Werkstofftechnik

- 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

- 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

- 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

- 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

Härten mit anschließendem zweckentsprechenden erwärmen

martensitisches Härten mit anschließendem Anlassen auf hohen Temperaturen

- 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
 

- 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

- 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

- 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

- 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

- 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

• 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 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

- zeitabhängige Abnahme der Spannung bei konstanter Verformung

- eine Belastung wird schwingend (oder auch dynamisch wechselnd) genannt wenn sie sich im zeitlichen Ablauf regelmäßig oder auch unregelmäßig aufgrund der Betriebsbedingungen des Bauteils/der Maschiene ändert

- Bruch unter zügiger oder schlagartiger Belastung wird als Gewaltbruch (spröde oder duktil, je nach Werkstoff) bezeichnet 

Enstehung:

1. Rissbildung
   - als Folge der plasitschen Wechselverformungen entstehen sogenannte Gleitbänder (bestehen aus einzelnen Gleitstufen Gi, die während der Zug- und Druckphase des Spannzyklus gebildet werden)
   - diese Gleitbänder sorgen an der Oberfläche für mikroskopische Aufrauhungen (Ausgangspunkt für Mikrorisse)
    
2. Rissausbreitung
   - ab einer gewissen Größe wachsen nur noch der Größte oder mehrere große Mirkorisse weiter 
    
3. Restbruch 
   - der Restbruch tritt als Gewaltbruch ein 

- auch bei Beanspruchungsamplituden unterhalb der Streckgrenze treten unter Schwingbeanspruchung irreversible plastische Abgleitungen von "Kristallpaketen" im Mikrobereich des Metalls auf 
- geschieht in den Gitterebenen mit höchster Schubspannung 
 

- allg. das plastische formänderungsvermögen bis zum Bruch 
- als Maßzahl gilt die Energie- oder Arbeitsaufnahme oder die Verformung bis Bruch 
- andererseits wird zur Kennzeichung auch die Übergangstemperatur (die Temperatur bei der der Übergang vom zähen zum spröden Verhalten erfolgt) angegeben

-Zähigkeit und Sprödigkeit hängen nicht nur von dem Werkstoff ab sonder auch von den Beanspruchungs- und Umgebungsbedingungen 

trennen Kristallite / Körner verschiedener Kristallorientierungen ab 

Die im Periodensystem aufgelisteten Elemente stelle die Grundbausteine der Materie dar. Die Reihenfolge ergibt sich aus der Protonenzahl (Kernladungszahl), die damit die Ordnungszahl ist. Die Atommasse (molare Masse) wir üblicherweise in u angegeben. 

- 7 Perioden aufgrund der Schalenbelegung (Zeilen)
- in 8 Haupt- und 10 Nebengruppen aufgrund der chemischen Ähnlichkeit der einzelnen Elemente

Bindung zwischen Nichtmetallatomen. Die Außenschalen der Elektronen sind weitgehen mit Elektronen besetzt (hohe Elektronegativität). Beide Bindungspartner wollen den Edelgaszustand erreichen, jedoch wollen sie durch ihre Elektronegativität keine Elektronen abgeben und bilden Bindungspaare.

- Bsp. Sauerstoff O₂; Chlor Cl₂

Die Außenschale des betroffen Atoms ist komplett mit Elektronen gefüllt.

Die Neutronenzahl ist größer als die Protonenzahl.

Atome geben keine oder nur schwer Elektronen ab.

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