Metallische Werkstoffe

1. Werkstofftechnik Wieland / Aus- und Fortbildung Metallische Werkstoffe Einführung

2. Metalle und LegierungenStruktur und Eigenschaften

3. Eisen –Werkstoffe Nichteisenmetalle Stähle Baustahl, Werkzeug-, Vergütungs-stahl Eisenguss- werkstoffe Gusseisen, Temperguss, Stahlguss Schwer-metalle  > 5kg/dm³ Kupfer, Zink, Blei Leicht- metalle  < 5kg/dm³ Alu, Titan, Magnesium, Natur- Werkstoffe Granit, Holz Asbest Künstliche Werkstoffe Glas, Kunst- stoff, Keramik Einteilung der Werkstoffe Verbund- werkstoffe Metall Nichtmetalle Verstärkte Kunststoffe, Hartmetalle Wieland / Aus- und Fortbildung

4. Stoffkonstanten verschiedener Werkstoffe Werkstoff Dichte in kg/dm3 Schmelzpunkt in °C Elastizität elastisch plastisch weichgeglühtes Kupfer Gummi Baustahl Wieland / Aus- und Fortbildung

5. Stoffkonstanten verschiedener Werkstoffe Zähigkeit Zähigkeit ist das Vermögen, innere Spannungen durch Verformung zu verteilen und damit ohne Beschädigung aufnehmen zu können. Das Gegenteil ist die Sprödigkeit. Härte Härte ist der Widerstand eines Körpers gegen das Eindringen eines anderen Körpers in die Oberfläche Korrosionsbeständigkeit Die chemische Beständigkeit von Metallen gegen Einflüsse von außen nennt man Korrosions- beständigkeit. Technologische Eigenschaften Verformbarkeit, Zerspanbarkeit, Gießbarkeit, Schweißbarkeit, Lötbarkeit Wieland / Aus- und Fortbildung

6. Technische Aufgabe des Werkstoffs und der Werkstoffauswahl Forderungen an den Werkstoff Erforderliche Eigenschaften Ist der Werkstoff z.B. aufgrund seines Gewichts, seiner Schmelztemperatur oder seines elektrischen Leitvermögens für diese Aufgabe geeignet? Antwort geben physikalische Eigenschaften des Werkstoffs, wie Dichte, Schmelztemperatur und elektrische Leitfähigkeit. Kann der Werkstoff den auf das Bauteil einwirkenden Kräften standhalten? Dies beantworten mechanisch-technologische Eigenschaften, wie Festigkeit und Härte. Verschleißt der Werkstoff an Gleitflächen? Auskunft darauf geben die Verschleißeigenschaften. Mit welchem Fertigungsverfahren lässt sich das Bauteil kostengünstig fertigen? Hierüber informieren fertigungstechnische Eigenschaften, wie Gießbarkeit und Spanbarkeit. Wird der Werkstoff des Bauteils bei seinem vorgesehenen Verwendungszweck von umgebenden Stoffen oder bei erhöhter Temperatur angegriffen? Dieses Verhalten beschreiben chemisch-technologische Eigenschaften, wie Korrosionsverhalten und die Zunderbeständigkeit. Anforderungen an die Werkstoffe Wieland / Aus- und Fortbildung

7. Werkstoff-Auswahl Nach Abwägung aller Gesichtspunkte wird der richtige Werkstoff für ein Bauteil ausgewählt: • der die Funktion des Bauteils und die technischen Anforderungen am besten erfüllt, • dessen Fertigung und Werkstoffpreis am günstigsten ist und • der bei der Fertigung und nach dem Gebrauch keine Belastung für die Umwelt darstellt. Wieland / Aus- und Fortbildung

8. Dichte: V=1dm³ 1dm 1dm 1dm Dichte von Stoffen Stoff Dichte kg/dm³ Stoff Dichte kg/dm³ Wasser 1 Kupfer 8,9 Aluminium 2,7 Blei 11,3 Stahl 7,85 Wolfram 19,27 Luft (0°C, 1,013 bar):  = 1,29kg/dm³ Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Unter der Dichte  eines Stoffes versteht man den Quotienten aus der Masse m und dem Volumen V eines Körpers. Wieland / Aus- und Fortbildung

9. Schmelztemperatur Stoff Schmelz- temperatur °C Stoff Schmelz- temperatur °C Zinn 232 Kupfer 1083 Blei 327 Eisen 1536 Al 658 Wolfram 3387 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Werkstoff zu schmelzen beginnt. Wieland / Aus- und Fortbildung

10. Elektrische Leitfähigkeit in % der Leitfähigkeit von Kupfer Stoff Prozent Stoff Prozent Kupfer 100% Zink 29% Silber 106% Eisen 17% Aluminium 62% Blei 8% Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, den elektri-schen Strom zu leiten. Wieland / Aus- und Fortbildung

11. Thermische Längenausdehnung: l l1 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe l1 = Ausgangslänge l = Längenänderung  = Längenausdehnungskoeffizient t = Temperaturänderung t2-t1 Der thermische Längenausdehnungskoeffizient  gibt die Längenänderung l eines 1 m langen Körpers bei einer Temperaturänderung von t = 1°C an. Wieland / Aus- und Fortbildung

12. Wärmeenergie Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Die Wärmeleitfähigkeit ist das Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, Wärmeenergie in sich zu leiten. Wieland / Aus- und Fortbildung

13. Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Verformungsverhalten Die verschiedenen Werkstoffe können elastisches, plastisches und elastisch-plastisches Verformungsverhalten haben. Elastizität eines Sägeblattes Elastisch-plastische Verformung eines Stabstahls Plastizität eines Bleistabes Wieland / Aus- und Fortbildung

14. Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Zähigkeit, Sprödigkeit, Härte Unter Härte versteht man den Widerstand, den ein Werk- stoff dem Eindringen eines Prüfkörpers entgegensetzt. Bestimmung der Härte Wieland / Aus- und Fortbildung

15. Beanspruchung der Werkstoffe Beanspruchungsarten Reale Körper sind nie vollständig starr, sondern sie werden durch äußere Kräfte verformt. Die äußere Kraft leistet Deformationsarbeit, die in dem elastischen Körper als potentielle Energie gespeichert wird. Elastische Körper nehmen nach dem Wegfall der Kraft wieder ihre alte Form an. Nichtelastische Körper behalten nach der Krafteinwirkung die neue Form bei, denn die Energie wurde durch die Verschiebung der Metallgitter genutzt. Wieland / Aus- und Fortbildung

16. Innerer Aufbau der Metalle Den Feinbau der Metalle bezeichnet man als kristallinen Aufbau oder als kristalline Struktur. Kupfer gediegen Metallproben unter dem Elektronen-Mikroskop: Man erkennt die Kristallstruktur, die an Tannenbäume erinnert. Wieland / Aus- und Fortbildung

17. Aus dem Erz reduzierte Metallatome (Eisenatome Fe) Metallionen -Verband (aus Eisenionen Fe²+) Elektronen- wolke Zusammen- lagerung frei bewegliche Elektronen Metallionen Metall-Strukturen Metallbindung (Beispiel Eisen) Die Metallbindung bewirkt den Aufbau der Metallkristalle und damit den äußerst festen Zusammenhalt (Festig-keit) der Metallteilchen. Metalle sind gute elektrische Leiter. Wieland / Aus- und Fortbildung

18. globulare Körner polyedrische Körner dendritische Körner lamellares Gefüge Metallgefüge Kristallbildung Entstehung der Kristalle: Metalle bilden normalerweise beim Übergang aus der Schmelze in den festen Zustand Kristalle mit regelmäßig angeordneten Atomen. Diese Kristalle wachsen zu Körnernmit jeweils unterschiedlicher Ausrichtung der Kristallgitter und teilweise unterschiedlichen Kristallsystemen und Zusammensetzungen. Wieland / Aus- und Fortbildung

19. Kristalliner Aufbau der Metalle Kristallgitter mit Elementarzelle Die wichtigsten Kristallgitter der Metalle Kubisch- flächenzentriert Kubisch- raumzentriert Hexagonal dichteste Packung Raumgitter Metallionen Wieland / Aus- und Fortbildung

20. Verformbarkeit der Metalle Gitterfehler Während der Kristallbildung entstehen Störungen im geometrischen Aufbau des Gittersystemsbeim Übergang in die feste Phase, durch Gitter- und Phasen-umwandlung, thermische Einflüsse und spanlose Umformung. Störungen in der Gitterstruktur erhalten die meisten Werkstoffe überhaupt erst die gewünschten Eigenschaften, sie stellen sie also meistens eine Verbesserung dar. Aggregatszustände Stufenversetzung Wieland / Aus- und Fortbildung

