Eisen Nichteisen
Metalle
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Kartei Details
Karten | 112 |
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Sprache | Deutsch |
Kategorie | Technik |
Stufe | Universität |
Erstellt / Aktualisiert | 11.08.2014 / 07.12.2015 |
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allgemeine Baustähle
- häufigste Verwendung
- einfache Zusammensetzung C+ Begleitelement Mn, Si, Al
- immer unlegiert
- chem zusammensetzung wird in der Regel nicht angegeben
nicht für WB vorgesehen!
- Angabe von Mindeststreckgrenze, Kennzeichnugn durch Gütegruppen (Kerbschlagarbeit ect.
- Festigkeit einstellbar über C- Gehalt, Zähigkeit über P und S
- nicht Schweißbar da zusammensetzung nicht bekannt
Einsatzbedinungen für Baustähle
- statische Belastung t: -40 bis300°C
- Werkstoffauswahl nach Steckgrenze
- zyklische Beanspruchung sigmad = 0,5*Rm
- Verarbeitbarkeit: Umformen, Schneiden, Spanbarkeit (Spanlänge beachten), Fügen (Nieten, Schrauben, Punkt- und Pressschweißen, Schmelzschweißen problematisch
abschätzen der Schweißbarkeit durch C-Äquivalen
- CEV = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
- erfasst LE-Einfluss auf Martensitbildung→Martensit für Schweißen unerwünscht
- CEV <= 0.35 unbedenklisch Schweißbar, 0,4 bis 0,6 je nach dicke vorwärmen, evtl. Nachglühen
Schweißnahtfehler
Erstarrungsrisse: T nahe Ts. zu schnelle Erstarrung
Aufschmelzungsrisse: lokales Afschmelzen in Seigerungszone durch niedrigschmelzende Eutektika,
Vermeidung: optimale Schweißbedingungen nicht zu schnell und nicht zulangsam Schweißen!
Einsatzstähle Einornung
Gruppe der Baustähle für WB bestimmt
- für Einsatzhärtung vorgesehen( thermochem OF-behandlung), un- nieder oder mittellegierte Stähle
- fließender Übergang zu anderen Stahlgruppen
-Einsatztemp. bereich: RT bis 200°C
Gebrauchseigenschaften von Einsatzstählen
- hohe OF-Härte
- hohe Verschleißfestigkeit
- hohe Dauerfestigkeit
- hohe Kernfestigkeit und - zähigkeit
- Übertragung größerer Kräfte, Aufnahme von Stoßbelastungen ohne Verformung/Bruch
Verarbeitungseigenschaften von Einsatzstählen
- Härtbarkeit: gering bei gleitendem oder reibendem Verschleiß, hoch bei Schlagartiger, dynamischer Belastung
- Schweißbarkeit eher untergeornete Bedeutung
- Spanbarkeit im normal oder grobkorngeglühtem Zustand
gute Spanloseumformbarkeit, gute Polierbarkeit
Zusammensetzung Einsatzstähle
- C < 0,25% unlegiert Mn 0,3...0,9% enthalten
- LE Mn, Cr, Mo, Ni beeinflussen Härtbarkeit am Rand, erhöhen Kernzähigkeit
- Bezeichnugn durch chem Zusammensetzung (Auswahl nach BTgröße, Kernfestigkeit)
Wärmebehandlung einsazstähle
Einsatzhärten
- Aufkohlen (mit fest, flüssig, gasförmigen Medien)
- Härten (Direkthärten, Einfach- doppelhärten)
- Anlassen
Ermittlung der Einsatzhärtetiefe tiefe bei Grenzhärte, Kernhärte bei 3* Einsatzhärte
Optimierung: Kompromisslsg. für geforderten Einsatz
Abfolge der WB bestimmt durch
- Stahlzusammensetzung
- Abmessung BT
- Aufkohlverfahren
- Fertigungsabfolge
- Kosten
Probleme: Restaustenit am rand, Randoxidation nach Aufkohlung für beide Fälle Einfachhärtung gut
Bsp. Anwendung Einsatzstähle
unlegiert: C10, C15: Hebel, Bolzen
einfach legiert: 17Cr3 Messwerkzeug, kolbenbolzen,
mehrfachlegiert: 16MnCr5, 20MnCr5, 20MoCr3, 20MoCr4 Zahnräder, Wellen, Bolzen Maschinen/Fahrzeugbau
Anforderung an Höher- und höchstfeste Stähle
- Ferrit- Perlit- Gefüge
-Kennzeichnug durch nachgestellte Buchstaben
N... normalisiert, M...TMB-Zustand, NL... normalisiert für tiefe Temp, ML TMB für tiefereTemp
- Festigkeitssteigerung durch erhöhten C-Gehalt bei N- Stählen
- Nutzung weiterer Häremechanismen:
Mk-Härtung Mn bis 1,5%→ begünstigt Martensit,
Kornfeinung N und Al → feine AlN- Ausscheidungen ,
Ausscheidungshärtung Nb, V, Ti 0,1% bis 0,2% LE bilden mit N und C feine Ausscheidungen,
Versetzungshärtung, kombinierte Verf.
