Werkstofftechnik

Werkstofftechnik - Maschienenbau

Werkstofftechnik - Maschienenbau


Rafael Bu
Diese Lernkarten decken grundlegende und fortgeschrittene Konzepte der Werkstofftechnik auf Universitätsniveau ab. Sie behandeln die Eigenschaften von Werkstoffen, insbesondere Metallen, und deren Abhängigkeit von der atomaren Struktur, Elektronenkonfiguration und Temperatur. Themen wie Härte, Legierungen, Umwandlungsprozesse und Prüfverfahren werden vertieft. Die Karteikarten sind ideal für Studierende der Materialwissenschaften, da sie sowohl theoretische Grundlagen als auch praktische Anwendungen, wie das Härten und Glühen von Metallen, abdecken.
Flashcards
85
Students
7
Language
German
Category
Technology
Level
University
Created / Updated
29.01.2014 / 24.11.2022

Flashcards

Werkstoffphasen

  • bei Legierungsbildung können in Abhängigkeit von beteiligten Atomsorten verschiedene Arten von Kristall- bzw. Legierungsstrukturen entstehen (Werkstoffphasen)
  • einheitliche chemische Zusammensetzung und Eigenschaften 
  • weitgehend einheitliche physikalische Struktur (Gitterstruktur) und Eigenschaften 
  • Phasenumwandlungen können zwischen den Aggregatszuständen und im festen kristallinen Zustand erfolgen 

Intermetallische Phasen

- entstehen: werden in ein Metall so viele Atome eines zweiten (dritten...) Elementes eingebracht sodass die Löslichkeit eines Atoms/Elementes überschritten wird (z.B. Zementit, Eisenkarbid)

- Aufbau: 
- 
die kleineren Atome (N,C) werden in geometrisch definierte Art zwischen den Metallatomen angelagert
-besondere technische Bedeutung haben Karbide, Nitride, Karbonitride und Boride
--> sie bilden Einlagerungstrukturen und werden auch als Hartstoffe bezeichnet

Eigenschaften intermetallischer Phasen 

- z.T. kompliziert aufgebaute Elementarzellen 

- dem metallischen Bindungscharakter sind ionische bzw. kovalente Bindungsanteile überlagert 

- die stöchiometrische Zusammensetzung (Massenverhältnis der Atome zueinander) der Elementarzellen nimmt bestimmte Werte an, z.B. können Titankarbide zu 50% aus Ti und C oder auch aus 70% Ti und 30% C bestehen

- hohe Bindungskräfte der Atome untereinander:
--> hohe Härte, Festigkeit und Schmelztemperatur

- gute Korrosionsbeständigkeit

- geringere elektr. Leitfähigkeit im Vergleich zu Reinmetallen oder Mischkristallen

Gefüge

- Verband aus Kristallite bzw. Körner in einem Metall nennt man Gefüge (nicht zu verwechseln mit der Struktur)
- räumliche Anordnung der Bestandeile eines Werkstoffes über das gesamte Volumen eines Körpers
- strukturelle Baufehler und Inhomogenitäten bestimmen die Eigenschaften des Gefüges in hohem Maße

- Gefügemerkmale:

  • - die beteiligten Gefügebestandteile/Kristallarten 
  • - Form, Größe und Verteilung der Gefügebestandteile
  • - "strukturelle" Baufehler in der Kristallstruktur (d.h. alle Abweichungen von einem idealen Kristallaufbau, welcher nur aus einer Atomsorte besteht)
  • Fremdatome verspannen das Metallgitter (ebenso wie Versetzungen) und tragen zur Festigkeitserhöhung bei

Metallographie

  • - es werden Techniken angewendet um das innere gefüge eines Metalls sichtbar zu machen und wird für die Auswertung freigelegt
  • Vorgehensweise:
    - 1. Probenentnahme: Das zu untersuchende Bauteil wird entnommen. Das gefüge darf dabei nicht verändert werden 
    - 2. Einfassen bzw. Einbetten der Proben: dient der besseren Handhabung und randschutz. (werden in Schliffhaltern eingespannt oder in Kunststoffmassen eingebettet)
    - 3. Schleifen und Polieren der Schnittflächen: Schnittfläche wird nacheinander mit immer feiner werdenden Schleifpapier geschliffen (muss unter Kühlung geschehen). Anschließend wird die Probe poliert
    - 4. Ätzen : Zu einer Gefügeentwicklung ist Ätzen notwendig. Jetzt ist die Probe bereit für weiter Untersuchungen.


