Die folgenden Folien stellen eine Wiederholung … · • Metalle (z.B. Eisen, Aluminium) ... Metallbindung Metallbindung Elektronengasmodell: Die Metallatome geben ihre Valenzelektronen

IW | Werkstoffkunde A | Stand 01/2016 | © PZH 2016

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Die folgenden Folien stellen eine Wiederholung

(Übersicht) von wichtigen Themen dar.

Sie haben keinen Anspruch auf Vollständigkeit!

Alles was in der Vorlesung behandelt wurde kann

klausurrelevant sein.

Wiederholung


Seite 2

Einteilung in Werkstoffgruppen

In der heutigen Werkstoffkunde unterscheidet man im Allgemeinen folgende

Werkstoffgruppen:

• Metalle (z.B. Eisen, Aluminium)

• Polymere (z.B. PE, Teflon)

• anorganische nichtmetallische Werkstoffe (z.B. Keramik, Glas)

• Verbundwerkstoffe; diese stellen eine Kombination aus Werkstoffen

mehrerer Werkstoffgruppen dar.

S. 10


Seite 3

4 Strukturebenen der Materie:

Atom(-hülle)

Bindungsstruktur zwischen den Atomen

Mikrostruktur

Makrostruktur

10-10 m

(1 Å Ångström)

10-9 m

(1 nm Nanometer)

10-6 m

(1 µm Mikrometer)

10-3 m

(1 mm Millimeter)

100 m

Atomaufbau

S. 11


Seite 4

Atommodelle

Kritik am Rutherford‘schen Atommodell

Anordnung stellt einen oszillierenden Dipol dar: Nach

den Gesetzen der klassischen Elektrodynamik wird

Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung

abgegeben. Das Elektron verliert kinetische Energie

und stürzt in den Kern.

Aber: Bei der Lichtemission von angeregten

Atomen werden diskrete Linienspektren

beobachtet.

S. 14


Seite 5

Kovalente Bindung

Kovalente Bindung

Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen zwischen den Atomen

ist erhöht

Atome „teilen“ sich die Elektronen („Elektronenpaarbindung“) und

erreichen dadurch Edelgaskonfiguration

Beispiel: Silizium

S. 22


Seite 6

Ionenbindung

Ionenbindung

Voraussetzung: Unterschiedliche Atomarten

Beispiel: Kochsalz

ein Elektron wird an ein anderes Atom abgegeben, Atome erreichen

dadurch eine Edelgaskonfiguration

Bindung wird durch die kugelsymetrische elektrostatische Anziehung

verursacht

keine Vorzugsrichtung in der Bindung

Ionenkristalle sind dicht gepackt.

Ionenkristalle haben eine geringe elektrische Leitfähigkeit.

S. 23


Seite 7

Metallbindung

Metallbindung

Elektronengasmodell: Die Metallatome geben ihre Valenzelektronen an ein „Elektronengas“ ab, das die Atome gleichmäßig umgibt.

keine Vorzugsrichtung in der Bindung

Metallkristalle sind dicht gepackt

Metallkristalle haben eine gute elektrische Leitfähigkeit

S. 24


Seite 8

Van der Waals-Bindung

Van der Waals-Bindung (Wasserstoffbrücken-Bindung)

Bindungen beruhen auf schwachen Wechselwirkungen zwischen elektrischen Dipolen (räumliche Trennung von positiven und negativen Ladungen im Atom).

Beispiel: Wasser

relativ kleine Bindungsenergien (niedriger Schmelzpunkt)

schlechte elektrische Leiter

S. 25


Seite 9

metallische Werkstoffe werden

durch Elementarzellen

beschrieben

Elementarzelle: Kleinste Einheit

aus der ein Kristall periodisch

aufgebaut werden kann

ein Kristallgitter kann durch

dreidimensionale

Aneinanderreihung von

Elementarzellen in den

Raumrichtungen x, y und z

aufgebaut werden

in Idealkristallen völlig

regelmäßige Anordnung der

Gitterbausteine

Metallische Werkstoffe, Elementarzellen (EZ)

S. 27


Seite 10

Packungsdichte der kubisch primitiven (kp) EZ

Vk = Volumen der Kugeln in der Elementarzelle

R = Atomradius (im kp-Gitter: R = 0,5 a)

P = Packungsdichte

V = Volumen der Elementarzelle (im kp-Gitter: a3 )

DZ = Gitterpunktdichte = Anzahl der Kugeln, die insgesamt in eine

Elementarzelle gepackt sind (im kp-Gitter: 8 · 1/8 = 1)

k = Koordinationszahl = Anzahl der Atome, die zu einem zentralen Atom den

kürzesten Abstand haben (im kp-Gitter: 6)

%52524,06

1

6 3

3

a

a

V

VP k

63

4 33 a

RDV zk

S. 28


Seite 11

Packungsdichte der kubisch raumzentrierten (krz) EZ

%68680,038

113

4

1

3

42

1

3

43

3

3

3

aa

aRD

V

VP z

k

aaR 433,034

121

818 zD8k

S. 29


Seite 12

Packungsdichte des kubisch flächenzentrierten (kfz) Gitters

max3

3

3

3 %74740,026

112

4

1

3

44

1

3

4P

aa

aRD

V

VP z

k

aaR 354,024

14

216

818 zD12max kk

S. 30


Seite 13

Koordinationszahl k

k = Anzahl der Atome, die zu einem zentralen Atom den kürzesten

Abstand haben (Koordinationszahl), nimmt mit zunehmender Dichte

der Packung der Atome bis auf 12 zu (für gleichgroße Atome)

S. 31


Seite 14

Wichtige Metalle mit krz- und kfz-Gitter

krz-Gitter: Cr (Chrom)

Mo (Molybdän)

V (Vanadium)

W (Wolfram)

a-Fe (a-Eisen)

Ta (Tantal)

kfz-Gitter: Al

(Aluminium)

Ag (Silber)

Au (Gold)

Cu (Kupfer)

Ni (Nickel)

Pb (Blei)

g-Fe (g-Eisen)

S. 31


Seite 15

Hexagonal dichtest-gepackte (hdp) EZ

aR 2

112max kk 21

1214

614 zD

S. 32


Seite 16

Stapelfolge bei dichtester Packung

dichteste Kugelpackung: dichteste

Schichtung von ihrerseits dichtest

mit Kugeln belegten Ebenen

6 Mulden um Atom in dichtest

belegter Ebene, aus Platzgründen

können von der zweiten

Atomschicht nur 3 besetzt werden

hexagonal dichteste Packung: Dritte

Schicht kommt über der ersten zu

liegen (Stapelfolge ABAB)

kubisch dichteste Packung: Dritte

Schicht ist sowohl gegen die erste

wie die zweite versetzt (Stapelfolge

ABCABC)

kubisch dichteste Kugelpackung

entspricht dem kfz-Gitter

S. 33


Seite 17

Stapelfolge der kubisch dichtesten Packung (kdp = kfz)

Stapelfolge der kubisch dichtesten Packung: ABCABC

S. 34


Seite 18

Stapelfolge der hexagonal dichtesten Packung (hdp)

