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1. Einteilunga) Konstruktionswerkstoffe → Bau einer Konstruktion Funktionswerkstoffe → Funktion in einer Konstruktionb) Metalle Nichtmetallische WerkstoffeEisen- Nichteisen- metalle metalleVerbundwerkstoffe Grundlagen: Bindungen a) Primärbindungen = chemische Bindung Kovalente / Atombindung: Bildung...

Description

Werkstoffkunde 1. Einteilung

a)

Konstruktionswerkstoffe Funktionswerkstoffe

b)

→ →

Bau einer Konstruktion Funktion in einer Konstruktion

Metalle

Eisenmetalle

Nichtmetallische Werkstoffe

Nichteisenmetalle Verbundwerkstoffe

2.

Grundlagen: Bindungen

a)

Primärbindungen = chemische Bindung -

Kovalente / Atombindung: Bildung eines gemeinsamen Elektronenpaares zwischen zwei Atomen

-

Ionenbindung: Atom gibt Außenelektronen an das andere ab → Kation & Anion (zwischen elektropositiven und elektronegativen Element)

-

Metallische Bindung: Atome geben Elektronen ab → Elektronengas & positive Ionen Beweglichkeit der Elektronen → hohe elektrische Leitfähigkeit Bindung nicht gerichtet → hohe Dichte

b) Sekundärbindungen = physikalische Bindungen -

Van-der-Waals-Bindung: Anziehung durch Dipole

-

Wasserstoff-Brücken-Bindung: Brücke zwischen H-Atom und Molekül

Werkstoffkunde 3. Metalle 3.1. Atomordnung, Kristallsysteme Kristall-/Raumgitter Elementarzelle

= =

periodische Anordnung von kleinsten Bausteinen kleinster räumlicher Ausschnitt des Raumgitters

3.1.1. Kristallsysteme Kristallsysteme bei Metallen -

Kubisch raumzentrierte Elementarzelle (krz) AA

-

Kubisch flächenzentrierte Elementarzelle (kfz) ABCABC

-

Hexagonal dichteste Elementarzelle (hdp) ABAB

Polymorphie/Allotropie

=

Temperaturabhängigkeit der Kristallgitters (bei manchen Werkstoffen, durch Verschiebungen im Kristall z.B. Fe, Ti)

Millersche Indizes

=

Definition der Lage der Flächen in einem Kristallgitter

Runde Klammern (111) Geschweifte Klammern {111} Eckige Klammern [111] Spitze Klammern

Flächen gleichwertige Flächen Richtung Richtungsfamilien

Packungsdichte

Wie viel Prozent der Begrenzung füllen Atome aus?

Krz: Kfz: Hdp:

0,68 0,74 0,74

=

(Bedeutung: Metalle mit krz werden bei niedrigen Temperaturen spröde!)

Gleitebene Gleitrichtung

= =

Ebenen, in denen Versetzungen mit geringstem Energieaufwand gleiten können Richtung, in der die Versetzungen gleiten können

Gleitsystem

=

Kombination aus Gleiteben & Gleitrichtung (Anzahl Ebenen x Anzahl Richtungen) Anzahl der Gleitsysteme bestimmt, ob der Werkstoff gut verformbar ist

hdp: krz: kfz:

Anisotropie

max. 3 Gleitsysteme (schlecht kaltumformbar) 12/24 Gleitsysteme 12 Gleitsysteme

=

Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften der Metalle

Werkstoffkunde 3.1.2. Gitterfehler Gitterfehler

=

Abweichungen vom idealen Gitteraufbau, entstehen bei Entstehung des Kristalls oder nachträglich durch Energiezufuhr, führen zu Verspannungen im Gitter

1) 0-dimensionale Gitterfehler Extrinsische Defekte a) Substitutionelles Atom Ein Gitterplatz wird durch ein Fremdatom ersetzt. → Legierungen → Steigerung der Festigkeit von Werkstoffen (Fremdatom verspannt Kristall, Versetzungen benötigen mehr Energie um diese zu überwinden)

b) Interstitielles Atom Ein Platz zwischen Gitterplätzen wird durch ein Fremdatom besetzt. (kleine Atome: C, N, O, H, B – Eisen mit C = Stahl)

Intrinsische Defekte a) Leerstellen Ein Gitterplatz bleibt unbesetzt. → Entstehen bei Kristallisation, Temperaturerhöhung, Bestrahlung → Leerstellenzunahme mit höherer Temperatur (exponentiell über 0,4 TS) → Ansammlung von Leerstellen kann Versetzung verursachen → Beeinflussen thermisch aktivierte Vorgänge

Thermisch aktivierte Vorgänge - Kriechen = Verformung unter konstanter Last → Ansammlung von Leerstellen an Korngrenzen → Auswachsen zu Poren (Leerstellenagglomeration) → Schwachstellen - Erholung = Ausheilen von Leerstellen → Wiederherstellung der ursprünglichen elektrischen Leitfähigkeit - Diffusion = Wanderung einzelner Atome, Ionen, Teilchen durch ein Gitter (makroskopischer Massetransport) → Ursache: Konzentrationsunterschiede → Volumendiffusion, Korngrenzendiffusion, Oberflächendiffusion → Mechanismen: Leerstellenmechanismus, interstitieller Mechanismus

b) Eigenzwischengitteratom Atome des gleichen Elements, aus dem das Kristallgitter besteht, auf Zwischengitterplatz. c)

Frenkeldefekt Gitteratom springt auf Zwischengitterplatz und hinterlässt Leerstelle.

→ 0-dimensionale Gitterfehler beeinflussen: -

Mechanische Werkstoffeigenschaften (Festigkeit, Verformbarkeit, Härte, Kriechverhalten) Korrosionsverhalten (gezielt zugesetzte Fremdatome) Elektrische Leitfähigkeit (Dotierung von Halbleitern)

Werkstoffkunde 2) 1-dimensionale Gitterfehler a)

Stufenversetzung Ansammlung von Leerstellen, Entfernen/Einschieben einer Teilebene

b) Schraubenversetzung

Burgersvektor

=

Maß für Größe und Richtung der versetzungsbedingten Gitterverzerrung

A) Burgers-Umlauf in ungestörtem Kristall B) Burgers-Umlauf in durch Versetzung gestörten Bereich → ergibt Burgers-Vektor b Stufenversetzung: Schraubenversetzung:

b ⊥ Versetzungslinie b || Versetzungslinie

→ 1-dimensionale Gitterfehler beeinflussen: -

Verformungsverhalten Mechanische Eigenschaften Beweglichkeit & Vermehrungsfähigkeit (Multiplikation) innerhalb eines Korns

Werkstoffkunde 3) 2-dimensionale Gitterfehler a)

Kleinwinkel(Sub-)korngrenzen Korngrenzen < 15°

b) Großwinkelkorngrenzen Korngrenzen > 15°

Korn = kleiner Kristall/Kristallit → Korngrenzenhärtung

=

Je mehr Korngrenzen / Je kleiner die Korngrenzen, desto fester der Werkstoff (Versetzungen können sich nicht bewegen)

σS = σ0 + k ⋅ √

1

dm

dm : mittlerer Korndurchmesser

→ Texturen = Ausrichtung der Atomgitter der Körner - Gusstextur - Verformungstextur - Rekristallisationstextur

c)

Zwillingsgrenzen Sonderform der Großwinkelkorngrenze → Entstehen durch Verformung, Erstarrung, Rekristallisation („Knicken“) → geringe plastische Verformung möglich

d) Stapelfehler Aufspaltung einer Versetzung in zwei Teilversetzungen

Werkstoffkunde

4) 3-dimensionale Gitterfehler a)

Poren Spannungsüberhöhungen, Gleitbandbildung

b) Einschlüsse c)

Ausscheidungen Entstehung von „Teilchen“ (Phasen) bei Abkühlung im festen Zustand

d) Dispersoide Feste Bestandteile der Schmelze oder bei Abkühlung entstehende Verbindungen, die bei Erwärmung nicht wieder gelöst werden (werden in Kristall eingelagert)

Fazit – Gitterfehler -

Gezielte Erzeugung von bestimmten Gitterfehlern wesentlich für mechanische Werkstoffeigenschaften (Verformbarkeit, Härte, Festigkeit) Einfluss auch auf andere Werkstoffeigenschaften (z.B. elektrische Leitfähigkeit) In Einzelfällen können Gitterfehler auch mechanisches Versagen auslösen

