Werkstofftechnische Grundlagen

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Umformende
Fertigungstechnologien
Werkstofftechnische Grundlagen
A. E. Tekkaya, T. Dang
Wintersemester 2014/2015
Terminplanung UFT WS 2014/2015
Termin
Vorlesung, Mittwoch,
SRG1, H.001, 10:15 – 11:45
Termin
Übung, Donnerstag,
HGII, HS5, 8:15 – 9:45
15.10.2014
Einführungsveranstaltung
16.10.2014
29.10.2014
Vorlesung 2 – Plastizitätstheorie I
Vorlesung 1 – Werkstofftechnische
Grundlagen
05.11.2014
Vorlesung 3 – Plastizitätstheorie II
13.11.2014
Vorlesung 4 – Kennwertermittlung
(inkl. Live-Experiment)
12.11.2014
Übung 1
27.11.2014
Übung 3
19.11.2014
Übung 2
26.11.2014
Vorlesung 5 – Analytik
04.12.2014
Vorlesung 7 – Schmieden
03.12.2014
Vorlesung 6 – Walzen
18.12.2014
Hallenvorlesung
10.12.2014
Vorlesung 8 – Fließpressen
15.01.2014
Vorlesung 11 – Tiefziehen
(inkl. Live-Experiment)
17.12.2014
Vorlesung 9 – Biegen
07.01.2015
Vorlesung 10 - Blechumformung
29.01.2015
Übung 5
14.01.2015
Übung 4
21.01.2015
Vorlesung 12 – Trennen und Fügen
28.01.2015
Vorlesung 13 – Umformmaschinen
04.02.2015
Vorlesung 14 – Zusammenfassung
Voraussichtlicher Klausurtermin: 24.02.2015
Termin Zwischentestat: 06.12.2014
Aktuelle Ankündigungen und Vorlesungsunterlagen
finden Sie im Moodle-Kurs der Veranstaltung
Vorlesung
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
Übung
Sonstiges
1.2
UFT Interaktiv
Live Abstimmung während der Vorlesung
Teilnahme mittels Smartphone oder Laptop
Mehrere Abstimmungen / Fragen pro Vorlesungstermin
Zwei Teilnahmemöglichkeiten
1. Apps für iOS, Android, Windows, MacOS:
www.eduvote.de/downloads_students.html
2. Browserbasiertes Abstimmungsformular:
www.eduvote.de/vote.html
Anmelde ID: [email protected]
Session Code nicht erforderlich
Abstimmung ist nur nach Freigabe durch den Dozenten möglich
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.3
UFT Interaktiv - Anleitung
1. Software installieren oder browserbasiertes Formular öffnen
2. Anmelde-ID eintragen ([email protected])
3. Nach Freigabe einer Frage durch den Dozenten auf „Vote“ klicken
4. Abstimmen durch Klicken auf eine der angezeigten Antwortmöglichkeiten
5. Der Dozent beendet die Umfrage und präsentiert das Ergebnis
Schritt 2
[email protected]
21%
A
Schritt 3
36%
B
C
14%
18%
D
E
Schritt 4
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
11%
Schritt 5
1.4
Inhalt der Vorlesung
UFT01 – Werkstofftechnische Grundlagen
1.1 Einführung
1.2 Kristallgitterstrukturen
1.3 Umformmechanismen
1.4 Verfestigung
1.5 Entfestigung
1.6 Wärmebehandlung von Stählen
1.7 Sondererscheinungen
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.5
Inhalt der Vorlesung
UFT01 – Werkstofftechnische Grundlagen
1.1 Einführung
1.2 Kristallgitterstrukturen
1.3 Umformmechanismen
1.4 Verfestigung
1.5 Entfestigung
1.6 Wärmebehandlung von Stählen
1.7 Sondererscheinungen
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.6
Film – Herstellen einer Kurbelwelle
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.7
Inhalt der Vorlesung
UFT01 – Werkstofftechnische Grundlagen
1.1 Einführung
1.2 Kristallgitterstrukturen
1.3 Umformmechanismen
1.4 Verfestigung
1.5 Entfestigung
1.6 Wärmebehandlung von Stählen
1.7 Sondererscheinungen
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.8
Kristalle – Körner – Gefüge von Metallen
a
a) Elementarzelle
c) Korn (Kristallit)
Quelle: Lange
WS14/15
a
b) Kristallgitter
0,05 mm
d) Im Lichtmikroskop sichtbares Gefüge
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.9
Gitterstrukturen
kubisch raumzentriert kubisch flächenzentriert
(krz)
(kfz)
Beispiele:
Chrom (Cr), Eisen (α-Fe),
Molybdän (Mo),
Tantal (Ta), Wolfram (W)
Quelle: Groover (2005)
WS14/15
Beispiele:
Aluminium (Al),
Eisen (γ-Fe), Kupfer (Cu),
Gold (Au), Blei (Pb),
Silber (Ag), Nickel (Ni)
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
hexagonal dichteste
Packung (hdp)
Beispiele:
Magnesium (Mg),
Titan (Ti),
Zink (Zn)
1.10
Inhalt der Vorlesung
UFT01 – Werkstofftechnische Grundlagen
1.1 Einführung
1.2 Kristallgitterstrukturen
1.3 Umformmechanismen
1.4 Verfestigung
1.5 Entfestigung
1.6 Wärmebehandlung von Stählen
1.7 Sondererscheinungen
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.11
Metallgitter (Metalllegierungen)
Atome lösen ihre Außengehäuseelektronen
und werden „+“ – Ionen, umgeben von
einer freien Elektronwolke.
