!

Weshalb wird bei zyklischer Beanspru-

chung der Werkstoff bereits unterhalb

der Streckgrenze geschädigt?

Woran erkannt man mit bloßem Auge einen Ermüdungsbruch (Dauerbruch)?

Nennen sie Möglichkeiten zur Erhöhung der Festigkeit von Stahl!

Welche festigkeitssteigerden Mechanismen kommen zum Einsatz? Nennen sie jeweils ein Beispiel für die

praktische Umsetzung!

Wodurch sind die Allgemeinen Baustähle

gekennzeichnet ? Wonach erfolgt die Stahlauswahl für eine

bestimmte Anwendung? Geben sie die Bedeutung der

Gütegrupppen an! ( was unterscheidet die einzelnen ?)

Legierungselemente:

stellen bestimmte gebrauchseigenschaften sicher z.B.

Korrosionsbeständigkeit (Legieren mit Cr und Ni)

Beeinflussen die Härtbarkeit der Stähle

Erhöhen die Festigkeit über Mischkristallhärtung

(Legieren mit Mn und Si)

Erhöhen die Festigkeit über Ausscheidungshärtung

(Legieren mit Ti, V, Nb)

Beeinflussen die Schweißneigung

Verändern die Verarbeitungseigenschaften der Stähle

Wirkung von Kohlenstoff im Stahl:

erhöht die Festigkeit im geglühten Zustand

Ist entscheidend für die Steigerung der

Härte und Festigkeit beim Härten

Erschwert die Umformung

Verschlechtert die Schweißneigung

hohe Oxidationsbeständigkeit (durch Legierung mit Al,Si, Cr)

—> Oberflächenbehandlung

hohe Warmfestigkeit

geringe Kriechrate —> möglichst grobes Korn (z.B.: Turbinenschaufel aus

einem Korn)

hohe Schmelztemperatur

Legierungsmaßnahmen, die Versetzungsbewegung behindern (MK-

Härtung, Teilchenhärtung)

Ausscheidungen an Korngrenzen behindern Korngrenzengleiten

hoher kovalenter Bindungsanteil (—> hohe Gitterreibung)

Phosphor:

gelangt durch Erz in den Stahl

Phosphor ungleichmäßig verteilt , führt zur Zeiligkeit des ferritisch perlitischen Gefüges

Im Fe-MK in Grenzen löslich und erhöht die Festigkeit des Ferrits —> wirkt im Stahl versprödend, begünstigt Anlassversprödung beim Vergüten

—> verbessert Zerspanbarkeit weicher Stähle (Automatenstähle), verbessert Korrosionsbeständigkeit (Wetterfeste Stähle)

i.a. sehr niedrige P-Gehalte außer o.g. Stähle

Schwefel :

stärkere Neigung zum Seigern als Phosphor

Bildet mit Fe Eisensulfid —> niedrigschmelzendes Eutektikum Fe-FeS, durch Anwesenheit von FeO Schmelzpunkt weiter herabgesetzt

Bei Warmumformung Bruchgefahr durch spröde Sulfide bzw. schmelzende Sulfide, Gefahr beim Schweißen

Im Stahl möglichst niedrige Schwefelgehalte außer bei Automatenstählen, bei denen durch Sulfide die Zerspanbarkeit verbessert wird

Sprödbruchverhalten bei tiefen Temperaturen.

