Werkstofftechnologie I

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1 Werkstfftechnlgie I 1. Werkstffgruppen: - Metalle Wichtigste Vertreter: Stähle, Aluminium, Magnesium, Titan, Kupfer- und Nickellegierungen Im Allgemeinen Gute Festigkeit, bei hher Verfrmbarkeit Duktilität Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit Meist chemisch unbeständig + hhe Dichte ( ) Gut wiederverwertbar Teilweise Bikmpatibel (Titan) Prduktin: Stähle: 1Mrd. Tnnen wichtigster Werkstff des Maschinenbaus (billig) Aluminium: ca. mehre 10 Millinen Tnnen Titan: wenige hunderttausend Tnnen Teilweise unbrauchbar: z.b. Hg (flüssig), Be (txisch), Gld &Platin (teuer) - Plymere Wichtige Vertreter: Plyethylen (PE), Plymethylmetacrylat (PMMA, Plexiglas), Plyprpylen(PPP), Plyamid (PA), Gummi Synthetisch hergestellte Materialien Bestehen aus langkettigen Makrmlekülen (meistens nur C-Atme, Ausnahme Ether und Ester)und Seitengruppen Geringe Dichte Leicht Elektrisch und thermisch islierend Chemisch beständig Gut frmbar Jedch geringe Festigkeit nachgeben vn Bauteilen Geringe thermische Beständigkeit Zersetzen - Verbundwerkstffe Verbindung vn mehren der ben genannten Werkstffe Glasfaser-/Khlefaserverstärkte Plymere: hhe Steifigkeit bei geringem Gewicht Hartmetalle Stahlbetn - Auswahlkriterien für Werkstffe Preis: Ca. Aufsteigend srtiert: Betn, Stahl, Aluminium, Hlz, viele Plymere, Magnesium, wichtige Keramiken, Nickel, Titan, Glasfaser, Khlefaser, Silber, Palladium,Gld Wird bestimmt durch Verfügbarkeit, Abbauksten, Energieksten und Verarbeitungsksten Ashby-Diagramme stellen viele Werkstffe in Bezug auf zwei Größen gegenüber (z.b. Elektrischer Widerstand/Preis) 1

2 Werkstfftechnlgie I 2. Aufbau der Werkstffe - Kristalline Struktur: regelmäßige räumliche Anrdnung als Kristallgitter (Raumgitter) - Kleinste Einheit ist Elementarzelle Hexagnal dichtest gepackt: Stapelflge: ABABA Grundfläche ist ein Hexagn (Sechseck) Zahl der atme je Elementarzelle: 6 (2) Krdinatinszahl: 12 Beispiele: Magnesium, Titan Kubisch dichtest gepackt / kubisch flächenzentriert Stapelflge ABCABCABC Einheitszelle hat Würfelfrm; 4 Atme Krdinatinszahl: 12 Flächennrmale der dichtesten Packung ist die Raumdiagnale der Einheitszelle Beispiele: Aluminium, Kupfer, Nickel, Eisen berhalb vn 911 C Kubisch raumzentriert Einheitszelle hat Würfelfrm Jede Elementarzelle 2 Atme Krdinatinszahl: 8 (Anzahl der Atme im gleichen Abstand) Neben Eckatmen nch ein Atm in der Mitte Raumerfüllung vn 68% Beispiele: Eisen bei Raumtemperatur, Chrm Der Kristallaufbau beruht darauf, dass eine Einheitszelle an die nächste gebaut wird, als ein Atm immer zu mehreren Einheitszellen gehört Bildung durch Erstarrung einer Schmelze (ungerdnet) Materialen können aus nur einem Kristall bestehen: Schneeflcken, Edelsteine, Siliziumwaver (Seltenheiten) (anistrp) Meistens plykristalline Materialien Entstehung durch viele Kristallisatinskeime In der Schmelze Unabhängiges Wachstum bis die Einzelnen Kristalle aneinander stßen Bildung vn Körnern/Kristallite Die Stellen des Zusammenstßes werden Krngrenzen genannt. Fernrdnung innerhalb eines Krn, jedch nicht über das ganze Material Änderung der Ordnung an den Krngrenzen Typische Größen Krngrenze: 1nm Krndurchmesser: 0,01-0,1mm Krngrenzen sind Angriffspunkte (z.b. für Säuren), da hier die Atmrdnung gestört ist. Krngrenzen können durch anätzen sichtbar gemacht werden, da dann drt das Licht gestreut wird, sdass diese schwarz erscheinen. Mikrskpisches Gefüge kann sichtbar gemacht werden Gefüge: Gesamtheit der Kristallanrdnung 2

3 Werkstfftechnlgie I WTI Quasi-Istrpie: regellse Verteilung der Orientierung; gleiche Eigenschaft in alle Richtungen Istrpie: Richtungsunabhängig Werkstffeigenschaft durch regellse Anrdnung der Kristallite Anistrpie: Richtungsabhängigkeit der Werkstffeigenschaft durch gerichtete Kristallite Primärgefüge: Direkt aus der Schmelze erstarrtes Gefüge; Kristallwachstum in Richtung des größten Temperaturgradienten Sekundärgefüge: nach alltrper Umwandlung entstandenes Gefüge Alltrpe Umwandlung: Änderung der Kristallstruktur im festen Zustand (Alpha- Eisen und Gamma Eisen bei 723 C) 3. Eigenschaften der Werkstffe - Härteprüfverfahren (statisch) (STEFAN) Widerstand gegen Eindringen eines Prüfkörpers in den zu prüfenden Werkstff Unterschiedliche Prüfkörper und Belastungen führen zu unterschiedlichen Prüfverfahren Schnelle Testverfahren Eingangsprüfung bei istrphen Materialien Rückschluss auf die Festigkeit. Brinell Prüfkörper: plierte Hartmetallkugel (Härtebezeichnung HBW (Wlframkugel)) der Stahlkugel (HBS) Härte wird ermittelt aus Kraft und zugehöriger Eindruckfläche Anpassung vn der Kraft sdass gilt: 0,24*Kugeldurchmesser < Eindruckdurchmesser < 0,6* Kugeldurchmesser Berechnung der Brinellhärte nach flgender Frmel: Angabe der Werte: Bsp.: 257 HB 2.5 / 187,5 / Härtewert HB Kennzeichnung für Brinellhärte 2,5 Kugeldurchmesser 187,5 Prüfkraft in Kilpnd Umrechnung F= 187,5xg=1840 N 20 Belastungszeit in Sekunden Abstand der Kugeln bei mehreren Prüfungen: mindestens 2D (Kugeldurchmesser) Näherungsweise gilt für Stahl: Vickers Prüfkörper: regelmäßige, vierseitige Pyramide aus Diamant mit Öffnungswinkel vn 136 Bestimmung der Vickershärte durch 3

4 Werkstfftechnlgie I Abhängigkeit der Prüfkraft je nach Härte des Stffes ( Prüfkraftbereiche) Bis 300 HV stimmen HV und HBW überein danach HBW kleiner als HV Rckwell Prüfkörper: Gehärtete und plierte Stahlkugel (Rckwellhärte B) ODER Diamantkegel (Rckwellhärte C) Aufbringen eine Vrkraft vn 10 Kilpnd =98,1N Zusätzliches Belasten durch eine Kraft vn 1373N Messen der Differenz zwischen erstem Eindringen und Eindringen nach Entlasten den Zusatzkraft Berechnung erflgt nach: UCI Prüfkörper: Stahlstift mit Diamantspitze Ultraschallanregung mit Eigenfrequenz Frequenz wird je nach Härte des Prüfkörpers unterschiedlich verstimmt Messung und Abgleich mit Vergleichshärteplatten Umwandlung in Farbdiagramme möglich Dynamische Prüfverfahren: Pldi-Hammer: Stahlkugel schlägt auf das zu prüfende Bauteil und eine Vergleichsplatte Vergleich der Eindruckdurchmesser einfacher und schneller Härtetest (jedch nicht s exakt) Rücksprunghärteprüfung nach Shre: Bestimmung der Rücksprunghöhe einer aus der Höhe fallenden Stahlkugel Rückschluss auf die Härte Vergleichsprüfverfahren Ritzverfahren (Mhs, Martens) Härtere Stffe ritzen weichere Stffe Reihenflge verschiedener Elemente Schleifverfahren (Rsiwal), ähnlich Ritzverfahren - Zerstörende Prüfungsverfahren Zugversuch Der Zugversuch dient dazu, Materialkennwerte zu ermitteln, z.b. den E-Mdul (DIN EN ) Die Prbe wird in die Prüfmaschine eingespannt und dann mit einer knstanten Geschwindigkeit auseinander gezgen. Dabei tritt eine einachsige, mmentenfreie Belastung auf Dabei: Messung der Kraft (Kraftdse) und der Verlängerung (Wegaufnehmer) 4

