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Gittertypen kp krz kfz hp hdp Polymorphie Bezeichnung kubisch primitiv 1 kubisch zentriert 4 hexagonal primitives Gitter (nano) hexagonal dichteste Packung 6 Vielgestaltigkeit Anzahl Atome je EZ Gleitebenen kubisch raum zentriert 2 6 4 4 Gleitrichtungen 2 3 3 Gleitsysteme 12 12 12 0 0 0 Packungsdich...

Description

Gittertypen kp

krz

kfz

hp

hdp

Polymorphie

Bezeichnung

kubisch primitiv 1

kubisch flächen zentriert 4

hexagonal primitives Gitter 10−9 (nano)

hexagonal dichteste Packung 6

Vielgestaltigkeit

Anzahl Atome je EZ Gleitebenen

kubisch raum zentriert 2 6

4

4

Gleitrichtungen

2

3

3

Gleitsysteme

12

12

12

0.68

0.74

0.74

Packungsdichte

0.52

max. PD

Beispiele

Polonium (Po)

Chrom (Cr) Nickel (Ni) Vanadium (V) Kupfer (Cu) Molybdän (Mo) Aluminium (Al) Wolfram (W) Gold (Au) a-Eisen (a-Fe) Silber (Ag) b-Titan (b-Ti)

Graphit (C)

verschiedene Gitterstrukturen

bei verschiedenen Temperaturbereiche max. PD bei reinen Elementen genannt: allotrophe Modifikation Zink (Zn) Eisen (Fe) Cadmium (Cd) Titan (Ti) Magnesium (Mg) Cobalt (Co) a-Cobalt (a-Co) Zinn (Sn) a-Titan (a-Ti) Phosphor (P) Schwefel (S) Kohlenstoff (C)

Gitterfehler Dim.

Null (0)

Eins(1)

Zwei(2)

Drei(3)

Bez.

Punktdefekte

Liniendefekte

Flächendefekte

Volumendefekte

Bsp.

Leerstellen: Anzahl vergrößert bei steigender Temperatur und plastischer Verformung

Versetzungen: Stufenversetzungen (zusätzlich eingeschobene Gitterebene) Schraubenversetzungen (Vervielfachung durch plastische Verformung)

Korngrenzen: Groß- oder Kleinwinkelkorngrenzen (trennen Kristallite gleicher oder verschiedener Atomarten voneinander, Gitterorientierung schließt große Winkel ein)

= Raumdefekte

Fremdatome: Zwischengitteratome (eingelagert, deutlich kleiner als Wirtsgitter) Substitutionsatome/ Austauschatome (kleiner oder größer)

Eigenschaften: - Richtungssinn - Können sich bewegen (Plastische Verformung = Wandern von Versetzungen) - Ursache für Eigenspannung und Verfestigung

Phasen = Teilchen und Ausscheidungen sind volumenförmig Phasengrenzen: (Entstehen trennen Bereiche mit unterschiedlicher durch Wärmechem. Zusammensetzung oder kristalliner behandlung, z.B. Struktur Ausscheidungshärten, Zwillingsgrenze: vergleiche Kristallite spiegelsymmetrisch angeordnet. Phasengrenzen) Entstehung durch Scherkräfte, wenn Atome aus ihrer Lage verschoben werden Stapelfehler: Schichtfolge innerhalb eines Kugelstapels ist unterschiedlich

Verfestigung Dim.

MischkristallVerfestigung

Bsp.

eingebaute Fremdatome: anderen Teilchendurchmesser als das Wirtsgitter: verspannte Gitterbereiche = hindern Versetzungsbewegungen

TeilchenVerfestigung

KorngrenzenVerfestigung

VerformungsVerfestigung

kleine Ausscheidungen je feinkörniger, bei plastischer Verformung: oder Fremdphasen desto mehr Korngrenzen, Verfestigung des WS (Innerhalb Kristallite): desto fester ist der WS: anderer Gittertyp Korngrenzen = unüberwindbares Ursache: = behindern Hindernis für Versetzungen stetig zunehmende VersetzungsVersetzungsdichte bewegungen = Stau der Versetzungen an den Korngrenzen Oft absichtlich herbeigeführt bei der Kaltverformung um höhere Festigkeiten des Materials nutzen zu können

Gefügebezeichnungen System Eisen-Eisencarbid Ferrit

Austenit

Zementit

Ledeburit

Perlit

Bezeichnung

α-MK

γ-MK

Fe3C (Eisencarbid)

α-Mk + Fe3C

Phase(n)

1

1

1

α-Mk + Fe3C bzw. γ-Mk + Fe3C 2

Farbe

hell

Kohlenstoffanteil Aufbau

max. 0.02%

max 2,06%

krz

kfz

Eigenschaften

Weich, Gut kaltumformbar, Geringe Festigkeit

hell

orthorombisch

Sehr gut umformbar, Verminderte Unmagnetisch, Umformbarkeit, praktische Anwendung erhöhte beim Walzen und Festigkeit, Schmieden, geringe Widerstand härte, schlecht gegen spanbar, Verschleiß, oft Zwillingsspröde, gut korngrenzen, spanbar, bei RT nur in magnetisch Legierungen

2 dunkel

rein Ledeburit: bei genau 4,3% Eutektikum

rein Perlit : bei genau 0,8% Eutektoid, lamellar

schlecht umformbar, Duktilität gering, Verschleißbeständig = Grenze zwischen Stahl und weißem Gusseisen

Phasengemisch aus Zementit und Perlit

Systeme Metastabil

Stabil

Bruchfläche

Eisen - Eisencarbid Fe – Fe3C gebunden als Eisencarbid oder in MK gelöst oder Zementit (Eisencarbid) hell

Eisen – Graphit Fe – C elementar als Graphit oder im MK gelöst oder Temperkohle dunkel

Erstarrungsart

weiß

grau

gefördert durch

Mn, Cr, Mo

begünstigt durch

carbidbildende Elemente

Si, Ti, Al (Silicium trennt möglicherweise vorhandenes Fe3C auf = Bildung von Fe-C) carbidzerlegende Elemente

Siliciumgehalt

niedrig: max. 0,2% rasch (kein Abschrecken, aber schnellere Abkühlung als Stabiles System) Stahl, Hartguss, weißes Roheisen, (Grauguss)

System Kohlenstoff

Abkühlung

Gültig für

hoch: min. 0,2% sehr langsam

graues Roheisen (Grauguss)

Glühen Diffusion Bez.

Ziel

Grobkorn Normal kugelige Carbide Spannungsarm Rekristallisation (Hochglühen) (Normalisieren) (Weichglühen)

sehr hoch im Austenit Bereich

absichtliches Umwandlung Überhitzen der zweimal durchlaufen Stähle im Austenit-bereich Kristallseigerungen Korn vergröbern, feinkörniges, beseitigen, kohlenstoffarme gleichmäßiges nichtmetallische Stähle besser Gefüge herstellen: Einschlüsse spanbar machen Normalzustand auflösen bzw. (grobkristallin) (Gefügezustand nahe verteilen Gleichgewicht im System Fe-Fe3C), Steigerung Zähigkeit, Abbau Eigenspannungen

lamellaren oder Korngrenzenzementit einformen um Spanbarkeit + Umformbarkeit eines kohlenstoffreichen Stahls zu verbessern und möglichst weichen Zustand zu erzielen. Einformung zu kleinen, nicht zusammenhängenden Kugeln (Härte und Festigkeit nehmen deutlich ab)

Abbau Eigenspannungen

nach Kaltumformung

Abbau innerer Spannungen (Eigenspannungen) ohne wesentliche Änderung der vorliegenden Eigenschaften, örtliche mechanische Beanspruchungen erheblich steigern,

verformungsbedingt entstandene Versetzungen abbauen, WS entfestigen, Verformungsvermögen wiederherzustellen, Abbau Gitterdefekte durch Rekristallisation mit Gefügeumbildung und Kornneubildung im festen Zustand

Diffusion

Grobkorn Normal kugelige Carbide Spannungsarm Rekristallisation (Hochglühen) (Normalisieren) (Weichglühen)

Prinzip

hohe Temperaturen begünstigen Diffusion und KonzentrationsAusgleich der Teilchen

hohe a-y Umwandlung Temperaturen zweimal durchlaufen bewirken (Bei Erwärmung und Kornvergröberun Abkühlung), g, grobes Korn zweifaches = bröckeliger Umkörnen mit Span Keimbildung, Kornverfeinerung

lamellarer Zementit Spannungen bis auf und Perlit haben eine den Betrag der sehr große Fließgrenze Oberfläche, hier will abgebaut man einen energiearmen Zustand (d.h. kugelähnliche Form bei feiner Verteilung)

Temp.

oberhalb AC3 (1050-1200)

oberhalb AC3 (950-1100)

30-50K über AC3

um AC1

unterhalb AC1 bzw. unter 650

Dauer

lange halten (50h), langsam abkühlen

Haltezeit 1-2h, zuerst langsam (Ofen) dann schnell (Luft) abkühlen

Haltedauer sehr kurz (Vermeidung Grobkorn), Abkühlung sehr rasch auf RT

Haltedauer zwischen 8-100h, langsames Abkühlen

2h auf Glühtemp. halten, langsames Abkühlen (Ofen)