Kornfeinung (Korngrenzenhärtung)

Versetzungshärtung (durch große An-zahl von Gitterbaufehlern)

Mischkristallhärtung (C kann nicht aus der Eisenmatrix hinausdiffundieren)

grobes Gefüge (Korngrenzengleiten vermeiden) —> Grobkornglühen

Legieren (mit Cr, MO, V)

Teilchenhärtung (Ausscheidungen: Carbide , Nitride)

Bruchfläche besteht aus 2 Bereichen:

Dauerbruchfläche (rel. Glatt, matt ) —> Rastbruchlinien erkennbar

Rest– Dauerbruch (stark zerklüftet, körniges Aussehen)

Ermüdungsstruktur bildet sich aus , reale Werkstoffe sind nie ideal—haben immer Kerben —> Anrissbildung

Allgemeine Baustähle z.B. S355JR (DIN EN 10 025)

nicht für Wärmebehandlung beim Verbraucher bestimmt (einzige Wärmebe-

handlung bei Verbraucher: Spannungsarmglühen)

Hauptsächlich im warmgeformten , seltener im normalgeglühten Zustand

eingesetzt

Immer unlegiert, enthalten aber immer Begleitelemente : Mn, Si, Al

Gekennzeichnet durch Streckgrenze bei Raumtemperatur für kleinste Abmes-

sungen sowie die Gütegruppen —> Kerbschlagarbeitswerte bei bestimmten Temperaturen ,Streckgrenze , Zugfestigkeit und Bruchdehnung sind unabhän-gig von der Gütegruppe (Gütegruppen unterscheiden sich in Temperatu, Kerbschlagarbeit und Wärmebehandlung)

Gütegruppen sind wichtig für die Auswahö bei Schweißkonstruktionen sowie

Einsatzbedingungen bei tieferen Temperaturen, bei schlagartiger Beanspru-chung

Stahlauswahl nach erforderlichen Festigkeits- und Verarbeitungseigeschaften

Möglichkeiten der Festigkeitssteigerung von Stahl:

Ausnutzung der Festigkeitssteigernden Mechanismen

- Mischkristallhärtung (Zulegieren von Mn,Si) - Feinkornhärtung (Korngrenzenhärtung) - Versetzungshärtung (Kaltumformung) - Ausscheidungshärtung (Legieren mit Ti, V, Nb) - Umwandlungshärtung (Legieren mit Mn, begünstigt Restaustenit —> wandelt sich bei der Umformung in Martensit um —> Festigkeit steigt bei der Umwandlung )

Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes —> Perlitmenge nimmt zu —> höhere Festigkeit

Wärmebehandlung zur Erhöhung der Festigkeit :

—> Vergüten

Weshalb unterscheidet man in Stähle für den Allgemeinen Stahlbau (S) und Stähle

für den Maschinenbau (E) ?

Weshalb kann in der Wärmeeinflusszone beom Schmelzschweißen grobes Korn

entstehen? Wie kann durch die Stahlzusammensetzung grobes Korn

vermieden werden?

Welche Gefügeänderungen können beim Schmelzschweißen in der WEZ beim

schnellen Abkühlen auftreten? Welche Folgen können dadurch bei

Belastung auftreten?

Welche Maßnahmen sind beim Schweißen notwendig damit es nicht zur

Bildung von Kaltrissen kommt ? (Werkstoffseitig, Vor– bzw. Nachbehandlung)

Welche Möglichkeiten der Festigkeitssteigerung werden bei den

höherfesten schweißgeeigneten Stählen in der Praxis umgesetzt?

Bei der Auslegung von statisch belasteten Bauteilen ist die

Berechnungsgrundlage der Werkstoffkenn-wert der Streckgrenze 0,2%Dehngrenze. Was

müssen sie beachten, wenn für eine Kon-struktion zunächst ein Stahl mit geringer Fes-tigkeit und dann im Sinne des Leichtbaus ein

Stahl mit höherer Festigkeit verwendet werden soll?

Weshalb nimmt die Kerbempfindlichkeit

mit zunehmender Festigkeit zu?

Was bedeutet das für die konstruktive

Gestaltung von Bauteilen?

Weshalb werden für bestimmte Bauteile Einsatzstähle verwendet?

Wie werden Einsatzstähle Wärmebehandelt?

Weshalb wird das Vergüten von Stahl durchgeführt, welche Eigenschaften

sollen erzielt werden? Welche C-Gehalte haben die

Vergütungsstähle?

