Konstruktionswerkstoffe
Prüfungsvorbereitung
Prüfungsvorbereitung
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Lernkarten
Festigkeitskennwerte und Dichtekennwerte für Kuststoffe, Mg-, Al-, Ti- Leg., Stahl, Al2o3, Si3N4 und ZrO2
Kunststoffe: bis 100 MPa, 1-2 g/cm³
Mg-Leg: bis 300 MPa, Mg: 1,7 g/cm³
Al-Leg: bis 800 MPa, Al: 2,7g/cm³
Ti- Leg: bis 1200MPa, Ti: 4,5 g/cm³
Stahl bis 3000MPa, Fe: 8g/cm³
Al2O3: bis 500MPa, 4g/cm³
Si3N4: bis 1400MPa, 3,2 g/cm³
ZrO2: bis 1500 MPa, 6 g/cm³
K1C für Polymere Glas, Keramik, Verbund und Metalle
Polymere: 0,5-20 MPa*wurzelm
Glas: bis 1 MPa*wurzelm
Keramik: 2-10 MPa*wurzelm
Verbunde: 10- 100 MPa*wurzelm
Metalle: 5-200 MPa*wurzelm
Thermische Leitfähigkeit Lambda und lin. Ausdehnungkoeffizient alpha von Polymer, Glas, Sthal, Keramik
Polymere:Lambda 0,1-1 W/(mK), alpha = 20-500*10^-6 1/K
Glas/ Glaskeramik: Lambda 1 W/(mK), alpha = 0,5-2*10^-6 1/K
Stahl / Cu, Alu: Lambda 40 - 200 W/(mK), alpha = 20*10^-6 1/K
Keramik: Lambda 15-200 W/(mK), alpha = 2-10 *10^-6 1/K
Diamant: Lambda 800 W/(mK), alpha = gering
Welche werkstoffrelevanten Eigenschaften gibt es?
Werkstoffeigenschaften hängen vom Gefüge/bindung ect. ab
- E- Modul -> Werkstoffkennwert führt auf Steifigkeit-> kein Werkstoffkennwert
- Festigkeit
- Bruchzähigkeit
- Festigkeit in Abhängigkeit der Temperatur
- Temperaturwechselfestigkeit
- Ermüdungsverhalten
- therm, elek Leitfähigkeit
- Ausdehnungskoeffizienten
abhängig von der Werkstoffpaarung:
- Verschleißrate
- Korrosion
- Härte
E-Module von Polymer, Metall, Keramik
- Polymere: 0,1- 10 GPa
- Metalle: 20- 300 GPa Al: 70 Stahl 210
- Glas + Keramik: großer Bereich Al2O3 400GPa
- Diamant: 1000GPa
Vor und Nachteile von Eisenwerkstoffen
Vorteile:
- billiger Rohstoff -> häufiges Vorkommen
- leicht zu reduzieren, günstiger Herstellungsprozeß
- Reduktionsmittel oft gleichzeitig Legierungselement
- gut verarbeitbar
- technologisch verwertbare Phasenumwandlung
Nachteile:
- relativ schwer
- Anwendungen auf unter T=600°C begrenzt
- korr. anfällig
Herstellung von Eisen
- Hochofenverfahren (Reduktion) : Erz (Fe2O3Hämatit und Fe3O4 Magnetit, zuschläge, Koks), Schlacke CaSiO3, CaS
- Elektrostrahlverfahren , teuer, für hochqualitativen Stahl, ohne Koksbeimischung meist aus Stahlschrott, kleine Mengen
Wie Werden Eisenwerkstoffe eingeteilt?
- nach ihrer Verwendung
Baustähle, Werzeugstähle, Stähle mit besonderen phys, chem. Eigenschaften
- nach Ihrem Gefüge
- Phasen: eutektoider Stahl (Perlit), untereutektoid: (Ferrit und Perlit), übereutektoider Stahl (Perlit + Zementit)
- Gefüge: ferritisch,austenitisch, martensitisch
- nach Gütegruppen
- Massenstähle (Summe P, S <= 0,06%),
- Qualitätsstähle (Summe P, S <= 0,045%)
- Edelstähle (Summe P, S <= 0,035%)
entscheidende Auswirkung auf mech. Eigenschaften wie Zähigkeit, Verarbeitbarkeit, Sprödigkeit
Klassifizierung der Kohlenstoffstähle, Eigenschaften
- Baustähle
- beinhaltet C + Mn
- 70% der Weltproduktion
- meist warmgewalzt, selten normalgeglühlt, Austenitisiert durch abschrecken
- 3 Gütegruppen:
- weicheisen
- allg. Baustähle
- Stähle für spanabhebende Bearbeitung
- allgemeine Eigenschaften:
- gut zerspanbar, schweißbar bis etwa 0,22% C
- Sprödbruchneigung
- Reckalterung führt zur Versprödung
Aunwendungen: Rohrleitungen, Kesselanlagen, Schienenfahrzeuge, Schiffsbau
Merkmale Kohlenstoffstähle/ Weicheisen
Low Carbon Mild Steel
- unlegierte Stähle hoher Reinheit C <= 0,08%, Mn <= 0,04% N durch Al entfernt
- gut Korrbest., geringe Festigekeit
- Anwendungen: (Karosserie)blech, Dichtungen
Merkmale Kohlenstoffstähle/ all. Baustahl
- C-Gehalt ca. 0,25%, Mn < 1,8%
- Anwendungen: Bleche, Rohre, Kaltbänder, genietete und geschraubte Konstruktionen
Merkmale Kohlenstoffstähle/ ür spanabhebende Bearbeitung
- C- Gehalt <0,15%, Mn < 1,2% Sr, Pb sog. Automatenstähle
Anwendung Maschinen und Fahrzeugbau
Klassifizierung niederlegierter Feinkornstähle
(HSLA-Steels (high strength low alloy)
- gut schweißbar und formbar (einfache und günstige Verarbeitung)
- Legierungselemente: Mn, Nb, V, Ti -> Bilden feine Karbide, Nitride und Karbonitride
- wird "berhigt" vergossen (mit Al) Daumenregel 1/3 Al >= N
- meist gewalzt
Mikrolegierte Stähle: LE im Konzentrationsbereich von 1/10 - 1/100 (außer C)
- 0,2% C, Mo, B Bainitische Stähle
- 0,2% C, Mn, Cr, Mo, Ti Durchvergütet kein Festigkeitsabfall beim Schweißen
- 0,4%C Ultrafeste Sähle
< 0,12%C, Cu, Cr, P: Wetterfeste Stähle, für Pipelines und Druckkessel
Klassifizierung Hochlegierter Stähle
auch Einsatzstähle, oder vergütete Stähle
- C- Gehalt 0,1- 0,45%
-hoher Legierungsgehalt fördert die Durchhärtbarkeit
- neben der Härtbarkeit vor allem Zusammensetzung (Art, Konzentration der LE entscheidend)
Eigenschaften der Werkzeugstähle
- Schnellarbeitsstähle: 1,4-2% C
- Grenzfall zu Funktionswerkstoffen
- Verwendung als Schneidwerkstoff, Gesenke zum Schmieden
- Hochlegiert mit Karbidbildnern Cr<Mo<W<Ti<Nb<Hf
- wenn gehärtet: Primärkarbide, Sekundärkarbide, Marensit
Eigenschaften/ Merkmale Rostfreie Stähle
- "definiert" über Schaeffler- Diagramm
Cr equ.: Cr+ Mo+ 1,5Si+ 0,5Nb
Ni equ: Ni+ 30C+ 0,5 Mn
allgemein Cr: krz (alpha Eisen) , Ni: kfz (gammaEisen)
- ferritisch: 17-26% Cr bei 2% C, Mo, Nb, Ti zur Korrbest., schlechte Zähigkeit, härtbar, Anw. Messerstahl
- austenitisch: 16-25%Cr, 7-22% Ni bei 0,6%C, Mo, Ti, Nb zur korrbe, nicht härtbar, gute Zähigkeit, schlecht zu bearbeiten, gut zu schweißen, kriechfest