Kristallerholung: Rückbildung physikalischer Eigenschaften, Umordnung v. Versetzungen und Abbau Leerstellen primäre Rekristallisation: Platzwechsel der Grundgitteratome (Diffusion) = Bildung Keime mit ungestörtem Gitteraufbau, feinkörniges Gefüge wächst unter Aufzehrung zw. 300 und 600, Rekristallisationstemperatur Stahl: 500-600 Halten auf Rekristallisationstemperatur, langsam abkühlen

Diffusion

Grobkorn Normal kugelige Carbide Spannungsarm Rekristallisation (Hochglühen) (Normalisieren) (Weichglühen)

Negativ

Teuer, energieintensiv, hoher Ofenverschleiß, Grobkornbildung, evtl. Normalglühen erforderlich, Gefahr der Entkohlung

grobes Korn mindert die Festigkeit, anschließend Normalglühen erforderlich

Festigkeit sinkt generell, ferritische und austenitische Stähle lassen sich nicht normalisieren (Korngröße nur durch erneute Verformung beeinflussbar)

aufwändige Anlagensteuerung, sehr lange Prozessdauer, bei Carmen Stählen keine Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften

Anw.

homogenes Gefüge für eine nachfolgende Wärmebehandlun g schaffen (beim Härten von Stahlguss), Rotbrüchigkeit vermindern, Carbidverteilung beeinflussen

Stähle mit niedrigem Kohlenstoff Gehalt besser spanbar zu machen

Stahlguss feiner und zäher machen, nach fehlerhafter Wärmebehandlung bei Teilen aus Walzstahl, zur Kornrückfeinugn nach dem Glühen bei hohen Temp., vor Wärme-behandlung für gleichmäßiges Ausgangsgefüge

Stähle (mit hohem C) oder Leg. Elementen besser spanbar machen, Werkzeugverschleiß geringer, WS danach besser spanlos formbar, vor Härtung wichtig

völlig eigenspannungsfrei er Zustand ist nicht möglich, Bei Kaltverformten Bauteilen: Gefahr der Rekristallisierung und Entfestigung und Grobkornbildung Spannungen abbauen (die durch andere Wärmebehandlung entstanden sind), Verringerung der Spannungen in Schweißkonstruktio nen, Zwischenbehandlun g von Werkzeugen

zu langes Glühen = Grobkorn, geringer Umformgrad (515%) = Grobkorn,

zwischen einzelnen Stufen der Kaltumformung, Teile werden damit wieder gut kaltumformbar

Härten Bez.

Ziel

Vergüten

Bainitisieren

Randschichthärten

Einsatzhärten

Nitrieren

Härten

Kombination aus Härten und Anlassen

Zwischenstufenvergüten

Oberflächenhärtung: Flammenhärten (Brennerflamme), Induktionshärten (elektroinduktives Erwärmen), Laserstrahlhärten, Elektronenstrahlhärten

Voraussetzung: Löslichkeit (MK Bildung), Diffusionsmöglichkeit

Änderung der chemischen Zsm.setzung: Stickstoff angereicherte Randzone: Nitridbildung

1. Austenitisieren 2. Abkühlen mit hoher Geschwindigkeit 3. Anlassen bei geeigneten Temperaturen (stets erforderlich)

Änderung der chemischen Zsmsetzung (Randbereich mit C angereichert) hohe Festigkeit bei Austenit in Bainit WS aus Stahl nur Härtung der gleichzeitig umwandeln, hohe partiell gehärtet Randschicht mit verbesserter Festigkeit und gute werden (nur in der zähem Kern, Zähigkeit Zähigkeit Randschicht erhöhter VerschleißMartensitisches wiederstand an der Gefüge), Oberfläche, hoher Erhöhung Verschleißwiderstand Dauerschwingan der Oberfläche, festigkeit zäher Kern, günstiges Verhalten bei Dauerschwingbelastung

verzugsarme hohe Härte durch Härtesteigerung der vollständige Radschicht, überPhasenumwandlun durchschnittlich hohe g durch Härte und guter Martensitbildung Verschleißwiederstand, anlassbeständiges Gefüge

Prinzip

Temp.

Vergüten

Bainitisieren

Randschichthärten

Einsatzhärten

Nitrieren

Härten

für Vergütungsstähle mit über 0,25% C Gehalt, durch das Anlassen gibt der Martensit den Kohlenstoff komplett ab

beginnt mit Austenitisieren, auf Temp. Der Bainitstufe abgeschreckt und gehalten, danach langsam abgekühlt

Oberfläche rasch ins Austenitgebiet erwärmt, danach sofortige Abkühlung mit Abschreckbrausen garantiert Martensitbildung, Kern dadurch nicht austenitisiert

Kombination thermochemisch und thermisch: Einsetzung (Aufkohlen, Zementieren) = Glühung in C angereicherten Umgebung, Diffusionsvorgänge des C in der Randzone des Werkstücks

Stickstoff bewirkt durch Nitritbildung eine harte und verschleißfeste Randschicht. Diffusionsvorgänge ähnlich der Kohlenstoffdiffusion

Anlassen: Erwärmen nach vorausgegangene m Härten, Halten dieser Temp, langsames Abkühlen:

hohe Temp: knapp unter AC1

Bainitstufe

Austenit Temperatur

Pulveraufkohlung: Holzkohle, Koks, Aktivierungsmittel Salzbadaufkohlung: Salzschmelze, Bildung diffusionsfähiger CVerbindungen Gasaufkohlung: Generatorgas P: 880-950 S: 880-930 G: bis 1050

Carbonitrieren: gleichzeitig C und N Anreicherung bei Temp oberhalb von AC3, danach härten und anlassen

Ziel: Sprödigkeit des Martensit abbauen

Nitrocarburieren: C und N Anreicherung in der Randzne bei Temp 500-590

500-550

zwischen RT und AC1

Vergüten Dauer

Bainitisieren

Randschichthärten

langsame Abkühlung

schnelles Abschrecken

Negativ

Gefahr der Härterissbildung (nicht ausheilbar)

kontinuierliche Abkühlung führt zu begrenzter Bainitbildung, dickwandige Bauteile im Kern nicht bainitisiert werden (weil Umwandlungstemp. nicht schnell genug erreicht wird)

Anw.

Vergütungsstähle mech. höher belastbar, günstige Zähigkeitseigenschaften, bei gleicher Belastung = Verringerung der Bauteilabmessung

Vergütungsstähle mech. höher belastbar, günstige Zähigkeitseigenschaften, bei gleicher Belastung = Verringerung der Bauteilabmessung

Einsatzhärten

P: lange Glühzeiten S: teuer, Abdeckung schwierig, toxisch, umweltschädlich (Positiv: keine langen Vorwärmzeiten, gleichmäßige Aufkohlung, saubere Oberfläche, geringer Verzug) G: wenn C-Gehalt über 0,9%: Gefahr der Sprödigkeit und Rissempfindlichkeit

Nitrieren

Härten

kann bis zu 100h

Anlassen: Halten, langsames Abkühlen

lange Glühzeiten bei hohen Temp: grobes Korn, grobe Nitridnadeln (=schlechte mechanische Eigenschaften), hoher Kostenaufwand, Härteschichtdicke nicht beeinflussbar, Härtetiefe maximal 1mm Maschinen, Fahrzeug und Gerätebau mit: Hoher Verschleißwiederstand, Härte bei hohen Temp., geringe Form und Maßabweichung während Wärmebehandlung

Eisengusswerkstoffe Lamellengraphit (GJL)

Kugelgraphit (GJS)

Vermikulargraphit (GJV)

normale Erstarrungsform des Bildung nur bei Zugabe von MG stabil erstarrtes Gusseisen Graphits im stabilen Fe-C System beim Vergießen, untereutektisch Zusammengesetzte Fe-C-Si Gusseisenlegierung Wachstum von in der Ebene der dichtesten in der Ebene der dichtesten in der Ebene der dichtesten Graphit Packung Packung verhindert Packung verhindert (ähnlich GJS) Ausbildung ebene Schichtstrukturen globulare, kugelige, wurmartig ausgebildet, (blattförmig) = erscheinen im sphärolitische Graphitform Graphit liegt getrennt in Schliff lamellenförmig und spitz einzelnen Partikeln vor stark, innen, durch Lamellen abgemildert, durch Kugelgraphit deutlich geringer im Vergleich Kerbwirkung zu Lamellengraphit WS spröde zäh Anwendung: Deckel, Gehäuse, Zylinderköpfe Eigenschaft Positiv gut gießbar, gut spanbar, hohe Reinheit, gut besser gießbar (als GJS), gute wärmeleitend, sehr hohe gießbar/spanbar , niedrige thermische Eigenschaften, Druckfestigkeit, Schmelz und Gießtemperatur, geringe Kerbwirkung, zäher schwingungsdämpfend, gute Zähigkeit, hohe Zugund fester (als GJV) festigkeit, korrosionsbeständig korrosionsbeständig Negativ schlecht schweißbar, geringe teure Herstellung, schlechteres teure Herstellung (Bsp: Zugfestigkeit, geringe Zähigkeit Formfüllungsvermögen Bremsscheiben) System

