Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

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Werkstofftechnik
Metallische Werkstoffe
Einführung
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Metalle und Legierungen
Struktur und
Eigenschaften
Einteilung der Werkstoffe
Metall
Eisen –Werkstoffe
Stähle
Baustahl,
Werkzeug-,
Vergütungsstahl
Eisengusswerkstoffe
Gusseisen,
Temperguss,
Stahlguss
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Nichtmetalle
Verbundwerkstoffe
Nichteisenmetalle
Schwermetalle
Leichtmetalle
 > 5kg/dm³
 < 5kg/dm³
Kupfer, Zink,
Blei
Alu, Titan,
Magnesium,
Natur-
Künstliche
Werkstoffe
Werkstoffe
Verstärkte
Kunststoffe,
Granit, Holz
Glas, Kunst-
Asbest
stoff, Keramik
Hartmetalle
Stoffkonstanten verschiedener Werkstoffe
Elastizität
80
Werkstoff
Dichte in kg/dm3
Aluminium
2,7
660
Messing
ca. 8,5
ca. 900
Eisen
7,8
1535
Kupfer
8,93
ca. 1083
80
80
elastisch
60
Schmelzpunkt in °C
60
60
20
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
40
weichgeglühtes Kupfer
20
20
Gummi
10
20
30
40
Verformung in m m
40
F in kN
40
F in kN
F in kN
plastisch
Baustahl
50
60
10
20
30
40
Verformung in m m
50
60
10
20
30
40
Verformung in m m
50
60
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 Korrosionsbeständigkeit.
Technologische Eigenschaften
Verformbarkeit, Zerspanbarkeit, Gießbarkeit, Schweißbarkeit, Lötbarkeit
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Anforderungen an die Werkstoffe
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.
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
Unter der Dichte  eines
Stoffes versteht man den
Quotienten aus der Masse
m und dem Volumen V
eines Körpers.
m

V
Dichte:
Dichte von Stoffen
Dichte kg/dm³
Stoff
Dichte kg/dm³
Wasser
1
Kupfer
8,9
Aluminium
2,7
Blei
11,3
Stahl
7,85
Wolfram
19,27
V=1dm³
1dm
Stoff
1dm
Luft (0°C, 1,013 bar):
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
 = 1,29kg/dm³
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Der Schmelzpunkt ist die
Temperatur, bei der ein
Werkstoff zu schmelzen
beginnt.
Schmelztemperatur
Stoff
Schmelztemperatur °C
Stoff
Schmelztemperatur °C
Zinn
232
Kupfer
1083
Blei
327
Eisen
1536
Al
658
Wolfram
3387
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Die elektrische Leitfähigkeit
beschreibt die Fähigkeit
eines Stoffes, den elektrischen Strom zu leiten.
Elektrische Leitfähigkeit in % der Leitfähigkeit von Kupfer
Stoff
Prozent
Stoff
Prozent
Kupfer
100%
Zink
29%
Silber
106%
Eisen
17%
Aluminium
62%
Blei
8%
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
l  l1 *  * t
Thermische Längenausdehnung:
l1
l
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.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Wärmeenergie
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Die Wärmeleitfähigkeit ist das
Maß für die Fähigkeit eines
Stoffes, Wärmeenergie in sich
zu leiten.
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Verformungsverhalten
Elastizität eines Sägeblattes
Elastisch-plastische
Verformung eines Stabstahls
Plastizität eines Bleistabes
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Die verschiedenen
Werkstoffe können
elastisches, plastisches
und elastisch-plastisches
Verformungsverhalten
haben.
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Zähigkeit, Sprödigkeit,
Härte
Unter Härte versteht man den
Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines
Prüfkörpers entgegensetzt.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Bestimmung der Härte
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.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Innerer Aufbau der Metalle
Den Feinbau der Metalle bezeichnet
man als kristallinen Aufbau oder als
kristalline Struktur.
Metallproben unter dem Elektronen-Mikroskop: Man erkennt die
Kristallstruktur, die an Tannenbäume erinnert.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Kupfer gediegen
Metall-Strukturen
Metallbindung (Beispiel Eisen)
Aus dem Erz reduzierte Metallatome
(Eisenatome Fe)
Metallionen -Verband
(aus Eisenionen Fe²+)
Elektronenwolke
Zusammenlagerung
Die Metallbindung
bewirkt den Aufbau der
Metallkristalle und damit
den äußerst festen
Zusammenhalt (Festigkeit) der Metallteilchen.