Stapelfolge der hexagonal dichtesten Packung: ABAB

WK I, Folie 18, Kap. 2.1

S. 34


Seite 19

Anisotropie - amorphe Stoffe

Isotropie: Richtungsunabhängigkeit von Werkstoffeigenschaften

Anisotropie: Richtungsabhängigkeit von Werkstoffeigenschaften

Ursachen für Anisotropie: Kristallstruktur eines Stoffes,

einseitig wirkende Verstärkungsmaßnahmen

Quasiisotropie: Kristallite eines Gefüges sind anisotrop, statistische

Verteilung der räumlichen Anordnung der Kristallite führt zum

makroskopischen Ausgleich der richtungsabhängigen Eigenschaften

Gefüge ist makroskopisch isotrop

Textur: Ausrichtung der Kristallite z. B. durch Walzvorgänge

Anisotropie des polykristallinen Werkstoffes

amorphe Stoffe: Atome und Ihre Bindungen sind völlig regellos verteilt

keine Richtungsabhängigkeiten der Eigenschaften amorphe Stoffe sind

isotrop

S. 40


Seite 20

Allotropie am Beispiel des Gitters von a - und g -Eisen

Allotropie (Polymorphie): Auftreten verschiedene Kristallgitterformen bei

einem Metall abhängig von der Temperatur

Änderung der Kristallgitterform bei bestimmten Temperaturen hat eine

Volumenveränderung des Werkstoffs zur Folge (Beispiel a- und g-Eisen):

S. 42


Seite 21

Dilatometerkurve von reinem Eisen

Auftreten verschiedener Kristallgitterformen bei Eisen abhängig von

der Temperatur

Änderung der Kristallgitterform bei bestimmten Temperaturen hat

eine Volumen- bzw. Längenveränderung des Eisens zur Folge

über 1536°C: Schmelze S

1392-1536°C: krz - Fe

911-1392°C: kfz g - Fe

bis 911°C: krz a - Fe

S. 43


Seite 22

Millersche Indizes – Allgemeine Beschreibung von Richtungen im Gitter

Millersche Indizierung einer beliebigen Richtung (Vektor ) im Kristallgitter

– Bezug auf Koordinatensystem mit Achsen parallel zu den Kanten der EZ des

Gitters

– a, b, c: Gitterkonstanten des Kristalls

– u, v, w: Achsabschnitte der Projektion des Vektors als Vielfache der

Gitterkonstanten

– eventuelle Brüche bei u, v, w mit Hauptnenner aus u, v, w multiplizieren, um

ganze teilerfremde Zahlen zu erhalten

– Millersche Indizes [uvw] (immer ganzzahlig) der Beispiel-Richtung: [342]

r

Achse Projektion

des Vektors r Beispiel

x a1 = u · a u = 3

y b1 = v · b v = 4

z c1 = w · c w = 2

r

S. 46


Seite 23

– Bezug auf Koordinatensystem mit Achsen parallel zu den Kanten der EZ des

Gitters

– m, n, p: Achsenschnittpunkte der Ebene als Vielfache der Gitterkonstanten a, b,

c

– Kehrwertbildung von m, n, p, da Achsenschnittpunkte im liegen können

– eventuelle Brüche bei 1/m, 1/n, 1/p mit Hauptnenner aus 1/m, 1/n, 1/p

multiplizieren, um für die Indizierung ganze teilerfremde Zahlen zu erhalten

– Millersche Indizes (hkl) (immer ganzzahlig) der Beispiel-Ebene: (410)

Millersche Indizes – Allgemeine Beschreibung von Ebenen im

Kristallgitter

Achse Achsen-

schnittpunkte Beispiel

Millersche Indizes

x a1 = m · a m = ½ h = 4

y b1 = n · b n = 2 k = 1

z c1 = p · c p = l = 0

Millersche Indizierung einer beliebigen Ebene im Kristallgitter

S. 47


Seite 24

Wichtige Regeln der Millerschen Indizierung

Ebene (010)

schneidet

Atome ihrer EZ

zentral, Ebene

(020) gar nicht

nicht

äquivalent!

in kubischen

Kristallsysteme

n: Richtungen

und Ebenen mit

gleichen

Indizes u, v, w

= h, k, l

senkrecht

zueinander!

(110)

z

x

y

[110]

– positive / negative Richtungen nicht identisch: [100], [100] entgegengesetzt gerichtet

– positive / negative Ebenen sind identisch: Es gilt (020) = (020)

– Richtung ist mit ihrem Vielfachen identisch: [100] dieselbe Richtung wie [200]

– keine Äquivalenz von Ebenen und ihrem Vielfachen: Parallele Ebenen schneiden Atome

ihrer EZ an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Eigenschaften

– kubische Kristalle: Richtungen und Ebenen mit u, v, w = h, k, l senkrecht zueinander

(020)

(010)

z

x

y

S. 49, Abb. 2.2.7


Seite 25

Millersche Indizes

x

y

z

Richtungen

Ebenen

- benennen

- einzeichnen

Kap. 2.2


Seite 26

Realkristalle sind niemals fehlerfrei, sondern weisen Störungen der idealen

Struktur auf

Gitterbaufehler sind für positive mechanische Eigenschaften

metallischer Werkstoffe verantwortlich

jede Störung des idealen Gitteraufbaus erzeugt ein bestimmtes

Spannungsfeld, Kristall bekommt höheren Energiegehalt

Einführung in Kristallgitterfehler/Gitterstörungen

kleinster Gleichgewichtsabstand für zwei Atome im ungestörten Raumgitter

entspricht dem Minimum der Bindungsenergie

Bindungsenergie entspricht der erforderlichen Arbeit für Trennung der

beiden Atome bei 0 K


Seite 27

Gitterbaufehler werden nach ihrer Geometrie unterschieden :

nulldimensionale Gitterfehler, Leerstellen und Zwischengitteratome

(Punktfehler)

– eindimensionale Gitterfehler, Versetzungen (Linienfehler)

– zweidimensionale Gitterfehler, Korn- und Phasengrenzen (Flächenfehler)

– dreidimensionale Gitterfehler, Ausscheidungen, Einschlüsse etc.

(Volumenfehler)

Störung des idealen Gitteraufbaus hat zur Folge, dass angrenzende Atome

den Gleichgewichtsabstand nicht einhalten können. Sie befinden sich damit

auf einem höheren Energieniveau.

Gitterstörungen/Gitterfehler

Entstehung von Gitterbaufehlern :

– durch Störung des thermodynamischen Gleichgewichts bei Kristallentstehung

– im festen Kristall durch Energiezufuhr z.B. mechanische Verformung oder

Kernstrahlung


Seite 28

Leerstellendichte ist temperaturabhängig. Sie beträgt bei RT 10-12 und nimmt

bis zum Schmelzpunkt auf 10-4 zu.

Kristall kann sich mit Leerstellen im thermodynamischen Gleichgewicht

befinden.

Kombination aus Leerstelle und Zwischengitteratom heißt Frenkel-Paar, tritt

häufig durch energiereiche Kernstrahlung auf.

Nulldimensionale Gitterfehler

ZwischengitteratomLeerstelle

nulldimensionale

Gitterfehler :

– Leerstellen (unbesetzte Gitterplätze)

– Zwischengitteratome

– Fremdatome

S. 51, Abb. 2.3.1

0-dim.


Seite 29

Einlagerungsatome

Einlagerungsatome (C in Fe)

Nur möglich, wenn sie wesentlich kleiner als Atome des

Grundgitters sind.

Beispiele für Einlagerungsatome in metallischen Werkstoffen: H, O, N, C, B.

Die bedeutendste Kombination ist Fe und C.

Fremdatome auf Zwischengitterplätzen heißen

Einlagerungs- oder interstitielle Atome.

S. 53, Abb. 2.3.4

0-dim.


Seite 30

Substitutionsatome

100 % Cu

Fremdatome sind ebenfalls Fehler im Gitter.

Prozess ist Voraussetzung für Legierungsbildung.

Beispiel sind Cu-Ni-Legierungen:

50 % Cu

50 % Ni

100 % Ni

Austausch- oder Substitutionsatome sind Fremdatome, die bei

Atomradiendifferenzen von höchstens 15 % Gitterplätze

einnehmen. Elemente sollten gleiche Gitterstruktur haben und

sich chem. affin zueinander verhalten.

S. 52, Abb. 2.3.3

0-dim.


Seite 31

Eindimensionale Gitterfehler

man unterscheidet zwischen:

SchraubenversetzungStufenversetzung

eindimensionale Gitterfehler heißen Versetzungen

S. 54

1-dim.


Seite 32

Bewegung von Versetzungen II

Versetzungsbewegung bewirkt Abgleiten von zwei Kristallbereichen

gegeneinander

hierfür benötigte Energie viel geringer als bei starrem Abgleiten der

Kristallbereiche

gute plastische Verformbarkeit von Metallen durch Verformung mittels

Versetzungsbewegungen

Kaltverformung: Verfestigung durch Behinderung der

Versetzungsbewegungen auf Grund von neu erzeugten Versetzungen

makroskopisch: sehr geringe plastische Verformung des Werkstücks

1-dim.


Seite 33

Zweidimensionale Gitterfehler (Korngrenzen)

kristalline Werkstoffe bestehen meist nicht aus einem einzigen Kristall, sondern aus

einem Verband vieler Kristallite (Körner), Orientierungen der Körner statistisch verteilt

Polykristallinität generell

erwünscht, wird zum Teil

durch aufwändige Verfahren

eingestellt

(Großwinkel-) Korngrenze: Grenzbereich

zwischen Kristalliten mit Orientierungsunterschied

von mehr als 15 Grad

S. 58

2-dim.


Seite 34

Stapelfehler

Stapelfehler enden an inneren oder äußeren Oberflächen

oder sind durch eindimensionale Defekte (= Versetzungen) begrenzt.

Stapelfehlerenergie ist abhängig vom jeweiligen Kristall

Stapelfehler: Fehler in der Stapelfolge der dichtest gepackten

Gitterebenen

S. 59

2-dim.


Seite 35

Zwillingsbildung

Aufeinanderfolgen von zwei entgegengesetzten Stapelfehlern

Auftreten nur bei Werkstoffen mit niedriger Stapelfehlerenergie, z.B. Kupfer

Struktur und lichtmikroskopische Aufnahme von Zwillingsgrenzen (Stahl X5CrNi1810)

Zwillingsgrenze:

Gitterbereich mit spiegelbildlicher Anordnung an Zwillingsebenen

S. 60

2-dim.


Seite 36

Dreidimensionale Gitterbaufehler

Ausscheidung

EinschlussMikropore

Mikroriss

Zu den dreidimensionalen Gitterbaufehlern zählen alle absichtlichen oder

unbeabsichtigten räumlichen Störungen:

– Risse, Poren, Einschlüsse (unbeabsichtigt, z.B. Gießprozess)

– Ausscheidungen (erwünschte Anteile zweiter Phasen)

Quelle: RWTH Aachen S. 60, Abb. 2.3.17

3-dim.


Seite 37

mögliche Klausurfragen, Gitterbaufehler

1) Beschreiben Sie die möglichen Arten von Gitterbaufehlern.

Es existieren:

a) Leerstellen und Zwischengitteratome (Punktfehler)

b) Versetzungen (Linienfehler)

c) Korn- und Phasengrenzen (Flächenfehler)

d) Ausscheidungen, Einschlüsse, Poren und Mikrorisse. (Volumenfehler)

2) Warum sind Versetzungen in Werkstoffen wichtig?

a) Versetzungsbewegung bewirkt Abgleiten von zwei Kristallbereichen

gegeneinander, was makroskopisch einer sehr geringen plastischen Verformung

des Werkstücks entspricht.

b) die hierfür benötigte Energie ist viel geringer als bei starrem Abgleiten der

Kristallbereiche


Seite 38

Das Fick´sche Diffusionsgesetz beschreibt

die Geschwindigkeit von Diffusionsprozessen: dx

dcADj

A

J

Hierbei bedeuten:

J = Teilchenstrom, [-]

j = Diffusionsgeschwindigkeit

(Teilchenstrom)

[Atome / s]

D = Diffusionskoeffizient

[cm2 / s]

A = Diffusionsquerschnitt

(Referenzebene) [cm2]

dc/dx = Konzentrationsgradient

[Atome / cm4]

c = Konzentration, [1/cm³]

x = Ortskoordinate, [cm]

Diffusionsgesetz

S. 65


Seite 39

Diffusionskoeffizient D bestimmt bei zeitlich konstantem

Konzentrationsgradienten und gegebenem Diffusionsquerschnitt

die Diffusionsgeschwindigkeit

)(

0RT

Q

eDD

Hierbei bedeuten:

D0 = stoffabhängige Konstante [cm2 / s]

Q = Aktivierungsenergie [J / mol]

(abhängig von Gitter und Fehlerdichte)

R = Gaskonstante (8.3144 J / mol K)

T = absolute Temperatur [K]

Diffusionskoeffizient

)(RT

Q

e

Arrheniusgleichung

S. 65, 66


Seite 40

Diffusionsmechanismen

Leerstellenmechanismus Zwischengittermechanismusdirekter Platzwechsel

– Platzwechsel über den Leerstellenmechanismus erfordert nur geringe

Aktivierungsenergie

– direkter Platzwechsel ist höherenergetisch, deshalb unwahrscheinlich

– Zwischengittermechanismus ist für arteigene Atome (Selbstdiffusion) nur bei

höheren Temperaturen wahrscheinlich,

ist aber von großer Bedeutung für Einlagerungsatome (Fremddiffusion) mit

geringerem Durchmesser als die Wirtsatome (z.B. C, N, H in Fe-Gitter)

es existieren 3 grundsätzliche Platzwechselmechanismen in Festkörpern:

S. 68,

Abb.

2.4.8


Seite 41

Beispiel: Korngrenzen und Versetzungen

Korngrenzen wirken als zweidimensionale Kanäle mit einer Breite von ca.

zwei Atomen, die Diffusionsgeschwindigkeit ist lokal bis zu 106 mal

schneller als im Gitter

Korngrenzendiffusion

@ 2 Atomdurchmesser

der Beitrag hängt von der Gesamtfläche der Korngrenzen, bzw. der

Gesamtlänge der Versetzungen ab. Er ist umso größer, je kleiner die

Korngröße und je größer die Versetzungsdichte ist.

eine Versetzung dient mit einem Querschnitt von (2b)2 als eindimensionaler

Transportweg mit erhöhter Diffusionsgeschwindigkeit

S. 69, Abb. 2.4.9


Seite 42

Zusammenfassung Diffusion

Diffusion ist einzige Möglichkeit des Materialtransports in

kristallinen Werkstoffen

Diffusion findet aufgrund von thermischer Anregung statt

die wichtigsten Mechanismen sind Leerstellen- und Zwischengitterdiffusion,

sowie direkter Platzwechsel

die Aktivierungsenergie ist proportional zur Schmelztemperatur

das Fick‘sche Diffusionsgesetz beschreibt die Geschwindigkeit

von Diffusionsprozessen

Diffusion läuft an der Oberfläche sowie an Gitterbaufehlern schneller ab


Seite 43

Mechanische Eigenschaften der Metalle

Die mechanischen Eigenschaften kennzeichnen das Verhalten eines Werkstoffes unter Einwirkung äußerer Kräfte.

Drei elementare Auswirkungen bei äußerer Belastung treten auf:

Elastische Verformung:

Plastische Verformung:

Bruch:

Verformungen durch äußere

Kräfte gehen bei Entlastung

vollständig zurück (reversibel)

F

F

Nach Entlastung bleibt eine

Verformung bestehen

(irreversibel)

F

Äußere Kräfte bewirken eine

Werkstofftrennung (irreversibel)

S. 71, Tab. 2.6


Seite 44

Grundlagen der elastischen Verformung

Die elastische Verformung der Metalle beruht auf einer Verzerrung der interatomaren Abstände im Kristallgitter.

Atomabstand r0 im unbelasteten Kristallgitter = Minimum der Bindungsenergie

(Gleichgewichtszustand)

Bei Atomabstand r0 sind anziehende und abstoßende Kräfte zwischen den Atomen

ausgeglichen.

Die Aufnahme äußerer Kräfte durch das Kristallgitter ist immer mit einer Verformung des

Gitters verbunden!

r + r0 Fzug Fzug

r0

Kra

ft F

+

-

Atomabstand r

r0

F= U/ r

F =-Fanz zug

rS. 71, 72, Abb. 2.5.1, 2.5.2


Seite 46

Bestimmung des Elastizitätsmoduls

Spannung

Dehnung

Magnesium E = 45 000 MPa

Stahl E = 210 000 MPa

Hook‘sche Gerade

Die Bestimmung des Elastizitätsmoduls von Werkstoffen erfolgt im Zugversuch. Der

Elastizitätsmodul wird aus der Steigung der Hook‘schen Geraden ermittelt:

E

S. 73,

Abb.

2.5.4


Seite 47

Querkontraktion

Mit einer elastischen Längsdehnung l = l/l0 ist eine elastische

Querschnittsabnahme q = d/d0 verbunden. Das Verhältnis q/l wird durch die

Querkontraktionszahl n (Poisson-Zahl) angegeben (Metalle: 0,25 < n < 0,35).

S. 76


Seite 48

Schubmodul, Kompressionsmodul

Schubbeanspruchung:

Beanspruchung durch hydrostatischen Druck

Greifen an einem Körper mit der

Grundfläche A gemäß nebenstehender

Abbildung die Kräfte F an, wird er mit der

Schubspannung t = F/A belastet.

Es gilt das Hook‘sche Gesetz in der Form:

t = Gg (tang = g für kleine g)

Schubmodul:

G = E/(2 + 2n)

Greift an einem Körper der hydrosta-tische

Druck P an, so ändert sich sein Volumen

V.

Es gilt das Hook´sche Gesetz in der Form:

P = -KV/V.

Kompressions-

modul:

K = E/(3 - 6n)

S. 76


Seite 49

Theoretische Festigkeit vs. Reale Festigkeit

Als Festigkeit bezeichnet man die mechanische Spannung, die ein Werkstoff

unter definierten Bedingungen erträgt, ohne sich plastisch zu verformen und zu

brechen.

Beispiel: a-Eisen (Einkristall Gitterebene {100})

Theoretische Spaltfestigkeit: 13000 MPa

Theoretische Schubfestigkeit: 2600 MPa

Experimentell ermittelte Schubfestigkeit : 27,5 MPa

Experimentell ermittelte Bruchspannung : 150 MPa

Die an realen Werkstoffen ermittelten Festigkeiten sind um Größenordnungen

geringer als die theoretisch berechneten Festigkeiten. Dies ist durch die in

Realkristallen vorhandenen oder unter Belastung entstehenden Fehlstellen

bedingt. Für das Abgleiten sind dabei die Versetzungen von zentraler

Bedeutung.


Seite 50

mögliche Klausurfrage, Elementarzellen

Skizzieren Sie die Elementarzellen der drei Gittertypen.

Zeichnen Sie in die Elementarzellen eine Gleitebene ein,

und identifizieren Sie diese. (Koordinatensystem!)

Welcher dieser Gittertypen hat die höchste

Packungsdichte?

Welcher der dichtestgepackten Gittertypen lässt sich

leichter verformen, und warum?


Seite 51

Übersicht Gleitsysteme

Struktur Beispiel Koordina-tionszahl

Anzahl der Ebenen

Richtungen pro Ebene

Gleit-systeme

Kubisch flächenzentriert kfz

Al, Cu, γ-Eisen 12 4 3 4*3=12

Kubisch raumzentriert krz

Cr, Mo, α-Eisen β-Ti

8 6 2 6*2=12

Hexagonal dichtestgepackt hdp

Mg, Zn, α-Ti 12 1 3 1*3=3

E {110}

R <111>

E {111}

R <110>

E {0001}

R <1120>krzkfz hdp

S. 80;

81,

Abb.

2.5.16

Für das plastische Verformungsvermögen ist die Anzahl der Gleitrichtungen ausschlaggebend.


Seite 52

Verfestigungsmechanismen

Ausscheidungen

0 - dimensional Mischkristallhärtung

Hindernisarten Dimensionen Effekt Festigkeits-

abhängigkeit

1 - dimensional Kaltverfestigung

2 - dimensional Kornfeinung

3 - dimensional Teilchenhärtung

Fremdatome

Versetzungen

Korngrenzen

cR ~

~R

dR

1~

)dcRR ,

S. 83, Tab. 2.8


Seite 53

Was versteht man unter Textur?

Werkstoffe bestehen im allg. aus

vielen einzelnen Kristallen (Körnern).

Der Verband aus vielen Körnern ist als Gefüge definiert.

Im Gusszustand besitzen Werkstoffe in der Regel ein

homogenes Gefüge, d.h. mit einer regellosen Orientierung

der Kristallachsen. Daraus ergibt sich, dass die Anisotropie

des einzelnen Korns ohne Bedeutung ist. Der Werkstoff

besitzt somit richtungsunabhängig quasiisotrope

Eigenschaften.

Durch eine Umformung (Strangpressen, Schmieden, etc.)

kann eine Ausrichtung des Gefüges erfolgen. D.h. die

Richtungen der Kristallachsen liegen annähernd parallel. In

diesem Fall spricht man von geordneter Orientierung.

S. 86, Kap. 2.6.1


Seite 54

Was versteht man unter Textur?

Die Gesamtheit der Orientierungen der

Kristalle bzw. der Gefügekörner eines

Vielkristalls bezeichnet man allgemein als

Textur. In der Technik beschränkt sich

jedoch die Verwendung dieses Begriffes auf

die Fälle, in denen die Kristalle nicht

regellos, sondern mehr oder weniger

gleichartig orientiert sind (eine

Vorzugsorientierung bzw. eine geordnete

Orientierung besitzen).

Darstellung/Nachweis von Texturen

Polfiguren S. 86, Kap. 2.6.1


Seite 55

Definition Phase

Eine Phase ist durch folgende Merkmale

charakterisiert:

sie besitzt eine durchgehend gleiche

Struktur bzw. atomare Anordnung

sie hat eine nahezu konstante

stoffliche Zusammensetzung

zwischen unterschiedlichen Phasen

existieren definierte Grenzflächen

Phasen sind von großer technischer Bedeutung, da sie gezielt eingestellt

werden können und somit die Eigenschaften von Werkstoffen definiert

verändern.

S. 93, Abb. 2.7.1, 2.7.2


Seite 56

T

p A

Gibbs‘sche Phasenregel

f = n – P + 2 und

f = n – P + 1 (p = const.)

f := Anzahl der Freiheitsgrade bzw. Variablen(Temperatur, Druck, Konzentration)

n := Anzahl der im System enthaltenen

Stoffkomponenten

(Elemente oder Verbindungen)

P := Anzahl der vorhandenen Phasen

qualitative Beschreibung der Existenzbereiche

der Phasen im Gleichgewicht

Zustandsbeschreibung eines heterogenen

Stoffsystems

Tripelpunkt

flüssig

fest

gasförmig

Die Gibbs‘sche Phasenregel beschreibt die Relation zwischen der Zahl der

beteiligten Komponenten und der Zahl der unter Gleichgewichtsbedingungen

auftretenden Phasen.

S. 95, Abb. 2.7.5


Seite 57

Eine Legierung ist eine Mischung mindestens zweier chemischer Elemente,

von denen mindestens eines ein Metall sein muss.

Legieren und Legierungen

Die Phasen (Komponenten) der Legierung sind:

Mischkristalle (z.B. Cu-Ni, Fe-Cr)

Nichtmetallische Phasen (z.B. Graphit in

Gusseisen, Silizium in AlSi-Legierungen)

Intermediäre Phasen z.B. (Fe3C, TiN)

Intermetallische Phasen (z.B. Al2Cu)

Legieren: Veränderung von Aufbau und Eigenschaften metallischer Werkstoffe

Die Komponenten bilden eine feste Lösung, d.h.

einen Mischkristall oder eine Verbindung.

Legierungen weisen überall (makroskopisch)

gleiche Zusammensetzung, gleiche Eigenschaften

und gleiche Struktur auf.

Die Legierungselemente beeinflussen den kristallinen

Aufbau und damit die Eigenschaften der Werkstoffe.


Seite 58

Gefüge

Gefüge ist die Zustandsform eines Stoffes, in der Zusammensetzung, Struktur

und Eigenschaften unter Gleichgewichtsbedingungen konstant sind.

Das Gefüge ist durch die

Art Größe

Form Verteilung

Orientierung

der Gefügebestandteile charakterisiert.

Die Gefügebestandteile

Körner amorphe Bereiche

Füllstoffe

sind durch die Korngrenzen bzw.

Phasengrenzen getrennt.

S. 100


Seite 59

Substitioneller- und interstitieller Mischkristall

Substitionsmischkristall(Austauschmischkristall)

z.B: Kohlenstoff auf

Zwischengitter-

plätzen in Eisen

Interstitieller Mischkristall(Einlagerungsmischkristall)

41,0D

dfDurchmesser-

verhältnis: z.B: Cu-Ni, Fe-Ni, Au-Ag, Au-Cu,Mo-W,

Fe-Cr, Ti-Zr

(100% Löslichkeit unter den Bedingungen:

Gleicher Gittertyp und Atomradiusdifferenz < 14%)

S. 102


Seite 60

mögliche Klausurfrage, Phasenlehre

a) Definieren Sie die Gibbs’sche Phasenregel:

b) Tragen Sie die Aggregatszustände der Phasen in das

Zustandsdiagramm für Wasser ein und bezeichnen Sie den

charakteristischen Punkt. Stellen Sie die Gibbs’sche Phasenregel

für den Punkt A auf und berechnen Sie die Freiheitsgrade:

T

pA

S. 95, Abb. 2.7.5


Seite 61

Musterlösung

a) Die Gibbs‘sche Phasenregel beschreibt die Relation zwischen der

Zahl der beteiligten Komponenten und der Zahl der unter

Gleichgewichtsbedingungen auftretenden Phasen.

b) f = n – P + 2

mit: f := Anzahl der Freiheitsgrade bzw. Variablen; n := Anzahl der im

System enthaltenen Stoffkomponenten; P := Anzahl der vorhandenen

Phasen

T

p A

Tripelpunkt

flüssig

fest

gasförmig

f = n – P +2 = 1 – 1 +2 = 2

S. 95, Abb. 2.7.5


Seite 62

Das Phasendiagramm liefert Aussagen über die bei verschiedenen Temperaturen

und chemischen Zusammensetzungen vorliegenden Phasen von Legierungen.

Man unterscheidet:

Einstoff- Zweistoff- Dreistoff-phasendiagramme phasendiagramme phasendiagramme

Zustandsdiagramm / Phasendiagramm

Die Zwei- und Dreistoffgleichgewichtsschaubilder gelten nur für unendlich langsame

Abkühlung der Legierungen aus dem Schmelzfluss oder für nachträgliche Einstellung des

thermodynamischen Gleichgewichts (durch eine Wärmebehandlung).

S. 105


Seite 63

Zustandsdiagramme

Eutektisches Zustandsschaubild

Vollst. Unlöslichkeit im flüssigen und festen Zustand Vollst. Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand

Vollst. Löslichkeit im Flüssigen und Teillöslichkeit im Festen

(einseitig)


Seite 64

Hebelgesetz

Nähere Betrachtung des Erstarrungsverlaufes zwischen

Liquidus- und Soliduslinie:

fest

flüssig

A

Solidus-

linie

a-Misch-

kristallTem

pera

tur

[°C

]

T1

Konzentration B

Liquiduslinie

c1c0

c2

Drehpunkt

mit Gesamtmenge: m = ms + mk

mba

bm

k*

mK mS

ba

mK ∙ a = mS ∙ b

Schmelze

Hebel (Konode)

S. 106, Abb. 2.8.3


Seite 65

stabil metastabil instabil

Dem thermodynamischen

Gleichgewicht analoge Arten

des mechanischen

Gleichgewichtes

Thermodynamisches Gleichgewicht

Die Zustandsdiagramme lassen sich thermodynamisch

herleiten und deuten. Bei fester Temperatur und

konstantem Druck wird das thermodynamische

Gleichgewicht durch ein Minimum der freien

Enthalpie G bzw. freien Energie F bestimmt:

Das thermodynamische

Gleichgewicht ist die

Summe des

mechanischen

chemischen u.

thermischen

Gleichgewichts.

F = U – T * S F = Fmin (T,V = const.)

G = freie Enthalpie

F = freie Energie

U = innere Energie

H = Enthalpie

T = Temperatur

S = Entropie

G = H – T * S G = Gmin (T,p = const.)

S. 114, Abb. links


Seite 66

Aufstellen von Zustandsschaubildern

Möglichkeiten zur Ermittlung eines

Zustandsschaubildes:

Thermische AnalyseAufnahme von Abkühlkurven

DilatometermessungenMessung von Längenänderungen

im festen Zustand beim Aufheizen

und beim Abkühlen

Gefügebeobachtungen an MetallschliffenErmittelung der im festen Zustand

vorliegenden Phasen und Gefüge

Untersuchung der MikrostrukturIdentifizierung unbekannter Phasen

mittels Röntgeninterferenz,

TransmissionselektronenmikroskopieAufnahme einer Abkühlkurve

(Eisen-Schmelze)

1536Fe-Schmelze

1392

911

769

paramagnet.

ferromagnetisch

krz - Fe

kfz g - Fe

Tem

p.

i n° C

Zeit

krz - a-Fe

S. 116, Abb. 2.8.12


Seite 67

Abkühlkurve Metall

Zeit

100 at%

Silizium100 at%

Silber

Konstruktion des Phasendiagramms

Liquidus- und Soliduslinie

entsprechen Phasengrenzen

(Beispielhaft am System mit vollständiger Löslichkeit im

flüssigen und vollständiger Unlöslichkeit im festen Zustand)

flüssig

fest

flüssig + fest

Liquiduslinie

SoliduslinieTem

pera

tur

[°C

]835

1400 1414°C

Haltepunkt

Knick-

punkt

at% Ag

50 903010

Tem

pera

tur

[°C

]

835

100

at% Si

10

at% Ag

30

at% Ag

90

at% Ag

95

at% Ag

Halte-

punkt

S. 117, Abb. 2.8.14


Seite 68

Die wichtigsten Reaktionen im binären Zustandsdiagramm

S+S

a+S

a+S+a

S+

a+

a

g

a+

g

a+

Eutektisch S a +

Peritektisch a + S

Eutektoid g a +

Peritektoid a + g

S. 114, Tab. 2.9


Seite 69

mögliche Klausurfrage, Zustandsdiagramme

Konstruieren Sie das den Abkühlkurven zugehörige Phasendiagramm und

bezeichnen Sie die charakteristischen Bereiche.

S

S + a

a


Seite 70

Plasma

Fe Fe++e-

T

20.000°C

Ionen und

Elektronen

bewegen sich

unabhängig

Gas

Fe

T

2861°C

Atome

bewegen

sich

unabhängig

Flüssigkeit

Fe

1536 T

2861°C

Atome bewegen

sich unabhängig,

fluktuierende

Nah-

ordnung

Festkörper

Fe

T 1536°C

Atome sind

in einer

Gitterstruktur

fixiert

e-

e-

e-

e-

e-

Fe+

Fe+ Fe

+Fe+

Fe+

krz T<911°C

kfz T>911°C

krz T>1392°C

Änderung der Aggregatzustände

S. 125, Abb. 2.9.3


Seite 71

Im Allgemeinen nimmt beim Übergang in einen energetisch

stabileren Zustand die Teilchendichte zu.

Typische Volumenänderung beim

Erschmelzen von MetallenTeilchendichte:

gasförmig: 1019 cm-3

flüssig: 1022 cm-3

fest: 1023 cm-3

Volumenkontraktion

V durch Kristallisation

Vo

lum

en

V

Temperatur TTS

(nach Haasen)

Übergang flüssig/fest

S. 128, Abb. 2.9.6


Seite 72

Es bilden sich feste Phasenbereiche mit thermodynamisch günstiger

Atomanordnung (Umwandlung in den festen Zustand).

Bildung eines stabilen Keims und Vergrößerung zum Kristallit mit der Bildung

von Oberflächen zwischen den unterschiedlichen Phasenbereichen.

Die Entstehung des Korns durch die Anlagerung von Atomen an den

Kristallitoberflächen und deren Einbau in den Atomgitterverband durch

den Abbau von Oberflächenenergie (Verringerung).

Keimbildungsarbeit

Keimwachstum

Vergröberung (Kristallwachstum)

Erstarrung von Metallen


Seite 73

Änd

eru

ng

de

r fr

eie

n E

nth

alp

ie

(nach Bergmann)

homogene/heterogene Keimbildung

S. 131


Seite 74

An die Keime lagern sich Atome an. Diese werden in das Kristallgitter

eingebaut. Hierbei wird die Kristallisationswärme Q frei. Dadurch kommt

es im Temperaturverlauf zu einem Haltepunkt oder einem Wiederanstieg.

Kristallwachstum

S. 131


Seite 75

diffuse Atomanordnung durch thermische Fluktuationen im flüssigen Zustand

Keimbildung ist abhängig von

– einer bestimmten Schmelzeunterkühlung und

– einem minimalen notwendigen Keimradius und/oder

– dem Vorhandensein von Fremdkeimen

die Kristallisationsrichtung ist abhängig vom Temperaturgradienten an der

Erstarrungsfront

– negativer Gradient zur festen Phase, positiver zur flüssigen Phase

(planares stengelförmiges oder globulares Wachstum)

– positiver Gradient zur festen Phase, negativer zur flüssigen Phase

(dentritisches Wachstum)

Je größer die Unterkühlung und/oder je höher die Anzahl der

Keime, desto feiner wird das Korn.

Erstarrungsvorgang bei Metallen


Seite 76

feinhochAbkühl-

geschwindigkeit

dentritischungerichtet mit großer Unterkühlung

globularz.B.

Kokilleninneresungerichtet stabil

stengelförmigz.B.

Kokillenwandgerichtet stabil

Wärmefluss

feinviel

Fremdkeime

grobwenig

Fremdkeimeheterogen

feinhohe

Unterkühlung

grobgeringe

Unterkühlunghomogen

Keimbildung

grobniedrig

GefügeausbildungErstarrungseinfluss

Einflussfaktoren auf das Erstarrungsgefüge

S. 134, Tab. 2.10


Seite 77

Die Erstarrung beginnt bei

Eintritt in das 2-Phasen-

gebiet

(Erstarrungsintervall)

S + a.

Sie ist bei Eintritt in den

Mischkristallbereich a

abgeschlossen.

Erstarrung von Legierungen

S. 139


Seite 78

Die Erstarrung beginnt

bei Eintritt in das

2-Phasegebiet S + a

(Erstarrungsintervall).

Sie ist bei Eintritt in

den Misch-

kristallbereich a

abgeschlossen.

Aufgrund der ab-

nehmenden Löslichkeit

für B nach Erreichen

der Phase-grenze

a/a wird die

intermetallische Phase

im Mischkristall a

ausgeschieden.


S. 139


Seite 79

Die Erstarrung beginnt bei

Erreichen der Eutektikale im

eutektischen Punkt. Die

Schmelze erstarrt wie ein

reines Metall in einem

Punkt.

Die Phasen a und

erstarren zeitgleich

nebeneinander.


S. 140


Seite 80

Die Erstarrung beginnt

bei Eintritt in das

2-Phasegebiet

(Erstarrungsintervall)

S + a.

Wachsen der a

Bereiche bis die

eutektische Temperatur

erreicht wird.

Bei Erreichen der

Eutektikalen

kristallisiert die

Restschmelze als

eutektisches Gefüge

an die a-Kristallite.


S. 140


Seite 81

Fehlertyp Erscheinung Ursache Gegenmaßnahmen

Lunker

v-förmige, runde oder fadenförmige

hohle Stellen in massiven

Gussstücken

mangelnde Kompensation der

Erstarrungsschrumpfung

thermische Kontrolle des

Erstarrungsprozesses

Mikroporosität„Minilunker“ zwischen den

Erstarrungsdentriten Dentritenarme)

eingeschlossene Rest-schmelze

in dentritisch erstarrenden

Gefüge

thermische Kontrolle des

Erstarrungsprozesses,

Legierungsauswahl

Gasporositätrunde Poren in verschiedenen

Größen

Reaktion mit eingeschwemmten

Formstoffen, ausscheiden

gelöster Gase (N2, H2)

stabile, gasdurchlässige Formstoffe

Schmelzeentgasung vor dem Abguss

Oxideinschlüssedünne filmförmige Häutchen oder

Teilchen

eingespülte Gussober-flächen,

Reaktionsprodukte gelöster Gase

mit der Schmelze

Verbesserung des Eingussverfahrens,

Desoxidation der Schmelze

Kaltfluss

feine Linien oder Schlieren auf der

Gussoberfläche, Trennung des

Werkstoff-zusammenhanges

vorzeitige Erstarrung der

Schmelze, niedrige Temper-

aturen, lange Fließwege

Erhöhung der Temperaturen von

Schmelze und Form, Optimierung der

Fließwege

Warmrisse

interkristalline Werkstofftrennung,

Risse entlang der primär erstarrten

Kristalle

auftretende Gussspannun-gen

führen zum Reißen der noch

weichen Be-reiche zwischen den

Primärkristallen

Gussteilgestaltung (keine schroffen

Übergänge), Erstarrungslenkung,

Legierungen mit geringerem

Erstarrungsintervall

Nennen Sie mindestens drei Erstarrungsfehler und erklären Sie

die Erscheinung, Ursache und mögliche Gegenmaßnahmen für einen dieser Fehlertypen!

mögliche Klausuraufgabe, Erstarrungsfehler

S. 144, Tab. 2.11


Seite 82

Umwandlung im festen Zustand

Temperaturabhängige Änderung der Gitterstruktur (z. B. krz-a-Eisen

bei 912 °C in kfz-g Eisen)

Änderung der Gestalt der Kristallite bzw. Körner in Größe, Geometrie

und kristallographischer Ausrichtung (z. B. Rekristallisation/

Umformung)

In der Festphase werden durch abnehmende Löslichkeit mit sinkender

Temperatur intermetallische Phasen ausgeschieden (Fe3C in FeC-

Legierungen, Mg17Al12 in MgAl-Legierungen)

Allotrope Umwandlungen

Morphologieänderungen

Festphasenausscheidung

S. 146, Kap. 2.9.6


Seite 83

Allotrope Umwandlung

Allotropie oder Polymorphie ist das Vorkommen eines Elements in

mehreren, verschiedenen kristallinen Modifikationen oder ver-

schiedenen Molekülstrukturen

Eisenumwandlung

1394°C

912°C

-Eisen

krz

g-Eisen kfz

a-Eisen krz

Titanumwandlung

882°C

a-Titan hdp

-Titan krz

S. 146, Abb. 2.9.30


Seite 84

Rekristallisation

Rekristallisation ist eine Kornneubildung im Gefüge. Oberhalb einer

bestimmten Temperatur, der Rekristallisationstemperatur, wird die in den

Versetzungen gespeicherte Energie frei. Sie wird zur treibenden Kraft für

die Entstehung neuer, beinahe versetzungsfreier Körner.

versetzungsreiches

Gefüge

(kaltverformt)

Temperatur

Umformung

Rekristallisation Kornvergröberung

Temperatur

Umformgrad [%]:

S. 146, Abb. 2.9.31

S. 148


Seite 85

Ausscheidungsbildung

Hierunter versteht man Umwandlungen im festen Zustand. Im Gegensatz zur

bloßen Phasenumwandlung bildet sich bei der Ausscheidung eine neue Phase

aus einer bestehenden, ohne dass die bestehende Phase vollständig

aufgebraucht wird.

Grundmechanismus der Ausscheidung:

Löslichkeit für B in A nimmt mit sinkender

Temperatur im festen Zustand ab.

Bei Unterschreiten der Segregationslinie

wird im a-Mischkristall gebildet

(ausgeschieden).

unterscheidet sich sowohl in der

chemischen Zusammensetzung als auch in

der Gitterstruktur von a.

Die gleichmäßige Ausscheidung aus dem

Erstarrungsgefüge nennt man

„kontinuierliche Ausscheidung“.

Schmelze

S+a

Masse %

Festphasenausscheidungen

S. 148, Abb. 2.9.34


Seite 86

Ausscheidungen können in unterschiedlichen makroskopischen Formen, Größen

und Verteilungen im Gefüge vorliegen:

globulitisch

klein

globulitisch

groß

freie Form

eckig, spitz

freie Form

rundlich

nadelförmig

Eine optimale Eigenschaftsverbesserung wird

mit: zahlreichen,

kleinen,

runden,

homogen verteilten Ausscheidungen erzielt.

Ausscheidungsmorphologie

S. 150


Seite 87

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (Kap. 2.10)

Prinzipielles Zweistoffsystem

Prinzipiell:

vollständige Löslichkeit im flüssigen

Zustand

begrenzte Löslichkeit im festen Zustand

=> eutektisches System

Eutektikum (E) bei 4,3 Ma.-%C

Eutektikale bei T=1147 °C (metastabil)

eutektisches Gefüge: Ledeburit

0 1 2 3 4 5 % C 6 6,67 0 20 40 60 80 % Fe3C 100

1600

1400°C

1200

1000

800

600

400

Eu

tekti

ku

m

(Ledeburi

t)

4,3 Ma.-%C

Zem

entit

Schmelze

Eis

en

E

S. 157, Abb. 2.10.1


Seite 88


S. 159, Abb. 2.10.4

Löslichkeit von Kohlenstoff im Mischkristall

maximale Kohlenstoffgehalte:

a-Fe: 0,02 Ma.- % bei 723 °C

g-Fe: 2,06 Ma.- % bei 1147 °C

- in g-Fe ist 100-mal so viel Kohlenstoff löslich

wie in a-Fe => hierin liegt die Voraussetzung

für das Härten von Stahl

- sowohl im g-Gebiet wie im a-Gebiet nimmt die

max. Löslichkeit von Kohlenstoff mit

sinkenden Temperaturen ab

Abnahme der löslichen Kohlenstoffmenge:

g-Fe: 0,8 % bei 723 °C

a-Fe: ≈ 0 % bei Raumtemperatur

0 1 2 3 4 5 %C 6 6,670 20 40 60 80 % Fe3C 100

1600

1400°C

1200

1000

800

600

400

4,3 Ma.-%C

g-Fe

-Fe

a-Fe

Ze

me

ntit

0,02 Ma.-%C 2,06 Ma.-%C

723 °C

1147 °C

Schmelze

Eu

tektikum

(Le

de

bu

rit)

S+Z


Seite 89

Weitere Phasen

0 1 2 3 4 5%C 6 6,67

0 20 40 60 80%Fe3C 100

a-Fe

4,3%C

g-Fe

-Fe

Zem

en

tit

0,02%C 2,06%C

723°C

1147°C

1600

1400C°

1200

1000

800

600

400

Schmelze

Eu

tekti

ku

m

(Led

eb

uri

t)

Perl

it

S+ g

g +L

P+L L+Z

L+Z

(S+)

+ g)

a+g

S+Z


S. 160, Abb. 2.10.6


Seite 90

Eutektoide Umwandlung des Austenits

0 1 %C 2

g-Fe

a-Fe723 °C

Perl

it

die eutektoide (Festkörperreaktion)

Umwandlung des g-Eisens:

– übereutektoide Zusammensetzungen

scheiden Zementit aus (sog.

Sekundärzementit, da aus g-Fe),

bis die Konzentration 0,8 Ma.-%C

entspricht

– untereutektoide Zusammensetzungen

scheiden Ferrit aus, bis die Konzentration

0,8 %C entspricht

– eutektoide Zusammensetzungen (0,8 %C)

zerfallen direkt in Perlit

untereutektoid übereutektoid

0,8

1000

°C

800

600

400


S. 165, Abb. 2.10.14


Seite 91

Ni-Äquivalent = %Ni + %Co + 0,5·%Mn

+ 30·%C + 0,3·%Cu + 25·%N

Cr-Äquivalent = %Cr + 2·%Si + 1,5·%Mo

+ 5·%V + 5,5·%Al + 1,75·%Nb

+ 1,5·%Ti + 0,75·%W

Schaeffler-Diagramm

Schaeffler-Diagramm:

– Angabe der Gefügeart(en) des Stahles bei Kenntnis der Stahlzusammensetzung

– Feststellen der Gefügearten des Schweißgutes beim Schweißen unterschiedl. Stähle

– x - Achse Chromäquivalent (Maßstab für Ferritbildner)

– y - Achse Nickeläquivalent (Maßstab für Austenitbildner)

Gefüge von Eisen-Nickel-Chrom-Stählen (Schaeffler-Diagramm)

S. 169


Seite 92

Werkstoffprüfung (Kap. 3)

E-Modul

Spannungs-Dehnungs-Verläufe

E-Elastizitätsmodul

E

Anstieg der Hooke‘schen Geraden des Diagramms

rein elastischeVerformung

elastisch-plastischeVerformung

Hooke´sche Gerade

Hooke´sche Gerade,linear-elastischer Bereich


Seite 93


Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Rm

Rp

Rp

Rm

Vorverformungsgrad

Verlauf von Festigkeit und

Streckgrenze in Abhängigkeit der

Höhe vorausgehenden

Kaltverformung

Rm Rp

Rp

Werkstoff mit

plastischem

Formänderungs-

vermögen

Werkstoff „ohne“

plastisches

Formänderungs-

vermögen


Seite 94


Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Schematische Darstellung der Spannungs-Dehnungs-Diagramme eines

Vergütungsstahls in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung

gehärtet

(martensitisch)vergütet (gehärtet

und angelassen)

normalgeglüht

(weich)


Seite 95


Bruchformen

Normal-

spannungsbruchTrichterbruch duktiler

BruchScherbruch Mischbruch

spröde zäh/duktil

Werkstoffeigenschaft

S. 177, Abb. 3.1.11


Seite 96


Härteprüfverfahren

Ritzhärte-

prüfverfahren

Eindringen

eines

Prüfkörpers

unter

(quasi)statisch

er Belastung

Eindringen

eines

Prüfkörpers

unter

dynamischer

Belastung

Feilhärte-

prüfverfahren



Seite 97

die Prüfverfahren unterscheiden sich durch:

die Gestalt (Pyramide Kegel, Kugel)

den Werkstoff des Eindringkörpers (Stahl, Hartmetall, Diamant)

die Größe der Belastung (0,02...30000 N)

ihre Art (langsam, „statisch“, stoßartig, dynamisch)

Härte ist der Widerstand den ein Werkstoff dem Eindringen eines härteren Prüfkörpers entgegensetzt

Verfahren Eindringkörper Vor- und Nachteile Anwendung

Brinell

HBW

gehärtete

Kugel

genaue reproduzierbare Werte

nur für weiche und mittelharte

Werkstoffe

geglühter und vergüteter Stahl

Leichtmetalle, Schwermetalle

Vickers

HV

Diamant-

pyramide

universell einsetzbare Härteprüfung

für mittelharte und harte Werkstoffe

gehärteter Stahl,gehärtete

Rand-

schichten, Gefügebestandteile

Rockwell

HRC

Diamant-

kegel

direkte Anzeige des Härtewertes

für harte Werkstoffe

gehärtete Stähle,

Legierungen, Hartmetalle

Rockwell

HRB

gehärtete

Kugel

direkte Anzeige des Härtewertes

für mittelharte und weiche Werkstoffe

ungehärtete Stähle

CuZn-Legierungen



S. 195, Abb. 3.2


Seite 98

Kerbschlagbiegeversuch: Einfluss des Kristallgitters auf

Kerbschlagarbeit

Kerb-

schlag-

arbeit

AV in J

Temperatur

Hochlage

Steilabfall

Stahl (krz-Gitter)

Stahl (kfz-Gitter)

Tieflage

Übergangstemperatur TÜ


S. 200, Abb. 3.1.44


Seite 99

Kerbschlagbiegeversuch:

Av-T-Kurve, Einflussfaktoren auf den Steilabfall

Av

T

Tieflage

Hochlage

Steilabfall

Zähbruch

Sprödbruch

Mischbruch

Av-T-Kurve (krz, hex)Richtung der

Verschiebung

des Steilabfalls mit wachsender

Kerbschärfe (s. Bsp.)

Kerbtiefe

Probenbreite

Probenlänge (zw. den Auflagern)

Kohlenstoffgehalt (s. Bsp.)

Kaltverformung, Alterung

Gefügeänderung, Festigkeit (s. Bsp.)

Schlaggeschwindigkeit


S. 202, Abb. 3.1.48

Documents

Die folgenden Folien stellen eine Wiederholung … · • Metalle (z.B. Eisen, Aluminium) ... Metallbindung Metallbindung Elektronengasmodell: Die Metallatome geben ihre Valenzelektronen