Eisengusswerkstoffe Stahlguss

Temperguss

Hartguss

System

metastabil nach Fe-Fe3C

metastabil nach Fe-Fe3C

metastabil nach Fe-Fe3C

Info

unmittelbar in Formen vergossener Stahl (weniger als 2% C)

anschließende Wärmebehandlung = Tempern

Carbide im ledeburitischen Gefüge,

Vorgang

primärer Ledeburit wird in Temperkohle und ein ferritisches, ferritisch-perlitischs oder perlitisches Grundgefüge umgewandelt höhere Steifigkeit gegenüber weiße Farbe (ledeburitisch), Grauguss rasche Abkühlung, graphitfrei, niedriger C / Si Gehalt höhere Lquidustemperatur, sehr dünnwandige und kompliziert gut gießbar geformte Gussteile herstellbar Schwindung in Erstarrung und sprödes Tempergefüge Abkühlung, Neigung zur Lunkerbildung, eingeschränkt vergießbar Baggerschaufeln, Kleinteile Pumpengehäuse, Großzahnräder, Schaufelräder

WS Eigenschaft Positiv Negativ

Anwendung

Vollhartguss (auch im Kern Ledeburit) Schalenhartguss (im Kern graphitische Gefügebestandteile) hohe Härte und Verschleißbeständigkeit Vollhartguss: Rand und Kern weiß (Ledeburit) sehr spröde, Schaltenhartguss: Im Kern Graphit (durch niedrigere Abkühlgeschwindigkeit) Mahlwerkzeug, Mühlengehäuse, Walzen, Papierherstellung

Baustähle Unlegierte BS

Schweißgeeignete Feinkorn - BS vollberuhigte mikrolegierte BS

Herstellung

Qualitätsstähle für konstruktive Aufgaben warmgewalzt

Gefüge

ferritisch - perlitisch

Pro

gut spanbar, gut schweißbar (Ausnahme: erhöhter P und S Gehalt), eigentlich zäher WS Überhitzung und ungünstige Abkühlgeschwindigkeiten = Grobkornbildung und nadeliger Ferrit-Perlit (Verschlechterung Zähigkeit)

Info

Con

Anwendung

geringe Legierungselemente (C,S,P), Kornfeinung, Teilchenverfestigung

hohe Festigkeit, verbesserte Zähigkeit, uneingeschränkt schweißgeeignet, spanende Bearbeitung

Vergütete BS

Wetterfeste BS

vollständig beruhigte Stähle, Legierung-selemente in geringen Mengen Nach dem Warmwalzen direkt dichte Oxidationsschicht auf Abgeschreckt ( = feines der Oberfläche martensitische Gefüge), danach (=Rostschicht), Legieren mit anlassen P, CU, Cr ( =Schutz GrundWS) Vergütungsgefüge erhebliche Festigkeitssteigerung, Reduktion Eigengewicht und Erhöhung der Nutzlast

verbessertes Korrosionsverhalten

möglicherweise Risse in der Wärmeeinflusszone, spanende Bearbeitung führt zu hohem Werkzeugverschleiß,

nur bedingt schweißbar (daher vermehrt geschraubt oder genietet) W: Photsphorfrei WP: Photphorlegiert

Brückenbau, Fahrzeugrahmen, Behälterbau, Türme von Windkraftanlagen

Mobilkranbau, Gittermasten, Schwerlasttransporter

Masten Hochspannungsleitungen, Fassadenelemente Hochbau

Eisenknetwerkstoffe Vergütungsstahl

Einsatzstahl

Nitrierstahl

Edelstähle 0,1% - 0,28% C legiert oder unlegiert

0,33% - 0,6% C

Info

untereutektoid 0,22% - 0,6% C legiert oder unlegiert

Vorgang

Vergüten

Kohlenstoff

WS Eigenschaft

Anwendung

Einsatzgehärtet oder Carbonitriert (ca. 0,9%) hohe Festigkeit, gute Zähigkeit, hohe Dauerfestigkeit, große hohe Dauerfestigkeit, für Härte und schwingende Beanspruchung, Verschleißbeständigkeit (an der Randschichthärtung = Oberfläche), Verschleißbeständigkeit kubischer Martensit im Kern (weil beim Aufkohlen die Zsmsetzung im Kern unverän...