Besonderheiten TMB- Stähle (M) hochfeste stähle
- geringer C-Gehalt bei gleicher Festigkeit
- Nachbehandlung nach Schweißen → Spannungsarmglühen bis max. 580°C
- Wirkung von Mikrolegierungselementen (Nb, V)
Festigkeitsabstufungen (hochfeste Stähle)
normalfeste Stähle Re < 500MPa
hochfeste Stähle Re > 500 MPa
höchstfeste Stähle Re > 1000MPa
- nicht durch ferritisch-perlitisches Gefüge erreichbar, sondern durch Wärmebehandlung
Vergüten (Q), Ausscheidungshärtung (A)
Weiterentwicklung Hochfester Stähle durch Gefügeoptimierung
Anforderung hochfest aber gut Verformbar→ kombination verschiedener Gefügebestandteile
- Dualphasenstahl: gut Umformbar durch Ferrit, Kaltverfestigt, linsenförmig eingelagerter Martensit
- Restaustenitstähle: ferritisch-bainitsche Matrix, Festigkeit durch C-reichen Restaustenit (noch verformbar)
- Complexphasenstähle: ferritisch-bainitsch- Martensitisches Mischgefüge + zusatz von MikroLE
- Martensitphasenstähle
Wetterfeste Stähle
nicht korrbeständig sondern korr. träge
chem Zusammensetzung: C 0,12...0,16% erhöht Sprödbruchsicherheit, bessere Schweißbarkeit,
P 0,15% erhöht Festigkeit aber Versprödung, Cr 0,3-1,25%, Cu0,25...0,55% Bildung korrträger Deckschichten , V,N mikro LE Vestigkeitssteigerung durch Ausscheidungen
Wie werden Werkstoffe eingeteilt?
natürlich: organisch z.B. Holz, Fasern, anorganisch z.B Edelstein, Glimmer
künstlich: - metallisch: Eisenwerkstoffe z.B. unlegierter, legierter Stahl, Gusseisen
Nichteisenwerkstoffe z.B Al, Mg, Ti, Ni, Cu Werkstoffe
- nichtmetallische: anorganisch z.B. Glas, Keramik, Halbleiter
hochpolymere z.B. Hochpolymere aus natlürlichen oder synthetischen Ausgangsstoffen
Welche Kriterien sind wichtig für die Werkstoffauswahl?
- Aufgabe des Bauteils
- Beanspruchungen für Bauteil analysieren
- Eigenschaftsprofil für gesuchen Werkstoff erstellen z.B. Hält Werkstoff Belastung stand (Kräfte, Temperatur, Dichte, äußere Einflussfakoren wie Medien)?
- Etscheidung fürr otimale Werkstoffvariante ( Kompromisse- nicht der beste Ws sondern der mit ausreichenden Eigenschaften)
Was ist Werkstoffeignung?
