Einf_MaWi_MetalleA - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Universität ...

Aufbau und Eigenschaften Metalle 

Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel 

Kennung MW2 im Modul Materialwissenschaft 

WS 13/14 

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. 

Uni Bayreuth, Aufbau und Eigenschaften Metalle 

1 

Uwe Glatzel, Metallische Werkstoffe

Einteilung der verschiedenen 

Studiengänge und Termine 

Wichtig: In FlexNow sofort zum Praktikum anmelden! 

(außer Physiker) 

Praktikum wahlweise im WS oder im SS. 

21.10.13 1. Vorlesungstermin: 

28.10.13 Praktikumseinführung (siehe Folien 3 und 4) 

04.11.13 2. Vorlesungstermin 

23.12.13 fällt aus (Weihnachtsferien) 




2 


Praktikumsversuche 

• Zug- und Härteprüfung 

• Feinguss 

Krieg (Hochmuth) 

Fleischmann (Kinzel) 

• Metallographie (Probenpräparation, Lichtmikr.) 

Scherm (Daoud) 

Praktikumsanleitungen unter: 

http://www.metalle.uni-bayreuth.de/de/teaching/practical/index.html 

Skript unter: 

http://www.metalle.uni-bayreuth.de/de/download/teaching_downloads/Vorl_Einf_Mawi_Metalle/index.html 


3 


Einteilung im Praktikum 

3 Versuche à ca. 4 Stunden. 

Einteilung in Gruppen à 3 (!!) Studenten am 2. Vorlesungstermin 

mit einer Einführung in die Praktikumsversuche. 

1. Gut vorbereiten! 

2. Praktikum wird benötigt 


4 


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) 


5 


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 


6 


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) 55-5555 

Ludwig-Thoma-Str. 36b (IMA) e-mail: uwe.glatzel@uni-bayreuth.de 


7 


Wo? 

Ludwig-Thoma-Str. 36 b 

95447 Bayreuth 

Industriegebiet Glocke-Süd 


8 


Der Lehrstuhl: 

Auswahl an Industrie- 

Kooperationspartner 

September 2013 

Personal: 

1-3 post-doc 8-10 Doktoranden 

4-5 Techniker 1-2 Azubis (Werkstoffprüfer/Metalltechnik) 

1-2 Sekretärin 3-5 Diplomanden (Materialwissenschaft) 


9 


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 


10 


Exkursionen 

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

MTU, KraussMaffei, Plansee, Sintec, Tyrolit 

05.-07-07.06 

ThyssenKrupp, Duisburg, Juni 2004 

SKF, Schweinfurt, Juni 2005 


11 

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 


12 


"Zentrale" Einrichtungen 

Hans Lassner 

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. 

13 


Hochtemperaturlegierungen 

Nickelbasissuperlegierungen, z.B. mit 

Motoren- und Turbinen Union (MTU 

Aero Engines) 

Dr. Rainer Völkl 

und ein Reihe weiterer Projekte: 

Graduiertenkolleg 

LuFo IV-4 mit MTU: 

Christian Konrad 


14 

Johannes Strößner 


Nickelbasissuperlegierungen 

Einkristalline Nickelbasislegierungen als erste Laufschaufeln 

nach der Brennkammer in Flugturbinen. 

Fan 

Vortrieb 

(Titan) 

Gastemp.: 1500°C 

Werkstoff: 1100°C 

20.000 1/min. 

Verdichter (Titan) 

konst. Spannung 

von ca. 80 MPa 

(1 PKW/cm 2 ) 


15 


Beispiele Gasturbinen 

Anwendung 

Gewicht 

[kg] 

Leistung 

[kW] 

Durchm. 

Scheibe 

[m] 

Drehzahl 

[1/min.] 

max. 

Verbrauch 

[l/h] 

Kosten 

[T€] 

Modellbau 

JetCat 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 Alliance 

GP 7270 für 

Airbus A380 

6 700 

60 000 

(Schub: 370 kN) 

1,00 12 000 ~ 3 600 ~ 13 000 

stationäre Gasturbine 

SGT5- 

8000H, Irsching 

Wirkungsgrad 

> 40% 

GuD > 60% 

444 000 

375 000 

(GuD: 570 MW) 

~ 4,00 3 000 

~ 85 000 

schweres 

Heizöl 

(~ 100 000 

m 3 /h Erdgas) 

~ 200 000 

(Schätzung) 


16 


Große, einkristalline Schaufel 

Schaufel für 

eine stationäre 

Gasturbine 


17 


Konstruktive und werkstoffbedingte 

Steigerung der Temperatur 

Temperatur [°C] 

2000 

1500 

1000 

500 

Polykristall 

militärisch 

zivil 

gerichtete Erstarrung 

Materialtemperatur 

Einkristall 

Gastemperatur 

Steigerung durch 

verbesserte Kühlung 

Temperatursteigerung durch 

bessere Materialien 

1950 1960 1970 1980 1990 2000 

Jahr 

Keramik?? 

