4 Wahr oder Falsch? Werkstoffe und Fertigung II, FS 2017 Prof. Dr. K. Wegener. Seminarübung 12 Musterlösung Stahl, Aluminium, Gusseisen

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Kristin Gerhardt
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1 4 Wahr oder Falsch? a) Durch Legieren kann ein Bauteil bis zu einer tieferen Dicke durchgehärtet werden. Richtig: Das kontinuierliche ZTU-Diagramm wird durch Legieren nach rechts unten verschoben. Das heisst, dass mit einer gegebenen Abkühlgeschwindigkeit die Härtetiefe vergrössert werden kann. b) Ist eine Oberfläche durch beispielsweise Rotation einer schleifenden Beanspruchung ausgesetzt, so macht es Sinn, diese Fläche zu erhitzen und abzuschrecken. Richtig: Dieser Vorgang wird Wärmebehandlung der Oberfläche ohne Legierungsänderung genannt. Insbesondere bei Rotation ist Verschleissfestigkeit wichtig und diese entsteht durch harte Oberflächen. Eine zweite Möglichkeit wäre, das Bauteil zu beschichten. c) Die Voraussetzung der Teilchenhärtung ist, dass über einem Einphasenraum ein Zweiphasenraum liegt, sonst kann nicht homogenisiert werden. Falsch: Es muss ein Einphasenraum über einem Zweiphasenraum liegen. d) In der Martensitbildung spricht man von Austenitisierung und in der Ausscheidungshärtung von Homogenisieren. In beiden Prozessen muss das ganze Gefüge umgewandelt werden. Falsch: In der Teilchenhärtung wird mit der sich verändernden Löslichkeit einer Phase gearbeitet, das heisst es liegt keine komplette Gefügeumwandlung vor. e) Die Härte von Gold und diejenige von Hartmetall können immer direkt verglichen werden. Falsch: Für verschieden harte Materialien existieren verschiedene Härteprüfungen. Diese können untereinander nicht direkt verglichen werden. Das universellste Prüfverfahren ist die Vickershärtemessung. Sie erlaubt das Messen von weichen und extrem harten Materialien. Um die Härte von Gold mit derjenigen von Hartmetall direkt zu vergleichen, müssen beide Materialien mit dem gleichen Härteprüfverfahren gemessen werden. f) Die Härtemessung nach Rockwell ist für die Serienprüfung geeignet. Richtig: Es wird die Eindrucktiefe gemessen und direkt mit einer angebrachten Skala in einen Härtewert umgerechnet. Die Messung ist direkt in die Belastungsvorrichtung eingebaut. Die Rockwellhärtemessung ist sehr zeitsparend und für die Serienprüfung geeignet. 1

2 5 Aufgaben für die Übungstunde 5.1 Stahl a) Mit der Streckgrenze wird sofort klar, dass es sich um den Stahl mit der Bezeichnung S235 handelt. b) Neben der Streckgrenze werden die zwei Buchstaben/-Zifferngruppen benutzt um, die Kerbschlagzähigkeit die Desoxidationsart/Grad der Beruhigung darzustellen. Beispielsweise: S235JRG2 c) Edelstähle haben einen höheren Reinheitsgrad als die Qualitätstähle. Sie genügen einer oder mehreren Anfordungen wie z.b. Mindestwert der Kerbschlagarbeit, festgelegte Einhärtungstiefe, festgelegte Höchstgehalte an Phosphor und Schwefel von %, festgelegte elektrische Leitfähigkeit. Eine mögliche Bezeichnung wäre also C15. d) 3 % Chrom Rot zweitgrösster Legierungsanteil in % % Kohlenstoff Blau Kohlenstoffgehalt in % % Wolfram Grün grösster Legierungsanteil in % 1 3 % Vanadium Hellblau kleinster Anteil (keine genaue Gehaltsangabe) Zusätzlich gilt, dass Stähle mit mehr als 5 % Legierungselemente als hochlegiert gelten, deshalb wird noch ein X vorangestellt. Die Lösung lautet also: X30WCrV 9-3. e) % Kohlenstoff Mn,4 1 % Mangan Si Weniger als 1 % Silizium Dieser Werkstoff ist zum Vergüten geeignet. (0.3 %C < 0.38 %C < 0.5 %C) 2

3 5.2 Eisen-Gusswerkstoffe a) Erwünscht: Duktil, schweissbar, hohe Festigkeit Unerwünscht: Hohe Schwindung (Risse, Lunker), hohe Schmelz-/Vergiesstemperatur (höhere Kosten). b) Alternativen: Duktilität: Sphäroguss, schwarzer Temperguss Schweissbarkeit: Weisser Temperguss c) Zugfestigkeit 200 N/mm 2 bei Wandstärke 15 mm Bruchdehnung 15 % Kugelförmiger Graphit in ferritischer Matrix. 5.3 Gusseisen a) Die Zugfestigkeit beträgt σ zb = 225 N/mm 2 Die Druckfestigkeit σ db bei Grauguss mit Lamellengraphit ist dreimal so hoch wie die Zugfestigkeit: σ db = 3 σ zb = N/mm 2 = 675 N/mm 2 b) Die Gussbezeichnung enthält die Zugfestigkeit. Gleiche Matrix heisst gleiche Druckfestigkeit für Kugel- oder Lammelgraphit. σ dbs = σ dbl Beim Kugelgraphit gilt für den Zusammenhang zwischen Zug- und Druckfestigkeit: σ zbs = ( ) σ 1.5 dbs = ( ) 675 MPa = 338 MPa MPa Mögliche Bezeichnungen wären: EN-GJS-338 bis EN-GJS-450 c) Weisser Temperguss entsteht aus weisserstarrtem (instabilem, ledeburitischem) Gusseisen durch Wärmebehandlung. Zementit wird in Graphit umgewandelt und an der Werkstückoberfläche verbrannt. Das Ziel des Temperns ist es, stahlähnliche Eigenschaften wie Schweissbarkeit und Duktilität, zu erreichen. 3

4 6 Hausaufgaben 6.1 Stahl a) S335JR Unlegierter Stahl Streckgrenze = 335 N/mm 2 Kerbschlagarbeit 27 J bei 20 C Stahl für den Stahlbau b) X210Cr12 c) 100Cr6 d) C15 Legierter Stahl (hochlegiert) 2.1 % Kohlenstoff und 12 % Chrom Legierter Stahl (niedriglegiert) = 1 % Kohlenstoff und 6 4 = 1.5 % Chrom Kaltarbeitsstahl, Wälzlagerstahl Unlegierter Stahl, Edelstahl = 0.15 % Kohlenstoff Einsatzstahl e) 42CrMo4 Legierter Stahl (niedriglegiert) 0.42 % Kohlenstoff und 4 4 = 1 % Chrom Weniger als 1 % Molybdän Vergütungsstahl 4

5 6.2 Aluminium a) Die Plusminusregel besagt, dass bevorzugt solche Legierungen aufhärtende Ausscheidungen bilden, bei welchen der Atomradius eines der Legierungselemente grösser, der andere kleiner ist als der Atomradius von Aluminium. Dadurch wird die Überstrukturbildung gefördert, d.h. die Legierungsatome sind abwechselnd gleichmässig verteilt, der Burgersvektor wird doppelt so gross. b) Der Plus-Minus-Regel genügende Paare von Legierungselementen sind also: Li-Si, Li-Cu, Li-Zn sowie Mg-Si, Mg-Cu, Mg-Zn 6.3 Aluminiumlegierung a) Festigkeitssteigerung einer Al-Mg-Legierung ist abhängig von Mischkristallhärtung (Behinderung des Versetzungsgleitens durch Legierungsatome) Versetzungshärtung (Kaltverformung, Behinderung des Versetzungsgleitens durch andere Versetzungen) Korngrenzenhärtung (Feinkorn. Behinderung des Versetzungsgleitens durch Korngrenzen) b) Sowohl Streckgrenze als auch Bruchspannung steigen mit zunehmendem Mg-Gehalt infolge Mischkristallhärtung an. c) Das Zulegieren von 0.9 % Mangan bewirkt eine Steigerung der Festigkeitswerte von ca. 30 %. d) Al-Mg-Legierungen sind nicht aushärtbar. Die Teilchen, die sich bei mehr als 5 % Mg bilden, haben keine Festigkeitssteigerung zur Folge. 6.4 Werkstoffauswahl a) Kerbschlagarbeit E k = a k A 0. Wobei a k die Kerbschlafzähigkeit und A 0 die kleinste Probenquerschnittsfläche beim Kerbschlagversuch sind. An einer Probe mit Querschnitt 0.8 cm 2 : E k = 35 J/cm cm 2 = 28 J b) Die Übergangstemperatur T Ü ist die Temperatur, bei der ein Werkstoff eine Kerbschlagzähigkeit von 35 J/cm 2 aufweist. Hier ist also die Übergangstemperatur gleich der Raumtemperatur, 20 C. 5

6 c) Die Temperatur des geplanten Einsatzes muss oberhalb der Übergangstemperatur liegen. Der Werkstoff ist für einen Einsatz im Freien ungeeignet. d) Eine mögliche Bezeichnung für einen Stahlwerkstoff wäre S235JR. Das JR steht dabei für die Kerrbschlagzähigkeit, die Zahl (Streckgrenzen in N/mm 2 ) kann variieren. 6.5 Zug- und Druckfestigkeit von Grauguss a) B hat die höhere Zugfestigkeit als A, sofern die Matrix (der Eisenwerkstoff, in welchen der Graphit eingebettet ist) bei A nicht wesentlich besser ist als bei B. b) Relativer Festigkeitsunterschied Druck-Zug bei Gusseisen mit A Lamellengraphit: σ db σ zb σ db = 3 σ zb σ zb 3 σ zb = B Kugelgraphit: σ db σ zb σ db = ( ) σ zb σ zb ( ) σ zb = Bei A ist der Unterschied deutlich grösser. c) Bei Zug löst sich die Matrix von den Graphitteilchen ab, diese tragen nicht mit. Der tragende Querschnitt wir dadurch reduziert. Dies ist bei Lamellengraphit ausgeprägter als bei Kugelgraphit, weil grössere Flächen wirksam sind. Die Schwächung der Matrix durch Graphitlamellen entspricht der Bildung von Risskeimen. Bei Druck trägt der Graphit die Belastung mit. Graphitlamellen gleiten unter Schubbeanspruchung, wenn sie z.b. unter 45 zu der Druckrichtung liegen. 6

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