- ergibt sich aus Summe der Eigenschfaten
- mech, phys, und chem Eigenschaften
- Festigkeitsbeeinflussung durch metallkundliche Maßnahmen (z.B. Wärmebehandlung)
- Auswirkung fertigungstechnischer Arbeisprozesse auf Werkstoffeignung
- Gestaltung
-Verarbeitbarbeit
- Verbindungsverfahren z.B. Schweißen, Löten, Kleben, Schrauben, Nieten
- Oberflächentechnik (Korrosion, Verschleiß)
Werkstoffverhalten bei Verformung
- Werkstoff setzte Formänderung Widerstand entgegen → Festigkeit
- elast. Formänderung, reversibel, linearer Zusammenhang von Sigma und Epsilon
- plastische Formänderung durch Bewegung von Versetzungen
- Versetzungsbewegung führt zu Verfestigung des Werkstoffes
- Formänderungsvermögen erschöpft → Bruch
- werkstoffspezifisches Spannungs- Dehnungs- Verhalten
Einteilung Aluminiumwerkstoffe
- Reinalu, Alu-Sinterwerkstoffe und Alu- Legierungen
- Alu- Legierungen: Knelegierung und Gusslegierungen
- Knetlegierungen: aushärtbar z.B. Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Mg-Si; nicht aushärtbar: Al-Mg, Al-Mn, Al- Mn-Mg, Al-Mn-Cu
- Gusslegierung: aushärtbar: Al-Si- Mg, Al-Si-Cu- Mg; nicht aushärtbar: Al-Si, Al-Mg
Physikalische Eigenschaften Aluminium
Gitter: kfz
Dichte: 2,7 g/cm³
E- Modul: 66,6 GPa
Schmelztemp.: 660°C
Siedetemp.: 2500°C
Schubmodul: 25 GPa
Querkontraktionszahl: 0,35
Legierungselemente für Al
- Haupt LE: Cu, Si, Mg, Zn, Mn
- weitere Fe, Cr, Ti, Ni, Co, Ag, usw
- Löslichkeit für fast alle LE begrenzt im festen Zustand
- Mk- Bildung und Ausscheidungshärtung bestimmen Gefüge und mech. Eigenschaften
Eigenschaften der Aluminiumlegierung
- geringe Dichte
- gute Festigkeit
- gut umform- und gießbar
- gut spanbar
- einfache Fügetechniken
- chem. beständig
- gut OF- Qualität
- kaum brennbar
- gesundheitlich unbedenklich
Werkstoffbezeichnungen
1xxx - 1000 Serie - min. 99% Alu
2xxx - 2000 Serie- Kupfer als Hauptlegierungselement
3xxx - 3000 Serie- Mangan
4xxx - 4000 Serie- Si
5xxx - 5000 Serie- Mg
6xxx - 6000 Serie - Mg + Si
7xxx - 7000 Serie - Zn
8xxx - 8000 serie - sonstige elemente und 9000 serie wird nicht verwendet
Eigenschaften von Knetlegierungen
- Verformbarkeit
- geringe LE Gehalte 1-2% max. 6%
- wenn T > 200°C verlieren an Bedeutung
- Einteilung in 2 Gruppen: gute Verarbeitungseigenschaften Rein- Al, Al- Mg, Al-Mg- Si, Al-Zn-Ng
spezielle Festigkeitseigenschaften: Al- Cu- Mg, Al- Zn- Mg- Cu
Verarbeitungseigenschaften Rein- Al
gute Korrosionsbeständigkeit
- geringe Festigkeit Rm 100 Mpa
- hoche Kriechneigung bei RT und niedrigen Spannungen
- Einsatz: Blech- und Rohrwerkstoffe, Platierungswerkstoffe
Verarbeitungseigenschaften Al-Mg (5052)
- Mg-Gehalt bis 2,5%
- Rm 240 bis 290MPa
- seewasserbeständig
- schweißgeeignet
- Einsatz als Blech- und Rohrwerkstoff
Verarbeitungseigenschaften Al- Mg- Si (6061)
- hoh Duktilität im weichgeglühten Zustand
- hart und kalt aushärtbar
- gut schweißgeeignet
- Einsatz vorwiegend als Innendruck- und Konstruktionsrohre
Verarbeitungseigenschaften Al- Zn - Mg
gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit
nicht seewasserbeständig
gut geeignet für schweißkonstruktionen
einsatz im Raketenbau
Beispiele für Schadenstolerante Al Legierungen
- Al -Cu- Mg 2024: gute Duktilität im kalt ausgehärteten zustand, gut bruchmech. eigenschaften, einsatz bis 120°C/150°C mgl, nicht schmelzschweißbar, Einsatz: Strangpressprofile und Stangen
- Al-Zn- Mg- Cu 7075: hohe stat. Festigkeit, bruchmech. Eigenschaften schlechter als bei 2024, Einsatz: Bleche, Plattten, Stangpressprofile, Stangen, Schmiedestücke
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