Metalle sind gute
elektrische Leiter.
frei bewegliche
Elektronen
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Metallionen
Metallgefüge Kristallbildung
Entstehung der Kristalle:
Metalle bilden normalerweise beim
Übergang aus der Schmelze in den festen
Zustand Kristalle mit regelmäßig
angeordneten Atomen.
globulare Körner
polyedrische Körner
dendritische Körner
lamellares Gefüge
Diese Kristalle wachsen zu Körnern mit
jeweils unterschiedlicher Ausrichtung der
Kristallgitter und teilweise unterschiedlichen
Kristallsystemen und Zusammensetzungen.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Kristalliner Aufbau der Metalle
Kristallgitter mit Elementarzelle
Die wichtigsten Kristallgitter der Metalle
Kubischflächenzentriert
Raumgitter
Metallionen
Die Gitter bilden sich anfänglich aus
Elementarzellen.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Kubischraumzentriert
Hexagonal dichteste
Packung
Verformbarkeit der Metalle
Aggregatszustände
Stufenversetzung
Gitterfehler
Während der Kristallbildung entstehen Störungen im geometrischen Aufbau des
Gittersystems beim Übergang in die feste Phase, durch Gitter- und Phasenumwandlung, 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.
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
Korngrenzen eines
polykristallinen Metalls
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 Kupfer
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.
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Korrosion an Korngrenzen
Korngrenze in einer
verzinkten Stahloberfläche
Korngrößen
Gefüge mit unterschiedlichen
Korngrößen
Die gewünschte Korngröße
kann erzielt werden durch:
•
•
•
Innerer Aufbau
eines reinen Metalls
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Wärmebehandlung
z.B. Normalglühen
Warmumformen
z.B. Warmwalzen
Zugabe von Legierungselementen
z.B. Mangan bei den
Feinkornbaustählen.
Kristallgemisch - Mischkristall
Innerer Aufbau einer
KristallgemischLegierung
Legierungen haben gegenüber
ihrem reinen Grundmetall meist
verbesserte Eigenschaften, wie:
▪ höhere Festigkeit
▪ verbessertes Korrosionsverhalten
▪ größere Härte
▪ Bessere Formbarkeit
Innerer Aufbau
einer MischkristallLegierung
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Wärmebehandlung «Glühen»
Was bedeutet Wärmebehandlung?
Durch unterschiedliche Aufheizgeschwindigkeiten, Haltezeiten, Haltetemperaturen und Abkühlungsbedingungen lassen sich Zwangszustände 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
Weichglühen
Rekristallisationsglühen
Härten
Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen
von Brammen, Blech, Rohren, Halbzeug
Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen
von Blech, Rohren, Halbzeug
Wärmebehandlung zum Erhöhen
der Härte von Legierungen
bessere spanende Bearbeitbarkeit
Zähigkeit wieder herstellen
verschleißfeste, zähe Bauteile
Normalglühen
Magnet-Schlussglühen
Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen
von Blech, Rohren, Halbzeug
Glühen in Vakuum oder Schutzgasen
sowie Reaktionsgasen
feinkörnig, gleichmäßiges Gefüge
Magnetische Eigenschaften reaktivieren
Spannungsarmglühen
Nitrierhärten
Vergüten
Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen
von Blech, Rohren, Halbzeug
Härten von Stahl durch Zufuhr
von Stickstoff
Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit
Kombination aus Härten und
Anlassen bei höheren Temperaturen
Spannungen im Gefüge abbauen
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Randschichthärten
Flamm-, Induktions-, Laserstrahlund Elektronenstrahlhärten
Gezielte Oberflächenhärtung
Erhöht Dehnbarkeit und Zähigkeit
Eisen: Beeinflussung durch metallische Legierungszusätze
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, Schmiedbarkeit, (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
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
Eisen: Beeinflussung durch nichtmetallische Begleitelemente
Elemente
Das Element erhöht
Das Element erniedrigt
Anwendungsbeispiel
Kohlenstoff C
Festigkeit und Härte (Maximum bei
C0,9%), Härtbarkeit, Rissbildung
Schmelzpunkt, Dehnung, Schweißund 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
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildungc
Einteilung und Verwendung der Stähle
Stähle
Unlegierte Stähle
Grundstähle
Qualitätsstähle
Legierte Stähle
Edelstähle
Qualitätsstähle
Edelstähle
Stähle
Baustähle
Werkzeugstähle
Verwendung für:
Verwendung für:
Maschinenbau, Fahrzeugbau, Stahlbau, Gerätebau
Gesenke, Spritzgussformen, Schneid-, Hand- und Maschinenwerkzeuge
Unterteilung in:
Unterteilung in:
unlegierter Baustahl,
Feinkornbaustahl, Automatenstahl,
Einsatzstahl, Vergütungsstahl,
Nitrierstahl, Federstahl
Bilfinger OKI / Aus- und Fortbildung
warmfester Stahl,
hochwarmfester Stahl,
hitzebeständiger Stahl,
nichtrostender Stahl,
nichtmagnetisierbarer Stahl
Kaltarbeitsstahl, Warmarbeitsstahl, Schnellarbeitsstahl
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