Platin? 

konstante 

Steigerung 

5-10°C/Jahr 


18 


Gefüge 

Zweiphasige, einkristalline Nickelbasissuperlegierungen: 

kubisch-flächenzentrierte 

Matrix 

(Nickelmischkristall) 

Ni 3 Al => ebenfalls kfz, aber chemisch 

geordnete L1 2 , oder ' Phase 

Frei von Versetzungen 


19 


Vor und nach Verformung 

Vor der Verformung 

Nach der Verformung 

bei T = 850°C, = 500 MPa 

Längsschnitt, = 1 % 


Lastachse 

20 


Legierungsentwicklung 

Erschmelzen der 

Legierungen im Lichtbogen, 

oder im … 


21 


… Vakuuminduktionsofen 


22 

Ernst Fleischmann 


Gruppe 

Werkstoffprüfung 

Bestimmung von 

Materialkenndaten: 

Benedikt Albert 

Biegefestigkeit, Dr.-Ing. Rainer Völkl 

Bruchfestigkeit, 

Elastizitätsgrenze, 

E-Modul, 

Kerbschlagzähigkeit, 

Korrosionsbeständigkeit, 

Kriechfestigkeit. 

Dehngeschwindigkeiten von 10 -10 s -1 bis 10 2 s -1 

Temperaturen von RT bis 1400°C. 

Christian Hochmuth 


23 


Zugversuch 

Verformung der 

Rundprobe mit 

konstanter 

Geschwindigkeit 

bis zum Bruch 


24 


Hochtemperaturverformung 

bis 1400°C 

Temperatur und 

Last (Kraft) sind 

konstant 


25 


Hochtemperaturverformung 

bis zum Schmelzpunkt 


26 


Lasermetallurgie 

• Laserschweißen 

• Laserlöten 

• Oberflächenbearbeitung 

mittels Laser 

Florian 

Scherm 

DFG, AVIF/FAT und diverse Industrieprojekte 


27 


Laserschweißlöten 

AVIF-Projekt: 

Hybridmischbauweise, 

insbesondere 

Schweiß/Lötverbindung 

von Aluminium mit Stahl 

Titan schweißen möglich 

www.audi.com 


Promotionen: Jean Pierre Bergmann, 

Holger Laukant, Elisa Guimaraens 

28 


Strukturanalyse 

• Rasterelektronenmikroskop mit Focused Ion Beam (Feb. 2005) 

• Transmissionselektronenmikroskop (Jan. 2006) 

Röntgendiffraktometer 

Thermische Analyse 

(DTA, DSC, TG, 

Dilatometer, Laser-Flash) 

Gutachten 

gebrochenes 

Knieimplantat 

Dr.-Ing. Rainer Völkl 


29 



Rasterelektronenmikroskop mit Focused Ion Beam, ZEISS 1540 XB 


30 



Transmissionselektronenmikroskop 

ZEISS Libra 200 FE 

Christian Hochmuth 


31 


Chemische Analyse 

Glow Discharge Optical Emmission 

Spectroskopy (GD-OES) 

Dr. Adelheid Schütz 


32 


Modellierung und 

Simulation 

• Simulation von Kriechverformung 

• Simulation innerer Spannungen in 

mehrphasigen Gefügen 

• Thermodynamische Berechnungen von 

Phasenstabilitäten (ThermoCalc, Dictra) 

Matthias Bensch 


33 


FAN-Tauziehen 

1. Platz 2005 - 2007 2. Platz 2008 

3. Platz 2003, 2010 Viertelfinale 2009 


34 


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.) 


35 


Vergütung (Jan. 2006) 

Anwälte ~ 29.100 € 

Ing. + Naturwiss. ~ 41.000 € 


36 


Jetzige wirtschaftliche Bedeutung der 

Metallindustrie für Deutschland 

Import und Export (2008) 


37 

Uwe Glatzel, Metallische Werkstoffe 

17

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 


38 


Studiengang in Deutschland 

Materialwissenschaft 

Umwelt- und Bioingenieurwiss. 

B.Sc. Engineering Science 


39 


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! 


40 


Geschichte der Metallurgie: 

Bedeutung von Metallen 

für die 

Entwicklung der Menschheit 


41 


Entwicklung der Metallurgie 

Triebkräfte für die Entwicklung der Metallurgie 

Jagd 

Metallische Jagdgeräte mit höherer Effizienz wie z.B. Schneidfähigkeit 

Krieg 

Schmuck 

Industrie 

Information 

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

Metallische Schmuckgegenstände mit höherem Wert für Handel und 

Gesellschaft 

Metallische Werkzeuge für die gestiegenen Anforderungen an 

Schnelligkeit und Automatisierung, wie z. B. Dampfmachine 

Informationstechnologie auf Grundlage metallischer Erzeugnisse, 

wie z.B. Si-Leiterplatten 


42 


18

Metalle im Altertum 

Anfänge der Metallurgie u. Bronzezeit 

Ursprungsgebiet der Metallurgie: 

Nordosten Persiens 

Entdeckung erster Metallanwendungen 

zur Zeit der Hochkulturen der: 

•Ägypter 

•Babylonier 

•Perser 

•Inder 

•Chinesen 

Komplexere Organisation 

der Landwirtschaft in Stromtälern 

mit ausgedehnten 

Bewässerungsanlagen 

Freisetzung einer größeren 

Zahl von Menschen für 

andere Tätigkeiten 

Verbreitung metallurgischer Technologien 

Tätigkeiten außerhalb der 

Landwirtschaft 

Erste Anwendung metallischer Werkstoffe 

(Frühzeit ca. 3000 v. Chr.): 

metallischer Schmuck u. Gefäße 

Entstehung von Handwerksbetrieben 

und dadurch Bedarf 

an metallischen Werkzeugen 


43 


19


Anfänge der Metallurgie u. Bronzezeit 

Erste Verwendung von Kupferwerkstoffen 

für Waffen durch Beimengungen von 

Arsen: 

härter als reines Cu und dadurch 

geeignet für Waffen 

Bronzeguß in Ägypten 1450 v. Chr. 

Verbesserung der Ofentechnik: 

• Erzeugung höhere Temperaturen 

• Entdeckung neuer Metalle (Sn, Pb, Fe) 

• Entdeckung des Legierens 

Weitere treibende Kräfte: Entwicklung 

neuer Gesellschaftsstrukturen: 

Metallgeräte in der Landwirtschaft 

Landwirtschaft Handel 


44 


20


Technik der Metallgewinnung - Bergbau 

Übersicht früher Metallurgie 

Chr. Geb. 

1000 

2000 

3000 

vor Christi Geb. 

Griechische Bergleute in 

Tongrube 575-550 v. Chr. 

4000 

5000 

Förderung von Grubenwasser mit 

archimedischen Schrauben 


45 


21

Metalle im Mittelalter - Bedeutung 

Die sieben mechanischen Künste des Mittelalters 

Agricultura Landwirtschaft Aurifabra Schmiedekunst 

Venatoria Jagd 

Cyrurgia Heilkunst 

Mercatoria Handel 

Architectura Baukunst 

Tympanistria Spielkunst 

Die dargestellten Handwerksgegenstände spiegeln die große Bedeutung metallischen Werkzeugs wider 


46 


26

Metalle in der Neuzeit 

Neue Technologien 

Komplexere 

Ausnutzung 

der vorhandenen 

Erzressourcen 

durch die Weiterentwicklung 

von 

Förder- und 

Bergwerkstechnik 

Feilenhaumaschine von Leonardo da Vinci 

Ab dem 15. Jahrhundert sind erste Ansätze 

für eine Automatisierung der Metallbearbeitung 

erkennbar 


47 


33

Metalle in der Neuzeit 

Neue Technologien 

Hochofen im 16. Jahrhundert 

Wachsende Größe von Hochöfen durch die 

Verbesserung der Luftzufuhr durch 

wassergetriebene Blasebälge 

Walztechnik im 18. Jahrhundert 

Die verbesserte Nutzung der Wasserkraft 

macht erstmals das Walzen von Eisenplatten 

möglich. Die Holzkonstruktion setzte 

derartigen Anlagen jedoch Grenzen 


48 


34

Metalle zur Zeit der 

industriellen Revolution 

Vollkommen neue Technologien! 

Hochofen im 19. Jahrhundert: Die 

Anwendung mit Dampfmaschinen 

betriebener Gebläse erlaubte den 

Bau größerer Hochöfen bis zu 20 t. 

2008: ThyssenKrupp Duisburg, Inbetriebnahme 

Hochofen 8: Kosten ~ 250 Mio. €, 

Höhe: 89 m, täglich ~ 5.600 to Roheisen 

(≙ 700 m 3 Volumen ≈ H32) 


49 


35

Viele weitere Beispiele 

möglich 

(noch zwei negative Beispiele) 


50 




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 


51 




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 

Gesellschaft 

In den dichtbesiedelten Arbeiterwohnvierteln 

(hier London 1870) wohnten Menschen unter 

schlechten hygienischen Bedingungen, was 

zahlreiche Epidemien zur Folge hatte 


52 


43

Einführung in den 

Werkstoff Metall 


53 


Vorkommen der Metalle 

Na 

Ca 3,0 

Fe 3,6 

Al 5,0 

8,1 

Si 

27,7% 

Mg 

K 2,1 

3,0 


Rest 

0,9 

54 

O 

46,6% 

Aber: Aluminiumlegierungen ~ 5 x teurer als Stahl 

Eselsbrücke/Merkspruch: Osialfeca Nakampf-MG 

Element Anteil in % 

O 46,6 

Si 27,7 

Al 8,1 

Fe 5 

Ca 3,6 

Na 3 

K 3 

Mg 2,1 

Ti 0,63 

Mn 0,1 

Cr 0,037 

Zr 0,026 

Ni 0,02 

V 0,017 

Cu 0,01 

U 0,008 

W 0,005 

Zn 0,004 

Pb 0,002 

Co 0,001 

Be 0,001 

Mo 0,0001 

Sn 0,0001 

Sb 0,00001 

Cd 0,00001 

Hg 0,00001 

Bi 0,000001 

Ag 0,000001 

Pt 0,0000001 

Rest 


Anteil der Elemente in der Erdkruste 

bezogen auf 10 6 Siliziumatome 

Eine spezielle 

Person der 

Weltbevölkerung 

(8 Milliarden) 

