Werkstofftechnik II Übung PDF

Werkstofftechnik II Übung M. Sc. Christina Lopez M.Sc. Jonas Ehrich Dr.-Ing. Stefanie Hanke –Vorlesung [email protected]...

Werkstofftechnik II Übung M. Sc. Christina Lopez M.Sc. Jonas Ehrich Dr.-Ing. Stefanie Hanke –Vorlesung [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 1  Übung– Gliederung - Magnesium - Titan Leichtmetalle (Dichte ρ < 5 g/cm³) - Aluminium - Kupfer - Nickel Schwermetalle (Dichte ρ > 5 g/cm³) - Kobalt - Keramiken [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 2  Übung: Kupfer [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 3  1.Welche Gitterstruktur hat reines Kupfer? Quelle: K.Lange [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 4  1.Welche Gitterstruktur hat reines Kupfer? Kubisch flächenzentriert: →Gut kalt verformbar Quelle: K.Lange [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 5  Zur Erinnerung/ Wiederholung aus WT1: Kfz: immer definierte Gleitebene {111} und Gleitrichtung →4x{111} Eb →4x{111} Ebene, in jeder 3x=12 GS Krz: keine definierte Gleitebene sondern nur definierte Gleitrichtung Gleitung auf {110 }-, {112}- und {123}-Ebenen → 12, 12 und 24 GS hdp: hohe Einheitszelle: nur Basisgleitung definierte Gleitebene {0001} und Gleitrichtung (Bei Titan auch Prismen & Pyramidengleitung) → Basisebene: 3 GS [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 6  2.Welche herausragenden physikalischen Eigenschaften hat Kupfer? Physikalische Eigenschaften: Schmelztemperatur: 1083 °C Ausdehnungskoeffizient: 17 10-6/K E- Modul: 12,5 GPa Elektr. Leitfähigkeit: 35…58 m/(Ohm*mm²) Wärmeleitfähigkeit: 240…386 W/(K*m) Zugfestigkeit: 200…360 N/mm² Bruchdehnung: 2…45 % Elektrische Leitfähigkeit abhängig vom Reinheitsgrad: lösliche Elemente besonders schädlich → z.B. P, Fe, Co Unlösliche Elemente haben kaum Einfluss → z.B. O, Pb, Te [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 7  3. Welchen Einfluss hat die Kaltverformung von Kupfer auf die Bruchdehnung? Die Bruchdehnung nimmt ab! [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 8  4. Welchen Einfluss hat die Kaltverformung von Kupfer auf die Zugfestigkeit? Die Zugfestigkeit nimmt zu! [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 9  5. Welchen Einfluss hat die Kaltverformung von Kupfer auf die Härte? Die Härte nimmt bis zu einem gesättigten Zustand zu! [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 10 6. Warum sollte man zum Schmelzschweißen nur O-freies Cu verwenden? Problem: Wasserstoffkrankheit durch H-Aufnahme aus Schweißgasen. H2 + Cu2O → 2Cu + H2O Wasserdampf auf Primärkorngrenzen führt zu Werkstofftrennungen (Versprödung)! [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 11  7. Durch welche Elemente werden Kupfer-Legierungen mischkristallverfestigt? Wie heißen die Legierungen in Abhängigkeit von den Legierungselementen (Bitte je Leg.- Element oder Gruppe von Elementen einen Namen angeben)? Kupferlegierung Mischkristallverfestigung durch Messing (CuZn) : Zn Neusilber (CuNiZn) : Zn, Ni Bronzen (CuSn) : Sn CuAl-Legierung : Al CuNi-Legierung : Ni [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 12  8. Erläutern Sie den Unterschied zwischen Messing und Rotguss? Messing Rotguss Legierungselement: Zn Legierungselemente: Sn,Zn,Pb 37 % Zn → β -MK (krz) Erhöhung der Festigkeit, Verringerung der Zähigkeit Günstig bei spanender Formgebung Quelle: Obi Tombak: Kupfer-Zink- Legierungen mit Cu>80% [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 13  9. Was ist der Unterschied zwischen Silber und Neusilber? Neusilber Silber Legierungselemente: Ni, Zn 10-25% Ni (weiß-silbrig) Optisch ähnlich wie Neusilber bessere Anlaufbeständigkeit als Messing anfällig für Spannungsrisskorrosion (SRK) in Anwesenheit von Ammoniak (NH3) und Feuchte (H2O) [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 14  9. Was ist der Unterschied zwischen Silber und Neusilber? Neusilber Silber Legierungselemente: Ni, Zn 10-25% Ni (weiß-silbrig) Optisch ähnlich wie Neusilber bessere Anlaufbeständigkeit als Messing anfällig für Spannungsrisskorrosion (SRK) in Anwesenheit von Ammoniak (NH3) und Feuchte (H2O) 10. Erläutern Sie den Unterschied zwischen Messing und Bronze? Messing Bronze Legierungselement: Zink (Zn) Legierungselement: Zinn (Sn) Mischkristallhärtung durch Zn Seigerungen! Je nach Zn-Gehalt: Je nach Sn-Gehalt: Günstig bei spanender und spanloser Gut walz-, gieß- oder lötbar Formgebung [email protected] z.B.: bis 6 % Zinn kalt walzbar Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 15  11. Welche Gitterstruktur hat α-bzw. β-Messing bei Raumtemperatur? α -Messing= 37 % Zn → Bei T=20°C als MK krz [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 16  12. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Messing. Anwendungen: Hülsen für Lippenstifte Feuerzeuge Ziehteile feinmechanische Uhrenteile Kugelschreiberspitzen Fittings (Passstücke) [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 17  13. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Bronze. Technische Bronzen: bis 6 % Sn Glühzeiten vertretbar (24h/650°C) bis 9 % Sn Knetlegierungen bis 9-14 % Sn Gußlegierungen Ca. 20 - 22% sogenannte Glockenbronze Anwendung: < 1 % Sn: hartgezogene Drähte für Freileitungen Quelle: wikipedia 5 - 8% Sn: kaltverfestigt für Relaisfedern 9 - 14 % Sn: weiche Drähte für Siebe 20 % Sn: Armaturen, Glocken Quelle: web.de [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 18  13. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Bronze. Technische Bronzen: bis 6 % Sn Glühzeiten vertretbar (24h/650°C) bis 9 % Sn Knetlegierungen bis 9-14 % Sn Gußlegierungen Ca. 20 - 22% sogenannte Glockenbronze Anwendung: < 1 % Sn: hartgezogene Drähte für Freileitungen Quelle: wikipedia 5 - 8% Sn: kaltverfestigt für Relaisfedern 9 - 14 % Sn: weiche Drähte für Siebe 20 % Sn: Armaturen, Glocken 14. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Cu-Ni-Legierungen. Anwendung: versilberte Tafelgeräte, Bestecke Ring: Cu-Ni Wärmetauscher Kern: Nickel-Messing Münzen Quelle: web.de [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 19  Übung– Gliederung - Magnesium - Titan Leichtmetalle (Dichte ρ < 5 g/cm³) - Aluminium - Kupfer - Nickel Schwermetalle (Dichte ρ > 5 g/cm³) - Kobalt - Keramiken [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 20  Übung: Nickel Quelle: wikipedia Quelle:Deutsche Nickel AG Quelle: Wärtsilä [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 21  1. Welche Gitterstruktur hat reines Nickel? Kubisch flächenzentriert (kfz): →Gut kalt verformbar Quelle: : Bargel/Schulze [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 22  2. Welche herausragenden physikalischen Eigenschaften haben Nickel bzw. Ni- Legierungen? Physikalische Eigenschaften: Dichte: 8,88 g/cm³ Schmelztemperatur: 1435 oC Ausdehnungskoeffizient: 13 10-6/K E- Modul: 210 GPa Zugfestigkeit: 370…700 N/mm² Bruchdehnung: 2…60 % [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 23  3. Welchen Einfluss hat der zunehmende Nickelgehalt einer Legierung auf die Dehngrenze? Die Dehngrenze nimmt zu ! [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 24  4. Durch welche Elemente gegen äußere und innere Oxidation wird Ni hochtemperaturkorrosionsbeständig? Äußere Oxidation: Innere Oxidation (durch Cr, Mo eindiffundiertes O2): Al, Si Außerdem wichtig: Legierungselemente für Korrosionsbeständigkeit in wässrigen Medien: Cr, Mo, Cu Mischkristallhärtung der in wässrigen Medien korrosionbeständigen Ni-Legierungen durch Mn, Si Mischkristallhärtung von zunder- /hochwarmfesten Ni-(Super)legierungen durch Cr, Co, Mo, W Ausscheidungshärtung von hochwarmfesten Ni-(Super)legierungen durch Al und Ti [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 25  5. Wo werden Ni-Basis Superlegierungen eingesetzt? Welche Verfestigungsmechanismen nutzt man bei diesen Legierungen? Anwendungen Ni- Superlegierungen: Quelle: Wärtsilä Turbinenschaufeln Auslassventil 4-Takt Großdieselmotor Ventilkörper Verfestigungsmechanismen: Ausscheidungshärtung & Mischkristallverfestigung [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 26  5. Wo werden Ni-Basis Superlegierungen eingesetzt? Welche Verfestigungsmechanismen nutzt man bei diesen Legierungen? Anwendungen Ni- Superlegierungen: Quelle: Wärtsilä Turbinenschaufeln Auslassventil 4-Takt Großdieselmotor Ventilkörper Verfestigungsmechanismen: Ausscheidungshärtung & Mischkristallverfestigung 6. In welchem Wärmebehandlungszustand werden diese korrosionsbeständigen Legierungen bei Raumtemperatur eingesetzt? Lösungsglühen und Abschrecken → Gussbedingte Ausscheidungen [email protected] auflösen, Universität welcheWerkstofftechnik Duisburg-Essen, die Korrosionsbeständigkeit verringern www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 27  7. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Ni-Cu-Legierungen. Anwendung: Wärmetauscher Kondensatoren in Kraftwerken, Schiffen Chemische Industrie Glühbirnen Brillengestelle Schmuck gesundheit/krankheiten/id_76467138/ http://www.t-online.de/ratgeber/ → In Deutschland häufigster Auslöser von Kontaktallergien [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 28  Übung– Gliederung - Magnesium - Titan Leichtmetalle (Dichte ρ < 5 g/cm³) - Aluminium - Kupfer - Nickel Schwermetalle (Dichte ρ > 5 g/cm³) - Kobalt - Keramiken [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 29  Übung: Kobalt Quelle: wikipedia Quelle:Deutsche Nickel AG Quelle: Wärtsilä [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 30  1. Welche Gitterstruktur hat Kobalt? α-Cobalt Hexagonal- dichteste Packung (hdp): Bei Raumtemperatur ist Kobalt hexagonal- dichtest gepackt (hdp) oder kfz-hdp gemischt Bei hohen Temperaturen (ca. 450 °C): β-Cobalt Kubisch flächenzentriert (kfz) Quelle: : Bargel/Schulze [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 31  2. Welche herausragenden Eigenschaften haben Co-Cr-Mo-Legierungen? Physikalische Eigenschaften: Dichte: 8,9 g/cm³ Schmelztemperatur: 1495 oC Ausdehnungskoeffizient: 12,5 10-6/K E- Modul: 210 GPa Zugfestigkeit: ca. 890 N/mm² Bruchdehnung: ca. 10 % Hohe Härte Hohe Elastizität Herausragende Korrosionsbeständigkeit Gute Löteigenschaften biokompatibel [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 32  3. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Co-Basis-Legierungen. Anwendung: Auftragschweißungen für Panzerungen künstliche Hüftimplantate Co als Binderphase für WC-Co Verbundwerkstoffe https://www.deloro.com/solutions/metallurgical-expertise/ [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 33  Übung– Gliederung - Magnesium - Titan Leichtmetalle (Dichte ρ < 5 g/cm³) - Aluminium - Kupfer - Nickel Schwermetalle (Dichte ρ > 5 g/cm³) - Kobalt - Keramiken [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 34  Übung: Keramiken Quelle: Zircoa Quelle: Büdiam Quelle: www.livingathom [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 35  1. Durch welche Eigenschaften zeichnen sich NE-Metalle gegenüber Keramiken aus? NE-Metalle: Keramiken: Metallische Bindung Kovalente/ Ionenbindung Kristallin Kristallin oder Amorph Plastisch verformbar Nicht plastisch verformbar → zäh/duktil → spröde → E-Modul bis zu 400 GPa Rel. tiefe Schmelzpunkte Schmelzpunkte bis zu 3800oC Niedrige Härte Hohe Härte → Messing bis zu ~300 HV → Diamant bis zu ~10.000 HV Gut elektrisch leitend Nicht-, schlecht, halb-Leitend Herstellungsverfahren Herstellungsverfahren → Guss, Schmiedeteile usw. → Immer Pulver → gesintert NE-Metalle: Nichteisenmetalle, FE-Anteil 5 g/cm³) - Kobalt - Keramiken [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 2  Übung: Magnesium Quelle: ISF,- Universität Dortmund Quelle: Metall, 52. Jahrgang, Nr.9/98 [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 3  1. Welche Gitterstruktur hat reines Magnesium? Hexagonal- dichteste Packung (hdp): Quelle: : Bargel/Schulze [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 4  1. Welche Gitterstruktur hat reines Magnesium? Hexagonal- dichteste Packung (hdp): Quelle: : Bargel/Schulze 2. Erläutern Sie den Einfluss dieser Gitterstruktur auf das Verformungsverhalten. Rein- Magnesium ist schlecht kalt umformbar (besser bei 220°C) ! Hdp Gitter hat lediglich 3 Gleitsysteme [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 5  Zur Erinnerung/ Wiederholung aus WT1: Kfz: immer definierte Gleitebene {111} und Gleitrichtung →4x{111} Eb →4x{111} Ebene, in jeder 3x=12 GS Krz: keine definierte Gleitebene sondern nur definierte Gleitrichtung Gleitung auf {110 }-, {112}- und {123}-Ebenen → 12, 12 und 24 GS hdp: hohe Einheitszelle: nur Basisgleitung definierte Gleitebene {0001} und Gleitrichtung (Bei Titan auch Prismen & Pyramidengleitung) → Basisebene: 3 GS [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 6  Basalgleitung Prismengleitung Pyramidalgleitung c c c Quelle: : Bargel/Schulze a a a Basal-, Pyramidal- Nur Basalgleitung und und Prismengleitung Basalgleitung Zwillingsbildung c/a 1,58 1,63 1,73 Titan Quelle: Gottstein [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 7  3.Welches sind die beiden wichtigsten Legierungselemente für Mg-Legierungen? Mn (wg. Korrosionsbeständigkeit) und Al (wg. Mischkristallverfestigung) Außerdem wichtig: - Zink (Zn) – Mischkristallverfestigung - Thorium (Th, radioaktiv!) - erhöht die Warmfestigkeit bis 220oC bzw. 300oC - Zirconium (Zr) - dient der Kornfeinung [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 8  4.Welche herausragenden / nachteiligen physikalischen Eigenschaften hat Magnesium? Physikalische Eigenschaften: Dichte: 1,74 g/cm³ Geringste Dichte aller technisch nutzbaren Metalle Schmelztemperatur: 649 oC Ausdehnungskoeffizient: 25 10-6/K E- Modul: 45 