5 Werkstfftechnlgie I WTI Durch bekannten Anfangsquerschnitt und bekannte Ausgangslänge (L0) kann ein Diagramm erstellt werden, indem die Spannung über der Dehnung aufgetragen wird. ( technische Spannung/Dehnung) - Die auf den Ausgangsquerschnitt bezgene Prüfkraft wird als Nennspannung - Die auf die Gesamtlänge bezgene Längenänderung wird als Dehnung in % bezeichnet - Das rechte Diagramm entspricht einem für Stahl. Im ersten linearen Teil entspricht die Steigung der Geraden nach dem Hkschen Gesetz dem Elastizitätsmdul E Im Bereich der Hkschen Geraden liegt elastisches Verhalten vr, dass heißt bei Entlastung federt der Stab auf seine Ausganslänge zurück - Drt w zum ersten Mal eine plastische Dehnung aufritt, als der Stab nicht mehr auf die Ausgangslänge zurückfedert, liegt die Streckgrenze vr (unstetiger Übergang vn elastischen in plastischen Bereich) Bei einem stetigen Übergang vm elastischen in den plastischen Bereich liegt eine Dehngrenze vr. Bei kfz-metallen liegt ein stetiger Übergang vn rein elastischer zu plastischer Verfrmung vr hne ausgeprägte Streckgrenze. Hier wird eine Ersatzstreckgrenze definiert, bei der eine bleibende Verfrmung im Vergleich zur Ausgangslänge vn 0,2% vrliegt: - Bei Stählen mit nicht zu hhem C-Gehalt tritt eine ausgeprägte Streckgrenze auf, gekennzeichnet durch nachflgenden gezackten Kurvenverlauf (Lüdersbereich). Bei deutlichen Schwankungen bere Streckgrenze und untere Streckgrenze - Nach dem Lüdersbereich (der Überschreiten der Dehngrenze) muss zur weiteren Verfrmung die Spannung weiter ansteigen. Da der Widerstand gegen weitere plastische Verfrmung zunimmt, spricht man vn Kaltverfestigung - In diesem Bereich der ansteigenden Kurve kmmt es innerhalb der Versuchsprbe zu einer gleichmä0g bleibenden Querschnittsverminderung, die bis zum Eintreten der Maximalkraft als Gleichmaßdehnung bezeichnet wird und berechnet wird durch: - Wird dann die maximalkraft erreicht, s spricht man vn der zugehörigen Zugfestigkeit. Sie gibt den Werkstffwiderstand gegen Brucheinschnürung wieder. Nach Erreichen dieser Kraft tritt eine ungleichmäßige Querschnittsverringerung auf, dies nennt man Einschnürung 5

6 Werkstfftechnlgie I Die insgesamt bis zum Bruch auftretende Dehunung wird als Bruchdehnung A bezeichnet:. Diese tritt beim Erreichen der Bruchsteifigkeit auf Die nach dem Bruch bleibende ausmessbare Querschnittsabnahme bezgen auf den Ausgangsquerschnitt wird als Brucheinschnürung Z bezeichnet: - Im Diagramm kann man immer die plastische Dehnung bestimmen, indem man eine Parallele zur Hkschen Geraden zieht und die zugehörige Dehnung abliest. - Die Fläche unterhalb der Kurve im Spannungs-Dehnungs-Diagramm lässt Rückschlüsse auf die Belastbarkeit zu. Es fällt auf, dass je härter der Stahl wird, dest geringer die Energieaufnahme. Gehärtet ist der Stahl als nicht verfrmungsfähig (plastisch) als spröde. - Zusammenfassend lassen sich aus dem Zugversuch als flgende Werkstffkennwerte ermitteln: Obere Streckgrenze Untere Streckgrenze 0,2%-Dehngrenze: Zugfestigkeit Bruchdehnung Brucheinschnürung Streckgrenzverhältnis Dabei sind Festigkeitskennwerte für die statische Belastbarkeit Verfrmungskennwerte für die Duktilität (elastizität) - Bei der Belastung einer Prbe tritt auch im elastischen Bereich eine Querschnittsabnahme auf, neben der Verlängerung. Die Querschnittsabhnahme wird mit der Pissn schen Querkntraktinszahl beschrieben. Für Stahl beträgt diese 0,3. - Beim Zugversuch wird auch eine Verfestigung bebachtet, wie bereits ben erwähnt. Wird ein Metall über die Streckgrenze belastet, s ist eine größere Kraft ntwendig, um weitere plastische Verfrmung hervrzurufen. Dies ist deshalb der fall weil beim Belasten über hinaus wird der elastische Teil beim Entlasten rückgängig gemacht, aber durch die Parallele zur Hkschen Gerade bleibt eine Verlängerung der Prbe. Nun ist die ausgeprägte 6

7 Werkstfftechnlgie I Streckgrenze (mit Lüdersbereich) nicht mehr vrhanden und die neue erhöht. - Die beim Zugversuch aufgebracht Nrmalkraft hat neben den auftretenden Nrmalspannungen auf Schubspannungen zur Flge. Nach dem Schimdschen Schubspannungsgesetz gilt dabei Grenze wurde. Die maximale Schubspannung tritt bei einem Winkel vn 45 zur Beanspruchungsrichtung auf. - Je nach dem b es sich um einen spröden der duktilen Werkstff handelt treten verschiedene Brüche auf: Druckversuch - Nicht s wichtig; Quasi-statisches Prüfverfahren - Hauptsächlich anwendbar für druckbeanspruchte Werkstffe wie Grauguß, Lagermetalle, Betn - Anstelle der Streckgrenye wird eine Druckfließgrenze (auch Quetschgrenze genannt) ermittelt - Das Prblem ist, dass im Bereich der Druckplatten durch Reibung eine Dehnung verhindert wird und nur in den äußeren Bereichen Verfrmung auftritt. Abhilfe: Kegelstauchversuch nach Siegel und Pmp (Druckkörper sind Kegel) Kerbschlagbiegeversuch - Der Biegeversuch dient dazu, die Verfrmbarkeit vn Werkstffen (Biegewinkel, Biegedehnung) und bei Schweißbindungen die Bindungsgüte zu bestimmen - Wie zuvr beschrieben treten bei Werkstffen verschiedene Brucharten auf Trenn der Sprödbruch: plötzlicher, hne Verfrmung auftretender Bruch; ebene senkrecht zur Beanspruchungsrichtung vrzufindende Bruchrichtung, körnig glitzernd Verfrmungs der Gleitbruch: Versagen durch vrheringe plastische Verfrmung zu sehen (Einschnürung), Bruchfläche 45 zur Beanspruchungsrichtung; matt / wabenförmig - Prbleme die allgemein bei der Bestimmung der Werkstffverhaltens auftreten sind 7

