Metallische Werkstoffe Werkstofftechnik Einführung Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung.
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Metallische Werkstoffe
Werkstofftechnik
Einführung
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Metalle und Legierungen
Struktur und Eigenschaften
Einteilung der Werkstoffe
Schwer-metalle
> 5kg/dm³
Kupfer, Zink,Blei
Leicht- metalle
< 5kg/dm³
Alu, Titan,Magnesium,
Stähle
Baustahl, Werkzeug-, Vergütungs-stahl
Eisenguss-werkstoffe
Gusseisen,Temperguss,Stahlguss
Künstliche
Werkstoffe
Glas, Kunst-
stoff, Keramik
Natur-
Werkstoffe
Granit, Holz
Asbest
Metall Nichtmetalle
Eisen –Werkstoffe Nichteisenmetalle
Verbund-
werkstoffe
Verstärkte
Kunststoffe,
Hartmetalle
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Stoffkonstanten verschiedener Werkstoffe
20
40
60
80
10 20 30 40 50 60
F in k
N
Verformung in mm
Werkstoff Dichte in kg/dm3 Schmelzpunkt in °C
Aluminium 2,7 660
Messing ca. 8,5 ca. 900
Eisen 7,8 1535
Kupfer 8,93 ca. 1083Elastizität
20
40
60
80
10 20 30 40 50 60
F in k
N
Verformung in mm
20
40
60
80
10 20 30 40 50 60
F in k
N
Verformung in mm
elastisch
Baustahl
weichgeglühtes Kupfer
Gummi
plastisch
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
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.
HärteHärte 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
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Anforderungen an die Werkstoffe
Dieses Verhalten beschreiben chemisch-technologische Eigenschaften, wie Korrosionsverhalten und die Zunderbeständigkeit.
Wird der Werkstoff des Bauteils bei seinem vorgesehenen Verwendungszweck von umgebenden Stoffen oder bei erhöhter Temperatur angegriffen?
Hierüber informieren fertigungstechnische Eigenschaften, wie Gießbarkeit und Spanbarkeit.
Mit welchem Fertigungsverfahren lässt sich das Bauteil kostengünstig fertigen?
Auskunft darauf geben die Verschleißeigenschaften.Verschleißt der Werkstoff an Gleitflächen?
Dies beantworten mechanisch-technologische Eigenschaften, wie Festigkeit und Härte.
Kann der Werkstoff den auf das Bauteil einwirkenden Kräften standhalten?
Antwort geben physikalische Eigenschaften des Werkstoffs, wie Dichte, Schmelztemperatur und elektrische Leitfähigkeit.
Ist der Werkstoff z.B. aufgrund seines Gewichts, seiner Schmelztemperatur oder seines elektrischen Leitvermögens für diese Aufgabe geeignet?
Erforderliche EigenschaftenForderungen an den Werkstoff
Technische Aufgabe des Werkstoffs und der Werkstoffauswahl
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
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.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
= 1,29kg/dm³Luft (0°C, 1,013 bar):
19,27Wolfram7,85Stahl
11,3Blei2,7Aluminium
8,9Kupfer1Wasser
Dichte kg/dm³StoffDichte kg/dm³Stoff
Dichte von Stoffen
Dichte:Vm
1dm
1d
m
1dm
V=1dm³
Unter der Dichte eines Stoffes versteht man den Quotienten aus der Masse m und dem Volumen V eines Körpers.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Werkstoff zu schmelzen beginnt.
3387Wolfram658Al
1536Eisen327Blei
1083Kupfer232Zinn
Schmelz-
temperatur °CStoff
Schmelz-
temperatur °CStoff
Schmelztemperatur
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, den elektri-schen Strom zu leiten.
8%Blei62%Aluminium
17%Eisen106%Silber
29%Zink100%Kupfer
ProzentStoffProzentStoff
Elektrische Leitfähigkeit in % der Leitfähigkeit von Kupfer
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Thermische Längenausdehnung: tll **1
l1 ll1 = Ausgangslängel = Längenänderung = Längenausdehnungskoeffizientt = Temperaturänderung t2-t1
Der thermische Längenausdehnungskoeffizient gibt die Längenänderung l eines 1 m langen Körpers bei einer Temperaturänderung von t = 1°C an.
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Die Wärmeleitfähigkeit ist das Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, Wärmeenergie in sich zu leiten.
Wärmeenergie
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Elastizität eines Sägeblattes
Plastizität eines Bleistabes
Elastisch-plastische Verformung eines Stabstahls
Verformungsverhalten
Die verschiedenen Werkstoffe können elastisches, plastischesund elastisch-plastisches Verformungsverhalten haben.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Bestimmung der HärteZähigkeit, Sprödigkeit, Härte
Unter Härte versteht man den Widerstand, den ein Werk-stoff dem Eindringen eines Prüfkörpers entgegensetzt.
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Beanspruchungsarten
Beanspruchung der Werkstoffe
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.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
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.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Metall-Strukturen
Metallbindung (Beispiel Eisen)
Zusammen- lagerung
Aus dem Erz reduzierte Metallatome (Eisenatome Fe)
Metallionen -Verband (aus Eisenionen Fe²+)
Elektronen-wolke
frei bewegliche Elektronen
Metallionen
Die Metallbindung bewirkt den Aufbau der Metallkristalle und damit den äußerst festen Zusammenhalt (Festig-keit) der Metallteilchen.
Metalle sind gute elektrische Leiter.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
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 Körnern mit jeweils unterschiedlicher Ausrichtung der Kristallgitter und teilweise unterschiedlichen Kristallsystemen und Zusammensetzungen.
globulare Körner
lamellares Gefügedendritische Körner
polyedrische Körner
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Kristalliner Aufbau der Metalle
Kristallgitter mit Elementarzelle
Raumgitter Metallionen
Kubisch-flächenzentriert
Die wichtigsten Kristallgitter der Metalle
Kubisch-raumzentriert
Hexagonal dichteste Packung
Die Gitter bilden sich anfänglich aus Elementarzellen.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Aggregatszustände
Verformbarkeit der Metalle
GitterfehlerWährend der Kristallbildung entstehen Störungen im geometrischen Aufbau des Gittersystems beim 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.
Stufenversetzung
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
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 Gitterplatz sondern zwischen den Gitterplätzen befinden.
Substitutionsatome finden sich in Mischkristallen aus 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.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
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 Kupfer
Korrosion an Korngrenzen
Korngrenze in einer verzinkten Stahloberfläche
Korngrenzen eines polykristallinen Metalls
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
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.
Gefüge mit unter-schiedlichen Korngrößen
Innerer Aufbau eines reinen Metalls
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Kristallgemisch - Mischkristall
Legierungen haben gegenüber ihrem reinen Grundmetall meist verbesserte Eigenschaften, wie:
▪ höhere Festigkeit
▪ verbessertes Korrosionsverhalten
▪ größere Härte
▪ Bessere Formbarkeit
Innerer Aufbau einer Kristallgemisch-Legierung
Innerer Aufbau einer Mischkristall-Legierung
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
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.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Übersicht über die Wärmebehandlungsarten
WeichglühenAnwärmen, Durchwärmen, Abkühlen
von Brammen, Blech, Rohren, Halbzeugbessere spanende Bearbeitbarkeit
Nitrierhärten Härten von Stahl durch Zufuhr
von StickstoffErhöhung der Dauerschwingfestigkeit
Normalglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen
von Blech, Rohren, Halbzeugfeinkörnig, gleichmäßiges Gefüge