Beim erwärmen wir eine hohe Temperatur erreicht und relativ lange gehalten. —> grobes Korn —> grobes Umwandlungsgefüge Verhinderung von groben Korn durch das Legieren mit Aluminium —> AlN-Ausscheidungen, hemmen das Kornwachstum

Maschinebaustähle : - nicht Schweißbar - für Hebel, Wellen und Stangen Allgemeiner Stahlbau: - Schweißbar - für Schweißkonstruktionen

Begrenzung des Kohlenstoffgehalts auf 0,22% —> (relativ weicher Martensit) —>

ohne Vorbehandlung schweißbar Legierungselemente , die Härtbarkeit erhöhen

—> Berechnung des Kohlenstoffäquivalentes und Festlegung von Vorwärmtemperaturen —>

Vorwärmen Bei höheren Kohlenstoffgehalten nach dem

schweißen glühen

Bei zu schnellem Abkühlen kommt es durch Martensitbildung in der WEZ zur Versprödung und damit zu einer möglichen Bildung von Kaltrissen . Bei Belastung kann es dann zum Sprödbruch kommen!

mit zunehmender Festigkeit können bei gegebener Belastung die Querschnitte verringert werden , aber Beul– und Knickverhalten beachten; Ausgleich durch entsprechende konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung des Widerstandsmomentes

Mit zunehmender Festigkeit werden die Stähle kerbempfindlicher—geringere Zähigkeitsreserven

Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt verschlechtert sich die Schweißeignung : Vorwärmen oder Glühen nach dem Schweißen erforderlich

MK-Härtung : Legieren mit Mn und Si

Feinkornhärtung: Beruhigen des Stahls mit Aluminium —> Bildung von

Aluminiumnitrid —> behindert Kornwachstum bei höheren Temperaturen —> Stahl bleibt feinkörnig dadurch höhere Zähigkeit

Ausscheidungshärtung mit Ti, Nb, V —> Bildung feiner Nitride , Carbide oder

Carbonitride

Einsatzstähle sind für die Wärmebehandlung Einsatzhärten vorgesehen, haben niedrige kohlenstoffgehalte (ca. 0,10%-0,20%) , sind unlegiert oder legiert. Ziel: Erhöhung der Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit, Kern hat geringere Festigkeit und damit Beibehaltung einer hohen Zähigkeit Einsatzbeispiele für Einsatzstähle:

Zahnräder im Maschinen und Fahrzeugbau

Verschleißbeanspruchte Hebel

Bolzen und andere Kleinteile z.B. in Nähmaschinen

Messwerkzeuge

Kerbempfindlichkeit steigt mit zunehmender Festigkeit da geringere Zähigkeitsreserven vorhanden sind. Konsequenz: konstruktive Kerben, besonders bei hochfesten Materialien vermeiden.

Zur Erzielung hoher Festigkeit und Zähigkeit werden die Vergütungsstähle gehärtet und bei hohen Temperaturen angelassen . Anwendung für Bauteile mit hohen mechanischen Beanspruchungen. Gefordert wird auseichend Zähigkeit gegen sprödes Versagen. Die Kennzeichnung erfolgt durch den Zugversuch —> Vergütungsfestigkeit und die Kerbschlagarbeit. C-Gehalte von 0,22% bis 0,6%.

Die erreichbare Festigkeit ist abhängig vom Gehalt an Kohlen-

stoff und bei legierten Stählen von der Art und dem Gehalt an Legierungselementen sowie von den Abmessungen des Bauteils.

Die Vergütungsbedingungen (vor allem die Anlasstemperatur)

bestimmen dann die jeweilige Festigkeit.

Durchführung Einsatzhärten : 1. Aufkohlen der Werkstücke in C abgebenden Medien 2. Härten 3. Anlassen bei niedrigen Temperaturen Durch die Martensitbildung im Randbereich kommt es zu Druckeigenspannungen (größeres Volumen von C-haltigem Martensit) , die zu einer Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit führen.

