Werkstoffkunde 1 - Zusammenfassung PDF

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Werkstoffkunde –Zusammenfassung...

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Werkstoffkunde – Zusammenfassung Einführung in die Werkstoffkunde Werkstoffkunde beinhaltet: - Werkstoffprüfung (mechanische Prüfung, zerstörungsfreie Prüfung, Mikroskopie) - Werkstoffanwendung ( Werkstoffe für Kernreaktoren, Maschinenbau, Medizin) - Normen und Bezeichnung ( Abmessungen, Gefüge, Eigenschaften, Prüfmethoden) - Werkstofftechnik ( Gießereitechnik, Umformtechnik, Schweißtechnik) - Werkstoffwissenschaften ( Lehre vom Zusammenhang von Aufbau und Eigenschaften der Werkstoffe) - Werkstoffherstellung ( Metallurgie, Herstellung von Polymeren, Glas) Einteilung der Werkstoffe: Metalle: 1.) Eisenbasiswerkstoffe, Stahl, Gusseisen 2.) Nichteisenmetalle, Leichtmetalle, Schwermetalle Nichtmetalle: 1.) Anorganische nichtmetallische Werkstoffe, Keramiken, Gläser, Mineralien 2.) Organische Werkstoffe, Hölzer, Kunststoffe, Kautschuk Nichtmetalle und Metalle vereint = Verbundwerkstoffe: 1.) Stahlbeton, faserverstärkter Kunststoff, beschichtete Werkstoffe Belastungsarten: Mechanische Belastung ( äußere Kräfte und Momente, z.b. Zug/Druck, Biegung, Torsion) Thermische Belastung ( hohe und tiefe Temperaturen (Werkstoffabhängig), z.b. Turbine, Flugzeug) Chemische Belastung ( chemische Reaktion mit einem Umgebungsmedium, z.b. Korrosion im Auto, in Kraftstofftanks, chemische Reaktion mit einem Kontaktpartner) Komplexbeanspruchung möglich ( alle Belastungen zusammen oder ein paar zusammen) Energiereiche Strahlung ( z.b. Sonneneinstrahlung) Beanspruchungs-Zeit-Verlauf: Statisch Belastung: Steigt linear an und bleibt dann konstant als eine gerade Linie parallel zur x-Achse. Beispiele: - Welle unter ihrem Eigengewicht Dynamische Belastung: Steigt schlagartig an und fällt genauso schnell wieder ab. Beispiele: - Autounfall -

Zyklische Belastung: ( konstanter Amplitude, variabler Amplitude) Steigt an und verhält sich dann wie eine Sinus Funktion mit konstanter Amplitude. Mit variabler Amplitude schwingt es unkontrolliert hin und her. Beispiele: - An und Ausschalten einer Welche, also hoch- und runterfahren (konstante) Für jede Beanspruchung auf Zeit gibt es eine Grenze wo der Werkstoff kaputt geht. Diese liegen unterschiedlich hoch und sind nicht für jede Beanspruchung gleich, z.b. Heftklammer mehrmals hin und her biegen (zyklisch) bricht sie relativ schnell, mit einer statischen Belastung ( z.b. ziehen) bräuchte man deutlich länger. Bauteileigenschaften: Die Bauteilhaltbarkeit setzt sich aus 3 Teilen zusammen: 1.) Gestalt (Konstruktion, Fertigung (geschweißt, Korrosionsschutz, gegossen)) 2.) Werkstoff 3.) Betrieb ( Belastung ( mechanisch, thermisch, chemisch)) Festigkeitsnachweis: Bauteil - Bauteil wird bestimmt durch die Gestalt und die Belastung -

δ=

-

Werkstoff Probe mit bestimmter Gestalt und Belastbarkeit

[

]

Solange die Beanspruchung < Beanspruchbarkeit ist, hält der Werkstoff der Belastung stand, aber sobald die Beanspruchung = Beanspruchbarkeit ist oder größer versagt der Werkstoff und das Bauteil geht kaputt. Metallkunde Aufbau der Werkstoffe: - Ein Atom besitzt Protonen, Neutronen und Elektronen - Protonen + Neutronen = Atomkern - Elektronen = Elektronenhülle - Die Ordnungszahl im Periodensystem gibt die Anzahl der Protonen und Elektronen an

