Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies

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BINDUNGEN UND KRISTALLE

• Bindung = stabiler Gleichgewichtszustand von anziehenden und abstoßenden Kräften zwischen benachbarten Atomen; Einfluss auf Eigenschaften eines Werkstoffs
• Wichtigste Kristallgitter: kubisch-flächenzentriertes (Cu, Al, Ni .), kubisch-raumzentriertes (Fe, Cr .) und hexagonal dichtest gepacktes (Zn, Mg .)
• Polymorphie = Abhängigkeit der Kristallstruktur von Temperatur und Druck, wichtigstes Beispiel ist Eisen
• Kristallbaufehler gibt es punktförmig (Leerstellen, Zwischengitteratome, Substitutionsatome), linienförmig (Versetzungen), flächenförmig (Korngrenzen, Stapelfehler, Zwillingskorngrenzen)
• Werkstoffe sind meist vielkristallin, manchmal amorph, selten einkristallin

EIGENSCHAFTEN

• Wärmeausdehnung:
• Wärmeleitung:
• Elektrischer Stromfluss:
• Hookesches Gesetz:

THERMISCH AKTIVIERTE VORGÄNGE

• Die Geschwindigkeit thermisch aktivierter Vorgänge ist abhängig von der Aktivierungsenergie Q und der Temperatur T:
• Diffusion ist thermische Bewegung von Atomen/Teilchen, in Kristallen gibt es den Zwischengittermechanismus und den Leerstellenmechanismus
• Rekristallisation ist die völlige Gefügeneubildung durch Glühen nach vorheriger plastischer Verformung
• Kriechen ist die zeitabhängige plastische Verformung eines Werkstoffs unter konstanter Kraft
• Spannungsrelaxation ist die zeitabhängige Abnahme der Spannung bei konstant gehaltener Gesamtverformung

ZUSTANDSDIAGRAMME

• Völlige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand tritt auf bei ähnlichem Atomdurchmesser, gleichem Kristallgitter und ähnlichen chemischen Eigenschaften; führt zum Linsendiagramm
• Völlige Löslichkeit im flüssigen, teilweise Löslichkeit im festen Zustand tritt auf bei Unterschieden in Atomdurchmesser, Kristallgitter und chemischem Verhalten; führt zu Eutektikum
• Hebelgesetz gibt Mengenverhältnisse von Phasen im Zweiphasengebiet an

EISEN-KOHLENSTOFF-ZUSTANDSDIAGRAMM

• Ferrit kann nur wenig Kohlenstoff lösen, Austenit viel
• Zementit: Verbindung Fe3C, 6,7 % C, silbrig, hart, spröde
• Im stabilen Legierungssystem Eisen-Kohlenstoff liegt der nicht gelöste Kohlenstoff in Form von Grafit vor, im metastabilen in Form von Zementit
• Das Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff besteht aus Linsendiagramm, Peritektikum, Eutektikum und Eutektoid
• Typische Gefüge nach langsamer Abkühlung: Ferrit bei 0 % C, Perlit (Ferrit und Zementit) bei 0,8 % C

ZUGVERSUCH

• Kurzer Proportionalstab: L0 = 5 · d0 bei Rundprobe; auch Flachprobe sinnvoll
• Streckgrenze ReH: größte elastisch ertragbare Spannung
• Dehngrenze Rp0,2: Spannung, die 0,2 % bleibende Dehnung bewirkt
• Zugfestigkeit Rm: größte Spannung im Zugversuch
• Gleichmaßdehnung Ag: größtmögliche plastische Dehnung ohne lokale Einschnürung
• Bruchdehnung A5: plastische Dehnung beim Bruch am kurzen Proportionalstab
• Brucheinschnürung Z: prozentuale Querschnittsverringerung an der Bruchstelle gegenüber der ursprünglichen Querschnittsfläche

HÄRTEPRÜFUNG

• Nach Brinell mit Hartmetallkugel, Durchmesser des Eindrucks gemessen, HBW = F/A
• Nach Vickers mit vierseitiger Diamantpyramide, Diagonalen des Eindrucks gemessen, HV = F/A
• Nach Rockwell mit Diamantkegel oder Hartmetallkugel, Eindringtiefe gemessen, HRC = (0,2-e) 500, e in mm

KERBSCHLAGBIEGEVERSUCH

• Zäher Werkstoff sicher wegen Warnung vor Bruch, hoher Energieaufnahme, keinen scharfkantigen Einzelbruchstücken
• Einflüsse auf die Zähigkeit: Werkstoff, Temperatur, Spannungszustand, Beanspruchungsgeschwindigkeit; Kerbschlagbiegeversuch prüft Zähigkeit unter ungünstigsten Bedingungen
• Werkstoffe mit krz-Struktur haben Zäh-spröd-Übergang, solche mit kfz-Struktur nicht

SCHWINGFESTIGKEITSPRÜFUNG

• Schwingbeanspruchung (Vorsicht mit dem Begriff) tut dem Werkstoff meist mehr »weh« als ruhende/statische Beanspruchung
• Oberspannung, Unterspannung, Mittelspannung, Spannungsausschlag und Lastspiel sind wichtige Größen
• Wöhlerkurve: Spannungsausschlag vorgegeben und nach oben aufgetragen, Bruchlastspielzahl nach rechts
• Übliche Baustähle mit krz-Gitter haben »echte« Dauerfestigkeit, Aluminium mit kfz-Gitter hat keine

METALLOGRAFIE

• Makroskopische Verfahren über große Bereiche, Ätzen macht Schweißnähte oder gehärtete Zonen sichtbar
• Mikroskopische Verfahren: besonders gute Präparation nötig, Ätzen (Korngrenzen, Kornflächen) macht den Gefügeaufbau sichtbar, Lichtmikroskop begrenzt durch Wellenlänge des Lichts
• Elektronenmikroskopie erlaubt höhere Vergrößerungen und chemische Analyse

ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG

• Farbeindringprüfung nutzt Kapillareffekt; für alle Werkstoffe, aber nur für Fehler, die an Oberfläche grenzen
• Magnetpulverprüfung nutzt Streufelder an Fehlern in Oberflächennähe bei magnetisierten Proben, sichtbar gemacht mit Magnetpulveraufschlämmung; Werkstoff muss ferromagnetisch sein, Magnetisierungsrichtung wichtig
• Wirbelstromprüfung nutzt elektromagnetische Induktion und Wirbelströme; Stromrichtung/Fehlerlage wichtig
• Ultraschallprüfung nutzt Ultraschallwellen, piezoelektrisch erzeugt und registriert; Durchschallungs- und Impuls-Echo-Verfahren, Einschallrichtung/Fehlerlage wichtig
• Röntgen- und Gammastrahlenprüfung nutzen die Absorption elektromagnetischer Strahlen durch Werkstoff; Einstrahlrichtung/Fehlerlage wichtig

STAHLHERSTELLUNG

• Erz (enthält Eisen), Koks (Reduktionsmittel) und Zuschläge (für Schlacke) sind die wichtigsten Ausgangsstoffe beim Hochofen; Roheisen entsteht
• Unerwünschte Elemente im Roheisen werden mit Sauerstoff oxidiert und entfernt; das Sauerstoffaufblasverfahren nutzt vorwiegend flüssiges Roheisen, das Elektrostahlverfahren vorwiegend Schrott/Eisenschwamm
• Nachbehandlungen verbessern Stahlqualität, wichtig ist das Beruhigen (Entfernen von Sauerstoff und Stickstoff), wirkt gegen das Altern

BEZEICHNUNG DER EISENWERKSTOFFE

• Kurznamen enthalten Hinweise auf Verwendung und Eigenschaften oder chemische Zusammensetzung, Namen unterschiedlich aufgebaut
• Werkstoffnummern immer gleich, kurz, knackig, aber man sieht ihnen nicht viel an

WÄRMEBEHANDLUNG DER STÄHLE

• Glühbehandlungen: Normalglühen versetzt den Stahl in seinen »normalen«, feinkörnigen, guten Zustand zurück; Weichglühen verringert die Härte durch kugelige Karbide; Spannungsarmglühen reduziert die Eigenspannungen
• Härten durch Austenitisieren und ausreichend schnelles Abkühlen; unlegierte Stähle müssen schnell abgeschreckt werden, bei legierten Stählen genügt langsamere Abkühlung
• Vergüten ist Härten mit nachfolgendem Anlassen (Wiedererwärmen); führt zu optimaler Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit
• Randschichthärten nutzt günstige Verschleißeigenschaften und gute Festigkeit der Randschicht in Verbindung mit zähem Kern

STAHLGRUPPEN

• Unlegierte Baustähle: einfach, weitgehend problemlos, kostengünstig, meist nicht so superfest
• Feinkornbaustähle sind aufgrund des feinen Korns fester und/oder zäher als normale Baustähle, überwiegend gut schweißgeeignet
• Vergütungsstähle sind gehärtet und angelassen, hochfest bei guter Zähigkeit
• Warmfeste Stähle haben verbesserte Festigkeit bei hohen Temperaturen
• Hitzebeständige Stähle: gute Oxidationsbeständigkeit durch Cr, Al, Si
• Kaltzähe Stähle haben bei tiefen Temperaturen eine verbesserte Zähigkeit, insbesondere Kerbschlagarbeit
• Rostbeständige Stähle enthalten mindestens 12 % Cr und noch andere Elemente; ferritische Stähle haben krz-Gitter, preisgünstig, nicht so gute Zähigkeit; martensitische Stähle sind gehärtet; austenitische Stähle haben kfz-Gitter durch hohen Ni-Gehalt, sehr zäh; austenitisch-ferritische Sorten weisen krz- und kfz-Kristalle nebeneinander auf; bei allen Stählen spezifische Korrosionsarten beachten
• Werkzeugstähle unterscheiden sich in Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit; werden eingeteilt in Kalt-, Warm- und Schnellarbeitsstähle

EISENGUSSWERKSTOFFE

• Stahlguss ist in Formen gegossener Stahl, der nicht mehr umgeformt...