Weshalb müssen die Bauteile

durchvergütet werden?

Weshalb kann man für größere Querschnitte keine unlegierten Stähle

verwenden?

Welche Kriterien sind bei der Stahlauswahl von Vergütungsstählen

anzuwenden?

Durch welche Legierungselemente wird die Korrosionsbeständigkeit von Stahl bedeutend erhöht? Worauf beruht diese Beständigkeit?

Nennen sie typische Eigenschaften Korro-sionsbeständiger ferritischer und

austenischer Stähle!

Welches Graue Gusseisen würden sie für ein auf Zug belastetes Gussstück auswählen?

Begründen sie ihre Auswahl!

Weshalb müssen bei Gussstücken aus

Gusseisen mit Lamellengraphit die

Wandstärken besonders beachtet

werden?

Nennen sie typische Eigenschaften die für die Verwendung von Gusseisen

maßgebend sind!

Nennen sie typische Eigenschaften von Aluminiumwerkstoffen !

Welche Eigenschaften sind für die Verarbeitung wichtig?

Wie wird die Festigkeit bei Aluminiumwerkstoffen eingestellt?

Geben sie die Härtungsmechanismen an und die jeweilige praktische Umsetzung!

Da unlegierte Stähle eine sehr geringe bis keine Einhärtbarkeit besitzen , nur hohe Aufhärtbarkeit

( zu weicher Kern)

Dadurch erhält man über den gesamten

Querschnitt gleichmäßige Eigenschaften

( Härte , Festigkeit)

Durch mind. 13% Cr, Ni, Mg, Al wird ein Stahl Kor-rosionsbeständiger. Da die Legierungselemente ihre Passivität auf den Stahl übertragen —> Bilden eine Passivschicht auf dem Stahl welche vor Korrosion schützt

Die erreichbare Festigkeit ist abhängig vom Kohlenstoffgehalt

Bei Legierten Stählen ist die erreichbare Festigkeit abhängig von der Art und Konzentration der Legierungselemente

Die Vergütungsbedingungen (besonders die Anlasstemperatur ) bestimmen dann die jeweili-ge Festigkeit

Durch Legierungselemente wird die Zähigkeit verbessert , es können bei gleicher Festigkeit durch das zulegieren von Chrom, Molybdän und Nickel höhere Zähigkeiten erreicht werden als bei unlegierten Stählen

Graues Gusseisen mit Kugelgraphit, da es eine höhere Festigkeit und eine höhere Plastizität ge-genüber Gusseisen mit Lamellengraphit hat.

Ferritische Stähle:

enthalten 13% bis zu 30% Cr bei C-Gehalten < 0,1 %

Keine Umwandlung in die γ–Phase möglich

Nicht Härtbar

Bei noch rel. Hohen Temperaturen sprödes Verhalten

Durch weitere Legierungselemente wie Mo und Ni wird die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Austenitische Stähle: Enthalten Legierungselemente, die die γ-Phase bis zur Raumtemperatur und drunter stabilisieren. Dadurch sind sie

umwandlungsfrei

Nicht Härtbar

Paramagnetisch

Durch entsprechende Legierungselemente (Cr, Ni, Mo; Ti, N; Nb) und Legierungsverhalten wird die jeweils erforderliche Korrosionsbeständigkeit eingestellt

Typische Eigenschaften für die Verwendung von Gussei-sen mit Lamellengraphit:

Gute Gießbarkeit und Bearbeitbarkeit

Gute Gleit- und Verschleißeigenschaften

—> Zahnräder, Bremstrommeln

Günstige Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen

—> Kolben für Verbrennungsmotoren, Kolbenringe , Motorblöcke

Hohe Hitze und Zunderbeständigkeit

—> Glasformen

Gutes Korrosionsverhalten

—> Heizkörper

Gutes Dämpfungsvermögen

—> Werkzeugmaschinen , Getriebeteile

Da für Gusseisen mit Lamellengraphit eine bestimmte Zugfestigkeit verbindlich ist , die einer maßgebenden Wanddicke von 15mm entspricht . Und da die Gefügeausbildung von der Wandstärke abhängt. (Festigkeit und Härte sinken mit zunehmender Wandstärke —> Bildung grobes Gefüge)

Feinkornhärten —> Druckgießen (feines Korn durch Schnelle Abkühlung)

MK-Härten —> Veredelung von Al.-Legierungen (Natrium, Antimon, Strontium vor dem Vergießen hinzufügen)

hohe spezifische Festigkeit einiger Legierungen

Hervorragende Korrosionsbeständigkeit : Schutz durch Oxidschicht, Verstärkung durch anodisches Oxidieren

Hohe Wärme- und Elektrische Leitfähigkeit

Hervorragende Warmumformbarkeit

Gute Gießbarkeit

Umweltverträglichkeit, recyclierbar, nicht toxisch , nicht allergen

Ausreichende Verfügbarkeit

Weshalb kenn die geringere Dichte von Stahl nicht in eine 1:1 Masseeinsparung

Umgesetzt werden?

Unter welcher allgemeinen Bedingung ist der Einsatz von Aluminium gegenüber Stahl im Sinne des Leichtbaus möglich?

Durch welchen Versuch wird die Warmfestig-

keit eines Werkstoffes ermittelt? Wie geht

man vor und welche Kennwerte und Dia-

gramme werden ermittelt?

Weshalb kann die Umwandlung in der

Perlitstufe nur bei Temperaturen oberhalb

von 450° C erfolgen?

Nennen sie die Gefügebestandteile von geglühtem unlegiertem Stahl bei Raum-temperatur, wenn der Kohlenstoffgehalt

stetig ansteigt!

Wie ändern sich mit zunehmendem Koh-lenstoffgehalt die Härte, Festigkeit und

Zähigkeit von unlegiertem Stahl?

Bei freier Bauhöhe —> Vergrößern der Trägerhöhe auf das

1,5fache —> Masseersparnis von ca. 50%

Da Aluminium nur 1/3 des E-Moduls von Stahl besitzt (elastische Dehnung, Biegung und Verdrehung 3 mal so groß) —> 3mal so großer Querschnitt Benötigt bei glei-cher Last —> oder Wiederstandsmoment (Trägheitsmoment) erhöhen.

da die Eisen – Kohlenstoff – Diffusionen sonst nicht vollständig ablaufen können

Bei tieferen Temperaturen kann sich Austenit nicht mehr in Perlit Umwandeln

Zeitstandsversuch unter Zugbeanspruchung

Erwärmung der Probe auf vorgegebene Prüftemperatur und

Belastung durch konstante Zugkraft in Richtung der Proben-längsachse (nicht unterbrochener Zeitstandsversuch)

entweder für eine Versuchsdauer bis zum Erreichen einer

vorgegebenen Kriechdehnung oder bis zum Bruch der Probe

oder für die Gewinnung von Werten der bleibenden Dehnung

bei geeigneten Versuchsdauern oder bis zum Bruch der Probe (unterbrochener Zeitstandsversuch)

Ermittlung Zeitstandsfestigkeit, Zeitstandsdehngrenze, Zeit-

standsbruchdehnung

Ermittlung Kriechkurve, Zeitstandsschaubild

mit steigendem C-Gehalt: Härte und Festigkeit nehmen zu Zähigkeit nimmt ab

bei C-Gehalt 0,00 %: rein ferritisches Gefüge

bei C-Gehalt zw. 0,01 und 0,8 %: ferritisch-perlitisches Gefüge

bei C-Gehalt 0,8 %: rein perlitisches Gefüge

bei C-Gehalt zw. 0,8 und 2,06 %: perlitisches Gefüge mit Sekundärze-

mentit (Korngrenzenzementit)