Metallische Werkstoffe

Transkript

1 Werkstofftechnik Metallische Werkstoffe Einführung

2 Metalle und Legierungen Struktur und Eigenschaften

3 Einteilung der Werkstoffe Metall Nichtmetalle Verbundwerkstoffe Eisen Werkstoffe Nichteisenmetalle Stähle Baustahl, Werkzeug-, Vergütungsstahl Eisengusswerkstoffe Gusseisen, Temperguss, Stahlguss ρ > 5kg/dm³ Kupfer, Zink, Blei Schwermetalle Leichtmetalle ρ < 5kg/dm³ Alu, Titan, Magnesium, Natur- Werkstoffe Granit, Holz Asbest Künstliche Werkstoffe Glas, Kunststoff, Keramik Verstärkte Kunststoffe, Hartmetalle

4 Stoffkonstanten verschiedener Werkstoffe Werkstoff Dichte in kg/dm 3 Schmelzpunkt in C Aluminium 2,7 660 Messing ca. 8,5 ca. 900 Elastizität Eisen 7, Kupfer 8,93 ca elastisch F in kn Gummi F in kn plastisch Baustahl F in kn weichgeglühtes Kupfer Verformung in mm Verformung in mm Verformung in mm

5 Stoffkonstanten verschiedener Werkstoffe Zähigkeit Zähigkeit ist das Vermögen, innere Spannungen durch Verformung zu verteilen und damit ohne Beschädigung aufnehmen zu können. Das Gegenteil ist die Sprödigkeit. Härte Härte ist der Widerstand eines Körpers gegen das Eindringen eines anderen Körpers in die Oberfläche Korrosionsbeständigkeit Die chemische Beständigkeit von Metallen gegen Einflüsse von außen nennt man Korrosionsbeständigkeit. Technologische Eigenschaften Verformbarkeit, Zerspanbarkeit, Gießbarkeit, Schweißbarkeit, Lötbarkeit

6 Anforderungen an die Werkstoffe Forderungen an den Werkstoff Technische Aufgabe des Werkstoffs und der Werkstoffauswahl Erforderliche Eigenschaften Ist der Werkstoff z.b. aufgrund seines Gewichts, seiner Schmelztemperatur oder seines elektrischen Leitvermögens für diese Aufgabe geeignet? Antwort geben physikalische Eigenschaften des Werkstoffs, wie Dichte, Schmelztemperatur und elektrische Leitfähigkeit. Kann der Werkstoff den auf das Bauteil einwirkenden Kräften standhalten? Dies beantworten mechanisch-technologische Eigenschaften, wie Festigkeit und Härte. Verschleißt der Werkstoff an Gleitflächen? Auskunft darauf geben die Verschleißeigenschaften. Mit welchem Fertigungsverfahren lässt sich das Bauteil kostengünstig fertigen? Hierüber informieren fertigungstechnische Eigenschaften, wie Gießbarkeit und Spanbarkeit. Wird der Werkstoff des Bauteils bei seinem vorgesehenen Verwendungszweck von umgebenden Stoffen oder bei erhöhter Temperatur angegriffen? Dieses Verhalten beschreiben chemisch-technologische Eigenschaften, wie Korrosionsverhalten und die Zunderbeständigkeit.

7 Werkstoff-Auswahl Nach Abwägung aller Gesichtspunkte wird der richtige Werkstoff für ein Bauteil ausgewählt: der die Funktion des Bauteils und die technischen Anforderungen am besten erfüllt, dessen Fertigung und Werkstoffpreis am günstigsten ist und der bei der Fertigung und nach dem Gebrauch keine Belastung für die Umwelt darstellt.

