Werkstoffkunde. Prof. W. Schenk

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1 Werkstoffkunde 1

2 Werkstoffkunde 2

3 Werkstoffkunde 3

4 Werkstoffkunde 4

5 Werkstoffkunde Sprödbrüche Tanker Kurdistan 1979 Liberty-Klasse

6 Werkstoffkunde Planungsaufgabe: Rasenheizung für neues Stadion Fläche: 80 m x 100 m = m² Verlegeabstand: 0,33 m Rohrlänge: m = 24 km Innendurchmesser: d i 15 mm Preis pro m² Frage: Welcher Werkstoff ist der geeignetste? /m² Stahl schwarz Chromstahl Kupfer blank Kupfer ummantelt Verbundrohr PVC PE vernetzt PE nicht vernetzt PP Kapillarrohr 6

7 Werkstoffkunde Anforderungen: Standfestigkeit: 20 a Gewährleistung des Herstellers? Rohraußenseite: Bodenchemismus Rohrinnenseite: Sole oder Wasser Druckbeständigkeit: normalerweise Überdruck Einsatztemperatur: C Wahrscheinlichkeit von Leckagen Reparaturmöglichkeit, Möglichkeiten der Fehlersuche geringer strömungsmechanischer Druckverlust möglichst sauerstoffdicht Verarbeitung: Umweltschutz: Preis: Notwendigkeit von Befestigungsmaterial oder Sand Installationszeit Abhängigkeit vom Wetter bei Verlegung Anbindung an Hydraulik geläufige Installationstechnik Bietervielfalt aufwändige Baustellenüberwachung (Kapillarrohrmatten) Energieaufwand - bei der Herstellung - bei der Verarbeitung Knappheit des Basismaterials Entsorgung bzw. Recycling Materialpreis Verarbeitungspreis Bewertungsmatrix u. a. ist Werkstoffkunde Grundlage für Bewertung 7

8 Werkstoffkunde WS Übersicht und Begriffe 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2.1 Zugversuch 2.2 Härteprüfung 2.3 Dauerfestigkeitsprüfung 2.4 Kerbschlagbiegeversuch 2.5 Technologische Prüfverfahren 3. Grundlagen der Metallkunde 3.1 Kennzeichnende Eigenschaften von Metallen 3.2 Kristallisationsformen 3.3 Allotropie von Eisen 3.4 Vorgänge im Gitter bei Verformung und Gitterbaufehler 3.5 Keimbildung, Kristallwachstum und Gefügebildung 3.6 Legierungsbildung 3.7 Phasenzustandsdiagramme Vollkommene Unlöslichkeit im flüssigen und festen Zustand Vollkommene Löslichkeit im festen Zustand (MK) und Hebelgesetz Vollkommene Unlöslichkeit im festen Zustand (KM) Teilweise Löslichkeit im festen Zustand 4. Das Eisen-Kohlenstoffschaubild und seine Bedeutung für die Eisenwerkstoffe 4.1 Stahl (mit C-Gehalt bis 2 Ma - %) 4.2 Roh- und Gusseisen mit mehr als 2 % C - metastabiles System - stabiles System 5.2 Härten Grundhärte eines Stahls Abschreck- und Umwandlungshärte Oberflächen- und Randschichthärten 5.3 Anlassen, Vergüten, Altern 6. Legieren von Stahl 6.1 Grundlagen 6.2 Wirkung der wichtigsten Legierungselemente auf die Eigenschaften 6.3 Wirkung der Legierungselemente im Stahl Einfluss der Legierungselemente auf das Phasenzustanddiagramm Einfluss der LE auf die Beweglichkeit der Gitterbausteine Einfluss der LE auf die Gitter- und Gefügestruktur 7. Kennzeichnung und Einsatzgebiete metallischer Werkstoffe 7.1 Begriffsbestimmung und Einteilung bei Stählen 7.2 Allgemeine Werkstoffkennzeichnung nach DIN EN Werkstoffnummer Systematik der Kurznamenbildung von Eisenwerkstoffen 7.3 Kennzeichnung, Eigenschaften und Verwendung von Nichteisenmetallen Kupfer und seine Legierungen Aluminium und seine Legierungen Magnesium und seine Legierungen Titan und seine Legierungen Einige weitere NE-Metalle im Überblick 5. Wärmebehandlung von Stahl 5.1 Glühen Spannungsarmglühen Rekristallisationsglühen Weichglühen Normalglühen Diffusionsglühen evtl. 8. Kunststoffe 8

9 Literatur: [1] Weißbach Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung Viehweg - Verlag [2] Bargel, Schulze Werkstoffkunde Springer - Verlag [3] Greven Werkstoffkunde/Werkstoffprüfung Verlag Handwerk und Technik [4] Bergmann Werkstofftechnik. Bd. I und II Hanser - Verlag [5] Domke Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung Giradet - Verlag [6] Stüwe Einführung in die Werkstoffkunde Hochschultaschenbuch [7] Seidl Werkstofftechnik Hanser - Verlag [8] Merkel u. Thomas Taschenbuch der Werkstoffe Fachbuchverlag Leipzig 9

10 1. Übersicht und Begriffe Metallische Werkstoffe Halbleiter Verbundwerkstoffe Nichtmetall. Werkstoffe Eisenmetalle Nichteisenmetalle Reine Naturst. abgwand. NS Plaste Stahl Gußeisen -Grauguß -Weißguß Leicht~ Schwer~ Hart~ Organ. Anorg. Organ. Anorg. Thermo~ Duro~ Elaste Auswahlkriterien: 1. physikalische Eigenschaften: Festigkeit, Härte, Elastizität, Dehnung, Dichte, Schmelzpunkt, Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität, Schallübertragung 2. technologische Eigenschaften: Gewinnung und Verarbeitung: gießbar, schmiedbar, schweißbar oder spanend bearbeitbar 3. chemische Eigenschaften: Korrosionsbeständigkeit, Brennbarkeit, Wärmebeständigkeit, Toxizität 4. Preis: Material, Verarbeitung, Wartung und Entsorgung 5. Umweltverträglichkeit: Energieverbrauch bei Herstellung, Betrieb und Entsorgung 10

11 1. Übersicht und Begriffe Werkstoffkunde für Versorgungstechnik: 25 >> behandelt nur einen Teilbereich der WK 20 grundlegendes Wissen zum unterschiedlichen Verhalten metallischer Werkstoffe /kg >>10 Ursachen von Eigenschaftsunterschieden Möglichkeiten zur Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften 5 0 0,7 3 3,5 1,8 Fe Al Cu Zn Sn Ti, Cr, W 6 Au, Pt Tafel1-2: Preise für einige ausgewählte Stoffe Ziele: 1. dokumentierte Werkstoffeigenschaften richtig verstehen fundierte Auswahl des optimalen Werkstoffs 3. konstruktiv richtiger Einsatz des Werkstoffs Beispiele aus der Versorgungstechnik: Materialauswahl für Fußbodenheizung Materialauswahl für Trinkwasserinstallation Materialschaden Kessel, Pumpe, Leitung. 0 Gewinderohr schw. Gewinderohr verz. Tafel 1-3: Preise für Rohre: L = 10 m; D~ 50 mm Cu Edelstahl PE 100 PN 12,5 PVC PN 10 11

12 1. Übersicht und Begriffe Beispiele für Werkstoffkennwerte: Symbol Kennwert Einheit Formel R eh obere Streckgrenze N/mm² F eh /S 0 R el untere Streckgrenze N/mm² F el /S 0 R m Zugfestigkeit N/mm² F m /S 0 R p0,2 Dehngrenze bei N/mm² nichtproportionaler Dehnung A 10 Bruchdehnung % (L u -L 0 /L 0 ) * 100 A g Gleichmaßdehnung % A t Gesamtdehnung beim Bruch % Dehnung bis zur Höchstkraft Gleichmaß: gleichmäßige Dehnung über gesamte Länge Z Brucheinschnürung % (S 0 -S u /S 0 ) * 100 L 0 Anfangsmeßlänge mm L u Meßlänge nach dem Bruch mm S 0 Anfangsquerschnitt mm² S u kleinster Probenquerschnitt mm² nach dem Bruch E Elastizitätsmodul N/mm² Δσ/Δε (gilt nur im Bereich der Hookschen Geraden) 12