21. Kristalliner Aufbau der Metalle Defekt im Atomgitter: Zwischengitteratome : Atome oder Ionen, die sich im Atomgitter einer Kristallstruktur nicht auf einem regulären Gitterplatz befinden. Leerstelle ist ein Platz in der regelmäßigen Anordnung von Atomen, Ionen oder Molekülen im Kristallgitter, der unbesetzt ist. Zwischengitteratome sind Atome oder Ionen, die sich im Atomgitter einer Kristallstruktur nicht auf einem regulären Gitterplatzsondern zwischen den Gitterplätzenbefinden. Substitutionsatome finden sich in Mischkristallenaus mindestens zwei Stoffen, bei dem die Atome der zweiten Komponente auf regulären Gitterplätzen der ersten Komponente sitzen. Frenkel-Defekt: Ein Ion oder Atom verlässt seinen regulären Gitterplatz und wandert auf eine normalerweise nicht besetzte Position im Kristallgitter. Wieland / Aus- und Fortbildung

22. Gefüge mit unter- schiedlichen Korngrößen Innerer Aufbau eines reinen Metalls Korngrößen • Die gewünschte Korngröße kann erzielt werden durch: • Wärmebehandlung z.B. Normalglühen • Warmumformen z.B. Warmwalzen • Zugabe von Legierungs-elementen z.B. Mangan bei den Feinkornbaustählen. Wieland / Aus- und Fortbildung

23. Metallgefüge im Schliffbild unter dem Rastermikroskop Defekt im Atomgitter: Körner gibt es fast in jedem metallischen Werkstoff, meist sieht man sie jedoch nicht. Je kleiner die Körner, desto fester ist das Metall. Mit Glühen kann die Korn Größe verkleinert werden. Korngrenzen sind zweidimensionale Gitterfehler. Die Korngrenze trennt in einem Kristall Bereiche (Kristallite oder auch Körner genannt) unter-schiedlicher Ausrichtung mit ansonsten gleicher Kristallstruktur. An Korngrenzen sammeln bzw. bilden sich Ausscheidungen, insbesondere Oxide. Korngrenzen eines polykristallinen Metalls Korngrenzen Kupfer Korrosion an Korngrenzen Korngrenze in einer verzinkten Stahloberfläche Wieland / Aus- und Fortbildung

24. Innerer Aufbau einer Kristallgemisch- Legierung Innerer Aufbau einer Mischkristall- Legierung Kristallgemisch - Mischkristall Legierungen haben gegenüber ihrem reinen Grundmetall meist verbesserte Eigenschaften, wie: höhere Festigkeit verbessertes Korrosionsverhalten größere Härte Bessere Formbarkeit Wieland / Aus- und Fortbildung

25. Wärmebehandlung «Glühen» Was bedeutet Wärmebehandlung? Durch unterschiedliche Aufheizgeschwindigkeiten, Haltezeiten, Halte-temperaturen und Abkühlungsbedingungen lassen sich Zwangs-zustände im Werkstoff schaffen oder aufheben. Dies geschieht durch Umlagern von Teilchen (Atome, Moleküle) innerhalb des Gefüges. Dadurch können die Eigenschaften von Metallen gezielt verändert werden. Wärmebehandlung «geschützt» Mit der Wärmebehandlung im Vakuum oder unter Schutzgas werden Oberflächenreaktionen vermieden und werden zudem alle reaktionsfähigen Gasbestandteile erreicht. Das Ergebnis ist eine oxid- und entkohlungsfreie Oberfläche. Wieland / Aus- und Fortbildung