 

Ätzen

kurzzeitige Säure- oder Laugenbehandlung

Textur

Durch bestimmte Herstellbedingungen bzw. Fertigungseinflüsse kann eine Ausrichtung der Kristallite (Körner) derart erzielt werden, dass die Kristallachsen weitgehend gleichmäßig ausgerichtet sind: Kristallografische Orientierung

isotropes Werkstoffverhalten

Eigenschaften eines Werkstoffe sind in allen Raumrichtungen gleich (gleicher Abstand z.B. kfz)

Duktilität

- die Eigenschaft eines Werkstoffs sich unter Belastung plastisch zu verformen, bevor er versagt.

Anisotropes Werkstoffverhalten

- Eigenschaften eines Werkstoffes sind richtungsabhängig (nicht gleicher Abstand z.B. krz)

Wie funktioniert plastische Verformung

- plastische Verformung erfolgt maßgeblich durch die Bewegung von Versetzungen auf Gleit- /Kristallebenen unter Schubspannung 
- Schubspannung muss für das jeweilige Metall einen bestimmten Wert erreichen 
- das Atom 2 gerät in den Wirkungsbereich von Atom 3 und schiebt das benachbarte Atom weg
--> das weggeschobene Atom bildet nun den Fußpunkt der Versetzung 
- dies wiederholt sich so oft bis die Versetzung an eine Oberfläche austritt oder bis sie auf ein Hinderniss trifft
--> Versetzungen treten immer nur an Grenz- oder Oberflächen aus : Korngrenzen oder Metalloberflächen

Gleitebenen

- bilden in einem Kristall die Ebene zwischen Atomlagen mit dichtester Packung und großem Schichtabstand 
- In ihnen findet die Verschiebung der Versetzungsebenen statt, da die relativ kleinste kritische Schubspannung benötigt wird

Schubspannung

- Kraft liegt parallel in der Fläche --> die Atome buw. Flächen sollen gegeneinander verschoben werden 
-die plastische Verformung von Metallen erfolgt durch Abgleiten von Kristallebenen unter der Wirkung von Schubspannungen 
- in einem Zugstab herrscht unter einem 45° Winkel die größte Schubspannung (ist an dem Bruchverlauf zu erkennen)

Steigerung der Festigkeit

  • Erhöhung der Fließgrenze und des elastischen Bereichs d.h. die Bewegung von Versetzungen darf erst auf einem höheren Spannungsniveau einsetzten
  •  die von Gitteraufbaufehlern bewirkten Spannungsfelder wirken dabei verfestigend
  • Darauf beruhen folgende Maßnahmen:
    - Festigkeitssteigerung durch Fremdatome : Mischkristallverfestigung (bei allen Konsturktionsmetallen möglich) :
      gelöste Fremdatome erzeugen Spannungsfelder, die der Versetzungsbewegung entgegenwirken 
    - Festigkeitssteigerung durch Korngrenzen: Korngrenzenverfestigung (bei allen Metallen möglich):
     Korngrenzen verhindern die Versetzung von Atomen 
    - Festigkeitssteigerung durch Kaltverfestigung
    -Festigkeitssteigerung durch in der Metallmatrix verteilte "Teilchen": Ausscheidungshärten (Aushärten)
    - Festigkeitssteigerung durch martensitisches Härtung
     

Arten von Phasenumwandlungen

  • es gibt 2 Arten von Phasenumwandlungen:
  1.  Umwandlung der Aggregatszustände:
    - gasförmig >> flüssig
    - flüssig >> fest 
    - gasförmig >> fest
     
  2. Umwandlung des kristallinen Zustands

Alltrope bzw. polymorphe Umwandlung

- Elemente, Legierungen und Verbindungen, die je nach temperatur in unterschiedlichen Gitterstrukturen existieren
- Gitterstrukturen wandeln sich um 

Ausscheidungsumwandlung bei Legierungen 

- Lösungsvermögen von Mischkristallen für Fremdatome meistens begrenzt temperaturabhängig
- Ausscheidungen finden dann statt, wenn Atom A nicht mehr Atom B in seinem Kristall lösen kann (bei abnehmender Temperatur)
- wenn dieser dann übersättigt ist, scheidet er die nicht mehr lösbaren B-Atome aus
- diese bilden dann eigene Kristalle, also eine neue Phase. Die neue Phase kann als inter- metallische Verbindung, Mischkristall oder einen reinen B-Kristall vorliegen 

Eutektoide Umwandlung

- kommt bei vielen Legierungen vor
- eine kristalline Ausgangsphase wird in zwei neue Kristallphasen umgewandelt 
- Vorraussetzung ist eine bestimmte Konzentration der Atome der Ausgangsphase
- Bsp. Austenit in Perlit (Bestehend aus Ferrit und Zementit; lamellenförmig)

Martensitische Umwandlung 

- tritt auf bei Fe-C-Legierungen, Fe-Ni-Legierungen,Cu-Zn-Legierungen sowie bei verschiedenen reinen Metallen, z.B. Co
- erforderlich dafür: sehr hohe Abkühlgeschwindigkeit sodass Platzwechsel durch Diffusion verhindert werden , währenddessen muss sich die Kristallstruktur ändern (d.h es müssen mindestens 2 allotrope Gittermodifikationen vorliegen)
- Grundlage der Härtbarkeit von Stählen

thermische Analyse

  • es wird die Änderung der Wärmeinhalts einer Legierung in Abhängigkeit von der Temperatur genutzt
    - Aufstellen eines Systems, welche die Konzentration der Legierung mit der Temperatur in Abhängigkeit stellt
    - Ermittelung der Phasengrenlinien
    - dazu werden eine Reihe von Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung geschmoluen und sehr langsam abgekühlt
    - dabei entstehen sogenannte Abkühlkurven mit Halte-, oder Knickpunkten, in denen eine Umwandlung der Phasen stattfindet
    - Haltepunkte: entstehen, weil die abgegebene Energie (aus der kinetischen Energie der Schmelze) durch die äußere Kühlung kompensiert wird. Solche Punkte beobachtet man bei allotropen und eutektioden Umwandlungen im festen Zustand, sowie beim erstarren eutektischer und peritektischer Schmelzen

Ermittelung der Massen und der Konzentration im 2-Phasengebiet

Ermittelung der Massen
- Hebelgesetz - Die Masser der im Gleichgewicht stehenen Phasen verhalten sich zur Gesamtmasse der Legierung wie die "abgewandten Hebelarme" (a bzw. b) dividerti durch die Summer der hebelarme (a+b)

Ermittelung der Konzentration 
- die Konzentration der Phasen liest man jeweil an dem Schnittpunkt der Konode mit der Solidus- oder Liquiduslinie ab

Ziele versch. Glühbehandlungen

- Beseitigen ungünstiger Gefügezustände
- Entspannen des Gefüges
- Verbessern der Verarbeitungsmöglichkeiten und der Werkstoffeigenschaften
- Beeinflussung der Kornform

 

Diffusions- /Homogenisierungsglühen

Diffusionsglühen: ( geschieht bei sehr hoher Temperatur, mit ausreichend langem halten ; Stahl- 1000 bis 1300°C für 50h)

- um örtliche Unterschiede in der chem. Zusammensetzung auszugleichen
- um lösliche versprödend wirkende Phasen von der Krongrenze in das Korninnere zu transportieren
- um unlösliche Verbindungen in eine weniger schädliche, meist rundliche Form zu bringen 
- kann prinzipiell bei allen Metallen angewendet werden