Werkstoffkunde 3.2. Herstellung von technischen Werkstoffen

Festigkeit Festigkeit korreliert bei Metallen mit deren Härte: Festigkeit ~ Härte Festigkeiten werden in der physikalischen Einheit N/mm2 oder in MPa angegeben (1 N/mm2 = 1 MPa) Festigkeitssteigerungen (Reduktion der Duktilität): - Legierungshärtung (Mischkristallhärtung) - Kaltverfestigung - Korngrenzenhärtung (= Verringern der Korngröße) - Umwandlungshärtung - Ausscheidungshärtung - Dispersionshärtung Mögliche Herstellungsprozesse von Halbzeugen: - Vergießen zum Gussteil - Vergießen zum Block zur Weiterverarbeitung durch Umformung - Pulvermetallurgie Wichtige Produkte oder Halbzeuge der Knetwerkstoffe: - Bleche (< 6 mm dick) - Platten, Platinen (> 6 mm dick) - Stäbe, Profile (stranggepresst, gewalzt, gezogen) - Schmiedeteile: Freiform- und Gesenk-Schmiedeteile

3.2.1. Kristallisation Kristallisation

=

Durch Abkühlen bildet sich bei Erreichen des Schmelzpunktes die Gitterstruktur aus

Homogene Kristallisation = Heterogene Kristallisation =

Kristallisationskeine bei reinen Materialien sind arteigen Kristallisationskeime bei Wertstoffen mit mehr als einem Element sind Fremdatome

Primärkristallisation Sekundärkristallisation

Entstehung des Werkstoffs durch Keimbildung und Kristallwachstum Thermische oder thermomechanische Umformung nach der Primärkristallisation

= =

Dynamische Unterkühlung = Konstitutionelle Unterkühlung =

Kristallisationskurve

Unterkühlung unter die Schmelztemperatur zum Kristallwachstum Durch Legieren verringert sich die Schmelztemperatur im Vergleich zum reinen Metall, dadurch kommt es zu Entmischungserscheinungen

Werkstoffkunde Erstarrungsfronten und Gefügeausbildung a) Ebene Erstarrungsfront (bei höchstreinen Metallen) b) Unebene Erstarrungsfront - Zellgefüge - Dendritisches Gefüge (Poren & Lunker können entstehen) Zellstrukturen - entstehen dadurch, dass Fremdatome sich an en Zellgrenzen anreichern (=Verunreinigungen) - Anlagerung auf Korngrenzen kann zu Versprödung oder Korrosionsanfälligkeit führen

3.2.2. Reine Metalle -

Durch Unterkühlung kann ein höchstreines Metall homogen erstarren Erst unterhalb der Schmelztemperatur entstehen Kristallisationskeime

3.2.3. Legierungen Begriffe Komponenten = Matrix = Legierungselement = Phase = Mischkristall = Kristallgemisch =

einzelne Legierungsbestandteile Hauptbestandteil der Legierung absichtlich zugesetzte Komponente einer Matrix gleichartige separierbare (homogene) Bestandteile eines Systems Kristall aus mindestens zwei Atomsorten Gefüge des Werkstoffs besteht aus verschiedenen Kristallsorten

Legierungshärtung Formen der Legierungsbestandteile: - Gelöste Fremdatome (Substitutions- oder Einlagerungsatome) - Kohärente oder teilkohärente Phasen - Teilchen einer zweiten Phase (Dispersoide, Ausscheidungen)

a)

Homogene Legierungen

Fremdatome substituieren Gitterplätze des Metallgitters oder sie werden interstitiell eingelagert → Substitutions- oder Einlagerungsmischkristalle → Mischkristall- oder Legierungshärtung (Element A wird durch ein Element B ersetzt) b) Heterogene Legierungen Bestehen aus mehrerer verschiedenen Kristallsorten → Ausscheidungshärtung (Unterschreiten der Löslichkeitsgrenze (temperaturabhängig) → zweite Phase bildet sich) → Dispersoidenhärtung (harte Teilchen werden in Schmelze eingebracht oder Teilchen die während der Abkühlung entstehen und nicht wieder löslich sind, gröbere Verteilung als Ausscheidungshärtung)

Intermediäre Phase

=

kovalente Bindungen zwischen Metall- und Nichtmetallatomen (hohe Schmelztemperatur, sehr hart)

Werkstoffkunde

Zustandsschaubilder Zustandsänderungen einer Legierung in Abhängigkeit von der Temperatur und der Konzentration eines Elementes in A und B Hebelgesetz mk ms

=

=

Bestimmung der Mengen der heterogenen Zustandsfelder der vorhandenen Phasen

b a

mk : Masse der Kristalle ms : Masse der Schmelze c0: Konzentration der Legierung c1: Konzentration der Schmelze c2: Konzentration der Mischkristalle

Abkühlkurve Haltepunkt

=

Knickpunkt

=

Zustandsschaubild Liquiduslinie = Soliduslinie =

a)