26. Übersicht über die Wärmebehandlungsarten Weichglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von Brammen, Blech, Rohren, Halbzeug bessere spanende Bearbeitbarkeit Rekristallisationsglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von Blech, Rohren, Halbzeug Zähigkeit wieder herstellen Härten Wärmebehandlung zum Erhöhen der Härte von Legierungen verschleißfeste, zähe Bauteile Normalglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von Blech, Rohren, Halbzeug feinkörnig, gleichmäßiges Gefüge Magnet-Schlussglühen Glühen in Vakuum oder Schutzgasen sowie Reaktionsgasen Magnetische Eigenschaften reaktivieren Randschichthärten Flamm-, Induktions-, Laserstrahl- und Elektronenstrahlhärten Gezielte Oberflächenhärtung Spannungsarmglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von Blech, Rohren, Halbzeug Spannungen im Gefüge abbauen Nitrierhärten Härten von Stahl durch Zufuhr von Stickstoff Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit Vergüten Kombination aus Härten und Anlassen bei höheren Temperaturen Erhöht Dehnbarkeit und Zähigkeit Wieland / Aus- und Fortbildung

27. Elemente Das Element erhöht Das Element erniedrigt Anwendungsbeispiel Aluminium Al Zunderwiderstand, Eindringen von Stickstoff - Nitrierstahl; Desoxidationsmittel bei der Stahlherstellung Chrom Cr Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit Dehnung (in geringem Maße) Nichtrostender Stahl Cobalt Co Härte, Schneidhaltigkeit, Warmfestigkeit Kornwachstum bei höheren Temperaturen Schnellarbeitsstahl mit 10% Co, z.B. für Drehmeißel Mangan Mn Zugfestigkeit, Durchhärtbarkeit, Zähigkeit (bei wenig Mn) Zerspanbarkeit, Kaltformbarkeit, Graphitausscheidung bei Grauguss Vergütungsstahl z.B. für Schmiedeteile Molybdän Mo Zugfestigkeit, Warm-festigkeit, Schneidhaltigkeit, Durchhärtung Anlasssprödigkeit, Schmied-barkeit, (bei höherem Mo-Anteil) Warmarbeitsstahl, z.B. für Strangpressdorne Nickel Ni Festigkeit, Zähigkeit, Durchhärtbarkeit, Korrosionsbeständigkeit Wärmedehnung EN-GJS-NiCr30-3 Vanadium V Dauerfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit Empfindlichkeit gegen Überhitzung Werkzeugstahl, z.B. für Gewindebohrer Wolfram W Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit, Schneidhaltigkeit Dehnung (in geringem Maße), Zerspanbarkeit Schnellarbeitsstahl mit 6% W, z.B. für Räumnadeln Eisen: Beeinflussung durch metallische Legierungszusätze Wieland / Aus- und Fortbildung

28. Elemente Das Element erhöht Das Element erniedrigt Anwendungsbeispiel Kohlenstoff C Festigkeit und Härte (Maximum bei C0,9%), Härtbarkeit, Rissbildung Schmelzpunkt, Dehnung, Schweiß- und Schmiedbarkeit Vergütungsstahl mit Rm  800N/mm² Wasserstoff H2 Alterung durch Versprödung, Zugfestigkeit Kerbschlagzähigkeit wird bei der Stahlherstellung entfernt, z.B. durch Vakuumbehandlung Stickstoff N2 Versprödung, Austenitbildung Alterungsbeständigkeit, Tiefziehfähigkeit Austenitischer Stahl Phosphor P Zugfestigkeit, Warmfestigkeit, Korrosionswiderstand Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit Macht Schmelzen von Stahlguss und Gusseisen dünnflüssig Schwefel S Zerspanbarkeit Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit Automatenstahl Silizium Si Zugfestigkeit, Dehngrenze, Korrosionsbeständigkeit Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit, Tiefziehfähigkeit, Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit Federstahl mit einer Zugfestigkeit Rm1600N/mm² Eisen: Beeinflussung durch nichtmetallische Begleitelemente Wieland / Aus- und Fortbildung

29. Stähle Baustähle Werkzeugstähle Verwendung für: Maschinenbau, Fahrzeugbau, Stahlbau, Gerätebau Verwendung für: Gesenke, Spritzgussformen, Schneid-, Hand- und Maschinenwerkzeuge Unterteilung in: Kaltarbeitsstahl, Warmarbeitsstahl, Schnellarbeitsstahl unlegierter Baustahl, Feinkornbaustahl, Automatenstahl, Einsatzstahl, Vergütungsstahl, Nitrierstahl, Federstahl warmfester Stahl, hochwarmfester Stahl, hitzebeständiger Stahl, nichtrostender Stahl, nichtmagnetisierbarer Stahl Einteilung und Verwendung der Stähle Unterteilung in: Wieland / Aus- und Fortbildung