werkstofftechnik fragenkatalog
TRANSCRIPT
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)