- martensitische Stähle: Cr <17%, C 0,1..1%, sehr hohe Festigkeit bis 2,5GPa, geringe Duktilität 1,8-2%, ferromag
Eigenschaften/Merkmale Stahlguß und Gusseisen
- gießbar, schlecht spanbar
- Materialfehler durch WB korrigiert
Anwendung: Seilrollen, Zahnräder, Ketten, Achsschenkel
- Stahlguß bis 2% C
- Gusseisen 2% bis eutek.Zsammensetzung 4,3% , meist (2,5% bis 3,8%)
- graues Gusseisen: graphit, lamellar, vermicular, globular
- weisens Gusseisen: Ledeburid, Hartguß, Walzen, beim Tempern entsteht Graphit
- graphithaltiges Gusseisen: GGL lamellar, enthält Cr, Ni, Co, Mo, Si:
GGG globular: hohe Festigkeit + Dehnung (Kurbelwellen, Motorblöcken, Laufräder)
- Temperguss: C+Si = 3,5% gute Dämpfung, Schwweißbar, zerspanbar
schwarzer Temperguss: Graphit bei 920°C -950°C 40h tempern -> Ferrit + Perlit+ Temperkohle
weißer Temperguss: wird entkohlend geglüht
Anwendung: Rohrverbindungen, Bremstrommeln, Differentialgehäuse
Eisen Kohlenstoff Diagramm
- Schmelztemperatur 1538°C
- delta umwandlung: 1394°C
- Gammaumwandlung: 911°C
- Curie- Tem 769°C
- eutektoide linie bei 723°C , max Löslichkeit alpha eisen 0,02
- eutektikale linie bei 1147°C , maximale Löslichkeit gamma eisen: 2,08
- Peritektikale linie bei 1493°C, maximale Löslichkeit delta Eisen: 0,1%
- Eutektoid: 723°C, 0,8%
- Eutektikum: 1147°C, 4,3%
- Peritektikum: 1493°C, 0,16%
Phasen und Gefüge im Fe- Fe3C Diagramm
Phasen:
- flüssig bis 1536°C
- delta-Eisen krz
- gamma-Eisen (Austenit) kfz
- alpha Eisen (Ferrit) krz
- Fe3C Zementit bis max 6,7 wt%
Gefüge:
- Perlit: Ferrit+ Zementit 12%
- Ledeburit 1: Austenit und Zementit
- Ledeburit 2: Ferrit und Zementit
Was ist Martensit bzw wie entsteht er?
Ungleichgewichtgefüge durch sehr schnelles abkühlen
Diffusionslose Umwandlung -> tetragonale Verzerrung C sitzt in tetraeder und oktaederLücken
Einheitszelle wird auseinander gezogen c wird länger und a verkürzt sich (linear)
durch Verzerrung hohe Härte
Restaustenit sorgt für Zähigkeit
je mehr C desto härter (nicht liniear!)
Einfluss des Temperns (Anlassen) auf den Martensit
- Verzerrung lässt nach Ausscheidung von Feritt + Fe3C
- je länger desto gröber wird Fe3C ausscheidung
- je länger desto duktiler und Härte sinkt (Ursachen: Phasenänderung, Vergröberung)
Welche Elemente Stabilisieren Welche Phase (Fe- Fe3C)?
- offenes Gammagebiet: Ni, Mn, Co (gamma bei RT (stabl. kfz -> Stahl austenitisch)
- ausgedehntes GammaFeld: C, N2, Cu, Zn
- geschlossenes Gammafeld (alphastab): Si, Al, Be, P, Ti, V, Mo, Cr krz
- kontrahierendes Gammafeld (lieg irgendwo dazwischen): B, Ta, Nb, Zr
Welche thermomech. Behandlungen gibt es?
- Festigkeitserhöhung durch mech. Verformung (Walzen, Versetzungen GWKG, KWKG)
liefert Grundfestigkeit (auch abhänig von Korngröße (Pall- Patch je feiner desto härter)
- Dispersionsverfestigung (Ausscheidungen feinverteilt, Versetzungsbehinderung)
- Warmwalzen bei höheren Temp. : Rekristallisierung Gefüge KWKG, GWKG
- Textur- Langgestreckte Körner-> abhängig von Gleitsystemen (in welcher Richtung einfacher verformbar)
Welche Vorteile besitzen Mikrolegierte Stähle und Welche LE werden benötigt?
Hauptbestandteile: Fe, C, Mn
0,01...0,1% Mn Gammagebiet wird geöffnet
- feinere Körner erhöhen Festigkeit
- Gefüge ferritisch, perlitisch
- alpha- gamma umwandlungstemp. verschoben bei 800°C
- z.B TRIP dank Restaustenit verformbar und TWIP Stähle (austenitisch)
kleine Mengen V erhöhen Streckgrenze
Wie können rostfreie Stähle eingeteilt werden?
Wesentliche Merkmale im Hinblick auf Zusammensetzung
nach Art der Gefüge: martensitisch, austenitisch, ferritisch, Duplex-Gefüge(aust + ferr)
meist Verwendet: 18%Cr, 8%Ni
durch Erhöhung Ni- Gehalt verbesserter Korrschutz
durch Erhöhung Cr-Gehalt verbesserte intergranulare Korrosion
typische Kennwerte: sigma = 500-600MPa aust. Martensit. höher
Cr bildet Passivschicht
Welche Oberflächenbehandlungen bei hohen Temperaturen 700- 1000°C gibt es?
- Aufkohlung: 850 - 950°C C in austenit eindiff., abschrecken-> Martensitbildung
bis 5mm Eindringtiefe mgl
möglich in verschiedenen Medien: koks, Gasatmasphäre, Salzbad
Härte nimmt über Tiefe ab
Carbonitrierung: 700-900°C unter Zugabe N2
Eindringtiefe: 1mm
Carbiddiffusion: Bildung von V, Nb und Cr Carbiden im Salzbad
Stahl 0,8 bis 1wt% C
Borierung: aus BN bei 700°C-100°C ergibt Fe2B
zb. für Pumpen und Venile
harte, reibarme OF
Welche Oberflächenbehandlungen bei niedrigen Temperaturen 500- 600°C gibt es?
- Nitridierung: durch Ammoniak
Nitridbildung mir Cr, Al, Mo, V, -> keine Verzerrung Gitter
- Coarbonitridierung: Bildung Eisenstickstoffcarbid an der OF (20-30 µm) daruner feindispersiv verteiltes Nitrid
- Abscheidung/ Diffusion: z.B Fe3SnC sehr hart, sehr gut Korrbest
- Oxidation:Fe2O3 verhinder Adhäsionsverschleiß
- Ionenimplantation: Eindringtiefe 0,5 µm, Dotierung von Elementen
Welche Bechichtungsverfahren gibt es?
- PVD- Verfahren
- Verdampfen (Al als Korrschutz)
- Glühentladung (TiN Beschichtung)
- Sputtern (MOS2 Festschmierstoff)
CVD- Prozess: reaktive Abscheidung aus Gasphase
- Vorteile: homogene Schichten, gute Prozesskontrolle, steuerbar
- Nachteile: teuer, langsam, Arbeitstemperatur ca. 900°C
- z.b Chrombeschichtung, Keramikbeschichtung TiN, Si- Behandlung
- Elektrochem. Abscheidung
Cr, Ni, Cu, Co (Metalle auf Kathode (BT) abgeschieden)
- chem. Abscheidung (reaktives Bad ohne Stromzufuhr)
- Sprühverfahren: z.b Pulver
Einteilung der Eisengusswerkstoffe
metastabile Erstarrung: stabilisiert durch: Cr, Mo, W, Ta, V, Nb, Ti
- Stahlguss C<2%, im Zementit gebunden, weiße Bruchfläche
- weißes Gusseisen C 2,4 - 4,5% in Zementit gebunden
- Hartguß
- Temperguss
- in oxidischer Atmosphäre-> weißer TG
- in neutraler Atmosphäre -> schwarzer TG
stabile Erstarrung stab. durch: Si, P, s, Al, Cu, Ni, Co, Zr
- Graues Gusseisen C: 2,5- 5%, vorwiegend Graphit/ Perlit, graue Bruchfläche
- mit Lamellengraphit
- mit Kugelgraphit geringer Zusatz von Mg
- mit Vermiculargraphit (geringe Zusätze Ti, Ca, Mg)
Sondergusseisen 1,5-3,5% hochlegiert mit Al, Si, Cr
Eigenschaften/ Merkmale Lamellengraphit GJL
- unlegiertes GJL: 2,9-4% C, 0,5-3,5% Si, 0,3-1,5% Mn, 0,02-1,2%P, 0,03- 0,2%S
- legiertes GJL: höhere Konz. Si, Mn + Cr, Ni, Mo, Cu, Al, Sn, Ti, V
- Erstarrung überwiegend Stabil (Austenit+ Graphit -> aus Austenit (Ferrit+Graphit)/Perlit-> perlitisch- ferritisches Gefüge mit lamellenförmig eingelagertem Graphit
Anwendung unlegiert: Konstruktionswerkstoffe, Haushaltsmaschinen, Baumaschinenguß, Getriebegehäuse, Kupplungen, Motorblöcke, Kolben
Anwendung legiert: Pumpen, Zylinder, Motorenteile, Zylinderblöcke
- untereutektische Zusammensetzung Ausscheidung von Primärferrit -> Dentriten starken Einfluss auf Festigkeit
- Anordnung Graphitlamellen abhängig von chem. Zusammensetzung, Keimanzahl in schmelze, Abkühlgeschwindigkeit
spez. Eigenschaften: geringe Zugfestigekit, geringe Bruchdehnung, E-Modul veränderbar durch Herstellung, gute Wärmeleitfähigkeit, gue Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Dämpfung
Eigenschaften/Merkmale Kugelgraphit GJS
Zusammensetzung: 3,2- 3,8% C, 2,4- 2,8% Si, <0,5%Mn
Schmelzbehandlung zur Ausbildung der Kugelform (Zusätze durch Ce, Mg)
Gefügeausbildung abhängig von: perlitbildenden Elementen in der chem Zusammensetzung, Abkühlgeschwindigkeit
alle Gefüge enstellbar
Eigenschaften: hohe Duktilität, bei austenitischem Gefüge: gute Korrbestän., hohe Warmfestigkeit, hohe Kaltzähigkeit
Anwendung: Maschinenbau: Getriebegehäuse; Schwermaschinenbau, Energietechnik (Turbinengehäuse)
Eigenschaften /Merkmale Vermiculargraphit GGV
chem. Zusammensetzung: 3,55% C, 2,5% Si, 0,15% Mn, 0,02%P, 0,016%S
Vorraussetzung niedriges P <0,05% Mn, Si- Gehalte, Karbidstab Elemente < 0,1%
geringe Variation der chem. Zusammensetzung
Vorteile: - gegenüber GJL: höhere Festigkeit, Duktilität, -höhere Oxidationsbeständigkeit
- gegenüber GJS: bessere Temperaturwechselbeständigkeit, niedrigeres Alpha, höhere Wärmeleitfähigkeit, niedrieger E-Modul
Anwendung: Fahrzeugbau: Getriebegehäuse, Zylinderkopf; Stahlwerkskokillen, Glasformen
Merkmale/ Eigenschaften von Temperguss
- untereutektisch, metastabil erstarrende Fe- C- Si Leg. C vollständig in Zementit gebunden
- weißer TG: chem. Zusammensetzung: C 2,8- 3,4%C 0,08- 0,4% Si C+Si<= 3,8
- glühen bei ca. 1000°C in schwach oxidierender Atm.
- Randschicht Entkohlung
- Vorteil: gute Schweißbarkeit, erhöhte Bruchdehnung
- schwarzer TG: chem Zusammensetzung: C 2,4- 3% 1- 1,4% Si
- Glühen in neutraler atm. in 2 Stufen
- bei 950°C: Zementit-> Austenit +Temperkohle
- bei 700- 800°C Austenit -> Ferritt+ Temperkohle
- Gefügeausbildung Wanddicken abhängig
- Glühen in neutraler atm. in 2 Stufen
Anwendung: Kfz-Technik, Etechnik, Maschinenbau, Bauindustrie
Stahlbezeichnung für WB geeignet
Kennzeichnung unlegierter Stähle
- für WB geeignet
- Kennbuchstabe C + C-Gehalt*100 + Zusatzsymbol
- Zusatzsymbole: E... max. S-Gehalt, C...besondere Kaltumformbarkeit
- Bsp: C70U 0,7% Kohlenstoffgehalt, U = Werkzeugstahl
(nieder)legierte Stähle
- C-Gehalt*100 + chem Symbolder LE+ "codierte" Gehaltangabe
- LE geornet nach abnehmendem Gehalt, bei gleichen Gehalten nach Alphabeth
- Gehaltsangaben: Gehalte durch bindestriche getrennt
für Cr, Co, Mn, Ni, Si, W durch 4teilen
für Al, Be, Cu, Mo, Nb ect. durch 10 teilen
für Ce, N, P, S durch 100
für B durch 1000
- Bsp. 20NiCrMo13-4 0,2% C, 13/4% Ni, 4/4% Cr, Mo in geringen Konzentrationen
hochlegierte Stähle
- Kennbuchstabe X + C-Gehalt *100+ chem Symbol Le+ Gehalt LE
- Gehalte ohne Faktor gerundet, durch Bindestriche getrennt
- z.B. X5CrNiTi18-10, 0,05%C, 18% Cr, 10%Ni, Ti in geringen Mengen, X für hochlegiert
Schnellarbeitsstähle
- Kennbuchstabe HS + Gehaltsangaben wichtiger Elemente
- Gehaltsangabe in fester Reihenfolge: m%W, Mo, V, Co
- + Zusatzsymbol mgl zb. +LC für kuglige Carbide
- z.B. HS2-9-2 HS- Schnellarbeitsstahl, 2%W, 9%Mo, 2%Vanadium, kein Co!
Stahlbezeichnung nicht für WB geeignet (Wald und Wiesenstahl)
- nach phys und mech. eigenschaften
- nicht für WB vorgesehen
- allgemeine Form: Kennbuchstabe + MindestStreckgrenze (MPA) + Zusatzsymbol
- Stahlguppen: S allg. Baustahl, B Betonstahl, E Maschinenbaustahl,
. Zusatzsymbole: zb. J, K,M Kerbschlagarbeit 27/ 40/ 60J, Q.. vergütet, N...normalgeglüht
Leichtmetalle: Dichte,Schmelztemp., Emodul, Festigkeit, Besonderheit
Titan: roh = 4,5 g/cm³,Tm = 1667°C, E = 120 GPa, Rm= 240- 1400MPa, kiechbest. bis 600°C (Gut)
Alu: roh = 2,7 g/cm³, Tm = 660°C, E = 71 GPa, Rm= 70- 700MPa, kiechbest. bis 150-250°C, gut verarbeitbar, günstig
Magnesium: roh = 1,74 g/cm³,Tm = 649°C, E = 45 GPa, Rm= 100-300MPa, kiechbest. bis 150-250°C leichter und teuer als Al, korranfällig
Berylium: roh = 1,85, Tm = 1287°C sehr teuer, in Pulverform toxisch
vgl Fe/ Stahl: roh = 7,9 g/cm³, Tm = 1536°C, E = 210 GPa, Rm= 300-3000MPa, kiechbest. 400- 600°C schwer, billig
Hautanwendungsgebiete für Aluminium
- Bau- und Kostruktionswesen: Verkleidung, Däher, Rahmen
- Container- und Verpackungsindustrie: Getränkedosen, Folien, recyclebare Verpackungen
- Transportsysteme: Autos, Massentransportsysteme größtes Wachstum (Karossierie, Flugzeughaut)
Weitere Eigenschaften Aluminium
- korrbest
- hohes Reflexionsvermögen
- versprödet nicht mit sinkender Temp
gut bearbeitbar und formbar
- hohe therm + elekt. Leitfähigkeit
Herstellung Aluminium
- über Bayerverfahren: Bauxid -> brechen, mahlen->Druckbehälter mit NaOH-> filtrieren Rotschlamm (Nebenprodukt) ausfällen Aluminiumhydroxid (Na(Al(OH)4) abkühlen Kristallisierung->kalzinieren im Drehrohrofen zu Aluminiumoxid
- Elektrolyse
Wie kann eine Festigkeitssteigerung von Al erreicht werden
- Festigkeitssteigerung durch LE : Mk- Verfestigung, Ausscheidungshärtung/Alterung
- Verformung -> Kaltverfestigung
- Wärmebehandlung -> Aushärtebehandeln