WST20 Werkstoffkunde WST105 AKAD

a)

Es existiert nur eine Mischkristallphase auf der Kupferseite (siehe Markirung ⊗ im Diagramm).Cu bildet mit Mg zwei intermetallische Verbindungen, MgCu2

und Mg2Cu. Drei Eutektika sind zu finden bei 21,9 % Mg, 57,9 % Mg und 85,5 % Mg

b)

Cu ist gar nicht in Mg löslich, Mg ist maximal bis zu 7 % in Cu bei einer Temperatur

von 722 °C löslich

c)

Das niedrigst schmelzende Eutektikum ist bei 85,5% Mg. Es hat eine Schmelztemperatur von 485°C.

Die Atome von Metallen streben eine dichte Packung von Kugeln mit einer schichtweisen Anordnung im Raum an. Ein solches Raumgitter bildet einen Kristall. Die geschichteten Ebenen lassen sich durch äußere Kräfte relativ leicht gegeneinander verschieben. Dies ist die Ursache für die gute Umformbarkeit der meisten Metalle. Fast alle Metalle sind kristallin.

Die Metallbindung zeichnet sich dadurch aus, dass die freien Elektronen als

sogenannte „Elektronenwolke“ nicht mehr an den Atomrümpfen gebunden sind.

Dadurch sind sie in dem Gesamtverband beweglich und können damit „Trans-

portaufgaben“ übernehmen.

Die Elementarzelle ist die kleinste kristallografische Einheit, mit der ein Kristallgittertyp mathematisch und geometrisch vollständig beschrieben werden kann

Bei einer dichtesten Kugelpackung werden die Atome bzw. die Atomebenen in einer spezifischen Weise übereinandergeschichtet. Ein gutes Beispiel ist die Schichtung von Zitrusfrüchten oder Äpfeln in Obstkisten, die auf dieselbe Weise eine dichteste Kugelpackung einnehmen. Eine dichtere Packung wie sie z. B. beim kfz Gitter mit 74 % Packungsdichte erreicht werden kann, ist nicht möglich.

Eisen ist ein Element, welches in Abhängigkeit der Temperatur zwei unterschiedliche Kristallgitterformen einnehmen kann. Ein solches Verhalten wird Allotrophie (bei Legierungen Polymorphie) genannt. Bei „tieferen“ Temperaturen unterhalb von 911 °C ist das Eisen krz, darüber ist es bis 1 392 °C kfz, um darüber bis zur Schmelztemperatur wiederum krz zu werden.

Bei einer elastischen Verformung werden die Atome in Beanspruchungsrichtung auseinandergezogen, während sie quer dazu zusammengeschoben werden. Mit beiden Verschiebungen wird der Gleichgewichtsabstand, in dem sich anziehende und abstoßende Bindungskräfte die Waage halten, verlassen. Dadurch bauen sich Rückstellkräfte auf, die bei Entlastung zu einer vollständigen Rückverformung führen (= reversibel).

Die plastische Verformung führt zu einer bleibenden Formänderung. Die von außen angreifenden Kräfte führen im Inneren zu einer so großen Verschiebung der Atome, dass die Bindungskräfte überschritten werden, die Atome sich gegeneinander so weit verschieben, dass neue Bindungskräfte mit den nächsten Atomen aufgebaut werden. Bei Entlastung geht auch hier ein Teil der Verformung elastisch zurück, aber die größere Verschiebung der Atome gegeneinander bleibt als plastische Verformung erhalten (= irreversibel).

Gitterbaufehler sind, wie der Name schon sagt, Fehler des regelmäßigen Gitteraufbaus. Man teilt sie gemäß ihrer geometrischen Dimension ein, wobei 0-dimensionale Fehler als punktförmig betrachtet werden (Atomgröße). Eine schöne tabellarische Übersicht wird auf Seite 34 des Lehrbuches gezeigt.