Temperatur bleibt so lange konstant bis die Phasenänderung abgeschlossen ist, Schmelzpunkt Zweiphasenbereich fest – flüssig, Schmelzbereich

oberhalb liegt nur Schmelze vor unterhalb liegt nur Feststoff vor

Lückenlose Mischkristallbildung

b) Eutektisches System Kein Schmelzbereich, sondern erstarrt bei konstanter Temperatur wie reines Metall Eutektischer Punkt = Eutetikale = Unlöslichkeit =

Alle drei Phasen sind im Gleichgewicht Isothermie durch den eutektischen Punkte keine Substitutions- oder Einlagerungsmischkristalle

Vollständige Unlöslichkeit im festen Zustand

Werkstoffkunde Einseitige Randlöslichkeit im festen Zustand

Beidseitige Randlöslichkeit im festen Zustand

Gegenüberstellung lückenlose Mischkristallbildung – eutektisches System

Komponenten

Gefüge Formgebung durch Gießen

Lückenlose Mischkristallbildung - Mischkristall - Gleiche Raumgitter - Ähnliche Gitterkonstanten - Homogen - Mischkristalle

Eutektisches System - Kristallgemisch - Verschiedene Raumgitter -

Heterogen Kristallgemisch aus 2 Kristallarten

-

Gut, da niedriger Schmelzpunkt Kleines Schwindmaß Schlechter, nur duktilere Kristallart nimmt teil Gut, sprödere Kristallarten wirken spanbrechend Saubere Oberfläche Gusslegierung

-

Rohgussteil → Zerspanen → Fertigteil

-

Schlechter, da Erstarrungsbereich Schwindung, Seigerung Gut, alle Kristallarten nehmen teil

-

Zerspanen

-

-

Vorwiegende Verwendung Verarbeitung

-

Schlechter Fließspan, Schmieren, unsaubere Oberfläche Knetlegierung

Kneten

-

Gussblock → Umformen → Halbzeug → Umformen → Fertigteil

Kristallseigerung -

-

Konzentrationsunterschiede innerhalb eines Kristalls, vom Korninneren zur Korngrenze (Nichtgleichgewichtszustand) Zu hohe Abkühlgeschwindigkeiten, für Ausgleich der Konzentration durch Diffusion ist nicht genug Zeit „Zonenmischkristalle“ Kristallseigerung ist umso größer, je: o Größer der Schmelzbereich o Höher die Abkühlgeschwindigkeit o Kleiner der Diffusionskoeffizient der beteiligten Elemente „Homogenisierungsglühen“ zum Ausgleich der Zonenmischkristalle nahe der Solidusgrenze

Werkstoffkunde 3.3. Eigenschaften

3.3.1. Verformungsverhalten Zwei Arten von Verformungen bezogen auf Spannungen:  Längenänderungen, die durch Normalspannungen entstehen  Winkeländerungen, die durch Schubspannungen entstehen → In Kristallen findet nur Gleitverformung durch Schubspannungen statt (erzeugen auf gleitfähigen Gitterebenen Gleitverformungen) Zwei Arten von Verformungen bezogen auf das Erscheinungsbild:  Elastische Verformung  Plastische Verformung

Elastische Verformung   

Bauteil nimmt nach der Verformung durch Schubspannungen wieder seine alte Form an Atomabstände werden bei Verformung nur geringfügig vergrößert Keine Versetzungsbewegung

Plastische Verformung    

Bauteil wird dauerhaft verformt Versetzungsbewegung an Gleitebenen Korngrenzen als Versetzungsquellen und als Hindernisse für Versetzungen Werkstoffe mit krz-Gitter: - keine dichtest gepackte Ebenen - Spannungs-/Dehnungskurzen stark temperaturabhängig - Erhöhung der Streckgrenze durch Erniedrigung der Temperatur (erst oberhalb von 0,2 TS wie kfz Werkstoffe)

Werkstoffkunde Ermittlung des Verformungsverhaltens Definition von Spannung:

Spannung σ =

Kraft

Fläche

N

[σ] = mm2 = 1MPa

Spannung-Dehnungs-Diagramm durch Zugversuch: a)

Zu b):

Mit kontinuierichem Übergang in den plastischen Bereich

b) mit ausgeprägter Streckgrenze

Versetzungen stoßen auf Hindernis und stauen sich an → überwinden Hindernis usw. → Ungleichmäßiges Laufverhalten der Versetzungen (Typisch für krz-Metalle mit interstitiell gelösten Fremdatomen)

Kennwert

Kürzel

Erklärung

Obere Streckgrenze [MPa]

