Konstruktionswerkstoffe 1&2

• Oxidation ist eine Phasengrenzreaktion zwischen der Metalloberfläche und umgebenden Gasen
• verändert Werkstoffeigenschaften meist auf unerwünschte Weiße oder zerstören sie sogar ganz
• es entsteht eine porenfreie Schicht die das Metall von dem umgebenden Gas trennt
• Reaktion läuft trotzdem weiter! aber meist verzögert (Diffusion)

Durch Oxidation entsteht eine Schicht auf der Metalloberfläche:

• dünne Schicht: anlaufen
• dicke Schicht; verzundern

Oxidation ist im allgemeinen von der Temperatur und der Einwirkzeit abhängig

Niedrige Temperatur:

• Schichtdicken 0,001 µm - in Einzelfällen bis zu 0,2µm
• logarithmische Beziehung zwischen Schichtdicke und Zeit in oxidierender Umgebung

höhere Temperatur:

• Schichtdicken 0,01-0,02µm
• meist parabolische Beziehung (Tamann'sches Anlaufgesetz; Quadratisches Verzunderungsgesetz; parabolisches Zeitgesetz)
• gilt nur wenn Oxidschicht gleichmäßig und durch Diffusionsprozess gesteuert

hohe Temperaturen, größere Einwirkzeit

• Schichtdicke min. 0,2µm; meist > 0,5µm
• oft linearer Zusammenhang zwischen Schichtdicke <=> Einwirkzeit
• Vorrausetzung: poröse Deckschicht
• bei poröser/rissiger Deckschicht steigt die Oberfläche => Korrosion wird begünstigt

• Dichte Deckschicht und keine Diffusion -> Stillstand der Oxidation
• Dichte Deckschicht und Diffusion -> verlangsamte aber dennoch fortschreitende Oxidation (Diffusion ist Temperaturabhängig!)
• Poröse Deckschicht -> vergrößerte Oberfläche begünstigt Oxidation

Deckschichten sind meist spröde -> Zugspannung fördert die Rissbildung und somit auch die Korrosion

dichte Schichten entstehen meist wenn das Molvolumen des Oxids größer als das des Metalls ist

poröse Schichten enstehen meist bei Molvolumina die kleiner als die des Metalls sind

• besonders dichte und festhaltende Deckschichten bilden zB.: durch Cr, Si, Al
• da Cr, Si, Al eine höhere affinität zu O haben als Fe gibt es nur einen geringen anteil an FeO in der Deckschicht
• spezielle Oberflächenbehandlung von Superlegierungen mit Al oder Cr zur bildung einer Passivschicht (dicht und porenfrei)
• Oxidschicht meis hart/spröde -> erhöhter Verschleiswiederstand
• Bei verletzen der Deckschicht oxidiert das freigelegte Material und bildet neue Oxidschicht

Mechanische Eigenschaften:

• Härte
• Verschleisfestigkeit
• Erodierbarkeit
• Verformbarkeit
• Zähigkeit
• Materialermüdung/Dauerschwingfestigkeit
• Haftung/Reibung

Chemische Eigenschaften:

• Korrosionsbeständigkeit
• Oxidationsbeständigkeit/Zunderbeständigkeit
• Elektrochemische Eigenschaften
• Katalytische Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften:

• Leitungswiderstand
• Supraleitfähigkeit
• Halbleiterdotierung
• Photoleitung
• Dielektrische Eigenschaften
• Magnetische Eigenschaften/Magnetismus
• Reflexionsvermögen

Eine künstliche Schutzschicht ist eine zusätzliche Deckschicht die durch spezielle Oberflächenbehandlung aufgebracht wird

Das Aufbringen von künstlichen Schutzschichten:

• bewirkt eine Erhöhung des Oxidationswiderstand
• verhindert die Ausscheidung einer spröden Phase
• verbessert Ermüdungsverhalten unter thermisch-mechanischer Beanspruchung

Metallische Oberflächenschichten:

• thermisch Spritzen
• Schmelztauchen
• Galvanisieren
• Chemical Vapour Depsoition (CVD)
• Physical Vapour Deposiotion (PVD)

Anorganische nichtmetallische Oberflächen:

• Anodisieren
• CVD/PVD
• Emaillieren
• Thermisch Spritzen

Organische nichtmetallische Oberflächenschichten:

• Streichen/Lackieren
• Spritzen
• Tauchen/Fluten
• Beschichten mit Kunststoff

gehört zu PVD (Physikalische ausscheidung aus der Gasphase)

