Werkstoffkunde 2 KIT Zusammenfassung, Zusammenfassungen von Werkstoffkunde

Nur auf Docsity: Lade Werkstoffkunde 2 KIT Zusammenfassung und mehr Zusammenfassungen als PDF für Werkstoffkunde herunter! Zusammenfassung Werkstoffkunde 2 KIT Eisen und Stahl Wärmebehandlung der Stähle (bis 2,1%C) Glühbehandlung: • Normalglühen: Stahl auf 30°-50° C über GSK- Linie für halbe Stunde, langsam abkühlen. Es entsteht Zustand nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht mit Perlit. Anwendung bei Stahlguss, Baustählen, meisten bis 0,8% C, weil je höher C Gehalt, desto spröder Stähle (über 0,8% C kaum noch umformbar, besonders ausgeprägt, wenn Zementit in Lamellarer Form vorliegt) • Erholungsglühen: Stahl auf 200-500°, Geringe Veränderung der durch eine Verformung erzeugten Gitterstörungszustände, keine Phasenumwandlung, Bildung von Kleinwinkelkorngrezen • Weichglühen: Bis 0,8% C knapp unter PS-Linie, sonst um SK-Linie, einige Stunden bis Tage halten langsam abkühlen, ganzer C liegt in Form von körnigen Zementitkriställchen vor, so lässt sich Stahl besser verformen, oft wird er später wieder gehärtet • Spannungsarmglühen: auf etwa 550-650° erhitzen, elastische Dehnungen gehen so in plastische bleibende Dehnungen umgewandelt, Versetzungen werden abgebaut, Stahl soll fertigungsbedingte Eigenspannungen verlieren • Grobkornglühen: 950°-1100°C, Erzeugung grobkörniger Gefüge→besser zum Bearbeiten, thermische Energie führt zum Abbau der Korngrenzenenergie, mechanische Eigenschaften werden verschlechtert • Diffusionsglühen: 1100-1300°, sehr hohe Erhitzung, unterschiedliche chemische Zusammensetzungen (Seigerungen) werden durch Diffusion ausgeglichen, allerdings entstehen so wieder sehr grobe Körner • Rekristallisationsglühen: 600-700° man nutzt Rekristallisation nach vorangegangener Kaltverformung aus (Gitterstörungen werden abgebaut), (Normalglühen oft effektiver) Härten (ab 0,2% C) • Direktes Härten: kontinuierliches „schnelles“ Abkühlen aus Austenitgebiet (Temp. analog Normalglühen), Einfach und kostengünstig, allerdings hoher Verzug durch Eigenspannungen • Vergüten: Härten und anschließend anlassen (je höher Anlasstemperatur, desto niedriger Härte und desto höher Zähigkeit. Beim Härten wird Kohlenstoff im Martensit zwangsgelöst, beim Anlassen scheidet der tetragonale Martensit bei 100°-200° feinste Karbidkriställchen aus und wandelt sich in kubischen Martensit (nicht mehr so spröde), Bei den Karbiden handelt es sich um Verbindungen mit Kohlenstoff (z.B. Zementit), bei höheren Temperaturen scheiden noch mehr Karbide aus, Martensit wird zu Ferrit: Es entsteht Vergütungsgefüge • Patentieren: Erzeugung eines hochfesten, aber duktilen Werkstoffzustandes, isothermes Umwandeln in unteren Perlitstufe • Thermochemische Verfahren: Randschichthärten→ harte Randschicht (hohe Biege- und Torsionsbelastung, da hier am Rand am größten, gut gegen allerhand Verschleiß), weicher Kern (Sicherheit) o Einsatzhärten (weniger 0,2%C, da sonst nicht härtbar), Aufkohlen des Randes bis zu 0,8%C bei 900°, anschließendes Härten durch Direkthärtung (direkt von Aufkohlungstemperatur), Einfachhärtung (Härten von der dem Randkohlenstoffgehalt entsprechenden Temp.) oder Doppelhärtung (Erst Härtung des Kerns, anschließend des Randbereiches) o Nitrierhärten (Eindiffusion von Stickstoff durch Glühung (550°-600°C), anschließend abkühlen und Anlassen zur Ausscheidung von Nitriden, geringer Verzug Stahlgruppen • Stähle für Stahlbau (meist gebrauchten Stähle, unlegiert, damit sie geschweißt werden können: CC<0,25%, werden nach Lieferung nicht mehr behandelt, Bezeichnung nach Festigkeit) o Unlegierter Baustahl (Massenbaustähle), Einsatz im warmgewalzten Zustand, relativ gut verformbar o Feinkornbaustahl (Mikrolegierte Baustähle), durch geeignete Wärmebehandlung Ausscheidung von feinverteilten Karbiden oder Nitriden, die feinkörniges ferritisch- perlitisches Gefüge im Stahl stabilisieren o Hochfester Baustahl: Ausscheidungshärtung wie bei Feinkornbaustählen, zusätzliches Walzen für Versetzungsverfestigung, oft werden sie auch noch vergütet für etwas Duktilität o Stähle mit hoher Kaltumformbarkeit (Tiefziehstähle), sehr niedriger Kohlenstoffgehalt (<0,03%) • Edelbaustähle für Maschinenbau (hohe dynamische- und Schwingfestigkeit, hohe Verschleißbeständigkeit, Bezeichnung nach chemischer Zusammensetzung, da sie oft später noch Wärmebehandlung erfahren) o Vergütungsstähle (0,2%<CC <0,65%), entscheidend für Einsatzgebiet: Aufhärtbarkeit (durch C-Gehalt steigerbar) und Einhärtbarkeit (durch Legierungselemente steigerbar) o Einsatzstähle (geringerer C-Gehalt <0,25%C), können nicht gut in relevanten Geometrien gehärtet werden, daher Einsatzhärten: Aufkohlen der Randschicht+ anschließendes Härten (Am Rand entsteht Martensit), hohe Oberflächenhärte, zäher Kern, Problem durch Verzug des Bauteils beim Abkühlen o Nitrierstähle: durch Eindiffusion von Stickstoff ebenfalls harte Randschicht, allerdings niedrigere Nitriertemperatur, weniger Verzug Unerwünschte Stoffe werden durch Oxidation entfernt werden (funktioniert nur, wenn intensiver mit Sauerstoff reagieren als mit Eisen) Sauerstoffblasverfahren: noch flüssiges Eisen wird in Converter gefüllt, in den mit Lanze Sauerstoff geblasen wird, gasförmigen Verunreinigungen verdampfen, Flüssige und Feste gehen in Schlacke. Nachbehandlung mit Aluminium: Alu reagiert mit in Schmelze gelöstem Sauerstoff zu Aluminiumoxid, dass von Schlacke aufgenommen wird. Nichteisenmetalle Leichtmetallwerkstoffe (bis 4,5g/cm3) • Aluminium und Aluminiumlegierung (kfz-Struktur, niedrige Dichte, hohe spezifische Festigkeit, große elektr. Leifähigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit), (schlechte Steifigkeit (E- Modul), niedriger Schmelzpunkt 650°) o Unlegiertes Aluminium (großer thermischer Ausdehnungskoeffizient, hohe elektr. Leitfähigkeit auf Dichte bezogen, niedrige Zugfestigkeit bei guter Bruchdehnung), Überlandleitungen, Folien für Verpackung… o Aluminium-Knetlegierung: nach Gießen durch Walzprozess umgeformt, man unterteilt sie in aushärtbare und nicht aushärtbare Knetlegierungen, Die Schritte beim Aushärten (Ausscheidungshärtung) sind 1. Lösungsglühen, um einphasigen Mischkristall zu erhalten; 2. Abschrecken zum Erzeugen eines an Cu-Atomen und Leerstellen übersättigten Mischristalls; 3. Aushärten zur Erzeugung feiner Ausscheidungen, hier unterscheidet man Kaltaushärten (Es entstehen GP1-Zonen (kohärent)) und Warmaushärten (Es entstehen zuerst auch GP1-Zonen, anschließend GP-2 Zonen (kohärent); anschließend entstehen θ’ Phasen und letztendlich inkohärente θ-Phasen, bei denen die Festigkeit aufgrund der fehlenden Kohärenzspannungen wieder sinkt (überaltern) o Aluminiumgusslegierungen: Das wichtigste System ist AL-Si (Si-Konzentration zw. 5- 13%), Es bildet sich Eutektikum mit niedriger Viskosität bei niedrigem Schmelzpunkt bei 11,7% Ma% Si→ gut für dünnwandiges Gießen; Probleme bei Alulegierungen machen Gasporen und der Schwindung beim Erstarren; man versucht möglichst schnell abzukühlen (vom Sandguss zum Druckguss) für abnehmende -Korngröße und Dendritenabstand→höhere Festigkeit • Magnesium und Magnesiumlegierung (ähnlicher Schmelzpunkt wie Alu, allerdings niedrigere Dichte und nicht so steif); Magnesium macht einige Probleme: Schwindung beim Gießen, leichte Entzündbarkeit, schlechte Korrosionsbeständigkeit; daher nur begrenzte Anwendung z.B. im Militär • Titan und Titanlegierung (hoher Schmelzpunkt, recht große Dichte für Leichtmetall, allotropes Verhalten; Wechsel von hdp- alpha-Titan zu krz beta-Titan, hervorragende Korrosionsbeständigkeit, rasche Versprödung mit Gasen ab 500°; Verwendung z.B im Flugzeugbau Schwermetallwerkstoffe (ab 4,5g/cm3) • Kupfer- und Kupferlegierungen: kfz-Struktur, S= 1038°, E=120, p=8,9, ausgezeichnete Wärme- und elektrische Leitfähigkeit o Unlegiertes Kupfer: beständig gegen neutrale und alkalische Lösungen, findet Verwendung in Wasserleitungen, Kesseln etc. Sauerstoff in Kupfer kann Leitfähigkeit behindern und in Verbindung mit Wasserstoff Poren verursachen, die zu Rissen führen o Kupferlegierungen: Mischkristallhärtung vermindert elektrische Leitfähigkeit mehr als Ausscheidungshärtung→ Man nutzt Kompromiss: ▪ Messing: CuZn (Zink)-Legierung, gut kaltverformbar, Spannungskorrosion macht große Probleme ▪ Bronzen: Meine Snecken besitzen alle Bronze Cunst (Mangan, Zinn, Beryllium, Aluminim mit Kupfer) • Nickel- und Nickellegierungen: hohe Duktilität und Zähigkeit; sehr gute Warmfestigkeit! o Unlegiertes Nickel: Ts=1455°, kfz-Struktur, Korrosionsbeständig, o Nickellegierungen Nichtmetallische anorganische Werkstoffe Keramische Werkstoffe Einteilung nach Anwendung: • Gebrauchskeramik (Geschirr, Sanitärbereich…) • Technische Keramik o Strukturkeramik/ Hochleistungskeramik o Funktionskeramik/Elektrokerami k Einteilung nach chem. Zusammensetzung • Silikatkeramik (mit SiO2 (Siliziumoxid)): Ionenbindungsanteil von ca. 50% über O-Atome an Ecken (gute Isolatoren), sind spezielle Oxidkeramik • Oxidkeramik (ausschließlich oxidisch), bekannteste Aluminiumoxid, überwiegend ionisch • Nichtoxidkeramik (Basis von Verbindungen wie Bor, Kohlenstoff, Stickstoff); überwiegend kovalente Bindungen Herstellung: • Rohstoffe: Erzeugung der Basisrohstoffe mit der erforderlichen Reinheit durch physikalische oder chemische Prozesse; es gibt natürliche Rohstoffe (vorallem Silikatkeramik→ Ton, Quarz…) und synthetische Rohstoffe, die durch Schmelzverfahren, Reduktionsverfahren, Oxidationsverfahren… hergestellt werden • Aufbereitung: Mahlen der Pulver bis zur gewünschten Korngröße, Mischen zu rieselfähigen Granulat durch Sprühtrocknen; Die Aufbereitung lässt sich einteilen in: Phasentrennung, Oberflächenveränderung und Klassierung • Formgebung: Herstellung von sogenannten Grünlingen durch Pressverfahren (beim Pressen werden Trockengranulate in allen Richtungen gleichmäßig! Verdichtet) Pulvern oder Gießverfahren bei Suspensionen (z.B. Schlickerguss, mit Plastifizierungsmitteln können überwiegend Nichtoxidkeramik-Pulver gegossen werden) • Sintern: Wärmebehandlung zum Abbau der im Grünling vorhandenen Grenzflächenenergie und zur Nachverdichtung. Die genannten Pressverfahren vereinigen Formgebung und Sintern. • Endbearbeitung: Einsatz spannender Verfahren zu Fertigung endkonturnaher Sinterkörper in Bauteilabmessung; z.B. Schleifen, Polieren, Lasern… Mechanische Eigenschaften: Biegefestigkeit sehr gut; Druckfestigkeit höher als Zugfestigkeit; allerdings sehr hohe Streuung, da kleine Fehler unter Belastung Schwachstellen sein können. Weibullmodell: Gibt an wie groß Wahrscheinlichkeit für Versagen des Werkstoffs ist. 𝑃𝑓(𝜎) = 1 − 𝑒 −( 𝜎 𝜎0 )𝑚 . Weibullmodul m ist Maß für Streuung. Rissausbreitung kann verhindert werden durch: Verlängerung des Risspfades, Rissbrückeneffekte, Mikrorissbildung, Rissverzweigung Glas (amorph!)