GPa Zugfestigkeit: 80…180 N/mm² Bruchdehnung: 1…12 % Nachteile: Schlecht umformbar (hdp!) nach Kaltwalzen ausgeprägte Textur, durch Rekristallisationsglühen nicht zu beseitigen ungeschützte Teile bekommen Oxidhaut an Luft → an Seeluft nicht beständig [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 9  5. Welche Gießverfahren sind bei Magnesium-Gusslegierungen möglich? K.Kaldenberg K.Kaldenberg Böhler,Edelstahl Sandguss Kokillenguss Druckguss → Verlorene Form → Dauerform → Dauerform Kostengünstige Form Rel. teure Form Rel. aufwändig aber schnell →Prototypen /Kleinserien → Mittlere bis Großserien → Großserien [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 10  6. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Magnesium-Knetlegierungen. Stents in vivo (Mensch) seit 2003: MR- kompatibel Bioresorbierbar Biokompatibel [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 11  6. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Magnesium-Knetlegierungen. Stents in vivo (Mensch) seit 2003: MR- kompatibel Bioresorbierbar Biokompatibel 7. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Magnesium-Gusslegierungen. [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 12  Übung– Gliederung - Magnesium - Titan Leichtmetalle (Dichte ρ < 5 g/cm³) - Aluminium - Kupfer - Nickel Schwermetalle (Dichte ρ > 5 g/cm³) - Kobalt - Keramiken [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 13  Übung: Titan [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 14  1. Welche Gitterstruktur hat reines Titan? Hexagonal dichteste Packung (hdp): > 882°C (b-Phase) krz Quelle: : Bargel/Schulze [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 15  1. Welche Gitterstruktur hat reines Titan? Hexagonal dichteste Packung (hdp): > 882°C (b-Phase) krz Quelle: : Bargel/Schulze 2. Erläutern Sie den Einfluss der Gitterstruktur auf das Verformungsverhalten. → Je mehr Gleitsysteme in einer Gitterstruktur aktiviert werden können, desto einfacher ist ein Werkstoff verformbar Rein- Titan ist mäßig kalt umformbar! Hdp Gitter hat lediglich 3 Gleitsysteme [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 16  3. Nennen Sie günstige physikalische und technologische Eigenschaften von Titan und Titanlegierungen. Physikalische Eigenschaften: Dichte: 4,5 g/cm³ Schmelztemperatur: 1670 C° Ausdehnungskoeffizient: 9 10-6/K Zugfestigkeit: 240…360 N/mm² E- Modul: 110 GPa Verhältnis Festigkeit/Dichte: Korrosionsbeständigkeit: → Luftfahrt → chemische Apparate → Freizeit → Medizintechnik [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 17  4. Was muss bei der Verarbeitung von reinem Titan besonders beachtet werden? Hohe O-Affinität → feine Späne und Schleifstaub sind leicht entzündlich! Hohe O-Löslichkeit → Wärmebehandlungen unter Edelgas, Vakuum → Schweißen unter Schutzatmosphäre (Edelgas, Vakuum) Zäh → Schwierig zerspanbar [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 18 5. Welche Gruppen von Ti-Legierungen gibt es? Viele mögliche Legierungen α-Legierungen, β-Legierungen, near-α-Legierungen, α+β-Legierungen 6. Durch welche Elemente wird rein-Ti mischkristallverfestigt? Wichtige Legierungselemente: Hochfeste Titanlegierung: Ti-6Al-4V Al, Sn, O → stabilisieren α-Phase (hdp) Z.B. Turbinenschaufeln V, Cr, Fe [email protected] → stabilisieren β-Phase Universität (krz) Werkstofftechnik Duisburg-Essen, www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 19  7. Wo wird reines Ti eingesetzt? Orthopädische Temporärimplantate aus Ti4 (Grade 4) Titan Beschichtungen Unlegiertes Titan wird in unterschiedlichen Gütegraden unterteilt: Grade1-4 Grade1: höchste Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit, bei niedrigster Belastung Grade4: hohe Belastbarkeit bei mäßiger Duktilität [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 20  8. Wofür werden Titanlegierungen eingesetzt? Leichtbau-, Verkehrs-, Medizintechnik, Gebrauchsgüter Quelle: Leyens, Peters; Ti andTi-Alloys, DGM,Wiley-VCH, Seiko, [email protected] Wärmetauscher und Großrohre Verkehrstechnische Anlagen (z.B. Federn, Armaturen) [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 21  Übung– Gliederung - Magnesium - Titan Leichtmetalle (Dichte ρ < 5 g/cm³) - Aluminium - Kupfer - Nickel Schwermetalle (Dichte ρ > 5 g/cm³) - Kobalt - Keramiken [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 22  Übungsteil: Aluminium (Al) Quelle: König/Klocke Quelle: Werkfoto Täfler [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 23  1.Welche Gitterstruktur hat reines Aluminium? Kubisch flächenzentriert (kfz): Quelle: K.Lange [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 24  2.Welche herausragenden physikalischen Eigenschaften hat Aluminium? Physikalische Eigenschaften: Dichte: 2,70 g/cm³ (Stahl ca. 7,85 g/cm³) Schmelztemperatur: 660 oC Ausdehnungskoeffizient: 23,8 10-6/K (Stahl ca. 11,5 10-6/K) E- Modul: 65 GPa (Stahl ca. 210 GPa) Zugfestigkeit: 40…180 N/mm² Bruchdehnung: 4…50 % Gebrauchseigenschaften: gute Korrosionsbeständigkeit gegen oxidierende Medien (z.B. HNO3) → Deckschichtbildung (Al2O3) an Luft geringe Beimengungen an Fremdatomen verschlechtern die Korrosionsbeständigkeit [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 25  3.Welche Gruppe von Aluminiumlegierungen ist umformbar / nicht umformbar ? Knetlegierungen sind umformbar z.B.: Fertigungstech.,R.Koether Halbzeuge Quelle: König/Klocke Drücken (Schematisch) Aluminiumreflektoren Gusslegierungen sind nicht umformbar z.B.: K.Kaldenberg [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 26  3.Welche Gruppe von Aluminiumlegierungen ist umformbar / nicht umformbar ? Knetlegierungen sind umformbar z.B.: Fertigungstech.,R.Koether Halbzeuge Quelle: König/Klocke Drücken (Schematisch) Aluminiumreflektoren Gusslegierungen sind nicht umformbar 12,5% Si [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 27  4. Wie kann man bei nicht aushärtbaren Al-Legierungen die Festigkeit steigern? Kaltverfestigung Mischkristallhärtung z.B. durch Mg, Zn Korngrenzenverfestigung [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 28 5. Nennen Sie Legierungselemente bei Al-Knetlegierungen für Mischkristall- bzw. Ausscheidungsverfestigung? Al-Knetlegierung, Mischkristallverfestigung durch: Mg, Zn Al-Knetlegierung, Ausscheidungsverfestigung durch: Cu, Si & Mg (Mg2Si - Ausscheidungen) 6. Warum sind Aluminium-Magnesium-Legierungen nicht aushärtbar? Prinzipiell möglich, jedoch nur mäßige Festigkeitssteigerung Al3Mg2 scheidet sich bevorzugt an Korngrenzen aus → Versprödung → Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 29  7. Nennen Sie die Verfahrensschritte, die für den Vorgang der Ausscheidungshärtung bei Aluminiumlegierungen notwendig sind ? Erläutern Sie, was bei den jeweiligen Verfahrensschritten der Ausscheidungshärtung im Gefüge passiert. Verfahrenssschritte: 1. Lösungsglühen Legierung so hoch erwärmen, das alle Elemente in Lösung gehen → Homogener Mischkristall 2. Abschrecken Durch schnelles Abschrecken wird die Diffusion bzw. die Bildung von Ausscheidungen verhindert → Übersättigter Mischkristall 3. Warmauslagern Geringere Beweglichkeit der Elemente Bildung von Ausscheidungen Beispiele: Legierung: AlCuMg (2xxx) Legierung: AlMgSi (6xxx) Al2Cu- Ausscheidungen Mg2Si- Ausscheidungen Lösungsglühen: 500-540°C Lösungsglühen: 530°C Auslagern: z.B. RT-200°C Auslagern: 18h bei 160°C [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 30  Beispiel anhand des Al-Cu Phasendiagramms 1. Lösungsglühen 3. Warmauslagern 2. Abschrecken Skript: S.8 [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 31 8. Skizzieren Sie die Härte als Funktion der Glühzeit bei der Ausscheidungshärtung für zwei verschiedene Auslagerungstemperaturen und erläutern Sie die Unterschiede in den Bereichen. System Al-Cu 148OC (+) Ausscheidungswachstum (-) Ausscheidungswachstum → Überalterung (Ostwald Reifung) Ca. 120 HB Härte HB Ca. 90 HB Guinier Preston I & II – Zonen 0,01 0,1 1 10 100 Zeit [Tage] [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 32 8. Skizzieren Sie die Härte als Funktion der Glühzeit bei der Ausscheidungshärtung für zwei verschiedene Auslagerungstemperaturen und erläutern Sie die Unterschiede in den Bereichen. System Al-Cu Mit steigender Auslagerungstemperatur sinkt das Härtemaxium 300OC → Mit steigender Temperatur nimmt die Zahl der Ausscheidungen ab, da die Löslichkeit im Wirtsgitter (Al) für Fremdatome zunimmt. Härte HB Ca. 80 HB Beispiel für eine inkohärente Ausscheidung 0,01 0,1 1 10 100 Zeit [Tage] [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 33  9. Mit welchem Legierungselement werden Al-Gusslegierungen in gängigen kommerziellen Legierungen mischkristall- und mit welchem ausscheidungsverfestigt? Ausscheidungsverfestigt: Cu, Si Mischkristallverfestigt: Mg 10. Welche Gießverfahren sind bei Aluminium-Gusslegierungen möglich? K.Kaldenberg K.Kaldenberg Böhler,Edelstahl Sandguss Kokillenguss Druckguss 11. Welche Al-Si-Legierung ist besonders geeignet zum Gießen? Alle eutektischen Legierungen (Schmelzpunkt möglichst gering halten; geringerer Energieeinsatz!) [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 34  12. Wie ist die Schweißeignung der verschieden Aluminium-Gusslegierungen? AlSiMg: Sandguß → schweißgeeignet Kokillenguß → bedingt schweißgeeignet Druckguß → nicht schweißgeeignet, Porengehalt → Problem wegen Oxidhaut mit hohem Schmelzpunkt AlSiCu: Problembehaftete Schweißbarkeit → Rißneigung wegen Dehnung → wegen Oxidhaut mit hohem Schmelzpunkt AlMg: Problembehaftete Schweißbarkeit → wegen Al3Mg2 Ausscheidungen auf Korngrenzen → wegen Oxidhaut mit hohem Schmelzpunkt [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 35 13. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für reines Aluminium / Aluminium-Knetlegierungen und Aluminium-Gusslegierungen: Reines Aluminium: Folien, Reflektoren, Tuben Quelle: König/Klocke Aluminium Knetlegierungen: AlMg2 : Bleche für Fassaden AlMg4,5Mn (EN AW 5083) : Profile AlMg3 (EN AW 5754) : Fahrzeugbau Aluminium-Gusslegierungen: GK-AlSi12 (Cu) : Motorblock [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 36  Vielen Dank für die Aufmerksamkeit ! [email protected] Universität Duisburg-Essen, Werkstofftechnik www.uni-due.de/wt Lotharstr. 1, 47057 Duisburg, Germany 37