Werkstofftechnik

Atome geben Elektronen der Außenschale ab.

- erfolgt zwischen Metallatomen (elektropositiv) und Nichtmetallatomen (elektronegativ)
- das Metallatom gibt das freie Elektron an das NMAtom ab (Oxidation)
- beide Atome erreichen den Edelgaszustand
- durch die unterscheidlichen Ladungen wirkt elektrostatische  Anziehung (Columbsche Anziehung)
- das Ionenpaar übt räumlich nach allen Seiten Anziehungskräfte aus

- ob 2 Atome eine kovalente oder eine Ionenbindung aufweisen hängt von deren Elektronegativitätsunterschied ab:
EN ca. 0 bis klein = kovalente Bindung
En groß = Ionenbindung

-Bsp: Kochsalz NaCl; Kaliumjodid KJ
 

Ein Atom gibt eine Elektron an ein anderes Atom ab.

Ein Atom nimmt ein Elektron eines anderen Atoms auf.

- Elektronen auf der Außenschale
- sind für die Bindungen zuständig

- Metalle besitzen wenige Valenzelektronen
- diese werden an den Metallverbund abgegeben, um den Edelgaszustand zu erreichen
- die verbleibenden Metallatomrümpfe sind nun positiv geladen
- die abgegebenen Atome bilden nun ein "Elektronengas" und wirken anziehend auf die Metallrümpfe

Eigenschaften:

- gute Leitfähigkeit (Wärme und Elektrizität)
- plasitsch miest gut verformbar
- Glanz
- aber auch z.T. korrosionsanfällig

Bsp. Eisen Fe ; Gold Au

Die Reaktion eines Werkstoffs mit der Umgebung, was Auswirkungen auf die Eigenschaften des Werkstoffs haben kann. (z.B Rost)

- elektrostatische (physikalische) Anziehung zwischen polarisierten Molekülen (sogenannte elektrische Dipole)
- Anziehungskraft ist jedoch geringer im Vergleich zu den Ionen
- lässt deutlich nach mit Abnahme der Temperatur
- die stärker elektronegativen Bestandteile (negativ geladen) ziehen die weniger elektronegativen (positiv geladen) Bestandteile eines anderen Polymers elektrostatisch an ---> es werden permanente Dipolkräfte gebildet

- Grundbausteine sind nach einem bestimmten Strukturprinzip geometrisch räumlich angeordnet (gitterförmiger Aufbau)
- weisen ein typisches Grundbaumuster auf (werden auch als Elementarzellen bezeichnet) ,reihen sich aneinander im  Nah- und Fernbereich
- Entsteht durch Hauptvalenzbindungen (Ionen, Atome) oder Nebenvalenzbindungen (Moleküle)
- weisen Grundbaumuster auf wie kubisch-raumzentriert (Ferrit) oder kubisch-flächenzentriert (Austenit)

Eigenschaften:
- erweichen bei bestimmter Schmelztemperatur T_s
- können nicht von sichtbarem Licht durchdrungen werden (höhere Dichte als amorphe Struktur)

- regelmäßige Anordnung der Ionen im Gitter (NaCl)

Eigenschaften:
- spröde, schlecht plasitsch verformbar
- elektrisch nicht leitend (keine freien Ladungsträger)
- z.T. löslich in Wasser
- z.T. sehr hart
- z.T. sehr korrosionsbeständig

Diamantgitter:

- ein Bezugsatom ist von 4 Nachbaratomen umgeben
- die Basiseinheit (Elementarzelle) aus 5 Kohlenstoffatomen ist tetraedisch
- hohe Härte, hohe chemische Beständigkeit
- nicht leitend (alle Valenzelektronen gebunden)
- teildurchlässig für sichtbares Licht

Gitter des Graphits
- hexagonales Schichtgitter (wabenförmig strukturiert)
- starke kovalente Bindung über 3 Elektronen je C- Atom
-4. Valenzelektron ist schwach gebunden
- > elektrisch leitend
- Trokenschmierstoff
- als "Ruß" in Kunstoffen eingemischt, werden diese leitfähig

