Metallische Werkstoffe

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Metallische Werkstoffe

• Werkstofftechnik

• Einführung

• Wieland / Aus- und Fortbildung

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Metalle und LegierungenStruktur und
Eigenschaften
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Einteilung der Werkstoffe
Verbund- werkstoffe
Metall
Nichtmetalle
Verstärkte Kunststoffe, Hartmetalle
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Stoffkonstanten verschiedener Werkstoffe
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. 1083
Elastizität
elastisch
plastisch
weichgeglühtes Kupfer
Gummi
Baustahl
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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.
Härte
Härte 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- beständi
gkeit.
Technologische Eigenschaften
Verformbarkeit, Zerspanbarkeit, Gießbarkeit,
Schweißbarkeit, Lötbarkeit
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Anforderungen an die Werkstoffe
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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.

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Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
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
Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein
Werkstoff zu schmelzen beginnt.
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Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt die
Fähigkeit eines Stoffes, den elektri-schen Strom
zu leiten.
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Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
l1 Ausgangslänge ?l Längenänderung ?
Längenausdehnungskoeffizient ?t
Temperaturänderung t2-t1
Der thermische Längenausdehnungskoeffizient ?
gibt die Längenänderung ?l eines 1 m langen
Körpers bei einer Temperaturänderung von ?t 1C
an.
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Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Die Wärmeleitfähigkeit ist das Maß für die
Fähigkeit eines Stoffes, Wärmeenergie in sich zu
leiten.
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Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Verformungsverhalten Die verschiedenen
Werkstoffe können elastisches, plastisches und
elastisch-plastisches Verformungsverhalten haben.
Elastizität eines Sägeblattes
Elastisch-plastische Verformung eines Stabstahls
Plastizität eines Bleistabes
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Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Bestimmung der Härte
Zähigkeit, Sprödigkeit, Härte Unter Härte
versteht man den Widerstand, den ein Werk- stoff
dem Eindringen eines Prüfkörpers entgegensetzt.
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Beanspruchung der Werkstoffe
Beanspruchungsarten
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.
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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.
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Metall-Strukturen
Metallbindung (Beispiel Eisen)
Die Metallbindung bewirkt den Aufbau der
Metallkristalle und damit den äußerst festen
Zusammenhalt (Festig-keit) der Metallteilchen. Me
talle sind gute elektrische Leiter.
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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.
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Kristalliner Aufbau der Metalle
Kristallgitter mit Elementarzelle
Die wichtigsten Kristallgitter der Metalle
Kubisch- flächenzentriert
Kubisch- raumzentriert
Hexagonal dichteste Packung
Raumgitter
Metallionen
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Verformbarkeit der Metalle

• Aggregatszustände

• Stufenversetzung

Gitterfehler Während 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.
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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. Substitution
satome 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.
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Korngrößen

• 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.

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Metallgefüge im Schliffbild unter dem
Rastermikroskop
Defekt 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.
Korngrenzen eines polykristallinen Metalls
Korngrenzen Kupfer
Korrosion an Korngrenzen
Korngrenze in einer verzinkten Stahloberfläche
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Kristallgemisch - Mischkristall

• Legierungen haben gegenüber ihrem reinen
  Grundmetall meist verbesserte Eigenschaften, wie
• höhere Festigkeit
• verbessertes Korrosionsverhalten
• größere Härte
• Bessere Formbarkeit

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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.
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Übersicht über die Wärmebehandlungsarten
Weichglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen von
Brammen, Blech, Rohren, Halbzeug bessere spanende
Bearbeitbarkeit
Härten Wärmebehandlung zum Erhöhen der Härte von
Legierungen verschleißfeste, zähe Bauteile
Rekristallisationsglühen Anwärmen, Durchwärmen,
Abkühlen von Blech, Rohren, Halbzeug Zähigkeit
wieder herstellen
Normalglühen Anwärmen, Durchwärmen, Abkühlen
von Blech, Rohren, Halbzeug feinkörnig,
gleichmäßiges Gefüge
Randschichthärten Flamm-, Induktions-,
Laserstrahl- und Elektronenstrahlhärten Gezielte
Oberflächenhärtung
Magnet-Schlussglühen Glühen in Vakuum oder
Schutzgasen sowie Reaktionsgasen Magnetische
Eigenschaften reaktivieren
Nitrierhärten Härten von Stahl durch Zufuhr von
Stickstoff Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit
Vergüten Kombination aus Härten und Anlassen bei
höheren Temperaturen Erhöht Dehnbarkeit und
Zähigkeit
Spannungsarmglühen Anwärmen, Durchwärmen,
Abkühlen von Blech, Rohren, Halbzeug Spannungen
im Gefüge abbauen
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Eisen Beeinflussung durch metallische
Legierungszusätze
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Eisen Beeinflussung durch nichtmetallische
Begleitelemente
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Einteilung und Verwendung der Stähle
Unterteilung in