Bindungsarten bei Festkörpern: Primärbindungsarten: Ionenbindung: (heteropolare Bindung) mittlere Bindungskraft - Nur zwischen Metall und Nichtmetall - Ein Partner mit schlecht besetzter Außenschale und einer mit gut besetzter Außenschale - Bildung von Ionen durch Abgabe bzw. Aufnahme von e- Die unterschiedliche Ladung führt zur Anziehung der Ionen - Typisch für Salze Atombindung: (Elektronenpaarbindung, homöopolare Bindung) höchste Bindungskraft ( nahezu nicht recyclebar!) - Beide Partner mit gut besetzter Außenschale - Nur zwischen Nichtmetallen möglich - Bildung von Elektronenpaaren, die beiden Partner zugeordnet sind - Typisch für organische Stoffe ( Polymerwerkstoffe) Metallische Bindung: niedrigste Bindungskraft (beliebig oft recyclebar durch schmelzen!) - Zwischen Metallen - Beide Partner mit schlecht besetzten Außenschalen - Bildung von Ionen durch Freigabe von Elektronen → Elektronengaswolke - Eigenschaften die sich daraus ergeben: o Elektrische Leitfähigkeit o Wärmeleitfähigkeit o Metallischer Glanz o Korrosionsanfällig Sekundärbindungsarten: Van der waalsche Bindung Festkörperstrukturen: Amorph: - Ungeordnete räumliche Anordnung - z.b. Polymerwerkstoffe, Flüssigkeiten, Gase Kristallin: - Geordnete räumliche Anordnung - z.b. Metalle - hohe Festigkeit

Elementarzellen für Metalle: Kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur (kfz) - in jeder Ebene des Würfels ein zusätzliches Atom - Raumerfüllung: 74% (dichteste Packung) - Anzahl der Atome je Elementarzelle: 8 + 6 = 14 - Beispiele: Alu, Kupfer, Nickel, Gold, Eisen > 911°C - Plastische Verformbarkeit: sehr gut - Vorzustellen wie ein leerer Karton, diesen kann man ebenso leicht verformen und kaputt machen Kubisch-raumzentrierten Gitterstruktur (krz) - Nur ein Atom zusätzlich in der Mitte des Würfels - Raumerfüllung: 68% - Anzahl der Atome je Elementarzelle: 8+1=9 - Beispiele: Chrome, Eisen < 911°C - Plastische Verformbarkeit: gut - Vorzustellen wie ein Karton, wo in der Mitte jemand ist und alle Ecken fest hält Hexagonal-dichtgepackten Gitterstruktur (hdp) - Grundform ist ein ausgeprägtes Sechseck, Auf der oberen und unteren Fläche ist ein Atom zusätzlich in der Mitte. In der Mitte des ausgeprägten Sechseck sitzen noch einmal 3 Atome - Raumerfüllung: 74% - Anzahl der Atome je Elementarzelle: 12 + 2 + 3 = 17 - Beispiele: Magnesium (Gussteile, keine Bleche wegen schwerer plastischen Verformung) - Plastische Verformbarkeit: schlecht Elementarzellen werden sichtbar in einem TEM ( Transmissionselektronenmikroskop) oder einem REM ( Rasterelektronenmikroskop) Gitterbaufehler: (sehr wichtig!) Reale Kristallstrukturen: - 0-dimensionale Gitterbaufehler: Fremdatome, Leerstellen (punktförmige) Entstehen bei der Erstarrung aus der Schmelze, bei plastischer Umformung - 1-dimensionale Gitterbaufehler: Versetzungen (linienförmig) Entstehen bei der Erstarrung aus der Schmelze, bei plastischer Umformung

Bei „normalen“ Metallen:

Stark verformte Metalle: -

-

Stufen- und Schraubenversetzung möglich 2-dimensionale Gitterbaufehler: Korngrenzen, Phasengrenzen, Zwillingsgrenzen (flächenförmig) Beim Erstarren kann es sein das mehrere Körner anfangen zu wachsen und irgendwann treffen sie sich, dort entsteht dann ein Gitterbaufehler in den meisten Fällen, weil die Atome sich verbinden müssen aber nicht im richtigen Winkel zueinander stehen. Kohärente/inkohärente Phasengrenze: o Kristallstrukturen und Gitterkonstanten ähnlich/nicht ähnlich o Kristallorientierung gleich/nicht gleich 3-dimensionale Gitterbaufehler: Einschlüsse, Ausscheidungen, (Mikrolunker) (volumenförmig) Ausscheidungen im Korn sind vorwiegend globular, meist an den Korngrenzen.

Gefügeaufbau: Der Verband von Körnern heißt Gefüge. Reine Metalle haben ein homogenes Gefüge → Alle Kristallite (Körner) besitzen die gleiche Struktur. Gefügeunterschiede entstehen durch: - Korngrenzen - Körner unterscheiden sich in der räumlichen Lage der Gitterebenen - Kornform und Korngröße Isotropie und Textur: Isotropie: - Gleiche Werkstoffeigenschaften in allen Raumrichtungen (Richtungsunabhängig) - d.h. egal in welche Richtung ich den Werkstoff ziehe er hält immer das gleiche aus - Isotrope Vielkristalle sehen meist so aus, das alle Körner verschiedene Richtungen haben, somit heben sich alle gegenseitig fast auf und es kommt dazu das man in allen Richtungen die gleiche Eigenschaft hat Anisotropie: - Richtungsabhängiges Werkstoffverhalten - d.h. es ist nicht egal in welche Richtung ich den Werkstoff ziehe, es kann sein das er einer Richtung mehr aushält in der anderen Richtung weniger - Einkristalle sind immer Anisotrop, da sie immer in eine Richtung zeigen. Bei Vielkristallen haben alle Körner dieselbe Richtung bzw. nahezu dieselbe Richtung und somit haben wir nicht in allen Richtungen dieselben Eigenschaften

Textur: - Textur ist die bevorzugte Orientierung von Gitterebenen der Körner in einem Vielkristall. Diese entsteht z.b. bei gerichteter Erstarrung oder Kaltwalzen - Wenn alle Körner verschiedene Richtungen haben, dann hat das Gefüge auch keine Textur Elastische und Plastische Verformung: Normalspannung: F ∟ A - z.b. ein Stift an dem oben und unten gezogen wird Schubspannung: F || A -

z.b. ein Radiergummi, den ich auf den Tisch lege und mit der flachen Hand auf den Radiergummi gehe und ihn so über den Tisch ziehe

Wirkung einer Normalspannung: - Bei Aufbringung einer Normalkraft wird das Gitter verformt, es zieht sich in die Länge und die Atome gehen in der horizontalen Richtung weiter auseinander und in der vertikalen näher zusammen wenn die Kräfte horizontal angreifen - Bei Wegnahme der Normalkraft gehen die Atome wieder auf ihre Ausgangsplätze zurück - Die Verformung geht auf null zurück d.h. sie ist reversibel bzw. elastisch - Bei Erhöhung der Kraft auf Fmax erfolgt eine Gittertrennung in einer Ebene senkrecht zur angreifenden Kraft - Normalspannungsbrüche sind in der Regel Sprödbrüche Wirkung einer Schubspannung: - Bei Anlegen einer Kraft wird das Gitter verdreht, es neigt sich um einen Winkel - Bei Wegnahme der Kraft, geht diese Verdrehung wieder auf null zurück, d.h. diese ist elastisch - Bei Überschreitung einer maximalen Kraft Fmax kommt es zu Gittertrennungen und Neuknüpfungen von Bindungen, d.h. von Gleitvorgängen - Bei Wegnahme der Kraft verbleibt eine irreversible Verformung im Gitter, d.h. eine plastische Verformung Einfluss von Versetzungen auf die plastische Verformbarkeit der Metalle: - Ist eine Versetzung im Metall, so wandert diese, wenn eine Kraft anliegt - Existiert eine Versetzung, so kann man das Metall leichter plastisch Verformen, das sogenannte Teppichmodell. Es ist leichter eine Falte im Teppich immer weiter zu schieben als ein riesen großer Teppich im ganzen - Am Ende sind die Versetzungen ganz außen und es entsteht eine Kerbe, somit ist die Oberfläche nach dem Verformen nicht mehr so gut wie davor

Zugversuch: -

Elastizitätsmodul:

-

Zu Beginn eine Hook’sche Gerade Keine ausgeprägte Streckgrenze: o Nach der Hook’schen Gerade einfach einen Bogen o 0,2% Dehngrenze Rp0,2 o Zugfestigkeit Rm ganz oben am Bogen Mit ausgeprägter Streckgrenze: o Nach der Hook’schen Gerade erst ganz kurz nach unten und dann wieder als Bogen nach oben o Obere Streckgrenze ReH am Punkt wo es kurz nach unten geht o Untere Streckgrenze ReL am Punkt wo es wieder als Bogen nach oben geht o Zugfestigkeit Rm am höchsten Punkt des Bogens o Die Bruchdehnung A ist vom Ursprung der Geraden bis zum Bruch ( Man beachte man muss vom Bruch eine Gerade parallel der Hook’schen Gerade ( Rückfederung) auf die x-Achse machen und dann die Bruchdehnung ablesen)

-

Werkstoffkennwerte für die Festigkeit: Zugfestigkeit: Rm Dehngrenze: Rp0,2 Untere/Obere Streckgrenze: ReL, ReH Werkstoffkennwerte für die plastische Verformbarkeit: Bruchdehnung: A Brucheinschnürung: Z Werkstoffkennwerte für die elastische Verformbarkeit: Elastizitätsmodul: E Stähle haben etwa den gleichen Elastizitätsmodul E = 210.000 MPa, aber sehr unterschiedliche Verformungskennwerte. Baustähle und Aluminium haben sehr unterschiedliche Elastizitätsmoduli ( EStahl = 210.000 MPa, EAlu = 70.000 MPa), können aber nahezu gleiche Verformungskennwerte haben. Die Festigkeit wird gesteigert, wenn die Versetzungsbewegung behindert wird!!!

Dimension 0-dimensional Fremdatome

Bezeichnung Mischkristallverfestigung ( Mischkristallverhärtung)

1-dimensional Versetzungen

Kaltversetzung

2-dimensional Korngrenzen

Krongrenzenverfestigung ( Korngrenzenverhärtung)

3-dimensional AusscheidungsAusscheidungen härten

Wirkung Kleinere oder größere Fremdatome stellen Hindernisse für die Versetzungsbewegung dar, die nur durch höhere Kräfte überwunden werden können. z.b. legieren von Metallen ( bei der Bildung von Mischkristallen) Fe + C, Al + Mg, Cu + Ni, Ag + An Durch Kaltverformung, wird die Versetzungsdichte erhöht. Bei weiterer Belastung behindern sich die Versetzungen gegenseitig beim wandern. z.b. Kaltwalzen von Blechen, Recken von Drähten, Randschichtverfestigungsverfahren Korngrenzen stellen für Versetzungen unüberwindbare Hindernisse dar. Je kleiner die Körner, umso kürzer die Versetzungswege, umso höher die Festigkeit z.b. Feinkornbaustähle Ausscheidungen blockieren die Versetzungen. Liegen feinstverteilte, kleine Ausscheidungen vor, werden die Versetzungswege sehr kurz. z.b. wesentliche Maßnahme für einige Aluminiumlegierungen

Schmelzen und Erstarren – Thermische Analyse Erwärmen eines reinen Metalls: -

Thermische Analyse =

-

Geschlossenes System Langsame Wärmezufuhr Werkstoff im Gleichgewicht Geht von fest (kristallin) in flüssig (amorph) Steigt wie eine Gerade, dann eine Gerade parallel zur x-Achse und dann wieder eine Gerade - Während dem Stück das parallel zur x-Achse ist, wird Schmelzwärme hinzugeführt - Schmelzwärme ist die Energie, die zur Auflösung der Gitterbindungen benötigt wird - TS = Schmelztemperatur Abkühlen eines reinen Metalls: -