Grobkornglühen

- durch das Grobkornglühen wachsen die einzelnen Körner (Bild siehe skript)
- wird vorzugsweise genutzt um anschließend das Metall zu Zerspanen
- geringere Zähigkeit 
- kürzer brechende Spähne
- leichte wirtschaftliche Bearbeitung
- Einstellen einer gut zu zerspanenden Struktur

Weichglühen, Glühen auf kugelige Karbide

- es wird ein weicherer Gefügezustand eingestellt, der für die weitere Bearbeitung günstiger ist
- bei Stählen wird dies Glühen auf kugelige Karbide genannt 
--> dabei werden die Karbidlamellen (Zementit) in rundliche form umgekörnt, wird auch als Perliteinformung bezeichnet

Spannungsarmglühen

- das Glühen unterhalb der Temperatur A1 mit anschließender langsamer Abkühlung zum Abbau innerer Spannungen (Eigenspannungen)
- andere Werkstoffeigenschaften sollen möglichst unverändert bleiben
- durch das Glühen werden innere Spannungen abgebaut (Streckgrenze nimmt mit steigender Temperatur ab)
- es darf keine Phasenumwandlung stattfinden (sonst ändert sich das Gefüge)
- kann bei allen Metallen angewendet werden

Normalglühen

- hat die Bildung eines von der Vorbehandlung (Gießen, Schmieden etc.) unabhängigen, gleichmäßigen und möglichst feinkörnigen Gefüges mit vorzugsweise rundlichem Korn zum Ziel
- Gefüge besitzt die beste Kombination aus Zähigkeit und Festigkeitseigenschaften

Rekristallisationsglühen (RK-Glühen)

- die durch plastische Verformung (kaltverformung) entstandenden Eigenschaften, werden rückgängig gemacht
- zu einer vollständigen Neubildung eines verzerrten Gefüges (RK) kommt es wenn eine Werkstoffabhängige Temperatur (RK-Temp.) und ein Werkstoff abhängiger Mindestwert der Verformung (Verformungsgrad) überschritten wird
- treibende Kaft der Rk ist die in den Korngrenzen gespeicherte Verzerrungsenergie
- diese bewirkt die Neubildung von Körnern
- diese sind nicht identisch mit den Ausgangskörnern
- bei einem geringeren Umformgrad entstehen aufgrund der wenigeren Keime, gröberen Gefüge

(martensitisches) Härten 

- Stähle können gehärtet werden, wenn sie einen ausreichenden Kohlenstoffgehallt aufweisen und die gamma-alpha- Umwandlung aufweisen
- darunter versteht man das Erwärmen auf Härtetemperatur (Austenitisieren) mit nachfolgendem Abkühlen, mit solcher Geschwindigkeit, dass oberflächlich oder durchgreifend eine erhebliche Härtesteigerung durch Martensitbildung (besteht aus nadel- bzw. plattenförmigen Kristallen) auftritt. 

Ziel:
- Erhöhung der Härte und Verschleißfestigkeit, z.B. bei Werkzeugen

Anlassen

Härten mit anschließendem zweckentsprechenden erwärmen

Vergüten

martensitisches Härten mit anschließendem Anlassen auf hohen Temperaturen

In welchen Schritten erfolgt das martensitische Härten, was geschieht dabei?

- bei langsamen Abkühlen erfolgt die Gefügeausbildung gemäß des Zustanddiagramms
- hohe Abkühlgeschwindigkeiten verändern das Umwandlungsverhalten signifikant, d.h. die Abkühlgeschwindigkeit bestimmt allgemein die entstehenden Kristallarten sowie das Gefüge
- Schritte: 

  1. Die Ausgangsstruktur (Ferrit+Perlit) wird auf die Härtetemperatur erhitzt, sodass Austenit vorliegt
  2. durch schnelles Abkühlen der Austnitisierungstemperatur, entsteht das Gefge martensit (besteht aus nadel- und plattenförmigen Kristallen)

Was geschieht dabei?
- Martensit entsteht beim schnellen Umklappen von kfz in krz
- der Kohlenstoff im Gitter hat keine Zeit seinen Platz zu wechseln (Diffusion) und verspannt somit das Gitter
- der Kohlenstoff ist nun Zwangsgelöst, das Martensit ist entstanden
 

Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf das Umwandlungsverhalten

- bei der Kristallisation von Metallschmelzen wie auch bei der Umwandlung in den festen Zustand sind Platzwechselvorgänge der Atome (Diffusion der Atome) erforderlich
- bei sehr geringen Abkühlgeschwindigkeiten (<< 0,5°C/min) erfolgt die Gefügeausbildung gemäß der Zustandsdiagramme 
- höhere Abkühlgeschindigkeiten verändern das Umwandlungsverhalten signifikant
--> somit folgt, dass die Abkühlgeschwindigkeit allgemein die Kristallarten sowie das Gefüge bestimmt

Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme (ZTU-Diagramm)

- entscheidend für das Härten von Stählen ist die Umwandlung des Austenits in Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit
--> dazu werden ZTU-Diagramme erstellt
- zur Erstellung dieser Diagramme werden Versuche an Stahlproben mit unterschiedlichen Abkühlbedingungen durchgeführt

In ZTU-Diagrammen: 
- wird der zeitliche Verlauf der Umwandlung ausgehend von der Austenitisierungstemperatur erfasst
- werden die gebildeten gefügearten/Werkstoffphasen angegeben
- wird die erzielte Härte angegeben

... gelten immer für:
- eine Legierung/ eine bestimmte Stahlsorte d.h. Stahlzusammensetzung
- eine bestimmte Austentisierungstemperatur gekoppelt mir einer bestimmten Haltezeit bei Austentisierungstemperatur

- es wird unterschieden zwischen ZTU-Diagramme für kontinuierliche Abkühlung und ZTU-Diagramme für isotherme Abkühlung

Sintern

- erhitzen eines Werkstoffes und erhöhtem Druck
- jedoch unter der Schmelzgrenze der Hauptkomponenten
- kleine Freiräume und Poren werden aufgefüllt
- so wird aus einem fein- grobkörnigen Bauteil ein festes Bauteil

Elastizitätskennwerte

- Elastizitätsmodul E: beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers bei linear elastischem Verhalten 
- Querkontraktionszahl v: definiert das Verhältnis aus einer relativen Änderung der Dicke zu einer relativen Änderung der Länge>
- Schubmodul G (Gleitmodul): gibt Auskunft über dielinear-elastische Verformung eines Bauteils infolge einer Scherkraft oder Schubspannung

Kristallite / Körner

- die Kristallisation nach der Schmelze erfolgt idR. an vielen Punkten gleichzeiti, somit besteht ein Metall aus einer Vielzahl von einzelnen Kristallen die aneinander gereiht sind --> Kristallite/Körner

struktureller Baufehler

  • alle Abweichungen von einem idealen Kristallaufbau
  • das ideale Metall würde somit aus einem Kristall und nur aus einer Atomsorte bestehen
  • zu den Baufehlern gehören:
    - Fremdatome: Legierungs- oder Begleitatome
    - Leerstellen und Versetzungen
    - Korn- und Phasengrenzen
    - Gefügeinhomogenitäten wie Poren, Lunker, Fremdphasen oder Seigerungen

Leerstellen im Metallgitter 

- Leerstellen werden als punktförmige Gitterfehler bezeichnet
- es handelt sich um reguläre Gitterplätze die nicht von Atomen besetzt sind 
- die Leerstellendichte (Häufigkeit von Leerstellen) ist stark von der Temperatur abhängig: steigt mit Zunahme der Temperatur
- ist für alle thermischen Behandlungen und Metalle von Bedeutung , da eine hohe Leerstellenkonzentration die Diffusionsbedingungen (Platzänderungsmöglichkeiten) deutlich verbessert

Relaxation 

- zeitabhängige Abnahme der Spannung bei konstanter Verformung

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