Metallische Werkstoffe

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Metallische WerkstoffeWerkstofftechnikEinfhrungWieland / Aus- und FortbildungMetalle und LegierungenStruktur und Eigenschaften

Wieland / Aus- und FortbildungSchwer-metalle > 5kg/dm

Kupfer, Zink,Blei

Leicht- metalle < 5kg/dm Alu, Titan,Magnesium,

Sthle

Baustahl, Werkzeug-, Vergtungs-stahl

Eisenguss-werkstoffe

Gusseisen,Temperguss,Stahlguss

Knstliche Werkstoffe

Glas, Kunst-stoff, Keramik Natur-Werkstoffe

Granit, Holz Asbest Metall Nichtmetalle Eisen Werkstoffe Nichteisenmetalle Verbund- werkstoffe Verstrkte Kunststoffe, HartmetalleEinteilung der WerkstoffeWieland / Aus- und FortbildungStoffkonstanten verschiedener Werkstoffe

WerkstoffDichte in kg/dm3Schmelzpunkt in CAluminium2,7660Messingca. 8,5ca. 900Eisen7,81535Kupfer8,93ca. 1083Elastizitt

elastischBaustahlweichgeglhtes KupferGummiplastischWieland / Aus- und FortbildungStoffkonstanten verschiedener WerkstoffeZhigkeitZhigkeit ist das Vermgen, innere Spannungen durch Verformung zu verteilen und damit ohne Beschdigung aufnehmen zu knnen. Das Gegenteil ist die Sprdigkeit. HrteHrte ist der Widerstand eines Krpers gegen das Eindringen eines anderen Krpers in die OberflcheKorrosionsbestndigkeitDie chemische Bestndigkeit von Metallen gegen Einflsse von auen nennt man Korrosions-bestndigkeit. Technologische EigenschaftenVerformbarkeit, Zerspanbarkeit, Giebarkeit, Schweibarkeit, LtbarkeitWieland / Aus- und FortbildungAnforderungen an die WerkstoffeDieses Verhalten beschreiben chemisch-technologische Eigenschaften, wie Korrosionsverhalten und die Zunderbestndigkeit.Wird der Werkstoff des Bauteils bei seinem vorgesehenen Verwendungszweck von umgebenden Stoffen oder bei erhhter Temperatur angegriffen?Hierber informieren fertigungstechnische Eigenschaften, wie Giebarkeit und Spanbarkeit.Mit welchem Fertigungsverfahren lsst sich das Bauteil kostengnstig fertigen?Auskunft darauf geben die Verschleieigenschaften.Verschleit der Werkstoff an Gleitflchen?Dies beantworten mechanisch-technologische Eigenschaften, wie Festigkeit und Hrte.Kann der Werkstoff den auf das Bauteil einwirkenden Krften standhalten?Antwort geben physikalische Eigenschaften des Werkstoffs, wie Dichte, Schmelztemperatur und elektrische Leitfhigkeit.Ist der Werkstoff z.B. aufgrund seines Gewichts, seiner Schmelztemperatur oder seines elektrischen Leitvermgens fr diese Aufgabe geeignet?Erforderliche EigenschaftenForderungen an den WerkstoffTechnische Aufgabe des Werkstoffs und der WerkstoffauswahlWieland / Aus- und FortbildungWerkstoff-AuswahlNach Abwgung aller Gesichtspunkte wird der richtige Werkstoff fr ein Bauteil ausgewhlt:

der die Funktion des Bauteils und die technischen Anforderungen am besten erfllt, dessen Fertigung und Werkstoffpreis am gnstigsten ist und der bei der Fertigung und nach dem Gebrauch keine Belastung fr die Umwelt darstellt.Wieland / Aus- und FortbildungPhysikalische Eigenschaften der Werkstoffe = 1,29kg/dmLuft (0C, 1,013 bar):19,27Wolfram7,85Stahl11,3Blei2,7Aluminium8,9Kupfer1WasserDichte kg/dmStoffDichte kg/dmStoffDichte von Stoffen Dichte:

1dm1dm1dmV=1dmUnter der Dichte eines Stoffes versteht man den Quotienten aus der Masse m und dem Volumen V eines Krpers.

Wieland / Aus- und FortbildungPhysikalische Eigenschaften der WerkstoffeDer Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Werkstoff zu schmelzen beginnt.3387Wolfram658Al1536Eisen327Blei1083Kupfer232ZinnSchmelz-temperatur CStoffSchmelz-temperatur CStoffSchmelztemperatur

Wieland / Aus- und FortbildungPhysikalische Eigenschaften der WerkstoffeDie elektrische Leitfhigkeit beschreibt die Fhigkeit eines Stoffes, den elektri-schen Strom zu leiten.8%Blei62%Aluminium17%Eisen106%Silber29%Zink100%KupferProzentStoffProzentStoffElektrische Leitfhigkeit in % der Leitfhigkeit von Kupfer

Wieland / Aus- und FortbildungThermische Lngenausdehnung:

l1ll1 = Ausgangslngel = Lngennderung = Lngenausdehnungskoeffizientt = Temperaturnderung t2-t1Der thermische Lngenausdehnungskoeffizient gibt die Lngennderung l eines 1 m langen Krpers bei einer Temperaturnderung von t = 1C an.Physikalische Eigenschaften der WerkstoffeWieland / Aus- und FortbildungPhysikalische Eigenschaften der WerkstoffeDie Wrmeleitfhigkeit ist das Ma fr die Fhigkeit eines Stoffes, Wrmeenergie in sich zu leiten.Wrmeenergie

Wieland / Aus- und FortbildungPhysikalische Eigenschaften der WerkstoffeElastizitt eines SgeblattesPlastizitt eines BleistabesElastisch-plastische Verformung eines StabstahlsVerformungsverhalten

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

Wieland / Aus- und Fortbildung

Bestimmung der HrteZhigkeit, Sprdigkeit, Hrte

Unter Hrte versteht man den Widerstand, den ein Werk-stoff dem Eindringen eines Prfkrpers entgegensetzt.Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

Wieland / Aus- und Fortbildung BeanspruchungsartenBeanspruchung der Werkstoffe

Reale Krper sind nie vollstndig starr, sondern sie werden durch uere Krfte verformt. Die uere Kraft leistet Deformationsarbeit, die in dem elastischen Krper als potentielle Energie gespeichert wird.

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

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

Wieland / Aus- und FortbildungInnerer Aufbau der MetalleDen 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 Tannenbume erinnert.

Wieland / Aus- und FortbildungMetall-StrukturenMetallbindung (Beispiel Eisen)Zusammen- lagerung

Aus dem Erz reduzierte Metallatome (Eisenatome Fe)

Metallionen -Verband (aus Eisenionen Fe+)Elektronen-wolkefrei bewegliche ElektronenMetallionenDie Metallbindung bewirkt den Aufbau der Metallkristalle und damit den uerst festen Zusammenhalt (Festig-keit) der Metallteilchen.

Metalle sind gute elektrische Leiter.Wieland / Aus- und FortbildungMetallgefge KristallbildungEntstehung der Kristalle:

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

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

globulare Krner

lamellares Gefge

dendritische Krner

polyedrische Krner

Wieland / Aus- und FortbildungKristalliner Aufbau der MetalleKristallgitter mit ElementarzelleRaumgitterMetallionen

Kubisch-flchenzentriertDie wichtigsten Kristallgitter der MetalleKubisch-raumzentriertHexagonal dichteste PackungWieland / Aus- und FortbildungAggregatszustnde

Verformbarkeit der Metalle

GitterfehlerWhrend der Kristallbildung entstehen Strungen im geometrischen Aufbau des Gittersystems beim bergang in die feste Phase, durch Gitter- und Phasen-umwandlung, thermische Einflsse und spanlose Umformung.

Strungen in der Gitterstruktur erhalten die meisten Werkstoffe berhaupt erst die gewnschten Eigenschaften, sie stellen sie also meistens eine Verbesserung dar.StufenversetzungWieland / Aus- und FortbildungKristalliner Aufbau der MetalleDefekt im Atomgitter:

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

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

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

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

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

Wieland / Aus- und Fortbildung Die gewnschte Korngre kann erzielt werden durch:

Wrmebehandlung z.B. NormalglhenWarmumformen z.B. WarmwalzenZugabe von Legierungs-elementen z.B. Mangan bei den Feinkornbausthlen.

Gefge mit unter-schiedlichen Korngren

Innerer Aufbau eines reinen MetallsKorngrenWieland / Aus- und FortbildungMetallgefge im Schliffbild unter dem Rastermikroskop

Korngrenzen KupferKorrosion an KorngrenzenKorngrenze in einer

verzinkten StahloberflcheKorngrenzen eines polykristallinen MetallsDefekt im Atomgitter:

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

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

An Korngrenzen sammeln bzw. bilden sich Ausscheidungen, insbesondere Oxide.Wieland / Aus- und FortbildungLegierungen haben gegenber ihrem reinen Grundmetall meist verbesserte Eigenschaften, wie:hhere Festigkeitverbessertes Korrosionsverhalten grere HrteBessere Formbarkeit

Innerer Aufbau einer Kristallgemisch-Legierung

Innerer Aufbau einer Mischkristall-Legierung

Kristallgemisch - MischkristallWieland / Aus- und FortbildungWrmebehandlung GlhenWas bedeutet Wrmebehandlung?Durch unterschiedliche Aufheizgeschwindigkeiten, H