Einf_MaWi_MetalleA - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Universität ...
Einf_MaWi_MetalleA - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Universität ...
Einf_MaWi_MetalleA - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Universität ...
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel<br />
Kennung MW2 im Modul Materialwissenschaft<br />
WS 13/14<br />
B. Sc. "Materialwissenschaft und Werkstofftechnik" (1. Sem):<br />
2 SWS Vorlesungen und 1 SWS Praktikum.<br />
B. Ed. "Berufliche Bildung Fachrichtung Metalltechnik" (1. Sem):<br />
2 SWS Vorlesung und 1 SWS Praktikum.<br />
B. Sc. "Physik" oder "Technische Physik" mit Nebenf. Materialwissenschaft:<br />
2 SWS Vorlesung kein Praktikum.<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
1<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Einteilung der verschiedenen<br />
Studiengänge und Termine<br />
Wichtig: In FlexNow sofort zum Praktikum anmelden!<br />
(außer Physiker)<br />
Praktikum wahlweise im WS oder im SS.<br />
21.10.13 1. Vorlesungstermin:<br />
28.10.13 Praktikumseinführung (siehe Folien 3 und 4)<br />
04.11.13 2. Vorlesungstermin<br />
23.12.13 fällt aus (Weihnachtsferien)<br />
30.12.13 fällt aus (Weihnachtsferien)<br />
06.01.14 fällt aus (Weihnachtsferien)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
2<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Praktikumsversuche<br />
• Zug- und Härteprüfung<br />
• Feinguss<br />
Krieg (Hochmuth)<br />
Fleischmann (Kinzel)<br />
• Metallographie (Probenpräparation, Lichtmikr.)<br />
Scherm (Daoud)<br />
Praktikumsanleitungen unter:<br />
http://www.metalle.uni-bayreuth.de/de/teaching/practical/index.html<br />
Skript unter:<br />
http://www.metalle.uni-bayreuth.de/de/download/teaching_downloads/Vorl_<strong>Einf</strong>_Mawi_Metalle/index.html<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
3<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Einteilung im Praktikum<br />
3 Versuche à ca. 4 Stunden.<br />
Einteilung in Gruppen à 3 (!!) Studenten am 2. Vorlesungstermin<br />
mit einer <strong>Einf</strong>ührung in die Praktikumsversuche.<br />
1. Gut vorbereiten!<br />
2. Praktikum wird benötigt<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
4<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
<strong>Einf</strong>ührung in die<br />
Materialwissenschaft/Metalle<br />
1. Vorstellung des <strong>Lehrstuhl</strong>s <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>, <strong>Einf</strong>ührung in<br />
die Materialwissenschaft/Geschichte<br />
2. <strong>Einf</strong>ührung in Praktikum, Gruppeneinteilung, Zeitplan<br />
3. <strong>Einf</strong>ührung in den Werkstoff Metall<br />
4. Aufbau und Eigenschaften metallischer <strong>Werkstoffe</strong><br />
5. Vom Stoff zum Werkstoff - Herstellungsverfahren<br />
6. Vom Werkstoff zum Bauteil (Urformen, Umformen)<br />
7. Werkstoffbezeichnungen<br />
8. Überblick über Werkstoffprüfung (und -analytik)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
5<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Literatur (nicht vollständig)<br />
• Schmitt-Thomas: Metallkunde für das Maschinenwesen - Band I und II -, Springer,<br />
Berlin; 1990 (je ca. 50 €)<br />
• Haasen: Physikalische Metallkunde, Springer, Berlin; 1984<br />
• Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer, Berlin; 1995<br />
• Schatt, Worch: Werkstoffwissenschaft, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie;1996<br />
• Schumann: Metallographie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie;1991<br />
• Askeland: Materialwissenschaften, Spektrum Lehrbuch; 1994<br />
• Callister: Materials Science and Engineering - An Introduction, Wiley, New York, 1999<br />
• Ilschner: Werkstoffwissenschaften; Springer, Berlin; 1990<br />
• Hull, Bacon: Introduction to Dislocations, Pergamon, Oxford; 1986<br />
• Reed-Hill: Physical Metallurgy Principles,PWS-Kent, Boston; 1973<br />
• Frost, Ashby: Deformation-Mechanism Maps, Pergamon Press, Oxford; 1982<br />
• Kittel: Festkörperphysik, Oldenbourg, München; 1988<br />
• Atkins: Physikalische Chemie, VCH, Weinheim, 1990<br />
• Barrett, Nix, Tetelmann: The Principles of Engineering Materials, Prentice Hall; 1973<br />
• Borchardt-Ott, Kristallographie, Springer; 1997<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
6<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Der Professor:<br />
Prof. Dr.-Ing. habil. Uwe Glatzel<br />
• Jahrgang 1960<br />
• Studium der Physik in Tübingen (Auslandsjahr in<br />
Corvallis, Oregon, USA)<br />
• Promotion am Institut für Metallforschung, TU-Berlin,<br />
Prof. Monika Feller-Kniepmeier<br />
• post-doc (1 Jahr) an der Stanford University<br />
• Habilitation an der TU-Berlin<br />
• Gerhard-Hess Preis der DFG für junge<br />
Nachwuchswissenschaftler<br />
• 1996-2003 Prof. für "<strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>" in Jena<br />
• seit 01.04.2003 in Bayreuth (<strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>)<br />
Kontakt: Raum 1.04.1, Tel.: (0921) 55-5555<br />
Ludwig-Thoma-Str. 36b (IMA) e-mail: uwe.glatzel@uni-bayreuth.de<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
7<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Wo?<br />
Ludwig-Thoma-Str. 36 b<br />
95447 Bayreuth<br />
Industriegebiet Glocke-Süd<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
8<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Der <strong>Lehrstuhl</strong>:<br />
Auswahl an Industrie-<br />
Kooperationspartner<br />
September 2013<br />
Personal:<br />
1-3 post-doc 8-10 Doktoranden<br />
4-5 Techniker 1-2 Azubis (Werkstoffprüfer/Metalltechnik)<br />
1-2 Sekretärin 3-5 Diplomanden (Materialwissenschaft)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
9<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Forschung und Lehre<br />
Lehre<br />
• Vorlesungen (Materialwissenschaft Metalle),<br />
Praktika<br />
• Studienarbeiten/Diplomarbeiten<br />
• Exkursionen<br />
• Auslandsaufenthalte (in beiden Richtungen)<br />
Forschung<br />
• Grundlagenforschung (DFG-Projekte)<br />
• Anwendungorientierte Forschung (BMBF, AVIF/FAT, BFS)<br />
• Auftragsforschung<br />
Technologietransfer<br />
• Beratung von Firmen bei Werkstofffragen<br />
• Prozeßentwicklung in der Lasermaterialbearbeitung<br />
• Schadens- u. Werkstoffanalysen<br />
• Qualitätssicherung u. Qualitätsstandard<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
10<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Exkursionen<br />
http://www.metalle.uni-bayreuth.de/de/news/Exkursionen/index.html<br />
MTU, KraussMaffei, Plansee, Sintec, Tyrolit<br />
05.-07-07.06<br />
ThyssenKrupp, Duisburg, Juni 2004<br />
SKF, Schweinfurt, Juni 2005<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
11<br />
Audi, Ingolstadt, Mai 2007<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Was machen wir in der Forschung?<br />
Arbeitsgruppen am <strong>Lehrstuhl</strong><br />
• Hochtemperaturlegierungen<br />
• Werkstoffprüfung<br />
• Lasermaterialbearbeitung<br />
• Strukturanalyse<br />
• Modellierung und Simulation<br />
• Künstliche Gelenke<br />
"zentral":<br />
Metallographie,<br />
Werkstatt, Sekretariat<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
12<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
"Zentrale" Einrichtungen<br />
Hans Lassner<br />
Bernd Deuerling<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
Metallographie:<br />
Gefügepräparation aller<br />
Werkstoffgruppen, beschichtete Proben,<br />
Präparation für die<br />
Transmissionselektronenmikroskopie.<br />
Werkstatt:<br />
Prüfprobenfertigung aus verschiedenen<br />
<strong>Werkstoffe</strong>n (aus dem Bauteil möglich),<br />
Gerätebetreuung, Fertigen spezieller<br />
Zusatzvorrichtungen.<br />
13<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Hochtemperaturlegierungen<br />
Nickelbasissuperlegierungen, z.B. mit<br />
Motoren- und Turbinen Union (MTU<br />
Aero Engines)<br />
Dr. Rainer Völkl<br />
und ein Reihe weiterer Projekte:<br />
Graduiertenkolleg<br />
LuFo IV-4 mit MTU:<br />
Christian Konrad<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
14<br />
Johannes Strößner<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Nickelbasissuperlegierungen<br />
Einkristalline Nickelbasislegierungen als erste Laufschaufeln<br />
nach der Brennkammer in Flugturbinen.<br />
Fan<br />
Vortrieb<br />
(Titan)<br />
Gastemp.: 1500°C<br />
Werkstoff: 1100°C<br />
20.000 1/min.<br />
Verdichter (Titan)<br />
konst. Spannung<br />
von ca. 80 MPa<br />
(1 PKW/cm 2 )<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
15<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Beispiele Gasturbinen<br />
Anwendung<br />
Gewicht<br />
[kg]<br />
Leistung<br />
[kW]<br />
Durchm.<br />
Scheibe<br />
[m]<br />
Drehzahl<br />
[1/min.]<br />
max.<br />
Verbrauch<br />
[l/h]<br />
Kosten<br />
[T€]<br />
Modellbau<br />
JetCat P120SX<br />
1,4<br />
22<br />
(Schub: 0,13 kN)<br />
0,07 123 000 ~ 23 2,8<br />
Rolls Royce<br />
RR300 für<br />
Helikopter<br />
80 225 0,24 50 000 ~ 100 ?<br />
Engine Alliance<br />
GP 7270 für<br />
Airbus A380<br />
6 700<br />
60 000<br />
(Schub: 370 kN)<br />
1,00 12 000 ~ 3 600 ~ 13 000<br />
stationäre Gasturbine<br />
SGT5-<br />
8000H, Irsching<br />
Wirkungsgrad<br />
> 40%<br />
GuD > 60%<br />
444 000<br />
375 000<br />
(GuD: 570 MW)<br />
~ 4,00 3 000<br />
~ 85 000<br />
schweres<br />
Heizöl<br />
(~ 100 000<br />
m 3 /h Erdgas)<br />
~ 200 000<br />
(Schätzung)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
16<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Große, einkristalline Schaufel<br />
Schaufel für<br />
eine stationäre<br />
Gasturbine<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
17<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Konstruktive und werkstoffbedingte<br />
Steigerung der Temperatur<br />
Temperatur [°C]<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
Polykristall<br />
militärisch<br />
zivil<br />
gerichtete Erstarrung<br />
Materialtemperatur<br />
Einkristall<br />
Gastemperatur<br />
Steigerung durch<br />
verbesserte Kühlung<br />
Temperatursteigerung durch<br />
bessere Materialien<br />
1950 1960 1970 1980 1990 2000<br />
Jahr<br />
Keramik??<br />
Platin?<br />
konstante<br />
Steigerung<br />
5-10°C/Jahr<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
18<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Gefüge<br />
Zweiphasige, einkristalline Nickelbasissuperlegierungen:<br />
kubisch-flächenzentrierte<br />
Matrix<br />
(Nickelmischkristall)<br />
Ni 3 Al => ebenfalls kfz, aber chemisch<br />
geordnete L1 2 , oder ' Phase<br />
Frei von Versetzungen<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
19<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Vor und nach Verformung<br />
Vor der Verformung<br />
Nach der Verformung<br />
bei T = 850°C, = 500 MPa<br />
Längsschnitt, = 1 %<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
Lastachse<br />
20<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Legierungsentwicklung<br />
Erschmelzen der<br />
Legierungen im Lichtbogen,<br />
oder im …<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
21<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
… Vakuuminduktionsofen<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
22<br />
Ernst Fleischmann<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Gruppe<br />
Werkstoffprüfung<br />
Bestimmung von<br />
Materialkenndaten:<br />
Benedikt Albert<br />
Biegefestigkeit, Dr.-Ing. Rainer Völkl<br />
Bruchfestigkeit,<br />
Elastizitätsgrenze,<br />
E-Modul,<br />
Kerbschlagzähigkeit,<br />
Korrosionsbeständigkeit,<br />
Kriechfestigkeit.<br />
Dehngeschwindigkeiten von 10 -10 s -1 bis 10 2 s -1<br />
Temperaturen von RT bis 1400°C.<br />
Christian Hochmuth<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
23<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Zugversuch<br />
Verformung der<br />
Rundprobe mit<br />
konstanter<br />
Geschwindigkeit<br />
bis zum Bruch<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
24<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Hochtemperaturverformung<br />
bis 1400°C<br />
Temperatur und<br />
Last (Kraft) sind<br />
konstant<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
25<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Hochtemperaturverformung<br />
bis zum Schmelzpunkt<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
26<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Lasermetallurgie<br />
• Laserschweißen<br />
• Laserlöten<br />
• Oberflächenbearbeitung<br />
mittels Laser<br />
Florian<br />
Scherm<br />
DFG, AVIF/FAT und diverse Industrieprojekte<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
27<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Laserschweißlöten<br />
AVIF-Projekt:<br />
Hybridmischbauweise,<br />
insbesondere<br />
Schweiß/Lötverbindung<br />
von Aluminium mit Stahl<br />
Titan schweißen möglich<br />
www.audi.com<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
Promotionen: Jean Pierre Bergmann,<br />
Holger Laukant, Elisa Guimaraens<br />
28<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Strukturanalyse<br />
• Rasterelektronenmikroskop mit Focused Ion Beam (Feb. 2005)<br />
• Transmissionselektronenmikroskop (Jan. 2006)<br />
Röntgendiffraktometer<br />
Thermische Analyse<br />
(DTA, DSC, TG,<br />
Dilatometer, Laser-Flash)<br />
Gutachten<br />
gebrochenes<br />
Knieimplantat<br />
Dr.-Ing. Rainer Völkl<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
29<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Strukturanalyse<br />
Rasterelektronenmikroskop mit Focused Ion Beam, ZEISS 1540 XB<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
30<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Strukturanalyse<br />
Transmissionselektronenmikroskop<br />
ZEISS Libra 200 FE<br />
Christian Hochmuth<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
31<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Chemische Analyse<br />
Glow Discharge Optical Emmission<br />
Spectroskopy (GD-OES)<br />
Dr. Adelheid Schütz<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
32<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Modellierung und<br />
Simulation<br />
• Simulation von Kriechverformung<br />
• Simulation innerer Spannungen in<br />
mehrphasigen Gefügen<br />
• Thermodynamische Berechnungen von<br />
Phasenstabilitäten (ThermoCalc, Dictra)<br />
Matthias Bensch<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
33<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
FAN-Tauziehen<br />
1. Platz 2005 - 2007 2. Platz 2008<br />
3. Platz 2003, 2010 Viertelfinale 2009<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
34<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Berufsaussichten Ingenieure<br />
Vergütung:<br />
Selten genaue Angaben ("je<br />
nach Qualifikation")<br />
Einstiegsgehälter meist<br />
orientiert am öffentlichen<br />
Dienst (E 13)<br />
Jahresgehälter:<br />
~ 40 T€/Jahr Diplom-<br />
Ingenieur (<strong>Universität</strong>), bzw.<br />
~ 48 T€/Jahr Dr.-Ing.)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
35<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Vergütung (Jan. 2006)<br />
Anwälte ~ 29.100 €<br />
Ing. + Naturwiss. ~ 41.000 €<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
36<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Jetzige wirtschaftliche Bedeutung der<br />
Metallindustrie für Deutschland<br />
Import und Export (2008)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
37<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong><br />
17
Studiengang in Deutschland<br />
Studiengang Materialwissenschaft und<br />
Werkstofftechnik, zum Teil auch "nur" eine<br />
Fachrichtung im Maschinenbau, Physik oder<br />
Chemie:<br />
46 x in Deutschland (10 x FH und 36 x Uni,<br />
von Kiel bis TU München)<br />
Allein 6 x in Bayern:<br />
FH Hof und FH Nürnberg,<br />
Unis Bayreuth, Erlangen-Nürnberg, Augsburg,<br />
München<br />
Aber: in USA "materials science and engineering" sehr viel stärker<br />
in der Gesellschaft verankert<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
38<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Studiengang in Deutschland<br />
Materialwissenschaft<br />
Umwelt- und Bioingenieurwiss.<br />
B.Sc. Engineering Science<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
39<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Geschichte der <strong>Werkstoffe</strong><br />
Ganze Zeitalter der Menschheit wurden nach dem in dieser Zeit<br />
vorherrschendem Werkstoff benannt:<br />
• Steinzeit (Beginn der Altsteinzeit ca. 20 000 v.Chr.)<br />
• Neusteinzeit (ca. 3 000 v.Chr.)<br />
• Bronzezeit (Europa 2 000 v.Chr.)<br />
• Eisenzeit ( 1 000 v.Chr.)<br />
• Informationszeitalter, Silizium-Technologie (ca. 1960 n.Chr.).<br />
Noch heute sind 90% aller industriell verwerteter Metalle<br />
Eisenwerkstoffe!<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
40<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Geschichte der Metallurgie:<br />
Bedeutung von Metallen<br />
für die<br />
Entwicklung der Menschheit<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
41<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Entwicklung der Metallurgie<br />
Triebkräfte für die Entwicklung der Metallurgie<br />
Jagd<br />
<strong>Metallische</strong> Jagdgeräte mit höherer Effizienz wie z.B. Schneidfähigkeit<br />
Krieg<br />
Schmuck<br />
Industrie<br />
Information<br />
<strong>Metallische</strong> Kriegsgeräte mit höherer Effizienz wie z.B. Kanonen, Panzer<br />
<strong>Metallische</strong> Schmuckgegenstände mit höherem Wert für Handel und<br />
Gesellschaft<br />
<strong>Metallische</strong> Werkzeuge für die gestiegenen Anforderungen an<br />
Schnelligkeit und Automatisierung, wie z. B. Dampfmachine<br />
Informationstechnologie auf Grundlage metallischer Erzeugnisse,<br />
wie z.B. Si-Leiterplatten<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
42<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong><br />
18
Metalle im Altertum<br />
Anfänge der Metallurgie u. Bronzezeit<br />
Ursprungsgebiet der Metallurgie:<br />
Nordosten Persiens<br />
Entdeckung erster Metallanwendungen<br />
zur Zeit der Hochkulturen der:<br />
•Ägypter<br />
•Babylonier<br />
•Perser<br />
•Inder<br />
•Chinesen<br />
Komplexere Organisation<br />
der Landwirtschaft in Stromtälern<br />
mit ausgedehnten<br />
Bewässerungsanlagen<br />
Freisetzung einer größeren<br />
Zahl von Menschen für<br />
andere Tätigkeiten<br />
Verbreitung metallurgischer Technologien<br />
Tätigkeiten außerhalb der<br />
Landwirtschaft<br />
Erste Anwendung metallischer <strong>Werkstoffe</strong><br />
(Frühzeit ca. 3000 v. Chr.):<br />
metallischer Schmuck u. Gefäße<br />
Entstehung von Handwerksbetrieben<br />
und dadurch Bedarf<br />
an metallischen Werkzeugen<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
43<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong><br />
19
Metalle im Altertum<br />
Anfänge der Metallurgie u. Bronzezeit<br />
Erste Verwendung von Kupferwerkstoffen<br />
für Waffen durch Beimengungen von<br />
Arsen:<br />
härter als reines Cu und dadurch<br />
geeignet für Waffen<br />
Bronzeguß in Ägypten 1450 v. Chr.<br />
Verbesserung der Ofentechnik:<br />
• Erzeugung höhere Temperaturen<br />
• Entdeckung neuer Metalle (Sn, Pb, Fe)<br />
• Entdeckung des Legierens<br />
Weitere treibende Kräfte: Entwicklung<br />
neuer Gesellschaftsstrukturen:<br />
Metallgeräte in der Landwirtschaft<br />
Landwirtschaft Handel<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
44<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong><br />
20
Metalle im Altertum<br />
Technik der Metallgewinnung - Bergbau<br />
Übersicht früher Metallurgie<br />
Chr. Geb.<br />
1000<br />
2000<br />
3000<br />
vor Christi Geb.<br />
Griechische Bergleute in<br />
Tongrube 575-550 v. Chr.<br />
4000<br />
5000<br />
Förderung von Grubenwasser mit<br />
archimedischen Schrauben<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
45<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong><br />
21
Metalle im Mittelalter - Bedeutung<br />
Die sieben mechanischen Künste des Mittelalters<br />
Agricultura Landwirtschaft Aurifabra Schmiedekunst<br />
Venatoria Jagd<br />
Cyrurgia Heilkunst<br />
Mercatoria Handel<br />
Architectura Baukunst<br />
Tympanistria Spielkunst<br />
Die dargestellten Handwerksgegenstände spiegeln die große Bedeutung metallischen Werkzeugs wider<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
46<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong><br />
26
Metalle in der Neuzeit<br />
Neue Technologien<br />
Komplexere<br />
Ausnutzung<br />
der vorhandenen<br />
Erzressourcen<br />
durch die Weiterentwicklung<br />
von<br />
Förder- und<br />
Bergwerkstechnik<br />
Feilenhaumaschine von Leonardo da Vinci<br />
Ab dem 15. Jahrhundert sind erste Ansätze<br />
für eine Automatisierung der Metallbearbeitung<br />
erkennbar<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
47<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong><br />
33
Metalle in der Neuzeit<br />
Neue Technologien<br />
Hochofen im 16. Jahrhundert<br />
Wachsende Größe von Hochöfen durch die<br />
Verbesserung der Luftzufuhr durch<br />
wassergetriebene Blasebälge<br />
Walztechnik im 18. Jahrhundert<br />
Die verbesserte Nutzung der Wasserkraft<br />
macht erstmals das Walzen von Eisenplatten<br />
möglich. Die Holzkonstruktion setzte<br />
derartigen Anlagen jedoch Grenzen<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
48<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong><br />
34
Metalle zur Zeit der<br />
industriellen Revolution<br />
Vollkommen neue Technologien!<br />
Hochofen im 19. Jahrhundert: Die<br />
Anwendung mit Dampfmaschinen<br />
betriebener Gebläse erlaubte den<br />
Bau größerer Hochöfen bis zu 20 t.<br />
2008: ThyssenKrupp Duisburg, Inbetriebnahme<br />
Hochofen 8: Kosten ~ 250 Mio. €,<br />
Höhe: 89 m, täglich ~ 5.600 to Roheisen<br />
(≙ 700 m 3 Volumen ≈ H32)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
49<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong><br />
35
Viele weitere Beispiele<br />
möglich<br />
(noch zwei negative Beispiele)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
50<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Metalle zur Zeit der<br />
industriellen Revolution<br />
Die Kolonialisierung machte eine Aufrüstung<br />
der Kolonialflotte notwendig. Dabei wurden<br />
große Mengen an Stahl verwendet um<br />
besonders sichere Schiffe zu bauen<br />
Prüfung von Panzerplatten: Die Entwicklung<br />
neuer Geschütze und Geschosse trieb die<br />
Entwicklung widerstandsfähiger Stahlsorten<br />
für die Panzerung von Kriegsschiffen voran<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
51<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Metalle zur Zeit der<br />
industriellen Revolution<br />
Umwelt:<br />
Die ungereinigten Abgas - und Rauchmengen der<br />
Hochöfen, Stahlwerke und Kokereien<br />
verfinsterten den Himmel in den Industriezentren<br />
und verdreckte die Umgebung, was mit einer<br />
starken Beeinträchtigung der Lebensqualität<br />
verbunden war<br />
Gesellschaft<br />
In den dichtbesiedelten Arbeiterwohnvierteln<br />
(hier London 1870) wohnten Menschen unter<br />
schlechten hygienischen Bedingungen, was<br />
zahlreiche Epidemien zur Folge hatte<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
52<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong><br />
43
<strong>Einf</strong>ührung in den<br />
Werkstoff Metall<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
53<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Vorkommen der Metalle<br />
Na<br />
Ca 3,0<br />
Fe 3,6<br />
Al 5,0<br />
8,1<br />
Si<br />
27,7%<br />
Mg<br />
K 2,1<br />
3,0<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
Rest<br />
0,9<br />
54<br />
O<br />
46,6%<br />
Aber: Aluminiumlegierungen ~ 5 x teurer als Stahl<br />
Eselsbrücke/Merkspruch: Osialfeca Nakampf-MG<br />
Element Anteil in %<br />
O 46,6<br />
Si 27,7<br />
Al 8,1<br />
Fe 5<br />
Ca 3,6<br />
Na 3<br />
K 3<br />
Mg 2,1<br />
Ti 0,63<br />
Mn 0,1<br />
Cr 0,037<br />
Zr 0,026<br />
Ni 0,02<br />
V 0,017<br />
Cu 0,01<br />
U 0,008<br />
W 0,005<br />
Zn 0,004<br />
Pb 0,002<br />
Co 0,001<br />
Be 0,001<br />
Mo 0,0001<br />
Sn 0,0001<br />
Sb 0,00001<br />
Cd 0,00001<br />
Hg 0,00001<br />
Bi 0,000001<br />
Ag 0,000001<br />
Pt 0,0000001<br />
Rest<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Anteil der Elemente in der Erdkruste<br />
bezogen auf 10 6 Siliziumatome<br />
Eine spezielle<br />
Person der<br />
Weltbevölkerung<br />
(8 Milliarden)<br />
© U.S. Geological Survey Fact Sheet 087-02 (2002)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
55<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Vorkommen verschiedener Metalle<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
56<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Verbrauch verschiedener<br />
<strong>Werkstoffe</strong> (relativ)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
57<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Verbrauch absolut<br />
1000<br />
Produktion der wichtigsten <strong>Werkstoffe</strong> in den USA<br />
Produktion in 10 6 t<br />
100<br />
10<br />
1<br />
Stahl<br />
Metalle<br />
Kupfer und Zink<br />
Kunststoffe<br />
Glas<br />
Aluminium<br />
Faserverstärkte<br />
<strong>Werkstoffe</strong><br />
0.1<br />
1900 1920 1940 1960 1980 2000<br />
Jahr<br />
Kurzzeitige Schwankungen wurden ausgeglichen.<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
58<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Stahlhersteller<br />
Unternehmen Land 2007 2008<br />
1. ArcelorMittal Luxemburg 116,4 101,6<br />
2. Nippon Steel Japan 35,7 37,5<br />
3. Baosteel China 28,6 35,4<br />
4. Hebei Iron and Steel China 31,1 33,3<br />
5. JFE Group Japan 34,0 32,4<br />
6. POSCO Südkorea 31,1 31,7<br />
7. Wuhan Iron and Steel China 20,2 27,7<br />
8. Tata Steel Indien 26,5 24,4<br />
9. Shandong Iron and Steel China 23,8 23,8<br />
10. Jiangsu Shagang China 22,9 23,3<br />
11. US Steel USA 21,5 23,2<br />
12. Nucor USA 20,0 20,4<br />
13. Gerdau S.A. Brasilien 18,6 20,4<br />
14. Severstal Russland 17,3 19,2<br />
15. Evraz-Gruppe Russland 16,2 17,7<br />
16. Riva FIRE Italien 17,9 16,9<br />
17. Anshan Iron and Steel China 16,2 16,0<br />
18. ThyssenKrupp Deutschland 17,0 15,9<br />
Produktion in Mio. Tonnen/Jahr World Steel Association, Ranking 2008<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
59<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Stahlerzeugung Weltwirtschaft<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
60<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Festigkeit und Elastizitätsmodul<br />
verschiedener <strong>Werkstoffe</strong><br />
Basalt<br />
Carbon<br />
Glass<br />
... fibre reinforced polymer<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
61<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Bruchzähigkeit<br />
(≙ Schlagempfindlichkeit)<br />
Wichtigster Werkstoffparameter, Kosten (Masse):<br />
Stahl : Aluminium : gfrp/Ni : Titan : cfrp<br />
1 : 5 : 10 : 50 : 500<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
62<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Anwendung verschiedener<br />
<strong>Werkstoffe</strong><br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
63<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Preisentstehung<br />
Kosten für<br />
Weiterverarbeitung<br />
Verfügbarkeit<br />
( Vorkommen)<br />
Kosten für<br />
Darstellung<br />
Preis des<br />
Werkstoffs<br />
Nachfrage<br />
Preis in DM/kg<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
Kosten<br />
Vorkommen<br />
30 €/kg<br />
0,63%<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
Vorkommen in %<br />
10<br />
0<br />
3 €/kg<br />
Kupfer<br />
0,01%<br />
Titan<br />
0,1<br />
0<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
64<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Verfügbarkeit und Preisentwicklung<br />
Beispiel Aluminium<br />
Faktoren für die<br />
Standortentwicklung:<br />
Energiepreise<br />
Rohstoffe<br />
Transportwege<br />
DM/t<br />
Standort<br />
€/t 07.09.09:<br />
1.300 €/t<br />
4,6 Mio. t Bestand!<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
65<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Preisentwicklung Stahl<br />
Preisspanne für warmgewalzten Stahl in US$/t<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
66<br />
World Steel in Figures, IISI, 2006<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Entwicklung der<br />
Rohstahlerzeugung<br />
siehe Folie 60<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
67<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Preisentwicklung Au, Pt, Pd, Re<br />
---- 20 €/g ----<br />
1 US$/oz = 0,72 €/31,103 g = 0,023 €/g<br />
Stand: 24.10.2010<br />
---- 40 €/g ----<br />
--- 6 €/g ---<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
68<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Aufbau und Eigenschaften<br />
<strong>Metallische</strong>r <strong>Werkstoffe</strong><br />
• Definitionen<br />
• Metallbindung<br />
• Kristallstruktur (ideales Gitter)<br />
• Gitterbaufehler (reales Gitter)<br />
• Thermodynamik von Legierungen<br />
• Verformungsmechanismen<br />
• Mechanismen der Festigkeitssteigerung und Entfestigung<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
69<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Definition Metall<br />
Ein Metall hat überwiegend metallische Eigenschaften:<br />
– elektrische Leitfähigkeit<br />
– thermische Leitfähigkeit<br />
– Verformbarkeit/Duktilität (Zähigkeit, unempfindlich gegen Schläge)<br />
– mittlere Festigkeit, mittlere Steifigkeit<br />
– glänzende Oberfläche (undurchsichtig)<br />
– manchmal: Ferromagnetismus<br />
Ein reines Metall ist ein Element des Periodensystems.<br />
Eine Legierung ist eine Mischung verschiedener Elemente (mindestens<br />
ein Metall). Die Legierung hat metallische Eigenschaften.<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
70<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Definitionen metallkundlicher<br />
Begriffe<br />
Phase:<br />
homogener Stoff<br />
eines Zustandes<br />
Phasendiagramm H 2 O<br />
Korn:<br />
ein durch Korngrenzen<br />
begrenzter einzelner<br />
Kristall<br />
Korngrenzen in<br />
Molybdän<br />
Kristall:<br />
Anordnung der Atome auf<br />
Gitterplätzen, endliche<br />
Abmessung<br />
Aggregat:<br />
polykristallines einoder<br />
mehrphasiges Teil<br />
kubisch-raum-zentrierte<br />
(krz) Struktur<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
71<br />
Armco-Eisen mit 0,02 % C<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Definitionen metallkundlicher<br />
Begriffe<br />
Gefüge:<br />
Anordnung von<br />
Phasen und Körnern<br />
in einem Aggregat,<br />
Verteilung der<br />
Defekte<br />
Seigerung:<br />
Bereiche mit unterschiedlicher<br />
chemischer Zusammensetzung<br />
Primäre Cu 2 O-Kristalle im Cu+ Cu 2 O-Eutektikum<br />
Orientierung:<br />
Anordnung der das Kristallgitter<br />
aufspannenden Vektoren<br />
relativ zu einem äußeren<br />
Vektorensystem<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
72<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
(Struktur-) Metalle mit<br />
technischer Bedeutung<br />
Leichtmetalle<br />
Periodensystem der Elemente<br />
Metalle<br />
Metalloide<br />
Nichtmetalle<br />
Preis<br />
Hochtemperaturlegierungen<br />
auf Nickelbasis<br />
hochschmelzenden Elemente (Refraktärmetalle)<br />
PGM, Edelmetalle<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
73<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Andere Variante des<br />
Periodensystems der Elemente<br />
116 - 24 92 Metalle<br />
95 - 24 71 Metalle<br />
ca. 70 der natürlich<br />
vorkommenden<br />
Elemente sind Metalle<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
74<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Nichtmetalle - Halbmetalle - Metalle<br />
nach Ionisierungsenergie<br />
Metalle 8 10 23<br />
weitere Elemente<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
75<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Lieferformen von Metallen<br />
Bleche<br />
Unterschiedlichen <strong>Werkstoffe</strong>:<br />
(Baustahl, verzinkter Stahl, Cu,<br />
Messing, Al)<br />
Bleche mit strukturierter Oberfläche<br />
Coils<br />
Profile<br />
Blöcke<br />
Strangpressprofile<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
76<br />
Vergüteter Kunststoffformenstahl<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Lieferformen von Metallen<br />
Formkörper<br />
Halbzeuge<br />
Gesenkschmiedeteile<br />
Walzwerkerzeugnisse<br />
Pulver<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
77<br />
Ölpumpe aus Sinterstahl<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
<strong>Metallische</strong> Eigenschaften<br />
• optisch:<br />
• mechanisch:<br />
• elektrisch:<br />
• thermisch:<br />
metallischer Glanz<br />
plastische Verformbarkeit<br />
gute elektrische Leitfähigkeit<br />
(Leitfähigkeit steigt mit sinkender Temperatur)<br />
gute Wärmeleitfähigkeit<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
78<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Eigenschaften von Metallen<br />
Stoff Spezifischer Widerstand bei RT (·m)<br />
Bernstein<br />
Quarzglas<br />
Paraffin<br />
Hartgummi<br />
Polyvinylchlorid (Vinidur)<br />
Polymetacrylatharz (Plexiglas)<br />
Glas<br />
Phenolharz (Pertinax)<br />
Keramische <strong>Werkstoffe</strong><br />
Schiefer<br />
Silizium<br />
NiCr20<br />
Blei<br />
Eisen<br />
Kupfer<br />
Silber (höchste elektr. Leitfähigkeit aller Metalle)<br />
Blei (T < 7,22 K; supraleitend)<br />
1·10 18<br />
5·10 16<br />
3·10 16<br />
1·10 16<br />
10 13 -10 14<br />
10 13<br />
5·10 11<br />
10 8 -10 11<br />
10 7 -10 12<br />
1·10 6<br />
2,3·10 -2<br />
1,5·10 -6<br />
22·10 -8<br />
Isolatoren<br />
Halbleiter<br />
Legierungen<br />
10·10 -8<br />
Leiter (Metalle)<br />
1,8·10 -8<br />
1,6·10 -8<br />
< 10 -26 Supraleiter<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
79<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Bindungsarten<br />
Kovalente Bindung<br />
(500-1300 kJ/mol)<br />
gemeinsame<br />
Valenzelektronen<br />
positiv<br />
geladenes<br />
Ion<br />
Van der<br />
Waals-<br />
Bindung<br />
(< 50 kJ/mol)<br />
Polymerwerkstoffe<br />
Silikate<br />
Alkali-<br />
Halogenide<br />
Münzmetalle<br />
Ionenbindung<br />
(600 -1500 kJ/mol)<br />
Übergangsmetalle<br />
<strong>Metallische</strong><br />
Bindung<br />
(100-800 kJ/mol)<br />
Legierungen<br />
Anziehungskräfte<br />
zwischen<br />
polarisierten<br />
Atomen<br />
Anziehungskräfte<br />
zwischen positiv<br />
und negativ<br />
geladenen Ionen<br />
+<br />
+<br />
-<br />
+<br />
- - -<br />
-<br />
+<br />
Metallion<br />
Elektronengas<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
80<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Paarpotenial<br />
Potentialkurve<br />
Kugel-Feder-Modell<br />
U<br />
U = - r -m + r -n<br />
F<br />
F = -<br />
dU<br />
dr<br />
<br />
~ r -n d 2 U<br />
E =<br />
<br />
dr 2<br />
r0<br />
abstoßende Kräfte<br />
~ r -n-1<br />
r 0<br />
T=0<br />
r<br />
r 0<br />
r<br />
T > 0<br />
r 0 (T) > r 0<br />
~ r -m<br />
m: Exponent des anziehenden<br />
Potentials (1...6)<br />
n: Exponent des abstoßenden<br />
Potentials (9...12)<br />
anziehende Kräfte<br />
~ r -m-1<br />
m < n<br />
Ruhelage r 0 bei T = 0 K<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
81<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
<strong>Metallische</strong> Bindung<br />
a) Energieniveauschema eines freien<br />
Na-Atoms<br />
b) zwei nahe beieinander angeordnete<br />
Na-Atome (Aufspaltung der<br />
Energieniveaus)<br />
a) b)<br />
c) Energiebänder im Na-Kristall<br />
(3s-Band ist halb gefüllt)<br />
d) Modellvorstellung: positiv geladene<br />
Atomrümpfe, Elektronengas<br />
c) d)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
82<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Aufbau der <strong>Werkstoffe</strong><br />
Anordnung der Atome in einem Festkörper<br />
kubisch-raumzentriert<br />
(krz)<br />
KRISTALLIN<br />
lang- und kurzreichweitige<br />
Ordnung<br />
GLASIG<br />
keine lang-, aber kurzreichweitige<br />
Ordnung<br />
AMORPH<br />
keine lang-, keine kurzreichweitige<br />
Ordnung<br />
kubisch-flächenzentriert<br />
(kfz)<br />
hexagonal-<br />
dichteste-<br />
Packung (hdp)<br />
Metalle<br />
Kieselglas<br />
Amorphe Legierung<br />
Im Rahmen dieser Vorlesungsreihe werden ausschließlich Metalle mit kristallinem Aufbau behandelt.<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
83<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Kristallographische Punkte<br />
und Richtungen<br />
z<br />
0,0,1<br />
z<br />
[0,0,1]<br />
[1,1,1]<br />
0,0,0<br />
½,1,0<br />
y<br />
y<br />
x<br />
x<br />
[1,1,0]<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
84<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Kristallographische Ebenen<br />
Millerschen Indizes<br />
z • Bestimmung der Achsenabschnitte<br />
m = 2, n = 4, p = 1<br />
c<br />
Kehrwerte:<br />
1<br />
2<br />
,<br />
1<br />
4<br />
,1<br />
a<br />
b<br />
y<br />
• Hauptnenner:<br />
2<br />
4<br />
• Millersche Indizes für Ebenen in<br />
runden Klammern (hkl): (214)<br />
,<br />
1<br />
4<br />
,<br />
4<br />
4<br />
x<br />
1 1 1<br />
—: —: — h : k : l<br />
m n p<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
85<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Ideales Gitter<br />
Millersche Indizes wichtiger Netzebenen<br />
z<br />
z<br />
z<br />
z<br />
x<br />
(100)<br />
y<br />
x<br />
(110)<br />
y<br />
x<br />
(111)<br />
y<br />
x<br />
(112)<br />
y<br />
Achsenabschnitte<br />
m 1 1 1 1<br />
n 1 1 1<br />
p 1 ½<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
86<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Ideales Gitter<br />
Netzebenen und Kristallrichtungen<br />
Sollen alle Netzebenen des gleichen Typs angesprochen werden, so verwendet man<br />
geschweifte Klammern.<br />
Beispiel: Würfelflächen (100), (010), (001), ( 100), (010), (001)<br />
Kurzschreibweise: {100}<br />
Kristallrichtungen werden (im kubischen System) durch die Millerschen Indizes der Ebene<br />
angegeben, auf der die Richtung senkrecht steht (in eckigen Klammern).<br />
_<br />
Beispiel: Raumdiagonalen [111], [111], ...<br />
Sind alle Kristallrichtungen des gleichen Typs gemeint, so verwendet man spitze Klammern.<br />
Beispiel: alle Raumdiagonalen des Würfels: 111<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
87<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Kristallsysteme metallischer<br />
<strong>Werkstoffe</strong><br />
kubisch raumzentriert (krz):<br />
z. B.: -Fe, -Fe, Cr, V, Mo<br />
W, Nb, Ta, -Ti<br />
kubisch flächenzentriert (kfz):<br />
z. B.: -Fe, Ni, Cu, Ag, Au<br />
Al, Pt, -Co<br />
hexagonal dicht gepackt (hdp):<br />
z. B.: -Ti, Mg, Zn, Be, -Co, Cd<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
88<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
kubisch raumzentriert - kubisch flächenzentriert<br />
krz:<br />
kfz:<br />
a krz<br />
a kfz<br />
Atome je Einheitszelle<br />
8*1/8 + 1 =2 8*1/8 + 6*1/2 = 4<br />
Raumerfüllung<br />
68% 74%<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
89<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Räumlich dichteste Kugelpackungen<br />
{111} Ebenen im kfz-Gitter<br />
Stapelfolge:<br />
A<br />
B<br />
C<br />
Die kubisch-flächenzentrierte<br />
Elementarzelle enthält Gitterebenen<br />
mit 3-zähliger Symmetrie.<br />
Die Raumerfüllung von ca. 74%<br />
entspricht der räumlich dichtesten<br />
Kugelpackung.<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
90<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Räumlich dichteste Kugelpackungen<br />
hexagonal dichtest gepackt<br />
kubisch flächenzentriert<br />
A<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
Die beiden Kristallstrukturen unterscheiden sich nur in der Stapelfolge der<br />
dichtest gepackten Ebenen (hdp: ABABAB, kfz: ABCABC).<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
91<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Gitterdefekte<br />
P'<br />
Z<br />
K<br />
S<br />
L<br />
Punktförmige Gitterstörungen (0-dim.):<br />
Leerstelle (L), Zwischengitteratom (B),<br />
Substitutionsatom (S)<br />
Linienförmige Gitterstörungen (1-dim.):<br />
Stufen-, Schraubenversetzungen ( )<br />
G<br />
P'<br />
Z<br />
K<br />
L<br />
B<br />
B<br />
P<br />
Flächenförmige Gitterstörungen (2-dim.):<br />
Kleinwinkelkorngrenze (K-K),<br />
Großwinkelkorngrenze (G-G),<br />
Zwillingsgrenze (Z-Z), Phasengrenze (P),<br />
Antiphasengrenze (A-A), Stapelfehler<br />
Räumliche Gitterstörungen (3-dim.):<br />
Teilchen (Ausscheidung, Dispersion),<br />
Leerstellenagglomerat, Pore, Mikroriß<br />
G<br />
A<br />
A<br />
Schematische Darstellung im<br />
2-dimensionalen Gitter<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
92<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
0-dimensionale Gitterdefekte<br />
Leerstelle Zwischengitteratom Frenkel-Paar<br />
c<br />
L<br />
e<br />
Q<br />
kT<br />
L<br />
Substitutionsatom<br />
Einlagerungsatom<br />
Insbesondere die Leerstelle sind für Diffusionsprozesse verantwortlich<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
93<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Mischkristalle<br />
Die meisten Metalle können in ihrem Gitterverband (Matrix) bestimmte Mengen<br />
anderer Atome aufnehmen. Die Fremdatome werden im (Wirts-) Gitter "gelöst",<br />
wodurch dieses verspannt wird. Derartige aus mindestens zwei Atomsorten<br />
bestehende Kristalle werden Mischkristalle oder „feste Lösungen“ (solid solutions)<br />
genannt.<br />
Man unterscheidet zwischen:<br />
Substitutionsmischkristall<br />
Einlagerungsmischkristall<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
94<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Substitutionsmischkristalle<br />
Statistische Verteilung<br />
Überstruktur (Fernordnung)<br />
Gitterdeformation<br />
Nahordnung<br />
Einphasige Entmischung<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
95<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Platzwechselmechanismen<br />
Diffusion<br />
Direkter Platzwechsel<br />
Leerstellenmechanismus<br />
Zwischengittermechanismus<br />
energetisch ungünstig<br />
geringe Aktivierungsenergie<br />
Selbstdiffusion nur bei<br />
höheren Temperaturen<br />
wahrscheinlich<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
96<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Massentransport im<br />
Festkörper (Diffusion)<br />
D = D 0 exp (-Q / RT)<br />
1. Ficksches Gesetz:<br />
c A<br />
D: Diffusionskonstante<br />
(„Frequenzfaktor“)<br />
Q: Aktivierungsenergie<br />
c A<br />
J = - D<br />
x<br />
J: Diffusionsstrom (Atome/(m 2 *s))<br />
D: Diffusionskoeffizient (m 2 /s)<br />
c 1A<br />
c<br />
c 2A<br />
S<br />
x<br />
x 1 x 2<br />
Diffusionsrichtung x<br />
2. Ficksches Gesetz:<br />
c 2 c<br />
t<br />
= D<br />
x 2<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
97<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Massentransport im<br />
Festkörper (Diffusion)<br />
Diffusion von<br />
Kupferatomen in Nickel<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
98<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Einkristallverformung<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Die theoretische Schubfestigkeit (starres Abgleiten)<br />
übersteigt die experimentell ermittelten Werte um<br />
mehrere Größenordnungen.<br />
Versetzungstheorie:<br />
Die Verformung von metallischen <strong>Werkstoffe</strong>n<br />
verläuft nicht durch starres Abgleiten, sondern durch<br />
das Verschieben von Gitterfehlern.<br />
<br />
Theoretische Schubfestigkeit:<br />
G G<br />
max = <br />
23 10<br />
in Realität G/1.000<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
99<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
1-dimensionale Gitterdefekte<br />
Stufenversetzung<br />
• Versetzungen sind linienförmige Baufehler des Gitters.<br />
Schraubenversetzung<br />
b <br />
b <br />
<br />
s aus der Zeichenebene heraus s<br />
b <br />
• Sie sind entweder in sich geschlossen oder enden an einer Grenzfläche des Kristalls.<br />
• Sie sind beweglich und ermöglichen dadurch die plastische Verformung des Kristalls.<br />
• Sie erzeugen im Kristall weitreichende Spannungsfelder, die sich gegenseitig beeinflussen können.<br />
• Versetzungen sind durch zwei Vektoren definiert: Burgersvektor<br />
und Linienvektor<br />
s <br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
100<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Bewegung von Versetzungen<br />
(Versetzungsgleiten)<br />
Läuft die Versetzung<br />
durch den Kristall,<br />
erhalten wir einen<br />
dauerhaft plastisch<br />
verformten weitgehend<br />
fehlerfreien<br />
Kristall<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
101<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Verformungsmechanismen<br />
von Metallen (Versetzungsbewegung)<br />
<br />
<br />
1 2<br />
3<br />
1 2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
4<br />
5<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
1 2<br />
3<br />
1 2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
4<br />
5<br />
<br />
<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
102<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Kakteenpark Lanzarote<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
103<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Einkristallverformung<br />
Schmid'sches Schubspannungsgesetz<br />
<br />
Gleitebenen-<br />
Normale<br />
Für das Abgleiten ist nicht die Normalspannung<br />
(senkrecht zur Oberfläche), sonder die im Gleitsystem<br />
wirksame Schubspannung entscheidend.<br />
<br />
<br />
Schmidsches<br />
Schubspannungsgesetz:<br />
Abgleiten +<br />
Gitterrotation<br />
= cos cos <br />
Gleitrichtung<br />
max = /2 (für = = 45°)<br />
Gleitebene<br />
„Wurstscheibenmodell“<br />
<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
104<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Einkristallverformung bei<br />
größeren Abgleitungen<br />
Verallgemeinerte Spannungs-<br />
Dehnungs-Kurve für Einkristalle<br />
Schubspannung <br />
II<br />
I<br />
0<br />
I II III<br />
Abgleitung <br />
0 : Beginn des plastischens Fließens<br />
Bereich I: keine Wechselwirkung<br />
zwischen den einzelnen Gleitversetzungen<br />
(<strong>Einf</strong>achgleitung)<br />
Bereich II: Aufstauung von<br />
Versetzungen in der Gleitebene<br />
weitreichende Spannungsfelder<br />
(Gleitung auf mehreren<br />
Gleitsystemen)<br />
Bereich III: Überlagerung mit<br />
Entfestigungsprozessen<br />
(dynamische Erholung)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
105<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Gemischte Versetzung<br />
Ein fließender Übergang<br />
zwischen Stufen- und<br />
Schraubenversetzung ist<br />
möglich<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
106<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Versetzungsdichte<br />
Versetzungslinien sind im Transmissionselektronenmikroskop<br />
(TEM) sichtbar.<br />
Die Versetzungsdichte ist vom Verformungszustand des Metalls<br />
abhängig.<br />
Versetzungsdichte := Versetzungslänge/Volumen<br />
Beispiel:<br />
weichgeglühtes Metall: ca. 10 12 m -2<br />
das entspricht einer Versetzungslänge von 1 km pro mm 3 !<br />
kaltverformtes Metall: ca. 10 16 m -2<br />
d.h. 10.000 km pro mm 3 !<br />
Versetzungen bewirken eine Erhöhung der<br />
inneren Energie von ca. 10 -8 -10 -9 J/m.<br />
1 μm<br />
Versetzungen in kfz (austenitischem)<br />
Stahl. Versetzungsdichte ca.<br />
17 / (3,55·10 -11 m 2 ) ≈ 5·10 11 m -2<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
107<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
2-dimensionale Gitterdefekte<br />