Die freien Elektronen dienen als „Klebstoff“,
um die Atome zusammenzuhalten.
Metallische Bindung
Elektronengas
Quelle: Shackelford
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
Atomrumpf
1.12
Scherbelastung - elastische & plastische
Deformation

Elastische Verformung:
Undeformierter Kristall
τ theoretisch


G
G
bis
=
30
2π
G : Schubmodul
Elastische/plastische
Verformung:

WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.13
Zwillingsbildung
undeformierter Kristall
Zwillingsebene
Zwillingsebene
plastische
Deformation
Gefüge mit
Verformungszwillingen.
Zink leicht umgeformt;
polarisiertes Licht,
ungeätzt.
Quelle: Lange
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.14
Theoretische und reale Schubfestigkeit
τ theoretisch
G
G
bis
=
30
2π
Metall
Schubmodul
in MPa
Theoretische
Schubfestigkeit
in MPa
Reale
Schubfestigkeit
in MPa
Stahl
75.800
2.500 – 12.000
150 - 750
Aluminiumlegierung
27.500
900 – 4.400
50 - 150
Kupferlegierung
41.400
1.400 – 6.600
100 - 250
Titanlegierung
44.800
1.500 – 7.100
350 - 800
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.15
Gitterfehler
Definition:
Gitterfehler oder Versetzungen entstehen aufgrund der
Abweichungen im normalen Muster der kristallinen
Gitterstruktur.
•
Punktfehler (nulldimensional)
• Leerstellen
• Ionen-Paar-Verschiebung
• Einlagerung
• Versetztes Ion
•
Flächenfehler (zweidimensional)
• Korngrenzen
•
Linienfehler (eindimensional)
• Stufenversetzung
• Schraubenversetzung
•
Lunker (dreidimensional)
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.17
Versetzungen - Linienfehler
Stufenversetzung
Quelle: Lange
WS14/15
Schraubenversetzung
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.18
Wandern von Stufenversetzungen
τ
τ
τ
τ
τ
τ
τ
τ
Belegfläche
Verschiebung
2. Im Falle von kfz und
krz herrscht eine
höhere Ebenendichte
verglichen mit der hdp
Kristallstruktur
hdp krz kfz
1. Steigende Anzahl an
Gleitebenen führt zu
einer Erhöhung des
Formänderungsvermögens
Formänderungsvermögen
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.19
Gleitebenen
• Jede Kristallstruktur beinhaltet Gleitebenen sowie
Gleitrichtungen höchster Dichte
• Ein Gleitsystem ist die Kombination aus Gleitebenen und
Gleitrichtungen höchster Dichte
• Die Anzahl der Gleitsysteme ist verantwortlich für die
mechanischen Eigenschaften eines Metalls
kfz
a)
WS14/15
b)
1.20
Inhalt der Vorlesung
UFT01 – Werkstofftechnische Grundlagen
1.1 Einführung
1.2 Kristallgitterstrukturen
1.3 Umformmechanismen
1.4 Verfestigung
1.5 Entfestigung
1.6 Wärmebehandlung von Stählen
1.7 Sondererscheinungen
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.22
Verfestigung - Aufstauen
Zugversuch
Schematischer Kraft-Weg-Verlauf
F
Zunahme
der Kraft
Kraft
u
Zugprobe
F
Versagen
der Probe
Weg
Aufstauen von Versetzungen vor einem Hindernis
Versetzung
Quelle: Bargel/Schulze
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
Hindernis
1.23
Verfestigung - Vermehrung
1. Orowan-Mechanismus:
Geändert nach: Bargel, Schulze
2. Frank-Read-Quelle:
Geändert nach: Lange
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.25
Bewegen von Versetzungen - Film
Quelle: Ausschnitte aus: „LIVING METALS“, Nagoya Univ., Japan
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.26
Inhalt der Vorlesung
UFT01 – Werkstofftechnische Grundlagen
1.1 Einführung
1.2 Kristallgitterstrukturen
1.3 Umformmechanismen
1.4 Verfestigung
1.5 Entfestigung
1.6 Wärmebehandlung von Stählen
1.7 Sondererscheinungen
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.27
Überblick Entfestigung
Zwei Entfestigungsmechanismen:
T in Kelvin
Erholung
(0,3 Tm < T < 0,5 Tm)
Rekristallisation
(T > 0,5 Tm)
Raumtemperatur
TRT
Schmelztemperatur
0,3·Tm
0,5·Tm
Erholung
Tm
Rekristallisation
Temperatur
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.28
Gitterfehler - Korngrenzen
Großwinkelkorngrenzen,
mittleres Korn durch
Kleinwinkelkorngrenzen in
Mosaikblöckchen
unterteilt.
Kleinwinkelkorngrenze
Quelle: Lange, Bargel/Schulze
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.29
Erholung – Subkornbildung (Polygonisation)
Versetzungsanordnung im
gebogenen Kristall
Korngrenzen
Versetzungsanordnung
nach Polygonisation
Versetzungen
Subkornbildung bei der
Polygonisation; Fe 11,7 %
Al (Warlimont)
nach der plastischen
Verformung
nach der Erholung
Quelle: Bargel/Schulze; Prof. A. Brückner-Foit
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.30
Rekristallisationsschaubild bei konstanter
Glühzeit (schematisch)
1
Sekundäre Rekristallisation
2
3
Quelle: Bargel/Schulze
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.33
Gitterfehler - Stapelfehler
• Stapelfehler: ein 2-dimensionaler Gitterfehler
• Stapelfehler führt zu Bildung von Korngrenzen
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.34
Statische und dynamische Vorgänge beim
Strangpressen
Werkstoff
SFE = Stapelfehlerenergie
dynamische Erholung
hoher SFE
statische Erholung
+ Rekristallisation
dynamische Erholung
+ Rekristallisation
niedriger SFE
statische Erholung
+ Rekristallisation
Quelle: Lange
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.35
Entwicklung der Kornstruktur beim
Strangpressen
Werkstoff: AA6082
Guß
WS14/15
Streckung + Erholung
Rekristallisation +Erholung
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
Streckung Dyn. Rekristallisation
1.36
Inhalt der Vorlesung
UFT01 – Werkstofftechnische Grundlagen
1.1 Einführung
1.2 Kristallgitterstrukturen
1.3 Umformmechanismen
1.4 Verfestigung
1.5 Entfestigung
1.6 Wärmebehandlung von Stählen
1.7 Sondererscheinungen
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.37
Motivation:
Wärmebehandlung in der Umformtechnik
Materialverfestigung
und Materialausrichtung
beispielsweise beim
Walzen
Oberwalze
Unterwalze
Animation
Hartes und sprödes Material durch
Kaltwalzen (kleine Fe-Kristalle)
Wachstum der Fe-Kristalle
(= Rekristallisation) durch
Wärmeeinbringung (=Glühen)
Animation
Quelle: Rasselstein-Hoesch
WS14/15
Weiches und formbares (= duktiles)
Material
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.38
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung beinhaltet ein zeitlich begrenztes
Erwärmen von metallischen Werkstücken, insbesondere von
Stählen auf bestimmte Temperaturen, unter Beachtung
der Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten
zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften.
