29
Metallische Werkstoffe Werkstofftechnik Einführung Wieland / Aus- und Fortbildung

Metallische Werkstoffe

  • Upload
    bishop

  • View
    115

  • Download
    3

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Werkstofftechnik. Wieland / Aus- und Fortbildung. Metallische Werkstoffe. Einführung. Metalle und Legierungen Struktur und Eigenschaften. Eisen –Werkstoffe. Nichteisenmetalle. Stähle Baustahl, Werkzeug- , Vergütungs-stahl. Eisenguss- werkstoffe Gusseisen , Temperguss, - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Metallische Werkstoffe

Metallische Werkstoffe

Werkstofftechnik

Einführung

Wieland / Aus- und Fortbildung

Page 2: Metallische Werkstoffe

Metalle und Legierungen

Struktur und Eigenschaften

Page 3: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Schwer-metalle

> 5kg/dm³

Kupfer, Zink,Blei

Leicht- metalle

< 5kg/dm³

Alu, Titan,Magnesium,

Stähle

Baustahl, Werkzeug-, Vergütungs-stahl

Eisenguss-werkstoffe

Gusseisen,Temperguss,Stahlguss

Künstliche

Werkstoffe

Glas, Kunst-

stoff, Keramik

Natur-

Werkstoffe

Granit, Holz

Asbest

Metall Nichtmetalle

Eisen –Werkstoffe Nichteisenmetalle

Verbund-

werkstoffe

Verstärkte

Kunststoffe,

Hartmetalle

Einteilung der Werkstoffe

Page 4: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Stoffkonstanten verschiedener Werkstoffe

20

40

60

80

10 20 30 40 50 60

F in k

N

Verformung in mm

Werkstoff Dichte in kg/dm3 Schmelzpunkt in °C

Aluminium 2,7 660

Messing ca. 8,5 ca. 900

Eisen 7,8 1535

Kupfer 8,93 ca. 1083Elastizität

20

40

60

80

10 20 30 40 50 60

F in k

N

Verformung in mm

20

40

60

80

10 20 30 40 50 60

F in k

N

Verformung in mm

elastisch

Baustahl

weichgeglühtes Kupfer

Gummi

plastisch

Page 5: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Stoffkonstanten verschiedener Werkstoffe

Zähigkeit

Zähigkeit ist das Vermögen, innere Spannungen durch Verformung zu verteilen und damit ohne Beschädigung aufnehmen zu können. Das Gegenteil ist die Sprödigkeit.

HärteHärte ist der Widerstand eines Körpers gegen das Eindringen eines anderen Körpers in die Oberfläche

Korrosionsbeständigkeit

Die chemische Beständigkeit von Metallen gegen Einflüsse von außen nennt man Korrosions-beständigkeit.

Technologische Eigenschaften

Verformbarkeit, Zerspanbarkeit, Gießbarkeit, Schweißbarkeit, Lötbarkeit

Page 6: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Anforderungen an die Werkstoffe

Dieses Verhalten beschreiben chemisch-technologische 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 fertigungstechnische Eigenschaften, wie Gießbarkeit und Spanbarkeit.

Mit welchem Fertigungsverfahren lässt sich das Bauteil kostengünstig fertigen?

Auskunft darauf geben die Verschleißeigenschaften.Verschleißt der Werkstoff an Gleitflächen?

Dies beantworten mechanisch-technologische Eigenschaften, wie Festigkeit und Härte.

Kann der Werkstoff den auf das Bauteil einwirkenden Kräften standhalten?

Antwort geben physikalische 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

Page 7: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Werkstoff-Auswahl

Nach Abwägung aller Gesichtspunkte wird der richtige Werkstoff für ein Bauteil ausgewählt:

▪ der die Funktion des Bauteils und die technischen Anforderungen am besten erfüllt,

▪ dessen Fertigung und Werkstoffpreis am günstigsten ist und

▪ der bei der Fertigung und nach dem Gebrauch keine Belastung für die Umwelt darstellt.

Page 8: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

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

1d

m

1dm

V=1dm³

Unter der Dichte eines Stoffes versteht man den Quotienten aus der Masse m und dem Volumen V eines Körpers.

Page 9: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Werkstoff zu schmelzen beginnt.

3387Wolfram658Al

1536Eisen327Blei

1083Kupfer232Zinn

Schmelz-

temperatur °CStoff

Schmelz-

temperatur °CStoff

Schmelztemperatur

Page 10: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

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 % der Leitfähigkeit von Kupfer

Page 11: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Thermische Längenausdehnung: tll **1

l1 ll1 = Ausgangslängel = Längenänderung = Längenausdehnungskoeffizientt = Temperaturänderung t2-t1

Der thermische Längenausdehnungskoeffizient gibt die Längenänderung l eines 1 m langen Körpers bei einer Temperaturänderung von t = 1°C an.

Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

Page 12: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

Die Wärmeleitfähigkeit ist das Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, Wärmeenergie in sich zu leiten.

Wärmeenergie

Page 13: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

Elastizität eines Sägeblattes

Plastizität eines Bleistabes

Elastisch-plastische Verformung eines Stabstahls

Verformungsverhalten

Die verschiedenen Werkstoffe können elastisches, plastischesund elastisch-plastisches Verformungsverhalten haben.

Page 14: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Bestimmung der HärteZähigkeit, Sprödigkeit, Härte

Unter Härte versteht man den Widerstand, den ein Werk-stoff dem Eindringen eines Prüfkörpers entgegensetzt.

Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

Page 15: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Beanspruchungsarten

Beanspruchung der Werkstoffe

Reale Körper sind nie vollständig starr, sondern sie werden durch äußere Kräfte verformt. Die äußere Kraft leistet Deformationsarbeit, die in dem elastischen Körper als potentielle Energie gespeichert wird.

Elastische Körper nehmen nach dem Wegfall der Kraft wieder ihre alte Form an.

Nichtelastische Körper behalten nach der Krafteinwirkung die neue Form bei, denn die Energie wurde durch die Verschiebung der Metallgitter genutzt.

Page 16: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Innerer Aufbau der Metalle

Den Feinbau der Metalle bezeichnet man als kristallinen Aufbau oder als kristalline Struktur.

Kupfer gediegen

Metallproben unter dem Elektronen-Mikroskop: Man erkennt die Kristallstruktur, die an Tannenbäume erinnert.

Page 17: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Metall-Strukturen

Metallbindung (Beispiel Eisen)

Zusammen- lagerung

Aus dem Erz reduzierte Metallatome (Eisenatome Fe)

Metallionen -Verband (aus Eisenionen Fe²+)

Elektronen-wolke

frei bewegliche Elektronen

Metallionen

Die Metallbindung bewirkt den Aufbau der Metallkristalle und damit den äußerst festen Zusammenhalt (Festig-keit) der Metallteilchen.

Metalle sind gute elektrische Leiter.

Page 18: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Metallgefüge Kristallbildung

Entstehung der Kristalle:

Metalle bilden normalerweise beim Übergang aus der Schmelze in den festen Zustand Kristalle mit regelmäßig angeordneten Atomen.

Diese Kristalle wachsen zu Körnern mit jeweils unterschiedlicher Ausrichtung der Kristallgitter und teilweise unterschiedlichen Kristallsystemen und Zusammensetzungen.

globulare Körner

lamellares Gefügedendritische Körner

polyedrische Körner

Page 19: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Kristalliner Aufbau der Metalle

Kristallgitter mit Elementarzelle

Raumgitter Metallionen

Kubisch-flächenzentriert

Die wichtigsten Kristallgitter der Metalle

Kubisch-raumzentriert

Hexagonal dichteste Packung

Page 20: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Aggregatszustände

Verformbarkeit der Metalle

GitterfehlerWährend der Kristallbildung entstehen Störungen im geometrischen Aufbau des Gittersystems beim Übergang in die feste Phase, durch Gitter- und Phasen-umwandlung, thermische Einflüsse und spanlose Umformung.

Störungen in der Gitterstruktur erhalten die meisten Werkstoffe überhaupt erst die gewünschten Eigenschaften, sie stellen sie also meistens eine Verbesserung dar.

Stufenversetzung

Page 21: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Kristalliner Aufbau der Metalle

Defekt im Atomgitter:

Zwischengitteratome : Atome oder Ionen, die sich im Atomgitter einer Kristallstruktur nicht auf einem regulären Gitterplatz befinden.