8 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Dichte: ρ = m V Unter der Dichte ρ eines Stoffes versteht man den Quotienten aus der Masse m und dem Volumen V eines Körpers. Dichte von Stoffen Stoff Dichte kg/dm³ Stoff Dichte kg/dm³ Wasser Aluminium 1 2,7 Kupfer Blei 8,9 11,3 1dm V=1dm³ Stahl 7,85 Wolfram 19,27 1dm Luft (0 C, 1,013 bar): ρ = 1,29kg/dm³

9 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Werkstoff zu schmelzen beginnt. Schmelztemperatur Stoff Schmelztemperatur C Stoff Schmelztemperatur C Zinn 232 Kupfer 1083 Blei 327 Eisen 1536 Al 658 Wolfram 3387

10 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, den elektrischen Strom zu leiten. Elektrische Leitfähigkeit in % der Leitfähigkeit von Kupfer Stoff Prozent Stoff Prozent Kupfer 100% Zink 29% Silber 106% Eisen 17% Aluminium 62% Blei 8%

11 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Thermische Längenausdehnung: l = l * * 1 α t l 1 l l 1 = Ausgangslänge l = Längenänderung α = Längenausdehnungskoeffizient t = Temperaturänderung t 2 -t 1 Der thermische Längenausdehnungskoeffizient α gibt die Längenänderung l eines 1 m langen Körpers bei einer Temperaturänderung von t = 1 C an.

12 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Wärmeenergie Die Wärmeleitfähigkeit ist das Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, Wärmeenergie in sich zu leiten.

13 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Verformungsverhalten Elastizität eines Sägeblattes Elastisch-plastische Verformung eines Stabstahls Die verschiedenen Werkstoffe können elastisches, plastisches und elastisch-plastisches Verformungsverhalten haben. Plastizität eines Bleistabes

14 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Zähigkeit, Sprödigkeit, Härte Bestimmung der Härte Unter Härte versteht man den Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines Prüfkörpers entgegensetzt.

15 Beanspruchung der Werkstoffe Beanspruchungsarten Reale Körper sind nie vollständig starr, sondern sie werden durch äußere Kräfte verformt. Die äußere Kraft leistet Deformationsarbeit, die in dem elastischen Körper als potentielle Energie gespeichert wird. Elastische Körper nehmen nach dem Wegfall der Kraft wieder ihre alte Form an. Nichtelastische Körper behalten nach der Krafteinwirkung die neue Form bei, denn die Energie wurde durch die Verschiebung der Metallgitter genutzt.

16 Innerer Aufbau der Metalle Den Feinbau der Metalle bezeichnet man als kristallinen Aufbau oder als kristalline Struktur. Metallproben unter dem Elektronen-Mikroskop: Man erkennt die Kristallstruktur, die an Tannenbäume erinnert. Kupfer gediegen

17 Metall-Strukturen Metallbindung (Beispiel Eisen) Aus dem Erz reduzierte Metallatome (Eisenatome Fe) Zusammenlagerung Elektronenwolke Metallionen -Verband (aus Eisenionen Fe² + ) Die Metallbindung bewirkt den Aufbau der Metallkristalle und damit den äußerst festen Zusammenhalt (Festigkeit) der Metallteilchen. Metalle sind gute elektrische Leiter. frei bewegliche Elektronen Metallionen

18 Metallgefüge Kristallbildung Entstehung der Kristalle: Metalle bilden normalerweise beim Übergang aus der Schmelze in den festen Zustand Kristalle mit regelmäßig angeordneten Atomen. Diese Kristalle wachsen zu Körnern mit jeweils unterschiedlicher Ausrichtung der Kristallgitter und teilweise unterschiedlichen Kristallsystemen und Zusammensetzungen. globulare Körner dendritische Körner polyedrische Körner lamellares Gefüge

19 Kristalliner Aufbau der Metalle Kristallgitter mit Elementarzelle Die wichtigsten Kristallgitter der Metalle Raumgitter Metallionen Kubischflächenzentriert Kubischraumzentriert Hexagonal dichteste Packung

20 Verformbarkeit der Metalle Aggregatszustände Stufenversetzung Gitterfehler Während der Kristallbildung entstehen Störungen im geometrischen Aufbau des Gittersystems beim Übergang in die feste Phase, durch Gitter- und Phasenumwandlung, thermische Einflüsse und spanlose Umformung. Störungen in der Gitterstruktur erhalten die meisten Werkstoffe überhaupt erst die gewünschten Eigenschaften, sie stellen sie also meistens eine Verbesserung dar.

