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Struktur und Eigenschaften der
Materialien
Vorlesung Teil 1: Metalle und Legierungen
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Die Lehrmaterialien sind ausschließlich für den internen Gebrauch bestimmt.
Die verwendeten Quellen sind im Literatur-verzeichnis angegeben.
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Eisenwerkstoffe
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Nichteisenmetalle
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Nichtmetallische Werkstoffe
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Verbundwerkstoffe
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Einteilung der Werkstoffe
Metall
Nichtmetalle Verbund- werkstoffe
Künstliche Werkstoffe
Natur- Werkstoffe
z.B. Granit,Asbest,Holz
z.B. Glas, Kunststoff,Keramik
z.B. Verstärkte Kunststoffe, Hartmetalle
Eisen- Guss- werk- stoffe
Stähle Schwer- metalle >5kg/dm³
Leicht- metalle <5kg/dm³
Eisen -Werkstoffe Nichteisenmetalle
z.B. Aluminium, Magnesium, Titan
z.B. Kupfer, Zink, Blei
z.B. Guss- eisen, Temper- guss, Stahlguss
z.B. Bau-, Werk- zeug-, Vergü- tungs- stahl
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Herstellung der Werkstoffe
Rohstoffe Werkstoffe Werkstücke
Umwandlung
Energie, Hilfsstoffe
Fertigung
Hilfsstoffe, Energie
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Hilfsstoffe und Energie
Kühl-schmier-stoffe
Schleif-,Polier-mittel
Reini-gungs-mittel
Löt-hilfs-mittel
Beschich-tungs-stoffe
Schmier-stoffe
Treib-stoffe
Elektr. Strom Druck-luftDruck-öl
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Werkstoffauswahl
Dieses Verhalten beschreiben die chemisch-technologischen Eigenschaften, wie Korrosionsverhalten und die Zunderbeständigkeit
Wird der Werkstoff des Bauteils bei seinem vorgesehenen Verwendungszweck von umgebenden Stoffen oder bei erhöhter Temperatur angegriffen?
Hierüber informieren die fertigungstechnischen Eigenschaften, wie Gießbarkeit und Spanbarkeit
Mit welchem Fertigungsverfahren lässt sich das Bauteil kostengünstig fertigen?
Auskunft darauf geben die VerschleißeigenschaftenVerschleißt der Werkstoff an Gleitflächen?
Dies beantworten die mechanisch-technologischen Eigenschaften, wie Festigkeit, Härte
Kann der Werkstoff den auf das Bauteil einwirkenden Kräften standhalten?
Antwort geben die physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs, wie Dichte Schmelztemperatur und elektrische Leitfähigkeit
Ist der Werkstoff z.B. aufgrund seines Gewichts, seiner Schmelztemperatur oder seines elektrischen Leitvermögens für diese Aufgabe geeignet?
Erforderliche EigenschaftenForderungen an den Werkstoff
Technische Aufgabe des Werkstoffs und der Werkstoffauswahl
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Werkstoffauswahl
Nach Abwägung aller Gesichtspunkte wird für ein Bauteil der Werkstoff ausgewählt,
der die Funktion des Bauteils und die technischen Anforde-rungen am besten erfüllt,
dessen Fertigung und Werkstoffpreis am günstigsten ist und
der bei der Fertigung und nach dem Gebrauch keine Belastung für die Umwelt darstellt.
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Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
= 1,29kg/dm³Luft (0°C, 1,013 bar):
19,27Wolfram7,85Stahl
11,3Blei2,7Aluminium
8,9Kupfer1Wasser
Dichte kg/dm³StoffDichte kg/dm³Stoff
Dichte von Stoffen
Dichte:Vm
1dm
1dm
1dm
V=1dm³
Unter der Dichte eines Stoffes versteht man den Quotienten aus der Masse m und dem Volumen V eines Körpers.
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Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Schmelzpunkt (Schmelztemperatur)
Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Werkstoff zuschmelzen beginnt.
3387Wolfram658Al
1536Eisen327Blei
1083Kupfer232Zinn
Schmelz-
temperatur °C
StoffSchmelz-
temperatur °C
Stoff
Schmelztemperatur
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Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Elektrische Leitfähigkeit
Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, den elektri-schen Strom zu leiten.
8%Blei62%Aluminium
17%Eisen106%Silber
29%Zink100%Kupfer
ProzentStoffProzentStoff
Elektrische Leitfähigkeit in Prozent der Leitfähigkeit von Kupfer
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Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Thermische Längenausdehnung: tll **1
l1 l l1 = Ausgangslängel = Längenänderung = Längenausdeh- nungskoeffizientt = Temperaturänderung t2-t1
Der thermische Längenausdehnungskoeffizient gibt die Längenänderung l eines 1 m langen Kör-pers bei einer Temperaturänderung von t = 1°C an.
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Wärmeenergie
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit ist das Maß für dieFähigkeit eines Stoffes, Wärmeenergie in sich zu leiten.
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Elastische und plastische Verformung und elastisch-plastisches Verformungsverhalten
Elastizität eines Sägeblattes Plastizität eines Bleistabes
Elastisch-plastische Verformung eines Stabstahls
Die verschiedenen Werkstoffe können elastisches, plastischesund elastisch-plastisches Ver- formungsverhalten haben.
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Zähigkeit, Sprödigkeit, Härte
Bestimmung der Härte
Unter Härte versteht man den Widerstand, den ein Werk-stoff dem Eindringen eines Prüfkörpers entgegensetzt.
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Beanspruchungsarten
Zug- und Druckbeanspruchung
Weitere Beanspruchungsarten
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Innerer Aufbau der Metalle
Metalloberfläche und kristalline Struktur
Den Feinbau der Metalle bezeichnet man als kristallinen Aufbau oder als kristalline Struktur.
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Metallbindung
Entstehung der Metallbindung (Beispiel Eisen)
Zusammen- lagerung
aus dem Erz reduzierte Metallatome (z.B. Eisenatome Fe)
Metallionen -Verband (z.B. aus Eisenionen Fe²+)
Elektronen-wolke
frei bewegliche Elektronen
Metallionen
Die Metallbindung bewirkt den äußerst festen Zusammenhalt der Metallteilchen und damit die Festigkeit der Metalle.
Metalle sind gute elektrische Leiter.
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Kristallgitter
Raumgitter Elementarzelle
Metallionen Elektronenwolke
Kristalliner Aufbau der Metalle
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Verformbarkeit der Metalle
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Kristallgittertypen der Metalle
kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter (kfz)
Hexagonal-dichtestes Kristallgitter (hdp)
Metallionen
Elektronen-wolke
kubisch-raumzentriertes Kristallgitter (krz)
Ionenmittelpunkte
Die Metalle haben kubisch-raumzentrierte, kubisch flächenzentrierte oder hexagonale Kristallgitter.
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Baufehler im Kristall
Baufehler bewirken Verzerrungen im Kristallgitter und führen zur Erhöhung der Festigkeit.
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Entstehung des Metallgefüges
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Gefügearten und Werkstoffeigenschaften
Metallgefüge im Schliffbild
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Kornformen
globulare Körner
lamellares Gefügedendritische Körner
polyedrische Körner
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Korngröße
Die gewünschte Körngröße kann erzielt werden durch:• Wärmebehandlung, z.B. Normalglühen,• Warmumformen, z.B. Warmwalzen,• Zugabe bestimmter Legierungselemente, wie z.B. Mangan bei den Feinkornbaustählen.
Gefüge mit unter-schiedlichen Korngrößen
Innerer Aufbau eines reinen Metalls
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Kristallgemisch - Mischkristall
Innerer Aufbau einer Kristall-gemisch-Legierung
Innerer Aufbau einer Mischkristall-Legierung
Legierungen haben gegenüber ihrem reinen Grundmetall meist ver-besserte Eigenschaften, z.B. eine höhere Festigkeit, verbessertes Korrosionsverhalten oder größere Härte.
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Stahl und Eisen-Gusswerkstoffe
Weitere typische Eigenschaften der Stähle:• Wiederverwertbar• Durch Legieren korrosionsbeständig und warmfest.• Schwer ( = 7,85 kg/dm³)• Die unlegierten Stähle sind korrosionsanfällig.
Hohe FestigkeitWellen, Zahnräder, Schrauben
Gut zerspanbarWellen, Zahnräder, Gehäuse
Hart und verschleißfestWälzlager, Zahnräder
MagnetisierbarBlechpakete im Läufer und Ständer
Gut gießbarGetriebegehäuse aus Gusseisen
Gut umformbarLüfterrad aus Blech, Schrauben
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Legierungsmetalle
HS6-5-2: Schnellarbeits-stahl mit 6% W, z.B. für Räumnadeln
Dehnung (in geringem Maße), Zerspanbarkeit
Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit, Schneidhaltigkeit
Wolfram W
115CrV3: Werkzeugstahl, z.B. für Gewindebohrer
Empfindlichkeit gegen Überhitzung
Dauerfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit
Vanadium V
EN-GJS-NiCr30-3WärmedehnungFestigkeit, Zähigkeit, Durchhärtbarkeit, Korrosionsbeständigkeit
Nickel Ni
56NiCrMoV7: Warmarbeitsstahl, z.B. für Strangpressdorne
Anlasssprödigkeit, Schmiedbarkeit, (bei höherem Mo-Anteil)
Zugfestigkeit, Warm-festigkeit, Schneidhaltigkeit, Durchhärtung
Molybdän Mo
28Mn6: Vergütungsstahl z.B. für Schmiedeteile
Zerspanbarkeit,Kalt-formbarkeit, raphit-ausscheidung bei Grauguss
Zugfestigkeit, Durchhärtbarkeit, Zähigkeit (bei wenig Mn)
Mangan Mn
HS10-4-3-10: Schnell-arbeitsstahl mit 10% Co, z.B. für Drehmeißel
Kornwachstum bei höheren Temperaturen
Härte, Schneidhaltigkeit, Warmfestigkeit
Cobalt Co
X5CrNi18-10: Nichtrostender Stahl
Dehnung (in geringem Maße)
Zugfestigkeit, Härte, Warm-festigkeit, Verschleißfestig-keit, Korrosionbeständigkeit
Chrom Cr
34CrAlMo5: Nitrierstahl; Desoxidationsmittel bei der Stahlherstellung
-Zunderwiderstand, Eindringen von Stickstoff
Aluminium Al
AnwendungsbeispielDas Element erniedrigtDas Element erhöhtElemente
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Nichtmetallische Begleitelemente
60SiCr7: Federstahl mit einer Zugfestigkeit Rm1600N/mm²
Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit, Tiefziehfähigkeit, Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit
Zugfestigkeit, Dehngrenze, Korrosionsbeständigkeit
Silizium Si
10SPb20: AutomatenstahlKerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit
ZerspanbarkeitSchwefel S
Macht Schmelzen von Stahlguss und Gusseisen dünnflüssig
Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit
Zugfestigkeit, Warmfestigkeit, Korrosionswiderstand
Phosphor P
X2CrNiMo17-13-5: Austenitischer Stahl
Alterungsbeständigkeit, Tiefziehfähigkeit
Versprödung, AustenitbildungStickstoff N2
wird bei der Stahlherstellung entfernt, z.B. durch Vakuumbehandlung
KerbschlagzähigkeitAlterung durch Versprödung, Zugfestigkeit
Wasserstoff H2
C60: Vergütungsstahl mit Rm
800N/mm²Schmelzpunkt, Dehnung, Schweiß- und Schmiedbarkeit
Festigkeit und Härte (Maximum bei C0,9%), Härtbarkeit, Rissbildung
Kohlenstoff C
AnwendungsbeispielDas Element erniedrigtDas Element erhöhtElemente
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Gusseisen mit Lamellengraphit (EN-GJL)
Gusseisen mit Lamellengraphit ist wegen seiner vielen guten Eigenschaften der häufigste Gusswerkstoff. Durch den lamel-lenförmigen Graphit ist die Festigkeit begrenzt und die Zähig-
keit sehr gering.
EN-GJL-200
7,25kg/dm³
1150.....1250°C
100....350 N/mm²
etwa 1%
1%
Kurzname (Bsp.)
Dichte
Schmelzpunkt
Zugfestigkeit
Bruchdehnung
Schwindmaß
Gusseisen mit Lamellengraphit
Gefüge von Gusseisen mit Lamellengraphit
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kugelig
FerritFerrit...Perlit
400...800
mit Kugel-graphit
mit Lamellengraphit
370...690
Perlit und Ferrit
Streifen-zementit
Stahlguss
340...690
flockig
Schwarzer
Temperguss
100...400
Graphit + Streifenzementit
grobblätterig...fein-blätterig
Gusseisen
Art des Kohlenstoffs
Grundgefüge
Zugfestigkeit N/mm²
Gefügebilder M 100:1
Eisen-Gusswerk-stoffe
Gusseisen mit Lamellengraphit (EN-GJL)
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Kohlenstoffgehalt der Eisenwerkstoffe
Gusseisen mit Lamellengraphit
Schwarzer Temperguss
Stahlguss, unlegiert
Allgemeiner Baustahl
Einsatzstahl, unlegiert
Vergütungsstahl, unlegiert
unlegiert
legiertWerkzeugstahl
Kohlenstoffgehalt
Weißer Temperguss
Gu
ss
we
rks
toff
eB
au
stä
hle
1 2 3 %C0
3,52,5
2,9
0,50,17
0,15
0,10 0,9
0,6
1,40,5
2,20,2
2,6
2,0
1,80,5
0,45
0,2
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Einteilung und Verwendung der Stähle
G ru n d s tä h le Q u a litä tss tä h le E d e ls tä h le
U n leg ie rte S tä h le
Q u a litä tss tä h le E d e ls tä h le
L eg ie rte S tä h le
S tä h le
Baustähle
Stähle
Werkzeugstähle
warmfester Stahl, hochwarmfester Stahl, hitzebeständiger Stahl, nichtrostender Stahl, nichtmagnetisierbarer Stahl
unlegierter Baustahl, Feinkornbaustahl, Auto-matenstahl, Einsatzstahl, Vergütungsstahl, Nitrierstahl, Federstahl
Unterteilung in:
Verwendung für:
Maschinenbau, Fahrzeugbau, Stahlbau, Gerätebau
Unterteilung in:
Kaltarbeitsstahl, Warmarbeitsstahl, Schnellarbeitsstahl
Verwendung für:
Schneidwerkzeuge, Gesenke, Spritzgussformen, Hand- und Maschinenwerkzeuge
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Eigenschaften und Verwendung der Legierungs-Schwermetalle
Legierungsmetall für warmfeste Stähle
Farbe: grau; zäh, kor-rosionsbeständig ge-gen Säuren
24108,4Niob
Nb
Legierungsmetall für Stahl, Ver-schleißschichten, Heizleiter, Röntgenröhren
Farbe: silberweiß; hoch zugfest, korro-sionsbeständig
260010,2Molybdän
Mo
Hartmetalle, Eichgewichte, Hochvakuumtechnik, medizinische Instrumente
Farbe: grauglänzend; hart und zäh, korro-sions beständig gegen Säuren
300016,6Tantal
Ta
Legierungsmetall für Stahl, Hart-metalle Schweißelektroden, Kon-taktwerkstoffe, Glühfäden von Glühlampen
Farbe: stahlgrau; sehr hart und zäh, warm-korrosionsbeständig gegen Säuren
3380 höchster Schmelzpunkt der Metalle
19,3Wolfram W
Höchstschmelzende Legierungsmetalle
KennzeichenSchmelzpunkt °CDichte kg/dm³
VerwendungEigenschaften
MetallKurzzeichen
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Eigenschaften und Verwendung der Legierungs-Schwermetalle
Legierungsmetall für Stahl, Kupfer und Leichtmetalle
Farbe: grauweiß; hart und spröde
12447,4Mangan
Mn
Legierungsmetall für Stahl, Hart-metalle, Dauermagnete
Farbe: rötlichweiß bis stahlblau; sehr zäh, nickelähnliche Eigen-schaften
14938,9Cobalt
Co
Legierungsmetall für StahlFarbe: stahlgrau; hart und spröde
8906,1Vanadium V
Legierungsmetall für Stahl, galva-nische Überzüge (Rostschutz), Hartverchromung für Werkzeuge und Pressformen
Farbe: stahlgrau; hart und spröde, sehr kor-rosions beständig
19037,2Chrom
Cr
Hochschmelzende Legierungsmetalle
KennzeichenSchmelzpunkt °CDichte kg/dm³
Verwendung
EigenschaftenMetall
Kurzzeichen
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Eigenschaften und Verwendung der Legierungs-Schwermetalle
Elektrische Sicherungen, Kühl-mittel im Reaktorbau
Farbe: rötlichweiß; glänzend, leicht schmel-zend, Ausdehnung beim Erstarren
2719,8WismutBi
Lagermetalle, Verkadmen von Eisen, Stahl und Aluminium
Farbe: silberweiß; niedrig schmelzend, weich und zäh, korrosionsbeständig, Dämpfe giftig
3218,64Cadmium
Cd
Niedrigschmelzende Legierungsmetalle
KennzeichenSchmelzpunkt
°CDichte kg/dm³
VerwendungEigenschaften
MetallKurzzeichen
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Wärmebehandlung der Eisenwerkstoffe
Steig
end
er Ko
hlen
stoffg
ehalt
a) Technisch reines EisenFerrit-Gefüge
Korngrenzen
Ferrit-körner
b) Eisen mit 0,5% KohlenstoffFerrit-Perlit-Gefüge Ferrit-
körner
Perlit-körner
e) Eisen mit 3,5% KohlenstoffGraphitlamellen in perlitischem Grundgefüge
c) Eisen mit 0,8% KohlenstoffPerlit-Gefüge
d) Eisen mit 1,6% KohlenstoffPerlit-Zementit-Gefüge
Perlitkörner (Streifenzementit in Ferrit)
Korngrenzen-zementitkörner
Perlit-körner
Perlitkörner
Graphitlamellen
Eisen mit bis zu 2,06% C nennt man Stahl
Eisen mit mehr als 2,06% C wird Guss-eisen genannt.
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Metastabiles Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm
Beim Über-schreiten bzw. Unter-schreiten einer Gefüge-begrenzungs-linie wandelt sich das Ge-füge um.
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Gefüge und Kristallgitter bei Erwärmung
Stahlecke des Fe-C-Zustandsdiagramms
Gitter- und Gefügeänderung eines Stahls mit 0,8% C bei 723°C
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Übersicht über die Wärmebehandlungsarten
Glühen
Carbonitrieren
NitrierhärtenEinsatzhärtenRandschicht-
härten
VergütenHärten
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Glühen:Glühen: Glühtemperaturen unlegierter Stähle Glühtemperaturen unlegierter Stähle im Fe-C-Zustandsdiagramm im Fe-C-Zustandsdiagramm
Glühen ist eine Wärmebehandlung, bestehend aus langsamem Erwärmen, Halten auf Glühtemperatur und langsamem Abkühlen.
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GlühenGlühen
Rekristallisationsglühen
Weichglühen
Normalglühen
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HärtenHärten
Härten ist eine Wärmebehandlung, die Stähle hart und verschleißfest macht.
Temperaturverlauf beim Härten
Gehärtete Werkstücke
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Härten Härten ((Gefügeumwandlung beim Abschrecken)
Nur Stähle mit mehr als 0,2% C sind zum Härten geeignet.
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Härte- und Anlasstemperaturen unlegierter Stähle im Fe-C-Zustandsdiagramm
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Abkühlungskurven
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Härten
Schnitt durch ein Zahnrad aus gehärtetem, unlegierten Stahl
Härteverzug Entstehung von Härteverzug und Härterissen