Leerstelle ist ein Platz in der regelmäßigen Anordnung von Atomen, Ionen oder Molekülen im Kristallgitter, der unbesetzt ist.

Zwischengitteratome sind Atome oder Ionen, die sich im Atomgitter einer Kristallstruktur nicht auf einem regulären Gitterplatz sondern zwischen den Gitterplätzen befinden.

Substitutionsatome finden sich in Mischkristallen aus mindestens zwei Stoffen, bei dem die Atome der zweiten Komponente auf regulären Gitterplätzen der ersten Komponente sitzen.

Frenkel-Defekt: Ein Ion oder Atom verlässt seinen regulären Gitterplatz und wandert auf eine normalerweise nicht besetzte Position im Kristallgitter.

Page 22: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Die gewünschte Korngröße kann erzielt werden durch:

• Wärmebehandlung z.B. Normalglühen

• Warmumformen z.B. Warmwalzen

• Zugabe von Legierungs-elementen z.B. Mangan bei den Feinkornbaustählen.

Gefüge mit unter-schiedlichen Korngrößen

Innerer Aufbau eines reinen Metalls

Korngrößen

Page 23: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Metallgefüge im Schliffbild unter dem Rastermikroskop

Korngrenzen Kupfer

Korrosion an Korngrenzen

Korngrenze in einer verzinkten Stahloberfläche

Korngrenzen eines polykristallinen MetallsDefekt im Atomgitter:

Körner gibt es fast in jedem metallischen Werkstoff, meist sieht man sie jedoch nicht. Je kleiner die Körner, desto fester ist das Metall. Mit Glühen kann die Korn Größe verkleinert werden.

Korngrenzen sind zweidimensionale Gitterfehler. Die Korngrenze trennt in einem Kristall Bereiche (Kristallite oder auch Körner genannt) unter-schiedlicher Ausrichtung mit ansonsten gleicher Kristallstruktur.

An Korngrenzen sammeln bzw. bilden sich Ausscheidungen, insbesondere Oxide.

Page 24: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Legierungen haben gegenüber ihrem reinen Grundmetall meist verbesserte Eigenschaften, wie:

▪ höhere Festigkeit

▪ verbessertes Korrosionsverhalten

▪ größere Härte

▪ Bessere Formbarkeit

Innerer Aufbau einer Kristallgemisch-Legierung

Innerer Aufbau einer Mischkristall-Legierung

Kristallgemisch - Mischkristall

Page 25: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Wärmebehandlung «Glühen»

Was bedeutet Wärmebehandlung?Durch unterschiedliche Aufheizgeschwindigkeiten, Haltezeiten, Halte-temperaturen und Abkühlungsbedingungen lassen sich Zwangs-zustände im Werkstoff schaffen oder aufheben.

Dies geschieht durch Umlagern von Teilchen (Atome, Moleküle) innerhalb des Gefüges. Dadurch können die Eigenschaften von Metallen gezielt verändert werden.

Wärmebehandlung «geschützt»Mit der Wärmebehandlung im Vakuum oder unter Schutzgas werden Oberflächenreaktionen vermieden und werden zudem alle reaktionsfähigen Gasbestandteile erreicht.

Das Ergebnis ist eine oxid- und entkohlungsfreie Oberfläche.

Page 26: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Übersicht über die Wärmebehandlungsarten

WeichglühenAnwärmen, Durchwärmen, Abkühlen

von Brammen, Blech, Rohren, Halbzeugbessere spanende Bearbeitbarkeit

Nitrierhärten Härten von Stahl durch Zufuhr

von StickstoffErhöhung der Dauerschwingfestigkeit

Normalglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen

von Blech, Rohren, Halbzeugfeinkörnig, gleichmäßiges Gefüge

RandschichthärtenFlamm-, Induktions-, Laserstrahl-

und ElektronenstrahlhärtenGezielte Oberflächenhärtung

VergütenKombination aus Härten und

Anlassen bei höheren TemperaturenErhöht Dehnbarkeit und Zähigkeit

HärtenWärmebehandlung zum Erhöhen

der Härte von Legierungenverschleißfeste, zähe Bauteile

Spannungsarmglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen

von Blech, Rohren, HalbzeugSpannungen im Gefüge abbauen

RekristallisationsglühenAnwärmen, Durchwärmen, Abkühlen

von Blech, Rohren, HalbzeugZähigkeit wieder herstellen

Magnet-SchlussglühenGlühen in Vakuum oder Schutzgasen

sowie ReaktionsgasenMagnetische Eigenschaften reaktivieren

Page 27: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Eisen: Beeinflussung durch metallische Legierungszusätze