8 Werkstfftechnlgie I WTI Das Verhalten ist abhängig vn der Beanspruchungsrichtung (Zugversuch: einachsig; Kerbschlagbiegeversuch: mehrachsig) Bei schlagartiger Beanspruchung verhalten sich Werkstffe allgemein spröder als bei langsamer Bei tiefen Temperaturen sich krz-werkstffe spröder als bei hhen Temperaturen Keine Zähigkeitskennwerte auf Zugversuch bestimmbar - Der Sinn des Biegeversuchs besteht als zusäztlich darin: Verhalten bei schlagartiger Beanspruchung Zähigkeitskennwerte unter versprödenden Bedingungen (mehrachsiger Spannungszustand, hhe Beanspruchungsgeschwindigkeit, tiefe Temperatur) - Der Versuchablauf ist flgendermaßen gestaltet: Eine in der Mitte gekerbte prbe wird auf zwei Auflager gegen zwei Widerlager gelegt. Die Finnenschneide trifft auf der nicht gekerbten Seite auf die Prbe. Ein angebrachter Kraftmesser am Prbeschlagwerk lässt auf die Kerbschlagarbeit schließen. - Als Prbe dienen verschiedene Frmen (DVM mit rechteckiger, halbrunden Kerbe; DVMF mit runder Kerbe; Charpy-V-Prbe mit 45 -Kerbe; DVMK-Prbe mit rechteckiger Kerbe) - Die Kerbschlagarbeit kann berechnet werden durch: Die Kerbschlagzähigkeit wird dann bestimmt durch: Mit G= Gewichtskraft des Pedels; = Höhendifferenz des Pendels vr und nach dem Schlag; = gleichmä0ger Prbenquerschnitt - Die Angabe der Kerbschlagarbeit ist in der neuen Frm KV der KU. Es fällt auf, dass bei tiefen Temperaturen bei krz-werkstffen spröder Brüche auftreten (Tieflage) und smit geringe Kerbschlagarbeiten Bei höheren Temperaturen treten duktile Brucharten auf, da hhe Kerbschlagarbeit verbracht wird (Hchlage) Bei kfz-werkstffen hat die Temperatur keinen Einfluss auf das Bruchverhalten - Nun gibt es bestimmte Übergangstemperaturen, bei der eher ein Sprödbruch der ein Verfrmungsbruch auftritt: 28J-Kriterium (drt, w die Kerbschlagarbeit genau 28J beträgt; 50%-Kriterium (drt w die Hälfte des Hchlagenwertes vrliegt); Bruchflächenaussehen) - Werkstffeinflüsse, die bebachtet wurden: 8

9 Werkstfftechnlgie I WTI Grbkrn begünstigt Trennbruch (beim Schweißen z.b.) Anlassversprödung begünstigt Trennbruch Alterung begünstigt Trennbruch Dauerschwingversuch - Die Bebachtung zeigt, dass ein schwingend beanspruchtes Bauteil trtz niedrigerer Beanspruchung schneller Bricht als ein statisch beanspruchtes Bauteil bei höherer Beanspruchung - Das Versagen ist als abhängig vn der Beanspruchungshöhe (Spannungsamplitude) und der Zahl der Wiederhlungen - Im Dauerschwingversuch werden typische Belastungen schwingend beanspruchter Bauteile simuliert. Am einfachsten zu erzeugen mit peridischen Belastungen mit sinusförmigen Spannungs-Zeit-Verläufen Beim Aufbringen dieser s schwingenden Spannungen pendeln sich die Spannungsamplituden zwischen zwei Grenzwerten um eine zeitlich knstante Mittelspannung ein Die Spannungsamplitude ist, wbei der bere Spannungsgrenzwert (Oberspannung) und (Unterspannung) ist der untere Spannungsgrenzwert - Bei dem Versuch werden verschiedene Spannungen aufgebracht, sdass sich ergibt: - Aus dem s genannten Spannungsverhältnis kann abgelesen werden, b eine Prbe eher auf Zug, Druck der Wechsel beansprucht wurde. Bei R=0 wurde die Prbe nur auf Zug wechselnd beansprucht. Bei R=-1 wurde die Prbe swhl auf Zug als auch auf Druck beansprucht. Bei wurde die Prbe nur auf Druck beansprucht - Bei dem Dauerschweingversuch können peridisch wiederhlte Biege- der Umalufspannungen swie Zug und Druckbeanspruchungen swie Trsinsbeanspruchungen aufgebracht werden 9

10 Werkstfftechnlgie I WTI - Um nun das Dauerschwingverhalten und werkstffspezifische Kennwerte zu ermitteln werden Wöhlerschaubilder erzeugt. Gegenüber der Spannungsamplitude werden verschiedene Prbenergebnisse eingetragen im Bezug auf die ertragene Lastspielzahl. Mit geeigneten mathematischen Methden lassen sich Wöhlerlinien eintragen, die - Ispssibilitäten darstellen. Bei der Aufnahme hat sich gezeigt, dass Brüche ab einer Lastspielzahl vn ertragenen Lastspielen s gut wie gar nicht mehr auftreten, weshalb man dann aufhört. Hier ist die Wöhlerlinie hrizntal und man spricht vn Wechselfestigkeit der auch Dauerfestigkeit. Bei kfz-metallen treten Wöhlerlinien hne hrizntalen Ast auf da auch hier nch Brüche bebachtet werden. - Einflüsse auf die Dauerschwingfestigkeit nehmen: Umgebungsbedingungen Prüftemperatur, umgebendes Medium Werkstff und Werkstffzustand Alle Einflussfaktren, die auch die Streckgrenze erhöhen der die Zugfestigkeit erhöhen erhöhen auch die Dauerschweingfestigkeit Oberflächenzustand Bei schwingend beanspruchtesn bauteilen sind kerben möglichst zu vermeiden, da sie die Schwingfestigkeit herabsetzen (siehe später) Belastungsart Mittelspannung, Prüffrequenz, Belastungsdauer der Maximalspannung, Ruhepausen Der Einfluss vn Mittelspannungen ist besnders relevant. Deshalb werden die Ergebnisse aus den Wöhlerversuchen in s genannten Dauerfestigketisschaubildern (Haigh / Smith) dargestellt. Diese verdeutlichen den Mittelspannungseinfluss auf die dauerfest ertragene Spannungsamplitude. Zugmittelspannungen verringern ; Druckmittelspannungen erhöhen. Da die Ermittlung jedch sehr aufwendig ist, lassen sich die Dauerfestigkeitsschaubilder knstruieren, wenn man die Kennwerte bekannt sind. Nach Gdman gilt dann: 10

11 Haigh / Smith-Diagramm Werkstfftechnlgie I Am Besten veranschaulicht man sich die Knstruktin beispielhaft: Smith-Diagramm 11

12 Werkstfftechnlgie I KONSTRUKTION EINES HAIGH-DIAGRAMMS: Einfluss vn Kerben - Auch Kerben nehmen Einfluss auf das Dauerschwingverhalten (siehe ben). Knstruktive Kerben sind die häufigste Ursache bei schwingungsbeanspruchten Bauteilen für Versagen. - Arten vn Kerben sind Makrskpische Kerben: Bhrungen, Nuten etc Mikrskpische Kerben: Bearbeitungsriefen, Schweißspritzer, Schweißkrater, Walz und Schmiedehaut Strukturelle Kerben: Steifigkeits- und Härtesprünge durch viele Stffmischungen Gestaltsfestigkeit: durch die Nennspannung gekennzeichnete dauerfestigkeit eines Bauteils mit allen Knstruktinsmerkmalen und Werkstffeigenschaften - Der Spannungszustand in Kerben wird beschrieben durch: Nennspannung. mit ist die Querschnittsfläche des Kerbgrunds Bei Rundstab im Stabinneren: dreiachsiger Spannungszustand; im Kerbgrund: zweiachsiger Spannungszustand Frmzahl (gibt an, wie stark die Spannungsüberhöhung aufgrund der Kerbe ist) : ; Dabei ist die Spannungsspitze im Kerbgrund; für statische Beanspruchungen Kerbwirkungszahl wbei A Spannungsamplitude (bei gekerbten und ungekerbten Bauteil) ist beschreibt die Herabsetzung der Dauerfestigkeit durch Spannungsspitzen und Mehrachsigkeit; für dynamische Beanspruchungen 12

13 Werkstfftechnlgie I Bei höchstharten Werkstffen ist ; snst Die Kerbempfindlichkeit und damit die Kerbwirkungszahl nimmt mit wachsender Zugfestigkeit zu - Es fällt auf, dass durch Überschneiden der Wöhler-Linien uu gekerbte Bauteile bei kurzzeitiger Beanspruchung besser halten als ungekerbte Bauteile - Andererseits ist auch zu bebachten, dass je fester der Werkstff, dest schlimmer die Kerbwirkung ist (s..) - Maßnahmen zur Minderung der Kerbwirkung sind: Einbringen vn Druckeigenspannungen im Kerbgrund durch Überrllen (als Radius vergrößern) Festwalzen Platthämmern Kugelstrahlen - Ausgangsrt vn Schwingungsrissen sind Kerben. Außer bigen können dies zusätzlich auch nch während der Rissbildung entstandene Kerben sein Die während der Rissausbildung entstandene Schwingbruchfläche ist glatt und weist Scheuerstellen auf. Wenn die Beanspruchung durch Ruhepausen unterbrchen war, entstehen makrskpische Streifen, die s.g. Rastlinien. Treten als Rastlinien auf kann davn ausgegangen werden, dass ein Schwingungsbruch mit Ruhepausen vrlag. Aus der Größe der Restbruchfläche kann die Höhe der Beanspruchung abgeschätzt werden: Zug Hhe Nennspannung Kleine Nennspannung Einseitige Biegung Zweiseitige Biegung - Mit Hilfe vn Dehnungsmessstreifen kann man die Anrissschwingspielzahl bestimmen, als die Zahl ab der die Dehnungsamplitude drastisch sinkt 13

