Werkstoffe - PDF

▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ → ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ 𝐸 ▪ 𝜎𝑦 ▪ 𝐾𝐼𝐶 ▪ 𝜌 nach M.F. Ashby 3000 vor Christus Quelle: wikipedia König Menes nach M.F. Ashby 50 vor Christus...

▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ → ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ 𝐸 ▪ 𝜎𝑦 ▪ 𝐾𝐼𝐶 ▪ 𝜌 nach M.F. Ashby 3000 vor Christus Quelle: wikipedia König Menes nach M.F. Ashby 50 vor Christus Quelle: wikipedia Julius Cäsar nach M.F. Ashby 1500 nach Christus Quelle: wikipedia Heinrich VIII von England nach M.F. Ashby 1900 Quelle: wikipedia Albert Einstein 1879 - 1955 nach M.F. Ashby 1945 Quelle: wikipedia Harry S. Truman 1884 - 1972 nach M.F. Ashby Heute Quelle: wikipedia Stefan Raab nach M.F. Ashby → → → ▪ ▪ ▪ ▪ Polymer (PET) Glas / Keramik Metall (Aluminium) ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪  Biomaterialien Nanomaterialien Smart materials  Werkstoffe Metalle Nichtmetalle Anorganische Eisenbasis- Nichteisen- Organische nichtmetallische werkstoffe metalle Werkstoffe Werkstoffe Keramiken Gläser Hölzer Stahl Leichtmetalle Mineralien Kunststoffe Gusseisen Schwermetalle Betone Kautschuk Verbundwerkstoffe Stahlbeton, faserverstärkte Kunststoffe, beschichtete Werkstoffe  Werkstoffe Metallische Ionen- Adsorptionsbindung Kovalente Bindung Bindung Bindung Metalle Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe Organische Stoffe Halbleiter Naturstoffe Eisen NE- Keramische Glas Polymer- Stahl Metalle Werkstoffe werkstoffe Verbundwerkstoffe  Werkstoffe Metallische Ionen- Adsorptionsbindung Kovalente Bindung Bindung Bindung Metalle Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe Organische Stoffe Halbleiter Naturstoffe Eisen NE- Keramische Glas Polymer- Stahl Metalle Werkstoffe werkstoffe Verbundwerkstoffe  Metallische Werkstoffe Eisenwerkstoffe NE-Metalle Gusseisen Stahl Leicht- Schwer- Edel- metalle metalle metalle ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ° ° ▪ ▪ ▪ ▪ ▪  Werkstoffe Metallische Ionen- Adsorptionsbindung Kovalente Bindung Bindung Bindung Metalle Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe Organische Stoffe Halbleiter Naturstoffe Eisen NE- Keramische Glas Polymer- Stahl Metalle Werkstoffe werkstoffe Verbundwerkstoffe  Anorganische-nichtmetallische Werkstoffe Keramik Kohlenstoff Glas Anorganische Naturstoffe Silikat- Oxid- Blei- Quarz- keramik keramik glas glas Mineralische Werkstoffe Nichtoxid- Graphit Diamant Kalk- Bor- keramik Natron- silikat- glas glas  Werkstoffe Metallische Ionen- Adsorptionsbindung Kovalente Bindung Bindung Bindung Metalle Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe Organische Stoffe Halbleiter Naturstoffe Eisen NE- Keramische Glas Polymer- Stahl Metalle Werkstoffe werkstoffe Verbundwerkstoffe  Organische Werkstoffe Kunststoffe Organische Naturstoffe Thermoplaste Duroplaste Holz Tierfasern Pflanzen- fasern Elastomere  Werkstoffe Metallische Ionen- Adsorptionsbindung Kovalente Bindung Bindung Bindung Metalle Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe Organische Stoffe Halbleiter Naturstoffe Eisen NE- Keramische Glas Polymer- Stahl Metalle Werkstoffe werkstoffe Verbundwerkstoffe  Verbundwerkstoffe Teilchen- Faser- Schicht- Durchdringungs- verbund verbund verbund verbund Hart- Cermets Laminate Oberflächen- Mineralische metalle beschichtung Werkstoffe Gefüllte CFK GFK Kunststoffe ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ https://de.wikipedia.org/wiki/Elastizit%C3%A4tsgrenze  Werkstoffe Metallische Ionen- Adsorptionsbindung Kovalente Bindung Bindung Bindung Metalle Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe Organische Stoffe Halbleiter Naturstoffe Eisen NE- Keramische Glas Polymer- Stahl Metalle Werkstoffe werkstoffe Verbundwerkstoffe  Mechanisch Chemisch- Thermisch Strahlungsbedingt Elektrochemisch Teilchen Welle Kurz- Lang- Schlag- Hohe zeitig zeitig artig oder tiefe Temperatur Flüssig- Schmel- Gase Klima keiten zen  Mechanisch Kurz- Lang- Schlag- zeitig zeitig artig (Quasi-) Statisch (einmalig) Zug, Druck, Biegung, Torsion, Scherung, mit/ ohne äußere Kräfte oder inneren Spannungen Belastung Kurzzeit Langzeit Statische Beanspruchung Zeit, t  Mechanisch Federbein Kurz- Lang- Schlag- zeitig zeitig artig (Quasi-) Wiederholt schwellend Statisch oder wechselnd (einmalig) Zug, Druck, Biegung, Torsion Scherung, mit/ ohne äußere Kräfte oder inneren Spannungen Blattfeder Zugaufhängung  Mechanisch Kurz- Lang- Schlag- zeitig zeitig artig (Quasi-) Wiederholt schwellend oder Reibend Statisch wechselnd (einmalig) Zug, Druck, Biegung, Äußere Reibung durch Torsion Scherung, mit/ Gleiten, Wälzen, Rollen, ohne äußere Kräfte oder Bohren, Oszillieren. inneren Spannungen Innere Reibung durch bzw. Schwingungen Schwingungen Gleiten Rollen Prallen, Stoßen Strömen Zug Druck Biegung Torsion Scherung  Chemisch-Elektrochemisch Flüssig- Schmelzen Gase Klima keiten Ohne zusätzliche Mit zusätzlicher Mit zusätzlicher mechanische mechanischer thermischer Beanspruchung Beanspruchung Beanspruchung Korrosion (flächig, Schwingungsriss-, Heißgaskorrosion muldenförmig) Spannungsriss-, Druckwasserstoff- Erosions-, Selektive Korrosion schädigung Kavitationskorrosion, (interkristalline) Reibkorrosion, Lochkorrosion Korrosionsverschleiß Thermisch Strahlungsbedingt Hohe Teilchen Welle oder niedrige Temperatur Aus innerem Neutronen-,  -, Röntgen-, UV- Betrieb oder -, -, und Strahlung, äußerer kosmische sichtbares Licht, Umgebung Strahlung Infrarotstrahlung Quelle: Alzmetall  Quelle: Wiki commons Quelle: Wiki commons →  ▪ ▪ ▪ ▪ Längenskala ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪  Quelle: Wiki Commons ▪  - - - - + ++ ++ + + - ≃ - - ≃ - ≃ ≃ ≃ ▪ ▪ ▪ ▪ 238 4+ U 92 ▪ ▪ ▪ × − Quelle: wikipedia − ▪ ▪ ▪ 1 0 n ® 11H + + e - + n e ▪ Quelle: wikipedia ▪ ▪ ▪ Quelle: wikipedia ▪ × − Quelle: wikipedia  ▪ ▪ ▪ ▪ ° Quelle: wikipedia ▪ nes Gases × enthalten × bei gleichen × Bedingungen (Druck, eiche Anzahl an Teilchen ezeichnet bei Elementen eine bestimmte Menge an  Quelle: wikipedia nes Gases enthalten bei gleichen Bedingungen (Druck, eiche Anzahl an Teilchen Quelle: wikipedia ezeichnet bei Elementen eine bestimmte Menge an ▪ ▪ ~ ▪ ▪ Quelle: wikipedia  ⟶ ≙ ≙ → ▪ − Quelle: wikipedia Quelle: wikipedia ▪ × − ▪ ▪ nh ▪ 2p r = n l = p  Quelle: wikipedia Y (r ) Quelle: wikipedia ▪ ▪ ▪ ▪ µ Y (r ) h DxDp ³ ▪ 4p  d Y 2 d Y 2 d Y 2 8p me 2 Zqe2 + + + (E + )Y = 0 dx dy dz h 2 4pe 0 r ▪ ▪ − ▪ − − − − ▪ − ▪ ▪ 11 Protonen 12 Neutronen ▪ ▪ ▪ ▪ Quelle: J. Brickmann et.al. 1978 Quelle: J. Brickmann et.al. 1978 Quelle: wikipedia Quelle: wikipedia  Energieniveaus am Beispiel Eisen p 56 Fe f d s 26 p 77 Energie f d s p 66 d s 55 p d s 44 p s 33 p s 22 s 1 Prof. Hampe Naturwissenschaften I – 2.1 Aufbau der Materie – ©TU Darmstadt 2007-2011 – 30/ 30 https://de.wikipedia.org/wiki/Periodensystem ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Quelle: wikipedia ▪ ▪ ▪  Na + Cl ® Na+ + Cl - ® NaCl Quelle: Askeland Quelle: Askeland  ° Quelle: Askeland ▪ ▪ ▪ ▪  Energieniveaus am Beispiel Eisen p 56 Fe f d s 26 p 77 Energie f d s p 66 d s 55 p d s 44 p s 33 p s 22 s 1 Prof. Hampe Naturwissenschaften I – 2.1 Aufbau der Materie – ©TU Darmstadt 2007-2011 – 30/ 30 Quelle: Askeland Quelle: Askeland ▪ ▪ ▪ ▪ Quelle: Askeland  1 Kraft FK x0 Atomabstand 3 Fk: Kohäsionskraft 2 X0: kleinster Gleichgewichtsabstand zweier Atomkerne ▪ ▪ ▪ Bindungsart Bindungsenergie [kJ/mol] Ionisch 600 - 1500 Kovalent 500 - 1250 Metallisch 100 - 800 Van der Waals < 50 ▪ ▪ ▪ ▪  Z  c    b Y  a  ▪ X ▪     Kristallsystem Bestimmungs- einfach basisflächen- raumzentriert flächenzentriert größen zentriert abc Triklin  abc Monoklin ==90° abc Rhombisch ===90° a=bc Tetragonal Quelle: wikipedia ===90° a=b=c Rhomboedrisch ==  90° a=bc Wichtige Gittertypen Hexagonal ==90°,=120° a=b=c Kubisch ===90° Atome pro Elementarzelle: Eckatome: 8 x 1/8 = 1 Zentralatome: 1x1=1 Gesamt: 2 Atome pro Elementarzelle: Eckatome: 8 x 1/8 = 1 Flächenatome: 6 x 1/2 = 3 Gesamt: 4 ▪ Quelle: Askeland ▪  (Anzahl der Atome / Zelle)(Volumen der Atome) Packungsdichte = Volumen der Zelle Packungsdichte: 4 3 8 a 2 pR p ( 3)3 p 3 Vrkrz = 3 = 3 43 = = 68% 3 a a 8 Quelle: Gottstein Packungsdichte: 4 3 8 a 2 pR p ( 3)3 p 3 Vrkrz = 3 = 3 43 = = 68% 3 a a 8 Quelle: Gottstein Packungsdichte: 4 3 8 a 2 pR p ( 3)3 p 3 Vrkrz = 3 = 3 43 = = 68% 3 a a 8 Quelle: Gottstein Packungsdichte: 4 a 4 p ( 2 )3 p 2 Vrkfz = 3 4 = = 74% 3 a 6 Quelle: Gottstein  kubisch- hexagonal flächenzentriert kubisch-raumzentriert Eigenschaften dichteste Kugelpackung (krz) (kfz) (hdp) Elementarzelle Raumerfüllungsgrad/ 74% 74% 68% Packungsdichte Atomanzahl je Zelle 4 6 2 Koordinationszahl 12 12 8 Dichtest gepackte Flächendiagonale Sechseckkante Raumdiagonale Richtung Beispiele Al, Cu, Ag, Au, Ni, Mg, Zn, Cd, -Ti α-Fe, Mo, -Ti, Cr, V, W -Fe  → →  ¼ → → →   Quelle: A. Trautmann, „Wasserstoffversprödung von Werkstoffen bei der Erzeugung erneuerbarer Energien“, Dissertation Universität Leoben, 2020 Bild: https://www.materials.fraunhofer.d e/de/Geschaeftsfelder/Energie_Um welt/iwm---sichere-nutzung-von- wasserstoff-fuer-die- energiewende.html   Bitte bestimmen Sie die Packungsdichte: 4 a 4 p ( 2 )3 p 2 Vrkfz = 3 4 = = 74% 3 a 6 Quelle: Gottstein  kubisch- hexagonal flächenzentriert kubisch-raumzentriert Eigenschaften dichteste Kugelpackung (krz) (kfz) (hdp) Elementarzelle Raumerfüllungsgrad/ 74% 74% 68% Packungsdichte Atomanzahl je Zelle 4 6 2 Koordinationszahl 12 12 8 Dichtest gepackte Flächendiagonale Sechseckkante Raumdiagonale Richtung Beispiele Al, Cu, Ag, Au, Ni, Mg, Zn, Cd, -Ti α-Fe, Mo, -Ti, Cr, V, W -Fe  ¼ → → → ▪ ▪ z 0,0,1 1,1,1 0,0,0 y 1,0,0 ½,1,0 1,1,0 x ▪ ▪ ▪ ▪  z 0,0,1 1,1,1 0,0,0 y 1,0,0 ½,1,0 1,1,0 x  z 0,0,1 1,1,1 0,0,0 y 1,0,0 ½,1,0 1,1,0 x  z 0,0,1 1,1,1 0,0,0 y 1,0,0 ½,1,0 1,1,0 ½ x ½ ½ ½ ▪ ▪ ▪ ▪  z y x  z y=2 y ∞ x ½ ½  z y ∞ ∞ x  z z y y x x  (111) (111) (111)  z z y y vier unabhängige x x Ebenen : {111}: (111) (111) (111)(111) (111) Bild: Callister z y x ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ → ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪  Gitterfehler 0-Dimensionale 1-Dimensionale 2-Dimensionale 3-Dimensionale Stufenversetzungen Schraubenversetzungen ▪ ▪ ▪ ▪  b s A A b E  s s b b ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ b   a. A B b. c. d. e. ▪ TEM-Aufnahmen von AlMg5Mn ▪ ▪ ▪ (nicht kaltverformt) ▪ ▪ s µ Versetzungsdichte (kaltverformt)  1-Dimensionale Gitterfehler Stufenversetzung Schraubenversetzung nach Bergmann  Gitterfehler 0-Dimensionale 1-Dimensionale 2-Dimensionale 3-Dimensionale Korngrenzen Stapelfehler Phasengrenzen Kleinwinkelkorngrenze Zwillingsgrenze Großwinkelkorngrenze °  Gitterfehler 0-Dimensionale 1-Dimensionale 2-Dimensionale 3-Dimensionale Korngrenzen Stapelfehler Phasengrenzen Kleinwinkelkorngrenze Zwillingsgrenze Großwinkelkorngrenze Zwillingsgrenzen: ▪ ▪  Gitterfehler 0-Dimensionale 1-Dimensionale 2-Dimensionale 3-Dimensionale Korngrenzen Stapelfehler Phasengrenzen Kleinwinkelkorngrenze Zwillingsgrenze Großwinkelkorngrenze °  Großwinkelkorngrenze Kleinwinkelkorngrenze Quelle: Gottstein  S ⑧ * e / No  z 0,0,1 1,1,1 0,0,0 y 1,0,0 ½,1,0 1,1,0 x  z y x ▪ → ▪ ▪  Gitterfehler 0-Dimensionale 1-Dimensionale 2-Dimensionale 3-Dimensionale Korngrenzen Stapelfehler Phasengrenzen Kleinwinkelkorngrenze Zwillingsgrenze Großwinkelkorngrenze  Gitterfehler 0-Dimensionale 1-Dimensionale 2-Dimensionale 3-Dimensionale Phasengrenze kohärent teilkohärent inkohärent  Gitterfehler 0-Dimensionale 1-Dimensionale 2-Dimensionale 3-Dimensionale Phasengrenze kohärent teilkohärent inkohärent Quelle: Gottstein  Gitterfehler 0-Dimensionale 1-Dimensionale 2-Dimensionale 3-Dimensionale Phasengrenze kohärent teilkohärent inkohärent  Gitterfehler 0-Dimensionale 1-Dimensionale 2-Dimensionale 3-Dimensionale Poren Mikrorisse Ausscheidungen ▪ ▪ 10μm Inkohärente Ausscheidung kohärente nach dem Gitter orientierte Ausscheidung Korngrenzen Ausscheidung schalenförmige Korngrenzen Ausscheidung ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ → ▪ → ▪ α β ▪ ▪ ▪ Druck, p [mbar] p* fest flüssig 6,11 gasförmig TP TP: Tripelpunkt 273,16 Temperatur, T [K] 0 TS TB  F+P = K+2 ▪ ▪   ▪ Druck, p [mbar] F+P = K+2 P=1 ① F=2 K=1 p* fest flüssig ① 6,11 gasförmig TP TP: Tripelpunkt 273,16 Temperatur, T [K] 0 TS TB Druck, p [mbar] F+P = K+2 P=2 ② F=1 K=1 p* fest flüssig ② ① 6,11 gasförmig TP TP: Tripelpunkt 273,16 Temperatur, T [K] 0 TS TB Druck, p [mbar] F+P = K+2 P=3 p* ③ F=0 K=1 fest flüssig ② ① 6,11 ③ gasförmig TP TP: Tripelpunkt 273,16 Temperatur, T [K] 0 TS TB F*+P = K+1  mA mB cA = 100% cB = 100% mA + mB mA + mB  Temperatur Temperatur Schmelze, S Schmelze, S ⦿ T1 Konode ✪ S+K T2 Kristall, K Liquiduslinie Kristall, K Soliduslinie F* + P = K + 1 A %B ⦿ K = 1, P = 2 ⟶ F* = 0 ✪ K = 2, P = 2 ⟶ F* = 1 Gibbs Energie, G ∙ Kristall (GK) Schmelze (GS) Tm Temperatur  ∙   S: Schmelze : Kristall G ∙ S: Schmelze : Kristall ∙    T1>T2>T3>T4>T5 ▪ ▪ ▪  G ▪ ▪  ▪  x xS X→  Temperatur G Liquiduslinie T3 Soliduslinie x xS x xS X→ X→ Gibbs Energie, G ∙ Kristall (GK) Schmelze (GS) Tm Temperatur  ∙   S: Schmelze : Kristall G ∙ S: Schmelze : Kristall ∙    T1>T2>T3>T4>T5 ▪ ▪ ▪  G ▪ ▪  ▪  x xS X→  Temperatur G Liquiduslinie T3 Soliduslinie x xS x xS X→ X→ T T2 ▪ Schmelze, S Konode T3 S+  T4 ▪  Kristall,  ▪  A x xi xS B T T2 ▪  Schmelze, S x S - xi T3 Konode fa = xS - x a S+ ▪ T4 xi - xa Kristall,  fS = xS - x a ▪ A x xi xS B f a x S - xi = fS xi - x a T [°C] → 1000 Schmelze, S  700 S+ 600 𝑥𝑠 − 𝑥𝑖 500 𝑓𝛼 = 𝑥𝑠 − 𝑥𝛼 400 Kristall,  0,8 − 0,5 𝑓𝛼 = = 0,6 0,8 − 0,3 300 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,5 − 0,3 𝑓𝑆 = = 0,4 0,8 − 0,3 A B T 1 ① ② 2 Schmelze, S  3 ③ S+ 4  x,2 ④ x,3 xS,3 5 ⑤ Kristall,  A xi B ▪ ▪ ▪ F=0 F=1 Temperatur TS TKB TS :Schmelztemperatur TKE TKB :Beginn der Kristallisation TKE :Ende der Kristallisation TKB -TKE :Kristallisationsbereich Zeit  Phasenregel: F* = K – P + 1 Temperatur ① ② ③ ④ ① ② ③ ④ Schmelze T T  Haltepunkte Zeit 0 20 40 60 80 100 Konzentration c Knickpunkte 100% Ni 0% Ni 0 % Cu 100% Cu o o o o o Temperatur [°C] Pb-Schmelze + Fe-Schmelze 1528 Pb-Schmelze + Fe-Kristalle 327 Pb-Kristalle + Fe-Kristalle Fe % Pb → Pb  SFe SPb Fe: krz SFe + SPb TS Fe=1528°C Pb: kfz (2 geschichtete Schmelzen) TS,Fe Liquidus Temperatur T S Fe Fe Fe + SPb Fe (Fe fest + Pb flüssig) Pb SPb SPb Solidus TS,Pb TS Pb=327°C Fe + Pb (beides fest) Fe Pb Zeit t o o o o o Temperatur [°C] 1063 S S+K 960 K Ag %Au → Au  Beispiel: Ni - Cu; beide Komponenten kfz Schmelze TS Ni=1452°C T1 S+ Temperatur T T2 TS Cu=1083°C -MK Ni c1 c c2 Cu Zeit t (Ordnungszahl 28) (Ordnungszahl 29) Konzentration T ▪ TA ▪ TB ▪ T TA TB T ▪ TA TB ▪ T →  TA TB ▪ TE xE Temperatur S S+A S+B A+B A %B → B ▪ Temperatur S ▪  S+ S+   ▪  + ▪   Mischungslücke A %B → B Temperatur S S+ S+   + A %B → B  Temperatur S S+ S+   T1 + T2   A  c %B →  B    Temperatur S S+ S+ Te   →  + A  %B →  B c ▪   ▪   L1 L2 L3 L4 L1 L2 L3 L4 TsA S TsB Temperatur T S+ S+ Te   + 0% B c,max ce c,max 100% B 100% A Konzentration 0% A Zeit t T ▪ TA ▪ TB ▪ T ▪ TA 1 Tp  → TB xp  Temperatur S S+ Tp  S+ → +  A  %B → c  B  →   L1 L2 L3 L1 L2 L3 Temperatur, T S S+  S+ +  A Konzentration B Zeit, t S→+   + +S +S→  S   →+   + + +→    o o o o o   Schmelze S+ Temperatur T     A B A + B A c0 c1 B Konzentration c ▪  ‘ Schmelze ▪ S+ Temperatur T  ‘+ A ‘+ B ▪ A B ‘ ▪ A c0 c1 B Konzentration c ▪ ▪ Beispiele CuAu Cu3Au  T ▪ TA TB ▪ ▪ T TA TB ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ V=AmBn S S Temperatur T S+V S+A S+V S+B ▪ E1+V E2+V B+E2 A+E1 A B Konzentration c o o o o o  +L  ▪ Temperatur  +L ▪ +L +L ▪ + C B +  A  ▪ ▪ Quelle: Askeland  ▪ ▪ RT Quelle: Askeland  C T = const. 20% A L 55% C A 25% B B %B ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ -Q Sprungrate = c0 exp( ) RT c0 R T Q ▪ ▪ ▪ Energieinhalt Qs Qz Ortskoordinate Cu Ni 100 Prozent Abstand Abstand 100 Prozent 100 Abstand Abstand Prozent Abstand Abstand ▪ ▪ ▪ Dc J = -D Dx J -Q D D = D0 exp( ) Dc RT Dx  Δx ▪ B-Atom ▪ A-Atom ▪ Δx c0 ▪ 100 Atom % A Δc=c0-c1 c1 0 Abstand ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ dc / dt = D(d 2 c / dx 2 ) ▪ ▪ ca ca - cx x = erf ( ) c0 ca - c0 2 Dt cx erf ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ DGv = GFest - GFlüssig < 0 4 3 V= pr A = 4p r 2 3 4 DG = p r 3DGv + 4p r 2 s 3  ▪ Positiv Änderung der freien Energie ▪ Vorkeim ▪ r* Keimradius ▪ 4 DG = p r 3DGv + 4p r 2 s 3 DT = Tm - T Negativ ▪ ▪ ▪ ▪ → ▪ ▪ ▪ − ▪ − − − ▪  Wachstumsrichtung ▪ He Erhebung ▪ Fest Flüssig Temperatur ▪ Erstarrungstemperatur Abstand von Grenzfläche fest/flüssig nach Askeland  Wachstumsrichtung ▪ He ▪ Festkörper ▪ ▪ Fest Flüssig Temperatur Erstarrungs- temperatur Abstand von Grenzfläche fest/flüssig nach Askeland ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Schnelle Abkühlung viele Keime feine globulare Struktur Langsame Abkühlung wenig Keime grobe globulare Struktur Gerichtete Abkühlung säulenförmiges Wachstum Stengelkristall Quelle: ISEMP / Uni Bremen 1cm  Vielkristalline Strukturen ▪ Für bestimmte Anwendungen bessere Eigenschaften erforderlich Einkristall ▪ Festkörper entsteht aus einem einzigen Keim ▪ Aber: aufwendige, teure Herstellung  ▪ Positiv Änderung der freien Energie ▪ Vorkeim ▪ r* Keimradius ▪ 4 DG = p r 3DGv + 4p r 2 s 3 DT = Tm - T Negativ  Wachstumsrichtung ▪ He Erhebung ▪ Fest Flüssig Temperatur ▪ Erstarrungstemperatur Abstand von Grenzfläche fest/flüssig nach Askeland  Wachstumsrichtung ▪ He ▪ Festkörper ▪ ▪ Fest Flüssig Temperatur Erstarrungs- temperatur Abstand von Grenzfläche fest/flüssig nach Askeland Schnelle Abkühlung viele Keime feine globulare Struktur Langsame Abkühlung wenig Keime grobe globulare Struktur Gerichtete Abkühlung säulenförmiges Wachstum Stengelkristall ▪ ▪ ▪ ▪ ▪  flüssige Schwindung spezifisches Volumen Volumen-Defizit Erstarrungs- schrumpfung feste Schwindung Raum- Erstarrungs- Gieß- temperatur temperatur temperatur  flüssige Schwindung Volumen-Defizit spezifisches Volumen Erstarrungs- schrumpfung feste Schwindung Raum- Erstarrungs- Gieß- temperatur temperatur temperatur ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪  ▪ ▪ ▪ 1:5  ▪ ▪ ▪ 1:5  ▪ Innenlunker ▪ Mikrolunker ▪ → ▪ 1:5 AZ91  Erstarrungsfehler Lunker Seigerungen ▪ ▪ Kristallseigerung Blockseigerung Schwerkraft- seigerung ▪ ▪  ▪ → ▪ ▪ ▪  Erstarrungsfehler Lunker Seigerungen Kristallseigerung Blockseigerung Schwerkraft- seigerung ▪ 0,10% C ▪ 0,08% C → 0,06% C ▪ 0,05% C → 0,04% C  Erstarrungsfehler Lunker Seigerungen Kristallseigerung Blockseigerung Schwerkraft- seigerung ▪ ▪ ▪  https://www.faszination-rohstoffe.de/abbau-bis-recycling/der- eisenerzabbau-in-deutschland Eisenerz Rohstoff zur Roheisenproduktion Reserven in Millionen Tonnen Weltweit *) ▪ Australien: 51.000 ▪ Brasilien 34.000 ▪ Russland 29.000 ▪ China 20.000 ▪ Ukraine 6.500 *) https://de.statista.com/statistik/daten/studie/153890/umfrage/reserven-an- eisenerz-nach-laendern/  https://www.voestalpine.com/stahldonawitz/de/produkte-und- technologien/produktion/roheisenerzeugung/ Hochofen Zur Erzeugung von Roheisen aus den Rohstoffen: Eisenerz & Kalk (Möller) sowie Koks Ein paar Zahlen *) ▪ Bis zu 6.000 t Roheisen pro Tag & Hochofen ▪ 4 Mio. Tonnen CO2 pro Jahr ▪ Salzgitter-Konzern: 1% der gesamten CO2-Emissionen Deutschlands *) https://www.ndr.de/nachrichten/niedersachsen/braunschweig_harz_goettingen/Zwischen-Kohle- und-gruenem-Stahl-Salzgitter-AG-im-Wandel,salzgitter1218.html  httpshttps://www.hna.de/lokales/witzenhausen/13-jaehriger-stellt-in- eigenem-hochofen-roheisen-her-10053447.html So ging‘s früher – & heute auch noch.. „13-Jähriger stellt im eigenen Hochofen Roheisen her“ HNA, Witzenhausen, 2018  https://salcos.salzgitter-ag.com/de/mydral.html So geht‘s in Zukunft.. Direktreduktionsanlage zur Eisen- schwammproduktion (Eisenschwamm und Roheisen sind äquivalent)  https://www.voestalpine.com/stahldonawitz/de/produkte-und- technologien/produktion/roheisenerzeugung/ Roheisen Enthält etwa 4% Kohlenstoff sowie weitere, unerwünschte Begleitelemente  https://www.voestalpine.com/stahldonawitz/de/produkte-und- technologien/produktion/stahlerzeugung/ Frischen Senkung des Kohlenstoffgehaltes und Beseitigung unerwünschter Begleitelemente  https://www.aksteel.de/produkte/armco-reineisen/ Reineisen Wird auch als „Weicheisen“ bezeichnet Anwendung bspw. als Schweißdraht und insb. für magnetische Geräte ▪ Geringe Festigkeit ▪ Dichte bei 20 °C: 7,86 kg/dm3 ▪ Schmelzpunkt: 1536 °C ▪ Wärmeausdehnungskoeffizient: 12·10−6 K−1 ▪ Elastizitätsmodul: 207 GPa  https://www.muwi.rwth-aachen.de/IEHK_Metallographie/index.html Fe - C Eisen und Kohlenstoff bilden ein sog. „Zwei- Stoff System“ Das resultierende Gefüge und damit die resultierenden Eigenschaften hängen wesentlich vom Kohlenstoffgehalt ab Unsere Lernziele für heute o Grundlagen zum inneren Aufbau von Stahllegierungen o Verständnis über den Einfluss des Kohlenstoffgehalts auf das resultierende Werkstoffgefüge und deren Eigenschaften o Kenntnis über den Einfluss weiterer Legierungselemente auf die resultierenden Eigenschaften und die sich einstellenden Werkstoffgefüge o Kennenlernen der Bedeutung von Äquivalenten zur Beurteilung der Schweißbarkeit Kurze Einführung „Vereinfachte Abkühlkurve von reinem Eisen“ Einführung Vereinfachte Abkühlkurve von reinem Eisen Abkühlung aus der Schmelze ▪ Haltepunkt bei der Erstarrungstemperatur: 1536 °C ▪ Die freigesetzte, innere Kristallisationswärme kompensiert im Haltepunkt die äußere Wärmeabfuhr ▪ Das Eisen liegt schließlich in einer kubisch flächenzentrierten Gitterstruktur vor ▪ Das Gefüge wird hier auch als „Gamma-Eisen“ bezeichnet Einführung Vereinfachte Abkühlkurve von reinem Eisen Weitere Abkühlung des bereits vorliegenden Gamma-Eisens ▪ Weiterer Haltepunkt bei 911 °C aufgrund allotroper Umwandlung ▪ Allotropie = “Verschiedene Varianten eines Elements im selben Aggregatszustand“ ▪ Die Gitterstruktur wandelt sich in eine kubisch raumzentrierte Anordnung um ▪ Das Gefüge wird hier auch als „Alpha-Eisen“ bezeichnet ▪ Bei dieser sog. „Gamma-Alpha“-Umwandlung ändert sich diffusionsgetrieben ebenso die Form der Körner von „polygonal“ nach „eher rundlich“ Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm „Beeinflussung der Zustandsänderungen durch Kohlenstoff“ Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Beeinflussung der Zustandsänderungen durch Kohlenstoff Das Zustandsdiagramm des Eisen- Kohlenstoffsystems Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Beeinflussung der Zustandsänderungen durch Kohlenstoff Beispiel: 0,4% Kohlenstoff ▪ Legiert man zum Eisen etwas Kohlenstoff hinzu, findet die Erstarrung nicht mehr in einem Temperaturhaltepunkt sondern in einem Temperaturbereich statt. ▪ Der Erstarrungsbeginn liegt bei geringerer Temperatur. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Beeinflussung der Zustandsänderungen durch Kohlenstoff Beispiel: 0,4% Kohlenstoff ▪ Auch die Gamma-Alpha-Umwandlung des Eisens findet nun in einem Temperaturbereich statt. ▪ Der Beginn der Umwandlung wird durch den Kohlenstoff zu niedrigen Temperaturen hin verschoben. ▪ Dennoch wird gegen Ende der Umwandlung ein zusätzlicher Haltepunkt bei 723 °C beobachtet. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Beeinflussung der Zustandsänderungen durch Kohlenstoff 0,8% Kohlenstoff ▪ Eine weitere Zunahme des Kohlenstoffs im Eisen senkt den Erstarrungsbereich weiter ab. ▪ Auch der Beginn der Gamma-Alpha- Umwandlung wird zu kleineren Temperaturen hin verschoben. ▪ Der Temperaturbereich dieser Umwandlung wird kleiner. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Beeinflussung der Zustandsänderungen durch Kohlenstoff Weitere Beobachtungen ▪ Die Gitterumwandlung endet ab einem C-Gehalt von ca. 0,02% unabhängig der C-Konzentration immer bei 723 °C in einem Haltepunkt. ▪ Ab einem C-Gehalt von 0,8% hat sich der Beginn der Gamma-Alpha-Umwandlung so weit abgesenkt, dass dieser mit dem Ende der Umwandlung zusammenfällt. Dies bedeutet, dass wieder ein reiner Haltepunkt bei konstanter Temperatur für diese Umwandlung existiert. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Beeinflussung der Zustandsänderungen durch Kohlenstoff Beispiel: 1,4% Kohlenstoff ▪ Bei einem C-Gehalt größer 0,8% beobachtet man einen zusätzlichen Knickpunkt in der Abkühlkurve. ▪ Das ist der begrenzten Löslichkeit des Kohlenstoffs im kfz-Gitter des Gamma- Eisens geschuldet. ▪ Das Unterschreiten dieser Löslichkeitsgrenze hat eine Ausscheidung des Kohlenstoffs zur Folge. ▪ Beim Ausscheiden wird Energie in Form von Wärme frei. ▪ Die Gamma-Alpha-Umwandlung findet weiterhin bei 723 °C statt. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Beeinflussung der Zustandsänderungen durch Kohlenstoff Wir fassen kurz zusammen ▪ Stähle erstarren in einem Temperatur- Bereich, der durch die Liquidus- und die Solidus-Linie begrenzt wird. ▪ Sowohl die einsetzende Gamma-Alpha Umwandlung als auch das Unterschreiten der Löslichkeitsgrenze hat Konsequenzen für den enthaltenen Kohlenstoff Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Beeinflussung der Zustandsänderungen durch Kohlenstoff Nochmal kurz.. ▪ Für Stähle endet das Eisen-Kohlenstoff- Diagramm bei einem Kohlenstoffgehalt von max. 2,06%. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Beeinflussung der Zustandsänderungen durch Kohlenstoff Nochmal kurz.. ▪ Für Stähle endet das Eisen-Kohlenstoff- Diagramm bei einem Kohlenstoffgehalt von max. 2,06%. ▪ Kohlenstoffgehalte von größer 2,06% führen zu einem grundsätzlich anderen Gefügeaufbau. ▪ Ab einem Kohlenstoffgehalt von 2,06% bezeichnet man die Eisenwerkstoffe nicht mehr als Stähle sondern als Gusseisen. ▪ Diese werden aufgrund ihrer Gefügeeigenschaften vorwiegend im Gussverfahren hergestellt. Phasenumwandlung von Stählen „Während der Erstarrung“ Phasenumwandlung von Stählen Während der Erstarrung Linsenförmiger 2-Phasen- Bereich ▪ Typisch für sog. Mischkristall-Legierungen ▪ Beginn und Anfang äußern sich durch Knickpunkte in den Abkühlkurven Phasenumwandlung von Stählen Während der Erstarrung Eisen & Kohlenstoff als Mischkristalllegierung ▪ Das Ergebnis der Abkühlung unterhalb der Solidustemperatur ist eine Mischkristalllegierung, bei denen der Kohlenstoff vollständig im kfz-Gitter des Gamma-Eisens löslich ist. ▪ Diese vollständige Löslichkeit ist gerade das Merkmal einer Mischkristalllegierung Phasenumwandlung von Stählen Während der Erstarrung Eisen & Kohlenstoff als Mischkristalllegierung ▪ Das Ergebnis der Abkühlung unterhalb der Solidustemperatur ist eine Mischkristalllegierung, bei denen der Kohlenstoff vollständig im kfz-Gitter des Gamma-Eisens löslich ist. ▪ Diese vollständige Löslichkeit ist gerade das Merkmal einer Mischkristalllegierung ▪ Die kleinen Kohlenstoffatome finden dabei in der freien Würfelmitte („Oktaederlücke“) des kfz-Gitters Platz. ▪ Das kfz-Gitter ist also die Voraussetzung für die Existenz des Mischkristalls Phasenumwandlung von Stählen Während der Erstarrung Austenit ▪ Das aus der Schmelze heraus entstandene kfz-Eisengefüge mit den darin eingelagerten Kohlenstoffatomen wird auch als Austenit bezeichnet. ▪ Das Gefüge mit polygonaler Kornform haben wir bereits kennengelernt ▪ Dementsprechend enthält das 2- Phasengebiet zwischen der Solidus- und der Liquidus-Linie „Schmelze“ & „Austenit“ Phasenumwandlung von Stählen „Im erstarrten Zustand“ Phasenumwandlung von Stählen Im erstarrten Zustand Löslichkeit von Kohlenstoff im Alpha-Eisen ▪ Im Gegensatz zum Gamma-Mischkristall ist die Elementarzelle des krz-alpha- Eisens in der Würfelmitte jedoch bereits durch ein Eisen-Atom besetzt. ▪ Das zuvor im Austenit eingelagerte Kohlenstoffatom wird deshalb bei der Gitterumwandlung aus der Gitterstruktur sozusagen heraus gepresst. ▪ Somit handelt es sich im Prinzip um ein kohlenstofffreies alpha-Eisen-Gitter. Dieses wird auch als Ferrit bezeichnet. Phasenumwandlung von Stählen Im erstarrten Zustand Was passiert also mit dem Kohlenstoff ? ▪ Bei hinreichend langsamer Abkühlung und einem relativ hohen Kohlenstoff- Gehalt finden die Kohlenstoffatome genügend Zeit, sich in einer eigenen, hexagonalen Gitterstruktur zusammenzulagern. ▪ In dieser Form bezeichnet man den Kohlenstoff auch als Graphit. ▪ Das wird auch „stabiles System“ genannt, da der Kohlenstoff nicht weiter zerfallen kann und eben im thermodynamischen Sinne stabil ist ▪ Das vorliegende Gefüge besteht demnach aus Eisen & Graphit Phasenumwandlung von Stählen Im erstarrten Zustand Ausscheidung von Kohlenstoff „Das Bilden von Graphit- Ausscheidungen kann nicht ▪ Bei hinreichend langsamer Abkühlung und einem relativ hohen Kohlenstoff- nur durch langsame Gehalt finden die Kohlenstoffatome Abkühlung eingestellt werden, genügend Zeit, sich in einer eigenen, hexagonalen Gitterstruktur sondern bspw. auch durch die zusammenzulagern. Zugabe von Silizium gezielt ▪ In dieser Form bezeichnet man den Kohlenstoff auch als Graphit. befördert werden.“ ▪ Das wird auch „stabiles System“ genannt, da der Kohlenstoff nicht weiter zerfallen kann und eben im thermodynamischen Sinne stabil ist ▪ Das vorliegende Gefüge besteht demnach aus Eisen & Graphit  https://mk-strangguss.de/werkstoffdatenblatt-gjl-250-gg25-grauguss-strangguss-gusseisen-lamellengraphit/?gclid=CjwKCAjw9- 6oBhBaEiwAHv1QvEn-XYvyGGNJay8qJISybWvcoMSbiklP_rVxZnsxo6fRyi5VgqH7AhoC5acQAvD_BwE Gusseisen GJL-250 Gusseisen mit Lamellengraphit = Eisen-Kohlenstoff-Silizium- Gusslegierung ▪ 3,2% C; 2,4% Si; u.W. ▪ Gut zerspanbar ▪ Gute Dämpfungseigenschaften ▪ Gute Schmierwirkung Phasenumwandlung von Stählen Im erstarrten Zustand Ausscheidung von Kohlenstoff ▪ Kühlt man jedoch schneller ab und ist nicht so viel Kohlenstoff vorhanden, können sich die C-Atome nicht mehr zu einer gemeinsamen Graphit- Gitterstruktur anlagern ▪ In diesem Fall verbindet sich der ausscheidende Kohlenstoff mit 3 Eisenatomen zu der Eisenkarbidverbindung Fe3C und bildet eine rhomboetrische Gitterstruktur ▪ Diese intermetallische Eisen-Karbid-Verbindung wird auch als Zementit bezeichnet ▪ Wie der Name bereits vermuten lässt, ist diese Verbindung sehr hart und damit für die Härtesteigerung des Stahls verantwortlich ▪ Die Zementitausscheidung kann bspw. auch gezielt durch das Zulegieren von Mangan befördert werden Phasenumwandlung von Stählen Im erstarrten Zustand Ausscheidung von Kohlenstoff ▪ Die Ausscheidung des Kohlenstoffs als Zementit wird im thermodynamischen Sinne auch als metastabiles System bezeichnet, da die Eisenkarbid-Verbindung bei ausreichend hohen Temperaturen und hinreichend langen Glühzeiten durch Diffusionsprozesse wieder in die thermodyn. stabile Graphit-Form zerfallen würde. ▪ Stähle weisen kleine Kohlenstoffgehalte < 2% auf und sind damit typische Vertreter des metastabilen Systems. ▪ Je nach Ausscheiden des Kohlenstoffs in Graphit oder Zementit unterschieden sich die Linien im Fe-C- Diagramm leicht voneinander. Was passiert, wenn stark kohlenstoffhaltige Stähle noch schneller abgeschreckt werden ?  https://batz-burgel.com/metallhandel/lieferant-stahl/edelstahl-v2a/ Martensit Stähle welche durch eine Umwandlungshärtung entstehen Abschrecken von erhitztem Stahl, z. B. beim Eintauchen in ein Wasserbad. Die gelösten Kohlenstoffatome haben keine Zeit für einen geordneten Platzwechsel. Das führt zu einem Zwangszustand und damit zu einer sehr hohen Härte und hohen Sprödigkeit. Durch eine nachfolgende Wärmebehandlung sind Festigkeit und Verformbarkeit einstellbar. Auf eine Vereinfachung müssen wir noch kurz eingehen „Zwei weitere Haltepunkte von Weicheisen“ Einführung Vereinfachte Abkühlkurve von reinem Eisen Zwei weitere Haltepunkte ▪ Genugenommen weist die Abkühlkurve von reinem Eisen zwei weitere Haltepunkte, bei 1392 °C und 769 °C, auf. ▪ Tatsächlich kristallisiert Eisen nicht in der kfz-Form des Gamma-Eisens sondern zunächst in der krz-Form des Delta-Eisens ▪ Dies hat auch Auswirkungen auf das Phasendiagramm; es ergeben sich in diesem Temperaturbereich zusätzliche Phasengebiete. ▪ Allerdings führen bereits geringe Mengen an Kohlenstoff dazu, dass die krz-delta Phase vollständig unterdrückt wird. Einführung Vereinfachte Abkühlkurve von reinem Eisen Zwei weitere Haltepunkte ▪ Der zweite weitere Haltepunkt bei 769 °C ist allerdings nicht mehr auf eine Gitterumwandlung zurückzuführen. ▪ Ursache dieses Haltepunktes ist ein quantenmechanischer Effekt, der dafür verantwortlich ist, dass Eisen unterhalb dieser Temperatur magnetisch ist, oberhalb jedoch nicht. ▪ Diese Temperatur wird als „Curie- Temperatur“ bezeichnet Legieren „Einstellen von spezifischen Eigenschaften“ Legieren Wirkung der Legierungselemente auf die Stahleigenschaften Nach J. Schlegel: Die Welt des Stahls, Springer, 2021  J. Schlegel: Die Welt des Stahls, Springer, 2021 Ferrit Stähle mit einer stabilen ferritischen, kubisch- raumzentrierten Struktur Charakteristische Legierungszusammensetzungen ▪ Kohlenstoff C: bis 0,1% ▪ Chrom Cr: 11 bis 30% ▪ Mangan Mn: 1,0 bis 1,5% ▪ Molybdän Mo: bis 4,5% ▪ Nickel Ni: bis 1,5%  https://www.thyssenkrupp-materials-processing- europe.com/de/edelstahl/ferritischer-stahl/1.4509-or-x2crtinb18 Ferrit Stähle mit einer stabilen ferritischen, kubisch- raumzentrierten Struktur Beispiel 1.4509 ▪ 0,03% C; 18% Cr; u.W. ▪ Geringe Festigkeiten ▪ Hohe Zähigkeiten ▪ Gut Kaltverformbar ▪ Gut Schweißbar ▪ Gute Korrosionsbeständigkeit ▪ Magnetisch Legieren Wirkung der Legierungselemente auf die Stahleigenschaften Nach J. Schlegel: Die Welt des Stahls, Springer, 2021  https://batz-burgel.com/metallhandel/lieferant-stahl/edelstahl-v2a/ Austenit Stähle mit einer stabilen austenitischen, kubisch- flächenzentrierten Gitterstruktur Durch Zulegieren von Nickel, Mangan, Stickstoff u.W. kann das Austenit-Gebiet so erweitert werden, dass auch bis weit unter der Raumtemperatur und bis zur Schmelztemperatur das kubisch- flächenzentrierte Gitter stabil erhalten bleibt.  https://batz-burgel.com/metallhandel/lieferant-stahl/edelstahl-v2a/ Austenit Stähle mit einer stabilen austenitischen, kubisch- flächenzentrierten Gitterstruktur Charakteristische Legierungszusammensetzungen ▪ Kohlenstoff C: bis 0,1% ▪ Chrom Cr: 16 bis 28% ▪ Nickel Ni: 6 bis 26% ▪ Silizium Si: bis 1,0% ▪ Molybdän Mo: bis 4,0% ▪ Mangan Mn: bis 2,0%  https://batz-burgel.com/metallhandel/lieferant-stahl/edelstahl-v2a/ Austenit Stähle mit einer stabilen austenitischen, kubisch- flächenzentrierten Gitterstruktur Beispiel 1.4301 (V2A) ▪ 0,07% C; 18,5% Cr; 8% Ni, u.W. ▪ Hohe Festigkeiten ▪ Sehr gute Zähigkeiten ▪ Wärmebehandelbar ▪ Ausgezeichnete Schweißbarkeit ▪ Eingeschränkt Korrosionsbeständig ▪ Nicht Magnetisch Noch kurz zur Schweißbarkeit C-Äquivalent, Ni- und Chrom-Äquivalent Schweißeignung, Unlegierte und Schweißeignung, Hochlegierte Stähle Niedriglegierte Stähle ▪ Gefährdungspotenzial, Einschätzung der resultierenden Gefüge, Auswahl von Schweißzusatzwerkstoffen über Chrom- ▪ Die Schweißeignung ist im Wesentlichen vom und Nickel-Äquivalente anhand des Schäffler Diagramms Kohlenstoffgehalt (Aufhärtung/Martensitbildung) und der Menge der Legierungsbestandteile abhängig ▪ Die Härtungsneigung kann durch entsprechende Schweißprozeduren (i.W. Vorwärmung) gezielt beeinflusst werden. Potenzielle Gefährdungs- Gebiete: ▪ Kornwachstum ▪ CE bis 0,45%: Gute Schweißeignung ▪ Härterisse ▪ CE 0,45 bis 0,6%: Bedingte Schweißeignung ▪ -Versprödung ▪ CE über 0,6%: nicht gewährleistete Schweißeignung ▪ Heißrisse  https://www.mobilityengineeringtech.com/component/content/article/adt/p ub/features/articles/47209 Ach ja Diese Äquivalente gelten in 0-ter Ordnung auch für die Einschätzung der Herstellbarkeit mittels etablierter Additiver Fertigungsverfahren wie bspw. den LPBF-Prozess (LPBF = Laser Powder Bed Fusion) Zurück zu den Lernzielen: o Grundlagen zum inneren Aufbau von Stahllegierungen o Verständnis über den Einfluss des Kohlenstoffgehalts auf das resultierende Werkstoffgefüge und deren Eigenschaften o Kenntnis über den Einfluss weiterer Legierungselemente auf die resultierenden Eigenschaften und die sich einstellenden Werkstoffgefüge o Kennenlernen der Bedeutung von Äquivalenten zur Beurteilung der Schweißbarkeit ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ I Werkstoffeigenschaft Minimum Maximum 0,5 6,8...8,0 22,5 Dichte (g/cm3) Holz Osmium 10 290...4000 4800 Zugfestigkeit (N/mm2) Blei Glasfaser 0,2 140...220 350 Bruchzähigkeit (MPa√m) Zement Nickel Therm. 0,5 1,2...15 250 Ausdehnungskoeffizient Glas Polyethylen (10-6 K-1) 0,1 15...60 350 Wärmeleitfähigkeit (W/(mK)) Holz Kupfer 365 1536...1800 3925 Schmelztemperatur (K) PVC Graphit ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪  Abkühlen r (refroidissement) Aufheizen c (chauffage) Ar Schmelze Ac 1536 -Fe krz Ar4 Ac4 1392 -Fe kfz Temperatur in °C 911 Ac3 906 Ar3 -Fe para-magnetisch krz Ar2 Ac2 769 ferro-magnetisch Curie-Punkt Modi- Gitter magnetische fikation Eigenschaften Zeit Ferrit =  - Eisen  - Eisen ▪ ▪ C ▪ Fe  Austenit =  - Eisen ▪ Fe ▪ C ▪  1600  + Schmelze 1500  Schmelze 1400 + Temperatur in °C 1300 +S 1200 1147°C S + Fe3C 1100  1000 900  + Fe3C 800 + 723°C 700  600  + Fe3C 500 1 2 3 4 5 6 6,67 7 Kohlenstoffgehaltgehalt in Gewichtsprozent 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Zementitgehalt in Gewichtsprozent  1600  + Schmelze 1500  Schmelze 1400 + Temperatur in °C 1300 +S 1200 1153°C S+C 1100  1000 900 stabile Ausbildung des Kohlenstoffs (Fe-C) 800 + 738°C 700  600 +C 500 1 2 3 4 5 6 6,67 7 Kohlenstoffgehaltgehalt in Gewichtsprozent ▪ ▪ Δ Δh h1 Energie h2 x1 x2 Δx Weg ▪ ▪ ▪  ▪ ▪ − − ▪ ° ° ▪ °  °  °  Bezeichnung Nähere Kennzeichnung Metallographische C-Gehalt Gittertypen Bezeichnung -Mischkristall