Reh

Größte Spannung vor dem ersten Steilabfall → plastische Verformung

Untere Streckgrenze [MPa]

Rel

Kleinste Spannung der ausgeprägten Streckgrenze

0,2%-Dehngrenze [MPa]

Zugfestigkeit [MPa]

Rp0,2

Rm

Spannung, die nach Entlastung 0,2% Dehnung hinterlässt → plastische Verformung Rm =

Fmax S0

maximale Spannung (maximale Kraft bezogen auf Ausgangsquerschnitt) σ

E-Modul [GPa]

E

E = tan(ε) E =ε Steigung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms im linearen Bereich („Hooksche Gerade“) ε=

Bruchdehnung [%]

A

ΔL L0

ε > 0 Zug

ε < 0 Druck

Bleibende Dehnung Δl (Δl = l1 – l0) der Bezugsmesstrecke l0 nach Bruch Parallele zur Hookschen Geraden, da nach Bruch die elastische Verformung zurückgeht hohes A → zäh, niedriges A → spröde

Gleichmaßdehnung [%]

Ag

Bleibende Dehnung Δl der Bezugsmesstrecke l0 nach Entlastung in Punkt der maximalen Spannung, bis zu diesem Punkt gleichmäßige Querkontraktion, danach Einschnürung der Probe

Wichtigste Dimensionswerte für statische Beanspruchung: Wichtigste Dimensionswerte für plastische Verformung:

Reh, Rp0,2, Rm und E-Modul Ag, A, Z

Werkstoffkunde Kriechvorgänge Definition:

Kriechen ist die Verformung eines Werkstoffs unter konstanter Last

Arten von Kriechvorgängen:  Logarithmisches Kriechen  Hochtemperaturkriechen

Logarithmisches Kriechen   

unterhalb von T = 0,4 TS durch Verformung bilden sich Versetzungen, die Material verfestigen, sodass Belastung nicht mehr hoch genug für Kriechprozess ist kommt nach einiger Zeit zum Stillstand

Hochtemperaturkriechen    

oberhalb von T = 0,4 TS Ansammlung von Leerstellen an Korngrenzen (Leerstellenkondensation) Auswachsen zu Poren (Leerstellenagglomeration) Keine Verfestigung durch Versetzungen, kein Stillstand

Kriechkurve

I II III

Übergangsdehnung: Kriechgeschwindigkeit nimmt von sehr hohen Werten mit der Zeit ab Stationäres Kriechen: Kriechgeschwindigkeit konstant Tertiäres Kriechen: Kriechen leitet Bruch ein, Kriechgeschwindigkeit nimmt stark zu

Werkstoffkunde

3.3.2. Kaltverfestigung und Korngrenzenhärtung Kaltverfestigung Kaltverformung  plastische Verformung bei Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur  bei reinen Metallen unterhalb von 0,4 TS Kaltverfestigung  einzige Möglichkeit der Festigkeitssteigerung bei reinen Metallen  die bei der Kaltverformung auftretende Festigkeitssteigerung  im Spannungs-Dehnungs-Diagramm nach Überschreiten der Elastizitätsgrenze (R eh) Effekte der Kaltverfestigung  Kaltverfestigte Materialen besitzen eine höhere Streckgrenze und eine erhöhte Zugstetigkeit, aber eine verringerte Gleichmaß-, Einschnür- und Bruchdehnung  Belastung und Entlastung einer Probe im Zugversuch und anschließende Belastung → höhere Festigkeit

Spannungs-Dehnungsdiagramm 1) Unverformte Zugprobe 2) Durch Ent- und erneuter Belastung kaltverfestigte Zugprobe

Vorgänge bei der Kaltverfestigung  Plastische Verformung über Versetzungen: nach Überschreiten der Elastizitätsgrenze wandern entlang der Gleitsysteme und Multiplikation ihrer Anzahl  Aufstauen der Versetzungen vor Hindernissen → Anstieg der Festigkeit bis keine Versetzungsbewegung mehr möglich ist → Kaltverfestigung kann durch Wärmebehandlung (Rekristallisationsglühen) rückgängig gemacht werden

Korngrenzenhärtung   

Verringerung der Korngröße durch thermomechanische Behandlung Versetzungen können nicht über Korngrenzen hinweg gleiten bei kleineren Körnern mehr Korngrenzen → schnellere Verfestigung

Werkstoffkunde 3.3.3. Erholung und Rekristallisation   



Vollständige Aufhebung der Kaltverfestigung → Rekristallisation Ausheilen von Leerstellen, Umordnen vo...