Werkstofftechnologie I - guennet.de

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Werkstofftechnologie I
1. Werkstoffgruppen:
- Metalle
o Wichtigste Vertreter: Stähle, Aluminium, Magnesium, Titan, Kupfer- und
Nickellegierungen
o Im Allgemeinen Gute Festigkeit, bei hoher Verformbarkeit Duktilität
o Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit
o Meist chemisch unbeständig + hohe Dichte ( )
o
o
o
Gut wiederverwertbar
Teilweise Biokompatibel (Titan)
Produktion:
• Stähle: 1Mrd. Tonnen wichtigster Werkstoff des Maschinenbaus (billig)
• Aluminium: ca. mehre 10 Millionen Tonnen
• Titan: wenige hunderttausend Tonnen
• Teilweise unbrauchbar: z.B. Hg (flüssig), Be (toxisch), Gold &Platin (teuer)
- Polymere
o Wichtige Vertreter: Polyethylen (PE), Polymethylmetacrylat (PMMA, Plexiglas),
Polypropylen(PPP), Polyamid (PA), Gummi
o Synthetisch hergestellte Materialien
o Bestehen aus langkettigen Makromolekülen (meistens nur C-Atome, Ausnahme
Ether und Ester)und Seitengruppen
o Geringe Dichte Leicht
o Elektrisch und thermisch isolierend
o Chemisch beständig
o Gut formbar
o Jedoch geringe Festigkeit nachgeben von Bauteilen
o Geringe thermische Beständigkeit Zersetzen
- Verbundwerkstoffe
o Verbindung von mehren der oben genannten Werkstoffe
o Glasfaser-/Kohlefaserverstärkte Polymere: hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht
o Hartmetalle
o Stahlbeton
- Auswahlkriterien für Werkstoffe
o Preis:
• Ca. Aufsteigend sortiert: Beton, Stahl, Aluminium, Holz, viele Polymere,
Magnesium, wichtige Keramiken, Nickel, Titan, Glasfaser, Kohlefaser, Silber,
Palladium ,Gold
• Wird bestimmt durch Verfügbarkeit, Abbaukosten, Energiekosten und
Verarbeitungskosten
• Ashby-Diagramme stellen viele Werkstoffe in Bezug auf zwei Größen
gegenüber (z.B. Elektrischer Widerstand/Preis)
© Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 2009
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2. Aufbau der Werkstoffe
- Kristalline Struktur: regelmäßige räumliche Anordnung als Kristallgitter (Raumgitter)
- Kleinste Einheit ist Elementarzelle
• Hexagonal dichtest gepackt:
Stapelfolge: ABABA…
Grundfläche ist ein Hexagon (Sechseck)
Zahl der atome je Elementarzelle: 6 (2)
Koordinationszahl: 12
Beispiele: Magnesium, Titan
• Kubisch dichtest gepackt / kubisch flächenzentriert
Stapelfolge ABCABCABC…
Einheitszelle hat Würfelform; 4 Atome
Koordinationszahl: 12
Flächennormale der dichtesten Packung ist die Raumdiagonale der
Einheitszelle
Beispiele: Aluminium, Kupfer, Nickel, Eisen oberhalb von 911°C
• Kubisch raumzentriert
Einheitszelle hat Würfelform
Jede Elementarzelle 2 Atome
Koordinationszahl: 8 (Anzahl der Atome im gleichen Abstand)
Neben Eckatomen noch ein Atom in der Mitte
Raumerfüllung von 68%
Beispiele: Eisen bei Raumtemperatur, Chrom
o Der Kristallaufbau beruht darauf, dass eine Einheitszelle an die nächste gebaut wird,
also ein Atom immer zu mehreren Einheitszellen gehört Bildung durch Erstarrung
einer Schmelze (ungeordnet)
o Materialen können aus nur einem Kristall bestehen: Schneeflocken, Edelsteine ,
Siliziumwaver (Seltenheiten) (anisotrop)
o Meistens polykristalline Materialien
o Entstehung durch viele Kristallisationskeime In der Schmelze
o Unabhängiges Wachstum bis die Einzelnen Kristalle aneinander stoßen Bildung
von Körnern/Kristallite
o Die Stellen des Zusammenstoßes werden Korngrenzen genannt.
o Fernordnung innerhalb eines Korn, jedoch nicht über das ganze Material
Änderung der Ordnung an den Korngrenzen
o Typische Größen
• Korngrenze: 1nm
• Korndurchmesser: 0,01-0,1mm
o Korngrenzen sind Angriffspunkte (z.B. für Säuren), da hier die Atomordnung gestört
ist.
o Korngrenzen können durch anätzen sichtbar gemacht werden, da dann dort das Licht
gestreut wird, sodass diese schwarz erscheinen.
o Mikroskopisches Gefüge kann sichtbar gemacht werden
• Gefüge: Gesamtheit der Kristallanordnung
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• Quasi-Isotropie: regellose Verteilung der Orientierung; gleiche Eigenschaft in
alle Richtungen
Isotropie: Richtungsunabhängig Werkstoffeigenschaft durch regellose Anordnung
der Kristallite
Anisotropie: Richtungsabhängigkeit der Werkstoffeigenschaft durch gerichtete
Kristallite
Primärgefüge: Direkt aus der Schmelze erstarrtes Gefüge; Kristallwachstum in
Richtung des größten Temperaturgradienten
Sekundärgefüge: nach allotroper Umwandlung entstandenes Gefüge
Allotrope Umwandlung: Änderung der Kristallstruktur im festen Zustand (Alpha-
Eisen und Gamma Eisen bei 723°C)
3. Eigenschaften der Werkstoffe
- Härteprüfverfahren (statisch) (STEFAN)
• Widerstand gegen Eindringen eines Prüfkörpers in den zu prüfenden
Werkstoff
• Unterschiedliche Prüfkörper und Belastungen führen zu unterschiedlichen
Prüfverfahren
• Schnelle Testverfahren Eingangsprüfung bei isotrophen Materialien
Rückschluss auf die Festigkeit.
o Brinell
• Prüfkörper: polierte Hartmetallkugel (Härtebezeichnung HBW
(Wolframkugel)) oder Stahlkugel (HBS)
• Härte wird ermittelt aus Kraft und zugehöriger Eindruckfläche
• Anpassung von der Kraft sodass gilt: 0,24*Kugeldurchmesser <
Eindruckdurchmesser < 0,6* Kugeldurchmesser
• Berechnung der Brinellhärte nach folgender Formel:
• Angabe der Werte:
Bsp.: 257 HB 2.5 / 187,5 / 20
257 Härtewert
HB Kennzeichnung für Brinellhärte
2,5 Kugeldurchmesser
187,5 Prüfkraft in Kilopond Umrechnung F= 187,5xg=1840 N
20 Belastungszeit in Sekunden
• Abstand der Kugeln bei mehreren Prüfungen: mindestens 2D
(Kugeldurchmesser)
• Näherungsweise gilt für Stahl:
o
Vickers
• Prüfkörper: regelmäßige, vierseitige Pyramide aus Diamant mit
Öffnungswinkel von 136°
• Bestimmung der Vickershärte durch
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o
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• Abhängigkeit der Prüfkraft je nach Härte des Stoffes ( Prüfkraftbereiche)
• Bis 300 HV stimmen HV und HBW überein danach HBW kleiner als HV
Rockwell
• Prüfkörper: Gehärtete und polierte Stahlkugel (Rockwellhärte B) ODER
Diamantkegel (Rockwellhärte C)
• Aufbringen eine Vorkraft von 10 Kilopond =98,1N
• Zusätzliches Belasten durch eine Kraft von 1373N
• Messen der Differenz zwischen erstem Eindringen und Eindringen nach
Entlasten den Zusatzkraft
• Berechnung erfolgt nach:
UCI
• Prüfkörper: Stahlstift mit Diamantspitze Ultraschallanregung mit
Eigenfrequenz
• Frequenz wird je nach Härte des Prüfkörpers unterschiedlich verstimmt
Messung und Abgleich mit Vergleichshärteplatten Umwandlung in
Farbdiagramme möglich
Dynamische Prüfverfahren:
• Poldi-Hammer: Stahlkugel schlägt auf das zu prüfende Bauteil und eine
Vergleichsplatte Vergleich der Eindruckdurchmesser einfacher und
schneller Härtetest (jedoch nicht so exakt)
• Rücksprunghärteprüfung nach Shore: Bestimmung der Rücksprunghöhe
einer aus der Höhe fallenden Stahlkugel Rückschluss auf die Härte
Vergleichsprüfverfahren
• Ritzverfahren (Mohs, Martens) Härtere Stoffe ritzen weichere Stoffe
Reihenfolge verschiedener Elemente
• Schleifverfahren (Rosiwal) , ähnlich Ritzverfahren
- Zerstörende Prüfungsverfahren
Zugversuch
o
o
o
o
Der Zugversuch dient dazu, Materialkennwerte zu ermitteln, z.B. den E-Modul (DIN
EN 10 002)
Die Probe wird in die Prüfmaschine eingespannt und dann mit einer konstanten
Geschwindigkeit auseinander gezogen.
Dabei tritt eine einachsige, momentenfreie Belastung auf
Dabei: Messung der Kraft (Kraftdose) und der Verlängerung (Wegaufnehmer)
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Durch bekannten Anfangsquerschnitt und bekannte Ausgangslänge (L0) kann ein
Diagramm erstellt werden, indem die Spannung über der Dehnung aufgetragen wird.
(technische Spannung/Dehnung)
- Die auf den Ausgangsquerschnitt bezogene
Prüfkraft wird als Nennspannung
- Die auf die Gesamtlänge bezogene
Längenänderung wird als Dehnung
in % bezeichnet
- Das rechte Diagramm entspricht einem für
Stahl . Im ersten linearen Teil entspricht die
Steigung der Geraden nach dem
Hookschen Gesetz dem
Elastizitätsmodul E
o Im Bereich der Hookschen Geraden
liegt elastisches Verhalten vor, dass
heißt bei Entlastung federt der Stab auf seine Ausganslänge zurück
- Dort wo zum ersten Mal eine plastische Dehnung aufritt, also der Stab nicht mehr auf die
Ausgangslänge zurückfedert, liegt die Streckgrenze vor (unstetiger Übergang von
elastischen in plastischen Bereich)
o Bei einem stetigen Übergang vom elastischen in den plastischen Bereich liegt eine
Dehngrenze vor. Bei kfz-Metallen liegt ein stetiger Übergang von rein elastischer
zu plastischer Verformung vor – ohne ausgeprägte Streckgrenze. Hier wird eine
Ersatzstreckgrenze definiert, bei der eine bleibende Verformung im Vergleich zur
Ausgangslänge von 0,2% vorliegt:
- Bei Stählen mit nicht zu hohem C-Gehalt tritt eine ausgeprägte Streckgrenze auf,
gekennzeichnet durch nachfolgenden gezackten Kurvenverlauf (Lüdersbereich).
o Bei deutlichen Schwankungen obere Streckgrenze und untere Streckgrenze
- Nach dem Lüdersbereich (oder Überschreiten der Dehngrenze) muss zur weiteren
Verformung die Spannung weiter ansteigen. Da der Widerstand gegen weitere plastische
Verformung zunimmt, spricht man von Kaltverfestigung
- In diesem Bereich der ansteigenden Kurve kommt es innerhalb der Versuchsprobe zu einer
gleichmä0g bleibenden Querschnittsverminderung, die bis zum Eintreten der Maximalkraft
als Gleichmaßdehnung bezeichnet wird und berechnet wird durch:
- Wird dann die maximalkraft erreicht, so spricht man von der zugehörigen Zugfestigkeit
. Sie gibt den Werkstoffwiderstand gegen Brucheinschnürung wieder.
o
Nach Erreichen dieser Kraft tritt eine ungleichmäßige Querschnittsverringerung auf,
dies nennt man Einschnürung
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o
o
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Die insgesamt bis zum Bruch auftretende Dehunung wird als Bruchdehnung A
bezeichnet: . Diese tritt beim Erreichen der Bruchsteifigkeit auf
Die nach dem Bruch bleibende ausmessbare Querschnittsabnahme bezogen auf den
Ausgangsquerschnitt wird als Brucheinschnürung Z bezeichnet:
- Im Diagramm kann man immer die plastische Dehnung bestimmen, indem man eine Parallele
zur Hookschen Geraden zieht und die zugehörige Dehnung abliest.