• Schutzschichtmaterial wird in Hochvakuum über Schmelztemperatur gebracht
• Verdampft und Kondensiert auf niedrig temperiertem Substrat (Bauteil)

PVD-Verfahren

Prozessgas wird ionisiert (meist Argon) und wird zum negativ geladenen Target (Aufdampfmaterial) beschleunigt

Durch den Beschuss des Targets kommt es zum Sputtering: Material wird durch Austausch der Aufprallenergie herausgelöst

Target erwärmt sich dabei -> Kühlung der Rückseite

Substrat befindet sich vor Target und fängt den entstehenden Atomfluss auf -> wird beschichtet

Prozessgeschwindigkeit (Ausbeutungsrate) liegt für fast alle Materialien in der gleichen Größenordnung -> attraktiv da fast alle Materialien mit wirtschaftlich akzeptabler Aubeutungsrate eingesetzt werden können

PVD-Verfahren

Prozessgas wird ionisiert (meist Argon) und wird zum negativ geladenen Target (Aufdampfmaterial) beschleunigt

Durch den Beschuss des Targets kommt es zum Sputtering: Material wird durch Austausch der Aufprallenergie herausgelöst

Target erwärmt sich dabei -> Kühlung der Rückseite

Substrat befindet sich vor Target und fängt den entstehenden Atomfluss auf -> wird beschichtet

Prozessgeschwindigkeit (Ausbeutungsrate) liegt für fast alle Materialien in der gleichen Größenordnung -> attraktiv da fast alle Materialien mit wirtschaftlich akzeptabler Aubeutungsrate eingesetzt werden können

PVD-Verfahren

Prozessgas wird ionisiert (meist Argon) und wird zum negativ geladenen Target (Aufdampfmaterial) beschleunigt

Durch den Beschuss des Targets kommt es zum Sputtering: Material wird durch Austausch der Aufprallenergie herausgelöst

Target erwärmt sich dabei -> Kühlung der Rückseite

Substrat befindet sich vor Target und fängt den entstehenden Atomfluss auf -> wird beschichtet

Prozessgeschwindigkeit (Ausbeutungsrate) liegt für fast alle Materialien in der gleichen Größenordnung -> attraktiv da fast alle Materialien mit wirtschaftlich akzeptabler Aubeutungsrate eingesetzt werden können

PVD Verfahren

• Wärmequellen: Lichtbogenspritzen; Flammspritzen; Detonationsflammspritzen; Plasmaspritzen
• Ausgangsmaterialien: Stäbe, Drähte, Pulver
• Material wird aufgeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat  geschossen wo es rasch erstarrt

Hauptunterschied: beim CVD Verfahren läuft eine chemische Reaktion auf der Substratoberfläche unter Ausscheidung einer festen Phase ab

Weitere Unterschiede:

• CVD-Prozesse laufen bei beliebigem Druck ab -> PVD im Vakuum (Anlagen sind teurer)
• Prozesstemperaturen beim CVD sehr hoch -> einschränkung der Substrat und Beschichtungsmaterialien

CVD: chemische Reaktion an Substratoberfläche unter Ausscheidung einer festen Phase

• Reaktion wird meist durch Wärme aktiviert (Temperaturbelastbarkeit des Substrats muss beachtet werden!) kann aber auch durch Plasma aktiviert werden
• Beschichtungsmaterialien stark eingeschränkt, da sonst Prozesstemperatur zu hoch
• Substratmaterialien durch hohe Prozesstemperaturen (meist >1000°C) ebenfalls stark eingeschränkt
• Weitere Einschränkung der Kombinationsmöglichkeiten durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten (entstehen Zugspannungen und somit Risse neigt die Schutzschicht zum Abplatzen)
• Wichtigste Reaktionen beim CVD-Prozess: Wasserstoffreduktion von Metallhalogenen, Spaltung von Metall-Organica

• niedrige Prozesstemperatur -> amorphe Schicht
• Erhöhung der Prozesstemperatur erhöht die Neigung zur Kristallisation
• Epitaxe: wenn Struktur des Schichtmaterials und des Substrats ähnlich und geeignete Beschichtungsbedingungen (Gaszusammensetzung, Temperatur, Druck) hat die Schicht und das Substrat den gleichen Kristallaufbau
• Epitaxe sind in ihren Eigenschaften amorphen und polykristallinen Schichten meist überlegen

Kriechen: Zeitabhängige Dehnung bei konstanter Belastung oberhalb der Rekristallisationstemperatur T_R

• I. Primäres oder Übergangskriechen: Kriechgeschwindigkeit nimmt wegen der Verfestigung ab
• II. Sekundäres oder stationäres Kriechen: Verfestigung und Entfestigung (Erholung) sind im dynamischen Gleichgewicht
• III. Tertiäres oder beschleunigtes Kriechen: Kriechgeschwindigkeit steigt bis zur Bruchzeit tB; Entfestigung ist größer als Verfestigung; Bruch der Probe am Ende des Kriechabschnitts (verläuft meist interkristallin)

Dauerstandfestigkeit: Die Dauerstandfestigkeit ist die größte ruhende Nennspannung die bei konstanter Versuchstemperatur "unendlich lange" ohne Bruch ertragen werden kann (Kriechen kommt zum Stillstand). (theoretischer Wert, da unendlich lange Versuchsdauer nicht realisiert werden kann)

Zeitstandfestigkeit: Die Zeitstandfestigkeit, bei bestimmter Temperatur, ist die ruhende Belastung (bei RT auf Anfangsquerschnitt bezogen), die nach Ablauf einer bestimmten Versuchszeit den Bruch der Probe hervorruft.

Kurzzeichen der Zeitstandfestigkeit: R_m mit dem Index: Zeit in Stunden/Temperatur in °C  (Bsp.: 1000h Zeitstandfestigkeit bei 800°C = R_{m 1000/800})

Zeitstandkriechgrenze (Zug: Zeitdehngrenze, Druck: Zeitstauchgrenze): Die Zeitstandkriechgrenze ist die ruhende Belastung (bei RT auf Anfangsquerschnitt bezogen), bei der nach einer bestimmten Zeit ein bestimmter Kriechbetrag wirkt. Der Kriechbetrag entspricht der bleibenden Dehnung

Kurzzeichen der Zeitstandkriechgrenze: R_p mit dem Index: bleibende Verformung in %/Zeit in Stunden/Temperatur in °C (Bsp.: 0,2%-1000h-Zeitdehngrenze bei 800°C = R_{p 0,2/1000/800}

• keine beabsichtigte Zugabe von Legierungszusätzen
• Grenzwerte für Begleitelemente: Si<0,6; Al<0,3; Ti<0,05; Cu<0,4; Mn<1,65

• Massenstahl (zB: S235)
• Qualitätsstahl -> Phosphor&Schwefel <0,045 (zB: C35)
• Edelstahl -> Phosphor&Schwefel <0,025 (zB: C60E)

• 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)

• definierte Legiergungszusätze mit Gesamtanteil >5%
• zB: X12CrNi188
• X für "hochlegiert", nach Anteil sortierte Legierungselemente, direkte Angabe in Ma-%

• 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

• lokalisiert an Gitterstörungen des Austenits, Versetzungen, Korngrenzen, Verunreinigungen
• Gitterstörungen verringern nötige Oberflächenenergie
• kritische Keimbildungsenthalpie wird kleiner
• bei gleicher Unterkühlung schnellere Keimbildungsgeschwindigkeit

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

• 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-%)

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

• 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

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

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)

"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

• Versetzungsverfestigung(+++)
• Mischkristall-Verfestigung (+) 
• Korngrenzen-Verfestigung (+)

• C<0,5%: Massivmartensit (Typ-1-Martensit, Lattenmartensit, Schiebungsmartensit)

• 0,5%<C<1,1%: Mischmartensit (Massivmartensit(hohe Versetzungsdichte) und Plattenmartensit (stark verzwillingt))

• 1,1%<C<1,9%: Plattenmartensit (Umklappmartensit, Typ-2-Martensit)

• 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!

• C-Gehalt
• Wärmeinhalt
• Abschreckmittel
• Austenitisierungsbedingungen (grobe Austenitkörner erschweren die Perlit/Bainitbildung -> bessere Einhärtbarkeit)
• Legierungszusätze (idR verinngerung von Ms -> bessere Einhärtbarkeit)

1. Luft
2. Öl
3. Wasser
4. Salzwasser

große Badvolumina (geringe Aufheizung des Abschreckmediums)

Bewegung der Bauteile im Bad

Erschwerung der Gasblasenbildung durch Zusätze (5% NaCl; 10%NaOH)