- Hauptatome bilden eine Gitterstruktur
- die Atome die zur Legierung benutzt werden, lagern sich auf "Zwischengitterplätzen" ab
- dabei wird zwischen Einlagerungsmischkristallen und Austauschmischkristallen unterschieden
 

- strukturierter Ordnungszustand der Atome/ Moleküle nur im Nahbereich
- erweichen in einem bestimmten Temperaturbereich
- durchlässig für sichtbares Licht (sofern nicht eingefärbt)

- amorphe Struktur bzw. Erstarrung aus der Schmelze wird allg. gefördert durch:
- kompliziert aufgebaute Stoffe
- schnelle Abkühlung

- im Bereich der Kunststoffe findet man auch beide Strukturen
- Moleküle werden durch Nebenvalenzbindungen verbunden--> es bildet sich ein molekulares Gitter
- es liegen neben kristallinen Werkstoffzonen auch amorphe Bereiche vor
- man spricht von teilkristallinen Kunststoffen
- sie sind schmelzbar

- zeitliche Zunahme der Verformung bei konstanter Spannung 

- zur Beurteilung des Verschleißverhaltens oder der Druckbelastbarkeit von Werkstoffen
- zur Überprüfung der Wirksamkeit von Werkstoffbehandlungsverfahren, die mit einer Härtenveränderung einhergehen oder unmittebar darauf abzielen (Kaltverfestigung, Wärmebehandlung...)
- Um rückschlüsse auf andere Werkstoffeigenschaften zu ermöglichen 

- Kugel wir mit Prüfkraft auf ein Prüfstück (metalisch blank) gedrückt (Kraft in 10s aufbringen und 10-15s wirken lassen)
- Durchmesser wird ermittelt (auf 1/100 genau) und anhand einer Formel oder Tabelle erhält man den Härtewert
- wird angegeben: 1. Brinell-Härtewert, 2. Härte nach Brinell mit Hartmetallkugel M, 3. Kugeldurchmesser in mm, 4. Prüfkraft in kgf, 4. Prüfzeit in sec, wenn der Wert außerhalb des Bereichs von 10-15 sek liegt

Bsp. 245 HBW 2,5 / 187,5 / 20

- Um gleiche Bedingungen zu gewährleisten müssen bei unterschiedlichen Kugeldurchmessern die prüfkraft angepasst werden, hierzu dient der Beanspruchungsgrad = 0,102xF / D^2 

- vierseitige Diamantpyramide mit 136 Grad Spitzenwinkel als Eindringkörper
- wird mir der Last F senkrecht in die Probe gedrückt
- Eindruckdiagonalen werden auf 0,002mm genau gemessen
- Mittelwert wird gebildet und die Vikershärte wird errechnet
- HV = Prüfkraft in kp / Oberfläche des Eindrucks
- kann mit unterschiedlichen Prüfkräften erfolgen: Makrobereich (Prüfkraft über 3 kp) und Kleinlastbereich(Prüfkraft bis 3 kp)
- eignet sich für sehr harte Stoffe aufgrund der Diamantpyramide (allg. bis HV 940)
- eignet sich ebenfalls für Mikrohärtemessung (F < 1N)
- kleine Prüfkraft somit eignet es sich auch für dünne Bleche und Folien
- Die Kurzbezeichnung der Härtemessung nach Vickers setzt sich zusammen aus:1. dem Härtewert, 2. den Kennbuchstaben HV, 3. der Prüfkraft in kp, 4. der Einwirkdauer der Prüfkraft in s, falls diese von der festgelegten Zeitspanne(10 bis 15 s) abweicht.

Bsp.: 485 HV 30 / 20

- keine Einschränkung der Härte des Werkstoffs wegen der hohen Eigenhärte des Diamantes
- freie Anpassung der Prüfkräfte --> sehr weiche und sehr harte Werkstoffe  können geprüft werden
- erlaubt Messung an dünnen Blechen oder Oberflächenbeschichtungen
- max. messbare Härte bis ca. 2000HV
- im Makrobereich können sogar einzelne Kristalle gemessen werden

-Anwendungsbereiche:
- eignet sich für heterogene Stoffe wie Gußeisen aufgrund des relativ großen Kugeldurchmessers
- diese Prüfkugel erfasst gleichmäßig hartere und weichere Gesfügebestandteile und liefert daher gute Mittelwerte
- anwendbar bis max. Härte von ca. 650HBW
- die hohen Prüfkräfte können dafür sorgen, dass dünne Bleche etc durchgedrückt werden
- ist nicht für sehr harte Stoffe geeignet, aufgrund der begrenzten Eigenhärte des Prüfkörpers

- keine Flächenpressung sonder Eindringmessung (mit Messuhr oder elektrischem Wegsensor)
- Eindringkörper Diamantkegel
- Durchführung:

1. Aufbringen einer Prüfvorkraft F0  mit der der Prüfkörper belastet wird. Messuhr wird auf 0 gestellt.
2. zusätzliches Aufbringen der Prüfzusatzkraft F1, Prüfgesamtkraft: F0+F1 (innerhalb von 1-8 sek), Einwirkzeit der Prüfgesamtkraft  4s +/- 2
3. Wegnahme der Prüfzusatzkraft: elastische Anteile der Prüfkraft werden eliminiert und man erhält sofort die Eindringtiefe h

- Härtewerte werden mit einer Formel errechnet (Härtewert= N - h/S; wobei N=100 und S= 0,002)
- je nach Prüfvorkraft, Prüfzusatzkraft und der Art des Eindringkörpers unterscheidet man zwischen verschiedenen Rockwellverfahren: Rockwell-B-Verfahren (Eindringkörper :Stahlkugel) und Rockwell-C-Verfahren (Eindringkörper Kegel) sind die wichtigsten
- Angabe: 1.Rockwell-Härtewert 2. Härte nach Rockwell 3. Rockwell Skala C 

Bsp. 55 HRC

- Prüfung nach HRC mit einem Diamantkegel für harte Werkstoffe (Rm> 800MPa)
- Prüfung nach HRB mit einer Hartmetallkugel für weichere Werkstoffe (Rm < 800MPa)
- Prüfung nach HRB mit einer Stahlkugel für weichere Werkstoffe (Rm < 800MPa)

Voteile

- kann direkt abgelesen werden
- kurze Prüfdauer
- einfach
- gut automatisierbar
- relativ geringe erforderliche Oberflächengüte
- direkte Beobachtung der Eindringtiefe mittels einer Messuhr

Nachteile
- erforderliche große Dicke des Prüflings
- Verfälschung der Messung durch plastische Verformung des Werkstücks und durch Rückfederungen im Eindruck
- sehr weiche Stoffe können nicht gemessen werden, da die bleibende Eindringtiefe größer als 0,2 bzw. 0,26mm sein muss

Nährungswerte

- Aus dem B-Härtewert kann in Näherung die Festigkeit für ferritische Stähle und Stahlgußsorte berechnet werden (3,4* Härtewert)
- Aus dem V- Härtewert kann in Näherung die Festigkeit für ferritische Stähle und Stahlgußsorten berechnet werden (3,3* Härtewert)
- Cu und Cu-Legierungen geglüht (Rm = 5,5 HBW)
- Cu und Cu-Legierungen kaltverformt (Rm = 4,0 HBW)
- Al und Al-Legierungen (Rm= 4,0HBW)

- wird erstellt zur Beurteilung des Umformverhaltens eines Werkstoffes
- beschreibt den Widerstand eines Metalls gegen plasitsche Verformung bei einachsiger Beanspruchung
- wird benötigt um :

• zur Charakterisierung der Umformeignung und damit zur Werkstoffauswahl
• zur Berechnung und Auslegung der umzuformenden Bauteile sowie der dazu notwendigen  Umformwerkzeuge und -maschinen

- damit beim Umformungsvorgang fließen auftritt muss die Fließspannung erreicht werden
- auf die Belange der Umformtechnik wird die Fließkurve erstellt: x-Achste Umformgrad, y-Achse Fließspannung k_f
- die Fließkurve zeigt die Fließspannung an welche aufgebracht werden muss um die Einleitung oder das Aufrechterhalten des plastischen Fließens zu gewährleisten

- damit bei einem Umformungsvorgang plastisches Fließen auftritt, müssen die tatsächlich wirkenden  Spannungen eine charakteristische Größe, die Fließspannung, erreichen
- K_f = F/S    (F= Kraft , S = momentane Querschnittsfläche)

- auf den Augenblickswert bezogene und über den Umformvorgang aufsummierte
Abmessungsänderung bezeichnet 
- Formel zur Berechnung siehe Skript

Dreidimensionales Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z 

• Zwischen den Achsen liegende Winkel alpha, beta, gamma
• Gitterparameter a, b und c (Gitterkonstante)
• Gittergeraden:         Die Geraden, auf denen in regelmäßigen Abständen die Atome angeordnet sind 
• Netzebenen:            Ebenen, die regelmäßig mit Atomen besetzt sind. 
• Elementarzelle:       Kleinste Volumeneinheit des Raumgitters mit allen Symmetriemerkmalen des                                                    Kristallsystems; durch periodische Verschiebung der Einheitszelle wird das 
                                     Raumgitter aufgebaut. 
• Anzahl der Atome pro Elementarzelle 
• Koordinationszahl: Anzahl der unmittelbar benachbarten Gitterbausteine mit dem kürzesten, gleich großen Abstand vom betrachteten Atom

• Aus Symmetriegründen existieren 7 Grundtypen von Gittern, die sogenannten Kristallsysteme. Ein Kristallsystem stellt die Gesamtheit aller Anordnungen der Gitterbausteine in einem Raumgitter mit gemeinsamen geometrischen Merkmalen dar. 
• Diese lassen sich in 14 Gitter aufteilen (Bravais-Gitter) 

- ist vorstellbar als eine Übereinanderschachtelung von Atomebenen
- verbindet man die Atomschwerpunkte durch Gerade, erhält man ein Raumgitter
siehe Tabelle Zusammenfassung

- bei gleichen Gittertypen und einer Atomgrößendifferenz von nicht mehr als 15%
- die Legierungselemente sitzen auf regulären Gitterplätzen des Wirtsgitters
- Atome der Sorte A können vollständig durch die der Sorte B ersetzt werden (vollständig mischbar/lösbar im festen Zustand)
- tabelle siehe Zusammenfassung 3.1/ skript kapitel 3

- entstehen wenn kleinere Nichtmetalle (C,N,B,O) einem Basismetall zulegiert werden
- im Wirtsgitter sind Gitterlücken vorhanden
- das Radienverhältnis der Atome muss kleiner oder gleich 0,6...0,7 sein
- das Lösungsvermögen ist (meistens) begrenzt und nimmt zusätzlich mit abnehmender Temperatur ab 

- kleinste Einheit eines Kristallgitters
- repräsentiert Symmetrie und alle Eigenschaften eines kristallinen Stoffes 
- besteht aus einer "kleinen" Anzahl an Atomen die in einer “Box” mit parallelen Seitenflächen angeordnetsind, die 3 Raumrichtungen und dabei den Raum vollständig ausfüllen
- Tabelle angucken krz,kfz

- die Vereinigung eines Grundmetalls durch Zusammenschmelzen oder Sintern mit einem oder mehreren anderen metallischen oder auch nichtmetallischen Elementen
- dadurch sollen betimmte Eigenschaften des Grundmetalls verändert werden (z.B. die mechanischen Eigenschaften: Festigkeit, Verformbarkeit, Härte oder die Korrisionsbeständigkeit)
- einphasig: besteht nur auf einer Art von Kristalliten , mehrphasig: besteht aus meheren Arten von Kristalliten  

• Art der bestehenden Legierungsstrukturen ist allg. abhängig von:
  - vom Gittertyp
  - von den Atomradien
  - von der chemischen Affinität der beteiligten Elemente 
  - von der Konzentration der beteiligten Atomsorten 

- Gitter des Grundmetalls bei Legierungen
- in diesem sind die Fremdelemente der Legierung untergebracht