- Die Fläche unterhalb der Kurve im Spannungs-Dehnungs-Diagramm lässt Rückschlüsse auf
die Belastbarkeit zu.
Es fällt auf, dass je härter der Stahl wird, desto
geringer die Energieaufnahme. Gehärtet ist der
Stahl also nicht verformungsfähig (plastisch) also
spröde.
- Zusammenfassend lassen sich aus dem Zugversuch also folgende Werkstoffkennwerte
ermitteln:
o
Obere Streckgrenze
o
o
o
o
o
Untere Streckgrenze
0,2%-Dehngrenze:
Zugfestigkeit
Bruchdehnung
Brucheinschnürung
o
Streckgrenzverhältnis
o Dabei sind Festigkeitskennwerte für die statische Belastbarkeit
o Verformungskennwerte für die Duktilität (elastizität)
- Bei der Belastung einer Probe tritt auch im elastischen Bereich eine Querschnittsabnahme
auf, neben der Verlängerung. Die Querschnittsabhnahme wird mit der Poisson’schen
Querkontraktionszahl beschrieben. Für Stahl beträgt diese 0,3.
- Beim Zugversuch wird auch eine Verfestigung beobachtet, wie bereits oben erwähnt. Wird
ein Metall über die Streckgrenze belastet, so ist eine größere Kraft notwendig, um weitere
plastische Verformung hervorzurufen. Dies ist deshalb der fall weil beim Belasten über
hinaus wird der elastische Teil beim Entlasten rückgängig gemacht, aber durch die Parallele
zur Hookschen Gerade bleibt eine Verlängerung der Probe. Nun ist die ausgeprägte
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Streckgrenze (mit Lüdersbereich) nicht mehr vorhanden und die neue
erhöht.
- Die beim Zugversuch aufgebracht Normalkraft hat neben den auftretenden
Normalspannungen auf Schubspannungen zur Folge. Nach dem Schimdschen
Schubspannungsgesetz gilt dabei
Grenze wurde
. Die maximale Schubspannung tritt bei
einem Winkel von 45° zur Beanspruchungsrichtung auf.
- Je nach dem ob es sich um einen spröden oder duktilen Werkstoff handelt treten
verschiedene Brüche auf:
Druckversuch
- Nicht so wichtig; Quasi-statisches Prüfverfahren
- Hauptsächlich anwendbar für druckbeanspruchte Werkstoffe wie Grauguß, Lagermetalle,
Beton
- Anstelle der Streckgrenye wird eine Druckfließgrenze (auch Quetschgrenze genannt)
ermittelt
- Das Problem ist, dass im Bereich der Druckplatten durch Reibung eine Dehnung verhindert
wird und nur in den äußeren Bereichen Verformung auftritt. Abhilfe: Kegelstauchversuch
nach Siegel und Pomp (Druckkörper sind Kegel)
Kerbschlagbiegeversuch
- Der Biegeversuch dient dazu, die Verformbarkeit von Werkstoffen (Biegewinkel,
Biegedehnung) und bei Schweißbindungen die Bindungsgüte zu bestimmen
- Wie zuvor beschrieben treten bei Werkstoffen verschiedene Brucharten auf
o Trenn oder Sprödbruch: plötzlicher, ohne Verformung auftretender Bruch; ebene
senkrecht zur Beanspruchungsrichtung vorzufindende Bruchrichtung, körnig
glitzernd
o Verformungs oder Gleitbruch: Versagen durch vorheringe plastische Verformung zu
sehen (Einschnürung), Bruchfläche 45° zur Beanspruchungsrichtung; matt /
wabenförmig
- Probleme die allgemein bei der Bestimmung der Werkstoffverhaltens auftreten sind
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o Das Verhalten ist abhängig von der Beanspruchungsrichtung (Zugversuch: einachsig;
Kerbschlagbiegeversuch: mehrachsig)
o Bei schlagartiger Beanspruchung verhalten sich Werkstoffe allgemein spröder als bei
langsamer
o Bei tiefen Temperaturen sich krz-Werkstoffe spröder als bei hohen Temperaturen
o Keine Zähigkeitskennwerte auf Zugversuch bestimmbar
- Der Sinn des Biegeversuchs besteht also zusäztlich darin:
o Verhalten bei schlagartiger Beanspruchung
o Zähigkeitskennwerte unter versprödenden Bedingungen (mehrachsiger
Spannungszustand, hohe Beanspruchungsgeschwindigkeit, tiefe Temperatur)
- Der Versuchablauf ist folgendermaßen gestaltet:
o Eine in der Mitte gekerbte probe wird auf zwei Auflager gegen zwei Widerlager
gelegt. Die Finnenschneide trifft auf der nicht gekerbten Seite auf die Probe. Ein
angebrachter Kraftmesser am Probeschlagwerk lässt auf die Kerbschlagarbeit
schließen.
- Als Probe dienen verschiedene Formen (DVM mit rechteckiger, halbrunden Kerbe; DVMF mit
runder Kerbe; Charpy-V-Probe mit 45°-Kerbe; DVMK-Probe mit rechteckiger Kerbe)
- Die Kerbschlagarbeit kann berechnet werden durch:
Die Kerbschlagzähigkeit wird dann bestimmt durch:
Mit G= Gewichtskraft des Pedels; = Höhendifferenz des Pendels vor und nach dem
Schlag; = gleichmä0ger Probenquerschnitt
- Die Angabe der Kerbschlagarbeit ist in der neuen Form KV oder KU.
o Es fällt auf, dass bei tiefen Temperaturen bei krz-Werkstoffen spröder Brüche
auftreten (Tieflage) und somit geringe Kerbschlagarbeiten
o Bei höheren Temperaturen treten duktile Brucharten auf, da hohe Kerbschlagarbeit
verbracht wird (Hochlage)
o Bei kfz-Werkstoffen hat die Temperatur keinen Einfluss auf das Bruchverhalten
- Nun gibt es bestimmte Übergangstemperaturen, bei der eher ein Sprödbruch oder ein
Verformungsbruch auftritt: 28J-Kriterium (dort, wo die Kerbschlagarbeit genau 28J beträgt;
50%-Kriterium (dort wo die Hälfte des Hochlagenwertes vorliegt); Bruchflächenaussehen)
- Werkstoffeinflüsse, die beobachtet wurden:
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o
o
o
Grobkorn begünstigt Trennbruch (beim Schweißen z.B.)
Anlassversprödung begünstigt Trennbruch
Alterung begünstigt Trennbruch
Dauerschwingversuch
- Die Beobachtung zeigt, dass ein schwingend beanspruchtes Bauteil trotz niedrigerer
Beanspruchung schneller Bricht als ein statisch beanspruchtes Bauteil bei höherer
Beanspruchung
- Das Versagen ist also abhängig von der Beanspruchungshöhe (Spannungsamplitude) und der
Zahl der Wiederholungen
- Im Dauerschwingversuch werden typische Belastungen schwingend beanspruchter Bauteile
simuliert. Am einfachsten zu erzeugen mit periodischen Belastungen mit sinusförmigen
Spannungs-Zeit-Verläufen
o Beim Aufbringen dieser so schwingenden Spannungen pendeln sich die
Spannungsamplituden zwischen zwei Grenzwerten um eine zeitlich konstante
Mittelspannung
ein
o Die Spannungsamplitude ist , wobei der obere
Spannungsgrenzwert (Oberspannung) und
(Unterspannung) ist
der untere Spannungsgrenzwert
- Bei dem Versuch werden verschiedene Spannungen aufgebracht, sodass sich ergibt:
- Aus dem so genannten Spannungsverhältnis kann abgelesen werden, ob eine Probe
eher auf Zug, Druck oder Wechsel beansprucht wurde. Bei R=0 wurde die Probe nur auf Zug
wechselnd beansprucht. Bei R=-1 wurde die Probe sowohl auf Zug als auch auf Druck
beansprucht. Bei wurde die Probe nur auf Druck beansprucht
- Bei dem Dauerschweingversuch können periodisch wiederholte Biege- oder
Umalufspannungen sowie Zug und Druckbeanspruchungen sowie Torsionsbeanspruchungen
aufgebracht werden
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- Um nun das Dauerschwingverhalten und werkstoffspezifische Kennwerte zu ermitteln
werden Wöhlerschaubilder erzeugt. Gegenüber der Spannungsamplitude werden
verschiedene Probenergebnisse eingetragen im Bezug auf die ertragene Lastspielzahl. Mit
geeigneten mathematischen Methoden lassen sich Wöhlerlinien eintragen, die
- Isopossibilitäten darstellen. Bei der Aufnahme hat sich gezeigt, dass Brüche ab einer
Lastspielzahl von ertragenen Lastspielen so gut wie gar nicht mehr auftreten, weshalb
man dann aufhört. Hier ist die Wöhlerlinie horizontal und man spricht von Wechselfestigkeit
oder auch Dauerfestigkeit.
o Bei kfz-Metallen treten Wöhlerlinien ohne horizontalen Ast auf da auch hier noch
Brüche beobachtet werden.
- Einflüsse auf die Dauerschwingfestigkeit nehmen:
o Umgebungsbedingungen
• Prüftemperatur, umgebendes Medium
o Werkstoff und Werkstoffzustand
• Alle Einflussfaktoren, die auch die Streckgrenze erhöhen oder die
Zugfestigkeit erhöhen erhöhen auch die Dauerschweingfestigkeit
o Oberflächenzustand
• Bei schwingend beanspruchtesn bauteilen sind kerben möglichst zu
vermeiden, da sie die Schwingfestigkeit herabsetzen (siehe später)
o Belastungsart
• Mittelspannung, Prüffrequenz, Belastungsdauer der Maximalspannung,
Ruhepausen
• Der Einfluss von Mittelspannungen ist besonders relevant. Deshalb werden
die Ergebnisse aus den Wöhlerversuchen in so genannten
Dauerfestigketisschaubildern (Haigh / Smith) dargestellt. Diese verdeutlichen
den Mittelspannungseinfluss auf die dauerfest ertragene
Spannungsamplitude . Zugmittelspannungen verringern ;
Druckmittelspannungen erhöhen . Da die Ermittlung jedoch sehr
aufwendig ist, lassen sich die Dauerfestigkeitsschaubilder konstruieren, wenn
man die Kennwerte
bekannt sind. Nach
Goodman gilt dann:
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• Haigh / Smith-Diagramm
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Am Besten veranschaulicht man sich die Konstruktion beispielhaft:
Smith-Diagramm
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KONSTRUKTION EINES HAIGH-DIAGRAMMS:
o Einfluss von Kerben
- Auch Kerben nehmen Einfluss auf das Dauerschwingverhalten (siehe oben) . Konstruktive
Kerben sind die häufigste Ursache bei schwingungsbeanspruchten Bauteilen für Versagen.
- Arten von Kerben sind
o Makroskopische Kerben: Bohrungen, Nuten etc
o Mikroskopische Kerben: Bearbeitungsriefen, Schweißspritzer, Schweißkrater, Walz
und Schmiedehaut
o Strukturelle Kerben: Steifigkeits- und Härtesprünge durch viele Stoffmischungen
o Gestaltsfestigkeit: durch die Nennspannung gekennzeichnete dauerfestigkeit eines
Bauteils mit allen Konstruktionsmerkmalen und Werkstoffeigenschaften
- Der Spannungszustand in Kerben wird beschrieben durch:
o Nennspannung. mit ist die Querschnittsfläche des Kerbgrunds
• Bei Rundstab im Stabinneren: dreiachsiger Spannungszustand; im Kerbgrund:
zweiachsiger Spannungszustand
o Formzahl (gibt an, wie stark die Spannungsüberhöhung aufgrund der Kerbe ist) :
; Dabei ist die Spannungsspitze im Kerbgrund; für statische
Beanspruchungen
o Kerbwirkungszahl wobei A Spannungsamplitude (bei gekerbten und
ungekerbten Bauteil) ist beschreibt die Herabsetzung der Dauerfestigkeit durch
Spannungsspitzen und Mehrachsigkeit; für dynamische Beanspruchungen
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o Bei höchstharten Werkstoffen ist ; sonst
o Die Kerbempfindlichkeit und damit die Kerbwirkungszahl nimmt mit wachsender
Zugfestigkeit zu
- Es fällt auf, dass durch Überschneiden der Wöhler-Linien uU gekerbte Bauteile bei
kurzzeitiger Beanspruchung besser halten als ungekerbte Bauteile
- Andererseits ist auch zu beobachten, dass je fester der Werkstoff, desto schlimmer die
Kerbwirkung ist (s.o.)
- Maßnahmen zur Minderung der Kerbwirkung sind:
o Einbringen von Druckeigenspannungen im Kerbgrund durch Überrollen (also Radius
vergrößern)
o Festwalzen
o Platthämmern
o Kugelstrahlen
- Ausgangsort von Schwingungsrissen sind Kerben. Außer obigen können dies zusätzlich auch
noch während der Rissbildung entstandene Kerben sein
o Die während der Rissausbildung entstandene Schwingbruchfläche ist glatt und weist
Scheuerstellen auf. Wenn die Beanspruchung durch Ruhepausen unterbrochen war,
entstehen makroskopische Streifen, die s.g. Rastlinien. Treten also Rastlinien auf
kann davon ausgegangen werden, dass ein Schwingungsbruch mit Ruhepausen
vorlag. Aus der Größe der Restbruchfläche kann die Höhe der Beanspruchung
abgeschätzt werden:
Zug
Hohe Nennspannung
Kleine Nennspannung
Einseitige Biegung
Zweiseitige Biegung
- Mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen kann man die Anrissschwingspielzahl bestimmen, also
die Zahl ab der die Dehnungsamplitude drastisch sinkt
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Betriebsfestigkeitsversuch
- Normalerweise werden Bauteile nicht streng periodisch belastet sondern unterliegen
unperiodischen, schwingenden Beanspruchungen, die in regelloser Folge die Größe der
Spannungsamplitude ändern. Die unter derart lasten ertragene Beanspruchung ist die
Betriebsfestigkeit
- Heute lassen sich durch moderne Maschinen derartige Belastungen simulieren. Oft wird
jedoch ausgenutzt, dass bei langer Beobachtung sich gewisse statistische Gesetzmäßigkeiten
ergeben, die ihre Darstellung als Belastungskollektive ermöglichen.
- Eine andere Möglichkeit ist der Versuch direkt am Prüfobjekt und dabei die Ermittlung eines
Belastungskollektivs
o Zum Erstellen eines Kollektivs werden Häufigkeitskurven erstellt, welche durch eine
Klassengrenzen-Überschreitungszählung entstehen. Dafür wird der Messbereich in
Klassen gleicher Breite unterteilt (z.B. 100N/mm 2 ) und jede Überschreitung bis zum
Maximalwert gezählt. Aus dem erzeugten Diagramm kann man ablesen, wie oft eine
bestimme Belastung überschritten wurde bis zum Bruch
- Das Ergebnis wird ähnlich der Isopossibilitäten bei dem Wöhler-Schaubild als Spannungs-
Lebensdauer-Schaubild dargestellt; die so genannte Lebensdauerlinie (Häufigkeit vs.
Ertragene Beanspruchung y)
Zeitstandversuch unter Zugbeanspruchung (Kriechen)
- Wird ein Werkstoff bei höherer Temperatur ( ), mit konstanter Last
längere Zeit belastet, treten zeitabhängige plastische Verformungen auf, die man Kriechen
nennt
- Trägt man die plastische Dehnung über die Zeit auf bei konstanter Temperatur, so erhält man
die Kriechkurve. Die Kriechgeschwindigkeit ist
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o Es gilt das Nortonsche Kriechgesetz mit , K= temperaturabhängige
Materialkonstante; n= Potenz der Spannung (Spannungsexponent)
- Der Zeitstandversuch liefert wichtige Kennwerte bei verkürzter Versuchsdauer:
o
o
o
1000 Stunden ein
Bruch tritt bei einer Belastung von 270 N/mm 2 bei 400°C nach
Eine Dehnung von 0,5% wird nach 1000h bei 400°C und einer
Belastung von 120N/mm 2 gemessen
Bei Stahl tritt Kriechen bereits bei ca 300°C auf
- Zerstörungsfreie Prüfungsverfahren /Prüfverfahren zur Detektion von Fehlern
o Härteprüfverfahren sind quasi zerstörungsfrei, wenn man von der „Delle des Dilgi-…,
ähhh Poldi-Hammers absieht. (für Kennwerte, als auch für Kontrolle möglich)
o Optische, magnetische und elektrische Eigenschaften (elektrische Leitfähigkeit,
Widerstand, Magnetisierbarkeit, Reflexionsvermögen,…)
o Ermittlung des E-Moduls aus Dämpfung und Eigenfrequenz von Schwingungen
o Spektroskopische Methoden
• Röntgenanalyse: Detektion von Rissen, Poren, Lunkern Einschlüssen vor
allem in Gussteilen und Schweißnähten
• Röntgeninterferenz für Verformungen
• Ultraschall: Bestimmung von Schicht- und Wanddicken, Dopplungen und
Rissen
o
o
o
o
o
Anregung durch Ultraschall
Der Defekt erwärmt sich stärker als seine Umgebung
thermische Strahlung kann durch eine IR-Kamera detektiert
werden
Detektion von „Kissing Bonds“ (nicht haftenden Grenzflächen beim
Kleben)
• Optische Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit, Rauheit
(auch Elektronenmikroskopie)
Farbeindringverfahren zur Bestimmung von Oberflächenrissen
Lecktestverfahren für Behälter
Tastschnittverfahren für Rauheiten
Magnetische Prüfung für Risse oder Inhomogenitäten nicht ferromagnetischer Stoffe
Möglichkeiten zur Bauwerksüberwachung
• Ziel: Ermittlung des Zustands Schlussfolgerung auf die Lebensdauer
• Reduzieren auf Modell mit kritischen Details(Kerben, Belastungen)
• Aufnahme von Betriebslasten
• Schwachstellen im Labor prüfen Abgleich mit unabhängigen
Werkstoffgrößen (z.B. Dauerschwingfestigkeit)
• Überprüfen Vorhersage über Restlebensdauer
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4. Veränderung von Aufbau und Eigenschaften metallischer Werkstoffe
Legieren und Legierungen
- Legieren bedeutet das Zusammenfügen von zwei oder mehr Elementen, um damit
verbesserte Eigenschaften zu erhalten. Mindestens ein Element muss dabei ein Metall sein.
o Mischen der Elemente in der schmelzflüssigen Phase (oberhalb der größten
Schmelztemperatur aller vorkommenden Elemente)
o Abkühlen der Schmelze ergibt eine feste Verbindung der einzelnen Elemente
• Entweder Mischkristall: Die einzelnen Atome sind zusammen in einem
Kristallgitter angeordnet
• Oder chemische Verbindung: Die Atome bilden untereinander
Elektronenpaarbindungen aus.
o Legierungen zwischen zwei Metallen (intermetallisch): Ausbildung eines neuen
Gittertypes, der sich von den Ausgangsgittern in den Gitterparametern
unterscheidet.
o Legierung zwischen Metall und Nichtmetall (intermediär): Es bilden sich häufig
Elektronenpaarbindungen (vgl. -Zementit im Eisengitter)
- Konzentration und Gehalt
o Gehalt:
• Die bezogene Größe des Elementes wird immer auf die Gesamtheit bezogen
o
• Bsp. Eisengehalt einer Eisenkupferlegierung:
• Gleiches ist auch mit der Stoffmenge( ) oder dem Volumen ( )
möglich es ergibt sich ein Zahlenwert ohne Einheit
Konzentration
• Meistens die Stoffmenge des zulegierten Elements auf das zugehörige
Volumen (auch mit Masse ( ) und Volumen (
möglich)
- Phasendiagramm
o Zeigt den Zustand einer Legierung in Abhängig unterschiedlicher Parameter (Druck,
Temperatur, Zusammensetzung) meistens wird Druck außer Acht gelassen, da
konstant bei unendlich langsamer Abkühlung
o Phasendiagramm: Temperatur(y-Achse) und Zusammensetzung (x-Achse)
o Oberhalb der Liquiduslinie: nur Schmelze
o Unterhalb der Soliduslinie: nur Feststoff
o Dazwischen Schmelze und Feststoff
o Kennt man nun die Zusammensetzung, so kann man zu einer bestimmten
Temperatur die Zusammensetzung des Gefüges bestimmen (anhand
Phasendiagramm)
o Mögliche Typen von Phasendiagrammen können dabei auftreten:
• Vollständige Unlösbarkeit im festen, sowie im flüssigen Zustand (Bsp.: Fe und
Pb)
Haltepunkte an den definierten Schmelzpunkten der beiden Metalle
Keine Bildung von Mischkristallen, Es liegen Eisenklumpen im Blei
vor
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• Lückenlose Mischbarkeit im flüssigen und im festen Zustand
Vorraussetzung : sehr ähnliche Atomradien, gleiche Kristallstruktur
Bsp.: Cu-Ni-Schmelze
o Zusammensetzung der Schmelze unterscheidet sich beim
langsamen Abkühlen von der Zusammensetzung des
Mischkristalls
o Konzentrationsänderungen können in der Schmelze deutlich
schneller ablaufen, als im Mischkristall
o Erste ausgeschiedene Kristalle haben höheren Nickel-Anteil
o Berechnung der Massenanteile der Phase über das
Hebelgesetz:
• Die Momentankonzentrationen der einzelnen
Phasen liegen immer auf der Liquidus- bzw.
Soliduslinie
• Verbindung dazwischen nennet man Konode
• Gleichgewicht zwischen den Massenanteilen und
zugehörigen Hebelarmen bei fester
Bruttokonzentration
• Berechnung über Hebelgesetz:
o bei sehr langsamer Abkühlung werden die
Konzentrationsunterschiede durch Diffusion wieder
ausgeglichen homogener Mischkristall
o Bei schnellem Abkühlen gibt es keinen Diffusionsausgleich
stark unterschiedliche Konzentrationen Seigerungen
Homogenisierungsglühen versucht diese
Konzentrationsunterschiede auszugleichen (Erhöhung der
Diffusionsbewegung durch Temperaturerhöhung)
o Es ergeben sich keine definierten Schmelzpunkte, sondern
sogenannte Schmelzbereiche, in denen das Gemisch
langsamer abkühlt Abgabe von Erstarrungsenergie
• Vollständige Lösbarkeit im flüssigen, aber eingeschränkte Lösbarkeit im
festen Zustand. (Bsp.: Pb-Sn)
Phasendiagramm weist Mischungslücken auf. In bestimmten Phasen
können nur bestimmte Anteile eines Stoffes gelöst werden. zwei
unterschiedliche feste Phasen
Im einphasigen Mischkristall sind je nach Temperatur nur geringe
Prozent eines Elementes im anderen löslich
Fällt die Temperatur weiter ab, so scheidet sich aus dem
Einphasenmischkristall eine zweite Phase aus.
Eutektische Reaktion:
o Aus der Schmelze bilden sich sofort zwei Phasen
(unterschiedliche Kristalle) gekennzeichnet durch
Lamellenform
© Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 2009
17

Werkstofftechnologie I
WTI
o
o Die Waagerechte Linie zwischen der festen Phase und der
flüssigen Phase nennt man Eutektikale
• Vollständige Lösbarkeit im flüssigen, vollständige Unlösbarkeit im festen
Zustand:
Oberhalb der Liquiduslinie Einphasengebiet
Darunter immer Zweiphasengebiet kein Mischkristall
Bei einer eutektischen Zusammensetzung verhält sich das Gemisch
wie ein reines Metall mit definiertem Schmelzpunkt.
Bestimmung von Phasendiagrammen
• Thermische Analyse
Durch das Messen der Temperatur in Abhängigkeit zur Zeit beim
Abkühlen können unterschiedliche Steigungen gemessen werden.
Diese deuten auf Phasenumwandlungen hin, da hier Energie frei
wird und damit die Abkühlung langsamer abläuft.
Haltepunkte deuten zudem auf einen definierten Schmelzpunkt hin,
da bei dieser Temperatur das gesamte Element seinen
Aggregatzustand ändert.