13 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung Aufgaben der Werkstoffprüfung: 1. Auswahl des geeignetsten Werkstoffs für geg. Anwendungsfall 2. Prüfung der Herstellungsqualität; Risse, Schlackeneinschlüsse, Lunker Unfall- und Folgekostenvermeidung 3. Prüfung der Verarbeitungsqualität 4. Entwicklung neuer Werkstoffe 5. Klärung von Schadensfällen; materialgerechte Gestaltung, Korrosion Werkstoffprüfverfahren: - mechanische Prüfverfahren - zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Ultraschall, Magnetpulver, Farbeindringverfahren, Röntgen- und γ -Strahlen -Haarrissprüfung - mikroskopische Prüfung mit Lichtmikroskop, Röntgenstrahlen, Elektronenmikroskopie - chemische Prüfung (Analyse der Zusammensetzung) - Korrosionsprüfung Beispiele für wichtige mechanische Prüfverfahren: 1. - Zugversuch 2. - Härteprüfung 3. - Dauerfestigkeitsprüfung 4. - Kerbschlagbiegeversuch 5. - technologische Prüfungen 13

14 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2.1 Zugversuch Der Zugversuch erfolgt durch normal zu einer Fläche liegende Zugkräfte. Die Ergebnisse liefern eine Aussage über die Festigkeit, die Elastizität und das Plastizitätsverhalten des geprüften Werkstoffs. Abmessung und Form der Probestäbe sind nach DIN 1605 festgelegt: - Rundstäbe: d 0 = 10 oder 20 mm; L 0 = 5- oder 10- facher Durchmesser - rechteckiger oder quadratischer Querschnitt: L 0 = 5- oder 10- facher Durchmesser eines flächengleichen runden Querschnitts Bild 2.1.1Universalprüfmaschine Bild Probestäbe für Zugversuch L 0 = Messlänge L u = Messlänge nach dem Bruch, Teile zusammengelegt S 0 = Querschnitt, aus d 0 bzw. a und b vor dem Versuch berechnet S u = Querschnitt der Bruchfläche Bild Probestab vor und nach dem Zugversuch 14

15 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2.1 Zugversuch Spannung: σ= F S 0 Dehnung: ε = Δl l 0 Elastizitätsmodul E = σ ε S 0 σ Zugspannung F Zugkraft S 0 Querschnittsfläche vor dem Versuch Ausdehnungskoeffizient E-Modul a Einheit N/mm² 10-6 K -1 unleg. Stahl ,5 GG ,4 Cu ,5 Al ,8 Pb ,0 PVC ,0 PP ,0 PE-HD hart ,0 GFK Werkstoffkennwert Formelzeichen Einheit Zugfestigkeit R m N/mm² obere Streckgrenze R eh N/mm² untere Streckgrenze R el N/mm² 0,2-Dehngrenze R p0,2 N/mm² Elastizitätsmodul E N/mm² Bruchdehnung A % Brucheinschnürung Z % 15

16 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2.1 Zugversuch Temperaturbeständigkeit von Kunststoffen: maximale Dauertemperatur PE nicht vernetzt C PE vernetzt C PP C PP "SU" C Verbundrohr C PVC je nach Ausführung C 16

17 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2.1 Zugversuch Werkstoff ohne ausgeprägter Streckgrenze B Werkstoff mit ausgeprägter Streckgrenze B σ E σ P Bild a) Spannungs-Dehnungsdiagramm ohne ausgeprägter Streckgrenze; z. B. hochlegierter Stahl, Aluminium, Kupfer, Grauguss Bild b) Spannungs-Dehnungsdiagramm mit ausgeprägter Streckgrenze z. B. weicher Stahl Hookscher Bereich: (bis σ P ) Vom Nullpunkt ausgehend steigt die Kurve als Gerade an. Die Dehnung nimmt hier proportional mit der Belastung zu. In diesem Hook schen Bereich ist σ Z / ε konstant und wird als Elastizitätsmodul E bezeichnet. E-Modul = σ ε Fließen bei vielen (zähen, weich geglühten) Metallen: Am Übergang R eh vom elastischen in den plastischen Bereich findet ohne Belastungszunahme ein Streckvorgang statt (plastische Verformung). Der Werkstoff fließt ohne dass die Belastung erhöht wird. Von R eh nach R el beträgt die bleibende Dehnung mindestens 0,2 %. Bezeichnung: Streck- oder Fließgrenze R e Bei einer Belastung bis σ E (=Elastizitätsgrenze) federt der Stab nach Entlastung in seine ursprüngliche Länge l 0 zurück. 17

18 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2.1 Zugversuch Zähigkeit Zugfestigkeit R m : Hinter der Streckgrenze bzw. dem R p0,2 -Wert nimmt die Dehnung mit Belastungssteigerung weiter zu. In Punkt B (= Bruchgrenze) ist die Grenze der Belastbarkeit erreicht. Die hier ermittelte Zugfestigkeit R m ist auf den ursprünglichen Probestabquerschnitt bezogen; er dient häufig der Kennzeichnung eines Stahls. zulässige Spannung: σ zul = R m ν ν: Sicherheitszahl Bild Brucherscheinung bei gehärtetem, sprödem und zähem Werkstoff Eine Beanspruchung über den elastischen Bereich schädigt den Werkstoff. Maximal mögliche Belastungen ohne Schädigung: - Werkstoff mit erkennbaren Fließerscheinungen: R el - Werkstoff ohne Fließerscheinung: R p0,2 Dehngrenze bei der die Spannung eine bleibende Dehnung von 0,2 % bewirkt. Die wirkliche technische Elastizitätsgrenze ist die Spannung, die eine bleibende Dehnung von 0,01 % bewirkt. Da diese Stelle schwierig zu bestimmen ist, wird R p0,2 gewählt. Querschnittseinschnürung: Durch die Streckung ε wird der Querschnitt reduziert. Die tatsächlichen Spannungen sind daher größer als die Diagrammwerte. Die Querschnittseinschnürung ist insbesondere an der späteren Bruchstelle umso ausgeprägter, je zäher der Werkstoff ist. Dehnung: kann sich aus elastischen und plastischen Anteil zusammensetzen ε t = ε e + ε r ε t : Gesamt-Dehnung unter Spannung (total) ε r : plastische Dehnung (bleibend) ε e : elastische Dehnung (auf 0 zurückgehend) Die maximale plastische Dehnung wird häufig als Tabellenwert angegeben: A 5 -Wert oder A 10 -Wert (für l 0 =5 x d 0 bzw. l 0 =10 x d 0 ). 18

19 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2.1 Zugversuch Verschiedene Werkstoffe 19

20 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2.1 Zugversuch Einfluss von Wärmebehandlung Vergleich verschiedener Wärmebehandlungen bei C45 NB: Kerben sind ohne Einfluss 20

21 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 2 Härteprüfung Härte? Definition: Widerstand eines Gefüges gegen das Eindringen eines härteren Prüfkörpers Praxis: Vergleichsmaß für abrasiven Verschleißwiderstand a) b) c) Bild Harteprüfmethoden nach a) Brinell, b) Vickers, c) Rockwell Vergleich der Härteprüfverfahren Brinell Vickers Rockwell Bezeichnung HB HV HRC HRB Prüfkörper Stahlkugel Diamantpyramide Diamantkegel Stahlkugel Vorteile genaue, reproduzierbare Werte Messung dünner Schichten direkte Anzeige des Härtewertes direkte Anzeige des Härtewertes u. einzelner Gefügebestandteile Nachteile nur für weiche und mittelharte nur für mittelharte und harte nur für mittelharte und harte nur für weiche Werkstoffe Werkstoffe Werkstoffe Werkstoffe Anwendung geglühter u. vergüteter Stahl gehärtete Oberflächen gehärteter Stahl Sinterwerkstoffe Leichtmetalle, Schwermetalle Gefügebestandteile von Stählen Leichtmetalle Einfachere Härteprüfverfahren: - dynamische Härteprüfung nach Shore (Rücksprunghärte) - Anritzverfahren nach Mohs 21