Korngrenze<br />
Kleinwinkelkorngrenze<br />
Kugelmodell für die Anordnung<br />
der Atome an einer Korngrenze<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
108<br />
Ansammlung von Stufenversetzungen<br />
mit gleichem „Vorzeichen“<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
2-dimensionale Gitterdefekte<br />
Zwillingsgrenze<br />
a) b)<br />
a) Zwillingsbildung<br />
innerhalb eines Kristalls<br />
b) Zwillinge in geglühter<br />
Zinnbronze<br />
Über Zwillingsbildung ist die<br />
Verformung des Kristalls<br />
möglich.<br />
Stapelfehler<br />
Fehler in der Stapelfolge der<br />
dichtestgepackten Ebenen<br />
Grenzflächenenergie von Kristallen (Beispiel Kupfer):<br />
Zwillingsgrenze: 30 mJ/m 2<br />
Stapelfehler: 160 mJ/m 2<br />
Kleinwinkelkorngrenze: max. 250 mJ/m 2<br />
Großwinkelkorngrenze: max. 500 mJ/m 2<br />
freie Oberfläche: 1.600 mJ/m 2<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
109<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Verformungsmechanismen von<br />
Metallen (Zwillingsbildung)<br />
Gleitung:<br />
<br />
<br />
Zwillingsbildung:<br />
<br />
Verformungszwillinge in Eisen nach<br />
Belichtung mit ns-Laserpulsen<br />
(Bild: A. Luft, IWS Dresden)<br />
<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
110<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Verformungsmechanismen von<br />
Metallen (Korngrenzgleiten)<br />
Unter Korngrenzgleitung versteht man die Verschiebung der<br />
Körner untereinander. Das Abgleiten der Korngrenzen kann bei<br />
Temperaturen oberhalb 0,4 T m , d.h. T hom = 40%, zur plastischen<br />
Verformung beitragen und ist ein wichtiger Verformungsmechanismus<br />
bei der Hochtemperaturverformung (Kriechen).<br />
<br />
Korngrenzendiffusion<br />
<br />
<br />
<br />
Gitterdiffusion<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
111<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
3-dimensionale Gitterdefekte<br />
Ansammlung von Leerstellen<br />
- Diffusion von Atomen bzw. Leerstellen<br />
- Bestrahlung des Werkstoffs mit Neutronen<br />
Ansammlung von Substitutionsatomen (Cluster)<br />
(Vorstufe zur Bildung von Ausscheidungen)<br />
Grenzflächen (Korngrenzen) in nanokristallinen Materialien<br />
(Volumenanteil an gestörten Gitterbereichen bis zu 50%)<br />
Mikroporen<br />
Mikrorisse<br />
Mikrolunker<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
112<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Wechselwirkung von 0-D und 1-D Fehlern:<br />
Versetzungsklettern<br />
Leerstelle diffundiert zum Versetzungskern. Dies muss über die gesamte<br />
Länge der Versetzung, bzw. des Hindernisses erfolgen.<br />
Die Versetzung kann sich durch "Klettern" auch senkrecht zur<br />
Gleitebene bewegen. Umgehen von Hindernissen wird so<br />
ermöglicht.<br />
Dieser, im Vergleich zum gleiten, sehr langsame Prozess spielt bei<br />
hohen Temperaturen (T > 0,4T m ) eine wichtige Rolle.<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
113<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Zusammenfassung Verformungsmechanismen<br />
durch 0-dimensionale und 1-dim. Fehler:<br />
0-dim.:<br />
1-dim.:<br />
Eine nennenswerte Volumendiffusion erfolgt nur bei Temperaturen<br />
nahe dem Schmelzpunkt, für eine messbare plastische Verformung<br />
ohne Bedeutung. Diffusion ist sehr wichtig bei:<br />
Wärmebehandlungen (z.B. Konzentrationsausgleich beim<br />
Homogenisierungsglühen), Einsatzhärten, ... .<br />
Versetzungsgleiten verantwortlich für die plastische Verformung<br />
über den gesamten Temperatur- und Spannungsbereich.<br />
Versetzungsklettern erfolgt im Temperaturbereich T > 0,4T m . Die<br />
Versetzungen haben in Kombination mit Leerstellen eine weitere<br />
Möglichkeit der Bewegung ( plastischen Verformung) schon bei<br />
sehr geringen Spannungen. Klettern ist die Bewegung der<br />
Versetzungslinie senkrecht zur Gleitebene.<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
114<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Zustandsschaubilder<br />
alle Diffusionsvorgänge abgeschlossen<br />
(Gleichgewichtsthermodynamik)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
115<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Einstoffsysteme<br />
Zustandsschaubild von Magnesium<br />
Druck p [MPa]<br />
10 1<br />
10 0<br />
10 -1<br />
10 -2<br />
10 -3<br />
10 -4<br />
10 -5<br />
Schmelzpunkt<br />
650°C bei 1 bar<br />
Normaldruck<br />
Festkörper<br />
Schmelze<br />
Siedepunkt<br />
1100°C bei 1 bar<br />
Tripelpunkt<br />
650°C bei 330 Pa (3,3 mbar)<br />
Gibbsche Phasenregel:<br />
F = K + 2 - P<br />
F: Anzahl der Freiheitsgrade<br />
des Systems<br />
K: Anzahl der Komponenten<br />
P: Anzahl der Phasen<br />
10 -6<br />
10 -7<br />
10 -8<br />
Dampf<br />
200 600 1000 1400<br />
Temperatur [°C]<br />
Metalle:<br />
F = K + 1 - P<br />
da p ohne Bedeutung<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
116<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Zweistoffsysteme<br />
Ermittlung von Zustandsdiagrammen<br />
A<br />
L 1 L 2 L 3<br />
B<br />
AB-Mk + Schmelze<br />
L 1 L 2 L 3<br />
Temperatur<br />
Temperatur<br />
Schmelze<br />
Mischkristall<br />
Zeit<br />
0%<br />
100% A<br />
(z.B. Ni)<br />
Anteil B<br />
100%<br />
100% B<br />
(z.B. Cu)<br />
Bestimmung der Umwandlungstemperaturen als Knickpunkte in den<br />
Abkühlkurven bei der jeweiligen Legierungszusammensetzung am Beispiel<br />
eines Zweistoffsystems mit lückenloser Mischbarkeit (z. B. Ni-Cu).<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
117<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Zweistoffsysteme<br />
Erstarrungsverhalten von Legierungen<br />
Temperatur<br />
T l<br />
T s<br />
0<br />
A<br />
c <br />
Hebelgesetz:<br />
m 1 a = m 2 b<br />
c <br />
Schmelze<br />
c nom.<br />
Anteil an B<br />
a<br />
AB-Mk + Schmelze<br />
c l<br />
c l2<br />
AB-<br />
Mischkristall<br />
b<br />
100<br />
B<br />
Erstarrung einer Legierung mit der<br />
Zusammensetzung c nom. :<br />
Liquidustemperatur T l : Kristallisationskeime<br />
der Zusammensetzung c 1<br />
T s < T < T l : Während der Erstarrung ändert<br />
sich die Zusammensetzung der AB-<br />
Mischkristalle (c ) und der Restschmelze (c l ).<br />
Für die jeweiligen Mengenanteile von<br />
Mischkristall m k und Restschmelze m s gilt<br />
das Hebelgesetz:<br />
m k (c nom. -c ) = m s (c l -c nom. )<br />
Solidustemperatur T s : Restschmelze hat die<br />
Zusammensetzung c l2<br />
m 1 m 2<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
118<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Eutektische Zweistoffsysteme<br />
begrenzte Löslichkeit im festen Zustand<br />
Temperatur [°C]<br />
1200<br />
1083<br />
1000<br />
961<br />
800<br />
779<br />
600<br />
A<br />
-Mk<br />
F<br />
-Mk +<br />
Schmelze<br />
C<br />
E<br />
Schmelze<br />
zweiphasiges Gefüge aus<br />
-und -Mischkristallen<br />
-Mischkristalle<br />
+ Schmelze<br />
400<br />
8,8 28,5<br />
92<br />
0 20 40 60 80 100<br />
Ag<br />
Cu<br />
% Cu<br />
D<br />
B<br />
-Mk<br />
G<br />
AEB Liquiduslinie<br />
ACEDB Soliduslinie<br />
CED Eutektikale<br />
CF Löslichkeitslinie des<br />
-Mk für Cu<br />
DG Löslichkeitslinie der<br />
-Mk für Ag<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
T < T e<br />
Schmelze<br />
Überprüfe Gibb'sche<br />
Phasenregel für Metalle<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
119<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Beispiel eines eutektischen<br />
Systems (Blei - Zinn)<br />
Diamantstruktur<br />
fcc<br />
gängige<br />
Lotlegierung (Zinn-<br />
Blei-Lot):<br />
Sn Pb 37 (Sickerlot)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
120<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Phasenumwandlung<br />
Keimbildung und Wachstum<br />
Es existiert ein kritischer<br />
Keimbildung<br />
(4/3) r 3 f v<br />
F(r)<br />
F* total<br />
4 r 2 E SL<br />
r* r<br />
F total<br />
Keimradius, den ein Keim<br />
mindestens erreichen<br />
muß, damit er im<br />
statistischen Mittel weiter<br />
wachsen kann.<br />
Die Phasenumwandlung<br />
erfolgt kinetisch über die<br />
Schritte Keimbildung und<br />
Wachstum.<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
121<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Mechanismen der<br />
Festigkeitssteigerung<br />
Spannung σ<br />
=<br />
F<br />
A 0<br />
Beispiel: einachsiger Zugversuch<br />
Erhöhung der Zugfestigkeit R m<br />
bzw. der Dehngrenze R p0,2<br />
Die Festigkeitssteigerung ist in<br />
der Regel mit einer Verringerung<br />
des plastischen Verformungsvermögens<br />
verbunden.<br />
Die Festigkeitssteigerung von<br />
Metallen beruht in der Regel<br />
darauf, die Beweglichkeit der<br />
Versetzungen einzuschränken.<br />
Härtungsmechanismen:<br />
• Kaltverfestigung<br />
• Mischkristallhärtung<br />
• Ausscheidungshärtung<br />
R m<br />
R p0,2<br />
A g<br />
A<br />
Dehnung = l<br />
l- l 0<br />
=<br />
l 0 l 0<br />
• Dispersionshärtung<br />
• Feinkornhärtung<br />
• Umwandlungshärtung<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
122<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Verfahren zur<br />
Stoffeigenschaftsänderung<br />
Spannungsarmglühen<br />
Rekristallisationsglühen<br />
Homogenisieren und Diffusionsglühen<br />
+ Kaltverfestigung<br />
+ Mischkristallhärtung<br />
+ Umwandlungshärtung<br />
+ Ausscheidungshärten<br />
+ Dispersionshärtung<br />
+ Feinkornhärtung<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
123<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Spannungsarmglühen<br />
(Erholung)<br />
Spannungsarmglühen ist eine<br />
Glühbehandlung, die unterhalb der<br />
Rekristallisationstemperatur (0,4 T m )<br />
erfolgt.<br />
Bei Temperaturerhöhung wird die<br />
Festigkeit des Werkstoffs abgesenkt.<br />
Der Spannungsabbau erfolgt durch<br />
Versetzungsbewegung und kann zu<br />
einer makroskopischen Verformung<br />
(Verzug) führen.<br />
Die Abkühlung muss sehr langsam<br />
erfolgen, damit keine neuen<br />
Spannungen aufgrund des<br />
Temperaturunterschieds zwischen Kern<br />
und Randschicht entstehen können.<br />
Eigenspannung [MPa]<br />
100<br />
0<br />
-100<br />
-200<br />
-300<br />
-400<br />
-500<br />
0 200 400 600<br />
Anlaßtemperatur [°C]<br />
parallel<br />
senkrecht<br />
Abbau von Schleifeigenspannungen durch<br />
Spannungsarmglühen (Baustahl St37)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
124<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Mechanismus der<br />
Kristallerholung (Spannungsarmglühung)<br />
Verformtes Kristallgitter<br />
Bildung von Subkorngrenzen<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
125<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Rekristallisationsglühen<br />
c<br />
Rekristallisationsisothermen<br />
von reinem<br />
Kupfer nach 98%<br />
Kaltverformung. Der<br />
Verlauf lässt sich über<br />
die Avrami-Beziehung<br />
annähern:<br />
<br />
c<br />
1<br />
e<br />
( Kt<br />
n<br />
)<br />
Die Rekristallisation läuft über die Teilschritte<br />
Keimbildung und Keimwachstum<br />
ab. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird<br />
nach Arrhenius beschrieben über die<br />
Gleichung:<br />
v = A e -Q/(kT)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
126<br />
Diagramm zur Extrapolation<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Mechanismen der Entfestigung<br />
Rekristallisation<br />
Rekristallisationsschaubild von Messing<br />
Festigkeitsverlauf<br />
Zugfestigkeit<br />
Erholung<br />
Rekristallisation<br />
Kornvergröberung<br />
Temperatur<br />
Erholung: Entspannung des Materials<br />
ohne Kornneubildung<br />
Kornvergrößerung: Wachstum<br />
energetisch günstigerer Körner<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
127<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Vorgänge bei der<br />
Rekristallisation<br />
Keimbildung und Kornwachstum<br />
a) b)<br />
c) d)<br />
a) Rekristallisationskeime im<br />
kaltumgeformten Gefüge<br />
b) Wachsen vorhandener Keime<br />
( rekristalliserte Körner)<br />
c) Zusammenwachsen<br />
rekristallisierter Körner<br />
d) Neues Gefüge aus<br />
unverformten Körnern<br />
(Rekristallisation abgeschlssen)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
128<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Rekristallisation von Kupfer<br />
mittl. Korndurchmesser<br />
Kaltumformung (%)<br />
Glühung: 30 min 830 °C<br />
Keine Rekristallisation bei sehr<br />
geringen Umformgraden<br />
Rekristallisation mit sehr grobem<br />
Korn bei kleinen Umformgraden<br />
(wenige, schnell wachsende<br />
Keime)<br />
Abnehmende Korngröße mit<br />
zunehmendem Umformgrad<br />
(viele Keime, die sich in ihrem<br />
Wachstum gegenseitig<br />
behindern)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
129<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Erholung - Rekristallistion -<br />
Kornwachstum<br />
<strong>Einf</strong>luss der<br />
Wärmebehandlung<br />
auf eine 75%<br />
kaltverformte<br />
Messing-Legierung<br />
CuZn35<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
130<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Homogenisieren und<br />
Diffusionsglühen<br />
Ausgleichen von Konzentrationsunterschieden aufgrund von<br />
Kornseigerungen. Temperatur und Glühzeit hängen von den<br />
Diffusionskoeffizienten der betreffenden Legierung ab.<br />
Die Glühtemperatur liegt häufig nur knapp unterhalb der<br />
Solidustemperatur.<br />
Beachte:<br />
• Gefahr des Aufschmelzens bei eutektischen Systemen<br />
• Grobkornbildung<br />
Das Homogenisierungsglühen ist ein wichtiger<br />
Verfahrensschritt bei der Ausscheidungshärtung.<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
131<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Festigkeitssteigernde<br />
Mechanismen<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
132<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Kaltverfestigung<br />
Durch Kaltumformung unterhalb der<br />
Rekristallisationstemperatur (0,4 T m )<br />
(z. B. Walzen, Rundhämmern, Ziehen<br />
etc.) lässt sich die Festigkeit steigern.<br />
Gleichzeitig verliert der Werkstoff<br />
einen Teil seines Verformungsvermögens<br />
(Duktilität).<br />
• Zunahme der Versetzungsdichte<br />
• Zunahme des elektrischen<br />
Widerstandes<br />
• z. T. Verschlechterung der<br />
Korrosionseigenschaften<br />
• Verformungstextur<br />
Änderung der mechanischen Kennwerte von Kupfer und<br />
Messing (CuZn30) als Funktion des Umformgrades<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
133<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Kaltverfestigung<br />
3% 6%<br />
Zur Erinnerung:<br />
weichgeglühtes Metall: ca. 10 12 m -2 (1 km pro mm 3 )<br />
kaltverformtes Metall: ca. 10 16 m -2 (10.000 km/mm 3 )<br />
Ursachen der Verfestigung:<br />
10% 18%<br />
Versetzungslinien in austenitischem CrNi-<br />
Stahl nach Kaltverformung (TEM)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
134<br />
Gleitfähige Versetzungen wandern bis an<br />
Versetzungsknoten oder andere Hindernisse<br />
innerhalb der Kristalle, werden dort festgehalten<br />
und fallen für die weitere Formänderung aus.<br />
Durch Aufstauen von Versetzungen in parallelen<br />
Gleitebenen bildet sich der Versetzungswald.<br />
Neubildung von Versetzungen führt zu weiterer<br />
Erhöhung der Versetzungsdichte.<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Bildung neuer Versetzungen<br />
(z.B. über Frank-Read-Quelle)<br />
A<br />
A<br />
A<br />
A<br />
A<br />
B<br />
B<br />
B<br />
B<br />
B<br />
Die Versetzungslinie AB liegt innerhalb einer<br />
Gleitebene und ist an den Punkten A und B<br />
verankert (z. B. Versetzungsknoten,<br />
Ausscheidungen etc.). Bildung eines neuen<br />
Versetzungsringes unter Schubspannung.<br />
Rechts: Frank-Read-Quelle in Silizium<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
135<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Mischkristallhärtung<br />
Elastische Wechselwirkung zwischen dem Spannungsfeldern gelöster<br />
Fremdatome und den Spannungfeldern gleitender Versetzungen.<br />
Interstitiell gelöste Fremdatome zeigen eine größere Hinderniswirkung<br />
als Substitutions-Fremdatome (Beispiel: Martensithärte). Die<br />
Festigkeitssteigerung ist vom Atomradius der Fremdatome und von<br />
ihrer Konzentration abhängig.<br />
Schubspannung M [MPa]<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Cu-Sb<br />
Cu-Sn<br />
Cu-In<br />
Cu-Au<br />
0,5 1,0 1,5<br />
Atomprozent<br />
Cu-Mn<br />
Cu-Si<br />
Schubspannung M [MPa]<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Cu<br />
Cu-Ni<br />
20 40 60 80 100<br />
Atomprozent Ni <br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
136<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Umwandlungshärtung<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
137<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Umwandlungshärtung<br />
(enorme Bedeutung bei Stahl)<br />
Ausschnitt für die<br />
Wärmebehandlung<br />
kohlenstoffhaltiger Stähle<br />
Eisen-Kohlenstoff-<br />
Phasendiagramm<br />
kfz<br />
metastabiles<br />
System Fe-Fe 3 C<br />
Stabiles System<br />
Fe-C<br />
krz<br />
eutektoide Zusammensetzung<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
138<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Untereutektoider Stahl<br />
C C < 0,8 wt.%<br />
ferritisch -<br />
perlitisch<br />
20 μm<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
139<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Eutektoider Stahl<br />
C C = 0,8 wt.%<br />
reiner Perlit<br />
20 μm<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
140<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Übereutektoider Stahl<br />
C C > 0,8 wt.%<br />
Perlit und<br />
Korngrenzenzemetit<br />
50 μm<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
141<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Umwandlungshärtung<br />
Martensitische Umwandlung im Stahl:<br />
Diffusionsloser Umklappvorgang vom kfz -Fe<br />
(Austenit) in ein tetragonal verzerrtes krz-Gitter<br />
(-Fe)<br />
Es besteht ein kristallographischer Zusammenhang<br />
zwischen dem Austenit- und Martensitgitter:<br />
Haasen, Phys. Metallkunde<br />
Fe - 1,4 % C: (111) (110) ´ ; [110 ] [111] ´<br />
{225} bzw. {259} <br />
(Kurdjumov-Sachs)<br />
m<br />
Fe - 30 % Ni: (111) (110) ´ ; [211 ] [110] ´<br />
(Nishiyama-Wassermann)<br />
Orientierung der Habitusebene der<br />
Martensitplatten im Austenitgitter:<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
142<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Bain-Modell<br />
Fe-Atom<br />
C-Atom in Oktaederlücke<br />
y, y´<br />
[011] A [111] M<br />
(011) A (121) M<br />
Umwandlung des kfz-<br />
Gitters durch Stauchung<br />
in z-Richtung in ein<br />
tetragonales raumzentriertes<br />
Gitter.<br />
( Martensithärte)<br />
Diffusionsloser<br />
Umklappvorgang in<br />
Verbindung mit<br />
Scherprozessen<br />
x<br />
Kohlenstoffatome<br />
befinden sich in<br />
Oktaederlücken.<br />
x´<br />
z<br />
z´<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
143<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Vergüteter Stahl<br />
Schematische Darstellung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms eines<br />
Vergütungsstahls in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung.<br />
2<br />
3<br />
1<br />
E-Modul und Zusammensetzung<br />
ändern sich nicht. Jedoch sind<br />
Zugfestigkeit und<br />
Bruchdehnung über einen<br />
weiten Bereich beeinflussbar.<br />
gehärtet<br />
(martensitisch)<br />
vergütet (gehärtet<br />
und angelassen)<br />
normalgeglüht<br />
(weich)<br />
Schauvorlesung<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
144<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Temperaturbereiche für Glühbehandlungen<br />
der C-Stähle<br />
1200<br />
Diffusionsglühen<br />
Temperatur [°C]<br />
1000<br />
A 3<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
G<br />
Ferrit<br />
()<br />
+ <br />
Anlassen<br />
Austenit ()<br />
Ferrit + Fe 3 C<br />
+ Fe 3 C<br />
0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4<br />
Kohlenstoffgehalt [Gew.-%]<br />
S<br />
A c<br />
m<br />
A 1<br />
Hochglühen<br />
mit langsamer Abkühlung <br />
bessere Spanbarkeit<br />
Auflösung des<br />
Karbidnetzes<br />
Normalglühen<br />
Weichglühen<br />
Spannungsarmglühen<br />
Ausschnitt aus dem<br />
Phasendiagramm Fe-Fe 3 C<br />
zur Wärmebehandlung<br />
unlegierter Kohlenstoffstähle.<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
145<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
<strong>Einf</strong>luss der<br />
Abkühlgeschwindigkeit<br />
Verschiebung der A1 und<br />
A3 Umwandlungstemperatur bei<br />
einem untereutektoiden Stahl.<br />
Beginn der Zwischenstufe Az<br />
und der Martensitbildung Ms<br />
sind eingezeichnet.<br />
UK ... untere kritische<br />
Abkühlgeschwindigkeit,<br />
OK ... obere kritische<br />
Abkühlgeschwindigkeit.<br />
Martensitbildung als<br />
wichtigste Form der<br />
Umwandlungshärtung<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
146<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Wärmebehandlung der Stähle<br />
Perlit:<br />
Sorbit:<br />
Isothermes Zeit-Temperatur-<br />
Umwandlungsschaubild für einen<br />
Kohlenstoffstahl mit eutektoider<br />
Zusammensetzung<br />
Troostit:<br />
Bainit:<br />
Ferrit und Zementit (Fe 3 C) in<br />
lamellarer Anordnung<br />
Feinlamellarer Perlit<br />
Feinstlamellarer Perlit,<br />
(lichtmikroskopisch nicht<br />
mehr auflösbar)<br />
Ferrit mit submikroskopisch<br />
kleinen Ausscheidungen von<br />
Fe 3 C<br />
Zwischenst.: Bainit, Sorbit, Troostit<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
147<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Aufkohlen, Einsatzhärten<br />
Aufkohlen eines Einsatzstahls:<br />
Kohlenstoffhaltige<br />
Atmosphäre<br />
T = 930 °C<br />
Einsatzstahl<br />
(z.B. 16MnCr5)<br />
Kohlenstoffgehalt im Medium<br />
an der Oberfläche 1,3%<br />
Kohlenstoffgehalt im Stahl an<br />
der Oberfläche ≈ 0,8%<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
Kohlenstoffgehalt 0,16%<br />
(Ausgangszustand)<br />
148<br />
C-Gehalt [%]<br />
1,0<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
T = 930 °C<br />
t = 10 h<br />
0,2<br />
t = 0,001 h<br />
0<br />
0 1 2 3<br />
Abstand zur Oberfläche [mm]<br />
c(x,t) = c 1<br />
-(c 1<br />
-c 0<br />
)<br />
<br />
<br />
2<br />
x <br />
<br />
D t<br />
<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Glühfarben von Eisenwerkstoffen<br />
Glühtemperatur [°C]<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
149<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Ausscheidungshärtung<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
150<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Ausscheidungshärtung<br />
Behinderung der Versetzungsbewegung<br />
durch ausgeschiedene Teilchen<br />
Ni 3 Al Ausscheidungen (hell) in<br />
einer Ni-Matrix (dunkel):<br />
Voraussetzung ist eine mit steigender Temperatur<br />
zunehmende Löslichkeit der Komponente B im -<br />
Mischkristall.<br />
Um die Gefahr des Aufschmelzens zu vermeiden, muß<br />
die Homogenisierungstemperatur (T 1 ) unterhalb der<br />
eutektischen Temperatur liegen!<br />
Temperatur T<br />
A<br />
<br />
+S<br />
T T<br />
1<br />
1<br />
Auslagern (T 2 )<br />
<br />
T T 2<br />
2<br />
Zweiphasengebiet<br />
+ <br />
Konzentration c B<br />
B<br />
Temperatur T<br />
Lösungsglühen (T 1 )<br />
Abschrecken übersättigter Mischkristall<br />
Zeit t<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
151<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Ausscheidungshärten<br />
Aluminium mit Cu<br />
Bedingung für eine Ausscheidungshärtung aus fester Lösung ist eine<br />
abnehmende Löslichkeit mit abnehmender Temperatur.<br />
Al 2 Cu<br />
AlCu4Mg1, Dural (Düren 1909, durus = hart)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
152<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Auslagern übersättigter<br />
Mischkristalle<br />
Cluster<br />
Zone<br />
kohärente Ausscheidung<br />
inkohärente Ausscheidung<br />
Kohärente und inkohärente<br />
Ausscheidungen treten sehr<br />
selten auf. Am häufigsten:<br />
teil- oder semikohärent.<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
153<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Wechselwirkung zwischen<br />
Versetzungen und Teilchen:<br />
1. kohärente (schneidbare) Teilchen<br />
d<br />
L<br />
Die Gleitsysteme der Matrix gehen in die<br />
Gleitsysteme des Teilchens über.<br />
Versetzungen schneiden die Teilchen unter<br />
Bildung einer Antiphasengrenze oder von<br />
Versetzungspaaren.<br />
<br />
Versetzung<br />
<br />
<br />
0,1 μm<br />
Ni 3 Al-Teilchen einer Ni-Cr-Al-Legierung werden von<br />
Versetzungen geschnitten<br />
Nembach (1997)<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
154<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Wechselwirkung zwischen<br />
Versetzungen und Teilchen<br />
2. inkohärente (nicht schneidbare) Teilchen<br />
L<br />
-<br />
+<br />
-<br />
+<br />
Inkohärente Ausscheidungen:<br />
Versetzungen umgehen die<br />
Teilchen und hinterlassen dabei<br />
einen Versetzungsring (Orowan-<br />
Mechanismus, σ = Gb/L).<br />
Die zurückbleibenden<br />
Versetzungsringe erschweren die<br />
Widerholung dieses Vorgangs<br />
( Verfestigung).<br />
-<br />
+<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
155<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Umgehung von kohärenten Ausscheidungen<br />
bei hohem Volumenanteil<br />
L<br />
Bewegung von<br />
Versetzungen zu Beginn<br />
der plastischen<br />
Verformung nur in der<br />
leichter verformbaren<br />
Matrix.<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
156<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Ausscheidungshärten<br />
Anlasstemperatur und -zeit<br />
Vorgeschichte: Lösungsglühen mit anschließender rascher Abschreckung<br />
Geschwindigkeit durch<br />
Temperatur bestimmt (Diffusion).<br />
Überalterung<br />
log( )<br />
Bei höheren Temperaturen und zu<br />
langen Zeiten werden die<br />
Ausscheidungen teilkohärent,<br />
koagulieren, Abstände zu groß<br />
(Orowanspannung , σ = Gb/L).<br />
Effekt der Ausscheidungshärtung mit zunehmender Anlasstemperaturen, bzw. -zeiten<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
157<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Heat treatment<br />
L<br />
As-cast<br />
(segregations,<br />
eutectics)<br />
Homogenization<br />
and solution heat<br />
treatment (very<br />
small window),<br />
quenching<br />
Ageing for<br />
precipitation of the<br />
‘-phase<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
158<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Microstructure Pt 80 Al 11 Cr 3 Ni 6<br />
As-cast<br />
+ aged<br />
Homogenized and<br />
water quenched<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
159<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Microstructure Pt 78.5 Al 12.5 Cr 3 Ni 6<br />
3 vol.% ‘<br />
34 vol.% ‘<br />
No cold or hot formability<br />
Water quenched<br />
with > 300 K/s<br />
single phase<br />
30 vol.% ‘<br />
Homogenized and air cooled with 5 K/s<br />
Furnace cooled<br />
with 0,1 K/s<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
160<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Dispersionshärtung<br />
Die Festigkeitssteigerung erfolgt analog zur<br />
Ausscheidungshärtung.<br />
Dispersionshärtung:<br />
feinverteilt eingelagerte Teilchen (meist<br />
Oxide, z.B. Al 2 O 3 oder Y 2 O 3 ):<br />
• pulvermetallurgische Herstellung<br />
• innere Oxidation<br />
• „mechanisches Legieren“<br />
Festigkeit<br />
Ausscheidungsverfestigung<br />
• Vorteil im Vgl. zur Ausscheidungshärtung<br />
Dispersoide haben höhere Temperaturbeständigkeit<br />
T hom = T m /T<br />
Dispersionsverfestigung<br />
1,0<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
161<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>
Feinkornhärtung<br />
Verformung im Vielkristall<br />
• Aufstauen von Versetzungen an den<br />
Korngrenzen<br />
• Bei Überschreiten einer kritischen<br />
Schubspannung: Weitergleiten auf einem<br />
neuen Gleitsystem im benachbarten<br />
Kristall.<br />
• Bei gleicher Häufigkeit der Orientierungen<br />
zur äußeren Spannung gilt:<br />
Den <strong>Einf</strong>luß der Korngröße auf die<br />
Streckgrenze beschreibt die Hall-Petch-<br />
Beziehung:<br />
= 0 +<br />
K: Konstante (Korngrenzenfestigkeit)<br />
d: mittlerer Korndurchmesser<br />
K<br />
d<br />
0 = M 0<br />
0 : Streckgrenze des Vielkristalls<br />
M: Taylor-Faktor; M = 3,06<br />
0 : kritische Schubspannung<br />
Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle<br />
162<br />
Uwe Glatzel, <strong>Metallische</strong> <strong>Werkstoffe</strong>