• Dilatometermessungen
Messung der Ausdehnung in Abhängigkeit von der Temperatur
Bei Phasenumwandlungen ergeben sich Sprünge in der Ausdehnung
nur im festen Zustand möglich
• Gefügebeobachtung an Metallschliffen
Mikroskopische Beobachtungen können Strukturänderungen
offenlegen nur im festen Zustand und bei deutlichen
Phasenumwandlungen möglich
• Röntgeninterferenzuntersuchungen
Identifizierung unbekannter Phasen
© Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 2009
18

WTI
Werkstofftechnologie I
Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
ABCD: Liquiduslinie (darüber alles flüssig)
AHIECF: Soliduslinie (darunter alles fest)
ECF: Eutektikale
PSK: Eutektoide (eutektische Rekristallisation innerhalb einer Phase)
HIB: Peritekitale (Entlang der Linie Schmelze und festes -Eisen zu -Mischkristall)
C: Eutektikum (Legierung, die bei diesem Punkt fest oder flüssig ist; vollständig mischbar in
flüssig; nicht mischbar in fest)
I: Peritektikum (Schmelze und festes -Eisen zu -Mischkristall)
S: Eutektoid (Der -Mischkristall wandelt sich in den -Mischkrisatll und -Karbide um
(Punkt S) Ausbildung eines lamellaren Gefüges Perlit mit -Mischkristall ferritisch,
perlitisches Gefüge)
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WTI
- Bezeichnungen für Mischkristalle:
Werkstofftechnologie I
Bezeichnung Max.C-Gehalt Metallographische
Bezeichnung
0,11% bei 1493°C Delta-Ferrit
2,06% bei 1147°C Austenit
0,02% bei 723°C Ferrit
- Bezeichnungen für Zementit ( )
Bezeichnung
Entstehung
Primärzementit
Primäre Kristallisation aus der Schmelze (Linie CD)
Sekundärzementit
Ausscheidung aus Austenit (Linie ES)
Tertiärzementit
Ausscheidung aus Ferrit (Linie PQ)
- Bezeichnungen für Phasengemische
Bezeichnung Besteht aus Existiert bei
Perlit 88% Ferrit und 12% Zementit 0,02% bis 6,67%C
Ledeburit I 51,4% Austenit und 48,6% 2,06% bis 6,67%C
Zementit
Ledeburit II 51,4% Perlit und 48,6%
Zementit
2,06% bis 6,67%C
- Haltepunktlinien bei Erwärmen oder Abkühlen (Ac oder Ar)
o : 723°C; Austenit zerfällt zu Perlit ( )
o : Curie-Punkt 768°C
o : GOSE-Linie: vollständige Umwandlung von Ferrit in Austenit; Wird beim
Abkühlen diese Linie unterschritten bilden sich C-arme Gamme-MK. Der frei
werdende Kohlenstoff reichert sich im Austenit an bis dieser bei 720°C die
eutektoide Konzentration erreicht hat
Erstarrungs und Umwandlungsvorgänge bei Stahl
o Verlauf beim langsamen Abkühlen bei einem C-Gehalt unterhalb von 2,06%
(Stahlherstellung)
• Aus der Schmelze bildet sich -Phase mit zunehmender Abkühlung steigt
der C-Gehalt im Mischkristall (interstetiell eingelagert) Bildung des
kubisch flächenzentrieten Austenits mit eingelagerten C-Atomen
• Bei Stählen mit C-Gehalt kleiner als 0,02% (Armco)
Unterhalb der Phasengrenze zwischen -Mischkristall und -
Mischkristall wandelt sich die -Phase in die -Phase um
Umorientierung von kubisch-flächenzentriert nach kubischraumzentriert
Umklappen der Einheitszell mit noch leicht
verzerrten Kantenlängen
Es scheidet sich ein einphasiger Eisen-Kohlenstoff-Mischkristall aus,
der jedoch nur einen sehr geringen Anteil an C-Atomen besitzt.
• Stähle mit C-Gehalt zwischen 0,02% und 0,8%
Bei Abkühlung unter 723°C (A1) scheidet sich aus der -Phase die der
-Mischkristall aus. Dieser besitzt aber lediglich eine Löslichkeit von
0,02% Kohlenstoff
Ausscheidung des überschüssigen Kohlenstoffs als
© Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 2009
-Karbide
20

WTI
Werkstofftechnologie I
Gefüge wird als Perlit bezeichnet
Wachstumsbeginn an den Korngrenzen Bildung eines lamellaren
Gefüges durch C-Konzentration (Trennung von ferritischem kubischraumzentrierten
Mischkristall (kohlenstoffarm – max 0,02%) und
kohlenstoffreichen Karbiden (mehr als 6,6%)
• Stähle mit C-Gehalt zwischen 0,8% und 2,06%
Maximale C-Löslichkeit in der -Phase bei 1147°C
Weiteres Abkühlen führt zu Ausscheidung von C-Karbiden, um
den C-Gehalt in der Schmelze nach Phasendiagramm auf 0,8% zu
drücken
Dann eutektoide Reaktion mit Bildung von Perlit und weiteren
Zementiden
Anordnung der zuvor ausgeschiedenen Zementide erfolgt
Schalenmäßig um Austernfischen Körner, die dann zu perlitischen
Körnern umgewandelt werden
Erstarrungs- und Umwandlungsvorgänge bei weißem Gusseisen ; also C größer 2,06%
- Weißes Gusseisen: wenig Legierunselemente Si und Mn; bei technisch rascher Abkühlung gilt
metastabiles Fe-C-Diagramm
- Im Verlauf der Abkühlung bildet sich aus der Schmelze das Eutektikum Ledeburit I(Austenit
und Zementit). Nach Unterschreiten von
zerfällt aller Austenit zu Perlit. Hier
unterscheidet man zwischen Perlit aus Gamma-MK entstanden und Ledeburit II, welches aus
Perlit und Zementit besteht, welches aus dem Ledeburit I entstanden ist
Erstarrungs- und Umwandlungsvorgänge bei grauem Gusseisen
- Graues Gußeisen: erhöhter Si und niedriger Mn-Anteil bei hinreichend langsamer Abkühlung
gilt das stabile Fe-C-Diagramm
o Dementsprechend bildet sich bei Abkühlung und Graphit
Wärmebehandlung
- Wärmebehandlungsverfahren allgemein
o Die Eigenschaften der Stähle hängen zum einen von der Zusammensetzung der
einzelnen Legierungselemente ab, zum anderen aber auch vom Erstarrungsverlauf.
o Durch eine nachträgliche Wärmebehandlung lassen sich die Eigenschaften noch
weiter verbessern.
• Inhomogenitäten im Gefüge können durch eine erhöhte Diffusion
ausgeglichen werden homogenes Gefüge (Gusseisenwerkstoffe verfügen
immer über eine Anisotropie (richtungsabhängige Eigenschaften), die durch
eine Wärmebehanlung abgebaut werden kann)
• Erzielen von gewünschten Gefügezuständen, die für die Nachbearbeitung
erforderlich sind. Erfüllen von speziellen Anforderungen von bestimmten
Bauteilen
• optimaler Einsatz von bestimmten Legierungselementen, wie C oder N
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21

WTI
Durchgreifende Wärmebehandlungsverfahren
Werkstofftechnologie I
- Difffusionsglühen, Homogenisierungsglühen:
o Glühen bei hohen Temperaturen ca. 1050°C – 1100°
o Deutlich über im Einphasengebiet des Gamma-Mischkristalls
o Haltezeit: 2-8 Stunden (auch bis zu 50 Stunden)
o Langsames Abkühlen
o Ausgleich von Inhomogenitäten in den einzelnen Kristallen, z.B. Seigerungen,
Konzentrationsunterschieden oder Legierungselementeinschlüssen die durch den
Erstarrungsprozess zustande gekommen sind.
o Ziel: homogenes Gefüge für die Weiterverarbeitung, Verteilung von Sulfiden, um die
Rotbrüchigkeit zu vermeiden, Verteilung von Karbiden
o Nachteile
• Teuer
• Grobkornbildung durch langsames Abkühlen evt. Normalglühen
erforderlich
• Gefahr der Verzunderung und Entkohlung (bedingt durch hohe Temperatur)
- Grobkornglühen, Hochglühen:
o Glühen bei Hohen Temperaturen ca. 900°C- 1200°C
o Deutlich über im Einphasengebiet des Austenits
o Haltezeit: 1-2 Stunden
o Ziel: Größere Körner führen zu einer besseren Zerspanbarkeit des Werkstoffes
Besondere Anwendung bei Stählen mit geringem C-Gehalt (sonst schmieren)
o Nachteil: Verminderung der Festigkeit bei groben Körnern Normalglühen nach
dem Bearbeiten erforderlich teuer
- Normalglühen, Normalisieren, Austenitisierungsglühen, Umkörnen:
o Glühen bei 30°C-50°C oberhalb von , (bei übereutektoidem Stahl über )
o Sehr kurze Haltezeit
o Beseitigung von Inhomogenitäten (Grobkorn und Widmanstättengefüge (sprödes
ferritisch-perlitisches Gefüge))
o Beseitigung von gehärteten und vergüteten Gefügen normalisieren (perlitischferritisches
Gefüge mit Zementit)
o Gleichmäßiges Abkühlen, um kleine Körner zu erhalten
o Abbau von Eigenspannungen, die aus Umformprozessen resultieren.
- Weichglühen
o Glühen bei ca 700°C um mit langsamen Abkühlen
o Untereutektoider Stahl: unter , übereutektoider Stahl: pendelnd um
o Haltezeit: 2-10 Studen
o Beim Abkühlen bildet sich Perlit mit lamellarer Struktur durch lange Haltezeit wird
die Ausscheidung von kugeligen Karbiden bevorzugt, da diese am energetisch
günstigsten sind (vgl. größtes Volumen mit kleinster Oberfläche)
o Abkühlung im Ofen (10°/Stunde)
o Feine Karbide sorgen für eine gute Zerspanbarkeit
o Weichglühen dient zudem als Vorbereitung zum Härten übereutektoider Stähle
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WTI
Werkstofftechnologie I
- Spannungsarmglühen
o Glühen unter bei ca. 550°C – 650°C
o Eigenspannungen werden beim Erreichen der Fließgrenze des Materials abgebaut
und in plastische Verformungen umgewandelt.
o Durch geringe Temperatur findet keine Gefügeumwandlung statt
o Beseitigung von erwünschten Aufhärtungen, die durch Schweißen eingebracht
wurden (starkes erhitzen und schnelles Abkühlen an einem Punkt)
o Haltezeit: 2min/ mm Wanddicke
o Langsame Abkühlung
- Rekristallisationsglühen
o Bei ca. 500°C – 600°C
o Beim Kaltverformen werden die Körner gestreckt und damit verzerrt
o Rekristallisationsglühen fördert die Kristallneubildung verbunden mit dem Abbau von
Eigenspannungen und Entfestigung
o Bildung der neuen Körner durch Platzwechselvorgänge der Atome neue
Gitteranordnung
o Korngröße ist Abhängig vom umformgrad und der Glühtemperatur
o zu geringe Umformung (wenig Eigenspannungen)und zu hohe Temperatur führen
zu groben Körnern
o Geringe Haltezeiten und hoher Umformgrad (oberhalb des kritischen Reckgrades
(mehr als 20%))
- Martensitbildung (Härten)
• Bei einem Stahl mit C-Gehalt von weniger als 0,02% können nach
Normalglühen, Abschrecken und Auslagern keine nennenswerten
Festigkeitssteigerungen erreicht werden, da kaum Karbide ausgeschieden
werden.
• Bei Verwendung eines Stahles mit einem C-Gehalt von ca. 0.5% passiert
folgendes:
Schnelle Abkühlung führt dazu, dass sich aufgrund der geringen
Diffusionsgeschwindigkeit keine Karbide bilden können.
Trotzdem erfolgt eine Umwandlung der -Phase in die -Phase
martensitische Umwandlung, die nicht auf diffusionsbedingten
Platzwechselvorgängen beruht Umklappung der kubischflächenzentrierten
Kristallanordnung in eine tetragonalflächenzentrierte
Kristallanordnung
Martensitische Umwandlung beginnt unterhalb der Martensit-
Starttemperatur und kann nur bis zu einem C-Gehalt von 0,8%
vollständig erfolgen
Zwangslösung des Kohlenstoffs im -Mischkristall
extrem Verzerrung durch den deutlich überhöhten C-Anteil im -
Mischkristall führt zu enormer Härte, jedoch auch zu einem sehr
spröden Werkstoff kein sinnvoller Einsatz möglich
Die Härte des Martensits steigt mit dem C-Gehalt des Stahls
o
Berechnung nach Rockwell:
Die Zugfestigkeit des Stahls steigt mit dem C-Gehalt
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Werkstofftechnologie I
WTI
o Bis zu 1800 im gehärteten Zustand möglich
o Zugfestigkeit steigt von ca. 400 (reines Eisen) auf
1800 (ca 0,8% C) an
o
o
o
o
Ab ca. 0,2% C gutes Härten möglich
Ca. 3x so hohe Zugfestigkeit wie ungehärteter Stahl mit
gleichem C-Gehalt
Martensitstarttemperatur sinkt mit steigendem C-Gehalt ab.
Die genaue Gefügeausbildung hängt entscheidend von der Abkühlgeschwindigkeit
ab. Ermittlung des Gefüges Aus ZTU-Diagrammen (Zeit-Temperatur-
Umwandlungsdiagramm, kontinuierlich)
• Für jede einzelne Zusammensetzung muss ein eigenes ZTU-Diagramm erstellt
werden.
• Es ergeben sich verschiedene Kurven, die für unterschiedliche
Abkühlgeschwindigkeiten aufgenommen wurden
• Durch die Schnitte mit den verschiedenen Gefügebestandteilsflächen
(Austenit, Ferrit, Perlit, Beimut(Zwischenstufengefüge) und Martensit) kann
der prozentuale Anteil der einzelnen Gefügebestandteile ermittelt werden.
• Außerdem kann für die unterschiedlichen Abkühlkurven die Härte ermittelt
werden
• Wichtige Abkühlgeschwindigkeiten:
: geringste Abkühlgeschwindigkeit, bei der nur Martensit
entsteht
: größte Abkühlgeschwindigkeit, bei der kein Martensit
entsteht
Die Bildung von einzelnen Gefüge ist nicht nur von der globalen Abkühlung abhängig,
sondern auch von der lokalen Abkühlung an unterschiedlichen Stellen des Bauteils
• Die Randschichten werden bei starker Abkühlung (z.B. Abschrecken im
Wasserbad) deutlich schneller abgekühlt und werden somit härter als der
Bauteilkern
• Um eine durchgreifende Härtung durch das gesamte Bauteil zu erhalten,
muss eine Obere kritische Abkühlgeschwindigkeit gefunden werden, bei der
im gesamten Bauteil nur Martensit entsteht.
• Abkühlung an Luft verläuft dabei sehr langsam Martensitbildung im
Inneren nur durch Zugabe von Legierungselementen möglich
• Zugabe von weiteren Legierungselementen
Die martensitische Umwandlung kann durch Elemente begünstigt
werden, die aufgrund ihrer Atomgröße eine geringe
Diffusionsgeschwindigkeit aufweisen.
zunehmende Wirksamkeit:
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Werkstofftechnologie I
WTI
- Anlassen
o Durch das Härten erhält man einen sehr harten, jedoch wenig duktilen, also spröden
Werkstoff
• hohe Zugfestigkeit, geringe Bruchdehnung
o Stufen des Anlassens
• 1. Anlassstufe
o
Temperatur: 80-200°C
Ausscheidung von feinen Karbiden aus dem verzerrten -
Mischkristall
weniger verzerrter Martensit mit ca. 0,3% Kohlenstoff
Härte nimmt zu, oder ab „kubischer Martensit“
• 2. Anlassstufe
Temperatur: 200-375°C
Restaustenit zerfällt in Ferrit und Zementit oder kubischen Martensit
Härte nimmt nach geringem Abfall zu
• 3. Anlassstufe
Temperatur: 300-520°C
Der „kubische Martensit“ zerfällt in Ferrit und Zementit
Auflösung der Verzerrungen extreme Abnahme der Härte und
Zugfestigkeit
aber Zunahme von Verformbarkeit und Duktilität
• 4. Anlassstufe
Temperatur: >500°C
Stähle mit Sonderkarbidbildnern (W, V, Nb, Mo, Cr) bilden fein
verteilte Mischkarbide(z.B. Wolframcarbide,…)
Zunahme der Festigkeit, da mehr Kohlenstoff vorhanden ist.
Höhere Anlassbeständigkeit
Unterteillung in
• Entspanntes Anlassen: 180 – 200°C
Für Bauteile mit großer Härte und hoher Verschleißbeständigkeit
• Vergütendes Anlassen: 400 – 650°C
Für Bauteile, die über ein gewisses Maß an Duktilität verfügen
müssen Kombination aus Härte und Duktilität je nach Temperatur
variabel einstellbar
- Vergüten
o Kombination aus Härten und Anlassen
o Vergütungsbereich von Stählen liegt zwischen 400-650°C
• Mit steigender Anlasstemperatur beim Vergüten
Sinkt die Streckgrenze(normalisiert)/Dehngrenze (vergütet)
Sinkt die Zugfestigkeit
Steigt die Dehnung
Steigt die Einschnürung Duktilität (Fläche unter der Kurve)
Der E-Modul bleibt gleich
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WTI
o
Kennwerte von Vergütungsstählen
Werkstofftechnologie I
Normalisiert Gehärtet Vergütet
Härte in HV 200 700 400
Zugfestigkeit in MPa 600 2000 1200
Bruchdehnung in % 16 4 12
Randschichthärten
- Zur wirksamen Verschleißminderung bei wälz- und gleitbeanspruchten Bauteilen muss eine
hohe Randschichthärtung erreicht werden. Ziel sind besonders hohe Härtewerte am rand bei
ausreichender Zähigkeit im Kern. Anwendung bei verschleißbeanspruchten Bauteilen, die
besonders stoß und schwingbeansprucht sind
- Thermochemische Härtung: Hierbei werden Randschichten durch Eindiffusion chemischer
Elemente (C, B, N) so verändert, dass eine Härtesteigerung erfolgt (Nitride, Boride). Es kann
auch eine martensitische Randhärtung erfolgen
o Einsatzhärten
• Ziel: hohe Randschichthärte zur Verschleißminimierung; gute Zähigkeit im
Kern gegen Sprödbruch; Randschicht-Druckeigenspannung für gute
Dauerschwingfestigkeit
• Verwendung: Stähle mit geringem C-Gehalt
• Methode: Aufkohlen (Zementieren) der Randschicht bei 900°C, wobei die
Kohlenstoffgebende Mittel in festem, flüssigen oder gasförmigen Zustand
vorliegen können:
Pulveraufkohlung: Einbetten in pulverisierte Kohle. Durch
Boudouard-GGW erfolgt Freisetzung des C
Salzbadaufkohlung: Aufkohlung in Cyanidbädern
Gasuafkohlung: Kohlenwasserstoffgase über glühende Oberfläche
• Angestrebter randkohlgehalt: 0,8%; 0,1 bis 0,3mm/h;
• Härtungsmöglichkeit: Direkthärten (Abchrecken nach Einsatz);
Einfachhärtung (Nach Luftabkühlung erneutes Erhitzen auf 900°C und
anschließend Abschrecken); Doppelhärtung (Nach Luftkühlung Erhitzen auf T
entsprechend Kern, dann Abschrecken , dann erhitzen auf T entsprechend
Rand )
o Nitrieren und Nitrocarburieren
• Ziel: Verschleißverminderung; Verringerung des Reibwertes; hohe
Kernzähigkeit; dauerschweingfestigkeit
• Methode: gas- bad oder Pulernitrieren; Häufig: Gas bei 550°C von
Ammoniak; Nach Nitieren Abschrecken
• Oft diffundiert hierbei C mit ein (Nitrocarburieren), wodurch zähere
Schichten entstehen
o Borieren
• Ziel: Erreichen der höchsten Härte für geringsten Verschleiß (1800HV)
• Methode: Eindiffusion von Bor in randschicht. Dabei entsteht
- Thermisch
o Flammhärten
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WTI
Werkstofftechnologie I
• Ziel: hohe Randschichthärtung zur Verschleißminimierung bei großen
Bauteilen
• Stahl oder Gusseisenoberfläche wird mit Brenner auf Härtetemperatur
erhitzt; anschließend Abgeschreckt. Dadurch Martensitbildung
• Typisch für Cf56 oder GS-42CrMo 4
o Induktionshärten
• Ziel: hohe Verschleißbeständigkeit bei geringem Aufwand
• Methode: rasche Erwärmung von Teilen durch eine von hochfrequentem
Wechselstrom durchflossene, Wassergekühlte Spule; Erzeugung von
sekundärem Wirbelstrom in den randschichten des Bauteils ; So schnelle
Erwärmung auf Härtetemperatur durch elektrischen Widerstand;
anschließend Abschreckung
o Strahlhärten
• Ziel: örtliche Härtung mit geringem Verzug
• Methode: mit LASER örtlich oberflächenbehandeln und erhitzen;
Selbstabschreckung
- Thermomechanisch
o Warmwalzen
• Endumwandlung unterhalb von A3 bei der Austenit unterkühlt (metastabil)
vorliegt; Dadurch wird eine Gefügestruktur mit guten Festigkeits- und
Zähigkeitseigenschaften erzeugt werden
- Kaltverformung
o Beim Kaltverformen ergeben sich Verfestigungen, die sich bei der technischen
Anwendung ausnutzen lassen. Dazu zählen Hämmern, Festwalzen, Kugelstrahlen,
Aufdornen von Bohrungen
o Somit erzeugte Druckeigenspannungen in den Randschichten verbessern
Dauerschwingfestigkeit und Beständigkeit gegen Reib- und Spannungskorrosion
5. Metallische Konstruktionswerkstoffe
- Kennzeichnen der Stähle nach der chemischen Zusammensetzung durch Symbole der
Legierungselemente
o Unlegierte Stähle: : Bsp: C45 = 0,45%C
o Niedriglegierte Stähle: Legierungselemente :
o
o
• 42 CrMo 4: 0,42%C – Chrom% – Molybdän
• 20 CrMoV 13 5: 0,2%C – Chrom% - Molybdän% - Vanadium
• Es gelten multiplikatoren:
Multiplikator
Elemente
4 Co, Cr, Mn, Ni, Si, W
10 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr
100 C, Ce, N, P, S
1000 B
Hochlegierte Stähle: Legierungselemente
• X+100.C-Gehalt + Leg. El. Symb.
• X 30 WCrV 5 3: 0,3%C – 5%W – 3% Cr – V
• C 2 CrNiMo 18 10: 0,02%C – 18%Cr – 10% Ni – Mo
Schnellarbeitsstähle
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Werkstofftechnologie I
WTI
• HS + Leg. Elem.-Gehalt in der Reihenfolge W-Mo-V-Co
• HS 18-1-2-5: 18%W – 1%Mo – 2% V – 5% Co
- Kennzeichnung der Stähle nach den mechanischen Eigenschaften und dem
Verwendungszweck
o Hauptsymbol nach Tabelle (S = Baustahl, P= Druckbehälterbau; E=Maschinenbaustahl
B = Betonstahl) + nnn (Mindest-Streckgrenze ) + Zusatzsymbol + Zusatzsymbol
• S355J2G3: S= allg. Baustahl, 355: Streckgrenze in N/mm 2 ; J2:
Kerbschlagarbeit 27J bei .20°C; G3:weitere besondere Merkmale
- Kennzeichnung von Nichteisen (NE)-Metallen:
o Chem. Symbol e für Grundmetalle; Legierungselemente geordnet nach
abnehmenden gehalten:
• AlZn 4,5 Mg 1: Al-Legierung mit 4,5% Zink und 1% Magnesium
- Werkstoffkennzeichnung durch Werkstoffnummern
o 1. Ziffer für Werkstoff-Hauptgruppe nach Tabelle
o 4-ziffrige Sorten Nummer (1. + 2. Geben chem. Zusammensetzung an; 3.+4. Reine
Zählnummer)
o 2 ziffrige Anhängezahl (nach Tabelle)
Im Maschinenbau übliche Stähle
- Unlegierte Stähle, legierte, hochlegierte Stähle, s.o.
- Unlegierte:
o Qualitätsstähle mit D,P: Stähle mit besonderen Anforderungen zur Kaltverformung
etc
• P 355 JRG2
• DC04 Karosserie
o Feinbleche aus weichem, unlegierten Stahl
• Bezeichnungen von Fe P 01 bis Fe P 06
Bezeichnung
St12 /Fe P 01 / DC01 270…410 280
St13 / Fe P 03 / DC03 270…370 240
St14 / FeP 04 / DC94 270…350 210
D= Blech aus weichem unlegierten Stahl
C = kaltgewalzt 01 bis 06: Stahlsorte mit zunehmender Tiefziehfähigkeit
ZE= elektrolytisch verzinkt
A= kaltgewalzte Oberfläche
B= beste Oberfläche
Bsp: BH-Stahle (Bake hardening): große Beulenfestigkeit da Festigkeit erst
durch Einbrennlackieren der Teile stattfindet
• Für dynamische hochbelastete Bauteile: Dualphasenstähle mit 75-90% Ferrit
(dadurch gute Verformbarkeit) und 5-20% Martensit (dadurch gute
Festigkeit)
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Werkstofftechnologie I
WTI
• Für höchstbeanspruchte Teile: Complexphasenstähle CP800
• In erprobung: TRIP-Stähle: (Transform induced plasticity): Gefügen aus ferrit,
martensit und metastabilen Austenit; verformungsinduzierte
Phasenumwandlung bewirkt Verfestigung (Verfestigung durch
Umformprozess)
• Für schwierig umformbare Teile: IF (Interstitial free): C-Gehalt auf 0,005%
reduziert
• Tailored Blanks: quetschnaht oder lasergeschweißte Bleche unterschiedlicher
Dicken; fertigungsoptimierte Halbzeuge; weisen nach dem Umformen
notwendige Verstärkung an hochbelasteten Stellen auf
- Schweißgeeignete wasservergütete oder thermomechanisch gewalzte Stähle
o Die Anforderungen an Stähle sind hier besonders für den Kranbau und fahrzeugbau
relevant; gute Zähigkeit bei hoher Festigkeit, Schweißbarkeit
o Schweißbar bei ; feinabgestimmte Legierungselemente;
Mikrolegierungselemente Ti und V
o Wasservergütet: Gefüge der unteren Zwischenstufe mit günstiger festigkeits- /
Zähigkeitskombination
o Oder thermomechanisch gewalzt (s.o.)
o Bsp: S690QL: S: baustahl; 690 = ; Q= wasserabgeschreckt; L= kaltzäh
Legierte Stähle
(gewährleistete Kerbschlagarbeit bei tiefer Temp)
- Niedriglegierte Stähle (
o Häufige legierungselemente: Cr, Ni, Mo, W, V, Mn; werden eingesetzt um die
festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften zu beeinflussen
- Niedriglegierte Kesselstähle:
o Anforderungen: hohe warmstreckgrenze; DVM-Kriechgrenze; gute
Zeitstandfestigkeit; gute zeitdehngrenze; schweißbarkeit; Eigenschaften müssen bis
650°C gewährleistet werdern
o Erfüllen der Anforderungen durch kabidbildende Legierungselemente Mo, V, W da
feine Karbide die Gleitversetzungen behindern und somit eine erhöhte
Anlassbeständigkeit gewährleistet wird
- Vergütungsstähle
o Anforderungen: gleichmäßige hohe Festigkeit im gesamten bauteilquerschnitt bei
hinreichend guter Zähigkeit
o Erfüllen der Anforderungen durch: Vergütungsgefügen; C-Gehalt ; diverse
legierungsgehälte; Anlasstemperatur nach dem Härten (Vergütungstemperatur)
Variation der Festigkeit und Zähigkeit durch Variation von Legierungsgehalt und
Vergütungstemperatur
- Federstähle
o Anforderugen: hohe Streckgrenze und hohe Zugfestigkeit
o Erfüllen der Anforderungen durch relativ gerine Anlasstemperaturen nach Härten bei
280°C
- Werkzeugstähle
o Anfoderungen: hoher Verschleißwiederstand; Anlassbeständigkeit; Schneidhaltigkeit;
hohe Zerspanleistung
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WTI
o
o
Werkstofftechnologie I
Erfüllen der Anforderung durch hohe Karbidgehalt; hohen C-Gehalt (durch Zemetit
oder durch karbide von Legierungselemente wie Cr)
Bsp:
• Für Werkzeuge mit Arbeitstemperaturen unter 200°C: Kaltarbeitsstähle
Unlegiert: C130: Messer
Niedriglegiert: 90MnV
Hochlegiert: X 40 Cr 13
• Für Werkzeuge mit hoher Schnittgeschwindigkeit: Schnellarbeitsstähle
Anforderung: hoher Verschleißwiderstand
Erfüllen durch hohen karbidgehalt; hohe W und Mo Gehalte; hohe C-
gehalt
Dadurch: 64-66HRC; sehr hoher Verschleißwiderstand; Durch Menge
und Härte der Karbide als Schneidstoff auch bei hoher Temperatur
bestimmt
Üblich sind: W-Grundlage oder W-Mo-Grundlage oder Mo-Grundlage
(Bezeichnung HS W-Mo-V-Co (s.o.))
• Für Werkzeuge mit hohen Arbeitstemperaturen: Warmarbeitsstähle
Anforderung: gute Anlassbeständigkeit; hohe Warmfestigkeit; hoher
Verschleißwiderstand; Zähigkeit für Robustheit
Erfüllen der Anforderungen durch: hohe krbidgehalte der Elemente
W, Mo, Cr,V; 0,3%C (also weniger als bei Schnellareitsstählen)
Hochlegierte Stähle
- Stähle mit hohen Gehalten von Cr, Ni, Mo, Co, Nb, W, Mn
- Legierungen dienen der Verbesserung der
o Festigkeitseigenschaften
o Rost und Säurebeständigkeit
o Zähigkeit bei Tieftemperatur
o Elektrischen und magnetischen Eigenschaften
- Bezeichnung:
o s.o. : X 5 CrNi 18 10
• X: hochlegiert ; 5: 0,05%C; 18% Cr, 10% Ni
- Auswirkung der Legierungselemente:
o Ferritstabilisierende Elemente: Cr, Al, Mo, Nb, P, Si, Ta, Ti, V, W bei kleinem C-Gehalt
und hohem Legierungsgehalt: hochlegierte ferritische Stähle
• Ferritbildung kommt durch „Einschnürung“ des - Gebietes zu Stande. Durch
diese Zulegierung wird bei Abkühlung nur in Ferrit (krz) geformt
• Dies erhöht die Festigkeit; verringert aber die Zähigkeit. Außerdem ist die
Härtbarkeit nicht mehr gegeben
• Ferritbildende Elemente nennt man auch Cr-Äquivalent
o Austenitstabilisierende Elemente: Ni, Cu, Co, Mn, C, N: bei kleinem C-gehalt und
hohem Legierungsgehalt: hochlegierte austenitische Stähle
• Austenitbildung kommt durch erweitertes - Gebiet zu Stande, wo bis zur
Abkühlung hauptsächlich Austenit (kfz) geformt wird
• Dies erhöht die Zähigkeit, verringert aber die Festigkeit
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30

WTI
o
Werkstofftechnologie I
Durch Kombination von diversen Legierungselementen kann man die Passivierungsund
Korrosionseigenschaften verändern
Bsp: Rost und Zunderbeständige ferritische Stähle:
- Anforderungen: Beständigkeit gegen Rost; Beständigkeit gegen Verzundern bei hohen
Temperaturen; Schweißbarkeit
- Erfüllen durch: Passivschicht, wenn dünn, dicht, festhaftend --- Nichtrostend; Al-
Si-Gehalte erhöhen die Zunderbeständigkeit
- Folgen für die Härtbarkeit:
o Geringer C-Gehalt: Ab 13% Cr umwandlungsfrei ferritisch somit nicht härtbar
o Höherer C-Gehalt: Auch bei Cr 13% noch härtbar
Bsp: Rost und Säurebeständige austenitische Stähle:
- Anforderungen: Beständigkeit gegen abtragende Korrosion und interkristalline Korrosion;
Schweißbarkeit
- Erfüllen durch: Passivschicht, wenn Cr 12%; Austenit durch hohen Ni-Gehalt; Mo-Gehalt für
Korrosionsbeständigkeit
- Vermeiden von Cr-Karbidbildung durch
o C-Gehalt 0,1% und Abbinden von C durch Ti, Nb
o Extrem kleinen C-Gehalt:
• Es kommt dann zur Karbidbildung, da Cr eine hohe C-affinität hat. Dadurch
bilden sich Cr-Carbide an den Korngrenzen wodurch interkristalline Korrosion
gefördert wird. Dadurch verarmt die Legierung an Cr, da Cr ausdiffundiert. Ist
zu wenig Cr vorhanden ist der Rostschutz nicht mehr gegeben!
- Je nach Verhältnis der Gehälter an
o Cr (ferritbildend)
o Ni (austenitbildend)
Besteht das gefüge aus
o Austenit
o Austenit mit geringen Ferritghelten (metastabile CrNi-Stähle)
o Austenit und Ferrit in gleichen Anteilen (Duplex-Stähle)
- Günstige Eigenschaften, die metastabile Stähle auszeichnen:
o Verformbarkeit, Verfestigungsfähigkeit, kaltzäh, Zunderbeständigkeit
• Die gute Kaltzähigkeit (also große Kerbschlagarbeit) hängt vom kfz-Gitter ab.
Diese haben eine nahezu konstante Energieaufnahme unabhängig von der
temperatur. Krz-Stähle hingegen haben bei niedrigen Temperaturen eine
geringere Kerbschlagarbeit
- Günstige Eigenschaften, die Duplex-Stähle auszeichnen:
o Ca. gleiche Anteile an Ferrit (Festigkeit) und Austenit (Zähigkeit)
o Sehr gute Korrosionsbeständigkeit auch bei Salzen!
o Besonders zur Vermeidung interkristalliner Korrosionen
- Stähle mit einstellbarer Wärmedehnung
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31

WTI
o
Werkstofftechnologie I
Fe-Ni-Legierungen: Stähle haben eine Ausdehung bei diversen Temperaturen. Damit
sie dies nicht mehr haben, kann man z.B. 36% Ni zulegieren um fast keine Dehnung
mehr zu erhalten
Stahlguss
- In Formen vergossener Stahl
- Wärmebehandlung wie bei Stahl
- Erfüllt besondere Anforderungen (hohe Festigkeit, gute Zähigkeit, gut Verformbar…)
- Ungünstig: hohe Gießtemperatur, Schwindmaß, Eigenspannungen, Widmannstättengefüge
- Stahlguss GS:
o Unlegiert: Zusammensetzung, festigkeit und Zähigkeit sind mit denen warmgewalzter
Stähle zu vergleichen
o Legiert: Legierungselemente Mo, V,W für erhöhte warmfestigkeit
Nichteisen Metalle
- Unterscheidung in
o Leichtmetalle: Aluminium, Titan, Magnesium
o Schwermetalle: Kupfer, Nickel, Zink, Hartmetalle
- Allgemein ist zu beobachten:
o Die Steifigkeit ist mit der Festigkeit gekoppelt mit dem E-Modul.
o
o
Über Legierungen kann man nicht die Steifigkeit des Aluminium erhöhen!
Die Steifigkeit von Al und Mg ist schlechter als bei stahl, da ein geringeres E-modul
vorliegt
Vergleicht man die Kragbalkenbiegung von Stahl, Ti, Al und Mn, so stellt man fest,
dass bei gleicher Belastung die Durchbiegung umgekehrt proportional zum E-Modul
ist. Dies muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden. Z.B. kann man bei
Aluminium die Struktur verschachteln und somit die Höhe vergrößern, da diese mit
3-facher Potenz in das trägheitsmoment einfließt!
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WTI
Aluminium
Werkstofftechnologie I
- Aluminium liegt auf der Erde nur in Verbindungen vor. E-Modul: 72000 N/mm^2
- Gewinnung von Al durch Elektrolyse des Bauxit ( ) wird zu weißer Tonerde getrocknet
und dann in Kryolith zur Erleichterung des Schmelzens gelöst. Dann elektrolytische
Ausscheidung an Kathode
- Der Energiebedarf bei der Erzeugung ist sehr hoch (194 GJ/t) während das Recycling mit nur
19,5 GJ/t günstiger ist
- Mit dem Reinheitsgrad nimmt die Festigkeit ab, aber die Beständigkeit zu
- Aluminium ist ein unedles Metall. Die Beständigkeit gegenüber viele Korrosionsmedien liegt
in der Oberflächen-Oxidschicht! Verunreinigungen stören diese Schicht (s.Lokalelement etc).
Verstärkung der Schicht durch anodische Oxidation (Eloxieren)
- Man unterscheidet verschiedene Aluminiumlegierungen:
o Nach Verarbeitungsart:
• Knetlegierungen (insbesondere fürs Strangpressen: AlMn, AlMg3…)
• Gusslegierungen
o Je nachdem ob eine Wärmebehandlung möglich ist, wird unterschieden zwischen
• Nicht aushärtbare, naturharten Legierungen
o
Nicht für Außenhauten geeignet, da Bildung von Lüderslinien!
• Aushärtbaren Legierungen
3-Stufige-Wärmebehandlung:
Lösungsglühen: um 500°C für gleichmäßige Verteilung und
vollständige Lösung der Legierungselemente im MK
Abschrecken: an Luft / durch Wasser, dadurch einfrieren des
Lösungszustandes, übersättigter MK
Auslagern:
o Warmauslagern: ca. 120-170°C Ausscheidungen außerhalb
MK zur Festigkeitssteigerung durch Verspannungen im Al-
Gitter
o Kaltauslagern: ca 60°C Entmischungen im MK
Insbesondere z.B. AlMgSi zum Härten, dabei keine Lüderslinien!
Z.B. AlZnMg für sehr hohe Festigkeit
Bezeichung nach Werkstoffnummern: AA 5xxx für naturhart; AA6xxx
für auslagerungsgehärtet (AA=Aluminium Alloy)
Bei Gusslegierungen ist natürlich die wichtigste Anforderung die Giessbarkeit
• Häufig verwendet man dabei AlSi-Legierungen die iner Nähe der
eutektischen Zusammensetzung liegen. Dadurch wird eine direkte Erstarrung
ohne große Verhältnisunterschiede zwischen Schmelze und MK bei relativ
niedriger Temperatur erreicht.
• Die Nomenklatur bezeichnet Aluminium-Gusslegierungen mit z.B. G-AlSi12
(12%Si)
• Durch den Druckguss entstehen Integralbauteile komplexer Strukturen.
Diese zeichnen sich durch eine geringe Bruchdehnung, geringe
Energieaufnahme aus und bieten somit keine Crash-Festigkeit.
• Deshalb gibt es s.g. duktile Al-Druckgusslegierungen, die eine Bruchdehnung
A bis 20% haben (z.B. Silafont oder Magsimal Legierungen). Diese
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WTI
Werkstofftechnologie I
Legierungen zeichnen sich idR durch einen geringeren Si-Anteil und höheren
Mn-Anteil aus!
• Des Weiteren ist zu beochachten, dass die Dehnung nach dem Vergießen
einer Legierung um nahezu die Hälfte des Ursprungswertes vor dem
Vergießen abnimmt
• Beispiel für Anwendung von Al-Druckguss: Audi A8 Druckgussknoten / Space-
Frame-Technology
- Das Problem beim Schweißen von Legierungen besteht darin, dass an diesen Stellen das
Material erhitzt wird und dadurch (s. Wärmebehandlung) höhere Verspannungen entstehen
o Deshalb gibt es ein neues Verfahren zur Zusammensetzung von Al-Platten: Clinchen
• Hierbei werden zwei aufliegende Al-Platten mit einer Matrix und einem
Stempel zusammengedrückt, wodurch hohe Zugkräfte in Längsrichtung
ausgehalten werden können!
o Ein anderes Verfahren zum Fügen von zwei Aluminium-Blechen ist das s.g.
Stanznieten
- Der aktuelle Trend geht dahin, Aluminium-Verbundwerkstoffe zu erstellen.
o Dispersionshärtende Verbundwerkstoffe
• Dispers eingebrachte oder durch chem. Reaktion eingebrachte Teilchen, die
die Al-Matrix verstärken(MMC= Metal Matrix Compound). (Dotieren).
• Dadurch zusätzliche Ausscheidungshärtung möglich
o Faserverbundwerkstoffe
• Einbringen von Kohlefasern in die Gussform und dadurch Ausnutzung des E-
Moduls von Kohlefaser in Belastungsrichtung (Bsp: Pleuel)
- Allgemein sollte beim Leichtbau unterschieden werden, dass nicht nur die reine Ersetzung
von Stahl durch Leichtmetalle gemeint ist, sondern
o Stofflicher Leichtbau (andere Materialien als Eisen)
o Konstruktiver Leichtbau (Nachteile von Al durch Konstruktion ausgleichen)
o Fertigungsbasierter Leichtbau (enabling technology)
o Konzept-Leichtbau
• Insbesondere Multi-Material-Design, wie Kunststoffe und Eisen etc
Magnesium- und Titan
- Magnesium: Dichte: 1,74 g/cm 3 , E-Modul: 44000N/mm 2 , Schmelzpunkt: 649°C, hexagonal
- Titan: Dichte: 4,51g/cm 3 , E-Modul: 106000N/mm 2 , Schmelzpunkt: 1670°C, hexagonal (ab
882°C krz)
- Gebräuchlichste Magnesium-Legierungen sind Mg-Al, Mg-Zn und Mg-Al-Zn
o Je größer der Al und Zn-Anteil, desto fester die Legierung
o Maximal jedoch 10%Al einsetzbar und 1% Zn, da dann Heissrissneigung!
o Benennung nach US-Normen: AZ91: Mg-Legierung mit 9% Al und 1% Zn
- Beispiele zum Einsatz von Mg: Getriebegehäuse, Sitzteile, felgen etc! Jedoch aufgrund von
geringer Korrosionsbeständigkeit akiv zu schützen!
- Mg-Legierungen gießbar: G-MgAl9Zn1: Sandguss; GK-MgAl9Zn1. Kokillenguss, GD-MgAl9Zn1:
Druckguss. Dabei insbesondere bei Druckguss verschiedene Zugfestigkeiten und
Bruchdehnungen!
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WTI
Werkstofftechnologie I
- TITAN: besonders gut nutzbar da günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Dichte, sehr guter
Korrosionsbeständigkeit aber hoher Preis!
o Titan wird insbesondere im chemischen Anlagebau aufgrund der Säurebeständigkeit
eingesetzt
o Legierungen treten mit verschiedenen Gitteranordnungen auf:
• Hexagonal (TiAl 5 Sn 2)
• KRZ (TiV 13 Cr 11 Al 3)
• Mischgefüge: TiAl 6 V 4
o Warmumformen ist in Form von Schmieden, Pressen, Walzen bei 700 bis 100°C
möglich, kaltumformen so gut wie gar nicht!
o Warmausgehärtete Ti-Leg. Besitzen Festigkeiten vergleichbar mit gehärteten
Stählen: (um 890 N/mm 2 ), auch bei hohen Temperaturen!
o Trend: Titanaluminide als hochtemperatur-Werkstoff!
Schwermetalle und Hartmetalle
- Schwermetalle: Kupfer, Nickel, Zink
o CU:
• Besonders für maritime Anwendungen da sehr korrosionsbeständig gegen
Seewasser!
• Gewinnung von Kupfer nach reduzierendem Schmelzen, da Cu meistens in
schwefelhaltigen Erzen vorliegt.
• Wichtige Legierungen sind
o
Ni:
CuZn: Messing
CuSn: Zonnbronze
CuAl: Aluminiumbronze
CuNi: Neusilber
CuBe: aushärtbar
• Sehr gut elektrisch leitfähig und wärmeleitfähig – dadurch schwer
schweißbar
• Besonders für Bauteile höchster Warmfestigkeit durch NiCrFe-Leg oder
ultrahoher Korrosionsbeständigkeit: NiCrMo-Leg
• Gewinnung von Nickel durch Rösten und anschließendes reduzierendes
Schmelzen da Vorkommen in schwefelhaltigen Erzen
• Ni: ferromagnetisch, hohe Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit
• Niedriglegierte Nickellegierungen: NiMn 3 Al
• Monel: Nickel-Kupfer-Legierungen: 15-40% Kupfer für Armaturen Pumpen
etc
• Nimonic: Nickel-Chrom-Legierungen: 18-21% Chrom, bis 5% Fe, 23% Co für
Brennelemente etc
• Inconel: Nickel-Chrom-Eisen-legieungen: 14-17% Chrom, bis 10% Eisen
insbesondere für Turbinenschaufeln und Superlegierungen (hochwarmfest)
• Hastelloy: Nickel-Molybdän / Nickel-Chrom-Molybdän: 14-18% Chrom, bis
18% Molybdän, sehr beständig gegen Loch, Spalt und
Spannungsrisskorrosion bei Einspritzdüsen, Wärmetauschern etc
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WTI
Werkstofftechnologie I
- Hartmetalle:
o Werkstoff für Werkzeuge bei sehr hohen Anforderungen und hohen Standzeiten
o Wolfram-Carbid-Legierungen für spangebende Formung
o Herstellung durch pulvermetallurgische Vorgänge (Heißpressen in Autoklaven)
o Hartmetallschneideplatten aus TiC, TiCN, HfN
o Hohe Härte (Wolframcarbide) aber spröde – keine Robustheit (sofortiger Bruch, kein
Rp02 oder Lüdersbereich im Spannungs-Dehnungs-Diagramm)
o Für Robustheit zB Cobald (duktil) hinzulegieren zum MMC
Polymerwerkstoffe
- Allgemein unterscheidet man Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere
Vertreter
Thermoplaste Elastomere Duromere
Amorph
Teilkristallin
Polyvinylchlorid (PVC) Polyethylen Styrol- Epoxyharze
Polycarbonat (PC) (PE)
Butadien- (EP)
Polymethylmethacylat Polypropylen Kautschuk
(PMMA)
(PP)
(SBR)
Polyamid (PA)
Tritt ein bei T Tritt ein bei Vor und
während der
Härtung
Plastische
verformung
Vor und
während der
Vernetzung
Verformung Reversibel Reversibel Irreversibel Irreversibel
Makromoleküle Linear / verzweigt Linear oder
schwach
verzweigt
Weitmaschig
vernetzt
Engmaschig
vernetzt
- Thermoplaste gehen bei erwärmung in einen breiigen Zustand über und unterhalb der
Zersetzungstemperatur reversibel
- Duroplaste härten hingegen nach Durchlaufen des plastischen Bereiches aus und können
nicht wieder zurückgeformt werden
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WTI
Werkstofftechnologie I
- Herstellung der Polymerwerkstoffe basierend auf den Verfahren
o Radikalische Polymerisation
• Als Ausgangsstoff dient eine C=C-Doppelbindung an beiden Enden des
Monomers.
• Damit die Reaktion jedoch beginnt, muss ein Radikal vorliegen.
• Dann wird die C=C-Doppelbindung aufgespalten.
• Es entsteht eine C-C-Einfachbindung und zwei freie Elektronen. Eins der
freien Elektronen kann nun noch eine Verbindung zu einem weiteren
Monomer aufbauen.
• An diesem wird ebenfalls eine Doppelbindung aufgespalten, sodass zwei
Elektronen frei werden. Eins bildet die C-C-Einfachbindung zum anderen
Monomer, das andere sorgt als Radikal für die Fortführung der Reaktion.
• So können langkettige Polymere entstehen, die auf Polymerisate genannt
werden.
• Bei der Polymerisation entstehen vor allem langlkettige Thermoplaste
• Reaktionsgleichung:
- Sonderform: Copolymerisation (chemische Verbindung)
o Die Copolymerisation läuft genauso wie die Polymerisation ab
o Der einzige Unterschied besteht darin, dass nicht immer die selben Monomere
aneinander polymerisiert werden, sondern unterschiedliche Monomere
o Damit ist es möglich dem Kunststoff bestimmt Eigenschaften zu geben
o Man unerscheidet
• Statische Copolymerisate: AABABBABAAA
• Alternierende Copolymerisate: ABABABABABAB
• Block / Segmentpolymerisate: AAAABBBBAAAABBBB
• Pfropf-Copolymerisation: AAAAAAAAAAAAAAAAAA BBB nach unten
- Sonderform: Blends (physikalische Verbindungen)
o Physikalische Mischungen aus verschiedenen Polymeren: Plymer-Blends
o Möglichkeit die eigenschaften dem anwendungsgebiet anzupassen
o Besonders für gute Schlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen
- Polykondensation
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Werkstofftechnologie I
WTI
• Ausgangsstoffe sind Monomere mit zwei funktionellen Gruppen, geeignet
sind:
Hydroxlgruppen
Carboxylgruppe
Aminogruppen
• Die Monomere reagieren an den funktionellen Gruppen unter Abspaltung
eines niedermolekularen Moleküls, z.B. Wasser
• Zunächst bilden sich Dimere, dann Polykondensate
• Bei der Polykondensation entstehen aus bifunktionellen Monomeren
(Monomere mit zwei funktionellen Gruppen) thermoplastische Kunstoffe,
bei trifunktinellen Monomeren(Monomer mit drei funktionellen Gruppen)
hingegen duroplastische Kunststoffe.
• Reaktionsgleichung:
- Polyaddition
• Ähnlich wie bei der Polykondensation sind Monomere mit Funktionellen
Gruppen notwendig.
• Jedoch braucht man für die Addition funktionelle Gruppen mit
Doppelbindungen, die dann aufgelöst werden können, sodass eine
Verbindung zwischen beiden entsteht
• Es werden jedoch weder andere Stoffe frei (Polykondensation) noch wird ein
Radikal als Start benötigt(Polymerisation)
• Bei der Polyaddition entstehen aus bifunktionellen Monomeren (Monomere
mit zwei funktionellen Gruppen) thermoplastische Kunstoffe, bei
trifunktinellen Monomeren(Monomer mit drei funktionellen Gruppen)
hingegen duroplastische Kunststoffe
• Die Polymere werden nach der Polyaddition auch Polyaddukte genannt
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Werkstofftechnologie I
WTI
• Reaktionsgleichung:
• Polyaddition bietet die Möglichkeit bei verschiedenen Temperaturen
verschiedene Vernetzungen hervorzurufen
- Determinieren des inneren Aufbaus von Polymerwerkstoffen
o Bei Verarbeitungsverfahren wie dem Extrudieren werden bereits die molekülketten
ausgerichtet und die Eigenschaften bestimmt
o Eine extreme Ausrichtung erhält man durch das Recken (Verstrecken) von
Kuststoffen nach der Herstellung
• Bei amorphen knapp über Glastemp
• Bei teilkristallinen unter Kristallschmelztemp
o Durch eine Längung der fasern um das 8 bis 10-fache wird die Zugfestigkeit stark
gesteigert. Dadurch aber auch Anisotropie der Eigenschaft (Richtungsabhängigkeit)
- Aufbau
o
Elastomere bestehen aus mehreren linearen Fadenmolekülen
• Kunststoffe, die sich unter Druck oder Zug verformen lassen, dann jedoch
wieder in ihre ursprüngliche Form zurückformen.
• Aufgebaut aus langkettigen Polymeren, die an einigen Stellen über
Elektronenpaarbindungen verbunden sind. (jedoch nicht so engmaschig wie
beim Duroplasten)
• Bei tiefer Temperatur sind Elastomere eher starr und spröde, da sie für die
Ausdehnung thermische Energie benötigen.
• Bei Wärmezufuhr nimmt ihr Dehnungsvermögen zu, solange die
Zersetzungstemperatur nicht überschritten wird.
• Struktur:
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WTI
o
Werkstofftechnologie I
Thermoplaste sind z.B. durch schwefelatome miteinander vernetzt. Der
Zusammenhalt findet über sekundäre Bindekräfte statt
• Kunststoffe, die durch Erwärmung in den Flüssigen Zustand übergehen und
dann beliebig verformt werden können. Bei Abkühlung nehmen sie wieder
eine feste Form an.
• Der Vorrang ist reversibel, kann also unendlich oft wiederholt werden,
solange eine Temperatur von 250°C nicht überschritten wird thermische
Zersetzung
• Aufgebaut aus langkettigen Kohlewasserstoffen, ohne oder nur sehr wenigen
Verzweigungen. Intermolekulare Kräfte sind VAN der WAALS-Bindungen
• Verarbeitung im Spritzgießverfahren und Druckluft, z.B. zur PET-
Flaschenherstellung
• Struktur:
o
Duroplaste besitzen teilkristalline Strukturen wodurch sie sehr spröder aber auch
hart werden. Die Verbindung findet über primäre Bindungen (Hauptvalenzen) statt
• Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung nicht wieder verformt werden
können (Nur noch mechanische Verarbeitung)
• Bei Erwärmung, gehen duroplastische Kunststoffe kaputt, da ihre
Schmelztemperatur über der Zersetzungstemperatut liegt
• Aufgebaut aus engmaschig vernetzten Polymeren, die über
Elektronenpaarbindungen miteinander verbunden sind.
• Herstellung oft durch Polykondensation
• Struktur:
- man unterscheidet allgemein wie oben gesehen Hauptvalenzen und Nebenvalenzen
o Hauptvalenzen sind primäre Bundungskräfte innerhalb des Fadenmoleküls wie
Elektronenpaarbindung, Ionenbindung
o Nebenvalenzen sind sekundäre Kräfte zwischen den Molekülen
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WTI
Werkstofftechnologie I
- Zeichnet man einmal die Zugfestigkeit sowie die Dehnung bei verschiedenen
Temperaturen auf, so erhält man
o Bei einem amorphen Thermoplast
• Fes t(Energieelastisch): geeigneter Bereich zum Spanen! Die Zugfestigkeit
sinkt, die Dehnung steigt mit der Temperatur. Der Thermoplast ist in seiner
Struktur eingefroren (Glaszustand)
• Glasübergangszustand (ET): Erweichen bei Erwärmung, Einfrieren des
Glaszustandes bei Abkühlung. Molekülteile beginnen zu schwingen: Mikro-
Brown’sche Bewegung. Keine Formgebung möglich
• Thermoelastischer Bereich (entropieleastisch): vollkommene Mikro-
Brown’sche Bewegung; Fadenmoleküle in sich beweglich aber an
Haftpunkten zusammen; geeignet zum Umformen
• Fließtemperatur (FT): Makro-Brown’sche Bewegung: haftstellen lösen sich;
Keine Spannung oder Dehnung mehr verfügbar, quasi-liquide
• Thermoplastischer Bereich: Werkstoff ist spritzflüssig, geeignet zum
Urformen
• Zersetzungstemperatur: Kettenabbau bei hohen Temperaturen und
Werkstoff wird zerstört
o Bei einem teilkristallinen Thermoplast
• Der Werkstoff besitzt teilkristalline Bereiche, dazwischen amorph.
Gekennzeichnet durch schnelle Verflüssigung
• Fest: eingefrorener Zustand; hier besonders spröde
• Glasübergangstemperatur (ET) und formstandfest: amorphe Bereiche
werden viskos, teilkristalline bereiche noch fest, dadurch Festigkeitsabfall bei
steigender Temperatur gebremst; Bleibt nahezu fest bis Kristallschmelztemp
erreicht. Somit einsetzbar oberhalb Glasübergangstemperatur
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WTI
o
Werkstofftechnologie I
• Kristallschmelzung (KT): kristalle schmelzen auf, nahezu flüssig, extreme
Abnahme der Zugfestigkeit und Zunahme der Dehnung
• Fließtemperatur (FT): Moleküle frei beweglich, Makro-Bown’sche Bewegung
• Thermoplastischer Bereich: Werkstoff teigig vis zählflüssig, gut zum
Schweißen, Spritzen (Urformen)
• Zersetzungstemperatur (ZT): Ab hier werden die Ketten zerstört
Duroplast
• Fest: Glaszustand bleibt bis Zersetzungstemperatur erhalten; Schmelzen und
fließen nicht möglich; zersetzung nahezu übergangslos
- Allgemeine Beobachtungen
o Je höher die Temperatur, bei der die Beanspruchung statt findet, desto geringer die
ertragene Zugfestigkeit
o Gebrauchstemperatur von Polymerwerkstoffen sind sehr viel geringer als es z.B. bei
Stahl der Fall ist, da bei niedrigeren Temperaturen die Dehnung stark zunimmt und
die Zugfestigkeit stark sinkt
o Je höher der Polymerisationsgrad, desto höher die Zugfestigkeit, da größere
Kohäsionsflächen. Aber Grenzzunahme abnehmend
- Beispiele für Polymerwerkstoffe (einige können)
o Polymerisate (Thermoplaste oder Elastomere)
• Polyvinylester (Polyvinylchlorid PVC, Polyoximethylen POM)
• Fluor-Polymerisate (Polytretrafluorethylen PTFE Teflon, Hexafluorpropylen)
o Polykondensate (Thermoplaste oder Duroplaste)
• Thermoplaste (Polyamide PA, Polycarbonate PC, Polyester UP,
Polyethylenterephtalat PET)
• Duromere (Phenoplaste PF, Aminoplaste, Silikone SI)
o Polyaddukte (Thermoplaste, Duroplaste)
• Thermoplaste (Polyurethan (PUR))
• Duroplaste (Epoxidharze)
- Damit spröde Harze (Duroplaste) und Thermoplaste (Plasten) weicher werden, können
diesen Weichmacher hinzugemischt werden. Man unterscheidet dabei
o Innere Weichmacher: Mischpolymerisation aus weichen und harten Komponenten
o Äußere Weichmacher: bis zu 40%, Verknüpfung über Dipol-Wechselwirkungen;
niedermolekulare Stoffe mit Verwandtschaft zu Hochpolymer; Erweichung durch
Verhinderung weiterer Verzweigung
- Um das Volumen eines Polymers zu erhöhen ohne die Eigenschaften wesentlich zu
verändern, können zusätztlich Füllstoffe eingebracht werden: Kaolin, Carbonate, Silikate,
Ruß. Die Feineinstellung von Eigenschaften kann hierdurch vorgenommen werden
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WTI
Werkstofftechnologie I
- Antistatika sind weitere Stoffe, die einem Polymerwerkstoff hinzugegeben wird, um den
Oberflächenwiderstand zu verringern sowie die Ableitung von Oberflächenladungen zu
beschleunigen!
- Eine weitere Möglichkeit zur Verfestigung von Kunststoffen ist das Durchsetzen von
Kunststoffen mit Kunstfasern. Dabei werden hochfeste Fasern wie Aramid, Kohlenstoff oder
Glasfasern in das Material gelegt und dann mit Kunststoff umschlossen
o Je nach Einlegeart isotrope oder anisotrope Verhaltensweise
o Unterschiedliche Fasereinlegeart: Gewebe: Überkreuzung der Fasern, anisotrop;
Gelege: Pro Schicht die Faser nur in eine Richtung. Nachteil: Schwerer
• Gelege besitzt somit bessere Eigenschaften durch gestreckte Fasern
- Die Vorteile von Faserverbundwerkstoffen sind
o Anisotrope Werkstoffeigenschaft
o Hohes Leichtbaupotential
o Hoher E-Modul in Faserrichtung
o Gute physikalische Eigenschaften
o Design- und Gestaltungsfreiheit
o Integration funktioneller Elemente im Herstellungsprozess
o Kombination verschiedener Wekstoffe und Fasernaufbauten
Übersicht
Kunststoff Vernetzung Erweichung Löslichkeit Verarbeitung Vertreter
Thermoplaste Amorph
teilkristallin
Unvernetzt schmelzbar Leicht
Schwer
Extrusion,
Spritzguss…
PS,PMMA
PP,POM
Elastomere Amorph Leicht Unschmelzbar Unlösilich
aber
quellbar
Vor
Vulkanisierung
NIR, PUR,
kautschuk
Duromere Amoph Stark Unschmelzbar Unlöslich Während
Härtung
UP, EP,
MF
© Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 2009
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