21 Kristalliner Aufbau der Metalle Defekt im Atomgitter: Zwischengitteratome : Atome oder Ionen, die sich im Atomgitter einer Kristallstruktur nicht auf einem regulären Gitterplatz befinden. Leerstelle ist ein Platz in der regelmäßigen Anordnung von Atomen, Ionen oder Molekülen im Kristallgitter, der unbesetzt ist. Zwischengitteratome sind Atome oder Ionen, die sich im Atomgitter einer Kristallstruktur nicht auf einem regulären Gitterplatz sondern zwischen den Gitterplätzen befinden. Substitutionsatome finden sich in Mischkristallen aus mindestens zwei Stoffen, bei dem die Atome der zweiten Komponente auf regulären Gitterplätzen der ersten Komponente sitzen. Frenkel-Defekt: Ein Ion oder Atom verlässt seinen regulären Gitterplatz und wandert auf eine normalerweise nicht besetzte Position im Kristallgitter.

22 Korngrößen Gefüge mit unterschiedlichen Korngrößen Innerer Aufbau eines reinen Metalls Die gewünschte Korngröße kann erzielt werden durch: Wärmebehandlung z.b. Normalglühen Warmumformen z.b. Warmwalzen Zugabe von Legierungselementen z.b. Mangan bei den Feinkornbaustählen.

23 Metallgefüge im Schliffbild unter dem Rastermikroskop Defekt im Atomgitter: Korngrenzen eines polykristallinen Metalls Körner gibt es fast in jedem metallischen Werkstoff, meist sieht man sie jedoch nicht. Je kleiner die Körner, desto fester ist das Metall. Mit Glühen kann die Korn Größe verkleinert werden. Korngrenzen Kupfer Korngrenzen sind zweidimensionale Gitterfehler. Die Korngrenze trennt in einem Kristall Bereiche (Kristallite oder auch Körner genannt) unter-schiedlicher Ausrichtung mit ansonsten gleicher Kristallstruktur. Korrosion an Korngrenzen An Korngrenzen sammeln bzw. bilden sich Ausscheidungen, insbesondere Oxide. Korngrenze in einer verzinkten Stahloberfläche

24 Kristallgemisch - Mischkristall Legierungen haben gegenüber ihrem reinen Grundmetall meist verbesserte Eigenschaften, wie: Innerer Aufbau einer KristallgemischLegierung höhere Festigkeit verbessertes Korrosionsverhalten größere Härte Bessere Formbarkeit Innerer Aufbau einer MischkristallLegierung

25 Wärmebehandlung «Glühen» Was bedeutet Wärmebehandlung? Durch unterschiedliche Aufheizgeschwindigkeiten, Haltezeiten, Haltetemperaturen und Abkühlungsbedingungen lassen sich Zwangszustände im Werkstoff schaffen oder aufheben. Dies geschieht durch Umlagern von Teilchen (Atome, Moleküle) innerhalb des Gefüges. Dadurch können die Eigenschaften von Metallen gezielt verändert werden. Wärmebehandlung «geschützt» Mit der Wärmebehandlung im Vakuum oder unter Schutzgas werden Oberflächenreaktionen vermieden und werden zudem alle reaktionsfähigen Gasbestandteile erreicht. Das Ergebnis ist eine oxid- und entkohlungsfreie Oberfläche.

26 Übersicht über die Wärmebehandlungsarten Weichglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von Brammen, Blech, Rohren, Halbzeug bessere spanende Bearbeitbarkeit Rekristallisationsglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von Blech, Rohren, Halbzeug Zähigkeit wieder herstellen Härten Wärmebehandlung zum Erhöhen der Härte von Legierungen verschleißfeste, zähe Bauteile Normalglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von Blech, Rohren, Halbzeug feinkörnig, gleichmäßiges Gefüge Magnet-Schlussglühen Glühen in Vakuum oder Schutzgasen sowie Reaktionsgasen Magnetische Eigenschaften reaktivieren Randschichthärten Flamm-, Induktions-, Laserstrahlund Elektronenstrahlhärten Gezielte Oberflächenhärtung Spannungsarmglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von Blech, Rohren, Halbzeug Spannungen im Gefüge abbauen Nitrierhärten Härten von Stahl durch Zufuhr von Stickstoff Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit Vergüten Kombination aus Härten und Anlassen bei höheren Temperaturen Erhöht Dehnbarkeit und Zähigkeit

27 Eisen: Beeinflussung durch metallische Legierungszusätze Elemente Das Element erhöht Das Element erniedrigt Anwendungsbeispiel Aluminium Al Zunderwiderstand, Eindringen von Stickstoff - Nitrierstahl; Desoxidationsmittel bei der Stahlherstellung Chrom Cr Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit Dehnung (in geringem Maße) Nichtrostender Stahl Cobalt Co Härte, Schneidhaltigkeit, Warmfestigkeit Kornwachstum bei höheren Temperaturen Schnellarbeitsstahl mit 10% Co, z.b. für Drehmeißel Mangan Mn Zugfestigkeit, Durchhärtbarkeit, Zähigkeit (bei wenig Mn) Zerspanbarkeit, Kaltformbarkeit, Graphitausscheidung bei Grauguss Vergütungsstahl z.b. für Schmiedeteile Molybdän Mo Zugfestigkeit, Warm-festigkeit, Schneidhaltigkeit, Durchhärtung Anlasssprödigkeit, Schmiedbarkeit, (bei höherem Mo-Anteil) Warmarbeitsstahl, z.b. für Strangpressdorne Nickel Ni Festigkeit, Zähigkeit, Durchhärtbarkeit, Korrosionsbeständigkeit Wärmedehnung EN-GJS-NiCr30-3 Vanadium V Dauerfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit Empfindlichkeit gegen Überhitzung Werkzeugstahl, z.b. für Gewindebohrer Wolfram W Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit, Schneidhaltigkeit Dehnung (in geringem Maße), Zerspanbarkeit Schnellarbeitsstahl mit 6% W, z.b. für Räumnadeln

28 Eisen: Beeinflussung durch nichtmetallische Begleitelemente Elemente Das Element erhöht Das Element erniedrigt Anwendungsbeispiel Kohlenstoff C Festigkeit und Härte (Maximum bei C 0,9%), Härtbarkeit, Rissbildung Schmelzpunkt, Dehnung, Schweißund Schmiedbarkeit Vergütungsstahl mit R m 800N/mm² Wasserstoff H 2 Alterung durch Versprödung, Zugfestigkeit Kerbschlagzähigkeit wird bei der Stahlherstellung entfernt, z.b. durch Vakuumbehandlung Stickstoff N 2 Versprödung, Austenitbildung Alterungsbeständigkeit, Tiefziehfähigkeit Austenitischer Stahl Phosphor P Zugfestigkeit, Warmfestigkeit, Korrosionswiderstand Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit Macht Schmelzen von Stahlguss und Gusseisen dünnflüssig Schwefel S Zerspanbarkeit Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit Automatenstahl Silizium Si Zugfestigkeit, Dehngrenze, Korrosionsbeständigkeit Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit, Tiefziehfähigkeit, Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit Federstahl mit einer Zugfestigkeit R m 1600N/mm²

29 Einteilung und Verwendung der Stähle Stähle Unlegierte Stähle Legierte Stähle Grundstähle Qualitätsstähle Edelstähle Qualitätsstähle Edelstähle Stähle Baustähle Werkzeugstähle Verwendung für: Maschinenbau, Fahrzeugbau, Stahlbau, Gerätebau Verwendung für: Gesenke, Spritzgussformen, Schneid-, Hand- und Maschinenwerkzeuge Unterteilung in: unlegierter Baustahl, Feinkornbaustahl, Automatenstahl, Einsatzstahl, Vergütungsstahl, Nitrierstahl, Federstahl warmfester Stahl, hochwarmfester Stahl, hitzebeständiger Stahl, nichtrostender Stahl, nichtmagnetisierbarer Stahl Unterteilung in: Kaltarbeitsstahl, Warmarbeitsstahl, Schnellarbeitsstahl