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