Thermische Analyse =

-

Genauso wie beim Erwärmen, nur geht der Graph von oben nach unten und nicht von unten nach oben Geht von flüssig (amorph) in fest (kristallin) Während dem Stück das parallel zur x-Achse ist, wird Kristallisationswärme frei Die Kristallisationswärme ist die Energie, die bei der Gitterbildung freigesetzt wird TE = Erstarrungstemperatur TE = TS nur im Gleichgewichtszustand

-

Realer Abkühlprozess: - Gerade geht von oben nach unten und unterschreitet die Erstarrungstemperatur TE und geht dann wieder über die Erstarrungstemperatur bis sie dann nicht mehr drüber geht - Der Beginn der Erstarrung ist wo der Graph das erste mal die Erstarrungstemperatur erreicht und endet wenn er sie das letzte mal erreicht Gusswerkstoffe Gussgefüge: - Korngröße und –form - Erstarrungsfehler/-inhomogenitäten und deren örtliche Verteilung Erstarrungsvorgang: - Atome in Fernordnung → Schmelze, amorph - 1. Stufe: o Keimbildung  Homogene Keime (Eigenkeime)  Keimbildung ohne Fremdkörperoberflächen



 Voraussetzung = ausreichend große Unterkühlung  Spielt kaum eine Rolle in der Praxis Heterogene Keime (Fremdkeime)  Keimbildung an Festkörpern in der Schmelze (Wand, etc.)  Unterkühlung ist geringer

Impfen = absichtliches zusetzten von bestimmten Fremdkörpern (Erzeugung eines feinen Kornes) o Endet mit der Herausbildung wachstumsfähiger Keime 2. Stufe: o Wachstum  Kristallwachstum abhängig vom Abtransport der freigesetzten Wärme o Weiter Atome lagern sich kontinuierlich an die vorhandenen Keime und Kristalle an bis die Schmelze aufgebraucht ist Atome in Nahordnung → Gefüge, kristallin 

-

-

Größere Abkühlgeschwindigkeiten und/oder zugesetzte Fremdkeime (Impfen) erhöhen die Keimzahl und somit ein feineres Gefüge Eigenschaften von feineren Gefügen sind besser als gröbere Korngrößen Ermittlung: - Vergleichsverfahren - Linienschnittverfahren - Flächenauszählverfahren → Korngrößenkennzahl G (1-3 Grobkorn, > 7 Feinkorn)

Kornform: Globulite - Rundliche Körner - Kleine Oberfläche – geringste Bildungsenergie notwendig → angestrebte Kugelform - Wärmefluss in verschiedenen Richtungen fast gleich - Isotope Eigenschaften Stengelkristalle - Längliche Körner - Wärmefluss bevorzugt in eine Richtung (gerichtete Erstarrung) - Ausreichend hohe Abkühlgeschwindigkeiten erforderlich - Anisotrope Eigenschaften Dendrite - Schwache Keimbildung → Schmelze unterkühlt bevor Erstarrung einsetzt - Dendrite wachsen solange bis die unterkühlte Schmelze wieder die Erstarrungstemperatur erreicht hat - Freies Kristallwachstum - Kornform entsteht aufgrund von Symmetrieeigenschaften des Gitters - Anisotrope Eigenschaften Erstarrung beim Werkstück von außen nach innen - Ganz außen ist die feinkristalline Zone (hohe Abkühlgeschwindigkeit) bestehend aus Globulite da der Wärmefluss in verschiedenen Richtungen fast gleich - Zwischen Rand und Mitte ist die Stengelkristalline Zone (gerichtete Erstarrung) bestehend aus Stengelkristalline, da Wärmefluss bevorzugt in eine Richtung - In der Mitte ist die grob kristalline Zone (niedrige Abkühlgeschwindigkeit) Gesamtkristallisation - Kleine Korngröße wird angestrebt o Verbesserte Festigkeit, Zähigkeit und Oberflächengüte o Wird erzielt durch:  Wärmebehandlung  Warmumformen  Zugabe von Legierungselementen - Vermeiden von Grobkörnigkeit, Dendrite etc.  Niedrige Gießtemperatur  Schnelle Abkühlung der Schmelze  Gießen und Erstarren unter Druck  Zugabe von Modifikatoren (Keimbildungszustätze)

Erstarrungsfehler, -inhomogenitäten - Lunker Lunker sind Hohlräume, die durch Schwindung im Verlauf der Abkühlung vom flüssigen zum festen Zustand entstehen Raue, zerklüftete Oberfläche o Außenlunker Sind außen an der Wand (einfallstellen) o Innenlunker Sind größere Lunker im innern des Werkstücks o Mikrolunker Winzige Lunker im innern des Werkstücks o Fadenlunker Lunker der von ganz außen nach innen geht und aussieht wie ein Faden Vermeidung der Lunkerbildung o Niedrige Gießtemperatur o Langsames Gießen o Erwärmen des Blockkopfes (Flüssighalten um Nachfließen zu ermöglichen) - Poren/Gasblasen Gasblasen/Poren sind mit Gasgefüllten Hohlräume, die bei der Erstarrung aus der Schmelze entstehen o Gasaufnahme  Frischen mit Luft/Sauerstoff  Abgießen durch Berührung der vergrößerten Stahloberfläche mit der Umgebungsluft Gaslöslichkeit nimmt mit sinkender Temperatur ab Gasblasen bewirken eine verstärkende Schmelzbewegung → Abhilfe durch beruhigtes Vergießen mit Zusätzen von Mn, Si, Al oder Ti, die den Sauerstoff binden wollen - Seigerungen Seigerungen sind Entmischungen, die beim Abkühlen im Flüssigen Zustand enstehen o Schwerkraftseigerung (makrokopisch) Dichteunterschied zwischen Primärkristallen und Schmelze lässt Kristalle aufsteigen oder absinken o Blockseigerung (makroskopisch) Verunreinigungen vor der Erstarrungsfront hergeschoben, Konzentration der Legierungselemente nimmt von außen nach innen zu o Kristallseigerung (mikroskopisch) Während des Kornwachstums ungenügender Konzentrationsausgleich durch Diffusion. Tritt bei eutektischer Erstarrung nicht auf Nachträglicher Konzentrationsausgleich nur durch Diffusion möglich → hohe Temperatur, lange Glühzeiten

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Fremdstoffeinschlüsse Einschlüsse sind unerwünschte, eingeschlossene Fremdpartikel o Gelangen über Gießform in Schmelze o Entstehen in der Schmelze o Metallisch o Nichtmetallisch Nicht mit dem Gußstück verbunden Verringerung der Festigkeit und Zähigkeit (Risse (sind unzulässig)) (Eigenspannungen (Ursache für Verzug))

Legierungskunde Werkstoffe: Normal keine reinen Elemente, sondern bestehen mindestens aus 2 Elemente Ziel des Legierens → Eigenschaftsverbesserung - Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit - Verbesserung der Festigkeit - Korrosionsbeständigkeit - Verbesserung der Schmiereigenschaften - Verbesserung der Umformbarkeit - Verbesserung der Zerspanbarkeit

Eigenschaften von Legierungen: - Legierungen haben alle Metalltypischen Eigenschaften z.b. Kristallgitter, metallische Bildung, Fehlstellen - Eine Legierung besteht aus einem Grundelement (Element mit größten Massenanteil) und mindestens einem Legierungselement z.b. Eisenbasislegierung, Nickelbasislegierung

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Als Legierungselemente können prinzipiell (theoretisch) alle Elemente des Periodensystems verwendet werden z.b. Metalle; Nichtmetalle C, S Legierungselemente werden bewusst in festgesetzten Anteilen zugegeben Begleitelemente sind Verunreinigungen, die nicht einfach zu entfernen sind und daher nur begrenzt vorkommen in der Schmelze. Sie beeinflussen die Werkstoffeigenschaften negativ

Legierungselemente beeinflussen den kristallinen Aufbau und damit die Eigenschaften des Werkstoffs Kristallarten: - Reine Kristalle (machen nichts miteinander, d.h. es gibt z.b. reine Fe Körner und reine C ...