Kaltumformung ist eine Umformung, die in der Regel kalt, also ohne zusätzliches Erhitzen des Werkstoffes vorgenommen wird. Genauer ist es jedoch, insbesondere zur Abgrenzung der Kalt- und Warmumformung zueinander, wenn man von der Rekristallisationstemperatur ausgeht. Danach ist eine Kaltumformung eine Umformung, die unterhalb der Rekristallisationstemperatur durchgeführt wird, eine Warmumformung hingegen oberhalb der Rekristallisationstemperatur.

Grundsätzlich kann die Festigkeit mit allen Gitterbaufehlern gesteigert werden. Es kommt immer darauf an, der Bewegung der Versetzungen, die bei der Verformung durch das Gitter wandern, Hindernisse in den Weg zu legen. Alle Gitterbaufehler führen zu einer mehr oder weniger starken Verzerrung des Raumgitters und genau dies ist für die Versetzungen sehr hinderlich. Natürlich gibt es recht große Unterschiede in der Verzrungs- und damit der Widerstandswirkung gegenüber der Versetzungsbewegung der einzelnen Härtungsmechanismen. Eine ungefähre Rangfolge kann wie folgt angegeben werden (von niedriger bis sehr hoher Festigkeitssteigerung):

– Mischkristallhärtung (0-dimensional),

– Korngrenzenhärtung (2-dimensional),

– Kaltverfestigung (1-dimensional),

– Ausscheidungshärtung (3-dimensional)

Nur mit bzw. durch Legierungen können ganz spezifische Eigenschaften eingestellt werden. Meist sind es nicht nur einzelne neue oder optimierte Eigenschaften, sondern man ist bestrebt, ein ganzes Eigenschaftsprofil zu realisieren, welches im Idealfall mit dem geforderten Beanspruchungsprofil deckungsgleich sein sollte.

Vollkommene Löslichkeit:

In allen Konzentrationsbereichen können sich die Legierungsatome mit den Atomen des Basiselementes vermischen. Dies gilt sowohl für Schmelzen als auch für die Festkörper.

Begrenzte Löslichkeit:

Die Vermischung der Atome von Legierungs- und Basiselement ist auf ein oder mehrere Konzentrationsbereiche beschränkt. In diesen ist Löslichkeit bis zu einem bestimmten Maximalwert bei einer bestimmten Temperatur gegeben.

Vollkommene Unlöslichkeit:

Legierungs- und Basisatome können sich überhaupt nicht vermischen. Dies kann sogar in der Schmelze der Fall sein, wie z. B. bei Eisen und Blei (analoges Beispiel: Öl und Wasser).

In einem Zustandsschaubild sind, wie der Name es schon besagt, alle Zustände eines Legierungssystems in Abhängigkeit der Temperatur und der Konzentration der beteiligten Komponenten dargestellt. Sogenannte Phasengrenzlinien umschreiben bzw. definieren die Gebiete der einzelnen auftretenden Phasen.

Mit dem Hebelgesetz können innerhalb der 2-Phasen-Gebiete eines Zustandsdiagramms für eine bestimmte Legierung die Gehalte der hier präsenten Phasen bei einer bestimmten Temperatur bestimmt werden.

Seigerungen sind ganz allgemein ungleichmäßige Verteilungen von Legierungsatomen. Sie können unterteilt werden in

– Kristallseigerung,

– Schwerkraftseigerung,

– Blockseigerung.

Seigerungen sind in der Regel unerwünscht.

Während der Blütezeit kann es zu Nachtfrost kommen, der die Blüten erfrieren lässt. Um dies zu vermeiden, werden die Bäume beregnet. Der feine Wassernebel legt sich über die Blüten, gefriert und gibt dabei Kristallisationswärme ab. Dadurch bleiben die Blüten exakt auf einer Temperatur von 0 °C, natürlich nur so lange, wie die Beregnung anhält und stetig neue Eisschichten gebildet werden. Wenn das Eis insgesamt zu schwer wird, brechen die Blüten ab, sodass dieses Verfahren nur eine begrenzte Zeit möglich ist.

Bei reinen Metallen sind die Schmelz- und die Erstarrungstemperatur identisch.

In der industriellen Praxis kann die Forderung nach langsamen Temperaturänderungen, um im Bereich des thermodynamischen Gleichgewichts zu bleiben, kaum eingehalten werden. Die gilt ganz besonders für die Abkühlung einer Schmelze. Bei dem dabei sehr schnell erfolgenden Wärmeabfluss sinkt die Temperatur mehr oder weniger weit unter die eigentliche Erstarrungstemperatur. Durch diese Unterkühlung der Schmelze setzt die Erstarrung zwar verspätet, aber sehr heftig und dann auch schnell ein.

Amorphe Metalle haben keinen regelmäßigen Gitteraufbau. Die Atome sind regellos im Festkörper verteilt (daher auch der Begriff „eingefrorene Schmelze“). Diese für Metalle sehr besondere innere Struktur hat natürlich auch besondere Eigenschaften zur Folge, die amorphe Metalle von kristallinen Metallen unterscheidet. Dies sind im Wesentlichen:

– niedrige plastische Verformbarkeit;

– besondere magnetische Eigenschaften: niedrige Ummagnetisierungsverluste beim Einsatz in Transformatoren, Ton- und Videoköpfen, Schreib-/Leseköpfen in Festplatten;

– besondere elektrische Eigenschaften: gute Abschirmeigenschaften (Ummantelungen hochwertiger Kabel)

Im Hochofen wird aus dem Möller (Mischung aus Eisenerzen und speziellen Zuschlägen) und Koks als Brennstoff das Roheisen gewonnen.

Die Hochofenschlacke nimmt vor allem die für das spätere Roheisen schädlichen Bestandteile auf, insbesondere Phosphor und Schwefel, und bindet diese in der Schmelze ab.

Stahl ist eine Eisenbasislegierung mit einem in der Regel so hohen Kohlenstoffgehalt, dass der Stahl noch umformbar ist (max. ca.2 %).

Rohstahl enthält u. a. die Störelemente Phosphor und Schwefel.

Hoher Kohlenstoffgehalt und Störelemente führen in den späteren Prozessstufen zu schlechten bis sehr schlechten Verarbeitungseigenschaften. Umformprozesse wären so gut wie nicht möglich.

Zweck aller Umschmelzverfahren ist die Veredelung im Sinne von Reinigung des Stahls. Durch das Umschmelzen wird der Gehalt der störenden Begleitelemente immer weiter reduziert.

Eisen zeichnet sich gegenüber anderen Metallen durch Allotropie (bei Fe-Legierungen Polymorphie genannt) aus; dies ist die Eigenschaft, bei unterschiedlichenTemperaturen unterschiedliche Kristallgitter zu bilden.

Beim Eisen treten folgende Kristallgitterformen auf: kubisch-flächenzentriert (kfz) und kubisch-raumzentriert (krz).

Folgende maximalen Kohlenstoffgehalte können die Kristallgitterzellen des Eisens aufnehmen: krz: max. 0,02 %, kfz: max. 2,06 %.

Ferrit, Austenit, Zementit, Perlit und Ledeburit sind Phasen von Fe-C-Legierungen, wie sie bei unterschiedlichen Legierungskonzentrationen von C und unterschiedlichen Temperaturen existent sind.

Kohlenstoff kann im Eisen in Form von diskreten C-Atomen, in Form von Karbiden (das häufigste ist Fe3C, Zementit) oder als Graphit eingebaut sein.

Durch folgende Kriterien unterscheiden sich Stahl und Gusseisen:

Stahl                                          Gusseisen

C-Gehalt:               < 2 %                                        > 2 %

Zustandsform:        metastabil                                  stabil

Kohlenstoff:           im Mischkristall oder                   Fe3C oder Graphit

   Fe3C im Mischkristall,

Normalglühen, Spannungsarmglühen, Weichglühen, Grobkornglühen, Rekristalisationsglühen, Diffusionsglühen.

Das Normalglühen hat den Zweck der Einstellung eines „normalen“ Gefüges, welches als gute Basis für alle weiteren Behandlungsschritte genommen werden kann. Die Vorgeschichte des Stahls sollte möglichst „eliminiert“ werden.

Beim Spannungsarmglühen wird die Streckgrenze in den Bereich der Eigenspannungen abgesenkt. Nach dem Abkühlen bleibt dieser niedrigere Wert erhalten.