Einflussgrößen:
• Erwärmungs- und Haltezeit
• Wärmebehandlungstemperatur
• Atmosphäre
• Abkühlung
Quelle: Lange
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.39
Wärmebehandlungsverfahren
Glühverfahren (Entfestigen)
Härteverfahren (Verfestigen)
- Normalglühen: feinkörniges,
- Durchhärten: Festigkeitserhöhung
des gesamten Werkstücks
- Randschichthärten:
Festigkeitserhöhung an der
Oberfläche
- Vergüten: Werkstoff wird nach dem
Härten wieder gezielt erweicht
gleichmäßiges Gefüge
- Weichglühen: weicher Zustand für
spanabhebende Bearbeitung
- Spannungsarmglühen:
Beseitigung von Spannungen
- Rekristallisationsglühen:
Beseitigung der Kaltverfestigung
- Grobkornglühen: Sprödes Gefüge
für spanende Bearbeitung
- Diffusionsglühen: Homogenisieren
des Werkstoffes
Quelle: Bargel/Schulze
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.40
Korngrößen, Glühtemperatur, Zeit
Schematische Darstellung der
Temperaturführung beim
Wärmebehandeln
Zeit
Kornwachstum
über die Zeit
Quelle:
Dr. R. Henseler;
Prof. A. Brückner-Foit
640 °C
600 °C
550 °C
500 °C
450 °C
400 °C
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
Temperaturabhängigkeit
der Korngröße bei fester
Glühzeit
(Aluminium, 30 min)
1.41
Härten
Erwärmen
Abschrecken
Werkstück
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.44
Presshärten
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.45
Inhalt der Vorlesung
UFT01 – Werkstofftechnische Grundlagen
1.1 Einführung
1.2 Kristallgitterstrukturen
1.3 Umformmechanismen
1.4 Verfestigung
1.5 Entfestigung
1.6 Wärmebehandlung von Stählen
1.7 Sondererscheinungen
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.46
Blausprödigkeit bei Stahlwerkstoffen
Anstieg der Fließspannung zwischen 150°C und 500°C mit
gleichzeitigem Sinken der Dehnungswerte bei Stählen mit geringem
Kohlenstoffgehalt.
Einfluss von Temperatur und
Formänderungsgeschwindigkeit auf die
Fließspannung.
Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt
(C 15).
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.47
Reckalterung
Reckalterung: Erhöhung der Streckgrenze durch Auslagerung
(Englisch: Bake-hardening)
Einfluss der Alterung auf
den Verlauf eines
Stufenzugversuchs.
Verlauf III nach Alterung.
Geändert nach: Lange
WS14/15
Anlagerung von interstitiell
gelösten Atomen an einer
Stufenversetzung.
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.48
Appendix: English for Production Engineers
German
English
German
English
Kristallgitter
crystal lattice
Kaltverfestigung
strain hardening
Gleiten
slide
Rekristallisation
recrystallization
Gleitebene
sliding plane
Glühen
annealing
Gitterfehler
lattice defect
Härten
hardening
Versetzung
dislocation
Erholung
recovery
Korngrenze
grain boundary
Blausprödigkeit
blue brittleness
Verformungszwilling
twinning
Reck-Alterung
bake-hardening
Zugversuch
tensile test
Stapelfehler
stacking fault
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.49
Literaturverzeichnis
Ashby, M.F.
Jones, D.R.H.
Engineering Materials 1,
Second Edition. Butterworth Heineman, Oxford, 1996.
Lange, K.
Umformtechnik
Handbuch für Industrie und Wissenschaft - Band 1: Grundlagen,
2. Auflage, Springer-Verlag, 2002
Kalpakjian, S.
Schmid, S.R.
Manufacturing Engineering and Technology,
5. Edition, Pearson Prentice Hall, 2006
Bargel,
Schulze
Werkstoffkunde,
7. Auflage, Springer-Verlag, 2000
Hornbogen
Werkstoffe,
9.Auflage, Springer Verlag, 2008
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.50
Vorlesungsfeedback
Eure Meinung ist uns wichtig!
Konstruktive Kritik, Verbesserungsvorschläge oder Lob sind ausdrücklich
erwünscht. Hierfür stehen Euch zwei Möglichkeiten zur Verfügung:
1. Bewertet diese Vorlesung bis zu sieben Tage nach dem Vorlesungstermin:
https://moodle2.tu-dortmund.de/course/view.php?id=530
2. Die Bewertung der Gesamtveranstaltung ist zu jedem Zeitpunkt auf unserer
MeinProf-Seite möglich:
http://www.meinprof.de/uni/kurs/61935
WS14/15
UFT - Werkstofftechnische Grundlagen
1.51
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