Schnellarbeitsstahl mit 6% W, z.B. für

Räumnadeln

Dehnung (in geringem Maße),

Zerspanbarkeit

Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit,

SchneidhaltigkeitWolfram W

Werkzeugstahl, z.B. für GewindebohrerEmpfindlichkeit gegen ÜberhitzungDauerfestigkeit, Härte, WarmfestigkeitVanadium V

WärmedehnungFestigkeit, Zähigkeit, Durchhärtbarkeit,

KorrosionsbeständigkeitNickel Ni

Warmarbeitsstahl, z.B. für

Strangpressdorne

Anlasssprödigkeit, Schmied-

barkeit, (bei höherem Mo-Anteil)

Zugfestigkeit, Warm-festigkeit,

Schneidhaltigkeit, DurchhärtungMolybdän Mo

Vergütungsstahl z.B. für Schmiedeteile

Zerspanbarkeit, Kaltformbarkeit,

Graphitausscheidung bei

Grauguss

Zugfestigkeit, Durchhärtbarkeit, Zähigkeit (bei

wenig Mn)Mangan Mn

Schnellarbeitsstahl mit 10% Co, z.B. für

Drehmeißel

Kornwachstum bei höheren

TemperaturenHärte, Schneidhaltigkeit, WarmfestigkeitCobalt Co

Nichtrostender StahlDehnung (in geringem Maße)Zugfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit,

Verschleißfestigkeit, KorrosionsbeständigkeitChrom Cr

Nitrierstahl; Desoxidationsmittel bei der

Stahlherstellung-Zunderwiderstand, Eindringen von StickstoffAluminium Al

AnwendungsbeispielDas Element erniedrigtDas Element erhöhtElemente

EN-GJS-NiCr30-3

Page 28: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

Eisen: Beeinflussung durch nichtmetallische Begleitelemente

Federstahl mit einer Zugfestigkeit Rm1600N/mm²

Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit,

Tiefziehfähigkeit, Schweißbarkeit,

Zerspanbarkeit

Zugfestigkeit, Dehngrenze,

KorrosionsbeständigkeitSilizium Si

AutomatenstahlKerbschlagzähigkeit, SchweißbarkeitZerspanbarkeitSchwefel S

Macht Schmelzen von Stahlguss und

Gusseisen dünnflüssigKerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit

Zugfestigkeit, Warmfestigkeit,

KorrosionswiderstandPhosphor P

Austenitischer StahlAlterungsbeständigkeit,

TiefziehfähigkeitVersprödung, AustenitbildungStickstoff N2

wird bei der Stahlherstellung entfernt, z.B.

durch VakuumbehandlungKerbschlagzähigkeitAlterung durch Versprödung, ZugfestigkeitWasserstoff H2

Vergütungsstahl mit Rm 800N/mm²Schmelzpunkt, Dehnung, Schweiß- und

Schmiedbarkeit

Festigkeit und Härte (Maximum bei

C0,9%), Härtbarkeit, RissbildungKohlenstoff C

AnwendungsbeispielDas Element erniedrigtDas Element erhöhtElemente

Page 29: Metallische Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung

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 Werkzeugstähle

Stähle

warmfester Stahl, hochwarmfester Stahl, hitzebeständiger Stahl, nichtrostender Stahl, nichtmagnetisierbarer Stahl

unlegierter Baustahl, Feinkornbaustahl, Automatenstahl, Einsatzstahl, Vergütungsstahl, Nitrierstahl, Federstahl

Unterteilung in:

Verwendung für: Maschinenbau, Fahrzeugbau, Stahlbau, Gerätebau

Kaltarbeitsstahl, Warmarbeitsstahl, Schnellarbeitsstahl

Verwendung für: Gesenke, Spritzgussformen, Schneid-, Hand- und Maschinenwerkzeuge

Unterteilung in: