Einf_MaWi_MetalleA

Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle Uwe Glatzel, Metallische Werkstoffe1

Aufbau und Eigenschaften MetalleProf. Dr.-Ing. Uwe Glatzel

MW1a, Modul Materialwissenschaft I (MatWerk)MW2, Modul Materialwissenschaft (Metalltechn.)

B. Sc. "Materialwissenschaft und Werkstofftechnik" (1. Sem):2 SWS Vorlesungen und 1 SWS Praktikum.

B. Ed. "Berufliche Bildung Fachrichtung Metalltechnik" (1. Sem):2 SWS Vorlesung und 1 SWS Praktikum.

B. Sc. "Physik" oder "Technische Physik" mit Nebenf. Materialwissenschaft:2 SWS Vorlesung kein Praktikum.

WS 14/15


Einteilung der verschiedenen Studiengänge und Termine

Wichtig: In FlexNow sofort zum Praktikum anmelden!(außer Physiker)

Praktikum im WS (Studienplan SS).

13.10.14 1. Vorlesungstermin (2. Vorlesungswoche)20.10.14 Praktikumseinführung (siehe Folien 3 und 4), anschließend

Lehrstuhlbesichtigung27.10.14 2. Vorlesungstermin (4. Vorlesungswoche)22.12.14 fällt aus? (kurz vor Weihnachten) 30.12.14 fällt aus (Weihnachtsferien) 05.01.15 fällt aus (Weihnachtsferien)


Praktikumsversuche

• Zug- und Härteprüfung Rommel (Strößner)

• Feinguss Trosch (Agarkov)

• Metallographie (Probenpräparation, Lichtmikr.)

Scherm (Kinzel)

Praktikumsanleitungen unter:http://www.metalle.uni-bayreuth.de/de/teaching/practical/index.htmlSkript unter:http://www.metalle.uni-bayreuth.de/de/download/teaching_downloads/Vorl_Einf_Mawi_Metalle/index.html


Einteilung im Praktikum

3 Versuche à ca. 4 Stunden.

Einteilung in Gruppen à 4 (!) Studenten in der 3. Vorlesungswoche mit einer Einführung in die Praktikumsversuche.

1. Gut vorbereiten!2. Praktikum wird benötigt


Einführung in die Materialwissenschaft/Metalle

1. Vorstellung des Lehrstuhls Metallische Werkstoffe, Einführung in die Materialwissenschaft/Geschichte

2. Einführung in Praktikum, Gruppeneinteilung, Zeitplan

3. Einführung in den Werkstoff Metall

4. Aufbau und Eigenschaften metallischer Werkstoffe

5. Vom Stoff zum Werkstoff - Herstellungsverfahren

6. Vom Werkstoff zum Bauteil (Urformen, Umformen)

7. Werkstoffbezeichnungen

8. Überblick über Werkstoffprüfung (und -analytik)


Literatur (nicht vollständig)

• Schmitt-Thomas: Metallkunde für das Maschinenwesen - Band I und II -, Springer, Berlin; 1990 (je ca. 50 €)

• Haasen: Physikalische Metallkunde, Springer, Berlin; 1984• Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer, Berlin; 1995• Schatt, Worch: Werkstoffwissenschaft, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie;1996• Schumann: Metallographie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie;1991• Askeland: Materialwissenschaften, Spektrum Lehrbuch; 1994• Callister: Materials Science and Engineering - An Introduction, Wiley, New York, 1999• Ilschner: Werkstoffwissenschaften; Springer, Berlin; 1990• Hull, Bacon: Introduction to Dislocations, Pergamon, Oxford; 1986• Reed-Hill: Physical Metallurgy Principles,PWS-Kent, Boston; 1973• Frost, Ashby: Deformation-Mechanism Maps, Pergamon Press, Oxford; 1982• Kittel: Festkörperphysik, Oldenbourg, München; 1988• Atkins: Physikalische Chemie, VCH, Weinheim, 1990• Barrett, Nix, Tetelmann: The Principles of Engineering Materials, Prentice Hall; 1973• Borchardt-Ott, Kristallographie, Springer; 1997


Der Professor:Prof. Dr.-Ing. habil. Uwe Glatzel• Jahrgang 1960• Studium der Physik in Tübingen (Auslandsjahr in

Corvallis, Oregon, USA)• Promotion am Institut für Metallforschung, TU-Berlin,

Prof. Monika Feller-Kniepmeier• post-doc (1 Jahr) an der Stanford University• Habilitation an der TU-Berlin• Gerhard-Hess Preis der DFG für junge

Nachwuchswissenschaftler• 1996-2003 Prof. für "Metallische Werkstoffe" in Jena• seit 01.04.2003 in Bayreuth (Metallische Werkstoffe)

Kontakt: Raum 1.04.1, Tel.: (0921) 55-5555Ludwig-Thoma-Str. 36b (IMA) e-mail: [email protected]


Wo?

Ludwig-Thoma-Str. 36 b95447 Bayreuth

Industriegebiet Glocke-Süd


Der Lehrstuhl:

Personal:1-3 post-doc 8-10 Doktoranden4-5 Techniker 1-2 Azubis (Werkstoffprüfer/Metalltechnik)1-2 Sekretärin 3-5 Diplomanden (Materialwissenschaft)

Auswahl an Industrie-Kooperationspartner

September 2013


Forschung und Lehre Lehre

• Vorlesungen (Materialwissenschaft Metalle), Praktika

• Studienarbeiten/Diplomarbeiten• Exkursionen• Auslandsaufenthalte (in beiden Richtungen)

Forschung• Grundlagenforschung (DFG-Projekte)• Anwendungorientierte Forschung (BMBF, AVIF/FAT, BFS)• Auftragsforschung

Technologietransfer• Beratung von Firmen bei Werkstofffragen• Prozeßentwicklung in der Lasermaterialbearbeitung• Schadens- u. Werkstoffanalysen • Qualitätssicherung u. Qualitätsstandard


Exkursionenhttp://www.metalle.uni-bayreuth.de/de/news/Exkursionen/index.html

SKF, Schweinfurt, Juni 2005

ThyssenKrupp, Duisburg, Juni 2004

MTU, KraussMaffei, Plansee, Sintec, Tyrolit05.-07-07.06

Audi, Ingolstadt, Mai 2007


Was machen wir in der Forschung? Arbeitsgruppen am Lehrstuhl

• Hochtemperaturlegierungen• Werkstoffprüfung• Lasermaterialbearbeitung• Strukturanalyse• Modellierung und Simulation• Künstliche Gelenke

"zentral":Metallographie,

Werkstatt, Sekretariat


"Zentrale" Einrichtungen

Bernd Deuerling

Metallographie:Gefügepräparation aller Werkstoffgruppen, beschichtete Proben, Präparation für die Transmissionselektronenmikroskopie.

Werkstatt:Prüfprobenfertigung aus verschiedenen Werkstoffen (aus dem Bauteil möglich), Gerätebetreuung, Fertigen spezieller Zusatzvorrichtungen.

Hans Lassner


Hochtemperatur-legierungen

Nickelbasissuperlegierungen, z.B. mitMotoren- und Turbinen Union (MTU Aero Engines)

und ein Reihe weiterer Projekte:Dr. Rainer Völkl

Svenja Kinzel

Graduiertenkolleg

LuFo IV-4 mit MTU:Johannes Strößner


Nickelbasissuperlegierungen

Einkristalline Nickelbasislegierungen als erste Laufschaufelnnach der Brennkammer in Flugturbinen.

FanVortrieb(Titan)

Verdichter (Titan)

Gastemp.: 1500°C

Werkstoff: 1100°C

konst. Spannungvon ca. 80 MPa

(1 PKW/cm2)

20.000 1/min.

Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle Uwe Glatzel, Metallische Werkstoffe

Beispiele Gasturbinen

16

Anwendung Gewicht[kg]

Leistung[kW]

Durchm.Scheibe

[m]

Drehzahl[1/min.]

max. Verbrauch

[l/h]

Kosten[T€]

ModellbauJetCat P120SX 1,4 22

(Schub: 0,13 kN) 0,07 123 000 ~ 23 2,8

Rolls Royce RR300 für Helikopter

80 225 0,24 50 000 ~ 100 ?

Engine AllianceGP 7270 für Airbus A380

6 700 60 000(Schub: 370 kN) 1,00 12 000 ~ 3 600 ~ 13 000

stationäre Gas-turbine SGT5-8000H, IrschingWirkungsgrad> 40%GuD > 60%

444 000 375 000(GuD: 570 MW) ~ 4,00 3 000

~ 85 000 schweres

Heizöl(~ 100 000

m3/h Erdgas)

~ 200 000(Schätzung)


Große, einkristalline Schaufel

Schaufel für eine stationäre Gasturbine


Konstruktive und werkstoffbedingte Steigerung der Temperatur

konstanteSteigerung

5-10°C/Jahr

Keramik??Platin?

Jahr1950 1960 1970 1980 1990 2000

Tem

pera

tur

[°C

]

500

1000

1500

2000

Temperatursteigerung durch bessere Materialien

Steigerung durchverbesserte Kühlung

zivilmilitärisch

Materialtemperatur

Gastemperatur

Polykristall

gerichtete Erstarrung

Einkristall


GefügeZweiphasige, einkristalline Nickelbasissuperlegierungen:

kubisch-flächen-zentrierte Matrix

(Nickelmischkristall)

Ni3Al => ebenfalls kfz, aber chemisch geordnete L12, oder ' Phase Frei von Versetzungen


Vor und nach Verformung

Lastachse

Längsschnitt, = 1 %

Vor der Verformung

Nach der Verformungbei T = 850°C, = 500 MPa


Legierungsentwicklung

Erschmelzen der Legierungen im Lichtbogen, oder im …


… Vakuuminduktionsofen

Ernst Fleischmann


GruppeWerkstoffprüfung

Bestimmung von Materialkenndaten:

Biegefestigkeit,Bruchfestigkeit,Elastizitätsgrenze,E-Modul, Kerbschlagzähigkeit,Korrosionsbeständigkeit,Kriechfestigkeit.

Dr.-Ing. Rainer Völkl

Fabian Krieg

Michael TerockDehngeschwindigkeiten von 10-10 s-1 bis 102 s-1

Temperaturen von RT bis 1400°C.


Zugversuch

Verformung der Rundprobe mit konstanter Geschwindigkeit bis zum Bruch


Hochtemperaturverformungbis 1400°C

Temperatur und Last (Kraft) sind konstant


Hochtemperaturverformungbis zum Schmelzpunkt


Lasermetallurgie

• Laserschweißen• Laserlöten• Oberflächenbearbeitung

mittels Laser

DFG, AVIF/FAT und diverse Industrieprojekte

Florian

Scherm


LaserschweißlötenHybridmischbauweise, insbesondere Schweiß/Lötverbindung von Aluminium mit Stahl

Titan schweißen möglich

www.audi.com

Promotionen: Clemens Wallmann, Holger Laukant, Florian Scherm, Elisa Guimaraens, (Daniel Rommel)


Strukturanalyse

• Rasterelektronenmikroskop mit Focused Ion Beam (Feb. 2005)• Transmissionselektronenmikroskop (Jan. 2006)

RöntgendiffraktometerThermische Analyse(DTA, DSC, TG,Dilatometer, Laser-Flash)

Dr.-Ing. Rainer VölklGutachten

gebrochenes Knieimplantat


StrukturanalyseRasterelektronenmikroskop mit Focused Ion Beam, ZEISS 1540 XB


Strukturanalyse

Transmissionselektronen-mikroskop ZEISS Libra 200 FE

Michael Terock


Chemische Analyse

Glow Discharge Optical Emmission Spectroskopy (GD-OES)

Dr. Adelheid Schütz


Modellierung und Simulation

• Simulation von Kriechverformung• Simulation innerer Spannungen in

mehrphasigen Gefügen• Thermodynamische Berechnungen von

Phasenstabilitäten (ThermoCalc, Dictra) Robert Popp


FAN-Tauziehen1. Platz 2005 - 2007 2. Platz 2008

3. Platz 2003, 2010 Viertelfinale 2009


Berufsaussichten Ingenieure

Vergütung:

Selten genaue Angaben ("je nach Qualifikation")

Einstiegsgehälter meist orientiert am öffentlichen Dienst (E 13)

Jahresgehälter:~ 40 T€/Jahr Diplom-Ingenieur (Universität), bzw.

~ 48 T€/Jahr Dr.-Ing.)


Vergütung (Jan. 2006)

Anwälte ~ 29.100 €Ing. + Naturwiss. ~ 41.000 €


Jetzige wirtschaftliche Bedeutung der Metallindustrie für Deutschland

17

Import und Export (2008)


Studiengang in Deutschland

Studiengang Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, zum Teil auch "nur" eine Fachrichtung im Maschinenbau, Physik oder Chemie:

46 x in Deutschland (10 x FH und 36 x Uni, von Kiel bis TU München)

Allein 6 x in Bayern:FH Hof und FH Nürnberg,Unis Bayreuth, Erlangen-Nürnberg, Augsburg, München

Aber: in USA "materials science and engineering" sehr viel stärker in der Gesellschaft verankert


Studiengang in Deutschland

Materialwissenschaft

Umwelt- und Bioingenieurwiss.B.Sc. Engineering Science


Geschichte der Werkstoffe

Ganze Zeitalter der Menschheit wurden nach dem in dieser Zeit vorherrschendem Werkstoff benannt:

• Steinzeit (Beginn der Altsteinzeit ca. 20 000 v.Chr.)• Neusteinzeit (ca. 3 000 v.Chr.)• Bronzezeit (Europa 2 000 v.Chr.)• Eisenzeit ( 1 000 v.Chr.)• Informationszeitalter, Silizium-Technologie (ca. 1960 n.Chr.).

Noch heute sind 90% aller industriell verwerteter Metalle Eisenwerkstoffe!


Geschichte der Metallurgie:

Bedeutung von Metallen für die

Entwicklung der Menschheit


Entwicklung der Metallurgie

Triebkräfte für die Entwicklung der Metallurgie

Jagd Metallische Jagdgeräte mit höherer Effizienz wie z.B. Schneidfähigkeit

Krieg Metallische Kriegsgeräte mit höherer Effizienz wie z.B. Kanonen, Panzer

Schmuck Metallische Schmuckgegenstände mit höherem Wert für Handel und Gesellschaft

Industrie Metallische Werkzeuge für die gestiegenen Anforderungen an Schnelligkeit und Automatisierung, wie z. B. Dampfmachine

Information Informationstechnologie auf Grundlage metallischer Erzeugnisse, wie z.B. Si-Leiterplatten

18


Metalle im AltertumAnfänge der Metallurgie u. Bronzezeit

Ursprungsgebiet der Metallurgie:Nordosten Persiens

Verbreitung metallurgischer Technologien

Erste Anwendung metallischer Werkstoffe(Frühzeit ca. 3000 v. Chr.):metallischer Schmuck u. Gefäße

Entdeckung erster Metallanwendungenzur Zeit der Hochkulturen der:•Ägypter•Babylonier•Perser•Inder•Chinesen

Komplexere Organisationder Landwirtschaft in Strom-

tälern mit ausgedehntenBewässerungsanlagen

Freisetzung einer größerenZahl von Menschen für

andere Tätigkeiten

Tätigkeiten außerhalb derLandwirtschaft

Entstehung von Handwerks-betrieben und dadurch Bedarfan metallischen Werkzeugen

19


Metalle im AltertumAnfänge der Metallurgie u. Bronzezeit

Bronzeguß in Ägypten 1450 v. Chr.

Metallgeräte in der Landwirtschaft

Erste Verwendung von Kupferwerkstoffen für Waffen durch Beimengungen von Arsen: härter als reines Cu und dadurch

geeignet für Waffen

Verbesserung der Ofentechnik:

• Erzeugung höhere Temperaturen• Entdeckung neuer Metalle (Sn, Pb, Fe)• Entdeckung des Legierens

Weitere treibende Kräfte: Entwicklung neuer Gesellschaftsstrukturen:

Landwirtschaft Handel

20


Metalle im AltertumTechnik der Metallgewinnung - Bergbau

Griechische Bergleute inTongrube 575-550 v. Chr.

Förderung von Grubenwasser mit archimedischen Schrauben

Übersicht früher Metallurgie

5000

4000

3000

2000

1000

Chr. Geb.

vor C

hris

ti G

eb.

21


Metalle im Mittelalter - Bedeutung

Die sieben mechanischen Künste des MittelaltersAgricultura Landwirtschaft Aurifabra Schmiedekunst

Mercatoria Handel Architectura Baukunst

Venatoria Jagd Cyrurgia Heilkunst

Tympanistria Spielkunst

Die dargestellten Handwerksgegenstände spiegeln die große Bedeutung metallischen Werkzeugs wider

26


Feilenhaumaschine von Leonardo da VinciAb dem 15. Jahrhundert sind erste Ansätze für eine Automatisierung der Metall-bearbeitung erkennbar

Metalle in der NeuzeitNeue Technologien

Komplexere Ausnutzung der vorhandenen Erzressourcendurch die Weiter-entwicklung von Förder- und Bergwerks-technik

33


Hochofen im 16. JahrhundertWachsende Größe von Hochöfen durch die Verbesserung der Luftzufuhr durch wassergetriebene Blasebälge

Metalle in der NeuzeitNeue Technologien

Walztechnik im 18. JahrhundertDie verbesserte Nutzung der Wasserkraft macht erstmals das Walzen von Eisenplatten möglich. Die Holzkonstruktion setzte derartigen Anlagen jedoch Grenzen

34


Hochofen im 19. Jahrhundert: Die Anwendung mit Dampfmaschinen betriebener Gebläse erlaubte den Bau größerer Hochöfen bis zu 20 t.

Metalle zur Zeit der industriellen Revolution

Vollkommen neue Technologien!

35

2008: ThyssenKrupp Duisburg, Inbetrieb-nahme Hochofen 8: Kosten ~ 250 Mio. €, Höhe: 89 m, täglich ~ 5.600 to Roheisen (≙ 700 m3 Volumen ≈ H32)


Viele weitere Beispiele möglich

(noch zwei negative Beispiele)


Die Kolonialisierung machte eine Aufrüstung der Kolonialflotte notwendig. Dabei wurden

große Mengen an Stahl verwendet um besonders sichere Schiffe zu bauen


Prüfung von Panzerplatten: Die Entwicklung neuer Geschütze und Geschosse trieb die

Entwicklung widerstandsfähiger Stahlsorten für die Panzerung von Kriegsschiffen voran


Umwelt:Die ungereinigten Abgas - und Rauchmengen der Hochöfen, Stahlwerke und Kokereien verfinsterten den Himmel in den Industriezentren und verdreckte die Umgebung, was mit einer starken Beeinträchtigung der Lebensqualität verbunden war

GesellschaftIn den dichtbesiedelten Arbeiterwohnvierteln (hier London 1870) wohnten Menschen unter schlechten hygienischen Bedingungen, was zahlreiche Epidemien zur Folge hatte

43



Einführung in den Werkstoff Metall


Res

t

Vorkommen der Elemente

Element Anteil in %O 46,6Si 27,7Al 8,1Fe 5Ca 3,6Na 3K 3Mg 2,1Ti 0,63Mn 0,1Cr 0,037Zr 0,026Ni 0,02V 0,017Cu 0,01U 0,008W 0,005Zn 0,004Pb 0,002Co 0,001Be 0,001Mo 0,0001Sn 0,0001Sb 0,00001Cd 0,00001Hg 0,00001Bi 0,000001Ag 0,000001Pt 0,0000001

O46,6%

Si27,7%

Al8,1

Ca3,6

K3,0

Rest0,9

Mg2,1

Na3,0

Fe5,0

Aber: Aluminiumlegierungen ~ 5 x teurer als Stahl

Eselsbrücke/Merkspruch: Osialfeca Nakampf-MG


Anteil der Elemente in der Erdkruste bezogen auf 106 Siliziumatome

55

© U.S. Geological Survey Fact Sheet 087-02 (2002)

Eine spezielle Person der Weltbevölkerung(8 Milliarden)


Vorkommen verschiedener Metalle


Verbrauch verschiedener Werkstoffe (relativ)


Verbrauch absolut

JahrKurzzeitige Schwankungen wurden ausgeglichen.

1900 1920 1940 1960 1980 2000

Prod

uktio

n in

106 t

0.1

1

10

100

1000

Stahl

Kupfer und Zink

Kunststoffe

Aluminium

Glas

FaserverstärkteWerkstoffe

Metalle

Produktion der wichtigsten Werkstoffe in den USA


Stahlhersteller

Prod

uktio

n in

Mio

. Ton

nen/

Jahr

W

orld

Ste

el A

ssoc

iatio

n, R

anki

ng 2

008Unternehmen Land 2007 2008

1. ArcelorMittal Luxemburg 116,4 101,6

2. Nippon Steel Japan 35,7 37,5

3. Baosteel China 28,6 35,4

4. Hebei Iron and Steel China 31,1 33,3

5. JFE Group Japan 34,0 32,4

6. POSCO Südkorea 31,1 31,7

7. Wuhan Iron and Steel China 20,2 27,7

8. Tata Steel Indien 26,5 24,4

9. Shandong Iron and Steel China 23,8 23,8

10. Jiangsu Shagang China 22,9 23,3

11. US Steel USA 21,5 23,2

12. Nucor USA 20,0 20,4

13. Gerdau S.A. Brasilien 18,6 20,4

14. Severstal Russland 17,3 19,2

15. Evraz-Gruppe Russland 16,2 17,7

16. Riva FIRE Italien 17,9 16,9

17. Anshan Iron and Steel China 16,2 16,0

18. ThyssenKrupp Deutschland 17,0 15,9


Stahlerzeugung Weltwirtschaft

60


Festigkeit und Elastizitätsmodul verschiedener Werkstoffe

BasaltCarbonGlass... fibre reinforced polymer


Bruchzähigkeit(≙ Schlagempfindlichkeit)

62

Wichtigster Werkstoffparameter, Kosten (Masse):Stahl : Aluminium : gfrp/Ni : Titan : cfrp : Au/Pt

1 : 5 : 10 : 50 : 500 : 30.000


Anwendung verschiedener Werkstoffe


Preisentstehung

0

10

20

30

40

50

60

70

Kupfer Titan

Prei

s in

DM

/kg

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Vork

omm

en in

%

0,63%

0,01%

30 €/kg

3 €/kg

Preis desWerkstoffs

Verfügbarkeit( Vorkommen)

Kosten fürDarstellung

Kosten fürWeiterverarbeitung

NachfrageKosten

Vorkommen


Verfügbarkeit und PreisentwicklungBeispiel Aluminium

Faktoren für dieStandortentwicklung:

Standort

Rohstoffe

Energiepreise

Transportwege

DM/t

€/t 07.09.09:

1.300 €/t4,6 Mio. t Bestand!


Preisentwicklung Stahl

Preisspanne für warmgewalzten Stahl in US$/t

World Steel in Figures, IISI, 2006


Entwicklung der Rohstahlerzeugung

siehe Folie 60


Preisentwicklung Au, Pt, Pd, Re

1 US$/oz = 0,72 €/31,103 g = 0,023 €/g

Stand: 24.10.2010

---- 40 €/g ----

---- 20 €/g ----

--- 6 €/g ---


Aufbau und Eigenschaften Metallischer Werkstoffe

• Definitionen

• Metallbindung

• Kristallstruktur (ideales Gitter)

• Gitterbaufehler (reales Gitter)

• Thermodynamik von Legierungen

• Verformungsmechanismen

• Mechanismen der Festigkeitssteigerung und Entfestigung


Definition MetallEin Metall hat überwiegend metallische Eigenschaften:

– elektrische Leitfähigkeit– thermische Leitfähigkeit– Verformbarkeit/Duktilität (Zähigkeit, unempfindlich gegen Schläge)– mittlere Festigkeit, mittlere Steifigkeit– glänzende Oberfläche (undurchsichtig)– manchmal: Ferromagnetismus

Ein reines Metall ist ein Element des Periodensystems.

Eine Legierung ist eine Mischung verschiedener Elemente (mindestens ein Metall). Die Legierung hat metallische Eigenschaften.


Korn:ein durch Korngrenzen begrenzter einzelner Kristall

Aggregat:polykristallines ein-oder mehrphasiges Teil

Definitionen metallkundlicherBegriffe

Phase:homogener Stoff eines Zustandes

Kristall:Anordnung der Atome auf Gitterplätzen, endlicheAbmessung

kubisch-raum-zentrierte (krz) Struktur

Korngrenzen in MolybdänPhasendiagramm H2O

Armco-Eisen mit 0,02 % C


Seigerung:Bereiche mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung

Gefüge:Anordnung von Phasen und Körnern in einem Aggregat, Verteilung der Defekte

Orientierung:Anordnung der das Kristallgitter aufspannenden Vektoren relativ zu einem äußerenVektorensystem

Definitionen metallkundlicherBegriffe

Primäre Cu2O-Kristalle im Cu+ Cu2O-Eutektikum


(Struktur-) Metalle mit technischer Bedeutung

MetalleMetalloideNichtmetalle

Periodensystem der ElementeLeichtmetalle

hochschmelzenden Elemente (Refraktärmetalle)

Preis

PGM, Edelmetalle

Hochtemperaturlegierungenauf Nickelbasis


Andere Variante des Periodensystems der Elemente

116 - 24 92 Metalle

95 - 24 71 Metalle

ca. 70 der natürlich vorkommenden

Elemente sind Metalle


Nichtmetalle - Halbmetalle - Metallenach Ionisierungsenergie

75

Metalle 8 10 23weitere Elemente


Lieferformen von MetallenB

lech

ePr

ofile

Unterschiedlichen Werkstoffe: (Baustahl, verzinkter Stahl, Cu, Messing, Al)

Bleche mit strukturierter Ober-fläche

Coils

Blö

cke

Strangpressprofile Vergüteter Kunststoffformenstahl


Lieferformen von MetallenH

albz

euge

Formkörper

Gesenkschmiedeteile

Ölpumpe aus Sinterstahl

Walzwerkerzeugnisse

Pulver


Metallische Eigenschaften• optisch: metallischer Glanz

• mechanisch: plastische Verformbarkeit

• elektrisch: gute elektrische Leitfähigkeit (Leitfähigkeit steigt mit sinkender Temperatur)

• thermisch: gute Wärmeleitfähigkeit


Eigenschaften von Metallen

BernsteinQuarzglasParaffin

HartgummiPolyvinylchlorid (Vinidur)

Polymetacrylatharz (Plexiglas)Glas

Phenolharz (Pertinax)Keramische Werkstoffe

SchieferSiliziumNiCr20

BleiEisen

AluminiumKupfer

Silber (höchste elektr. Leitfähigkeit aller Metalle)Blei (T < 7,22 K; supraleitend)

Stoff Spezifischer Widerstand bei RT (·m)1·10 18

5·10 16

3·10 16

1·10 16

1013 - 1014

1013

5·1011

108 - 1011

107 - 1012

1·106

2,3·10-2

1,5·10-6

22·10-8

10·10-8

2,7·10-8

1,8·10-8

1,6·10-8

< 10 -26

Isolatoren

Legierungen

Leiter (Metalle)

Supraleiter

Halbleiter


BindungsartenKovalente Bindung(500-1300 kJ/mol)

Ionenbindung(600 -1500 kJ/mol)

MetallischeBindung

(100-800 kJ/mol)

Übergangsmetalle

Legierungen

Alkali-Halogenide

Silikate

Polymer-werkstoffe

ElektronengasAnziehungskräfte zwischen positiv und negativ geladenen Ionen

gemeinsame Valenzelektronen

positiv geladenes Ion

Metallion

Anziehungskräfte zwischen polarisierten Atomen

Van der Waals-

Bindung(< 50 kJ/mol)

Münzmetalle

+

+

+

+-

-- -

-


Paarpotenial

r0

anziehende Kräfte~ r -m-1

abstoßende Kräfte~ r -n-1

m < n

Kugel-Feder-Modell

F

r0T=0

U

Potentialkurve

U = - r -m + r -n

m: Exponent des anziehenden Potentials (1...6)

n: Exponent des abstoßenden Potentials (9...12)

r r

F = -dUdr

~ r -m

~ r -n d2Udr2

r0

E =

Ruhelage r0 bei T = 0 K

T > 0r0(T) > r0


Metallische Bindunga) Energieniveauschema eines freien

Na-Atoms

b) zwei nahe beieinander angeordnete Na-Atome (Aufspaltung der Energieniveaus)

c) Energiebänder im Na-Kristall (3s-Band ist halb gefüllt)

d) Modellvorstellung: positiv geladene Atomrümpfe, Elektronengas

a) b)

c) d)


Aufbau der WerkstoffeAnordnung der Atome in einem Festkörper

GLASIG AMORPHlang- und kurzreichweitige

Ordnungkeine lang-, aber kurz-reichweitige Ordnung

keine lang-, keine kurz-reichweitige Ordnung

Metalle

KRISTALLIN

Kieselglas

kubisch-raum-zentriert (krz)

Amorphe Legierung

Im Rahmen dieser Vorlesungsreihe werden ausschließlich Metalle mit kristallinem Aufbau behandelt.

kubisch-flächen-zentriert (kfz)

hexagonal-dichteste-

Packung (hdp)


0,0,0

0,0,1

½,1,0

x

z

x

z[0,0,1]

[1,1,0]

[1,1,1]

Kristallographische Punkteund Richtungen

y y


Kristallographische EbenenMillerschen Indizes

a

b

c

x

y

z • Bestimmung der Achsenabschnittem = 2, n = 4, p = 1

Kehrwerte:

• Hauptnenner:

• Millersche Indizes für Ebenen in runden Klammern (hkl): (214)

1 1 1— : — : — h : k : lm n p

1,41,

21

44,

41,

42


Ideales GitterMillersche Indizes wichtiger Netzebenen

xy

z

(100)x

y

z

(110)x

y

z

(111)x

y

z

(112)

Achsenabschnitte

m 1 1 1 1

n 1 1 1

p 1 ½


Ideales GitterNetzebenen und Kristallrichtungen

Sollen alle Netzebenen des gleichen Typs angesprochen werden, so verwendet man geschweifte Klammern.

Beispiel: Würfelflächen (100), (010), (001), ( 00), (0 0), (00 )

Kurzschreibweise: {100}

Kristallrichtungen werden (im kubischen System) durch die Millerschen Indizes der Ebene angegeben, auf der die Richtung senkrecht steht (in eckigen Klammern).

Beispiel: Raumdiagonalen [111], [111], ...

Sind alle Kristallrichtungen des gleichen Typs gemeint, so verwendet man spitze Klammern.

Beispiel: alle Raumdiagonalen des Würfels: 111

_

1 1 1


Kristallsysteme metallischer Werkstoffe

kubisch raumzentriert (krz):z. B.: -Fe, -Fe, Cr, V, Mo

W, Nb, Ta, -Ti

kubisch flächenzentriert (kfz):z. B.: -Fe, Ni, Cu, Ag, Au

Al, Pt, -Co

hexagonal dicht gepackt (hdp):z. B.: -Ti, Mg, Zn, Be, -Co, Cd

Koordinationszahl (Anzahl nächster Nachbaratome):

8

12

12


akrz

Atome je Einheitszelle8*1/8 + 1 =2 8*1/8 + 6*1/2 = 4

Raumerfüllung68% 74%

krz: kfz:

kubisch raumzentriert - kubisch flächenzentriert

akfz


Räumlich dichteste Kugelpackungen{111} Ebenen im kfz-Gitter

Die kubisch-flächenzentrierte Elementarzelle enthält Gitterebenen mit 3-zähliger Symmetrie.

Die Raumerfüllung von ca. 74% entspricht der räumlich dichtesten Kugelpackung.

Stapelfolge:ABC


hexagonal dichtest gepackt kubisch flächenzentriert

Räumlich dichteste Kugelpackungen

AB

A

Die beiden Kristallstrukturen unterscheiden sich nur in der Stapelfolge der dichtest gepackten Ebenen (hdp: ABABAB, kfz: ABCABC).

A

CB


GitterdefekteP'

P'

Z

Z

K

K

B

B

A

A

L

L

G

G

S

P

Punktförmige Gitterstörungen (0-dim.):Leerstelle (L), Zwischengitteratom (B), Substitutionsatom (S)

Linienförmige Gitterstörungen (1-dim.):Stufen-, Schraubenversetzungen ( )

Flächenförmige Gitterstörungen (2-dim.):Kleinwinkelkorngrenze (K-K), Großwinkelkorngrenze (G-G),Zwillingsgrenze (Z-Z), Phasengrenze (P), Antiphasengrenze (A-A), Stapelfehler

Räumliche Gitterstörungen (3-dim.):Teilchen (Ausscheidung, Dispersion), Leerstellenagglomerat, Pore, Mikroriß

Schematische Darstellung im 2-dimensionalen Gitter


0-dimensionale Gitterdefekte

Leerstelle Zwischengitteratom Frenkel-Paar

Substitutionsatom Einlagerungsatom

Insbesondere die Leerstelle sind für Diffusionsprozesse verantwortlich

TkQ

L

L

ec


MischkristalleDie meisten Metalle können in ihrem Gitterverband (Matrix) bestimmte Mengen anderer Atome aufnehmen. Die Fremdatome werden im (Wirts-) Gitter "gelöst", wodurch dieses verspannt wird. Derartige aus mindestens zwei Atomsorten bestehende Kristalle werden Mischkristalle oder „feste Lösungen“ (solid solutions) genannt.

Man unterscheidet zwischen:

Substitutionsmischkristall Einlagerungsmischkristall


Substitutionsmischkristalle

Statistische Verteilung

Nahordnung

Überstruktur (Fernordnung)

Einphasige Entmischung

Gitterdeformation


Platzwechselmechanismen Diffusion

Direkter Platzwechsel

energetisch ungünstig

Leerstellenmechanismus Zwischengittermechanismus

Selbstdiffusion nur bei höheren Temperaturen

wahrscheinlichgeringe Aktivierungsenergie


Massentransport im Festkörper (Diffusion)

c A

Diffusionsrichtung xx1 x2

x

c

c1A

c2A

S

1. Ficksches Gesetz:

cA

x J = - D

J: Diffusionsstrom (Atome/(m2*s))

D: Diffusionskoeffizient (m2/s)

D = D0 exp (-Q / RT)

D: Diffusionskonstante („Frequenzfaktor“)

Q: Aktivierungsenergie

2. Ficksches Gesetz:

c 2 c

t x2= D


Massentransport im Festkörper (Diffusion)

Diffusion von Kupferatomen in Nickel


Theoretische Schubfestigkeit:

max =

in Realität G/1.000

G

2 3

G

10

Die theoretische Schubfestigkeit (starres Abgleiten) übersteigt die experimentell ermittelten Werte um mehrere Größenordnungen.

Versetzungstheorie:

Die Verformung von metallischen Werkstoffen verläuft nicht durch starres Abgleiten, sondern durch das Verschieben von Gitterfehlern.

Einkristallverformung


1-dimensionale GitterdefekteStufenversetzung Schraubenversetzung

• Versetzungen sind linienförmige Baufehler des Gitters.

• Sie sind entweder in sich geschlossen oder enden an einer Grenzfläche des Kristalls.

• Sie sind beweglich und ermöglichen dadurch die plastische Verformung des Kristalls.

• Sie erzeugen im Kristall weitreichende Spannungsfelder, die sich gegenseitig beeinflussen können.

• Versetzungen sind durch zwei Vektoren definiert: Burgersvektor und Linienvektor

b

s

s

aus der Zeichenebene heraus

b

b

s


Bewegung von Versetzungen (Versetzungsgleiten)

Läuft die Versetzung durch den Kristall, erhalten wir einen dauerhaft plastisch verformten weit-gehend fehlerfreien Kristall


Verformungsmechanismenvon Metallen (Versetzungsbewegung)

1 2

4

3

5

1 2

4

3

5

1 2

4

3

5

1 2

4

3

5


Kakteenpark Lanzarote


EinkristallverformungSchmid'sches Schubspannungsgesetz

Gleitebene

Gleit-richtung

Gleitebenen-Normale

„Wurstscheibenmodell“

Für das Abgleiten ist nicht die Normalspannung (senkrecht zur Oberfläche), sonder die im Gleit-system wirksame Schubspannung entscheidend.

Schmidsches

Schubspannungsgesetz:

= cos cos max = /2 (für = = 45°)

Abgleiten + Gitterrotation


Schu

bspa

nnun

g

Abgleitung

I II III0

I

II

Verallgemeinerte Spannungs-Dehnungs-Kurve für Einkristalle

0: Beginn des plastischens Fließens

Bereich I: keine Wechselwirkung zwischen den einzelnen Gleit-versetzungen (Einfachgleitung)

Bereich II: Aufstauung von Versetzungen in der Gleitebene weitreichende Spannungsfelder (Gleitung auf mehreren Gleitsystemen)

Bereich III: Überlagerung mit Entfestigungsprozessen (dynamische Erholung)

Einkristallverformung bei größeren Abgleitungen


Gemischte Versetzung

Ein fließender Übergang zwischen Stufen- und Schraubenversetzung ist möglich


Versetzungsdichte

Versetzungslinien sind im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) sichtbar.

Die Versetzungsdichte ist vom Verformungszustanddes Metalls abhängig.

Versetzungsdichte := Versetzungslänge/Volumen

Beispiel:

weichgeglühtes Metall: ca. 1012 m-2

das entspricht einer Versetzungslänge von 1 km pro mm3!

kaltverformtes Metall: ca. 1016 m-2

d.h. 10.000 km pro mm3 !

Versetzungen bewirken eine Erhöhung der inneren Energie von ca. 10-8 - 10-9 J/m.

Versetzungen in kfz (austenitischem) Stahl. Versetzungsdichte ca.17 / (3,55·10-11 m2) ≈ 5·1011 m-2

1 μm



Korngrenze Kleinwinkelkorngrenze

Kugelmodell für die Anordnung der Atome an einer Korngrenze

Ansammlung von Stufenversetzungen mit gleichem „Vorzeichen“



Zwillingsgrenze

Stapelfehler

a) Zwillingsbildung innerhalb eines Kristalls

b) Zwillinge in geglühter Zinnbronze

Über Zwillingsbildung ist die Verformung des Kristalls möglich.

a) b)

Fehler in der Stapelfolge der dichtestgepackten Ebenen

Grenzflächenenergie von Kristallen (Beispiel Kupfer):Zwillingsgrenze: 30 mJ/m2

Stapelfehler: 160 mJ/m2

Kleinwinkelkorngrenze: max. 250 mJ/m2

Großwinkelkorngrenze: max. 500 mJ/m2

freie Oberfläche: 1.600 mJ/m2


Verformungsmechanismen von Metallen (Zwillingsbildung)

Gleitung:

Zwillingsbildung:

Verformungszwillinge in Eisen nach Belichtung mit ns-Laserpulsen(Bild: A. Luft, IWS Dresden)


Verformungsmechanismen von Metallen (Korngrenzgleiten)

Unter Korngrenzgleitung versteht man die Verschiebung der Körner untereinander. Das Abgleiten der Korngrenzen kann bei Temperaturen oberhalb 0,4 Tm, d.h. Thom = 40%, zur plastischen Verformung beitragen und ist ein wichtiger Verformungs-mechanismus bei der Hochtemperaturverformung (Kriechen).

Gitterdiffusion

Korngrenzen-diffusion



Ansammlung von Leerstellen

- Diffusion von Atomen bzw. Leerstellen

- Bestrahlung des Werkstoffs mit Neutronen

Ansammlung von Substitutionsatomen (Cluster)

(Vorstufe zur Bildung von Ausscheidungen)

Grenzflächen (Korngrenzen) in nanokristallinen Materialien

(Volumenanteil an gestörten Gitterbereichen bis zu 50%)

Mikroporen

Mikrorisse

Mikrolunker


Wechselwirkung von 0-D und 1-D Fehlern:Versetzungsklettern

113

Die Versetzung kann sich durch "Klettern" auch senkrecht zur Gleitebene bewegen. Umgehen von Hindernissen wird so ermöglicht.Dieser, im Vergleich zum gleiten, sehr langsame Prozess spielt bei hohen Temperaturen (T > 0,4Tm ) eine wichtige Rolle.

Leerstelle diffundiert zum Versetzungskern. Dies muss über die gesamte Länge der Versetzung, bzw. des Hindernisses erfolgen.


Zusammenfassung Verformungsmechanismen durch 0-dimensionale und 1-dim. Fehler:

114

0-dim.: Eine nennenswerte Volumendiffusion erfolgt nur bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt, für eine messbare plastische Verformung ohne Bedeutung. Diffusion ist sehr wichtig bei: Wärmebehandlungen (z.B. Konzentrationsausgleich beim Homogenisierungsglühen), Einsatzhärten, ... .

1-dim.: Versetzungsgleiten verantwortlich für die plastische Verformung über den gesamten Temperatur- und Spannungsbereich.

Versetzungsklettern erfolgt im Temperaturbereich T > 0,4Tm. Die Versetzungen haben in Kombination mit Leerstellen eine weitere Möglichkeit der Bewegung ( plastischen Verformung) schon bei sehr geringen Spannungen. Klettern ist die Bewegung der Versetzungslinie senkrecht zur Gleitebene.


Zustandsschaubilder

alle Diffusionsvorgänge abgeschlossen (Gleichgewichtsthermodynamik)


EinstoffsystemeZustandsschaubild von Magnesium

200 600 1000 1400

10 1

10 0

10 -1

10 -2

10 -3

10 -4

10 -5

10 -6

10 -7

10 -8

Dru

ck p

[MPa

]

Temperatur [°C]

Dampf

Festkörper

Schmelze

Tripelpunkt

650°C bei 330 Pa (3,3 mbar)

Schmelzpunkt

650°C bei 1 bar

Siedepunkt

1100°C bei 1 bar

Normaldruck

Gibbsche Phasenregel:

F = K + 2 - P

F: Anzahl der Freiheitsgrade des Systems

K: Anzahl der Komponenten

P: Anzahl der Phasen

Metalle:F = K + 1 - P

da p ohne Bedeutung


ZweistoffsystemeErmittlung von Zustandsdiagrammen

Bestimmung der Umwandlungstemperaturen als Knickpunkte in den Abkühlkurven bei der jeweiligen Legierungszusammensetzung am Beispiel eines Zweistoffsystems mit lückenloser Mischbarkeit (z. B. Ni-Cu).

Tem

pera

tur

Zeit

L1 L2 L3A B

100%

Tem

pera

tur

100% A(z.B. Ni)

Anteil B0%

L1 L2 L3

Schmelze

Mischkristall

AB-Mk + Schmelze

100% B(z.B. Cu)


ZweistoffsystemeErstarrungsverhalten von Legierungen

100

Tem

pera

tur

A BAnteil an B0

Schmelze

AB-Mischkristall

AB-Mk + Schmelze

cnom.c clc cl2

Tl

Ts

Erstarrung einer Legierung mit der Zusammensetzung cnom.:

Liquidustemperatur Tl: Kristallisationskeime der Zusammensetzung c1

Ts < T < Tl: Während der Erstarrung ändert sich die Zusammensetzung der AB-Mischkristalle (c) und der Restschmelze (cl). Für die jeweiligen Mengenanteile von Mischkristall mk und Restschmelze ms gilt das Hebelgesetz:

mk (cnom. - c) = ms (cl - cnom.)

Solidustemperatur Ts: Restschmelze hat die Zusammensetzung cl2

m1 m2

aHebelgesetz:

m1 a = m2 b

b


Eutektische Zweistoffsystemebegrenzte Löslichkeit im festen Zustand

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100% Cu

Tem

pera

tur [

°C]

Ag Cu

-Mk +Schmelze

-Mischkristalle+ Schmelze

SchmelzeA

B

DCE

1083

961

779

AEB LiquiduslinieACEDB SoliduslinieCED EutektikaleCF Löslichkeitslinie des

-Mk für CuDG Löslichkeitslinie der

-Mk für Ag

F G

-M

k

-M

k

28,58,8 92

T < Te

Schmelzezweiphasiges Gefüge aus -und -Mischkristallen

Überprüfe Gibb'schePhasenregel für Metalle


Beispiel eines eutektischenSystems (Blei - Zinn)

fcc

Diamant-struktur

gängige Lotlegierung (Zinn-Blei-Lot):Sn Pb 37 (Sickerlot)


Phasenumwandlung Keimbildung und Wachstum

F(r)

rF*total

r*

Ftotal

4 r2 ESL

(4/3) r3 fv

Es existiert ein kritischer Keimradius, den ein Keim mindestens erreichen muß, damit er im statistischen Mittel weiter wachsen kann.

Die Phasenumwandlung erfolgt kinetisch über die Schritte Keimbildung und Wachstum.

Keimbildung


Mechanismen der Festigkeitssteigerung

Dehnung = l

l0

l- l0

l0

=

Rp0,2

Rm

A

Ag

F

A0

=Beispiel: einachsiger Zugversuch

Erhöhung der Zugfestigkeit Rmbzw. der Dehngrenze Rp0,2

Die Festigkeitssteigerung ist in der Regel mit einer Verringerung des plastischen Verformungs-vermögens verbunden.

Härtungsmechanismen:

• Kaltverfestigung

• Mischkristallhärtung

• Ausscheidungshärtung

• Dispersionshärtung

• Feinkornhärtung

• Umwandlungshärtung

Die Festigkeitssteigerung von Metallen beruht in der Regel darauf, die Beweglichkeit der Versetzungen einzuschränken.

Span

nung

σ


Verfahren zur Stoffeigenschaftsänderung

Spannungsarmglühen Rekristallisationsglühen Homogenisieren und Diffusionsglühen

+ Kaltverfestigung+ Mischkristallhärtung+ Umwandlungshärtung+ Ausscheidungshärten+ Dispersionshärtung+ Feinkornhärtung


Spannungsarmglühen (Erholung)

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

0 200 400 600

Anlaßtem peratur [°C]

Eige

nspa

nnun

g [M

Pa]

parallelsenkrecht

Spannungsarmglühen ist eine Glühbehandlung, die unterhalb der Rekristallisationstemperatur (0,4 Tm) erfolgt.

Bei Temperaturerhöhung wird die Festigkeit des Werkstoffs abgesenkt.

Der Spannungsabbau erfolgt durch Versetzungsbewegung und kann zu einer makroskopischen Verformung (Verzug) führen.

Die Abkühlung muss sehr langsam erfolgen, damit keine neuen Spannungen aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen Kern und Randschicht entstehen können.

Abbau von Schleifeigenspannungen durch Spannungsarmglühen (Baustahl St37)


Mechanismus derKristallerholung (Spannungsarmglühung)

Verformtes Kristallgitter Bildung von Subkorngrenzen


Rekristallisationsglühen

Die Rekristallisation läuft über die Teil-schritte Keimbildung und Keimwachstum ab. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird nach Arrhenius beschrieben über die Gleichung:

v = A e-Q/(kT)

Rekristallisations-isothermen von reinem Kupfer nach 98% Kaltverformung. Der Verlauf lässt sich über die Avrami-Beziehung annähern:

Diagramm zur Extrapolation

)tK(c

n

e1 c


Mechanismen der EntfestigungRekristallisation

Rekristallisationsschaubild von Messing Festigkeitsverlauf

Temperatur

Zugf

estig

keit Erholung

Rekristal-lisation

Kornver-gröberung

Erholung: Entspannung des Materials ohne Kornneubildung

Kornvergrößerung: Wachstum energetisch günstigerer Körner


Keimbildung und Kornwachstum

Vorgänge bei der Rekristallisation

a) b)

c) d)

a) Rekristallisationskeime im kaltumgeformten Gefüge

b) Wachsen vorhandener Keime ( rekristalliserte Körner)

c) Zusammenwachsen rekristallisierter Körner

d) Neues Gefüge aus unverformten Körnern (Rekristallisation abgeschlssen)


Rekristallisation von Kupfer

Kaltumformung (%)

mitt

l. K

ornd

urch

mes

ser

Keine Rekristallisation bei sehr geringen Umformgraden

Rekristallisation mit sehr grobem Korn bei kleinen Umformgraden (wenige, schnell wachsende Keime)

Abnehmende Korngröße mit zunehmendem Umformgrad (viele Keime, die sich in ihrem Wachstum gegenseitig behindern)

Glühung: 30 min 830 °C


Erholung - Rekristallistion -Kornwachstum

Einfluss der Wärmebehandlung auf eine 75% kaltverformte Messing-Legierung CuZn35


Homogenisieren und Diffusionsglühen

Ausgleichen von Konzentrationsunterschieden aufgrund von Kornseigerungen. Temperatur und Glühzeit hängen von den Diffusionskoeffizienten der betreffenden Legierung ab.

Die Glühtemperatur liegt häufig nur knapp unterhalb der Solidustemperatur.

Beachte:• Gefahr des Aufschmelzens bei eutektischen Systemen• Grobkornbildung

Das Homogenisierungsglühen ist ein wichtiger Verfahrensschritt bei der Ausscheidungshärtung.


Festigkeitssteigernde Mechanismen

132


Kaltverfestigung

Änderung der mechanischen Kennwerte von Kupfer und Messing (CuZn30) als Funktion des Umformgrades

Durch Kaltumformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur (0,4 Tm) (z. B. Walzen, Rundhämmern, Ziehen etc.) lässt sich die Festigkeit steigern. Gleichzeitig verliert der Werkstoff einen Teil seines Verformungs-vermögens (Duktilität).

• Zunahme der Versetzungsdichte• Zunahme des elektrischen

Widerstandes• z. T. Verschlechterung der

Korrosionseigenschaften• Verformungstextur


Kaltverfestigung

Versetzungslinien in austenitischem CrNi-Stahl nach Kaltverformung (TEM)

3% 6%

10% 18%

Ursachen der Verfestigung:

Gleitfähige Versetzungen wandern bis an Versetzungsknoten oder andere Hindernisse innerhalb der Kristalle, werden dort festgehalten und fallen für die weitere Formänderung aus. Durch Aufstauen von Versetzungen in parallelen Gleitebenen bildet sich der Versetzungswald.

Neubildung von Versetzungen führt zu weiterer Erhöhung der Versetzungsdichte.

Zur Erinnerung:weichgeglühtes Metall: ca. 1012 m-2 (1 km pro mm3)

kaltverformtes Metall: ca. 1016 m-2 (10.000 km/mm3)


Bildung neuer Versetzungen(z.B. über Frank-Read-Quelle)

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

Die Versetzungslinie AB liegt innerhalb einer Gleitebene und ist an den Punkten A und B verankert (z. B. Versetzungsknoten, Ausscheidungen etc.). Bildung eines neuen Versetzungsringes unter Schubspannung.

Rechts: Frank-Read-Quelle in Silizium


MischkristallhärtungElastische Wechselwirkung zwischen dem Spannungsfeldern gelöster Fremdatome und den Spannungfeldern gleitender Versetzungen.

Interstitiell gelöste Fremdatome zeigen eine größere Hinderniswirkung als Substitutions-Fremdatome (Beispiel: Martensithärte). Die Festigkeitssteigerung ist vom Atomradius der Fremdatome und von ihrer Konzentration abhängig.

Schu

bspa

nnun

g M

[MPa

]

Atomprozent

20

15

10

5

00,5 1,51,0

Cu-Sb

Cu-SnCu-In

Cu-Au Cu-Mn

Cu-Si Schu

bspa

nnun

g M

[MPa

]

Atomprozent Ni

40

30

20

10

020 1008040 60

Cu-Ni

Cu


Umwandlungshärtung

137


Umwandlungshärtung(enorme Bedeutung bei Stahl)

Stabiles System Fe-C

metastabiles System Fe-Fe3C

Ausschnitt für die Wärmebehandlung kohlenstoffhaltiger Stähle

Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm

kfz

krz

eutektoide Zusammensetzung


Untereutektoider StahlCC < 0,8 wt.%

20 μm

ferritisch -perlitisch


Eutektoider StahlCC = 0,8 wt.%

reiner Perlit

20 μm


Übereutektoider StahlCC > 0,8 wt.%

Perlit und Korngrenzenzemetit

50 μm


Umwandlungshärtung

Martensitische Umwandlung im Stahl:

Diffusionsloser Umklappvorgang vom kfz -Fe (Austenit) in ein tetragonal verzerrtes krz-Gitter (-Fe)

Es besteht ein kristallographischer Zusammenhang zwischen dem Austenit- und Martensitgitter:

Fe - 1,4 % C: (111) (110)´ ; [110 ] [111]´

(Kurdjumov-Sachs)

Fe - 30 % Ni: (111) (110)´ ; [211 ] [110]´

(Nishiyama-Wassermann)

Orientierung der Habitusebene der Martensitplatten im Austenitgitter:

{225} bzw. {259}

m

Haasen, Phys. Metallkunde


[011]A [111]M

(011)A (121)M

x´z´z

x

y, y´

Bain-ModellFe-Atom

C-Atom in OktaederlückeUmwandlung des kfz-Gitters durch Stauchung in z-Richtung in ein tetragonales raum-zentriertes Gitter.

( Martensithärte)

Diffusionsloser Umklappvorgang in Verbindung mit Scherprozessen

Kohlenstoffatome befinden sich in Oktaederlücken.


Vergüteter Stahl

gehärtet (martensitisch)

vergütet (gehärtet und angelassen)

normalgeglüht (weich)

Schematische Darstellung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms eines Vergütungsstahls in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung.

E-Modul und Zusammensetzungändern sich nicht. Jedoch sindZugfestigkeit und Bruchdehnung über einenweiten Bereich beeinflussbar.

Schauvorlesung

132


Temperaturbereiche für Glühbehandlungen der C-Stähle

Spannungsarm-glühen

1200

1000

800

600

400

200

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,41,0

Tem

pera

tur [

°C]

Kohlenstoffgehalt [Gew.-%]

Ac

m

A1

A3

AnlassenFerrit + Fe3C

+ Fe3C

Austenit ()

Ferrit()

+

G

S

Ausschnitt aus dem Phasendiagramm Fe-Fe3C zur Wärmebehandlung unlegierter Kohlenstoffstähle.

Normalglühen

Weichglühen

Hochglühenmit langsamer Abkühlung bessere Spanbarkeit

Auflösung des Karbidnetzes

Diffusionsglühen


Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit

Verschiebung der A1 und A3 Umwandlungstemperatur bei einem untereutektoiden Stahl.

Beginn der Zwischenstufe Az und der Martensitbildung Ms sind eingezeichnet.UK ... untere kritische

Abkühlgeschwindigkeit,OK ... obere kritische

Abkühlgeschwindigkeit.

Martensitbildung als wichtigste Form der Umwandlungshärtung


Wärmebehandlung der Stähle

Isothermes Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild für einen Kohlenstoffstahl mit eutektoider Zusammensetzung

Perlit: Ferrit und Zementit (Fe3C) in lamellarer Anordnung

Sorbit: Feinlamellarer Perlit

Troostit: Feinstlamellarer Perlit, (lichtmikroskopisch nicht mehr auflösbar)

Bainit: Ferrit mit submikroskopisch kleinen Ausscheidungen von Fe3C

Zwischenst.: Bainit, Sorbit, Troostit


Aufkohlen, Einsatzhärten

Aufkohlen eines Einsatzstahls:

Einsatzstahl(z.B. 16MnCr5)

Kohlenstoffhaltige Atmosphäre

Kohlenstoffgehalt im Medium an der Oberfläche 1,3%

Kohlenstoffgehalt im Stahl an der Oberfläche ≈ 0,8%

Kohlenstoffgehalt 0,16% (Ausgangszustand)

T = 930 °C

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

00 1 2 3

Abstand zur Oberfläche [mm]

C-G

ehal

t [%

]

t = 10 h

t = 0,001 h

T = 930 °C

c(x,t) = c1 - (c1 - c0)

tD2x


Glühfarben von Eisenwerkstoffen

Glü

htem

pera

tur [

°C]


Ausscheidungshärtung

150


AusscheidungshärtungBehinderung der Versetzungsbewegung durch ausgeschiedene Teilchen

Voraussetzung ist eine mit steigender Temperatur zunehmende Löslichkeit der Komponente B im -Mischkristall.

Um die Gefahr des Aufschmelzens zu vermeiden, muß die Homogenisierungstemperatur (T1) unterhalb der eutektischen Temperatur liegen!

+S

Tem

pera

tur T

T1

T2

T1

T2

Tem

pera

tur T

Konzentration cB Zeit t

Lösungsglühen (T1)

Abschrecken übersättigter Mischkristall

Auslagern (T2)

Zweiphasengebiet +

Ni3Al Ausscheidungen (hell) in einer Ni-Matrix (dunkel):

A B


Ausscheidungshärten Aluminium mit Cu

Bedingung für eine Ausscheidungshärtung aus fester Lösung ist eine abnehmende Löslichkeit mit abnehmender Temperatur.

AlCu4Mg1, Dural (Düren 1909, durus = hart)

Al2Cu


ZoneCluster

kohärente Ausscheidung inkohärente Ausscheidung

Auslagern übersättigter Mischkristalle

Kohärente und inkohärente Ausscheidungen treten sehr selten auf. Am häufigsten: teil- oder semikohärent.


Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Teilchen:

1. kohärente (schneidbare) Teilchen

Die Gleitsysteme der Matrix gehen in die Gleitsysteme des Teilchens über. Versetzungen schneiden die Teilchen unter Bildung einer Antiphasengrenze oder von Versetzungspaaren.

Ni3Al-Teilchen einer Ni-Cr-Al-Legierung werden von Versetzungen geschnitten

Versetzung

Ld

0,1 μm

Nembach (1997)


Inkohärente Ausscheidungen:

Versetzungen umgehen die Teilchen und hinterlassen dabei einen Versetzungsring (Orowan-Mechanismus, σ = Gb/L).

Die zurückbleibenden Versetzungsringe erschweren die Widerholung dieses Vorgangs( Verfestigung).

Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Teilchen

2. inkohärente (nicht schneidbare) Teilchen

-+

-+

-+

L

ext.


Umgehung von kohärenten Ausscheidungen bei hohem Volumenanteil

Bewegung von Versetzungen zu Beginn der plastischen Verformung nur in der leichter verformbaren Matrix.

L


AusscheidungshärtenAnlasstemperatur und -zeit

Vorgeschichte: Lösungsglühen mit anschließender rascher Abschreckung

Effekt der Ausscheidungshärtung mit zunehmender Anlasstemperaturen, bzw. -zeiten

log( )

Geschwindigkeit durch Temperatur bestimmt (Diffusion).

Bei höheren Temperaturen und zu langen Zeiten werden die Ausscheidungen teilkohärent, koagulieren, Abstände zu groß (Orowanspannung , σ = Gb/L).

Überalterung


Heat treatment

As-cast (segregations, eutectics)

Homogenization and solution heat treatment (very small window), quenching

Ageing for precipitation of the ‘-phase

L


Microstructure Pt80Al11Cr3Ni6

Homogenized and water quenched

+ agedAs-cast


Furnace cooled with 0,1 K/s

3 vol.% ‘

30 vol.% ‘

34 vol.% ‘

Homogenized and air cooled with 5 K/s

Microstructure Pt78.5Al12.5Cr3Ni6

Water quenched with > 300 K/s single phase

No cold or hot formability


DispersionshärtungDie Festigkeitssteigerung erfolgt analog zurAusscheidungshärtung.

Dispersionshärtung:

feinverteilt eingelagerte Teilchen (meist Oxide, z.B. Al2O3 oder Y2O3):

• pulvermetallurgische Herstellung

• innere Oxidation

• „mechanisches Legieren“

• Vorteil im Vgl. zur Ausscheidungshärtung Dispersoide haben höhere Temperatur-beständigkeit Thom = T/Tm

Fest

igke

it

Ausscheidungsverfestigung

Dispersionsverfestigung

1,0


Feinkornhärtung

• Aufstauen von Versetzungen an den Korngrenzen

• Bei Überschreiten einer kritischen Schubspannung: Weitergleiten auf einem neuen Gleitsystem im benachbarten Kristall.

• Bei gleicher Häufigkeit der Orientierungen zur äußeren Spannung gilt:

0 = M 00: Streckgrenze des Vielkristalls

M: Taylor-Faktor; M = 3,06

0: kritische Schubspannung

Verformung im Vielkristall Den Einfluß der Korngröße auf die Streckgrenze beschreibt die Hall-Petch-Beziehung:

= 0 +

K: Konstante (Korngrenzenfestigkeit)

d: mittlerer Korndurchmesser

dK

Date post:	18-Jan-2017
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