Konstruktionswerkstoffe 1&2
Zur Vorbereitung auf die Klausur Konstruktionswerkstoffe 1&2
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Lernkarten
Nennen sie 10 Auswahlkriterien für Werkstoffe
- Mindestwerte für Wekrstoffwiderstände (Härte, ReS , Rp0,2 , Rm , RW
- Wärmebehandelbarkeit
- Zerspanbarkeit
- Umformbarkeit
- Schweißeignung
- Kerbempfindlichkeit
- Verschleißwiderstand
- Korrosionsbeständigkeit
- Temperaturbeständigkeit
- Wiederverwertbarkeit
Was bedeutet "unlegiert"?
- keine beabsichtigte Zugabe von Legierungszusätzen
- Grenzwerte für Begleitelemente: Si<0,6; Al<0,3; Ti<0,05; Cu<0,4; Mn<1,65
Erläutern sie die qualitativen Unterschiede bei unlegierten Stählen und nennen sie Beispiele
- Massenstahl (zB: S235)
- Qualitätsstahl -> Phosphor&Schwefel <0,045 (zB: C35)
- Edelstahl -> Phosphor&Schwefel <0,025 (zB: C60E)
Was versteht man unter einem nierdriglegierten Stahl? Wie werden diese bezeichnet?
- definierte Legierungszusätze mit Gesamtanteil <5%
- zB: 30 Ni Cr Mo 16 6
- 100 bei C, N, P, S
- 4 bei Cr, Co, Si, Mn, Ni, W (CroCodiele Sieht Man Niemals Weinen)
- 10 bei Restlichen (Al, Cu, Mo, Ti, Ta, V, Be, Zr, Nb, Pb)
Was versteht man unter hochlegierten Stählen und wie werden diese bezeichnet
- definierte Legiergungszusätze mit Gesamtanteil >5%
- zB: X12CrNi188
- X für "hochlegiert", nach Anteil sortierte Legierungselemente, direkte Angabe in Ma-%
Was versteht man unter homogener Keimbildung? Erläutern sie in diesem Zusammenhang den kritischen Keimradius!
- statistische Keimbildung über ganzez Volumen
- Keime werden durch den Stoff selbst gebildet
- kritischer Keimradius: oberhalb r* ist die freiwerdende Volumenenthalpie größer als die zur Oberflächenbildung benötigte Oberflächenenthalpie -> Keim wächst stabil
- wird durch thermische Fluktuation erreicht
- wachsende Unterkühlung verringert r*(Atome verweilen länger auf Gitterplätzen)
- zu starke Unterkühlung führt zu starker Reduzierung der Beweglichkeit -> Keimbildung wird Verlangsamt
Was versteht man unter heterogener Keimbildung?
- lokalisiert an Gitterstörungen des Austenits, Versetzungen, Korngrenzen, Verunreinigungen
- Gitterstörungen verringern nötige Oberflächenenergie
- kritische Keimbildungsenthalpie wird kleiner
- bei gleicher Unterkühlung schnellere Keimbildungsgeschwindigkeit
Erläutern sie Ferrit, Zementit und Perlit!
Ferrit (α-MK):
- Ferrit ist ein untereutektoides Gefüge
- es bildet sich an den Korngrenzen des Austenits
- sehr niedrige C-Löslichkeit (0,02 bei 723°)
Zementit (Fe3C, Carbid):
- übereutektoides Gefüge
- bildet sich an Korngrenzen des Austenit
- sehr hohe C-Löslichkeite (6,67%)
Perlit (Ferrit + Zementit):
- Eutektoid
- besteht aus Ferrit mit Zementitlamellen
- reines Perlit entsteht bei C=0,8%
Ferrit (α-MK) und Ferrit (α-MK) im Perlit sind die selbe Phase, aber als Gefügebestandteile unterscheidbar
Was versteht man unter Primär-, Skundär- und Tertiär Zementit?
- Primärzementit: entsteht direkt aus Schmelze (C > 4,3 Ma-%)
- Sekundärzementit: entsteht aus Austentit (0,8 Ma-% < C < 4,3 Ma-%)
- Tertiärzementit: entsteht aus Ferrit (α-MK) ( C < 0,8 Ma-%)
Was ist Ledeburit? Welche 2 Arten gibt es?
Ledeburit ist ein Mischgefüge
Es entsteht bei C-Gehalten > 2,06 Ma-%
Ledeburit I: oberhalb 723°, besteht aus Austenit, Primär- und Sekundärzementit
Ledeburit II: unterhalb 723° besteht aus Perlit, Primär- und Sekundärzementit
Was passiert wenn die Abkühlgeschwindigkeit erhöht wird?
- Für erhöhte Abkühlgeschwindigkeiten wird der Perlitpunkt in einen Perlitbereich aufgeweitet -> bestimmte über- bzw. untereutektoide Stähle wandeln rein perlitisch um.
- Durch die erhöhte Keimzahl bei steigender Unterkühlung wird die Lammelenstrucktur feiner
- Durch weitere Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit ensteht ein Zwischenstufengefüge -> Bainit (nadelförmiger Ferrit+körniger Zementit, Umwandlung unterhalb 550°C)
- weniger hart und spröde als Martensit aber höhere Härte/Festigkeit als Perlit
- Wenn eine kritische Abkühlgeschwindigkeit überschritten wird findet eine diffusionslose Umwandlung des Austenits in Martensit um
- Höchste Härte, sehr Spröde, sehr geringe Bruchdehnung, hohe Streckgrenze
Was bedeuten die Linien A1, A2 und A3 im Eisen Kohlenstoff Diagramm?
A1: eutektoide Reaktion, waagrechte Linie bei 723°C, isotherme Umwandlung von Austenit zu Perlit
A2: 769°C (Curie-Punkt) Verlust des Ferromagnetismus im Ferrit
A3: Linie von (0%/911°C) zu (0,8%/723°C); bei überschreiten dieser Linie bilden sich Kohlenstoffarme Ferrit-MK (α-MK) und der Kohlenstoffgehalt des Austenits steigt bis die eutektoide Konzentration (0,8%) erreicht ist
Welche 3 Arten von Umwandlungsschaubildern kennen sie?
Isothermes ZTU:
- Austenitisieren auf T>A3
- rasche Abkühlung auf Umwandlungstemperatur
- halten und beobachten der Umwandlung (zB. mikroskopisch)
Kontinuierliches ZTU:
- Austenitisieren auf T>A3
- Abkühlen nach vorgegebener T,t-Kurve
- Verfolgung des Umwandlungsablaufs
ZTA:
- isotherm und kontinuierlich (hier nur Isotherm)
- rasches Aufheizen auf T>A1 (bzw A3)
- Verfolgung der Umwandlung
- mit steigender Überhitzung steigt auch die Umwandlungsgeschwindigkeit (Austenit wird grobkörnig)
Erläutern sie den Einfluss der Temperatur und der Legierungszusätze auf ein ZTU-Diagramm
"Nase" durch Temperatur:
- zu hohe Temperatur -> Keime werden wieder aufgelöst
- zu niedrige Temperatur -> Diffusionsträgheit der C-Atome überwiegt
Legierungseinflüsse:
- C < 0,8% Verlangsamung der Umwandlung durch Stabilisirung des Austenit
- C > 0,8% Beschläunigung durch erhöhte Keimzahl
- Legierungszusätze verzögern meist die Umwandlung
- Cr, M, W, V (Karbidbildende Legierungszusätze) verschieben Perlitstufe zu höheren und Bainitstufe zu niedrigeren Temperaturen
- Ni, Mn verschieben Perlitstufe, Bainitstufe und Ms zu niedrigeren Temperaturen
Auf welche Verfestigungsmechanismen ist die martensitische Härte zurückzuführen?
- Versetzungsverfestigung(+++)
- Mischkristall-Verfestigung (+)
- Korngrenzen-Verfestigung (+)
Welche 3 Martensitarten kennen sie und bei welchen Kohlenstoffkonzentrationen findet man diese?
- C<0,5%: Massivmartensit (Typ-1-Martensit, Lattenmartensit, Schiebungsmartensit)
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0,5%<C<1,1%: Mischmartensit (Massivmartensit(hohe Versetzungsdichte) und Plattenmartensit (stark verzwillingt))
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1,1%<C<1,9%: Plattenmartensit (Umklappmartensit, Typ-2-Martensit)
Welchen Einfluss hat der Kohlenstoffgehalt auf die Martensitische Härte?
- Ab 0,5% C steigt der Restaustenitgehalt
- ab 0,8% fällt die Härte durch erhöhten Restaustenitgehalt
- Legierungszusätze haben nur eine geringe Auswirkung auf martensitische Härte -> wesentliche ist der C-Gehalt!
Einflussfaktoren auf martensitische Härtung
- C-Gehalt
- Wärmeinhalt
- Abschreckmittel
- Austenitisierungsbedingungen (grobe Austenitkörner erschweren die Perlit/Bainitbildung -> bessere Einhärtbarkeit)
- Legierungszusätze (idR verinngerung von Ms -> bessere Einhärtbarkeit)
Welche Arten von Abschreckmitteln kennen sie? Ordnen sie diese nach der Wirkung!
- Luft
- Öl
- Wasser
- Salzwasser
Was kann beim Abschrecken unternommen werden um höhere Wärmeübergangszahlen zu erreichen?
große Badvolumina (geringe Aufheizung des Abschreckmediums)
Bewegung der Bauteile im Bad
Erschwerung der Gasblasenbildung durch Zusätze (5% NaCl; 10%NaOH)
Was versteht man unter dem Selbstanlasseffekt?
Randhärte nimmt ab, da die Wärme im Inneren zu langsam abgegeben werden kann
Was versteht man unter der Ein-, und Aufhärtbarkeit und durch was werden sie hauptsächlich beeinflusst?
Einhärtbarkeit:
- Härte im inneren des Bauteils
- wesentlichen durch Legierungszusätze bestimmt
Aufhärtbarkeit:
- maximal ereichbare Härte (im Randbereich)
- im wesentlichen durch C-Gehalt bestimmt
Was versteht man unter dem Ideal-Kritischen Durchmesser?
Der Ideal-Kritische Durchmesser ist der Durchmesser einer Zylindrischen Probe, bei der nach der Härtung im Inneren (entlang der Längsachse) 50% Martensit vorliegen
- Dik = 3,89dγ0,231 sqr(C)
- (dγ = Austenitkorngröße; C = Kohlenstoffgehalt in %)
Welche Arten von Eigenspannungen kennen sie?
- Eigenspannungen I. Art: über größere Werkstoffbereiche (mehrere Körner) homogen; Eigenspannungsgleichgewicht über kompletten Körper; Eingriff in das Eigenspannungsgleichgewicht -> makroskopische Maßänderung
- Eigenspannungen II. Art: über kleinere Werkstoffbereiche (ein Korn oder Kornbereiche) nahezu homogen; Eigenspannungsgleichgewicht über hinreichend viele Körner; Eingriff in das Eigenspannungsgleichgewicht -> mögliche makroskopische Maßänderung
- Eigenspannungen III. Art: über kleinste Werkstoffberreiche (mehrere Atomabstände) inhomogen; Gleichgewicht über kleine Teile eines Korns; Eingriff in das Eigenspannungsgleichgewicht -> keine makroskopische Maßänderung
Durch was können Eigenspannungen induziert werden?
- Thermische Eigenspannungen durch inhomogene Abkühlung
- Umwandlungseigenspannungen durch Volumenänderung verschiedener Phasen
- Härteeigenspannungen durch Überlagerungen der oben genannten
Was versteht man unter Gebrochenem Härten und welches Ziel wird damit verfolgt?
- Absicht: Reduzierung der Härteeigenspannungen schon wärend der Härtung
- zeitliche Unterbrechung der Abkühlung
- Abschreckung in Wasser bis ca 400°C im Randbereich ggf. Temperaturausgleich in Luft abwarten; weitere Abkühlung in Öl
- dann langsame Abkühlung
- Erfolg stark geometrieabhängig
Was versteht man unter Warmbadhärten und welches Ziel wird damit verfolgt?
- Absicht: Reduzierung der Härteeigenspannung
- häufig bei Stählen mit C > 0,6%, da Ms hier niedrig genug liegt
- führt zu Werkstücken mit sehr niedrigen Eigenspannungen
Vorgehensweise:
- Rasches Abschrecken auf T > Ms im Salzbad
- Halten bis zum Temperaturausgleich im Salzbad
- weitere Abkühlung in Öl
Was versteht man unter Isothermischem Härten und welches Ziel wird damit verfolgt?
- Absicht: Erzeugung von unterem Bainit und Martensit
- Abschrecken auf T > Ms und isothermes Umwandeln
- Unterer Bainit: Gefüge mit sehr guten Zähigkeitseigenschaften
Was versteht man unter Flammhärten und welches Ziel wird damit verfolgt?
- Absicht: Härten begrenzter Oberschlächenberreichen
- Lösung : Vorschubflammhärten
- Erhitzung der zu härtenden Oberfläche mittels Gasbrenner auf T > TA
- Direkte Abschreckung mit Wasser
Was versteht man unter Induktionshärten und welches Ziel wird damit verfolgt?
- Absicht: Härten öberflächennaher Bereiche
- Erhitzen von Oberflächenbereichen durch hochfrequenten Wechselstrom auf T>TA
- Ausnutzung des Skineffekts (Größte Energiedichte im Randbereich)
- Transformatorprinzip (Werkstück: kurzgeschlossene Sekundärwicklung; Induktor: Primärwicklung; Induzierung eines Kurzschlussstroms im Werkstück)
- sehr starke Aufheizung
- Eindringtiefe stark Frequenzabhängig d2~1/f
- Bis zur Eindringtiefe werden 86% der Energie in Wärme umgesetzt (Rest weiter im Werkstoffinneren)
- diverse Verfahren möglich (Standverfahren, Vorschub-, Umlauf-, Allzahnhärtung, Einzelzahn-, Zahnlücken-...)
Was versteht man unter Vergüten und welches Ziel wird damit verfolgt?
- Absicht: Erzeugung eines ferritisch-karbitischem Gefüge mit definierten Eigenschaften
- Realisierung: Härten und anschließendes Anlassen (250-650°C)
- Eigenschaften von Hart&Spröde bis Weich&Zäh
Was versteht man unter Chemisch-Thermischer-Behandlung und welches Ziel wird damit verfolgt?
- Absicht: Erzeugung von speziellen Randschichten durch Eindiffundieren
- Verbesserung von: Härte, Verschleiswiderstand, Schwingfestigkeit, Korrosionsschutz (beim Nitrieren)
- Diffusion bei hohen Temperaturen stets über die Gasphase
- Bauteile gezielt behandelbar da Diffusion nur über freie Oberflächen (Rest zB abdecken)
Eindiffundierbare Elemente:
- Nichtmetalle (Interstitionsatome): C, N, B, C+N
- Metalle (Substitutionsatome): Al, Cr, Cr+AL, Ti
Was versteht man unter Einsatzhärten? Bei welchen Stählen wird es eingesetzt?
- Erzeugung harter Oberflächenschichten bei Stählen mit geringen C-Gehalten (C<0,2%)
- Aufkohlung auf ~0,8% C und anschließendes Härten
- Temperaturbereich: 850-950°C
- C wird immer über die Gasphase eingebracht
- Vorgänge an der Grenzfläche:
- Antransport von CO
- Grenzflächenreaktion
- Abtransport von CO2
- C-Diffusion ins Bauteilinnere
- Reaktion im Werkstoff (Phasenumwandlung, Fe3C Bildung)
Welche möglichkeiten der Härtung stehen einem nach dem Aufkohlen zur Verfügung?
- Direkthärtung: Direkt von Aufkohlungstemperatur
- Einfachhärtung: von der dem Randkohlenstoffgehalt entsprechenden oder einer anderen Härtungstemperatur
- Doppelhärtung: von der dem Kernkohlenstoffgehalt entsprechenden und danach nochmals der dem Randkohlenstoffgehalt entsprechenden Temperatur
Was sind die Unterschiede des Nitrierens im Vergleich zum Aufkohlen?
- Nitridschicht sehr dünn (12-16µm) -> keine Nachbearbeitung möglich
- träger der Härte sind die Nitride, keine Abschreckung nötig -> kein Verzug
- Nitriren meist im Vergüteten Zustand, da die dünne Nitridschicht sehr spröde ist
- Temperaturen 350K niedrieger als beim Aufkohlen
Was versteht man unter Baustählen? Welche zwei Arten hinsichtlich der Qualität gibt es?
- Unlegierte Stähle (Massenstähle)
- Einsatz im Hoch und Tiefbau, Hallenbau, Schiffbau
- meist keine Wärmebehandlung vorgesehen
- Eisenbegleiter: Mn,Si,P,S
- Kohlenstoffgehalt: 0,1-0,5%
- Normalfeste Baustähle: Streckgrenze Re,H = 235 MPa (zB. S235) Walzzustand oder Normalgeglüht
- hochfeste Baustähle: Streckgrenze Re,H = 355 MPa (zB. S355) Feinkornbaustähle: thermochemisch behandelt oder vergütet
Schweißbare Stähle
Sprödbruch der Schweißverbindung muss ausgeschlossen werden! -> keine Martensitbildung
Folgende Eigenschaften bestimmen die Schweißeignung:
- Abkühlgeschwindigkeit (Geometrieabhängig)
- C-Gehalt: setigender C-gehalt erleichtert die Martensitbildung (Cmax = 0,2-0,25%
- Legierungselemente: wirken wie C, zu hoher Anteil führt zu Verlust der Schweiseignung
- Austenitkorngröße: feines Korn fördert Perlitbildung -> erschwerung der Martensitbildung
Welchen Vorteil haben Feinkornbaustähle?
bessere Schweißbarkeit durch erschwerung der Martensitbildung
höhere Festigkeit druch feines Gefüge (KG-Verfestigung)
häufig im Reaktorbau (zB: 22NiMoCr37 & 15MnMoNiV53)
Werkzeugstähle: Anforderungen und Beispiele
Anforderungen:
- hohe Härte (auch Warmhärte)
- hohe Festigkeit
- hoher Verschleiswiderstand
- ausreichende Duktilität
Realisiert durch hohen C-Gehalt und Karbidbildende Legierungselemente (Cr,Mo,V)
Beispiele: C100, 100Cr6, X210Cr13, X165CrMo12
Was versteht man uner Vergütungsstählen? Erklären sie in diesem Zusammenhang die Anlassbeständigkeit und Anlassversprödung!
- C-Gehalt meist 0,2-0,7 Ma-%
- optimale Festigkeit bei ausreichender Zähigkeit
- relativ schlechte Schweißeignung wegen zu hohem C-Gehalt
- Wärmebehandlung: Vergüten (Härten + Anlassen)
- oft wird Harte Randschicht + duktiler Kern benötigt (zB Kurbelwellen) -> Randschichthärtung (Flamm oder Induktionshärtung)
Anlassbeständigkeit: geringer Härteabfall beim Anlassen zb durch Karbidausscheidungen
Anlassversprödugn: Kerbschlagzähigkeit nimmt beim Anlassen zwischen 200-450°C ab. Grund: Karbidausscheidungen auf ehemaligen Austenitkorngrenzen, besonders stark bei CrNi-Vergütungsstählen
Beispiele: C22, C35, C45, C60 (auch in Ck-Qualität), 40Mn4, 41Cr4, 42CrMo4, 30CrNiMo8