RandschichthärtenFlamm-, Induktions-, Laserstrahl-
und ElektronenstrahlhärtenGezielte Oberflächenhärtung
VergütenKombination aus Härten und
Anlassen bei höheren TemperaturenErhöht Dehnbarkeit und Zähigkeit
HärtenWärmebehandlung zum Erhöhen
der Härte von Legierungenverschleißfeste, zähe Bauteile
Spannungsarmglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen
von Blech, Rohren, HalbzeugSpannungen im Gefüge abbauen
RekristallisationsglühenAnwärmen, Durchwärmen, Abkühlen
von Blech, Rohren, HalbzeugZähigkeit wieder herstellen
Magnet-SchlussglühenGlühen in Vakuum oder Schutzgasen
sowie ReaktionsgasenMagnetische Eigenschaften reaktivieren
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Eisen: Beeinflussung durch metallische Legierungszusätze
Schnellarbeitsstahl mit 6% W, z.B. für
Räumnadeln
Dehnung (in geringem Maße),
Zerspanbarkeit
Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit,
SchneidhaltigkeitWolfram W
Werkzeugstahl, z.B. für GewindebohrerEmpfindlichkeit gegen ÜberhitzungDauerfestigkeit, Härte, WarmfestigkeitVanadium V
WärmedehnungFestigkeit, Zähigkeit, Durchhärtbarkeit,
KorrosionsbeständigkeitNickel Ni
Warmarbeitsstahl, z.B. für
Strangpressdorne
Anlasssprödigkeit, Schmied-
barkeit, (bei höherem Mo-Anteil)
Zugfestigkeit, Warm-festigkeit,
Schneidhaltigkeit, DurchhärtungMolybdän Mo
Vergütungsstahl z.B. für Schmiedeteile
Zerspanbarkeit, Kaltformbarkeit,
Graphitausscheidung bei
Grauguss
Zugfestigkeit, Durchhärtbarkeit, Zähigkeit (bei
wenig Mn)Mangan Mn
Schnellarbeitsstahl mit 10% Co, z.B. für
Drehmeißel
Kornwachstum bei höheren
TemperaturenHärte, Schneidhaltigkeit, WarmfestigkeitCobalt Co
Nichtrostender StahlDehnung (in geringem Maße)Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit,
Verschleißfestigkeit, KorrosionsbeständigkeitChrom Cr
Nitrierstahl; Desoxidationsmittel bei der
Stahlherstellung-Zunderwiderstand, Eindringen von StickstoffAluminium Al
AnwendungsbeispielDas Element erniedrigtDas Element erhöhtElemente
EN-GJS-NiCr30-3
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Eisen: Beeinflussung durch nichtmetallische Begleitelemente
Federstahl mit einer Zugfestigkeit Rm1600N/mm²
Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit,
Tiefziehfähigkeit, Schweißbarkeit,
Zerspanbarkeit
Zugfestigkeit, Dehngrenze,
KorrosionsbeständigkeitSilizium Si
AutomatenstahlKerbschlagzähigkeit, SchweißbarkeitZerspanbarkeitSchwefel S
Macht Schmelzen von Stahlguss und
Gusseisen dünnflüssigKerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit
Zugfestigkeit, Warmfestigkeit,
KorrosionswiderstandPhosphor P
Austenitischer StahlAlterungsbeständigkeit,
TiefziehfähigkeitVersprödung, AustenitbildungStickstoff N2
wird bei der Stahlherstellung entfernt, z.B.
durch VakuumbehandlungKerbschlagzähigkeitAlterung durch Versprödung, ZugfestigkeitWasserstoff H2
Vergütungsstahl mit Rm 800N/mm²Schmelzpunkt, Dehnung, Schweiß- und
Schmiedbarkeit
Festigkeit und Härte (Maximum bei
C0,9%), Härtbarkeit, RissbildungKohlenstoff C
AnwendungsbeispielDas Element erniedrigtDas Element erhöhtElemente
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildungc
Einteilung und Verwendung der Stähle
G ru n d s tä h le Q u a litä tss tä h le E d e ls tä h le
U n leg ie rte S tä h le
Q u a litä tss tä h le E d e ls tä h le
L eg ie rte S tä h le
S tä h le
Baustähle Werkzeugstähle
Stähle
warmfester Stahl, hochwarmfester Stahl, hitzebeständiger Stahl, nichtrostender Stahl, nichtmagnetisierbarer Stahl
unlegierter Baustahl, Feinkornbaustahl, Automatenstahl, Einsatzstahl, Vergütungsstahl, Nitrierstahl, Federstahl
Unterteilung in:
Verwendung für: Maschinenbau, Fahrzeugbau, Stahlbau, Gerätebau
Kaltarbeitsstahl, Warmarbeitsstahl, Schnellarbeitsstahl
Verwendung für: Gesenke, Spritzgussformen, Schneid-, Hand- und Maschinenwerkzeuge
Unterteilung in:
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung