Tgt Ta Lpe03 Werkstoff

Werkstoffprüfung und WerkstoffkundeGewerbeschule Lörrach U. Rapp, TGT_TA_LPE03_Werkstoff.odm, 19.08.10

für TGT, TA Seite 1 / 19

Werkstoffprüfung und Werkstoffkundefür TGT

Inhaltsverzeichnis

Lehrplan TGT...............................................2

LPE 03 Werkstoffprüfung.................3

Zugversuch..................................................3Zweck...........................................................3Durchführung................................................3

Zugprobe................................................3Ablauf.....................................................3

Standardisierung...........................................3Zugkraft F in Zugspannung σZ................3Länge L in Dehnung ε.............................3

Spannungs-Dehnungs-Diagramm.................3mit ausgeprägter Streckgrenze...............3ohne ausgeprägte Streckgrenze..............3

Vorgänge im Werkstoff..................................4elastische Verformung............................4plastische Verformung............................4Kaltverfestigung......................................4Einschnürung..........................................4

Kennwerte des Zugversuches.......................4Streckgrenze Re [N/mm²]........................4Dehngrenze Rp0,2 [N/mm²]....................4Elastizitätsmodul E [kN/mm²] (E-Modul). .4Zugfestigkeit Rm in [N/mm²]....................4Bruchdehnung A in [%]...........................4Brucheinschnürung Z ⇒ TabB................4Streckgrenzenverhältnis..........................4

Video Zugversuch ........................................4

Eindringhärteprüfung.................................5Eindringkörper...............................................5

Form.......................................................5Werkstoff................................................5Ausführung.............................................5Prüfkraft..................................................5Messgröße..............................................5Anwendung.............................................5

Vergleich der Verfahren.................................5Brinell (HB, HBW )..................................5Vickers (HV)............................................5Rockwell (HRB, HRC u.a.)......................5Prüfkörper...............................................5Messgröße..............................................5Typische Härtewerte...............................5Ermittlung des Härtewertes.....................5Kennzeichnung.......................................5Zusammenhänge....................................5Anwendung.............................................5Prüfbedingungen.....................................5Sonstiges................................................5andere Verfahren....................................5

Bezeichnungen metallischer Werkstoffe.. .6

LPE07 Werkstoffkunde....................7

Zweistofflegierungen..................................7Abkühlungskurven.........................................7

Zustandsschaubilder vonZweistofflegierung......................................8Zweck...........................................................8Ermittlung der Phasen...................................8Erstarrungsvorgang beim Gießen..................8Typen der Zustandsdiagramme.....................8

andere Eigenschaften.............................8

Gesetz der abgewandten Hebelarme.........8

Aufbau metallischer Werkstoffe.................9Bindungsmechanismus bei Metallen.............9typische Merkmale der Metalle......................9Verformung von Metallen unter Spannung.....9

elastische Verformung............................9plastische Verformung............................9Kaltverfestigung .....................................9Legierung................................................9

mikroskopische Struktur metallischerWerkstoffe..............................................9Wachstum aus der Schmelzen................9Gefüge....................................................9Gitterfehler..............................................9

Gittertypen.................................................10Gittertypen (Elementarzelle)........................10

Gitterkonstanten (Fe)............................10Eigenschaften der Gittertypen.....................10

Ferrit (α-Eisen, krz)...............................10Austenit (γ-Eisen, kfz)...........................10

Fe-Fe3C-Diagramm...................................11Gefügearten................................................11

Zementit (6,67%C)................................11Graphit .................................................11übereutektische Legierungen................11Ledeburit ..............................................11untereutektische Legierungen ..............11übereutektoide Legierungen .................11Perlit.....................................................11Ferrit.....................................................11Austenit.................................................11

Wärmebehandlung von Stahl...................12Abschreckhärten, martensitisches Härten. . .12

Zweck...................................................12Vorgang................................................12Erwärmen auf Härtetemperatur.............12Abschrecken / Martensitbildung.............12Anlassen bei 100 .. 300°C.....................12ZTU-Schaubilder ..................................12Härterisse.............................................12Abschreckgeschwindigkeit / Eindringtiefe..

12Werkstoffe............................................12

Vergüten.....................................................12Werkstoffe ...........................................12

Oberflächenhärten.......................................13Abschreckhärten...................................13Nitrierhärten..........................................13Verfahren..............................................13Einsatzhärten........................................13Randschichthärten................................13Werkstoffe / Vorgang...........................13Merkmale..............................................13Nitrocarborieren....................................13

nicht unterrichten............................14

Sonstige Wärmebehandlungsverfahren beiStahl...........................................................14Spannungsarmglühen.................................14Rekristallisationsglühen...............................14Weichglühen...............................................14

Pendelglühen..............................................14Normalglühen..............................................14Diffusionsglühen..........................................14

NE-Metalle..................................................14Einteilung....................................................14Bezeichnung...............................................14Eigenschaften.............................................14

Sinterwerkstoffe........................................15Verfahren....................................................15Merkmale....................................................15Anwendung.................................................15

nicht legierbare Werkstoffe ...................15einbaufertige Kleinteile .........................15einstellbare Porengröße .......................15gleichmäßiges Gefüge..........................15Lasersintern..........................................15

Kunststoffe................................................15Einteilung....................................................15

Thermoplaste........................................15Elastomere............................................15Duroplaste............................................15

Temperaturverhalten...................................15Prüfverfahren..............................................15

Werkstoffeigenschaften (für Kfz)..............16mechanisch.................................................16physikalisch.................................................16chemisch.....................................................16

feste Stoffe............................................16dichte Stoffe..........................................16korrosionsbeständige............................16brennbare und giftige............................16harte Stoffe ..........................................16Wärmeleitfähigkeit................................16Legierbarkeit.........................................16Entflammbarkeit....................................16elastische Verformung..........................16plastische Verformung..........................16Elektrische Leitfähigkeit........................16

sonstige......................................................16Aussehen..............................................16zähe Körper..........................................16spröde Körper.......................................16Schmelzpunkt.......................................16Siedepunkt............................................16Umweltverträglichkeit............................16warmfeste Stoffe...................................16Preis.....................................................16

Werkstoffeigenschaften............................17

Einteilung der Werkstoffe.........................18Metalle........................................................18Nichtmetalle................................................18Verbundwerkstoffe......................................18Eisenmetalle = Fe + C (+ Leg.)....................18NE-Metalle..................................................18

Stahl [1 „Stahlnormen“].........................18Leichtmetalle [1 „“] ρ in kg/dm³.............18künstliche Werkstoffe............................18Gusseisen [1 „“].....................................18Schwermetalle [1. „NE- ...“....................18Natürliche Werkstoffe............................18

Hilfsstoffe....................................................18

Erfahrungen...............................................19

Seitenumbruch



Lehrplan TGTRichtziele des Unterrichts in Jahrgangsstufe TGT-E und TGT-J1

Werkstoffe werden nach ihren Eigenschaften unterschieden und unter Verwendungs- und Umweltaspektenbewertet. Die Schülerinnen und Schüler erfahren, wie Werkstoffeigenschaften geprüft und durch Kennwerte undDiagramme dargestellt werden können. Diese Kenntnisse sind Voraussetzung, das in Projektunterricht entwickeltetechnische Objekt analysieren, beurteilen und optimieren zu können.

Jahrgangsstufe TGT-ET 3 Werkstoffe I 15 Stunden3.1 Werkstoffe nach Merkmalen

unterscheiden und bezüglichUmweltaspekte bewerten

WerkstoffeigenschaftenVerwendung von WerkstoffenUmweltaspekte

Auch moderne Werkstoffe

3.2 Die Systematik derWerkstoffnormung verstehenund anwenden

StähleGusswerkstoffeNE-Metalle

Bezugnehmen auf Stück-listeneintragung,Tabellenbuch

3.3 Das Verhalten metallischerWerkstoffe unterZugbelastung erläutern, diewichtigsten Werkstoff-kennwerte aus demSpannungs-Dehnungs-Diagramm entnehmen,berechnen und deuten

Zugversuch- Proportionalstab- Kraft-Verlängerungs-Diagramm- Spannungs-Dehnungs-Diagramm- elastische und plastische Verformung- E-Modul- Streckgrenze bzw. Dehngrenze- Zugfestigkeit- Bruchdehnung

Ausblick auf Statik undFestigkeitslehre

Elastischer und plastischerAnteil

3.4 Einen Überblick über dieHärteprüfverfahren und ihreEinsatzgebiete geben

Härteprüfung- Brinell- Vickers- Rockwell

Nur HRC

3.5 Projekt hinsichtlichneugewonnener Erkenntnisseanalysieren, beurteilen undverbessern

Andere Fertigungsverfahren und WerkstoffeWirtschaftlichkeit, Umwelt

Vgl. LPE 1.1GruppenarbeitKurzreferate

Jahrgangsstufe TGT-J1T 7 Werkstoffe II 15 Stunden7.1 Abkühlungskurven und

Zustandsschaubild einanderzuordnen, Werkstoff-eigenschaften vonZweistofflegierungen ableiten

RaumgittertypenErstarrungsvorgänge bei reinen MetallenZweistofflegierung- Zustandsschaubild bei MischkristallbildungZustandsschaubild beiKristalIgemischbildung

7.2 Legierungsbildung als gezielteBeeinflussung von Werkstoff-eigenschaften verstehen

Schematische Gefügebilder Werkstoffeigenschaften anhand vonGefügebildern und Zustandsschaubildern

Gussmetalle, Lote

7.3 Das Eisen-Eisenkarbid-Diagramm erläutern und dieEigenschaften des Stahlsableiten

Fe-Fe3C-Legierung- Zustandsschaubild- Erstarrungsvorgänge, Abkühlungskurven- Kristallbildung, Gefügebestandteile

Nur bis 2,1 %C

7.4 Die Eigenschaftsänderungdes Stahls durchWärmebehandlung verstehenund Anwendungsbeispielenzuordnen

Wärmebehandlung- Abschreckhärten- Randschichthärten- Vergüten- NormalglühenSchliffbilder, GefügebeurteilungEinsatzbereiche von Stählen

Einsatz-, Flamm- undInduktionshärten, ohneNitrieren

Seitenumbruch



LPE 03 Werkstoffprüfung

ZugversuchZweckdient der Ermittlung des Werkstoffverhaltens bei ein-achsiger Zugbeanspruchung und liefert wichtigeWerkstoffkennwerte, die auf viele andereBelastungsarten übertragbar sind.

Quellen: DIN EN 10002:2001 Metallische Werkstoffe - Zugversuch in [Klein 2008],[Bargel/Schulze 2005], [Hering 1992],

1) Ein: Bauarbeiter unter schwebender Last; Bungeespringen

Was gibt dennoch einigermaßen Sicherheit?

2) Aufbau und Ablauf mündlich entwickeln, anschließend Zugversuch in

der Werkstatt durchführen oder Video zeigen.Prüfungen sind lange üblich, z.B. veröffentlichte Petrus van Musschenbroeck 1729 ein Buchüber Prüfmaschinen und Spannungsprüfungen bei Drähten [Ferguson 1992] S.204, Fußnote9). Ein anderes Beispiel ist [Agricola 1548]

DurchführungZugprobewegen ihres Einflusses auf das Ergebnis sind genormt:– Form (rund oder flach)– Längenverhältnis Proportionalstäbe– L0/d0 = 5 (kurzer P., runde Querschnitt)– L0/d0 = 5,65 (kurzer P., andere Querschnitte)– L0/d0 = 11,3 (=2 x 5,65; langer P. für Sonderfälle)

– Zylinderköpfe (glatt oder Gewinde)– Oberfläche (Rz 6,3)

[EuroTabM] „Zugversuch“

FO verschiedene Zugproben

FO Einfluss des Längenverhältnisses auf die Bruchdehnung

AM Papierstreifen

FO gespante und umgeformte Gewinde

Abhängig vom Längenverhältnis ist z.B. die Bruchdehnung A, weil die Verformung nach derEinschnürung nicht von der Anfangslänge abhängt.Im Abitur wurde bisher L0/d0 = 5 für kurze und L0/d0 = 10 für lange Proportionalstäbe ver-wendet. L0/d0 = 5,65 stammt aus [Bargel/Schulze 2005] S.98. und macht die Querschnitts-flächen von runden und anderen Proben vergleichbar. L0/d0 = 10 wird von [Bargel/Schulze2005] nicht genannt, erscheint aber für runde Stäbe sinnvoll. Beachte:

4⋅d

2=a⋅b ↔

Ablaufman zieht die Zugprobe langsam und ruckfrei bis zumBruch und zeichnet die Kraft F und Länge L auf.

Langsam und ruckfrei wegen dynamischer Kräfte, vergleiche: Spalten von Holz

StandardisierungWerkstoffkennwerte werden unabhängig von den Maßendes Bauteiles angegeben.Zugkraft F in Zugspannung σZ

S0 = Anfangsquerschnitt

Damit die Ergebnisse unabhängig von der Probengröße werden, werden sie auf Querschnitts-fläche und Länge bezogen. Tatsächlich sind die Ergebnisse verschiedener Proben nicht ge-nau vergleichbar, weil die durchaus vorhandenen Einflüsse von Oberfläche und Längenver-hältnis dabei vernachlässigt werden. So sind im Tabellenbuch die Streckgrenzen Re von Stahlabhängig von der Erzeugnisdicke angegeben, und bei der Bruchdehnung gibt man dasLängenverhältnis als Index an (z.B A5 oder A10), weil es einen Einfluss hat.Andere Beispiele: zulässige StromdichteSpannung ist auf Fläche bezogene Kraft.

Man berechnet die Zugspannung mit dem Anfangsquerschnitt, obwohl der Querschnitt unterZugbelastung geringer wird. Die tatsächlichen Spannungen im engsten Querschnitt sind nochgrößer als es mit dem Anfangsquerschnitt berechnet wird.

Länge L in Dehnung ε

L0 = Anfangsmesslänge

100% = 1, kann in der Formel auch entfallen

Die Werte werden aufgezeichnet imSpannungs-Dehnungs-Diagrammmit ausgeprägter Streckgrenze ohne ausgeprägte Streckgrenze

3) Beschreiben Sie den Kurvenverlauf (makroskopische Vorgänge)

, dann Bezug auf die mikroskopischen VorgängeAB verschiedene gezogene Zugproben

AB SDD kombiniert mit Gitterbildern

σ in N/mm²

ε in %

Rm

εE Aelast. + plast. Vfg

elastische Verformung

E

Re

σE

σ in N/mm²

ε in %

Rm

0,2%

Rp0,2

A



Vorgänge im WerkstoffMetallische Gitter sind einfach angeordnetelastische Verformungvorher unter Last nachher

Werkstoff verhält sich wie eine Feder und nimmt nachEntlastung die ursprüngliche Form wieder an.

Tatsächlich ist die elastische Verformung im oberen Bereich nicht genau linear. Doch dieAbweichungen von der Geraden sind schwer zu ermitteln und meist vernachlässigbar, sodassman meist auf der Ermittlung der Proportionalitätsgrenze verzichtet.

Auch beim elastischen Verformen von Material kommt esdurch innere Reibung zu einer Hysterese. Deshalb wollenRadfahrer möglichst steife Fahrradbauteile.

AB HystereseMan unterscheidet: (1) linear elastisches Verhalten, für dasdas Hooke’sche Gesetz gilt (gilt für alle Festkörper für kleineVerformungen bis ε=0,1%); (2) nicht-linear- elastischesVerhalten, z.B. Gummi und (3) anelastisches Verhalten(elastische Hysterese): der Werkstoff gibt nicht mehr dieganze Verformungsenergie zurück [Hütte 29] D42. [Hering1992] S.92.

Mit der Dehnung ε ist eine Verringerung des Querschnittes verbunden. Ihr Maß ist dieQuerkürzung εq bzw. die Poisson- oder Querdehnzahl v. Sie beträgt für Stahl v = 0,3 [Decker2009] S.30.

plastische Verformung

Werkstoff wird bleibend verformt

Umklappen eines nichtorthogonalen Gitters ist ebenfalls möglich. Gleitebenen gehören zu den typischen metallischen Eigenschaften. Sie werden möglich durchIsotropie (richtungsunabhängige Bindung) der Metalle, die zu einfachen und dichten Gitternführt.

Kaltverfestigung.

Gitterfehler werden geschlossen, die Streckgrenze einesMetalles steigt beim Umformen (Walzen, Schmieden ..)

Die Verschiebung endet an den Korngrenzen oder an Gitterfehlern. Ohne Gitterfehler wären Metalle praktisch nicht verformbar bzw. bearbeitbar. Beimonokristallinem Fe wird die Rm ≈ 14000N/mm² errechnet, tatsächlich ist Rm (Fe) ≈ 150N/mm². Die Verschiebung entlang der Gitterebene muss also abgeschwächt sein.Bruchmechanismen siehe [SdW] 01/2000

EinschnürungNach Überschreiten von Rm tritt Einschnürung der Probeein. Die Kraft im Diagramm sinkt bis zum Bruch.

Die Spannung im Diagramm sinkt nach Rm zwar augenscheinlich, die tatsächliche Spannungim engsten Querschnitt steigt aber weiter an. Es tritt auch noch Kaltverfestigung auf.

Kennwerte des ZugversuchesEs gilt das Hooke’sche Gesetz: σ = E × εStreckgrenze Re [N/mm²]Dehngrenze Rp0,2 [N/mm²]= Grenze des elastischen Bereiches

[EuroTabM] „Zugversuch“

DIN EN 10002:2001 unterscheidet Obere (ReH) und untere (ReL) Streckgrenze [Klein 2008],[Bargel/Schulze 2005]. Ich verwende die obere Streckgrenze Re wie in [EuroTabM].Rp auch auch technische Elastizitätsgrenze.

Elastizitätsmodul E [kN/mm²] (E-Modul)– ist ein Maß für die Steifigkeit

– E=

=

F⋅L0

S 0⋅ L

[EuroTabM] „Elastizitätsmodul“; Tabellenwerte → [Hütte 29] E66 und D44Der (!) E-Modul ist der Proportionalitätsfaktor zwischen Normalspannung und Dehnung.Bildlich ist er eine Federkostante oder die Steigung der Hooke’schen (!) Geraden und damitdie gedachte Spannung für 100% Dehnung. Vergleiche auch Schubmodul G für Schub-spannungen und Kompressionsmodul K für hydrostatischen Druck.

E-Modul aus SDD ermitteln (HP96/97-3)

Zugfestigkeit Rm in [N/mm²]– das Überschreiten von Rm führt zum Bruch

Rm ist eine rechnerische Größe mit dem Anfangsquerschnitt S0, die für Konstruktionen zweck-mäßig ist. Will man das Werkstoffverhalten untersuchen, legt man den tatsächlichen Quer-schnitt zugrunde und erhält eine wesentlich größere Spannung.

Bruchdehnung A in [%]– Bleibende Verformung nach dem Bruch

Bruchdehnung A5 oder A11,3 gibt das Längenverhältnis der Probe an (starker Einfluss).FO Zugprobe: Folgen des Längenverhältnisses

[Bargel/Schulze 2005] S.96: Die Rückfederung parallel zur Hooke'schen Geraden ist eineVereinfachung, die bei höheren Temperaturen oder Kriechversuchen nicht zulässig ist.

Brucheinschnürung Z ⇒ TabB Verhältnis kleinster Querschnitt nach Bruch zu Anfangsquerschnitt.Verformungskennwerte (Bruchdehnung, Brucheinschnürung, Dehnung bei Höchstkraft)dienen nicht der Konstruktion, aber der Beurteilung des Werkstoffverhaltens.

Streckgrenzenverhältnis Wird benötigt bei:– Festigkeitsklassen von Schrauben– Umrechnung von Brinellhärten auf Rm

– Anhaltswert der Verformbarkeit für Umformverfahren

Vertiefung1) Ordnen Sie Kurven mit verschiedenen Streckgrenzenverhältnissen zu:Bruchgetrenntes Pleuel, FO Tiefziehen

Seil einer Hängebrücke (plastische Verformung erwünscht, um Überlastung anzuzeigen)

Gespeicherte Energie im elastischen Bereich , Verfomungsenergie im plastischen Bereich(Zähigkeit) und freiwerdende elastische Energie beim Bruch berechnen.[Hering 1992] S.92

Video Zugversuch

Zeigt Durchführung des Zugversuches und Ermittlungder Kennwerte0050Universalprüfmaschine0075genormter Prüfstab mit Gewindeköpfe0100genormte Geschwindigkeit, Dehnung, Schleppzeiger für Fm

0147Einschnürung

0160 Rm = Fm / S0

0170 Spannungs-Dehnungs-Diagramm0185 ReH, ReL, Rm

0199 Diagrammschreiber, Kraftanzeige0234 ohne ausgeprägte Streckgrenze, Rp0,2, Fm und ε-Anzeige; mehrmaliges Be- undEntlasten mit steigender Kraft zur Ermittlung von Rp0,2

0330 Zeichnerische Ermittlung0340 Bruchdehnung messen0376 Vergleich St-60 und St-37 im Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit Kraftanzeige

Seitenumbruch

F F

FF

Gleitebenen Zwilling F

F F

∆L

F

=Re

Rm

=

q



EindringhärteprüfungHärte ist der Widerstand, den ein Körper dem Ein-dringen eines anderen Körpers entgegen setzt. Härte wird als plastische Verformung messbar und kannmit Härtevergleichszahlen angegeben werden.

AM Zahnrad, Nockenwelle, Wälzlager o.ä.

Ein: FO Asterix und die Normannen1) Welche Werkstoffeigenschaft wird bei diesem veralteten Werkstoffprüfverfahrengetestet?siehe [EuroTabM] „Härteprüfung, Brinell, Vickers, Rockwell“Härte = EindringwiderstandQuellen: [Bargel/Schulze 2005], [Greven 2004][Domke 1977], [Weißbach 1988], [Domke1977]

Eindringkörper 2) Aus der Form des Eindringkörpers kann man auf viele Eigenschaften des Prüfverfahrenschließen, deshalb vorab einen Vergleich der Prüfkörper.

Form Kugel Kegel / Pyramide Kegel haben größere Kerbwirkung

Werkstoff aus HM aus Diamant Kugeln aus Diamant sind nicht sinnvoll / (möglich ?)

Ausführung verschiedene ∅ eine Größe Kugeln haben bei geringer Eindringtiefe unscharfe Ränder, bei großer Eindringtiefe kaumdifferenzierte Messwerte, sodass mehrere Durchmesser erforderlich sind.

Prüfkraft abhängig vomKugel∅

beliebig wählbar Die Kraft soll so klein wie möglich sein, damit das Werkstück nicht beschädigt wird,andererseits sind kleine Eindringtiefen nur schwer zu messen.

Messgröße ∅ (Fläche) Fläche oderEindringtiefe

Eindringtiefen können schneller gemessen werden, Eindruckflächen genauer.Statt der Fläche wird die Diagonale oder der Durchmesser des Eindruckes gemessenDer Härtewert wird aus der Kraft und der Fläche bzw. der Eindringtiefe ermittelt.

Anwendung für inhomogene grobeGefüge geeignet

Brinell (1900), Rockwell (1919), Vickers (1925) [qz 8/2000 S.1014]

Universalhärte siehe qz 8/2000 S.1014f

Vergleich der Verfahren Brinell (HB, HBW ) Vickers (HV) Rockwell (HRB, HRC u.a.)PrüfkörperEselsbrücke: Vergleiche Prüfkörper undAnfangsbuchstaben!

Belastungsgrad: Eindruck∅ soll 0,2..0,7Dsein, Vergleichbarkeit der Messwerte.Stahlkugeln als Prüfkörper sind mit DIN ENISO 6506-1:2005 nicht mehr zugelassen

Kegelwinkel 136°HRB (Ball), HRC (Cone) Kegelwinkel 120°,abgerundete Spitze

Messgröße 2 x Durchmesser optisch 2 x Diagonale optisch Eindringtiefe mit Messuhr

Typische Härtewerte[EuroTabM]: Vergleich der Härtewerte

100 .. 500 1 .. 10000 30 .. 115HRC 20 .. 70nicht einmal untereinander vergleichbar

Ermittlung des HärtewertesHerleiten!In der Praxis aus Tabellen.Für Schüler kg statt kp.

HB=0,102⋅F

EindruckoberflächeFaktor 0,102 = 1/9,81 wurde mit der Um-stellung von Kilopond auf Newton eingeführt

HV=0,1891⋅F

EindruckoberflächeFaktor 0,1891 enthält die Umstellung von kpauf Newton und einen Faktor aus der Formelfür die Eindruckoberfläche der Pyramide.

HRC=100−t b

0,02mmEindringtiefe tb = 0 .. 0,2 mm ergibt HRC =100 .. 0. Extremwerte sind beim Mess-verfahren meist ungenau, deshalb ist derMessbereich noch kleiner.HRB usw. unterschiedlich

Kennzeichnung 229HBW2,5/187/30Härtewert Verfahren (Hartmetall)Kugel∅/Kraft [kp]/Einwirkzeit

210 HV 50/30Wert Verfahren Kraft/Einwirkzeit

56 HRCWert Verfahren

ZusammenhängeUmrechnungsformel sind nicht bekannt,Anhaltsweiser Vergleich nur mit Tabellen

Rm = 3,5 x HBDer Faktor hängt vom Streckgrenzenver-hältnis X und der Zugfestigkeit des Stahlesab; z.B. für zerstörungsfreie Ermittlung vonRm (ungefähr). X muss größer >0,5 sein, unlegierte Stähle

HB≈0,95xHV (bis 350?)HRC≈0,1 HV (200..400HV)

Zahlreiche Verfahren

Anwendung besonders für grobes oderinhomogenes Gefüge Große Kugel trifft sicher viele Kristalle undbildet mechanisch einen Mittelwert.

bis mittelharte Werkstoffeist durch die Festigkeit der Kugel begrenzt.

für Ermittlung von Rm nicht für sehr harte Stoffe und dünneSchichten.

genauestes Verfahrenbreitester Messbereich,besonders für kleine Kräfte,kleine Teile und großeHärten.für dünne Schichten, einzelne Körner, Sinter.Schichtdicke>1,5 x Eindruckdiagonale. KleineEindrücke verlangen gute Oberflächen.Nicht für inhomogene grobe Gefüge undrauen Betrieb wegen der empfindlichenPrüfkörper

HR allgemein: schnell undeinfach durchführbar,Oberfläche muss nichtangeschliffen seinIn der Serie automatisierbar oder durchHilfskräfte

HRC: für gehärteten Stahl,Mindestdicke beachten

PrüfbedingungenPrüfbedingungen aus TabB für GG, 1mmdick, ca.200HB

zahlreiche Verfahrenmit Prüfvorkraft

Sonstiges Vorgehensweise bei Brinell und Vickers: Prüfkraft aufbringen, mindestens 15s einwirken,Durchmesser oder Diagonale optisch ausmessen. Messfehler darf nur 0,5% desDurchmessers betragen, damit der Fehler bei der Härte nur 1% beträgt.

Prüfvorkraft aufbringen, Messuhr nullen,Prüfkraft je nach Typ, entlasten aufPrüfvorkraft wegen elastischer Verformung,Messwert ablesen

andere Verfahren Mohs: (Diamant Härte 10) Vergleichsverfahren durch Ritzen für MineralienKnoop: ähnlich VickersPoldi: Stahlkugel zwischen Prüfling und Vergleichsplatte, Prüfkraft mit HammerschlagShore: Rückprallhöhe einer Stahlkugel ist Maß für die Härte, da die verlorene Energie inplastische Umformung umgesetzt wurde.Universalhärte nimmt auch den Prüfkraftverlauf auf. Einsatzbereich ?

Video Härteprüfung

Zeigt die Verfahren nacheinander in den Schritten: Anwendung bei; Prüfkörper, Wahl derPrüfkraft, Durchführung, Messung, Ermittlung des Messwertes in Film und Schema.

0433 Definition der Härte0450 Härte nach Brinell0563 Härte nach Vickers0666 Härte nach Rockwell

Vertiefung Vergleich der Prüfkräfte zwischen HB und HV z.B. bei Stahlblech 1,2mm dick, S185 ergibtsich in beiden Fällen F=294,2N

Seitenumbruch



Bezeichnungen metallischer Werkstoffe 1) Einleitung ?

Seitenumbruch



LPE07 Werkstoffkunde

ZweistofflegierungenAbkühlungskurven

z.B. gefrierendes Naphthalin ohne Haltepunkte Knickpunkte

Kristallisations- typisch für bei reinen undvorgänge reine Metalle legierten Metallen

Abkühlungskurven bilden Kristallisationsvorgänge ab.

AM Reagenzglas mit Halter, Brenner, Thermometer, Naphthalin schmelzen

Abkühlungskurve: siehe EuroTabM „Wärmetechnik“

Naphthalin: 2 verbundene Benzolringe, Aromat mit charakteristischem Geruch, früher alsMottenkugeln verwendet, Smp. 81°C, weiße Schuppen, wird aus Steinkohlenteer gewonnenund zur Herstellung von Farbstoffen genutzt.

1. Wie sieht die Abkühlungskurve (Temperatur - Zeit) qualitativ aus ?Sie verläuft asymptotisch zur Umgebungstemperatur (Bild 1), weil die Abkühlungs-geschwindigkeit hauptsächlich von ∆T abhängt, alle anderen Faktoren wie Oberflächeusw. sind vernachlässigbar oder konstant.

2. Abkühlungskurve als Wertepaare aufnehmen und in ein Diagramm

zeichnen (Bild 2).Welche Ursache hat die Unstetigkeit (Haltepunkt)? Die Wärmeabgabe wird nicht unter-brochen, sondern zeitweilig von innen her ausgeglichen. Ursache sind Kristallisations-vorgänge im Gefüge, hier das Erstarren. Dabei geben Atome einen Teil ihrer Bewe-gungsenergie als Kristallisationswärme ab. Andere Beispiele sind Sieden, Schmelzen,Änderung der Gitterstruktur, Änderung magnetischer Eigenschaften usw.

(Temperaturbereich, Zeitbereich, Maßstab)3. Anwendung

Anhand solcher Abkühlungskurven kann man Umwandlungen im Kristallgefügeerkennen. Bei reinen Metallen reicht die frei werdende Wärme für Haltepunkte aus, beiLegierungen wird die Abkühlung nur verlangsamt, es kommt zu Knickpunkten (Bild 3).

Abkühlungsgeschwindigkeit beeinflusst Kristallisation.Sie verschieben sich bei schneller Abkühlung in Richtung tiefer Temperaturen, bzw. beischneller Erwärmung in Richtung hoher Temperaturen (Hysterese).Kristallisationsvorgänge können auch durch die Dilatation (Längenänderung) oderMagnetisierbarkeit ermittelt werden.

Versuch 3 Flaschen Mineralwasser kühlen, anschließend Temperatur prüfen

Endlich ruft die neue Flamme an: er/sie kommt in 30 Minuten, der Scham-

pus soll kalt sein! Schampus ist da, aber warm. Wie bekommt man ihn am

schnellsten kalt (Idealtemperatur ca. 10°C)?Kühlfach: nur nicht vergessen !Fließend kalt Wasser: sehr schnell wirksam, aber nicht sehr kalt.Profitrick: In Eis legen und 3 Esslöffel Salz darüber geben !

FO Beregnungsanlage in Fischingen

Bei Frost, z.B. April 1997, werden die Blüten/Früchte mit Wasser beregnet. Durch Abgabe derKristallisationsenergie sinkt die Temperatur nicht unter 0°C. Das Verfahren funktioniert, bisdie Äste brechen.Welche Temperatur hat ein Whisky on the rocks ?Beispiel: Wasser auf der Haut wirkt bei Wind besonders kalt, weil das Wasser verdunstet undder Umgebung die notwendige Wärme für den Phasenübergang entzieht.1g Wasser braucht von Eis zu flüssigem Wasser bei konstanten 0°C 80Kalorien nur zumSchmelzen, mit derselben Energie könnte man flüssiges Wasser von 0 auf 80°C erwärmen[Wolke 1997] S.220].

Seitenumbruch



Zustandsschaubilder von ZweistofflegierungZweckZustandsdiagramme von Legierungen stellen in Phasen(abhängig von Zusammensetzung und Temperatur) dieBereiche ähnlicher Eigenschaften fest.

FO

1) Aufbau metallischer Werkstoffe in einer vorhergehenden Stunde.

Wie stellt man die Eigenschaften von Metallen fest ?Zugversuch, Härteprüfung und 1000 andere.

2) Welche Möglichkeiten hat man, wenn die Eigenschaften der reinen

Metalle nicht ausreichen ?z.B. Legieren.

Ermittlung der PhasenLegierungen kühlen langsam aus der Schmelze ab, dabeiwerden einfach messbare Eigenschaften ermittelt, z.B.

Temperaturverlauf (Abkühlungskurve)Länge (Dilatometerkurve)Magnetisierbarkeit

Sprunghafte Änderungen dieser Eigenschaften deutenauf Vorgänge im Kristallgefüge (Phasengrenzen) hin.

3) Wie stellt man die Eigenschaften von Legierungen fest ?Genauso. Da aber jede denkbare Legierung bei vielen Temperaturen geprüft werdenmüsste, ist es für 2-Stoff-Legierungen aufwendig, für Mehrstofflegierungen unmöglich.

4) Lösung: ZustandsdiagrammFO Abkühlungs- und Dilatometerkurve von Fe

Erstarrungsvorgang beim Gießen

siehe sachlogische Analyse

AM Hakenschraube

1) Beschreiben Sie den physikalischen Vorgang des ErstarrensWhisky on the rocks hat konstante Temperatur.FO Beregnungsanlage

Zitrusbauer beregnen ihre Bäume bei FrostSobald Atome die Schmelztemperatur erreicht haben und einen günstigen Platz gefundenhaben, binden sie sich in die feste Struktur ein. Dabei geben sie Bewegungsenergie alsKristallisationswärme ab (beim Schmelzen umgekehrt). Durch weiteren Entzug von Wärmefindet kein Temperaturabfall statt, sondern weitere Atome erstarren, bis derPhasenübergang vollständig vollzogen ist. Durch das Halten der Temperatur beimPhasenübergang haben Atome Zeit, ihre Gitterplatze zu suchen.Bei reinen Metallen reicht die freiwerdende Wärme für Haltepunkte aus, bei Legierungenwird die Abkühlung nur verlangsamt, es kommt zu Knickpunkten (Bild 3).

Typen der ZustandsdiagrammeKristallgemisch, z.B. Zinn-BleiMischkristall, z.B. Kupfer-Nickel

AB Zweistofflegierungen

1) Entwicklung anhand des ArbeitsblattZeichnen sie die (vereinfachten) Zustandsdiagramme der Zweistoff-Legierungen Cu - Niund Pb - Sn aus den Abkühlungskurven. Entnehmen sie zusätzliche Werte aus dem TabB.

andere EigenschaftenMK-Gitter sind bei jedem Legierungssystem anders ⇒ wechselnde Eigenschaften

FO Eigenschaften CuNi, CuZn

KG-Legierungen tendieren zu einem Übergang derEigenschaften des einen Reinmetalles zum andern

Mehrstofflegierungen sind noch lange nicht erforscht, da es zu viele Kombinationen vonLegierungen, Wärmebehandlungsverfahren usw. gibt. Werkstofftechnik beeinflusst dieUmsetzung vieler Konstruktionsideen wesentlich (z.B. Hydrostößel, Al im Motorenbau,Schneidkeramik) und ist wesentlich für die Techniksprung der letzten 20 Jahreverantwortlich (der in der Entwicklung der Computertechnik untergegangen ist.)Werkstofftechnik ist z.Zt. eines der Gebiete, auf dem Deutschland vorne mithalten kann.Vorgänge auf atomarer Ebene gehorchen thermodynamischen Gesetzen und sindberechenbar. Seit etwa 2000 gibt es Programme, die Phasendiagramme von Mehrstoff-legierungen berechnen können.

Vertiefungandere typische Kristallgemischlegierungen:- Streusalz im Wasser senkt den Schmelz-/Gefrierpunkt von Wasser. - Wenn man Salz auf das Eis im Sektkühler gibt, schmilzt das Wasser. Die notwendige

Kristallisationsenergie wird der Umgebung entnommen, sodass die Temperatur desGemisches sinkt und der Schampus schneller kalt wird.

FO Zustandsschaubild Blei - Zinn

FO Verzinnen von Karosserieblechen

- Warum verendet man zum Glätten ausgebeulter Karosserien als

„Schwemmzinn“ Legierung wie L-PbSn25Sb und zum Löten L-PbSn60 ?Dies hängt mit den Verarbeitungstechniken zusammen: L-PbSn25Sb ist in weitemTemperaturbereich teigig und damit besser zu modellieren, L-PbSn60 schmilzt beiniederer Temperatur vollständig und fließt dadurch besser.

FO Zustandsschaubild Aluminium - Magnesium

FO Zustandsschaubild Kupfer - Zink

Reale Zustandsdiagramme sind häufig viel komplizierter, weil sich Verbindungen,verschiedene Gitter usw. bilden können.

Reales Zustandsschaubild von Blei - Zinn ist etwas komplizierter, da jedes Metall ingeringen Mengen ein anderes lösen kann. z.B. Pb65Sn35 abkühlen: T2 unter der Liquiduslinie scheiden Primärkristalle aus Blei mit etwas Sn-Gehalt aus. DieKonzentration von Schmelze und Primärkristalle wird mit den abgewandten Hebelarmenermittelt.Bei T3 erstarrt die Schmelze zum Eutektikum, dabei sind 64,3% Pb-Mischkristalle mit 20%Sn.Unter der Soliduslinie nimmt die Löslichkeit des Zinns im Blei wieder ab, das Sn wird ausden Primärkristallen wieder ausgeschieden und lagert sich an den Korngrenzen ab(Sekundärkristalle).FO Zustandsschaubild Aluminium - Silizium

AlSi12 ist eine typische Gusslegierung und wird z.B. für Kolben usw. verwendet. Si senktden Schmelzpunkt und mach das Al härter, verschleißfester erhöht die Festigkeit.

Arbeit mit TabBZahlreiche Zustandsdiagramme: [Fenchel 1911]

Gesetz der abgewandten Hebelarmewieder aufnehmen

Seitenumbruch



Aufbau metallischer WerkstoffeBindungsmechanismus bei Metallen

Me geben leicht die äußeren(Valenz-)elektronen ab.Die e- bilden ein frei beweg-liches Elektronengas undbinden Me+. Die Bindung ist richtungs-unabhängig (isotrop).

AM Al-Blech mit großen Kristallen

1) Welche Struktur ist hier zu erkennen ?

2) Welcher Bindungsmechanismus verursacht

solche Strukturen ? bzw. Wie sind

Metallatome miteinander verbunden ?Metallatome geben leicht ihre äußeren Valenzelektronenab. Da im reinen Metall keine Atome vorhanden sind, dieElektronen aufnehme, bilden sie eine frei bewegl. Elek-tronenwolke, die für die typischen metallischen Eigen-schaften verantwortlich ist. Die richtungsunabhängige Bin-dung bewirkt, dass Metallatome zu dichten und dichtestenPackungen neigen.FO Bindungsarten

[Tipler 1995] S.1317: Die „Wellenfunktion (derValenzelektronen) erstreckt sich über das ganze Volumen“Bindungsarten: [Hering 1992] S.634

typische Merkmale der MetalleElektronenwolke / Elektronengas⇒ hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit

elektrochemische Korrosion, Supraleitung

⇒ hohe FestigkeitFO Schildkröttaktik

1) Welche typischen Merkmale folgen aus dem Bindungsmechanismus ?[Hering 1992] S.684: "In reinen Metallen ist die Wärmeleitfähigkeit durch Elektronen stets einbis zwei Größenordnungen größer als durch Gitterschwingungen... " [Hütte 29] B156: Elektrischer Widerstand bei Metallen durch Gittergrenzen und – fehler unddurch schwingende Atome.Salze zerfallen unter elektrischem Strom (Elektrolyse). Ihre thermische Leitfähigkeit beruhtauf der engen Kopplung der Ionen, die Gitterschwingungen übertragen, und ist vermutlichgeringer als bei Metallen.

⇒ richtungsunabhängige Bindung (Isotropie) ⇒Metallatome streben zur dichtesten Packung

⇒ einfache umformbare Gitter (Kristalle)Gleitebenen ermöglichen Verschieben und erneute Bindung, Details s.u.

Erst Umformbarkeit macht Metalle technisch nutzbar.

Tischtennisbälle (Metallatome) ordnen sich in einer Kiste richtungsunabhängig, im Gegensatzzu Nägeln (Salzionen mit gerichteter Ionenpaarbindung).

2) Wie ordnen sich TT-Bälle an ?Verformung findet in den Gitterebenen statt. Komplizierte Gitter (Zementit, Diamant, Quarzusw.) sind schwerer verformbar. Salze haben gerichtete Pole (Ionen), die bei einer Ver-schiebung einer Atomlage zu einer Abstoßung führen würden. FO Gittertypen

⇒ Atome sind austauschbar → Legierbarkeit Weil die Atomrümpfe rund erscheinen und ähnlich groß sind, sind sie vielen Kombinationenaustauschbar. Allerdings stören eingebundene Fremdatome die Gitterebenen und erhöhen sodie Festigkeit. Im Gegensatz dazu können Salze Fremdionen nur schlecht aufnehmen, weildie richtungsabhängigen Bindungskräfte zueinander passen müssen.

⇒ metallischer Glanz nach dem Bruch Verformung und Bruch findet in den Gitterebenen statt, sodass frische Bruchflächen sehr glattsind und glänzen.

Verformung von Metallen unter Spannungelastische Verformungerfordert Überbiegen o.ä.

plastische Verformungdurch Versatz an Gleitebenen oderZwillingsbildung

Kaltverfestigung durch Schließen von Gitterfehlern

Legierungstört Gleitebenen⇒ steigert Festigkeit

Kurve Kräfte zwischen Atomen,

1) Vergleiche die harte Feder: Wie verhält sich die Bindung unter DruckAbstand zwischen 2 Atomen verringert sich, abstoßende Kraft steigt sehr stark an:Metall kann nicht komprimiert werden.

2) Wie verhält sich die Bindung unter leichtem ZugVerschiebung der Atomkerne, federn nach Entlastung ohne Veränderung (außerHysterese) zurück: elastische Verformung

3) Wie verhält sich die Bindung unter großem ZugEs verschieben sich komplette Lagen des Gitters und springenin ein neues Gitter: plastische Verformung. Die Besonderheitvon Metallen ist, dass der Körper nicht nur nicht bricht, son-dern eine hohe Festigkeit behält. Zwillingsbildung: Teile einesKornes klappen in eine spiegelbildliche Lage (besondershexagonale Gitter)

Kaltverfestigung entsteht durch Schließen der Gitterfehler.Für monokristallines Fe wird Rm ≈ 14000N/mm² errechnet,tatsächlich ist Rm(Fe) ≈ 150 N/mm². Die Verschiebung entlang derGitterebene muss also abgeschwächt sein.Die Verschiebung der Gitterebenen endet an den Korngrenzen oder an Gitterfehlern. OhneGitterfehler wären Metalle praktisch nicht verformbar bzw. bearbeitbar, d.h. technisch nichtverwendbar. Im Bild: Substitutionsmischkristall: Fremdatom ersetzt Wirtsatom, z.B. CuNi.Einlagerungsmischkristall: Fremdatom auf Zwischengitterplätzen, z.B. C in Fe.AM Rogers Connection

mikroskopische Struktur metallischer WerkstoffeWachstum aus der Schmelzen

1) Wie wird Metall fest? Wie erstarrt es aus einer Schmelze?Wenn die Atome beim Abkühlen Bewegungsenergie verlieren, binden sich an vielen Stelleneinzelne Atome. Mit weiterer Abkühlung binden sich weiterer Atome an die Keimzellen, dieKristalle wachsen und bilden ein System von Körnern mit Korngrenzen. In den Korngrenzensammeln sich nicht passende Fremdatome bzw. Verunreinigungen.Bei Stahl erfolgt das Wachstum aus der Schmelze in Dendriten ähnlich wie bei Eisblumen."Runde" Kristallen mit höhere Festigkeit entstehen erst beim Umformen.Korngrenzen beeinträchtigen die Festigkeit: Je kleiner die Körner sind, desto höher ist dieFestigkeit (vgl. Kettenhemd: Je kleiner die Kettenglieder, desto fester). Korngrenzen ermög-lichen Umformung in allen Richtungen, da die Gleitebenen der Körner in verschiedenen Rich-tungen ausgerichtet sind. Rolle der Korngrenzen für Festigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit usw? Rekristallisation: [Bargel/Schulze 2005]

Gefüge- Körner + Korngrenzen = Gefüge (Schliffbild)

( feines Korn erhöht die Festigkeit )

Bezug auf EingangsbeispielGitter beginnen beim Abkühlen an vielen Kristallkeimen zu wachsen, jedes Gitter bildet einKorn. An den Korngrenzen lagert sich ab: Schlacke, nicht gelöste Fremdstoffe (Graphit imGrauguss).[EuroTabM]: Schliffbilder

Gitterfehler- Fremdatome (⇒erhöhte Festigkeit)- Lücken (⇒Umformbarkeit)- Verschiebung ganzer Lagen- Gitterfehler senken die FestigkeitOhne Gitterfehler sind Metalle mechanisch nicht nutzbar.

2) Folgen von GitterfehlernWie sehr die Form von den äußeren Bedingungen, vor allem Abkühlgeschwindigkeit undStörfaktoren abhängen kann, sieht man bei Eiskristallen an der Fensterscheibe.

- Verformbarkeit: Bei plastischer Verformung muss nicht eine ganze Gitterebene ver-schoben werden, sondern nur bis zur nächsten Lücke. Die theoretische Festigkeit idea-ler Kristalle ist 100-fach höher als die reale, sodass sie nicht bearbeitet werden könnten.

- Fremdatome können leicht von Lücke zu Lücke wandern. Dies ist wichtig beim Ändernvon Stoffeigenschaften, (z.B. Aufkohlen)

- Kaltumformung nutzt die Gitterfehler aus. Der Werkstoff lässt sich bis zu einer be-stimmten Grenze kalt umformen, dabei wird er härter und spröder (Kaltverfestigung).Wenn alle nutzbaren Baufehler genutzt sind, beginnt ein Teil zu reißen.

- el. und therm. Widerstände Gitterfehler stören el. und therm. Leitfähigkeit.

Seitenumbruch

Korngrenzen

Körner

F FF

FF Gleitebenen

FF

Zwilling F

[Bargel/Schulze 2005] S.2[Doering 1968] S.3: mechanischesVergleichsmodell; [Mattheck 2003]S.7: „Lieblingsabstand“

Fab

Fan resultierende

abstoßende Kraft

anziehende

Abstand



Gittertypen Zeitbedarf: 2+1h (ohne / mit Dilatometerversuch)

1) Wdhg Isotropie, metallisches Streben nach einfachen Gittern

2) Eine Kiste voll Tischtennisbälle, vorsichtig rütteln, Anordnung ?kubisch-primitiv (nicht zeichnen), krz, kfz / hex

3) günstigere Anordnung ? hexAM krz-Raumgitter in 4 Ebenen aus Tischtennisbällen (siehe rechts

kfz und hex unterscheiden sich nur durch eine kleine Verschiebung in der 3. Ebene.

4) Verschiebung der 3. Lage in die andere Lücke = kfz„Atome haben eine Art energetische Pufferzone, eine Kugel mit dem sogenanntenVan-der-Waals-Radius, sodass es häufig sinnvoll ist, Packungen von Kugeln mitdiesen Radien als Modelle von Kristallstrukturen zu betrachten“ [SdW] 08/2008 S.70.

über die 1. Lage→ hexagonal (hex)

über die Lücken der 1.Lage → kfz

FO hex und kfz Gitter in dichtester Packung, FO Gittertypen

hex-Raumgitter bei: Be, Cd, α-Co, Mg, α-Ti, Zn, α-Zr.; kfz-Raumgitter bei: Al, Pb, γ-Fe, Au, β-Co, Cu,Ni, Pt, Ag;; krz-Raumgitter bei: Cr, α-Fe, Mo, Nb, Ta, V, W, β-Ti, β-Zr

Gittertypen (Elementarzelle) Elementarzelle = einfachste Zelle, durch deren Wiederholung das Gitter aufgebaut werden kann.

kubisch-raumzentriert(krz), z.B. α - FeB.C.C. (body centre cubic), vgl: Atomiumin Brüssel

kubisch-flächenzentriert(kfz), z.B. γ – FeF.C.C. (face centre cubic)

hexagonal (hex)tritt nicht bei Eisen auf

Begriffe Austenit und Ferrit (von den Ablese-übungen bekannt) nicht vorgeben, sondern nachdem Dilatometerversuch zuordnen lassen.

ev. FO Gittertypen

Wir betrachten nur die Gitter, die bei

Eisen auftreten, deshalb wird hex nicht

weiter verfolgt (waagerechte Linie).

animierte 3D-DarstellungenerstellenAtomdurchmesser Fe ca. 250 nm[Hering 1992] S.937: vollständige Übersicht überGittertypen und Gitterkonstanten, nur krz, kfz,hex sind für Metalle wesentlich.

0,286nm 0,356nm Gitterkonstanten (Fe)Gitterkonstante = Kantenlänge des Würfels

1) Gitterkonstante vorgeben

2) Welches Gitter hat die größere

Dichte ?

8⋅1

81⋅1=2 8⋅

1

86⋅

1

2=4

Anzahl der Atome jeElementarzelle

Die Randatome werden von mehreren Elemen-tarzellen beansprucht. Wie viele Aktienanteile anAtomen hat eine Elementarzelle ?

2

0,2863nm

3=85,5

Atome

nm3

nicht dichtest gepackt

4

0,3563nm

3=88,6

Atome

nm3

dichteste Packung

AtomdichteHinweis: Berechnung per Dreisatz oder Formelso, dass die Einheiten richtig aufgehen.

Wdhg: kfz und hex unterscheiden sich nur umeine Verschiebung in der 3. Lage (s.o.), die dieDichte nicht beeinflusst → hex ist auch dichtestgepackt (hdp = hexagonal dichtest packt).

55,847 g⋅85,5 Atome

6,02204⋅1023

A⋅nm3=7,9

kg

dm3

55,847 g⋅88,6 Atome

6,02204⋅1023

A⋅nm3=8,2

kg

dm3

Dichte (theoretisch)praktisch 7,87kg/dm³A. = Atome

[EuroTabM] „Chemie“, „Dichte“Atommasse Fe=55,847g/6,02204×1023 Teilchennm=10-9m=10-8dmFehlerquellen: Gitterfehler, Gitterkonstante isttemperaturabhängig, Rundungsfehler

FO Abkühlungs- und Dilatometerkurve von Eisen

Bezeichnungen α-, β-, γ- und δ-Fe folgen der Abkühlungskurve von unten nach oben.β-Fe ist wie α-Fe, aber unmagnetisch (oberhalb der Curielinie = 768°C für reines Fe,sonst ca 719°C ). δ-Fe ist ein kleiner Zipfel beim Punkt A im EKD.

Vers: Vereinfachter Dilatationsversuch

Frei hängenden Stahldraht (Blumenbindedraht ca. 30..50cm) durch Strom bis 900°C erhitzen (Glüh-farben siehe TabB). Nach Abschalten des Stromes zieht sich der Draht zusammen. Beim Übergangvon Austenit zu Ferrit sackt er nochmals kurz durch (Verlängerung wegen der geringeren Dichte vonFerrit). Manchmal kann man auch ein kurzes Aufglühen sehen, wenn die Kristallisationsenergie freiwird ? Dilatation (Ausdehnung) ist ein weiterer Hinweis auf Kristallisationsvorgänge.

Eigenschaften der Gittertypen 1) Beobachten und erklären Sie die Vorgänge

2) Ordnen Sie kfz und krz dem Austenit und Ferrit zu.

Ferrit (α-Eisen, krz) Austenit (γ-Eisen, kfz) Eintrag im AB Stahlecke

max. 0,2% max. 2,06%(Grenze für Stahl)

Lösungsvermögen für C aus EKD entnehmen, Erklärung an derElementarzelle. Ca jede 3. kann C aufnehmen.

48

412

Gleitebenen,Gleitmöglichkeiten

oben im TA Gittertyp einzeichnenFO Gleitebenen

gut umformbar sehr gut umformbar Verformbarkeitweich, nicht sehrfest, zäh,magnetisch,korrosionsanfällig

weich, sehr zäh, unmag-netisch, korrosionsbeständig(z.B. CrNi-Legierungen)

Sonstiges Legierungen mit hohem Cr- oder Ni-Anteil(Nirosta) haben ein austenitisches Gitter und sindunmagnetisch und korrosionsbeständig (z.B.Schiffbau, Lebensmitteltechnik)

Gitterfehler siehe [Hering 1992] S.640

VertiefungRaumerfüllungsgrad: Wie viele Prozent des Raumes wären ausgefüllt, wenn dieAtome Kugeln mit maximal möglicher Größe wären bei kfz / krz?

Cementite has an orthorhombic lattice with approximate parameters 0.45165, 0.50837 and 0.67297nm (http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/Lattices/cementite.html). Die Darstellung deszementit in [Greven 2004] ist falsch.

Unterschied zw. Ingenieur und Mathematiker:-):Dass hdp und kfz die dichtesten Packungen seien, vermuten Mathematiker bereits seit Kepler 1611,bewiesen wurdde es aber erst 1998 [Stewart 2003].

Seitenumbruch

TT-Bälle → kfz



Fe-Fe3C-Diagramm(metastabiles Eisen-Kohlenstoff-Diagramm)

Ziel: quantitative Vorgänge in der Stahlecke, um das Lesen von Zustandsdiagrammeneinzuüben und sich an die Begriffe (Austenit ..) zu gewöhnen, ohne sie zu erklären.

1) Erkläre die Zusammensetzung der Gefüge von C100, (C50) bei 1600,

1400, 1200, 1000, 800, 750, 700°C. anhand [EuroTabM] „Eisen-Kohlenstoff-Diagramm“

Gefügearten 2) Begriffe klären, Vorgehensweise mündlich, Zusammenfassung im ABAB Stahlecke

qualitative Vorgänge im ganzen Fe-Fe3C-Diagramm

Vorgänge über 2,06% sind im Lehrplan nicht gefordert !Zementit (6,67%C)Im metastabilen EKD (Fe-Fe3C-Diagramm) scheidet sichKohlenstoff als Eisenkarbid Fe3C, 6,67% C aus:sehr hart + spröde, nicht umformbar, sehr fest.FO Zementitkristall

Fe3C besteht aus 1x12 : 3x56 = 12:168 Atommassen. 12/(168+12)=6,67%C (Masse%)

Wdh.: Umformbarkeit ist wesentlich für den Nutzen vonMetallen, reines Zementit ist praktisch nicht nutzbar.Da Wärmebehandlung das Fe3C in Fe und C trennen kann, aber nicht umgekehrt, ist das EKDdas stabilere System, das Fe-Fe3C-System heißt metastabiles EKD (grch. meta: zwischen..,mit.., um.., nach..)

Graphit (100%C) weich, wenig verformbar, schmierend

Da die wenigen C-Atome Zeit benötigen, Keime zu bilden und zu vergrößern, scheidet sichGraphit nur bei sehr langsamer Abkühlung aus (wird durch Si gefördert).

übereutektische Legierungen(4,3 .. 6,67%C)Kristallgemisch aus Zementit und Ledeburit

Schüler entwickeln lassen: Zwischen 4,3 und 6,67% C verhält sich die Legierung wie einKristallgemisch. Eisenkarbid-Kristalle scheiden aus, die Schmelze strebt zum Eutektikum

Ledeburit (4,3%C)Eutektikum des Fe-Fe3C-Systems; feinkörnigesKristallgemisch aus Austenit (Perlit) und Zementit

Das Ledeburit ist durch eine gestrichelte Linie markiert. Die gestrichelte Linie bedeutet, dassLedeburit keine eigene Phase ist, sondern nur eine Erscheinungsform anderer Phasen. BeimAbkühlen besteht es zunächst aus Zementit und Austenit. Austenit vergrößert beim weiterenAbkühlen die vrohandenen Zementitbereiche und kippt dann in Perlit um.nach Prof. Ledebur, Freiberg 1837 bis 1906.

untereutektische Legierungen (2,06 .. 4,3%Caus Ledeburit, Austenit und Sekundärzementit

Zementit steckt schon im Ledeburit, das Sekundärzementit scheidet sich aus dem Austenitaus, da Austenit mit sinkender Temperatur immer weniger C lösen kann.

übereutektoide Legierungen (0,8 .. 2,06%C)scheiden Sekundär-, Schalen- oder Korngrenzen-zementit unter der Linie E-S aus dem Austenit aus.Dieser Vorgang ist durch die gestrichelte Linie bei 2,06%C angedeutet. Die Anteile undZusammensetzung von Austenit und C berechnet man aber über die Volllinien E-S und F-K

Auf der Linie E - C zwischen 2,06 und 4,3% C besteht das Gefüge aus Austenit undLedeburit. Bei weiterem Abkühlen scheidet sich aus dem Austenit C aus und bildet Zementit.Da die Ausscheidung dieses Zementits erst beginnt, nachdem sich bereits Zementit aus derSchmelze gebildet hat, nennt man ihn auch Sekundärzementit. Da er sich um dieAustenitkristalle an den Korngrenzen ablagert, heißt er auch Schalen- oderKorngrenzenzementit.

PerlitKristallgemisch aus meist lamellarem Ferrit undZementit; Eutektoid des Austenits; mittelhart.

Eutektoid entspricht dem Eutektikum, geht aber nicht aus einer Schmelze, sondern aus einerfesten Lösung hervor. Hier ist C im Austenit gelöst.Perlitbildung = Austenitzerfall. Lamellen werden durch Wärmebehandlung zu Körnern.Der Name Perlit kommt vom perlmuttartigen Glanz, den geschliffenes und geätztes Perlit hat.

Ferriteine Form von Eisen, kann kaum C lösen (max. 0,2%).

Löslichkeit für C aus dem EKD lesenAndere übliche Bezeichnung ist α-Eisen.

AustenitMischkristall aus Fe und C, kann bis 2,06%C lösen

Andere übliche Bezeichnung ist γ-Eisen.Ültg: Austenit und Ferrit sind zwei verschiedene Kristallformen des Eisens. Bevor wir dieGittertypen unterscheiden können, müssen wir erst den Bindungsmechanismus von Metallenkennen.

Vertiefung 3) Sie wollen die Gefügeumwandlung von C55 beim Abkühlen aus der

Schmelze mit einer Laienspielgruppe darstellen. Darsteller sind Ihre Klas-

senkameraden. Schreiben Sie das Drehbuch so, dass jeder der Darsteller

weiß, was er zu tun tun hat. Die Darsteller sind mit schwarzen und weißen

Hemden markiert.

Seitenumbruch



Wärmebehandlung von StahlAbschreckhärten, martensitisches HärtenZweckVerschleißfestigkeit, Härte

Ein Nockenwelle, Zahnrad, Kurvenscheibe o.ä.

1) Funktion, Belastung ? Reibung, Verschleiß ⇒ HärtenHärten macht Stähle durch Wärmebehandlung hart und verschleißfest. Vorher müssen Werkstückeetwa ihre endgültige Form haben, danach können sie nur noch durch Schleifen gespant werden.

Vorgang Versuch: Bindedraht biegen: Nix passiert; Draht erhitzen, abschrecken, biegen: Draht bricht.

Zum Abschreckhärten benötigt man zwei Elemente: genügend C und Abschreckgeschwindigkeit.

Beim schnellen Abkühlen sinkt dieTemperatur, bei der Austenit zu Perlit wird,weil der C nicht schnell genug diffundierenkann. Das Perlit wird feinstreifiger. BeiUnterschreiten der kritischenAbkühlungsgeschwindigkeit bildet sich garkein Perlit mehr, sondern bei 400..100°C (beiunlegierten Stählen) das durch C-Atomeverzerrte krz-Gitter Martensit (glashart undspröde).Überperlitische Stähle behaltenRestaustenit, der die Härte senkt. Er kanndurch Tieftemperaturbehandlung noch inMartensit umgewandelt werden bzw. durchAnlassen in Perlit oder Zwischen-stufengefüge umgewandelt werden.FO Dilatometerkurve beim Erwärmen undAbschrecken Domke S121

zeigt starke Verlagerung des Umwandlungs-punktes in tiefe Temperaturen beimAbschrecken (Hysterese).Legierungselemente Cr, W, Mn, V fördernden Vorgang.

Erwärmen auf Härtetemperaturca. 50°C über der PSK-Linie

Abschrecken / MartensitbildungAustenit abschrecken → es entstehtMartensit statt Ferrit / Perlit Eigenschaft: sehr hart und spröde.

Anlassen bei 100 .. 300°CWandelt etwas Martensit in ZementitZweck: Senkt die Sprödigkeit undmindert die Gefahr der Härterisse.

Das Kristallgemisch aus Ferrit / Zementit und Perlit wird überdie GSK-Linie auf Härtetemperatur durchgewärmt undwandelt sich vollständig in Austenit um, der den C löst.

Ein abgeschreckter Handmeißel ist fest, glashart und dement-sprechend spröde, Zähigkeit fehlt, sodass das –Werkstückangelassen werden muss.

Zur Minderung der Härterisse soll gehärteter Stahl 45’ auf100..150°C angelassen werden (Domke7 S.126).Anlassfarben s. [EuroTabM] (ältere Ausgaben)

Folie herstellenAnlassfarben entstehen durch dünne Oxidschichten.Anlassen soll unmittelbar nach dem Abschrecken erfolgen, daHärterisse noch Stunden später erfolgen können

FO ZTU-Schaubild für kontinuierliche Abkühlung Ck45, 41Cr4 aus Weißbach S.180: für innenund außen, erreichbare Härten je nach Temperaturverlauf

Je nach Abschreckmittel und Dicke sind die Vorgänge am Rand und im Innern starkunterschiedlich. Durchhärten bei größeren Querschnitten (Martensitbildung) ist nur bei legierten Stählen zuerreichen. Ferritbildung ist zu vermeiden (weich, kleines Re).

ZTU-Schaubilder für kontinuierliche AbkühlungFO Wärmebhandlung im ZTU-Diagramm

Ck45 siehe auch Böge7 S.133, allerdings unübersichtlicher beschriftet.

[Greven 2004] S.84

Die Diagramme geben an, welche Phasen aus dem Austenit entstehen, wenn eine bestimmteAbkühlung über der Zeit erreicht wird. Verläuft die Kurve erst über Ferrit und Perlit, so bildetsich erst Ferrit aus dem Austenit, dann Perlit aus dem Restaustenit. Bainit oder Zwischenstufeist ein Gemenge von übersättigtem Ferrit mit eingelagerten Karbiden. Im unteren Bereich derZwischenstufe werden sie sehr fein und ergeben gute Zähigkeit bei hoher Streckgrenze. Beilegierten Stählen ist die Bainitstufe besonders ausgeprägt.ZTU-Schaubilder für isotherme Abkühlung gelten für dünne Werkstück, die schroff auf einebestimmte Temperatur abgekühlt und dann dort gehalten werden.

HärterisseEntstehen durch Wärmespannungen (unterschiedlicheWärmeausdehnung) oder durch Volumenänderung beiGefügeänderungen.

Ültg: Warum nicht einfach immer mit Wasser abschrecken ?AM gerissene Härteteile

Abschrecken führt zu Vibrationen (Böge7 S.134) ?Vermindern z.B. durch gebrochenes Härten: Abschrecken in Wasser, bis 200 .. 300°C(Perlitbildung wird schnell durchlaufen) und weiteres Abschrecken in Öl (Zwischenstufe wirdlangsam durchlaufen).

Abschreckgeschwindigkeit / Eindringtiefeist bestimmt durch das Abschreckmittel: Wasser, kalte / warmeSalzlösung, (legiertes) Härteöl oder Luft.

Möglichst milde Abschreckmittel verwenden!WerkstoffeC > 0,2%

FO Abkühlungsgeschwindigkeit Böge S.133

Die Lage des Abschreckmaximums hängt mit der Verdampfungstemperatur zusammen.Abschreckmittel werden nach gewünschter Abschreckgeschwindigkeit gewählt. Legierungselemente behindern die Umwandlung Austenit zu Perlit und fördern dadurch dieMartensitbildung. Hochlegierte Stähle werden an Luft abgeschreckt und härten dennochvollständig durch. Man unterscheidet Wasser-, Öl- und Lufthärter. Beim Eintauchen insKühlmedium müssen bestimmte Regeln beachtet werden.Moderne Härteöfen fahren die Abkühlungskurven NC-gesteuert (z.B. bei ABB bis 300°C/s ?).

Vergüten= Härten + Hochtemperatur-Anlassen bei 500 .. 680°C Anlasstemperatur und -zeit bestimmen dieEigenschaften (Zähigkeit <--> Festigkeit).Martensit zerfällt zu sehr feinkörnigem Ferrit undZementit.

EuroTabM39 S.158 „Vergütungsstähle -Wärmebehandlung

Innere Vorgänge beim Anlassen hochlegierter Stähle: Ab ca. 400°C entkommen einige C-Atome, aus Martensit-Nadeln bilden sich Ferrit- und Zementit-Nadeln. Das Ferrit bringtZähigkeit, ist aber sehr feinkörnig, sodass die Festigkeit höher als bei normalgeglühtem Stahlist. Ab ca. 550°C zerfällt der Martensit vollständig. Ab ca. 700°C ballen sich Zementit-Nadelnzu Zementitkörnern, dies erhöht die Zähigkeit durch feineres und gleichmäßigeres Gefüge,Härte und Festigkeit nehmen ab. Vergütete Stähle haben bei gleicher Zugfestigkeit einehöhere Zähigkeit als normalgeglühte Stähle. FO Vergütungsschaubild C45 Böge7 S.135

FO Vergütungsschaubilder verschiedener Stähle [EuroTabM]

Als Ausgangsgefüge sind u.U. auch Perlitvarianten (Troostit, Sorbit) oderZwischenstufengefüge geeignet, d.h. das Abschrecken muss nicht so scharf erfolgen.

Werkstoffe un-/niedriglegierte Stähle mit 0,25 .. 0,6%C

Vergütungsstähle [EuroTabM] „Vergütungsstähle“

Seitenumbruch



EinAM Nockenwelle, Zahnrad, AM Kurvenscheibe (nur mit FO)

z.B. für Zahnräder, Nocken und Lagerflächen von Nockenwellen, Kurvenscheiben

Oberflächenhärtenfür verschleißfeste Ober-fläche und zähen Kern.

AbschreckhärtenC-Gehalt und Abschreckgeschwindigkeit sind nur an derOberfläche groß genug

NitrierhärtenBildung sehr harter Nitridein der Randschicht

Verfahren Einsatzhärten Randschichthärtenz.B. Flammhärtung, Induktionshärten

Werkstoffe / VorgangRandschicht wird ....

St mit C<0,2% aufkohlenund dann härten

St mit 0,3%<C<0,6% er-wärmen und abschrecken

Stähle mit Cr und Al mit N2

anreichern

Merkmale - verschiedene Gefüge,Verzug und Risse

- Kern wird beim Aufkohlengeglüht.

+ Kern wird kaum beeinflusst geringe Erwärmung ohne Verzuggrößte erreichbare Härte bei

Stahl (1200HV)erhöht Korrosionsbeständigkeitgeringe Härtetiefe: wenige

0,1 mmgehärtete Schicht platzt leicht ab

Aufkohlen durch Diffusion: Pulveraufkohlen(z.B. in Holzkohle einbetten und unterSchutzgas glühen), flüssige Cyan-Salze(Blausäure HCN: sehr giftig), Gasaufkohlen(z.B. Leuchtgas CO + H2: giftig undexplosibel)„Einsatzstähle“ ⇒ [EuroTabM]

Querverweis: Härteprüfverfahren

„Stähle für Flamm- und Induktionshärtung“ ⇒[EuroTabM]

Flammhärten lässt Einhärtetiefen unter 1mmnicht zu, beim Induktionshärten Randschich-ten unter 0,1mm möglich.Hohe Anlagekosten, kaum Beeinflussung desKernes.

[Bargel/Schulze 2005]einarbeiten: Härtbar sind alle umwandlungsfähige FeC-Legierungen, selbst GGL . Meist wird dasBauteil vorher vergütet.

„Nitrierstähle“ ⇒ [EuroTabM]

Eisennitride sind nicht hart genug, deswegenwird mit ca. 1%Al oder 1..2%Cr legiert.Nitrieren (Aufsticken) findet normalerweisebei 500..550°C über ca. 20h statt. Beihöheren Temperaturen bilden sich grobeNitride und sprödes, zum Abplatzenneigendes Eisennitrid. Nur wenn es aufKorrosionsbeständigkeit ankommt, nitriertman bei Temperaturen bis 850°C für wenigeStunden.Nitriermittel sind NH3 oder Ammoniak imgasdichten Ofen oder ein Zyanbad. Unter derkatalytischen Wirkung des Eisens spaltetsich N ab und diffundiert atomar in den Stahl.

Nitrocarborierenkombiniertes Verfahren Einsatz- und Nitrierhärten

z.B. die KW beim BMW m³-Motor (2000)

Vertiefung Video Härten

TGT_TA_LPE03_Werkstoff.odm, U. Rapp, 19.08.10Seitenumbruch



nicht unterrichten

Sonstige Wärmebehandlungsverfahren bei StahlSpannungsarmglühenT=550..650°C, t= 1..2h

Wärmebewegung der Atome schwächt inneren Halt des Gitters. Beim Spannungsarmglühenlösen sich innere Spannungen durch plastisches Fließen der Körner.

RekristallisationsglühenT=550..650°C, t= mehrere h

Bei großen Spannungen im Werkstück zerfallen die Körner (z.B. nach Kaltverformung). AusBruchstücken entstehen neue Körner, damit neues Gefüge (=Rekristallisation)

WeichglühenT=680..750°C, t=mehrere h oderPendelglühenum die 723°C-Linie (P-S-K)

Durch Weichglühen wandelt sich der Streifenzementit zu körnigem Zementit = leichterumformbar und spanbar.

NormalglühenT knapp über GSK wie Härten, t=kurz

Gitter werden kurz in Austenit umgewandelt, dabei Neubildung der Körner: neues,gleichmäßiges, feines Gefüge

DiffusionsglühenT=1050..1250°C, t=lange

Atome wandern und gleichen Konzentrationsunterschiede (Seigerungen) wieder aus

NE-MetalleEinteilungGuss- - KnetlegierungLeicht- - Schwermetalle

Quelle: [EuroTabM] , EuroTabE13

1)

2)

Bezeichnungz.B GD - ZnAl4Cu1 F42

Herstellung, VerwendungGD: DruckgussE: Elektrotechn. Anwendungen

chem. ZusammensetzungZinklegierung mit4% Al1% Cu

Eigenschaften, BehandlungZugfestigkeit 420 N/mm²

Abk. Eigenschaften AnwendungE-Cu sehr hohe therm. + el. Leitfähigkeit

weich, verformbar, korrosionsbeständig gegen AtmosphäreLichtbogen ⇒ schlecht leitende Oxidschicht

Leiter

Al Leitfähigkeit pro Masse ist höher als bei Cu Kondensatoren, Schalterz.B. E-AlMgSi + Stahl, E-Al F17⇒ Freileitungen

Ni steigert Widerstand in Cu CuNiMn: Präzisionswiderstände,temperaturabh. Widerstände

mit Cr hochwarmfest z.B. NiCr 80 20 (Ni80Cr20), NiCr60 15 (Ni60Cr15Fe20)hochbelastete Widerstände ⇒ Elektroöfen, Lötkolben

Zn für Menschen giftig ⇒ ZnC-BatterienPb gute therm. + el. Leitfähigkeit ⇒ Pb-H2SO4-AkkusSn ⇒ L-Sn50Pb: WeichloteW Smp. 3380°C ⇒ Glühfäden

aus langen Monokristallen (= Wiskers)sehr hart, verschleißfest, geringer Abbrand ⇒ Unterbrecherkontakte, Zerhacker

Ag leitende Oxidschicht Hartsilber AgCu3 ⇒ Kontakte Schütz, Relais, BimetallAgCd wirkt lichtbogenlöschend AgCd 5 .. 20 ⇒ Gleichstromkontaktstücke, Lichtschalter,

ThermostateL-Ag67Cd, L-Ag72 ⇒ Hartlot

Au oxidiert nicht KontaktwerkstoffMg leicht, gut druckgießbar ⇒ dünnwandige GehäuseHg Smp –38,9°C ⇒ Rüttelzünder, Explosionsgeschützte Schalter

vermutlich mit gekapselter KontaktflächeCGraphit

Verschweißt nicht, keine Oxidschicht,selbstschmierend

⇒ Kohlebürsten, Schleifstücke, Stromabnehmer,Druckkontakte

Seitenumbruch



Sinterwerkstoffeca xx’ Zeitbedarf

Quelle: EuroTabE13 S.254ff

1)

2)

VerfahrenWerkstoffe werden als Pulver gemischt, gepresst unddurch Glühen gesintert (Schmelze oder Diffusion)

legiert ist nicht angebracht, weil auch Nichtmetalle gesintert werden, z.B. Oxide.

Merkmale+ einbaufertige Werkstücke+ in großen Serien preisgünstig+ Metalle mit stark unterschiedlichen Smp. legierbar+ Eigenschaften durch Pulvermischung einstellbar

- hohe Presskräfte erforderlich- teure Pressform- Werkstückgröße begrenzt (hohe Kräfte, schlechte

Verdichtung im Innern)- Formgebung eingeschränkt (keine

Hinterschneidung usw.)Anwendungnicht legierbare Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften⇒ HM aus TiC, TaC, WC & Co

sehr harte Karbide + zähes Kobalt⇒ Dauermagnete aus Fe2O3 & BaO oder

aus SmCo5 bzw. SECo5

Samarium+Kobalt, bzw. seltene Erden+ Co

Sinterhartmetall wurde 1923 in Deutschland erfunden (Elsners Taschenbuch für denmaschinentechnischen Eisenbahndienst 1951, S261)

einbaufertige Kleinteile ⇒ Zahnräder, hebel usw.⇒ Lagerwerkstoffe (speichern Schmierstoff)

Die Werkstückgröße ist beschränkt, weil die hohen Pressdrücke (bis 6000 bar) bei großenWerkstücken zu große Kräfte erfordern.

einstellbare Porengröße ⇒ Filter⇒ Lagerwerkstoffe (speichern Schmierstoff,Notlaufeigenschaftengleichmäßiges Gefügeohne Seigerungen etc.⇒ Sinterschmieden einer Einpulvermischung gibt

höhere Festigkeit als Schmiden der LegierungLasersintern⇒ Stereolithografie, Rapid Prototyping, CNC-Formen

Kunststoffe 3) ?

EinteilungThermoplaste

fadenförmige Makromoleküle,Bindung durch Verschlingung undReibung

Elastomere

weitmaschig vernetzt

Duroplaste

zusätzliche chem. Verknüpfungen

warm umformbar, schweißbar gummielastisch, nicht umformbar,nicht schweißbar

nicht umformbar, nicht schweißbar

Temperaturverhalten Prüfverfahren- Verhalten im Heißluftstrom (sehr weich, etwas

weich, nicht weich)- Brennversuch (brennt, verlöscht, tropft)- Geruch beim Brennen

Seitenumbruch



Technologische Werkstoffeigenschaften (Umformbarkeit, Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit,Gießbarkeit) sind nicht im Lehrplan 1BFMK enthalten!

EinleitungAnordnung der Bauteile um den Brennraum und Kurbeltrieb aus (Kolben,) Kolbenbolzen, Pleuel und KW an Hand des OH-Modells Viertaktmotor ohne Ventile und eines Kolben mit Pleuelzeigen, Zustände im Brennraum schildern (Verbrennungstemperaturen bis 2000°C, Drücke bis 60 bar ≈2 Mercedes = 30kN bei ∅80mm)Welche Eigenschaften muss ein Kolbenwerkstoff haben, um dies auszuhalten?

Werkstoffeigenschaften (für Kfz) Blattaufteilung vorgeben.

mechanisch physikalisch chemisch Adjektive verkürzen die Formulierungen,Vereinfachungen sollen das Verstehenerleichtern

Warum Motor nicht aus Kunststoff?Bindfaden ziehen, Styropor drücken: ist dashart oder fest?

feste Stoffeverformen bzw. brechenschwerFestigkeit ist Widerstand gegen Verformungund Trennung

Zugfestigkeitz.B. Pleuel beim AnsaugenDruckfestigkeitz.B. KolbenKnickfestigkeitz.B. Pleuel beim Arbeitstakt

(Form)BiegefestigkeitSchalthebel, Achse (Cu?)TorsionsfestigkeitKardanwelle (Cu?)Scherfestigkeitz.B. Kolbenbolzen (Cu, Al?)

Warum Kolben aus Al statt aus GG, Tank ausKunststoff statt Blech, Felgen aus Mg stattSt?

dichte Stoffesind schwer bei geringemVolumenz.B. Schwermetalle

Vorteil von Kunststoffkarosserien?Warum keine Alfa Romeo kaufen?

korrosionsbeständigeStoffe werden von Sauer-stoff und Chemikalienweniger angegriffenRost am Blech durch Feuchtigkeit, gefördertdurch Salz.Korrosion auch durch Batteriesäure.

Warum wollen manche Leute keinen Tankaus Kunststoff? Warum trägt Schumi einenRennanzug aus Baumwolle?Warum soll man sich Öl bald und Hydraulikölsofort abwaschen, bzw. sogar zum Arzt?

brennbare und giftigeStoffe sind gefährlichz.B. Kraftstoff, Öle, Brems- undKühlflüssigkeit, Bremsbeläge mit Asbest

FestigkeitDie Festigkeitsarten an 6 Kreidestücken zei-gen, (Lasche für die Scherung), Biegung undKnickung mit Schweißdraht verdeutlichen;anschließend drillmäßig wiederholen.Unterscheidung Achse-Welle-Bolzen ?Mit einem geknickten Karton Knickfestigkeitund Formfestigkeit zeigen

DichteEinem Schüler erst einen Klotz Roheisen,dann einen Klotz Wolfram in die Hand legen,Achtung: keine Unterlage! Schweißdraht ohne und mit Gewicht, schnellhin- und herbewegen und die Bedeutunggeringer Massen bei oszillierenden Teilenzeigen

Windschutzscheibe aus Plexiglas?Mit dem Messer gegen Scheibe, Tisch undTafel stoßen: ist das hart oder fest?

harte Stoffe lassen andere Körperschwer eindringen, sindverschleißfest und sprödez.B. Lack, Zylinderlaufbuchse,Lagerflächen, Nw-Laufbahnen

Kühlerrohre aus Kunststoff?

WärmeleitfähigkeitDie Ober- und Unterkasten eines Kühlerbestehen inzwischen aus Kunststoff wegender Gewichstersparnis.

Legierbarkeit

Entflammbarkeit

HärteDer härtere Stoff bzw. nur der Harte dringtein.

WärmeleitfähigkeitVersuch: Wenn man eine glühende Zigarettegegen ein Stück Stoff drückt, gibt es einLoch. Wenn man mit der glühenden Zigarettedurch den Stoff gegen ein Fünfmark-Stückdrückt, wird die Wärme abgeleitet, es gibt nureinen Brandfleck.

Federn aus Kunststoff oder Kupfer?

elastische Verformungfedert zurückplastische Verformungbleibt bestehen

Kabel (Leiter) aus Kunststoff?

Elektrische LeitfähigkeitAg hat höhere Leitfähigkeit, ist aber zu teuer.Al hat etwa 30% weniger Leitfähigkeit und70% weniger Dichte, wäre pro Leitfähigkeitals leichter und billiger, ist aber wenigerverformbar.

sonstigeWarum verchromte Stoßstangen undMetallic-Lack, Uhren aus Titan?

Aussehen

Elastizität / PlastizitätVollgummiball vor die Schüler auf den Bodenwerfen, anschließend dasselbe mit demPlastillinball.

Kotflügel aus Glas?

zähe Körperverformen statt zu brechen spröde Körperbrechen fast ohne

Verformung

Auspuffkrümmer aus Kunststoff?

Schmelzpunkt

Warum steht das Kühlwasser unter einemgeringen Überdruck? Vgl Dampfkochtopf.

Siedepunkt

Warum Katalysator?

Umweltverträglichkeit

Warum laufen Versuchsmotoren ausKeramik, aber nicht aus Kunststoff?

warmfeste Stoffebehalten ihre Eigenschaf-ten bei hohenTemperaturen

Und die wichtigste Eigenschaft ? VieleSchüler mögen rote Ferrari und fahrenrostige Golf.

Preis

Werkstoffeigenschaften sind nicht zu 100% oder zu 0%,sondern in verschiedenen Ausprägungen vorhanden.

Beachte die Formulierungen teilweise, kaum, weniger usw.

Seitenumbruch



Werkstoffeigenschaften (Fertigungs-)Technische Werkstoffeigenschaften (Umformbarkeit, Schweißbarkeit,Zerspanbarkeit, Gießbarkeit) sind nicht im Lehrplan enthalten!

Details siehe TA.doc

1a) Einleitung (kürzer)Glühbirne: Welche Eigenschaften benötigt der Glühfaden ?

1b) Einleitung (zu lang)Anordnung der Bauteile um den Brennraum und Kurbeltrieb aus (Kolben,) Kolbenbolzen,Pleuel und KW an Hand des OH-Modells Viertaktmotor ohne Ventile und eines Kolben mitPleuel zeigen, Zustände im Brennraum schildern (Verbrennungstemperaturen bis 2000°C,Drücke bis 60 bar ≈2 Mercedes = 30kN bei ∅80mm)Welche Eigenschaften muss ein Kolbenwerkstoff haben, um dies auszuhalten?

2) Kleingruppenarbeit 10'AB Werkstoffe für Kfz und ihre Eigenschaften

- je Gruppe 2, 3 oder 4 Aufgaben (eher weniger)- sammeln der Ergebnisse auf Folie

3) Sammeln und ordnen der Werkstoffeigenschaften- TA MM nicht mitschreiben lassen, Platz lassen für Definitionen

4) TA abschreiben

5) Definition der Eigenschaften, Versuche usw.- TA ergänzen

6) Schlussfolgerung:- Beachte die Formulierungen teilweise, kaum, weniger usw.

(Fertigungs-)technisch Eigenschaften statt technologischwarmfest, wärmebeständig einfügen, Umstellen auf OO-Draw

mechanische

physikalische

Sonstiges

chemisch

WERKSTOFF-EIGENSCHAFTEN

hart <> weich

lässt andere Körper schwereindringen, z.B. Glas

spröde <> zäh

bricht leicht, z.B. Glas <>verformt sich, statt zubrechen, z.B. Stahl

elastisch <> plastisch

federt zurück, z.B. Gummi <>bleibt verformt, z.B. Kupfer

feste Stoffe

verformen bzw.brechen schwer

Zug: SeilDruch: UnterlegscheibeKnick: Pleuel beim ArbeitstaktBiegen: SchalthebelTorsion: KardanwelleScher: Kolbenbolzen

Dichte

sind schwer beikleinem Volumen

wärmeleitfähig

elektr. leitfähig

Siedepunkt

Schmelzpunkt

korrosionsbeständig

Stoffe werden von Sauerstoffund Chemikalien angegriffen

brennbar

giftig

entflammbar

Aussehen

Preis

umweltverträglicht

technologisch

legierbar

bearbeitbar

nur bei Bedarf, stehtnicht im Lehrplan

Werkstoffeigenschaften sind nicht zu 100% oder zu 0%, sondern in verschiedenen Ausprägungen vorhanden.

VertiefungAB Werkstoffeigenschaften

Einteilung der Werkstoffe Metalle Nichtmetalle Verbundwerkstoffe Kolbenbolzen aus Nitrier- oder Einsatzstählen zeigt,dass beide Werkstoffe dasselbe leisten

Eisenmetalle = Fe + C (+ Leg.) NE-Metalle AM, Skizzen

Stahl [1 „Stahlnormen“] Leichtmetalle [1 „“]ρ in kg/dm³ künstliche Werkstoffe HartmetallVentilsitzringe [3 „“]

7 Aufgabe in 4 Gruppen:FO Aus welchen Werkstoffen besteht ein Kfz?

Einsatzstahl [1], Nitrierstahl []für verschleißfeste Oberfläche [1]z.B. Achsschenkelbolzen, Federbolzen, Getriebe-welle, Getriebezahnrad, Kolbenbolzen, Nw, Kw [2]

Mg Magnesium [1] ρ = 1,8z.B. Kolben, Felgen in Sportwagen; niedrig belasteteTeile in Pkw, Saugrohr bei DB (mehrere Halbschalenreibverschweißt) Getriebegehäuse beim Käfer

Papier z.B. Kraftstofffilter [2], Dichtungen

Reifenaus Kautschuk/Kunststoff, Stahl, Gewebe

8 Aufgabe der 5. Gruppen:Aktuelle zeitungsartikel: Welche Werkstoffe werdenin den beschriebenen Kfz eingesetzt? Notiere jedenWerkstoff auf einen Extra-Zettel mit dicken Stiften aufhalbierte A4-Seiten oder auf Folie.

Vergütungsstahl []für hochbeanspruchte Teile [1]z.B. Achsschenkel, Gelenkwelle, Hinterachswelle,Kurbelwelle, Längs- und Querlenker, Lenkgestänge

Al Aluminium [1] ρ = 2,7leicht, fest, gut verarbeitbar,korrosionsfestz.B. Bremsbacken, Kolben, Kupplungsgehäuse, Öl-wanne, Rad, Felge, Zylinderblock, -kopf, [2]

Kunststoffalles mögliche mit geringer Festigkeit undTemperaturbeständigkeit

VerbundglasKeilriemen

9 4 Spalten entwickeln, TAWichtigster Werkstoff für uns: Metall, Eisen. Allesandere: NE-Metalle. Sonstiges: Verbundwerkstoffe.

Ventilstahl, Federstahl usw. []für besondere Aufgaben [1]z.B. Aus-/Einlassventil, Federn Ventilfedern, [2]

Ti Titan [1] ρ = 4,5z.B. Armbanduhr, Flugzeuge; nach [1] einSchwermetall

Glasdurchsichtig, verschleißfest

CFK, GFKKohle- oder glasfaserverstärkte Kunststoffe, zurGewichtsersparnis

10 gefundene Werkstoffe zuordnenSchüler nennen Bauteil und kleben ihre Zettel mitdem Werkstoff auf die nasse Tafel in die richtigenSpalten

Baustahl [1]für nichts besonderesz.B. Bremsbacken, Rahmen [2]

Keramikz.B. Zündkerze,

Verbundgussz.B. AL-GG-Verbundguss für Bremstrommeln oderZylinder [2], Mopedzylinder

11 Eisenmetalle in St und Guss einteilen Schwarze Finger beim Arbeiten mit Eisenguss deutenauf hohen C-Gehalt hin, Grenze vorgeben.

Gusseisen [1 „“]z.B. Auspuffkrümmer, Bremstrommel, Kurbelwelle,Nockenwelle, Ventilführung, Ventilsitzring, Zylinder,-buchse, -block, -kopf, Gusseisen, [2]

Schwermetalle [1. „NE- ...“ Natürliche Werkstoffe Genügen diese Stoffe zum Herstellen und Betreiben?

Hilfsstoffezum Bearbeiten oder Betreiben

12 Begründung für die Verwendung von

Staus [1 S.238f „Stahlnormen“] entnehmen

Kugelgraphitgussz.B. Bremsscheibe, [2]

Zn Zink ρ = 7,13z.B. K-pumpen-, Vergasergehäuse [2],Korrosionsschutz

Holzz.B. Innenausbau, früher tragende Karosserien

Tempergussz.B. Bremsbacken, Bremstrommel, [2]

Cr Chrom ρ = 7,2z.B. Stoßstangenbeschichtung, [2]

Lederz.B. Sitzbezüge

Treib- und Schmierstoffe 13 [1 S.240f „Gusseisen“] zeigenaber nicht im Einzelnen durchnehmen

Schleudergussz.B. Kolbenringe, [2]

Sn Zinn ρ = 7,3z.B. Kühler, [2] Lager, sonst kaum noch im KfzFO Verzinnen von

Asbestz.B. Bremsbeläge, Abschirmung des Auspuffhitzebeständig, krebserregend

Schutzmittelz.B. Lacke

14 WiederholungAnwendungsbeispiele für die einzelnen Stahlsortenund Gusseisen insgesamt abfragen und eintragen.

Stahlgussz.B. Anhängerkupplung, Bremsscheibe,Bremstrommel, Radstern, [2]

CuZn (Messing) ρ = 7,5..8,8z.B. Kühler, [2] Lager, sonst kaum noch im Kfz

NaturfasernReifen, Textilien, Dichtungen (Hanf-Dichtung fürSaurer)

Reinigungsmittel 15 NE-Metalle nach Dichte sortierenUnterschied zw. Al und Pb Dichte aus [1 S.228„Stoffwerte“] auf die Zettel schreiben, sortieren.Einteilung erfragen, Grenze vorgeben.

CuSn (Bronze) ρ = 8,4..8,7z.B. Ventilführung, [2], Ventilsitzringe

Kautschuk, GummiReifen, meist durch Kunststoff ersetzt; Hilfsfedern undAnschläge, weil Naturgummi besonders elastisch ist.

Sprengstoffz.B. Airbag

16 chem. Abkürzungen für NE-Metalleaus [1 S.225 „chemische Elemente“] im TAnachtragen

Cu Kupfer ρ = 8,9z.B. Kühler [2], KabelFür Kabel, weil es billiger als Ag und zäher als Al ist.

Schleif- und PoliermittelKühlschmierstoffe

17 Warum wird mehr Al als Mg verwendet[1 S.245 „Leichtmetalle] lesen und diskutieren: nichtdie einzelne Eigenschaft Dichte von Mg entscheidet,sondern die Summe der Eigenschaften von Al.

Ni Nickel ρ = 8,91z.B. Legierungselement, Batterie

Pb Blei ρ = 11,3z.B. Batterie, Lager

Au Gold ρ = 19,3z.B. Kontakflächen von Steckern

Pt Platin ρ = 21,5z.B. Katalysator

Werkzeugstahl; Edel-, Qualitäts- und Grundstähle isteine Frage der Reinheit.



LiteraturverzeichnisAgricola 1548: Georg Agricola, De Re Metallica libri XII - 12 Bücher vom Berg- und Hüttenwesen, fourierverlag , Bargel/Schulze 2005: H.-J. Bargel, G. Schulze, Werkstoffkunde, Springer Berlin, 2005Decker 2009: Decker et al., Maschinenelemente, Carl Hanser Verlag München, 2009Doering 1968: Ernst Doering, Technische Wärmelehre, B.G.Teubner Stuttgart, 1968Domke 1977: Wilhelm Domke, Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, Girardet Essen, 1977EuroTabM: Ulrich Fischer ua., Tabellenbuch Metall, Europa-Lehrmittel Haan-Gruiten, Fenchel 1911: Adolf Fenchel, Metallkunde, Boysen & Masch Hamburg, 1911Ferguson 1992: Eugene S. Ferguson, Das innere Auge - von der Kunst des Ingenieurs, Birkhäuser Basel, 1993Greven 2004: Emil Greven, Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für technische Berufe, Handwerk und Technik Hamburg, 2004Hering 1992: Ekbert Hering ua., Physik für Ingenieure, vdi verlag , 1992Hering 1992: Hering ua., Physik für Ingenieure, vdi verlag , 1992Hütte 29: Ahrendts ua., Hütte - die Grundlagen der Ingenieurswissenschaften, Springer Berlin, 1989Klein 2008: Dieter Alex ua., Klein Einführung in die DIN-Normen, Beuth Verlag Berlin, 2008Mattheck 2003: Claus Mattheck, Warum alles kaputt geht, Forschungszentrum Karlsruhe, 2003SdW: wechselnde Autoren, Spektrum der Wissenschaft, Stewart 2003: Ian Stewart, Kopfzerbrecher - 30 mathematische Rätsel, Piper Verlag München, 2009Tipler 1995: Paul Tipler, Physik, Spektrum Lehrbuch , 1995Weißbach 1988: Wolfgang Weißbach, Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, Vieweg Braunschweig, 1988Wolke 1997: Robert L. Wolke, Woher weiß die Seife, was der Schmutz ist?, Piper München, 2000

Erfahrungen– Stoff durchziehen, keine mehrfachen Wiederholungen von Abläufen wie Abkühlungsvorgängen, da kaum jemand

lernt, wenn er noch mit einer Wiederholung rechnet, stattdessen HA.– KA: Keine Punkte für auswendig gelernte Phrasen, sondern nur für Zusammenhänge. Diese sind einfach, müssen

aber präzise beschrieben sein. Wer in einer AlSi-Legierung Austenit einträgt, hat keine Ahnung.Anteile inLegierungen ausbauen

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Tgt Ta Lpe03 Werkstoff