22 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 2 Härteprüfung a) Brinellhärte HB nach DIN eine Prüfkugel mit D = 2, 5, oder 10 mm wird mit einer solchen Kraft F in die zu prüfende Oberfläche eingedrückt, daß 0,2 x D<d<0,7 x D aus Kraft u. Eindruckfläche (Kalotte) folgt der Härtewert: HB = 0,102 * F A A = D * π * (D - D² - d² ) * 0,5 Beispiel für ein Prüfergebnis: 190 HB 5/600/15 Einwirkdauer [s] Prüfkraft [kp] Kugeldurchmesser [mm] die Angabe des Härtewertes mit nach gestelltem HB reicht aus wenn: - die Einwirkdauer zwischen 10 bis 15 s betrug - der Belastungsgrad a = 0,102 x F/D² den Wert 30 ergibt (gültig für Eisen und seine Legierungen) 190 HB Bild Harteprüfmethoden nach Brinell HB: Brinellhärte, Angabe in HB F: Prüfkraft in N (1 kp = 9,81 N; 1 N = 0,102 kp) D: Kugeldurchmesser in mm d: Durchmesser des Eindrucks, 0,2*D<d<0,7D A: Fläche des Eindrucks in mm² d = d 1 +d 2 2 R m = 3,5 x HB 22

23 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 2 Härteprüfung Beispielrechnung: Kugeldurchmesser: 10 mm (Stahlkugel) Belastungsgrad: 30 Prüfkraft: N mittlerer Durchmesser des Eindrucks: 4,2 mm Einwirkdauer: 60 s HB = O,102 * *π * (10-10² - 4,2² ) * 0,5 = HB 10/3000/60 Abkürzung nicht möglich da: - Prüfkraft = Belastungsgrad * D² / 0,102 = N - Einwirkdauer nicht zwischen 10 und 15 s 23

24 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 2 Härteprüfung b) Vickershärte HV (nach DIN ) Eindrücken einer Diamantpyramide geeignet für sehr harte Werkstoffe; z. B. eingesetzte und nitriergehärtete Stähle Prüfkraft F wird angepaßt (ca. 2 bis 300 N), so daß d mikroskopisch klein bleibt (unter 1 mm) HV ist proportional dem Quotienten aus der Prüfkraft und der Eindruckfläche (A Pyramide = d²/(2 x cos 22 ) HV= 0,102 * F * 1,854 d² Bild Harteprüfmethoden nach Vickers Beispiel für ein Prüfergebnis: 280 HV 5/15 HV: Vickershärte, Angabe in HV F: Prüfkraft in N d: Mittelwert der Eindrucksdiagonalen in mm - Einwirkdauer [s] - Prüfkraft [kp] Beträgt die Einwirkdauer 10 bis 15 s wird die Angabe im Kurzzeichen weggelassen: 280 HV 5 d = d 1 +d 2 2 für weiche und mittelharte Werksoffe bis ~ 350 HV gilt die Beziehung: HB = 0,95 HV R m = 3,38 x HV 24

25 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 2 Härteprüfung Beispielrechnung: Prüfkraft: 294,3 N (HV 30) mittlerer Durchmesser des Eindrucks: 0,415 mm Einwirkdauer: 20 s HV = O,102 * 294,3 *1,854 0,415² 55,63 = = 323 0, HV 30/20 25

26 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 2 Härteprüfung c) Rockwell-Härte HR (nach DIN ) Prüfvorgang erfolgt mit 2 definierten Laststufen; die bleibende Eindringtiefe wird gemessen HR kann berechnet oder am Messgerät abgelesen werden (siehe Bild 2.2.4) Bild Prüfungsablauf bei der HRC-Härteprüfung 26

27 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 2 Härteprüfung HRC-Prüfung (cone=kegel): geeignet zur Prüfung sehr harter Werkstoffe Eindrücken eines Diamantkegels mit 120 Kegelwinkel Messen der Eindringtiefe t b ; ist in eine Skala mit 100 HRC-Härteeinheiten unterteilt HRC: Rockwellhärte, Angabe in HRC Prüfvorkraft: 98 N Prüfkraft: 1373 N Je geringer die Eindringtiefe desto größer der Wert t b : bleibende Eindringtiefe in mm s: Dicke der Probe s > 10 x t b HRC = t b 0,002 HRC = 0,1 x HB Bild HRC-Härteprüfung s. v. Beispiel für ein Prüfergebnis: 30 HRC HRB-Prüfung (ball): geeignet zur Prüfung weicher Werkstoffe der Prüfkörper ist eine Kugel mit D = 1/16 (=1,34 mm) Prüfungsablauf wie bei HRC (siehe Bild 2.2.4, jedoch beträgt die Prüfkraft nur 883 N die Eindringtiefe ist in eine Skala mit 130 HRB-Härteeinheiten unterteilt Der Härtewert folgt aus: HRB: Rockwellhärte, Angabe in HRB Prüfvorkraft: 98 N Prüfkraft: 883 N t b : bleibende Eindringtiefe in mm s: Dicke der Probe s > 10 x t b HRB = t b 0,002 Bild HRB-Härteprüfung 27

28 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2.2 Härteprüfung Bild Härtevergleichstabelle Durch Härtevergleichstabellen können Härtewerte in allen drei Prüfverfahren angegeben werden Die Mohshärte ist eine relative Härteskala für Minerale, benannt nach dem Mineralogen Friedrich Mohs. Minerale größerer Härte ritzen Minerale geringerer Härte. 1 Talk mit Fingernagel ritzbar 2 Halit 3 Calcit mit Eisen ritzbar 4 Fluorit 5 Apatit 6 Orthoklas ritzt Fensterglas 7 Quarz 8 Topas 9 Korund 10 Diamant 28 Bild Härtevergleichsdiagramm

29 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2.3 Dauerfestigkeitsprüfungen Dimensionierung dynamisch belasteter Bauteile wie Wellen, Federn u. a.: Beachtung der Dauerfestigkeit statische Festigkeitswerte R e bzw. R p0,2 relativ unwichtig Dauerfestigkeit σ D ist die höchste Spannung, die ein glatter, polierter Stab von ~10 mm Durchmesser bei dynamischer Belastung gerade noch beliebig lange ohne Bruch bzw. ohne schädigende Verformung aushält Zeitfestigkeit bei zu hoher Beanspruchung: Der Werkstoff ist nur eine gewisse Zeit fest: 1. nach best. Lastspielzahl zunächst plastische Verformung = Schaden 2. bei höherer Lastspielzahl folgen Anrisse = Dauerbruch 3. Bei weiteren Lastspielen folgt der Restbruch Belastung in [N/mm²] Zeitfestigkeit Bereich plastischer Verformung und Anrisse Schadenslinie Dauerfestigkeit Mögliche Ursachen für Dauerbruch obwohl rechnerische Spannungen im elastischen Bereich (Hook) liegen: Werkstofffehler: Schlackenteilchen, Randentkohlung Oberflächenschäden: Kratzer, Bearbeitungsriefen konstruktive Kerben: Nuten, Wellenabsätze, Bohrungen Berührung mit anderen Bauteilen: aufgepresste Naben, Auflageflächen von Federn Anzahl Lastspiele Bild Wöhlerkurve, schematisch für Zugversuche 29 Bild Dauerbruch einer Ritzelwelle

30 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 3 Dauerfestigkeitsprüfungen Der Wöhlerversuch Bild Entwicklung der Wöhlerkurve 30

31 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 3 Dauerfestigkeitsprüfungen Smith-Diagramm Für praktisch alle metallischen Werkstoffe sind Dauerfestigkeitswerte für alle Beanspruchungen ermittelt. Sie stehen in Dauerfestigkeitsschaubilden (oder Smith-Diagrammen) zur Verfügung. III II R eh, R p0,2 σ o σ u Bild Entstehung eines Dauerfestigkeitsdiagramms nach Smith dynamische Grundbelastungen: dynamisch schwellende: Belastungsfall II die Belastung schwankt zwischen Null und Nennwert (=Höchstwert) Ertragbare Spannungsausschläge lassen sich für jede Mittelspannung als senkrechte Strecke von der 45 - Linie nach oben und unten abgreifen dynamisch wechselnde: Belastungsfall III die Belastung schwankt zwischen einem positiven einem und negativen Höchstwert 31

32 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 3 Dauerfestigkeitsprüfungen Smith-Diagramm σ o Definitionen: Spannung [N/mm²] σ u σ a σ m σ o : Oberspannung σ a : Spannungsamplitude σ m : Mittelspannung σ u : Unterspannung Bild verschiedene charakteristische Spannungen Ablesebeispiel: Ein Stab aus St 37 wird auf Zug-Druck beansprucht. Wie groß darf die Spannungsamplitude sein, wenn die Vorlast +100 N/mm² beträgt? σ u = - 40 N/mm² σ o = +240 N/mm² σ a = +/-140 N/mm² 32

33 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 4 Kerbschlag-Biegeversuch (DIN ) Sprödbrüche Tanker Kurdistan 1979 Liberty-Klasse

34 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 4 Kerbschlag-Biegeversuch (DIN ) zäh duktil verformbar z.b. Kupfer spröde unverformbar z.b. Glas Zähigkeit: Fähigkeit durch plastische Verformung Spannungsüberhöhungen vor einem Riß abzubauen Spröde ist ein Werkstoff, der ohne makroskopische Verformung instabil bricht H h Versuch: definiert eingekerbte Probestücke werden in einem Pendelschlagwerk (Bild 2.4.1) durch einen aus der Höhe H fallenden Hammer der Masse m zerschlagen. Mit der anschließenden Ausschlaghöhe h erhält man die Durchschlagsarbeit W = m * g * (H - h) Bild Pendelschlagwerk mit Probestück ISO-Spitzkerb-Probe Kerbschlagzähigkeit a K = mit S: Probenquerschnitt im Kerbgrund W S DVM-Probe (für Gusswerkstoffe) 34

35 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 4 Kerbschlag-Biegeversuch (DIN ) Wichtig für die Planung und Betrieb von Anlagen: Sprödbruch wird gefördert: 1. Mehrachsige Spannungszustände Zug/Druck, Schub, Biegung, Torsion Bild Spannungszustände 2. Schlagartige Beanspruchung Bsp.: Transport, Fahrwerk bei Schlagloch a K 3. Tiefe Temperaturen Temperaturverhalten: tiefere Temperatur: spröder Trennbruch höhere Temperatur: zäher Verformungsbruch Bild Kerbschlagarbeit-Temperaturkurve 35

36 2. Ausgewählte mechanische Methoden zur Werkstoffprüfung 2. 5 Technologische Prüfverfahren Technologische Prüfverfahren ahmen Verarbeitungsvorgänge nach. Frage: - Risse? - unerwünschte Verformungen? Faltversuch: Biegbarkeit des Werkstoffs keine Risse an der Außenseite Bild Faltversuch Tiefungsversuch nach Erichsen: Tiefziehfähigkeit de Werkstoffs Bleche, Bänder s=0,2...2 mm Erichsentiefung IE: Eindringtiefe des Stempel bei Rißbildung Bild Tiefungsversuch nach Erichsen Aufweitungsversuch: Aufweitfähigkeit von Rohren Kegel weitet Rohr bis zur Rißbildung auf Aufweitverhältnis D = d 1 -d 0 d 0 36 Bild Aufweitversuch

37 3. Grundlagen der Metallkunde 3.1 Kennzeichnende Eigenschaften von Metallen Leitfähigkeit Das Periodensystem der Elemente kann in 3 Bereiche eingeteilt werden: Nicht-Metalle: keine elektrische Leitfähigkeit I Gruppe VIII (Nichtleiter) 1 H He Halbmetalle: geringe elektrische Leitfähigkeit (Halbleiter) Leitfähigkeit steigt mit der Temperatur Periode Metalle: gute elektrische Leiter (Leiter) Leitfähigkeit sinkt mit der Temperatur 7 Leitfähigkeit Bild Zuordnungen im Periodensystem Der Transport elektrischer Ladung in Elementen festen Aggregatszustandes erfolgt durch Elektronen. Je leichter ein Atom Elektronen abgibt, desto besser die elektrische Leitfähigkeit. Im PSE nimmt diese Neigung zu: - zeilenmäßig von rechts nach links - spaltenmäßig von oben nach unten Metall-Ionen Metallbindung: Metalle im festen Aggregatszustand stellen einen Verband positiv geladenen Atomgerüste (Ionen) dar die gemeinsam abgespaltenen Elektronen sind relativ frei beweglich: Elektronengas oder Elektronenwolke elektrische Kräfte der Kollektivelektronen halten den Verband positiv (sich abstoßender) Ionen zusammen Bild Metallbindung Elektronenwolke ~Elektronen-Pool 37

38 3. Grundlagen der Metallkunde 3.1 Kennzeichnende Eigenschaften von Metallen Eigenschaft der Metallbindung: + gute Wärmeleitung + gute elektrische Leitfähigkeit + hohe Festigkeit + Umformbarkeit (Plastizität) + charakteristischer Glanz + kristalliner Aufbau + Verfestigung bei Kaltverformung ++ Einbau von Atomen anderer Metalle und Nichtmetalle Bildung von Legierungen Kräfte zwischen Ionen und Elektronengas: positive Atomrümpfe stoßen sich gegenseitig ab negative Elektronen stoßen sich gegenseitig ab positive Atomrümpfe und frei bewegliche Elektronen ziehen sich an Anziehende und abstoßende Kräfte bewirken einen genau definierten mittleren Abstand der Atomkerne dieser stabile Gleichgewichtszustand ist der Ort des geringsten Energiepotentials um diesen Abstand schwingen die Ionen je nach Temperatur mehr oder weniger stark hin und her 0 Abstand l der Atomkerne Gleichgewicht der Abstand dieses stabilen System kann z. B. durch eine Zugspannung bis auf ein Maximum = Trennbruch vergrößert werden Bild Kräfte zwischen den Bausteinen eines Kristallgitters 38

39 3. Grundlagen der Metallkunde 3.2 Kristallisationsformen die systematische Anordnung der Atome nennt man Gitter jedes Metall hat sein typisches Gitter die kleinste Einheit einer best. Kristallform nennt man Elementarzelle = Einzelzelle Bild zeigt die für Metalle relevanten Gittersysteme: - kubisches Gitter einfach kubisch (kommt in der Natur nicht vor) kubisch raumzentriert (krz) kubisch flächenzentriert (kfz) - hexagonales Gitter (h) Kantenlänge a bzw. b werden als Gitterkonstanten bezeichnet. Sie stellen eine kennzeichnende Abmessung ( Eckatomabstand ) einer Einzelzelle dar. einfach kubisch kubisch raumzentriert (krz) kubisch flächenzentriert (kfz) hexagonal (h) Bild übliche Kristallisationsformen bei Kristallen Atomdurchmesser = Atomabstand an engster Gitterstelle Atome berühren sich nahezu Raumerfüllungsgrad (Packungsdichte) ist das Verhältnis des Volumens der Atome innerhalb einer Zelle und dem Volumen dieser Zelle unter der Annahme völliger Berührung kugelförmiger Atome an der engsten Stellen. Gittertyp kubisch krz kfz h Raumerfüllungsgrad 53% 68% 74% 74% γ-fe (Austenit), Mg, Be, Ti Beispiele nicht in Natur α-fe (Ferrit) Diamant Zn, Graphit Tafel Gittertyp und Raumerfüllungsgrad für einige Metalle 39

40 3. Grundlagen der Metallkunde 3.3 Allotropie von Eisen Umwandlung durch Änderung der Kristallstruktur allotrope Modifikationen manche Metalle können in mehreren Gittertypen auftreten im Gleichgewichtszustand ist die Struktur von Temperatur (und Druck) abhängig Fe: T<906 C: α- Fe krz = Ferrit T>906 C: γ -Fe kfz= Austenit Temperatur [ C] Schmelze krz δ- Eisen kfz γ -Eisen krz α- Eisen Die Abkühlungs- und Erhitzungskurven von reinem Eisen zeigen Haltepunkte. Ursachen: 1. Aggregatszustandsänderung bei C 2. Gitterwechsel: bei C, 906 C 3. Änderung des Ferromagnetismus 769 C Zeit Abkühlen Erhitzen Bild Abkühlungs- und Erhitzungskurven von reinem Eisen Änderung des Gittertyps = Änderung der Packungsdichte ( Umklappen ) = Änderung des Volumens Nachweis mit dem Dilatometer: 906 WA: Wegaufnehmer S Schubstange, A Auflage, O Ofen, P Probe Bild Dilatometer Stahl: α= 1,22 *10-5 m/(m*k) Bsp.: 100 K, 100 m -> 12,2 cm Bild Allotropie des Eisens 40

41 3. Grundlagen der Metallkunde 3.4 Vorgänge im Gitter bei plastischer Verformung und Gitterbaufehler elastische Verformung: bei geringer Belastung plastische Verformung: bei entsprechend hoher Belastung die obere Lage wird über den Berg geschoben Die plastische Verformung (Abgleitung) erfolgt mit dem geringsten möglichen Kraft- bzw. Energieaufwand auf bevorzugten Gleitebenen: Ebenen auf denen Atombausteine am dichtesten beieinander liegen Ein metallisches Bauteil besteht aus sehr vielen unterschiedlich orientierten Kristallen (Körnern). Je höher die Anzahl der Gleitebenen der Kristalle ist, desto häufiger liegen Gleitebenen in Verformungsrichtung gute Verformbarkeit. Bild elastische Verformung am Idealkristall Verformungsvermögen der Gittertypen: - kfz-gitter: sehr viele Gleitebenen mit sehr hoher Besetzungsdichte bestes Verformungsvermögen - krz-gitter: sehr viele Gleitebenen mit hoher Besetzungsdichte mäßiges Verformungsvermögen - h-gitter: wenige Gleitebenen mit sehr hoher Besetzungsdichte schlechtes Verformungsvermögen Verformbarkeit Gitter- Metall gut mäßig schlecht system Au X kfz Ag X kfz Cr X krz Cu X kfz α-fe X krz γ-fe X kfz Mg X h α-ti X h γ-ti X krz Tafel Verformbarkeit einiger Metalle abhängig von ihrem Kristallgitter 41

42 3. Grundlagen der Metallkunde 3.4 Vorgänge im Gitter bei plastischer Verformung und Gitterbaufehler Idealkristall: fehlerfreier Gitteraufbau Realkristall: Abweichungen vom Gittertyp Gitterfehler (Defekte) Gitterfehler können sich positiv oder negativ auf die gewünschten Werkstoffeigenschaften auswirken dimensionaler Gitterfehler: Punktfehler 2. 1-dimemsionaler Gitterfehler: Linienfehler 3. 2-dimensionaler Gitterfehler: Flächenfehler Punktfehler Punktfehler Linienfehler 1. Punktfehler unterscheidet man: - einzelne Gitterplätze unbesetzt (1) - Zwischengitterplätze mit Fremdatomen besetzt (2) - Fremdatome auf Gitterplätzen (3) Ursachen: * hochenergetische Strahlung (1) * Verunreinigungen (2 und 3) ggf. beabsichtigt Punktfehler Bild Baufehler beim Gitteraufbau Flächenfehler 2. Linienfehler oder Versetzung: eine Atomreihe ist nicht angebunden Ursache: * Erstarrungsvorgang * bei plastischer Umformung An Versetzungen lasen sich besonders leicht Verformungen durchführen. 3. Flächenfehler: In nahezu parallel und in gleicher Ebene liegende Reihen von Atomen sind nicht angebunden. Ursache: geringer Orientierungsunterschied beim Gitteraufbau Bei Winkelunterschieden >10 : Korngrenze; zwei separate Körner Wechselseitige Bindungen sind sehr geschwächt. Gitterbaufehler beeinflussen die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Werkstoffen 42

43 3. Grundlagen der Metallkunde 3.4 Vorgänge im Gitter bei plastischer Verformung und Gitterbaufehler 43

44 3. Grundlagen der Metallkunde 3.4 Vorgänge im Gitter bei plastischer Verformung und Gitterbaufehler Das Auflichtmikroskop Objekt ist nicht lichtdurchlässig 1 Lichtquelle 2-4 Lichtbündelung 5 Planscheibe 6 Okular 7 Objektiv 8 Objektivträger Präparieren der Oberfläche Bild Aufbau eines Auflichtmikroskops 1. Probenahme aus dem Bauteil ca. 15 mm quadratisch durch Brennschnitt, Sägen, Hobeln, Fräsen, Drehen, Trennschneiden 2. Einebnen durch Nassschleifen 3. Polieren mit Diamant oder Al 2 O 2 auf einer Filzscheibe 4. Ergebnis: spiegelblanke Oberfläche 5. Nachweis: 1. - Einschlüsse 2. - Schweißgut 3. - Graphitlamellen GGL 6. Alle anderen Fälle: Kontrastieren durch Ätzen 44

45 3. Grundlagen der Metallkunde 3.4 Vorgänge im Gitter bei plastischer Verformung und Gitterbaufehler Ätzen: Erzeugen von Relief oder farbigen Reaktionsschichten 1. Korngrenzätzen: gezieltes Lösen von - Korngrenzen, - Verunreinigungen, - gestörten Gitterbereichen 2. Kornflächenätzen Kornorientierung Zusammensetzung Körner mit unterschiedlicher Helligkeit Farbe (Auskunft über Dicke von Reaktionsschichten) Auswerten Art der Körner (Phasen) Anteile an Flächen Korngröße (statistische Verteilung) Kornform - lamellar - globular -nadlig Vergleich mit Richtreihen 45

46 3. Grundlagen der Metallkunde 3.4 Vorgänge im Gitter bei plastischer Verformung und Gitterbaufehler Einige Daten üblicher metallischer Werkstoffe: typische Korngröße: einige µm sehr viele Baufehler Anzahl Versetzungen je cm³: ~10 12 aneinander gereihte Schwachstellen: einige km/cm³ Zugfestigkeit Idealkristall Fe (berechnet): R m ~ N/mm² Zugfestigkeit Realkristall Fe: R m ~ 10 N/mm² Versetzungen sind entscheidende Schwachstellen des Gitters - Festigkeit +Umformbarkeit Ab einer bestimmten Versetzungsdichte steigt die Formänderungsarbeit wieder an (siehe Bild 3.4.3). Ursache: Versetzungen behindern das Abgleiten durch Blockieren Zugfestigkeit R m Anzahl Versetzungsfehler z.b. Kaltumformung z.b. Rekristallisationsglühen Bild Zugfestigkeit in Abhängigkeit von Versetzungsdichte, schematisch Haarkristalle, Whisker: nahezu fehlerfreie Kristalle Unter besonderen Bedingungen gelingt es solche Kristalle zu züchten: - absolute Staubfreiheit - Erschütterungsfreiheit - kontrollierte Kristallisationsbedingungen Die Abmessungen sind (noch) sehr gering; die Form ist fasrig. 46

47 3. Grundlagen der Metallkunde 3.5 Keimbildung, Kristallwachstum und Gefügebildung Definitionen: Komponenten: sind die verschiedenen chemischen Elemente aus denen z. B. eine Legierung zusammengesetzt ist Kristall: gitterartige Ionenverbände; nach geometrischen Gesetzen aufgebaute Raumgitter führen zu festen ebenflächig begrenzten Kristallen Mischkristall: Lösung im festen Zustand Kristallmischung: Gemenge im festen Zustand Kristallite: von der regelmäßigen Kristallform abweichend; Gebilde die nicht die Gestalt frei wachsender Kristalle haben; Begrenzungsflächen sind unregelmäßig Ursachen: ungleichmäßiges Abkühlen, Verunreinigungen Korn: ist die Summe aus sehr vielen Kristallen Korngrößen: - Feinkorn ~ 15 µm - Grobkorn ~ 250 µm Gefüge: - besteht aus vielen Körnern - ~ einer Legierung kann durch Schleifen, Polieren und geeignetes Ätzen sichtbar gemacht werden. Es ist abhängig von der Zusammensetzung, Abkühlgeschwindigkeit und Wärmebehandlung Legierung: besteht aus einer Mischung eines Metalls mit einem oder mehreren anderen Metallen oder Nichtmetallen (z.b. Fe-C, Ni-Cu, Al-Zn-Mg) Phase: werden alle Bereiche einer Legierung bezeichnet, die die gleiche physikalische und chemische Eigenschaft aufweisen; Phasen haben eine Zusammensetzung 47

48 3. Grundlagen der Metallkunde 3.5 Keimbildung, Kristallwachstum und Gefügebildung Übergang flüssig kristallin: Haltepunkt: Temperatur bleibt am Schmelzpunkt konstant bis alles erstarrt ist Keimbildung und Kristallwachstum (siehe Bild 3.5.1): 1. Bildung von Kristallisationskeimen oder -Kernen in regelloser Anordnung der Schmelze durch Unterkühlung 2. Kristallwachstum durch Ankristallieren Bild Abkühlkurve Metall am Erstarrungspunkt 3. Energiegewinn E G durch Kristallisationswärme~Erstarrungswärme (Schwingungsenergie der Atome nimmt durch Kristallisation ab) Aufheizen der Schmelze: Behinderung weiterer Keimbildung 4. Energiebedarf E B zur Bildung der Oberfläche des Kristalls --> Abkühlen der Schmelze. Die gebildeten Keime wachsen frei in der Schmelze bis: sie zusammenstoßen sich wieder auflösen Bild Keimbildung und Keimwachstum 48

49 Keimbildungsrate n 3. Grundlagen der Metallkunde 3.5 Keimbildung, Kristallwachstum und Gefügebildung Gefügebildung durch Unterkühlung: zur Keimbildung ist ein kurzzeitiges Unterschreiten des Schmelzpunktes erforderlich = Unterkühlung ΔT Energiegewinn durch Kristallisation ΔT viele Keime Feinkorn ΔT wenige Keime Grobkorn *) nach Erstarrungsbeginn heizt die bei der Kristallbildung frei werdende Schmelzwärme die Schmelze bis zur Schmelztemperatur auf ΔT=T Schmelz -T örtlich langsame Wärmeabfuhr begünstigt Grobkornbildung schnelle Wärmeabfuhr begünstigt Feinkornbildung *) Kleine Kristalle müssen zum Wachstum volumenspezifisch mehr Energie abgeben als große Kristalle (siehe Bild 3.5.4). Ist der Energiebedarf für die Oberflächenbildung (insbesondere bei kleinen Kristallen) größer als das Energieangebot, lösen sich die Kristalle wieder auf. Die Keimbildungsrate [Keime je Schmelzvolumen und Zeit] steigt mit der Unterkühlung (Bild 3.5.5). Bild zeitlicher Temperaturverlauf eines Stoffsystems beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand Bild erforderliche Unterkühlung ΔT einer Schmelze in Abhängigkeit von der Korngröße d K Korndurchmesser d K Unterkühlung ΔT Weitere Faktoren zur Förderung der Keimbildung: + Fremdstoffe + Verunreinigungen + Erschütterungen (Ultraschall) geringere Unterkühlung notwendig Bild Keimbildungsrate n in Abhängigkeit von der Unterkühlung ΔT der Schmelze Unterkühlung ΔT 49

50 3. Grundlagen der Metallkunde 3.5 Keimbildung, Kristallwachstum und Gefügebildung Technische Bedeutung der Kornbildung: Gießen in Metallform (Kokille) - Abkühlgeschwindigkeit, ΔT Keimzahl - Körner wachsen bis zur Berührung mit anderen und bleiben klein - Feinkorn: +Zähigkeit ~Verformbarkeit +Festigkeit Bild Gefügebildung beim Gießen in Metallform Gießen in Sandform -Abkühlgeschwindigkeit, ΔT Keimzahl - Körner wachsen bis zur Berührung mit anderen oder werden in größere umgeformt - Grobkorn: + Zerspanbarkeit + elektrische Eigenschaften + magnetische Eigenschaften Gefügeänderungen im festen Zustand: Bild Gefügebildung beim Gießen in Sandform 1. bei Änderung der Gitterstruktur Beispiel: Eisen bei 906 C kfz krz 2. je näher die Temperatur am Schmelzpunkt ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, daß kleine Körner von großen Körnern übernommen werden --> Gefüge wird grobkörniger der Große frißt den Kleinen 50

51 3. Grundlagen der Metallkunde 3.5 Keimbildung, Kristallwachstum und Gefügebildung Anisotropie = von Kristall und/oder Gefüge Eigenschaften sind richtungsabhängig mechanische Eigenschaften Beispiel: E-Modul krz-eisen - in Würfelkantenrichtung N/mm² - in Würfeldiagonale N/mm² - das Gefüge (isotrop) N/mm² chemische Eigenschaften Textur: Bezeichnung für die Gefügeorientierung Ursachen für Anisotropie: 1. Kristallwachstum: Vom Rand wachsende Stengelkristalle durch Abkühlung 2. Verformungsprozesse: Quetsch- oder Streckvorgänge beim Kaltschmieden oder Walzen Bild vom Rand gewachsene Stengelkristalle Beispiele Natur: - Holz: Festigkeit, Wasseraufnahme - Muskulatur (Fibrillen) Beispiele Technik: - Graphit: die el. Stromleitung ist in Schichten besser als quer dazu - Hochbelastete Schrauben, Werkzeuge - gewalzte Schraubengewinde (Faser ist nicht durchtrennt) Bild Entstehung einer Walztextur 51

52 3. Grundlagen der Metallkunde 3.6 Legierungsbildung (hier nur Zweistofflegierungen) Legierung = - Metall + mind. ein weiteres chemisches Element, welches bewußt hinzugefügt wurde (Stoffgemenge) - keine chemische Verbindung, es entstehen keine neuen Moleküle abhängig von: - Auswahl der Komponenten - Konzentration der Komponenten - Verarbeitungstechnik lassen sich gezielt Werkstoffe mit einer Vielzahl verschiedenster Eigenschaften herstellen Grundbestandteile heißen Komponenten: evtl. physikalische Reaktion ->Bildung neuer Gefüge Gefüge: Einphasige, homogene Legierung Gefüge: Zweiphasige, heterogene Legierung Bild Mischkristall Bild Kristallmischung 52

53 3. Grundlagen der Metallkunde 3.6 Legierungsbildung M ischkristalltyp (M K) Kristallgemischtyp (KM ) Löslichkeit der Komponenten Die Atome bleiben auch im Kristallgitter feinst miteinander vermengt Unlöslichkeit der Komponenten Jede Atomart bildet eigene Kristalle, die miteinander verw achsen sind Voraussetzung für das Verhalten von zw ei Komponenten zueinander Gleichheit der Komponenten Ungleichheit der Komponenten (evtl. kleine Unterschiede) Substitutionsmischkristall: gleicher Gittertyp ähnliche Atomgröße (+/-15 %) bei Fe: Cr, Ni, Mn, Si, Al, Co, W bei Al: Cu, Mg, Si, Zn Einlagerungsmischkristall: rel. kleine Abmessungen der einzulagernden Atome im Verhältnis dazu große Gitterlücken bei Fe: N, H, B. C in hohen Maß, wenn Gitter kfz (Bild 3.7.1) Bsp.: Cd-Bi - Wismuth kristalliert rhomboetrisch - Cadmium kristalliert hexagonal Bild Kristallgemisch Bild Substtutions- Mischkristall Bild Elinlageungsmischkristall 53

54 3. Grundlagen der Metallkunde 3.7 Phasenzustandsdiagramme für Zweistoffsysteme Eigenschaften von Mehrkomponentensystemen: Aggregatszustand gegenseitiges Löslichkeitsverhalten Kristallisationsformen abhängig von: (Druck) Temperatur Konzentration Gasförmiger Zustand: miteinander vermischte Komponenten sind immer vollkommen löslich Flüssiger Zustand: 1. vollkommene Unlöslichkeit bei jeder Temperatur und Konzentration keine Legierungsbildung möglich (Bild 3.7.2) Bsp.: Fe-Pb 2. teilweise Löslichkeit abhängig von Temperatur und Konzentration Bsp.: Pb-Zn (Bild ) 2. vollkommene Löslichkeit bei jeder Temperatur und Konzentration Bsp.: Ni-Cu Fester Zustand: 1. vollkommene Unlöslichkeit - wenn im flüssigen Zustand Unlöslichkeit keine gegenseitige Beeinflussung der Eigenschaften keine Legierungsbildung Erstarrungs- bzw. Schmelztemperaturen sind im Gemisch wie in reiner Form 2. teilweise Löslichkeit oft wird Löslichkeit mit fallender Temperatur geringer (Bild 3.7.1) Zweitphase wird in Form von Ausscheidungen aus dem Gitter gedrängt 3. vollkommene Löslichkeit (Bild 3.7.3) 1147 C Kann maximal 2 % C lösen Raumtemperatur Kann maximal 0,02 % C lösen Bild Strukturänderung führt zu veränderter C-Löslichkeit 54

55 3. Grundlagen der Metallkunde Vollkommene Unlöslichkeit im flüssigen und festen Zustand keine Legierungsbildung - keinerlei Wechselwirkungen Keine Änderung der Erstarrungs- bzw. Schmelztemperaturen im Gemisch gegenüber reiner Form Festigkeit, Dehnung, Aussehen und Dichte der Komponenten bleiben unverändert Stoffsystem mit Unlöslichkeit im flüssigen Zustand ist für Werkstoffkunde ohne Bedeutung Bild Phasenzustandsdiagramm für das System Fe-Pb 55

56 3. Grundlagen der Metallkunde Vollkommene Löslichkeit im festen Zustand (Mischkristall-Bildung) und Hebelgesetz Solituslinie Liquituslinie 0 A B a C b c B A C Mischkristall (MK) Zeit Bild Erstellen des Phasenzustandsdiagramm für für das System Cu-Ni Liquituslinie: begrenzt Gebiet der Schmelze nach unten 2-Phasengebiet: Schmelze + Mischkristalle unterschiedlicher Konzentration Erstarrung innerhalb eines Temperaturintervalls Temperaturbereich ist abhängig von Konzentration Solituslinie: begrenzt Gebiet der festen Phase nach oben Konnode: Isotherme im 2-phasengebiet Für jede Konzentration gilt bei einer bestimmten Temperatur im 2-Phasengebiet: Konzentration der (Rest-)Schmelze: der Schnittpunkt einer gegebenen Temperatur mit der Liquituslinie (A, B, C ) Konzentration der festen Phase (MK): der Schnittpunkt einer gegebenen Temperatur mit der Solituslinie (A, B C ) 56

57 3. Grundlagen der Metallkunde Vollkommene Löslichkeit im festen Zustand (MK-Bildung) und Hebelgesetz Erläuterungen zum Phasenzustandsdiagramm Bild 3.7 bei Abkühlung der Schmelze von Pkt. 0 bilden sich im Pkt. A die erste Menge der festen Phase Konzentration der festen Phase: Schnittpunkt Konnode a mit Solituslinie in Pkt. A Konzentration der Schmelze: Schnittpunkt Konnode a mit Liquituslinie in Pkt. A bei weiterer genügend langsamer Abkühlung auf Temperatur der Konnode b: Konzentration aller Kristalle: Schnittpunkt Konnode b mit Solituslinie in Pkt. B Konzentration der Schmelze: Schnittpunkt Konnode b mit Liquituslinie in Pkt. B bei weiterer genügend langsamer Abkühlung auf Temperatur der Konnode c: Konzentration aller Kristalle: entsprechend Pkt. 0 Konzentration der Schmelze: Schnittpunkt Konnode mit Liquituslinie in Pkt. C (theoret. letzte Restmenge) Randbedingungen für Erstellung des Phasenzustandsdiagramms: 1. vollkommener Konzentrationsausgleich in fester und flüssiger Phase durch Stofftransport = Diffusion 2. Temperaturgleichheit an jeder Stelle des Systems durch Wärmetransport 3. Unendlich langsame Abkühlung 57

58 3. Grundlagen der Metallkunde Vollkommene Löslichkeit im festen Zustand (MK-Bildung) und Hebelgesetz Hebelgesetz: (anwendbar auf Mischkristallbildung und Kristallmischung) geometrische Verhältnisse im Phasenzustandsdiagramm zeigen Mengenverhältnisse von zwei Phasen Voraussetzung: Gleichgewicht der Phasen im betrachteten Zustandspunkt anwendbar auf alle Stoffsysteme anwendbar auf beliebig viele Systemkomponenten Temperatur mit: c 0 : Konzentration der Mischung c K : Konzentration des Kristallisats c S : Konzentration der Schmelze m m : Mischungsmenge m K : Kristallisatmenge m S : Menge Restschmelze Regeln: 1. Die Schnittpunkte der Konnode mit den beiden Gleichgewichtslinien geben die Zusammensetzungen der beiden Phasen an 2. Die Massen der beiden Phasen verhalten sich wie die Längen der abgewandten Konnodenabschnitte mit: m m = m K + m S (1) m m * c 0 = m K * c K + m S * c S (2) folgt: Schmelze m K * (c 0 -c K ) = m S * (c S -c 0 ) m K * a = m S * b Hebelgesetz Konnode m K m S Kristallisatmenge m K b = = Mischungsmenge m m a + b a Mischkristall b Menge Restschmelze m S a = = Mischungsmenge m m a + b c K c 0 Bild Darstellung der Hebelbeziehung c S Konzentration der Komponenten Menge Restschmelze m S a = = Kristallisatmenge m K b 58

59 3. Grundlagen der Metallkunde Vollkommene Löslichkeit im festen Zustand (MK-Bildung) und Hebelgesetz Industrielle Produktion: schnelle Abkühlung Seigerungen = Konzentrationsunterschiede (heterogen): anfänglich sich bildende feste Phase hat höheren Anteil an leichter kristallisierenden Komponente A Zonenmischkristalle Blockseigerungen C B Bild Konzentrationsunterschiede im Mischkristall Bild Blockseigerung nachträgliches Erwärmen = Glühen Homogenisierung durch Diffusionsvorgänge 59

60 3. Grundlagen der Metallkunde Vollkommene Unlöslichkeit im festen Zustand - Kristallmischung (KM) V-Diagramm S+A A c 0 b C a B A Löslichkeit A B m K ms A + B KM Unlöslichkeit c K c 0 c S reines A Eutektikum Gefügeausbildung 1 3 reines B Bild Erstellen des Phasenzustandsdiagrammes für Kristallmischung Merkmale: Zeit 1. Bei Abkühlung entmischen sich die beiden Komponenten Zuerst entstehen A-Kristalle, dann das Eutektikum Mengenanteil entsprechned Hebelgesetz 2 Zuerst entstehen B-Kristalle, dann das Eutektikum Mengenanteil entsprechned Hebelgesetz 2. T S der Legierung ist niedriger als T S von A bzw. B 3. T Smin im Eutektikum 4. Eutektikum erstarrt wie reiner Stoff Bild Gefügeausbildung bei Kristallmischung Eutektikum E = A+B sehr feines Gemenge im Korn schichtförmig aufgebaut 5. Es gilt das Hebelgesetz: Eutektikum: tiefer Schmelzpunkt sehr fein miteinander verzahnte Kristalle A und B gut fließend m K * (c 0 -c K ) = m S * (c S c 0 ) 60

61 S1 3. Grundlagen der Metallkunde Vollkommene Unlöslichkeit im festen Zustand - Kristallmischung (KM) Zwischenstadium mit Mischkristallbildung Temperatur 0 Schmelze S Temperatur MK + S MK A + MK B + MK A + B Unlöslichkeit A B E 3 w 3 - Liquituslinie - Phasenumwandlungslinien - Solituslinie bei langsamer Abkühlung (Gleichgewichtsfall) von Pkt. 0: MK + S: hier kristallisieren bei Abkühlung immer mehr Mischkristalle aus; die Zusammensetzung der MK ändert sich dabei MK: die an der Solituslinie gebildeten MK liegen vor A + MK: es bilden sich immer mehr reine A-Kristallite; die Mischkristalle verarmen an A E 3 : A-Kristallite + Mischkristalle (haben Konzentration w 3 ) A + B: A-Kristallisat + Eutektoid (=Gemenge aus kleinem A- und B-Kristallisats mit w 3 ) Bild Mischkristallbildung als Zwischenstatium Zeit Abschrecken = schnelles Abkühlen aus MK weit unterhalb Horizontalen MK werden eingefroren --> Gefüge bleibt homogen --> Härtung von Stahl u. Leichtmetalllegierungen sieh Kap. 5 61

62 Folie 61 S1 kein Knick da keine Änderung der Phasen SchenkW;

63 3. Grundlagen der Metallkunde Teilweise Löslichkeit im festen Zustand Temperatur Temperatur Schmelze S S A S + α-mk α-mk A + B α-mk+ β-mk S + β-mk β-mk 0 21 w E % vollkommene Unlöslichkeit Mischungslücke B bei langsamer Abkühlung: Bild Mischkristallbildung als Zwischenstadium S: A und B voll ineinander löslich S + α-mk α-mk+β-mk + S α-mk+β-mk Zeit vollkommene Löslichkeit S + α-mk: S + β-mk: α-mk: an A verarmende S scheidet A-reichere α-mk aus an B verarmende S scheidet B-reichere β -MK aus nur A-reichere MK β-mk: nur B-reichere MK jeweilige α-mk+β-mk: Unlöslichkeit = Mischungslücke Konzentration B: grobes α-mk bzw. β-mk + feines Gemenge aus - α-mk: 21% α-mk und - β-mk - β-mk: 72% 62

64 3. Grundlagen der Metallkunde Teilweise Löslichkeit im festen Zustand Praxis Temperatur Temperatur Schmelze S S α-mk S + α-mk A + B α-mk+ β-mk S + β-mk β-mk 0 w E 100 % S + α-mk α-mk α-mk+β-mk Bild Mischkristallbildung als Zwischenstatium Zeit Löslichkeit im festen Zustand: nimmt mit der Temperatur ab Abschrecken = schnelles Abkühlen von α-mk auf Raumtemperatur α-mk bleiben erhalten --> Härten Kap. 5 63

65 4. Das Eisen-Kohlenstoffschaubild und seine Bedeutung für die Eisenwerkstoffe γ -MK Ferrit Temperatur in C γ -MK + Ferrit-Mk eutektoider Punkt A G P γ -MK Aussch. von Ferrit Perlit + Ferrit Perlit γ -MK + S S Perlit + Sekundärzementit Ausscheidung von γ -MK E γ -MK + Sekundärzementit Ausscheidung von Sekundärzementit Ferrit-MK Stahl Gußeisen Schmelze S γ -MK +(in) Ledeburit a + Sekundärzementit aus γ -MK Perlit +(in) Ledeburit z + Sekundärzementit für stabiles Fe -C System Restschmelze 4,3 % ist zum Eutektikum erstarrt Ledeburit (Eutektikum) Primärzementit +(in) Ledeburit a Primärzementit +(in) Ledeburit z S + Primärzementit eutektischer Punkt Bild Phasenzustandsdiagramm von metastabilem und stabi Fe-C-System O,02 0,8 4,3 6, Kohlenstoff in Ma - % Ferrit + Perlit Perlit + Sekundärzementit. Perlit + Sekundärzementit γ -MK Sekundärzementit in Ledeburit C Primärzementit in Ledeburit D F K 0 % 50 % Ferrit Perlit Sekundärzementit Ledeburit Primärzementit %

66 4. Das Eisen-Kohlenstoffschaubild und seine Bedeutung für die Eisenwerkstoffe Metastabile System: nicht stabil: Fe 3 C zerfällt bei längerem Glühen zu Eisen und Graphit; das System geht über in Eisen-Graphit Bei 6,67 Ma-% C endet das metastabile Fe-C Diagramm, da hier 100 Ma-% Fe 3 C vorliegen 65

67 4. Das Eisen-Kohlenstoffschaubild und seine Bedeutung für die Eisenwerkstoffe Gefügebezeichnungen Austenit: feste Lösung des γ -Fe Mischkristall aus Eisen und Kohlenstoff; der Kohlenstoff ist gelöst (maximale Löslichkeit beträgt 2,06 % bei 1147 C) Gitter: kfz technologische Eigenschaften: unmagnetisch Ferrit: feste Lösung des α-fe - geringe Festigkeit - geringe Härte - sehr gute Zähigkeit Bild Gefüge von Austenit Mischkristall aus Eisen und Kohlenstoff; der Kohlenstoff ist gelöst (maximale Löslichkeit beträgt 0,02 % bei 723 C) Gitter: krz technologische Eigenschaften: magnetisch - geringe Festigkeit - geringe Härte - sehr gute Zähigkeit 66 Bild Gefüge von Ferrit

68 4. Das Eisen-Kohlenstoffschaubild und seine Bedeutung für die Eisenwerkstoffe Gefügebezeichnungen Zementit: auch genannt: Eisenkarbit Zementit feste Verbindung aus Eisen und Kohlenstoff mit der Formel Fe 3 C bildet eine molekulare Verbindung aus Eisen und Kohlenstoff Gitter: orthorhombisch technologische Eigenschaften: - sehr hohe Festigkeit und sehr hohe Härte - geringe Zähigkeit - gute Verschleißbeständigkeit Bild Gefüge von Zementit Perlit: lamellares Gefüge aus Ferrit und Zementit in streifenförmiger Anordnung entsteht durch eutektoiden Zerfall des Austenits bei 723 C mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt der Anteil an Perlit zu reiner Perlit entsteht bei einer Legierung mit 0,8 % C bei 723 C technologische Eigenschaften: - hohe Festigkeit - hohe Härte - mittlere bis gering Zähigkeit - gute Verschleißbeständigkeit 67 Bild Gefüge von Perlit