Metalle


M. H.
Diese Lernkarten behandeln auf Universitätsniveau die Eigenschaften und Verarbeitung von Eisen und Nichteisenmetallen. Sie konzentrieren sich auf Festigkeit, Legierungen, Wärmebehandlung und Gefügeoptimierung, wobei Begriffe wie Ausscheidung, Mikrolegierungselemente und Schweißbarkeit zentral sind. Ingenieure und Materialwissenschaftler profitieren davon, um die Eigenschaften von Stählen und anderen Metallen gezielt einzusetzen und zu verbessern.
Flashcards
112
Students
4
Language
German
Category
Technology
Level
University
Created / Updated
11.08.2014 / 07.12.2015

Lernkarten

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

Eigenschaften Aluminiumgusslegierungen

- Formfüllungsvermögen, Vergießbarkeit

- relativ hohe LE-Gehalte: 10-12%

- gute Festigkeit, eingeschränkt duktil

Standardgusslegierungen: Al-Si, Al-Si-Mg, Al-Si- Cu, Al-Mg  Rp0,2: 200-280 MPa

hochfeste Gusslegierungen: Al-Cu-Ti, Al-Cu-Ti-Mg, Al-Cu-Ag, Rp0,2: bis 320 MPa

warmfeste Gusslegierungen: Al-Si-Cu, Al-Cu-Ni- Co-Zr bis max. 230°C einsetzbar vgl. warmfester Stahl bis 1000°C

Gießverfahren Alu
 

Sandguss, Kokillenguss, Druckguss

Eigenschaften bei Sandguss Al

- durch langsames Abkühlen grobes Korn

- mech. Eigenschaften wanddickenabhängig

- getrennt gegossene Probenstücke höhere Festigkeit

- raue Oberfläche→größere Bearbeitungszugaben

- Mindestwanddicke 3...5 mm

- für große Teile in geringer Stückzahl

Eigenschaften Kokillenguss Al

- größere Abkühlgeschw. in Metallteilen → feineres Korn

- höhere Festigkeit als bei Sandguss

- höhere Maßgenauigkeit, bessere OF

- Mindestwanddicke 2,5...3 mm

- Warmrissgefahr wegen unnachgiebiger Form beim Abkühlen (Schrumpfen)

Eigenschaften bei Druckguss Al

 

- höchste Produktivtät

- geringste Bearbeitungszugabe

- Mindestwanddicke 1mm

- Schmelze reagiert beim Einspritzen mit Luft→ oxidbildung, Lufteinschlüsse

- rasche Erstarrung→feines Korn→hohe Festigkeit

- druckgussteile nicht wärmebehandeln

- nicht schweißbar

- nicht als Sicherheitsbauteile einsetzbar

- Vakuumdruckguss→ keine Lufteinschlüsse, aufwendig

- automatisierbar

Möglichkeiten der Eigenschaftsverbesserung bei Gusslegierungen AL

- Veredeln von Al-Cu-Si Legierungen: durch Zugabe von Na, As, Sr vor Vergießen, Ausbildung eines feinen Eutektikums (gilt für langsame Erstarrung)

- Steuerung Abkühlprozess: bessere mech. Eigenschaften durch comp. gesteuerte Abkühlprozesse → feineres Gefüge

Mechanische Eigenschaften von Gusslegierungen Al

- Festigkeit nimmt im allg. mit steigendem LE- Gehalt zu

- Festigkeitssteigerung oft mit geringerer Duktilität und Korr- beständigkeit verbunden

umformverhalten von Al Legierungen

- Mk-Bildung und Ausscheidungshärtung erhöhen den Umformwiederstand

- bei RT parabolisches Verfestigungsverhalten

- Festigkeit steigt mit steigendem LE-Gehalt

- Umformverhalten wird durch Texturen und OF-veränderungen begrenzt

- Erhöhung Versetzungsdichte von 10^5 auf 10^10-10^12 1/cm²

 

Oxidationsverhalten von AL- Legierungen

- Reaktion mit O2 und Wasserdampf →Bildung dünner aber dichter Schutzschicht (Al2O3)

- komplexer Schichtaufbau, Oxide von LE werden engebaut, ebenso intermet. Phasen der Elemente Al, Fe, Si, Mn

- gute Beständigkeit gegenüberLuft und Seewasser

Aufbau: Grundmaterial Al mit Heterogenengefügeanteilen, Sperrschicht 1-2 nm, Deckschicht mit Mischoxiden(bei Heterogenengefügebestandteilen)5-10 nm und Poren

Wärmebehandlung von Ne-Metallen

Rekristallisationsglühen

Weichglühen

Entspannungsglühen

Hochglühen, Homogenisieren

Ausscheidungshärten

Rekristallisationsglühen

- Ziel: Beseitigen der Verfestigung und Ausbildung feines Gefüge

- Glühen nach vorangegangener Kaltumformung, Glühtemp > Trekrist (0,42*Ts bei Reinmet.. für Leg. höher)

- Vorgänge: nach vorrangegangender Kaltumformung→ Keimbildung, Keimwachstum (Diffvorg) führt zu Kornneubildung (OF- energie Minimierung)

- neues, regelloses Gefüge ohne Vorzugsrichtung, geringe Versetzungsdichte

 

Weichglühen

Ziel: Verminderung von Härte und Festigkeit, Erhähung der Dehnung→ Erleichterung und Ermöglichung von Umformarbeiten (Versetzungsdichte sinkt)

Stabilisierungsglühen

Ziel: Annäherung an GGW-Gefüge

- Durchführung: Glühtemp. 200- 300°C, 8-10 Std. , Einsatzglühen bei 400°C

- Vorgänge beim Abkühlen: bei tech. Abkühlung instabile Gefüge→ bei Temp.erhöhung bilden von Ausscheidungen mgl. → unerwünschte Volumenänderung

Entspannungsglühen

Ziel: Abbau Eigenspannung

- Glühtemp. und Dauer entsperchend Werkstoff bei sehr langsamer Abkühlung

- Vorgänge im Werkstoff: bei temp.erhöhung sinkt Dehngrenze, Eigenspannungen größer als Dehngrenze bei Glühtemp. werden durch Verformung abgebaut

Hochglühen, Homogenisieren

Ziel: Verminderung Kraftbedarf beim Warmumformen, Verbesserung Kaltumformbarkeit, Verbesserung mech. Eigenschaft der Halbzeuge

- Durchf. Hochglühen von Gussformaten vor Warmumformung, Glühtemp. dicht unter Solidustemp. 10-12Std. teilweise Stufenglühen 1. Stufe: niedrige Temp.→Auflösung niedrig schmelzender Eutek. , 2.Stufe bei eigentlicher Glühtemp.

- Vorgange Gefüge: Ausgleich Kornseigerung, Abbau Eigenspannung, Auflösung eutek. Gefügebest. , gleichm. Ausscheidung übersättigt gelöster LE

Ausscheidungshärtung

Ziel: Erhöhung Härte und Festigkeit

Vorraussetzung: Leg. muss MK- bilden, bei sinkender Temp. abnehmende Löslichkeit des Grundmetalls, kleine Ausscheidungen oft therm. instabil

Durchführung:1.  Lösungsglühen, 2. Abschrecken, 3. Auslagern

Ausscheidungszustände:  übersättigter alphaMk 1. kaltauslagern→alpha+ Gulierprestonzonen (GP), 2. warmauslagern → alpha + betha' → überalterung mgl zu alpha + betha

für max. Festigkeit feindispesive Verteilung

Vorgänge:

- 1. Lösungsglühen: Bildung homogener MK

Glüht.: dicht unterhalb eutek. Temp. (zu niedrig zu wenig LE in Lösung→  max. Festigkeit kann nicht erreichtwerden, zu hohe Temp.→  anschmelzen einzelner Gefügebestandteile→  Leg. kann nicht weiterverarbeitet werden, Einschmelzen der Leg)

- Abschrecken:

- ausreichende Abkühlgeschw. damit LEatome in übersättigter Lsg im Mk verbleiben, diffusionsgesteuerte Ausscheidung wird unterdrückt

- Abschrecken in H2O oder Wassernebel

- Festigkeitserhöhung gering meist gut verformbar

3. Auslagern

- Kaltauslagern: bei RT min. 96Std

- Warmauslagern: bei erhöhter Temp.

- Temp und Dauer abhängig von Legzusammensetzung→  es bilden sich Zwischenzustände (Ausscheidungen aus übersättigten Lsg)

- Rm. Rp0,2, Härte steigt, Dehnung sinkt mit zunehmender Auslagerungstemp. und -dauer

- bei zu hoher ausl.temp und - dauer sinken Rm,Rp02, Härte → Überalterung

 

 

 

mögliche fehler bei Ausscheidungshärten

- zu hohe/niedrige Lösungsglühtemp.

- verzögertes Abschrecken

- Glühen, Erwärmen oberhalb der Auslagerungstemp.

- zu lange Ausgelagert

wichtige Zustandsbezeichungen (Codierung) bei AL leg

- T3: lösungsgeglüht, abgeschreckt, kaltverfestigt, kaltausgelagert

- T4: lösungsgeglüht, abgeschreckt,  kaltausgelagert

- T6: lösungsgeglüht, abgeschreckt, warmausgelagert auf höchste Festigkeit

- T7: lösungsgeglüht, abgeschreckt, überhärtet (warmausgelagert)

Beispiel für Anwendungen AL-Leg

- Fahrzuegtechnik: Rahmenstrukturen (Bleche), Druckguss: Ölwannen, B-Säule

- Rohre: Maste, Rahmen (Fahrrad), Stative, Regale

- Verkehrstechnik: Schiffbau, Flugzeugbau

- Bauwesen: Platten, Versadenverkleidung

- Profile: Türen, Fenster

Eigenschaften Magnesiumlegierungen

Vorteile

- geringe Dichte

- gut bearbeitbar (Spanbar)

- gut gießbar

Nachteile

- geringe Duktilität

- sehr korrosionsanfällig

- kerbempfindlich

- brennbar

- hoher Preis

Eigenschaften reinMg

- Dichte: 1,74

- Oz: 12 2. Hg

- Gitter: hdp

- E-Modul: 44,8 GPa

- Schubmodul 16, 6 GPa

- Schmelztemp. 650°C

- Siedetemp.: 1090°C

- Schwindung beim Übergang fest/flüssig: 4%

Festigkeit und Verformung von Rein Mg

- Zugfestigkeit nach Guss: 100MPa, nach Umormung 200MPa (geringe Festigkeit aber höher als reines Al)

- mech. Eigenschaft durch hdp- Gitter bestimmt bei RT nur Basisgleitung, Zwillingsbildung mgl, anisotrope Eigenschaften mgl

- Van- Mises-Kriterium (min. 5 voneinander unabhängige Gleitebenen) bei RT nicht erfüllt

- T>225°C Pyramidalgleitung, T>> 225°C Prismengleitung (Van-Mises erfüllt Mg wird duktil)

- LE beeinflussen Festigkeitseigenschaften stark

Einfluss von LE

- Festigkeit: Al, Li, Mn, Si, Zn

- Härte: Al, Si

- Wamfestigkeit: Ag, Ce

- Dehnung, Verformbarkeit: Li, Zr, In

- Kriechfestigkeit: Ag, Ca, Si

- Kornfeinung: Ca, Mn

- Schweißbarkeit: Mn

- Korrosionsbeständigkeit: Al, Si, Ca, Ga, Mn

- Gießbarkeit: Al, Zn

- Verringerung der Dichte: Li

- E-Modul: Si, Be

- Cu, Fe, Co unerwünscht stetzen Korrosionsbeständigkeit herunter

- Al, Zn für Ausscheidungshärtung, Bilden Eutektikum, bewirken Porosität

wichtige Magnesiumlegierungen

- Gusslegierung: HauptLE: Al bis 10%, Zn bis 6,55%, Mn bis 1,55%(2%)

wichtigste Leg: MgAlZn(AZ), MgAlMn (AM), MgAlSi (AS)

- Knetlegierung: HauptLE: Al bis 10%, Zn bis 6,55%, Mn bis 1,55%(2%)

Leg: MgAlZn (AZ), MgMn (M)

Gefahren beim Umgang mit Mg

- ungefährlich als Festkörper

- Späne und Stäube (Selbstentzündung/Explosion)  leicht entzündlich

- reagiert bei niedrigen Temp. mit Wasser unter Freisetzung von H2

- Mg-Brände nicht mit Wasser löschbar (generell schwer löschbar)

 

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