14 Werkstfftechnlgie I WTI Betriebsfestigkeitsversuch - Nrmalerweise werden Bauteile nicht streng peridisch belastet sndern unterliegen unperidischen, schwingenden Beanspruchungen, die in regellser Flge die Größe der Spannungsamplitude ändern. Die unter derart lasten ertragene Beanspruchung ist die Betriebsfestigkeit - Heute lassen sich durch mderne Maschinen derartige Belastungen simulieren. Oft wird jedch ausgenutzt, dass bei langer Bebachtung sich gewisse statistische Gesetzmäßigkeiten ergeben, die ihre Darstellung als Belastungskllektive ermöglichen. - Eine andere Möglichkeit ist der Versuch direkt am Prüfbjekt und dabei die Ermittlung eines Belastungskllektivs Zum Erstellen eines Kllektivs werden Häufigkeitskurven erstellt, welche durch eine Klassengrenzen-Überschreitungszählung entstehen. Dafür wird der Messbereich in Klassen gleicher Breite unterteilt (z.b. 100N/mm 2 ) und jede Überschreitung bis zum Maximalwert gezählt. Aus dem erzeugten Diagramm kann man ablesen, wie ft eine bestimme Belastung überschritten wurde bis zum Bruch - Das Ergebnis wird ähnlich der Ispssibilitäten bei dem Wöhler-Schaubild als Spannungs- Lebensdauer-Schaubild dargestellt; die s genannte Lebensdauerlinie (Häufigkeit vs. Ertragene Beanspruchung y) Zeitstandversuch unter Zugbeanspruchung (Kriechen) - Wird ein Werkstff bei höherer Temperatur ( ), mit knstanter Last längere Zeit belastet, treten zeitabhängige plastische Verfrmungen auf, die man Kriechen nennt - Trägt man die plastische Dehnung über die Zeit auf bei knstanter Temperatur, s erhält man die Kriechkurve. Die Kriechgeschwindigkeit ist 14

15 Werkstfftechnlgie I Es gilt das Nrtnsche Kriechgesetz mit, K= temperaturabhängige Materialknstante; n= Ptenz der Spannung (Spannungsexpnent) - Der Zeitstandversuch liefert wichtige Kennwerte bei verkürzter Versuchsdauer: 1000 Stunden ein Bruch tritt bei einer Belastung vn 270 N/mm 2 bei 400 C nach Eine Dehnung vn 0,5% wird nach 1000h bei 400 C und einer Belastung vn 120N/mm 2 gemessen Bei Stahl tritt Kriechen bereits bei ca 300 C auf - Zerstörungsfreie Prüfungsverfahren /Prüfverfahren zur Detektin vn Fehlern Härteprüfverfahren sind quasi zerstörungsfrei, wenn man vn der Delle des Dilgi-, ähhh Pldi-Hammers absieht. (für Kennwerte, als auch für Kntrlle möglich) Optische, magnetische und elektrische Eigenschaften (elektrische Leitfähigkeit, Widerstand, Magnetisierbarkeit, Reflexinsvermögen, ) Ermittlung des E-Mduls aus Dämpfung und Eigenfrequenz vn Schwingungen Spektrskpische Methden Röntgenanalyse: Detektin vn Rissen, Pren, Lunkern Einschlüssen vr allem in Gussteilen und Schweißnähten Röntgeninterferenz für Verfrmungen Ultraschall: Bestimmung vn Schicht- und Wanddicken, Dpplungen und Rissen Anregung durch Ultraschall Der Defekt erwärmt sich stärker als seine Umgebung thermische Strahlung kann durch eine IR-Kamera detektiert werden Detektin vn Kissing Bnds (nicht haftenden Grenzflächen beim Kleben) Optische Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit, Rauheit (auch Elektrnenmikrskpie) Farbeindringverfahren zur Bestimmung vn Oberflächenrissen Lecktestverfahren für Behälter Tastschnittverfahren für Rauheiten Magnetische Prüfung für Risse der Inhmgenitäten nicht ferrmagnetischer Stffe Möglichkeiten zur Bauwerksüberwachung Ziel: Ermittlung des Zustands Schlussflgerung auf die Lebensdauer Reduzieren auf Mdell mit kritischen Details(Kerben, Belastungen) Aufnahme vn Betriebslasten Schwachstellen im Labr prüfen Abgleich mit unabhängigen Werkstffgrößen (z.b. Dauerschwingfestigkeit) Überprüfen Vrhersage über Restlebensdauer 15

16 Werkstfftechnlgie I 4. Veränderung vn Aufbau und Eigenschaften metallischer Werkstffe Legieren und Legierungen - Legieren bedeutet das Zusammenfügen vn zwei der mehr Elementen, um damit verbesserte Eigenschaften zu erhalten. Mindestens ein Element muss dabei ein Metall sein. Mischen der Elemente in der schmelzflüssigen Phase (berhalb der größten Schmelztemperatur aller vrkmmenden Elemente) Abkühlen der Schmelze ergibt eine feste Verbindung der einzelnen Elemente Entweder Mischkristall: Die einzelnen Atme sind zusammen in einem Kristallgitter angerdnet Oder chemische Verbindung: Die Atme bilden untereinander Elektrnenpaarbindungen aus. Legierungen zwischen zwei Metallen (intermetallisch): Ausbildung eines neuen Gittertypes, der sich vn den Ausgangsgittern in den Gitterparametern unterscheidet. Legierung zwischen Metall und Nichtmetall (intermediär): Es bilden sich häufig Elektrnenpaarbindungen (vgl. -Zementit im Eisengitter) - Knzentratin und Gehalt Gehalt: Die bezgene Größe des Elementes wird immer auf die Gesamtheit bezgen Bsp. Eisengehalt einer Eisenkupferlegierung: Gleiches ist auch mit der Stffmenge( ) der dem Vlumen ( ) möglich es ergibt sich ein Zahlenwert hne Einheit Knzentratin Meistens die Stffmenge des zulegierten Elements auf das zugehörige Vlumen (auch mit Masse ( ) und Vlumen ( möglich) - Phasendiagramm Zeigt den Zustand einer Legierung in Abhängig unterschiedlicher Parameter (Druck, Temperatur, Zusammensetzung) meistens wird Druck außer Acht gelassen, da knstant bei unendlich langsamer Abkühlung Phasendiagramm: Temperatur(y-Achse) und Zusammensetzung (x-achse) Oberhalb der Liquiduslinie: nur Schmelze Unterhalb der Sliduslinie: nur Feststff Dazwischen Schmelze und Feststff Kennt man nun die Zusammensetzung, s kann man zu einer bestimmten Temperatur die Zusammensetzung des Gefüges bestimmen (anhand Phasendiagramm) Mögliche Typen vn Phasendiagrammen können dabei auftreten: Vllständige Unlösbarkeit im festen, swie im flüssigen Zustand (Bsp.: Fe und Pb) Haltepunkte an den definierten Schmelzpunkten der beiden Metalle Keine Bildung vn Mischkristallen, Es liegen Eisenklumpen im Blei vr 16

17 Werkstfftechnlgie I Lückenlse Mischbarkeit im flüssigen und im festen Zustand Vrraussetzung : sehr ähnliche Atmradien, gleiche Kristallstruktur Bsp.: Cu-Ni-Schmelze Zusammensetzung der Schmelze unterscheidet sich beim langsamen Abkühlen vn der Zusammensetzung des Mischkristalls Knzentratinsänderungen können in der Schmelze deutlich schneller ablaufen, als im Mischkristall Erste ausgeschiedene Kristalle haben höheren Nickel-Anteil Berechnung der Massenanteile der Phase über das Hebelgesetz: Die Mmentanknzentratinen der einzelnen Phasen liegen immer auf der Liquidus- bzw. Sliduslinie Verbindung dazwischen nennet man Knde Gleichgewicht zwischen den Massenanteilen und zugehörigen Hebelarmen bei fester Bruttknzentratin Berechnung über Hebelgesetz: bei sehr langsamer Abkühlung werden die Knzentratinsunterschiede durch Diffusin wieder ausgeglichen hmgener Mischkristall Bei schnellem Abkühlen gibt es keinen Diffusinsausgleich stark unterschiedliche Knzentratinen Seigerungen Hmgenisierungsglühen versucht diese Knzentratinsunterschiede auszugleichen (Erhöhung der Diffusinsbewegung durch Temperaturerhöhung) Es ergeben sich keine definierten Schmelzpunkte, sndern sgenannte Schmelzbereiche, in denen das Gemisch langsamer abkühlt Abgabe vn Erstarrungsenergie Vllständige Lösbarkeit im flüssigen, aber eingeschränkte Lösbarkeit im festen Zustand. (Bsp.: Pb-Sn) Phasendiagramm weist Mischungslücken auf. In bestimmten Phasen können nur bestimmte Anteile eines Stffes gelöst werden. zwei unterschiedliche feste Phasen Im einphasigen Mischkristall sind je nach Temperatur nur geringe Przent eines Elementes im anderen löslich Fällt die Temperatur weiter ab, s scheidet sich aus dem Einphasenmischkristall eine zweite Phase aus. Eutektische Reaktin: Aus der Schmelze bilden sich sfrt zwei Phasen (unterschiedliche Kristalle) gekennzeichnet durch Lamellenfrm 17

18 Werkstfftechnlgie I WTI Die Waagerechte Linie zwischen der festen Phase und der flüssigen Phase nennt man Eutektikale Vllständige Lösbarkeit im flüssigen, vllständige Unlösbarkeit im festen Zustand: Oberhalb der Liquiduslinie Einphasengebiet Darunter immer Zweiphasengebiet kein Mischkristall Bei einer eutektischen Zusammensetzung verhält sich das Gemisch wie ein reines Metall mit definiertem Schmelzpunkt. Bestimmung vn Phasendiagrammen Thermische Analyse Durch das Messen der Temperatur in Abhängigkeit zur Zeit beim Abkühlen können unterschiedliche Steigungen gemessen werden. Diese deuten auf Phasenumwandlungen hin, da hier Energie frei wird und damit die Abkühlung langsamer abläuft. Haltepunkte deuten zudem auf einen definierten Schmelzpunkt hin, da bei dieser Temperatur das gesamte Element seinen Aggregatzustand ändert. Dilatmetermessungen Messung der Ausdehnung in Abhängigkeit vn der Temperatur Bei Phasenumwandlungen ergeben sich Sprünge in der Ausdehnung nur im festen Zustand möglich Gefügebebachtung an Metallschliffen Mikrskpische Bebachtungen können Strukturänderungen ffenlegen nur im festen Zustand und bei deutlichen Phasenumwandlungen möglich Röntgeninterferenzuntersuchungen Identifizierung unbekannter Phasen 18

19 Werkstfftechnlgie I Eisen-Khlenstff-Diagramm ABCD: Liquiduslinie (darüber alles flüssig) AHIECF: Sliduslinie (darunter alles fest) ECF: Eutektikale PSK: Eutektide (eutektische Rekristallisatin innerhalb einer Phase) HIB: Peritekitale (Entlang der Linie Schmelze und festes -Eisen zu -Mischkristall) C: Eutektikum (Legierung, die bei diesem Punkt fest der flüssig ist; vllständig mischbar in flüssig; nicht mischbar in fest) I: Peritektikum (Schmelze und festes -Eisen zu -Mischkristall) S: Eutektid (Der -Mischkristall wandelt sich in den -Mischkrisatll und -Karbide um (Punkt S) Ausbildung eines lamellaren Gefüges Perlit mit -Mischkristall ferritisch, perlitisches Gefüge) 19

20 - Bezeichnungen für Mischkristalle: Werkstfftechnlgie I Bezeichnung Max.C-Gehalt Metallgraphische Bezeichnung 0,11% bei 1493 C Delta-Ferrit 2,06% bei 1147 C Austenit 0,02% bei 723 C Ferrit - Bezeichnungen für Zementit ( ) Bezeichnung Entstehung Primärzementit Primäre Kristallisatin aus der Schmelze (Linie CD) Sekundärzementit Ausscheidung aus Austenit (Linie ES) Tertiärzementit Ausscheidung aus Ferrit (Linie PQ) - Bezeichnungen für Phasengemische Bezeichnung Besteht aus Existiert bei Perlit 88% Ferrit und 12% Zementit 0,02% bis 6,67%C Ledeburit I 51,4% Austenit und 48,6% 2,06% bis 6,67%C Zementit Ledeburit II 51,4% Perlit und 48,6% Zementit 2,06% bis 6,67%C - Haltepunktlinien bei Erwärmen der Abkühlen (Ac der Ar) : 723 C; Austenit zerfällt zu Perlit ( ) : Curie-Punkt 768 C : GOSE-Linie: vllständige Umwandlung vn Ferrit in Austenit; Wird beim Abkühlen diese Linie unterschritten bilden sich C-arme Gamme-MK. Der frei werdende Khlenstff reichert sich im Austenit an bis dieser bei 720 C die eutektide Knzentratin erreicht hat Erstarrungs und Umwandlungsvrgänge bei Stahl Verlauf beim langsamen Abkühlen bei einem C-Gehalt unterhalb vn 2,06% (Stahlherstellung) Aus der Schmelze bildet sich -Phase mit zunehmender Abkühlung steigt der C-Gehalt im Mischkristall (interstetiell eingelagert) Bildung des kubisch flächenzentrieten Austenits mit eingelagerten C-Atmen Bei Stählen mit C-Gehalt kleiner als 0,02% (Armc) Unterhalb der Phasengrenze zwischen -Mischkristall und - Mischkristall wandelt sich die -Phase in die -Phase um Umrientierung vn kubisch-flächenzentriert nach kubischraumzentriert Umklappen der Einheitszell mit nch leicht verzerrten Kantenlängen Es scheidet sich ein einphasiger Eisen-Khlenstff-Mischkristall aus, der jedch nur einen sehr geringen Anteil an C-Atmen besitzt. Stähle mit C-Gehalt zwischen 0,02% und 0,8% Bei Abkühlung unter 723 C (A1) scheidet sich aus der -Phase die der -Mischkristall aus. Dieser besitzt aber lediglich eine Löslichkeit vn 0,02% Khlenstff Ausscheidung des überschüssigen Khlenstffs als -Karbide 20

21 Werkstfftechnlgie I Gefüge wird als Perlit bezeichnet Wachstumsbeginn an den Krngrenzen Bildung eines lamellaren Gefüges durch C-Knzentratin (Trennung vn ferritischem kubischraumzentrierten Mischkristall (khlenstffarm max 0,02%) und khlenstffreichen Karbiden (mehr als 6,6%) Stähle mit C-Gehalt zwischen 0,8% und 2,06% Maximale C-Löslichkeit in der -Phase bei 1147 C Weiteres Abkühlen führt zu Ausscheidung vn C-Karbiden, um den C-Gehalt in der Schmelze nach Phasendiagramm auf 0,8% zu drücken Dann eutektide Reaktin mit Bildung vn Perlit und weiteren Zementiden Anrdnung der zuvr ausgeschiedenen Zementide erflgt Schalenmäßig um Austernfischen Körner, die dann zu perlitischen Körnern umgewandelt werden Erstarrungs- und Umwandlungsvrgänge bei weißem Gusseisen ; als C größer 2,06% - Weißes Gusseisen: wenig Legierunselemente Si und Mn; bei technisch rascher Abkühlung gilt metastabiles Fe-C-Diagramm - Im Verlauf der Abkühlung bildet sich aus der Schmelze das Eutektikum Ledeburit I(Austenit und Zementit). Nach Unterschreiten vn zerfällt aller Austenit zu Perlit. Hier unterscheidet man zwischen Perlit aus Gamma-MK entstanden und Ledeburit II, welches aus Perlit und Zementit besteht, welches aus dem Ledeburit I entstanden ist Erstarrungs- und Umwandlungsvrgänge bei grauem Gusseisen - Graues Gußeisen: erhöhter Si und niedriger Mn-Anteil bei hinreichend langsamer Abkühlung gilt das stabile Fe-C-Diagramm Dementsprechend bildet sich bei Abkühlung und Graphit Wärmebehandlung - Wärmebehandlungsverfahren allgemein Die Eigenschaften der Stähle hängen zum einen vn der Zusammensetzung der einzelnen Legierungselemente ab, zum anderen aber auch vm Erstarrungsverlauf. Durch eine nachträgliche Wärmebehandlung lassen sich die Eigenschaften nch weiter verbessern. Inhmgenitäten im Gefüge können durch eine erhöhte Diffusin ausgeglichen werden hmgenes Gefüge (Gusseisenwerkstffe verfügen immer über eine Anistrpie (richtungsabhängige Eigenschaften), die durch eine Wärmebehanlung abgebaut werden kann) Erzielen vn gewünschten Gefügezuständen, die für die Nachbearbeitung erfrderlich sind. Erfüllen vn speziellen Anfrderungen vn bestimmten Bauteilen ptimaler Einsatz vn bestimmten Legierungselementen, wie C der N 21

22 Durchgreifende Wärmebehandlungsverfahren Werkstfftechnlgie I - Difffusinsglühen, Hmgenisierungsglühen: Glühen bei hhen Temperaturen ca C 1100 Deutlich über im Einphasengebiet des Gamma-Mischkristalls Haltezeit: 2-8 Stunden (auch bis zu 50 Stunden) Langsames Abkühlen Ausgleich vn Inhmgenitäten in den einzelnen Kristallen, z.b. Seigerungen, Knzentratinsunterschieden der Legierungselementeinschlüssen die durch den Erstarrungsprzess zustande gekmmen sind. Ziel: hmgenes Gefüge für die Weiterverarbeitung, Verteilung vn Sulfiden, um die Rtbrüchigkeit zu vermeiden, Verteilung vn Karbiden Nachteile Teuer Grbkrnbildung durch langsames Abkühlen evt. Nrmalglühen erfrderlich Gefahr der Verzunderung und Entkhlung (bedingt durch hhe Temperatur) - Grbkrnglühen, Hchglühen: Glühen bei Hhen Temperaturen ca. 900 C C Deutlich über im Einphasengebiet des Austenits Haltezeit: 1-2 Stunden Ziel: Größere Körner führen zu einer besseren Zerspanbarkeit des Werkstffes Besndere Anwendung bei Stählen mit geringem C-Gehalt (snst schmieren) Nachteil: Verminderung der Festigkeit bei grben Körnern Nrmalglühen nach dem Bearbeiten erfrderlich teuer - Nrmalglühen, Nrmalisieren, Austenitisierungsglühen, Umkörnen: Glühen bei 30 C-50 C berhalb vn, (bei übereutektidem Stahl über ) Sehr kurze Haltezeit Beseitigung vn Inhmgenitäten (Grbkrn und Widmanstättengefüge (sprödes ferritisch-perlitisches Gefüge)) Beseitigung vn gehärteten und vergüteten Gefügen nrmalisieren (perlitischferritisches Gefüge mit Zementit) Gleichmäßiges Abkühlen, um kleine Körner zu erhalten Abbau vn Eigenspannungen, die aus Umfrmprzessen resultieren. - Weichglühen Glühen bei ca 700 C um mit langsamen Abkühlen Untereutektider Stahl: unter, übereutektider Stahl: pendelnd um Haltezeit: 2-10 Studen Beim Abkühlen bildet sich Perlit mit lamellarer Struktur durch lange Haltezeit wird die Ausscheidung vn kugeligen Karbiden bevrzugt, da diese am energetisch günstigsten sind (vgl. größtes Vlumen mit kleinster Oberfläche) Abkühlung im Ofen (10 /Stunde) Feine Karbide srgen für eine gute Zerspanbarkeit Weichglühen dient zudem als Vrbereitung zum Härten übereutektider Stähle 22

23 Werkstfftechnlgie I - Spannungsarmglühen Glühen unter bei ca. 550 C 650 C Eigenspannungen werden beim Erreichen der Fließgrenze des Materials abgebaut und in plastische Verfrmungen umgewandelt. Durch geringe Temperatur findet keine Gefügeumwandlung statt Beseitigung vn erwünschten Aufhärtungen, die durch Schweißen eingebracht wurden (starkes erhitzen und schnelles Abkühlen an einem Punkt) Haltezeit: 2min/ mm Wanddicke Langsame Abkühlung - Rekristallisatinsglühen Bei ca. 500 C 600 C Beim Kaltverfrmen werden die Körner gestreckt und damit verzerrt Rekristallisatinsglühen fördert die Kristallneubildung verbunden mit dem Abbau vn Eigenspannungen und Entfestigung Bildung der neuen Körner durch Platzwechselvrgänge der Atme neue Gitteranrdnung Krngröße ist Abhängig vm umfrmgrad und der Glühtemperatur zu geringe Umfrmung (wenig Eigenspannungen)und zu hhe Temperatur führen zu grben Körnern Geringe Haltezeiten und hher Umfrmgrad (berhalb des kritischen Reckgrades (mehr als 20%)) - Martensitbildung (Härten) Bei einem Stahl mit C-Gehalt vn weniger als 0,02% können nach Nrmalglühen, Abschrecken und Auslagern keine nennenswerten Festigkeitssteigerungen erreicht werden, da kaum Karbide ausgeschieden werden. Bei Verwendung eines Stahles mit einem C-Gehalt vn ca. 0.5% passiert flgendes: Schnelle Abkühlung führt dazu, dass sich aufgrund der geringen Diffusinsgeschwindigkeit keine Karbide bilden können. Trtzdem erflgt eine Umwandlung der -Phase in die -Phase martensitische Umwandlung, die nicht auf diffusinsbedingten Platzwechselvrgängen beruht Umklappung der kubischflächenzentrierten Kristallanrdnung in eine tetragnalflächenzentrierte Kristallanrdnung Martensitische Umwandlung beginnt unterhalb der Martensit- Starttemperatur und kann nur bis zu einem C-Gehalt vn 0,8% vllständig erflgen Zwangslösung des Khlenstffs im -Mischkristall extrem Verzerrung durch den deutlich überhöhten C-Anteil im - Mischkristall führt zu enrmer Härte, jedch auch zu einem sehr spröden Werkstff kein sinnvller Einsatz möglich Die Härte des Martensits steigt mit dem C-Gehalt des Stahls Berechnung nach Rckwell: Die Zugfestigkeit des Stahls steigt mit dem C-Gehalt 23

24 Werkstfftechnlgie I WTI Bis zu 1800 im gehärteten Zustand möglich Zugfestigkeit steigt vn ca. 400 (reines Eisen) auf 1800 (ca 0,8% C) an Ab ca. 0,2% C gutes Härten möglich Ca. 3x s hhe Zugfestigkeit wie ungehärteter Stahl mit gleichem C-Gehalt Martensitstarttemperatur sinkt mit steigendem C-Gehalt ab. Die genaue Gefügeausbildung hängt entscheidend vn der Abkühlgeschwindigkeit ab. Ermittlung des Gefüges Aus ZTU-Diagrammen (Zeit-Temperatur- Umwandlungsdiagramm, kntinuierlich) Für jede einzelne Zusammensetzung muss ein eigenes ZTU-Diagramm erstellt werden. Es ergeben sich verschiedene Kurven, die für unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten aufgenmmen wurden Durch die Schnitte mit den verschiedenen Gefügebestandteilsflächen (Austenit, Ferrit, Perlit, Beimut(Zwischenstufengefüge) und Martensit) kann der przentuale Anteil der einzelnen Gefügebestandteile ermittelt werden. Außerdem kann für die unterschiedlichen Abkühlkurven die Härte ermittelt werden Wichtige Abkühlgeschwindigkeiten: : geringste Abkühlgeschwindigkeit, bei der nur Martensit entsteht : größte Abkühlgeschwindigkeit, bei der kein Martensit entsteht Die Bildung vn einzelnen Gefüge ist nicht nur vn der glbalen Abkühlung abhängig, sndern auch vn der lkalen Abkühlung an unterschiedlichen Stellen des Bauteils Die Randschichten werden bei starker Abkühlung (z.b. Abschrecken im Wasserbad) deutlich schneller abgekühlt und werden smit härter als der Bauteilkern Um eine durchgreifende Härtung durch das gesamte Bauteil zu erhalten, muss eine Obere kritische Abkühlgeschwindigkeit gefunden werden, bei der im gesamten Bauteil nur Martensit entsteht. Abkühlung an Luft verläuft dabei sehr langsam Martensitbildung im Inneren nur durch Zugabe vn Legierungselementen möglich Zugabe vn weiteren Legierungselementen Die martensitische Umwandlung kann durch Elemente begünstigt werden, die aufgrund ihrer Atmgröße eine geringe Diffusinsgeschwindigkeit aufweisen. zunehmende Wirksamkeit: 24

25 Werkstfftechnlgie I WTI - Anlassen Durch das Härten erhält man einen sehr harten, jedch wenig duktilen, als spröden Werkstff hhe Zugfestigkeit, geringe Bruchdehnung Stufen des Anlassens 1. Anlassstufe Temperatur: C Ausscheidung vn feinen Karbiden aus dem verzerrten - Mischkristall weniger verzerrter Martensit mit ca. 0,3% Khlenstff Härte nimmt zu, der ab kubischer Martensit 2. Anlassstufe Temperatur: C Restaustenit zerfällt in Ferrit und Zementit der kubischen Martensit Härte nimmt nach geringem Abfall zu 3. Anlassstufe Temperatur: C Der kubische Martensit zerfällt in Ferrit und Zementit Auflösung der Verzerrungen extreme Abnahme der Härte und Zugfestigkeit aber Zunahme vn Verfrmbarkeit und Duktilität 4. Anlassstufe Temperatur: >500 C Stähle mit Snderkarbidbildnern (W, V, Nb, M, Cr) bilden fein verteilte Mischkarbide(z.B. Wlframcarbide, ) Zunahme der Festigkeit, da mehr Khlenstff vrhanden ist. Höhere Anlassbeständigkeit Unterteillung in Entspanntes Anlassen: C Für Bauteile mit grßer Härte und hher Verschleißbeständigkeit Vergütendes Anlassen: C Für Bauteile, die über ein gewisses Maß an Duktilität verfügen müssen Kmbinatin aus Härte und Duktilität je nach Temperatur variabel einstellbar - Vergüten Kmbinatin aus Härten und Anlassen Vergütungsbereich vn Stählen liegt zwischen C Mit steigender Anlasstemperatur beim Vergüten Sinkt die Streckgrenze(nrmalisiert)/Dehngrenze (vergütet) Sinkt die Zugfestigkeit Steigt die Dehnung Steigt die Einschnürung Duktilität (Fläche unter der Kurve) Der E-Mdul bleibt gleich 25

26 Kennwerte vn Vergütungsstählen Werkstfftechnlgie I Nrmalisiert Gehärtet Vergütet Härte in HV Zugfestigkeit in MPa Bruchdehnung in % Randschichthärten - Zur wirksamen Verschleißminderung bei wälz- und gleitbeanspruchten Bauteilen muss eine hhe Randschichthärtung erreicht werden. Ziel sind besnders hhe Härtewerte am rand bei ausreichender Zähigkeit im Kern. Anwendung bei verschleißbeanspruchten Bauteilen, die besnders stß und schwingbeansprucht sind - Thermchemische Härtung: Hierbei werden Randschichten durch Eindiffusin chemischer Elemente (C, B, N) s verändert, dass eine Härtesteigerung erflgt (Nitride, Bride). Es kann auch eine martensitische Randhärtung erflgen Einsatzhärten Ziel: hhe Randschichthärte zur Verschleißminimierung; gute Zähigkeit im Kern gegen Sprödbruch; Randschicht-Druckeigenspannung für gute Dauerschwingfestigkeit Verwendung: Stähle mit geringem C-Gehalt Methde: Aufkhlen (Zementieren) der Randschicht bei 900 C, wbei die Khlenstffgebende Mittel in festem, flüssigen der gasförmigen Zustand vrliegen können: Pulveraufkhlung: Einbetten in pulverisierte Khle. Durch Buduard-GGW erflgt Freisetzung des C Salzbadaufkhlung: Aufkhlung in Cyanidbädern Gasuafkhlung: Khlenwasserstffgase über glühende Oberfläche Angestrebter randkhlgehalt: 0,8%; 0,1 bis 0,3mm/h; Härtungsmöglichkeit: Direkthärten (Abchrecken nach Einsatz); Einfachhärtung (Nach Luftabkühlung erneutes Erhitzen auf 900 C und anschließend Abschrecken); Dppelhärtung (Nach Luftkühlung Erhitzen auf T entsprechend Kern, dann Abschrecken, dann erhitzen auf T entsprechend Rand ) Nitrieren und Nitrcarburieren Ziel: Verschleißverminderung; Verringerung des Reibwertes; hhe Kernzähigkeit; dauerschweingfestigkeit Methde: gas- bad der Pulernitrieren; Häufig: Gas bei 550 C vn Ammniak; Nach Nitieren Abschrecken Oft diffundiert hierbei C mit ein (Nitrcarburieren), wdurch zähere Schichten entstehen Brieren Ziel: Erreichen der höchsten Härte für geringsten Verschleiß (1800HV) Methde: Eindiffusin vn Br in randschicht. Dabei entsteht - Thermisch Flammhärten 26

27 Werkstfftechnlgie I Ziel: hhe Randschichthärtung zur Verschleißminimierung bei grßen Bauteilen Stahl der Gusseisenberfläche wird mit Brenner auf Härtetemperatur erhitzt; anschließend Abgeschreckt. Dadurch Martensitbildung Typisch für Cf56 der GS-42CrM 4 Induktinshärten Ziel: hhe Verschleißbeständigkeit bei geringem Aufwand Methde: rasche Erwärmung vn Teilen durch eine vn hchfrequentem Wechselstrm durchflssene, Wassergekühlte Spule; Erzeugung vn sekundärem Wirbelstrm in den randschichten des Bauteils ; S schnelle Erwärmung auf Härtetemperatur durch elektrischen Widerstand; anschließend Abschreckung Strahlhärten Ziel: örtliche Härtung mit geringem Verzug Methde: mit LASER örtlich berflächenbehandeln und erhitzen; Selbstabschreckung - Thermmechanisch Warmwalzen Endumwandlung unterhalb vn A3 bei der Austenit unterkühlt (metastabil) vrliegt; Dadurch wird eine Gefügestruktur mit guten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften erzeugt werden - Kaltverfrmung Beim Kaltverfrmen ergeben sich Verfestigungen, die sich bei der technischen Anwendung ausnutzen lassen. Dazu zählen Hämmern, Festwalzen, Kugelstrahlen, Aufdrnen vn Bhrungen Smit erzeugte Druckeigenspannungen in den Randschichten verbessern Dauerschwingfestigkeit und Beständigkeit gegen Reib- und Spannungskrrsin 5. Metallische Knstruktinswerkstffe - Kennzeichnen der Stähle nach der chemischen Zusammensetzung durch Symble der Legierungselemente Unlegierte Stähle: : Bsp: C45 = 0,45%C Niedriglegierte Stähle: Legierungselemente : 42 CrM 4: 0,42%C Chrm% Mlybdän 20 CrMV 13 5: 0,2%C Chrm% - Mlybdän% - Vanadium Es gelten multiplikatren: Multiplikatr Elemente 4 C, Cr, Mn, Ni, Si, W 10 Al, Be, Cu, M, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 100 C, Ce, N, P, S 1000 B Hchlegierte Stähle: Legierungselemente X+100.C-Gehalt + Leg. El. Symb. X 30 WCrV 5 3: 0,3%C 5%W 3% Cr V C 2 CrNiM 18 10: 0,02%C 18%Cr 10% Ni M Schnellarbeitsstähle 27

28 Werkstfftechnlgie I WTI HS + Leg. Elem.-Gehalt in der Reihenflge W-M-V-C HS : 18%W 1%M 2% V 5% C - Kennzeichnung der Stähle nach den mechanischen Eigenschaften und dem Verwendungszweck Hauptsymbl nach Tabelle (S = Baustahl, P= Druckbehälterbau; E=Maschinenbaustahl B = Betnstahl) + nnn (Mindest-Streckgrenze ) + Zusatzsymbl + Zusatzsymbl S355J2G3: S= allg. Baustahl, 355: Streckgrenze in N/mm 2 ; J2: Kerbschlagarbeit 27J bei.20 C; G3:weitere besndere Merkmale - Kennzeichnung vn Nichteisen (NE)-Metallen: Chem. Symbl e für Grundmetalle; Legierungselemente gerdnet nach abnehmenden gehalten: AlZn 4,5 Mg 1: Al-Legierung mit 4,5% Zink und 1% Magnesium - Werkstffkennzeichnung durch Werkstffnummern 1. Ziffer für Werkstff-Hauptgruppe nach Tabelle 4-ziffrige Srten Nummer ( Geben chem. Zusammensetzung an; Reine Zählnummer) 2 ziffrige Anhängezahl (nach Tabelle) Im Maschinenbau übliche Stähle - Unlegierte Stähle, legierte, hchlegierte Stähle, s.. - Unlegierte: Qualitätsstähle mit D,P: Stähle mit besnderen Anfrderungen zur Kaltverfrmung etc P 355 JRG2 DC04 Karsserie Feinbleche aus weichem, unlegierten Stahl Bezeichnungen vn Fe P 01 bis Fe P 06 Bezeichnung St12 /Fe P 01 / DC St13 / Fe P 03 / DC St14 / FeP 04 / DC D= Blech aus weichem unlegierten Stahl C = kaltgewalzt 01 bis 06: Stahlsrte mit zunehmender Tiefziehfähigkeit ZE= elektrlytisch verzinkt A= kaltgewalzte Oberfläche B= beste Oberfläche Bsp: BH-Stahle (Bake hardening): grße Beulenfestigkeit da Festigkeit erst durch Einbrennlackieren der Teile stattfindet Für dynamische hchbelastete Bauteile: Dualphasenstähle mit 75-90% Ferrit (dadurch gute Verfrmbarkeit) und 5-20% Martensit (dadurch gute Festigkeit) 28

29 Werkstfftechnlgie I WTI Für höchstbeanspruchte Teile: Cmplexphasenstähle CP800 In erprbung: TRIP-Stähle: (Transfrm induced plasticity): Gefügen aus ferrit, martensit und metastabilen Austenit; verfrmungsinduzierte Phasenumwandlung bewirkt Verfestigung (Verfestigung durch Umfrmprzess) Für schwierig umfrmbare Teile: IF (Interstitial free): C-Gehalt auf 0,005% reduziert Tailred Blanks: quetschnaht der lasergeschweißte Bleche unterschiedlicher Dicken; fertigungsptimierte Halbzeuge; weisen nach dem Umfrmen ntwendige Verstärkung an hchbelasteten Stellen auf - Schweißgeeignete wasservergütete der thermmechanisch gewalzte Stähle Die Anfrderungen an Stähle sind hier besnders für den Kranbau und fahrzeugbau relevant; gute Zähigkeit bei hher Festigkeit, Schweißbarkeit Schweißbar bei ; feinabgestimmte Legierungselemente; Mikrlegierungselemente Ti und V Wasservergütet: Gefüge der unteren Zwischenstufe mit günstiger festigkeits- / Zähigkeitskmbinatin Oder thermmechanisch gewalzt (s..) Bsp: S690QL: S: baustahl; 690 = ; Q= wasserabgeschreckt; L= kaltzäh Legierte Stähle (gewährleistete Kerbschlagarbeit bei tiefer Temp) - Niedriglegierte Stähle ( Häufige legierungselemente: Cr, Ni, M, W, V, Mn; werden eingesetzt um die festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften zu beeinflussen - Niedriglegierte Kesselstähle: Anfrderungen: hhe warmstreckgrenze; DVM-Kriechgrenze; gute Zeitstandfestigkeit; gute zeitdehngrenze; schweißbarkeit; Eigenschaften müssen bis 650 C gewährleistet werdern Erfüllen der Anfrderungen durch kabidbildende Legierungselemente M, V, W da feine Karbide die Gleitversetzungen behindern und smit eine erhöhte Anlassbeständigkeit gewährleistet wird - Vergütungsstähle Anfrderungen: gleichmäßige hhe Festigkeit im gesamten bauteilquerschnitt bei hinreichend guter Zähigkeit Erfüllen der Anfrderungen durch: Vergütungsgefügen; C-Gehalt ; diverse legierungsgehälte; Anlasstemperatur nach dem Härten (Vergütungstemperatur) Variatin der Festigkeit und Zähigkeit durch Variatin vn Legierungsgehalt und Vergütungstemperatur - Federstähle Anfrderugen: hhe Streckgrenze und hhe Zugfestigkeit Erfüllen der Anfrderungen durch relativ gerine Anlasstemperaturen nach Härten bei 280 C - Werkzeugstähle Anfderungen: hher Verschleißwiederstand; Anlassbeständigkeit; Schneidhaltigkeit; hhe Zerspanleistung 29

30 Werkstfftechnlgie I Erfüllen der Anfrderung durch hhe Karbidgehalt; hhen C-Gehalt (durch Zemetit der durch karbide vn Legierungselemente wie Cr) Bsp: Für Werkzeuge mit Arbeitstemperaturen unter 200 C: Kaltarbeitsstähle Unlegiert: C130: Messer Niedriglegiert: 90MnV Hchlegiert: X 40 Cr 13 Für Werkzeuge mit hher Schnittgeschwindigkeit: Schnellarbeitsstähle Anfrderung: hher Verschleißwiderstand Erfüllen durch hhen karbidgehalt; hhe W und M Gehalte; hhe C- gehalt Dadurch: 64-66HRC; sehr hher Verschleißwiderstand; Durch Menge und Härte der Karbide als Schneidstff auch bei hher Temperatur bestimmt Üblich sind: W-Grundlage der W-M-Grundlage der M-Grundlage (Bezeichnung HS W-M-V-C (s..)) Für Werkzeuge mit hhen Arbeitstemperaturen: Warmarbeitsstähle Anfrderung: gute Anlassbeständigkeit; hhe Warmfestigkeit; hher Verschleißwiderstand; Zähigkeit für Rbustheit Erfüllen der Anfrderungen durch: hhe krbidgehalte der Elemente W, M, Cr,V; 0,3%C (als weniger als bei Schnellareitsstählen) Hchlegierte Stähle - Stähle mit hhen Gehalten vn Cr, Ni, M, C, Nb, W, Mn - Legierungen dienen der Verbesserung der Festigkeitseigenschaften Rst und Säurebeständigkeit Zähigkeit bei Tieftemperatur Elektrischen und magnetischen Eigenschaften - Bezeichnung: s.. : X 5 CrNi X: hchlegiert ; 5: 0,05%C; 18% Cr, 10% Ni - Auswirkung der Legierungselemente: Ferritstabilisierende Elemente: Cr, Al, M, Nb, P, Si, Ta, Ti, V, W bei kleinem C-Gehalt und hhem Legierungsgehalt: hchlegierte ferritische Stähle Ferritbildung kmmt durch Einschnürung des - Gebietes zu Stande. Durch diese Zulegierung wird bei Abkühlung nur in Ferrit (krz) gefrmt Dies erhöht die Festigkeit; verringert aber die Zähigkeit. Außerdem ist die Härtbarkeit nicht mehr gegeben Ferritbildende Elemente nennt man auch Cr-Äquivalent Austenitstabilisierende Elemente: Ni, Cu, C, Mn, C, N: bei kleinem C-gehalt und hhem Legierungsgehalt: hchlegierte austenitische Stähle Austenitbildung kmmt durch erweitertes - Gebiet zu Stande, w bis zur Abkühlung hauptsächlich Austenit (kfz) gefrmt wird Dies erhöht die Zähigkeit, verringert aber die Festigkeit 30