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


55 


Vorkommen verschiedener Metalle 


56 


Verbrauch verschiedener 

Werkstoffe (relativ) 


57 


Verbrauch absolut 

1000 

Produktion der wichtigsten Werkstoffe in den USA 

Produktion in 10 6 t 

100 

10 

1 

Stahl 

Metalle 

Kupfer und Zink 

Kunststoffe 

Glas 

Aluminium 

Faserverstärkte 

Werkstoffe 

0.1 

1900 1920 1940 1960 1980 2000 

Jahr 

Kurzzeitige Schwankungen wurden ausgeglichen. 


58 


Stahlhersteller 

Unternehmen 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 

Produktion in Mio. Tonnen/Jahr World Steel Association, Ranking 2008 


59 


Stahlerzeugung Weltwirtschaft 


60 


Festigkeit und Elastizitätsmodul 

verschiedener Werkstoffe 

Basalt 

Carbon 

Glass 

... fibre reinforced polymer 


61 


Bruchzähigkeit 

(≙ Schlagempfindlichkeit) 

Wichtigster Werkstoffparameter, Kosten (Masse): 

Stahl : Aluminium : gfrp/Ni : Titan : cfrp 

1 : 5 : 10 : 50 : 500 


62 


Anwendung verschiedener 



63 


Preisentstehung 

Kosten für 

Weiterverarbeitung 

Verfügbarkeit 

( Vorkommen) 

Kosten für 

Darstellung 

Preis des 

Werkstoffs 

Nachfrage 

Preis in DM/kg 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

Kosten 

Vorkommen 

30 €/kg 

0,63% 

0,7 

0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

0,2 

Vorkommen in % 

10 

0 

3 €/kg 

Kupfer 

0,01% 

Titan 

0,1 

0 


64 


Verfügbarkeit und Preisentwicklung 

Beispiel Aluminium 

Faktoren für die 

Standortentwicklung: 

Energiepreise 

Rohstoffe 

Transportwege 

DM/t 

Standort 

€/t 07.09.09: 

1.300 €/t 

4,6 Mio. t Bestand! 


65 


Preisentwicklung Stahl 

Preisspanne für warmgewalzten Stahl in US$/t 


66 

World Steel in Figures, IISI, 2006 


Entwicklung der 

Rohstahlerzeugung 

siehe Folie 60 


67 


Preisentwicklung Au, Pt, Pd, Re 

---- 20 €/g ---- 

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

Stand: 24.10.2010 

---- 40 €/g ---- 

--- 6 €/g --- 


68 


Aufbau und Eigenschaften 

Metallischer Werkstoffe 

• Definitionen 

• Metallbindung 

• Kristallstruktur (ideales Gitter) 

• Gitterbaufehler (reales Gitter) 

• Thermodynamik von Legierungen 

• Verformungsmechanismen 

• Mechanismen der Festigkeitssteigerung und Entfestigung 


69 


Definition Metall 

Ein 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. 


70 


Definitionen metallkundlicher 

Begriffe 

Phase: 

homogener Stoff 

eines Zustandes 

Phasendiagramm H 2 O 

Korn: 

ein durch Korngrenzen 

begrenzter einzelner 

Kristall 

Korngrenzen in 

Molybdän 

Kristall: 

Anordnung der Atome auf 

Gitterplätzen, endliche 

Abmessung 

Aggregat: 

polykristallines einoder 

mehrphasiges Teil 

kubisch-raum-zentrierte 

(krz) Struktur 


71 

Armco-Eisen mit 0,02 % C 


Definitionen metallkundlicher 

Begriffe 

Gefüge: 

Anordnung von 

Phasen und Körnern 

in einem Aggregat, 

Verteilung der 

Defekte 

Seigerung: 

Bereiche mit unterschiedlicher 

chemischer Zusammensetzung 

Primäre Cu 2 O-Kristalle im Cu+ Cu 2 O-Eutektikum 

Orientierung: 

Anordnung der das Kristallgitter 

aufspannenden Vektoren 

relativ zu einem äußeren 

Vektorensystem 


72 


(Struktur-) Metalle mit 

technischer Bedeutung 

Leichtmetalle 

Periodensystem der Elemente 

Metalle 

Metalloide 

Nichtmetalle 

Preis 

Hochtemperaturlegierungen 

auf Nickelbasis 

hochschmelzenden Elemente (Refraktärmetalle) 

PGM, Edelmetalle 


73 


Andere Variante des 

Periodensystems der Elemente 

116 - 24 92 Metalle 

95 - 24 71 Metalle 

ca. 70 der natürlich 

vorkommenden 

Elemente sind Metalle 


74 


Nichtmetalle - Halbmetalle - Metalle 

nach Ionisierungsenergie 

Metalle 8 10 23 

weitere Elemente 


75 


Lieferformen von Metallen 

Bleche 

Unterschiedlichen Werkstoffe: 

(Baustahl, verzinkter Stahl, Cu, 

Messing, Al) 

Bleche mit strukturierter Oberfläche 

Coils 

Profile 

Blöcke 

Strangpressprofile 


76 

Vergüteter Kunststoffformenstahl 


Lieferformen von Metallen 

Formkörper 

Halbzeuge 

Gesenkschmiedeteile 

Walzwerkerzeugnisse 

Pulver 


77 

Ölpumpe aus Sinterstahl 


Metallische Eigenschaften 

• optisch: 

• mechanisch: 

• elektrisch: 

• thermisch: 

metallischer Glanz 

plastische Verformbarkeit 

gute elektrische Leitfähigkeit 

(Leitfähigkeit steigt mit sinkender Temperatur) 

gute Wärmeleitfähigkeit 


78 


Eigenschaften von Metallen 

Stoff Spezifischer Widerstand bei RT (·m) 

Bernstein 

Quarzglas 

Paraffin 

Hartgummi 

Polyvinylchlorid (Vinidur) 

Polymetacrylatharz (Plexiglas) 

Glas 

Phenolharz (Pertinax) 

Keramische Werkstoffe 

Schiefer 

Silizium 

NiCr20 

Blei 

Eisen 

Kupfer 

Silber (höchste elektr. Leitfähigkeit aller Metalle) 

Blei (T < 7,22 K; supraleitend) 

1·10 18 

5·10 16 

3·10 16 

1·10 16 

10 13 -10 14 

10 13 

5·10 11 

10 8 -10 11 

10 7 -10 12 

1·10 6 

2,3·10 -2 

1,5·10 -6 

22·10 -8 

Isolatoren 

Halbleiter 

Legierungen 

10·10 -8 

Leiter (Metalle) 

1,8·10 -8 

1,6·10 -8 

< 10 -26 Supraleiter 


79 


Bindungsarten 

Kovalente Bindung 

(500-1300 kJ/mol) 

gemeinsame 

Valenzelektronen 

positiv 

geladenes 

Ion 

Van der 

Waals- 

Bindung 

(< 50 kJ/mol) 

Polymerwerkstoffe 

Silikate 

Alkali- 

Halogenide 

Münzmetalle 

Ionenbindung 

(600 -1500 kJ/mol) 

Übergangsmetalle 

Metallische 

Bindung 

(100-800 kJ/mol) 

Legierungen 

Anziehungskräfte 

zwischen 

polarisierten 

Atomen 

Anziehungskräfte 

zwischen positiv 

und negativ 

geladenen Ionen 

+ 

+ 

- 

+ 

- - - 

- 

+ 

Metallion 

Elektronengas 


80 


Paarpotenial 

Potentialkurve 

Kugel-Feder-Modell 

U 

U = - r -m + r -n 

F 

F = - 

dU 

dr 

 

~ r -n d 2 U 

E = 

 

dr 2 

r0 

abstoßende Kräfte 

~ r -n-1 

r 0 

T=0 

r 

r 0 

r 

T > 0 

r 0 (T) > r 0 

~ r -m 

m: Exponent des anziehenden 

Potentials (1...6) 

n: Exponent des abstoßenden 

Potentials (9...12) 

anziehende Kräfte 

~ r -m-1 

m < n 

Ruhelage r 0 bei T = 0 K 


81 


Metallische Bindung 

a) Energieniveauschema eines freien 

Na-Atoms 

b) zwei nahe beieinander angeordnete 

Na-Atome (Aufspaltung der 

Energieniveaus) 

a) b) 

c) Energiebänder im Na-Kristall 

(3s-Band ist halb gefüllt) 

d) Modellvorstellung: positiv geladene 

Atomrümpfe, Elektronengas 

c) d) 


82 


Aufbau der Werkstoffe 

Anordnung der Atome in einem Festkörper 

kubisch-raumzentriert 

(krz) 

KRISTALLIN 

lang- und kurzreichweitige 

Ordnung 

GLASIG 

keine lang-, aber kurzreichweitige 

Ordnung 

AMORPH 

keine lang-, keine kurzreichweitige 

Ordnung 

kubisch-flächenzentriert 

(kfz) 

hexagonal- 

dichteste- 

Packung (hdp) 

Metalle 

Kieselglas 

Amorphe Legierung 

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


83 


Kristallographische Punkte 

und Richtungen 

z 

0,0,1 

z 

[0,0,1] 

[1,1,1] 

0,0,0 

½,1,0 

y 

y 

x 

x 

[1,1,0] 


84 


Kristallographische Ebenen 

Millerschen Indizes 

z • Bestimmung der Achsenabschnitte 

m = 2, n = 4, p = 1 

c 

Kehrwerte: 

1 

2 

, 

1 

4 

,1 

a 

b 

y 

• Hauptnenner: 

2 

4 

• Millersche Indizes für Ebenen in 

runden Klammern (hkl): (214) 

, 

1 

4 

, 

4 

4 

x 

1 1 1 

—: —: — h : k : l 

m n p 


85 


Ideales Gitter 

Millersche Indizes wichtiger Netzebenen 

z 

z 

z 

z 

x 

(100) 

y 

x 

(110) 

y 

x 

(111) 

y 

x 

(112) 

y 

Achsenabschnitte 

m 1 1 1 1 

n 1 1 1 

p 1 ½ 


86 


Ideales Gitter 

Netzebenen und Kristallrichtungen 

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

geschweifte Klammern. 

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

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 


87 


Kristallsysteme metallischer 


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 


88 


kubisch raumzentriert - kubisch flächenzentriert 

krz: 

kfz: 

a krz 

a kfz 

Atome je Einheitszelle 

8*1/8 + 1 =2 8*1/8 + 6*1/2 = 4 

Raumerfüllung 

68% 74% 


89 


Räumlich dichteste Kugelpackungen 

{111} Ebenen im kfz-Gitter 

Stapelfolge: 

A 

B 

C 

Die kubisch-flächenzentrierte 

Elementarzelle enthält Gitterebenen 

mit 3-zähliger Symmetrie. 

Die Raumerfüllung von ca. 74% 

entspricht der räumlich dichtesten 

Kugelpackung. 


90 


Räumlich dichteste Kugelpackungen 

hexagonal dichtest gepackt 

kubisch flächenzentriert 

A 

B 

A 

C 

B 

A 

Die beiden Kristallstrukturen unterscheiden sich nur in der Stapelfolge der 

dichtest gepackten Ebenen (hdp: ABABAB, kfz: ABCABC). 


91 


Gitterdefekte 

P' 

Z 

K 

S 

L 

Punktförmige Gitterstörungen (0-dim.): 

Leerstelle (L), Zwischengitteratom (B), 

Substitutionsatom (S) 

Linienförmige Gitterstörungen (1-dim.): 

Stufen-, Schraubenversetzungen ( ) 

G 

P' 

Z 

K 

L 

B 

B 

P 

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 

G 

A 

A 

Schematische Darstellung im 

2-dimensionalen Gitter 


92 


0-dimensionale Gitterdefekte 

Leerstelle Zwischengitteratom Frenkel-Paar 

c 

L 

e 

Q 

kT 

L 

Substitutionsatom 

Einlagerungsatom 

Insbesondere die Leerstelle sind für Diffusionsprozesse verantwortlich 


93 


Mischkristalle 

Die 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 


94 


Substitutionsmischkristalle 

Statistische Verteilung 

Überstruktur (Fernordnung) 

Gitterdeformation 

Nahordnung 

Einphasige Entmischung 


95 


Platzwechselmechanismen 

Diffusion 

Direkter Platzwechsel 

Leerstellenmechanismus 

Zwischengittermechanismus 

energetisch ungünstig 

geringe Aktivierungsenergie 

Selbstdiffusion nur bei 

höheren Temperaturen 

wahrscheinlich 


96 


Massentransport im 

Festkörper (Diffusion) 

D = D 0 exp (-Q / RT) 

1. Ficksches Gesetz: 

c A 

D: Diffusionskonstante 

(„Frequenzfaktor“) 

Q: Aktivierungsenergie 

c A 

J = - D 

x 

J: Diffusionsstrom (Atome/(m 2 *s)) 

D: Diffusionskoeffizient (m 2 /s) 

c 1A 

c 

c 2A 

S 

x 

x 1 x 2 

Diffusionsrichtung x 

2. Ficksches Gesetz: 

c 2 c 

t 

= D 

x 2 


97 


Massentransport im 

Festkörper (Diffusion) 

Diffusion von 

Kupferatomen in Nickel 


98 


Einkristallverformung 

 

 

 

 

 

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. 

 

Theoretische Schubfestigkeit: 

G G 

max = 

23 10 

in Realität G/1.000 


99 



Stufenversetzung 

• Versetzungen sind linienförmige Baufehler des Gitters. 

Schraubenversetzung 

b 

b 

 

s aus der Zeichenebene heraus s 

b 

• 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 

s 


100 


Bewegung von Versetzungen 

(Versetzungsgleiten) 

Läuft die Versetzung 

durch den Kristall, 

erhalten wir einen 

dauerhaft plastisch 

verformten weitgehend 

fehlerfreien 

Kristall 


101 


Verformungsmechanismen 

von Metallen (Versetzungsbewegung) 

 

 

1 2 

3 

1 2 

3 

4 

5 

4 

5 

 

 

 

 

1 2 

3 

1 2 

3 

4 

5 

4 

5 

 

 


102 


Kakteenpark Lanzarote 


103 


Einkristallverformung 

Schmid'sches Schubspannungsgesetz 

 

Gleitebenen- 

Normale 

Für das Abgleiten ist nicht die Normalspannung 

(senkrecht zur Oberfläche), sonder die im Gleitsystem 

wirksame Schubspannung entscheidend. 

 

 

Schmidsches 

Schubspannungsgesetz: 

Abgleiten + 

Gitterrotation 

= cos cos 

Gleitrichtung 

max = /2 (für = = 45°) 

Gleitebene 

„Wurstscheibenmodell“ 

 


104 


Einkristallverformung bei 

größeren Abgleitungen 

Verallgemeinerte Spannungs- 

Dehnungs-Kurve für Einkristalle 

Schubspannung 

II 

I 

0 

I II III 

Abgleitung 

0 : Beginn des plastischens Fließens 

Bereich I: keine Wechselwirkung 

zwischen den einzelnen Gleitversetzungen 

(Einfachgleitung) 

Bereich II: Aufstauung von 

Versetzungen in der Gleitebene 

weitreichende Spannungsfelder 

(Gleitung auf mehreren 

Gleitsystemen) 

Bereich III: Überlagerung mit 

Entfestigungsprozessen 

(dynamische Erholung) 


105 


Gemischte Versetzung 

Ein fließender Übergang 

zwischen Stufen- und 

Schraubenversetzung ist 

möglich 


106 


Versetzungsdichte 

Versetzungslinien sind im Transmissionselektronenmikroskop 

(TEM) sichtbar. 

Die Versetzungsdichte ist vom Verformungszustand des Metalls 

abhängig. 

Versetzungsdichte := Versetzungslänge/Volumen 

Beispiel: 

weichgeglühtes Metall: ca. 10 12 m -2 

das entspricht einer Versetzungslänge von 1 km pro mm 3 ! 

kaltverformtes Metall: ca. 10 16 m -2 

d.h. 10.000 km pro mm 3 ! 

Versetzungen bewirken eine Erhöhung der 

inneren Energie von ca. 10 -8 -10 -9 J/m. 

1 μm 

Versetzungen in kfz (austenitischem) 

Stahl. Versetzungsdichte ca. 

17 / (3,55·10 -11 m 2 ) ≈ 5·10 11 m -2 


107 



Korngrenze 

Kleinwinkelkorngrenze 

Kugelmodell für die Anordnung 

der Atome an einer Korngrenze 


108 

Ansammlung von Stufenversetzungen 

mit gleichem „Vorzeichen“ 



Zwillingsgrenze 

a) b) 

a) Zwillingsbildung 

innerhalb eines Kristalls 

b) Zwillinge in geglühter 

Zinnbronze 

Über Zwillingsbildung ist die 

Verformung des Kristalls 

möglich. 

Stapelfehler 

Fehler in der Stapelfolge der 

dichtestgepackten Ebenen 

Grenzflächenenergie von Kristallen (Beispiel Kupfer): 

Zwillingsgrenze: 30 mJ/m 2 

Stapelfehler: 160 mJ/m 2 

Kleinwinkelkorngrenze: max. 250 mJ/m 2 

Großwinkelkorngrenze: max. 500 mJ/m 2 

freie Oberfläche: 1.600 mJ/m 2 


109 


Verformungsmechanismen von 

Metallen (Zwillingsbildung) 

Gleitung: 

 

 

Zwillingsbildung: 

 

Verformungszwillinge in Eisen nach 

Belichtung mit ns-Laserpulsen 

(Bild: A. Luft, IWS Dresden) 

 


110 


Verformungsmechanismen von 

Metallen (Korngrenzgleiten) 

Unter Korngrenzgleitung versteht man die Verschiebung der 

Körner untereinander. Das Abgleiten der Korngrenzen kann bei 

Temperaturen oberhalb 0,4 T m , d.h. T hom = 40%, zur plastischen 

Verformung beitragen und ist ein wichtiger Verformungsmechanismus 

bei der Hochtemperaturverformung (Kriechen). 

 

Korngrenzendiffusion 

 

 

 

Gitterdiffusion 


111 



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 


112 


Wechselwirkung von 0-D und 1-D Fehlern: 

Versetzungsklettern 

Leerstelle diffundiert zum Versetzungskern. Dies muss über die gesamte 

Länge der Versetzung, bzw. des Hindernisses erfolgen. 

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 > 0,4T m ) eine wichtige Rolle. 


113 


Zusammenfassung Verformungsmechanismen 

durch 0-dimensionale und 1-dim. Fehler: 

0-dim.: 

1-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, ... . 

Versetzungsgleiten verantwortlich für die plastische Verformung 

über den gesamten Temperatur- und Spannungsbereich. 

Versetzungsklettern erfolgt im Temperaturbereich T > 0,4T m . 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. 


114 


Zustandsschaubilder 

alle Diffusionsvorgänge abgeschlossen 

(Gleichgewichtsthermodynamik) 


115 


Einstoffsysteme 

Zustandsschaubild von Magnesium 

Druck p [MPa] 

10 1 

10 0 

10 -1 

10 -2 

10 -3 

10 -4 

10 -5 

Schmelzpunkt 

650°C bei 1 bar 

Normaldruck 

Festkörper 

Schmelze 

Siedepunkt 

1100°C bei 1 bar 

Tripelpunkt 

650°C bei 330 Pa (3,3 mbar) 

Gibbsche Phasenregel: 

F = K + 2 - P 

F: Anzahl der Freiheitsgrade 

des Systems 

K: Anzahl der Komponenten 

P: Anzahl der Phasen 

10 -6 

10 -7 

10 -8 

Dampf 

200 600 1000 1400 


Metalle: 

F = K + 1 - P 

da p ohne Bedeutung 


116 


Zweistoffsysteme 

Ermittlung von Zustandsdiagrammen 

A 

L 1 L 2 L 3 

B 

AB-Mk + Schmelze 

L 1 L 2 L 3 

Temperatur 

Temperatur 

Schmelze 

Mischkristall 

Zeit 

0% 

100% A 

(z.B. Ni) 

Anteil B 

100% 

100% B 

(z.B. Cu) 

Bestimmung der Umwandlungstemperaturen als Knickpunkte in den 

Abkühlkurven bei der jeweiligen Legierungszusammensetzung am Beispiel 

eines Zweistoffsystems mit lückenloser Mischbarkeit (z. B. Ni-Cu). 


117 


Zweistoffsysteme 

Erstarrungsverhalten von Legierungen 

Temperatur 

T l 

T s 

0 

A 

c 

Hebelgesetz: 

m 1 a = m 2 b 

c 

Schmelze 

c nom. 

Anteil an B 

a 

AB-Mk + Schmelze 

c l 

c l2 

AB- 

Mischkristall 

b 

100 

B 

Erstarrung einer Legierung mit der 

Zusammensetzung c nom. : 

Liquidustemperatur T l : Kristallisationskeime 

der Zusammensetzung c 1 

T s < T < T l : Während der Erstarrung ändert 

sich die Zusammensetzung der AB- 

Mischkristalle (c ) und der Restschmelze (c l ). 

Für die jeweiligen Mengenanteile von 

Mischkristall m k und Restschmelze m s gilt 

das Hebelgesetz: 

m k (c nom. -c ) = m s (c l -c nom. ) 

Solidustemperatur T s : Restschmelze hat die 

Zusammensetzung c l2 

m 1 m 2 


118 


Eutektische Zweistoffsysteme 

begrenzte Löslichkeit im festen Zustand 


1200 

1083 

1000 

961 

800 

779 

600 

A 

-Mk 

F 

-Mk + 

Schmelze 

C 

E 

Schmelze 

zweiphasiges Gefüge aus 

-und -Mischkristallen 

-Mischkristalle 

+ Schmelze 

400 

8,8 28,5 

92 

0 20 40 60 80 100 

Ag 

Cu 

% Cu 

D 

B 

-Mk 

G 

AEB Liquiduslinie 

ACEDB Soliduslinie 

CED Eutektikale 

CF Löslichkeitslinie des 

-Mk für Cu 

DG Löslichkeitslinie der 

-Mk für Ag 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T < T e 

Schmelze 

Überprüfe Gibb'sche 

Phasenregel für Metalle 


119 


Beispiel eines eutektischen 

Systems (Blei - Zinn) 

Diamantstruktur 

fcc 

gängige 

Lotlegierung (Zinn- 

Blei-Lot): 

Sn Pb 37 (Sickerlot) 


120 


Phasenumwandlung 

Keimbildung und Wachstum 

Es existiert ein kritischer 

Keimbildung 

(4/3) r 3 f v 

F(r) 

F* total 

4 r 2 E SL 

r* r 

F total 

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. 


121 


Mechanismen der 

Festigkeitssteigerung 

Spannung σ 

= 

F 

A 0 

Beispiel: einachsiger Zugversuch 

Erhöhung der Zugfestigkeit R m 

bzw. der Dehngrenze R p0,2 

Die Festigkeitssteigerung ist in 

der Regel mit einer Verringerung 

des plastischen Verformungsvermögens 

verbunden. 

Die Festigkeitssteigerung von 

Metallen beruht in der Regel 

darauf, die Beweglichkeit der 

Versetzungen einzuschränken. 

Härtungsmechanismen: 

• Kaltverfestigung 

• Mischkristallhärtung 

• Ausscheidungshärtung 

R m 

R p0,2 

A g 

A 

Dehnung = l 

l- l 0 

= 

l 0 l 0 

• Dispersionshärtung 

• Feinkornhärtung 

• Umwandlungshärtung 


122 


Verfahren zur 

Stoffeigenschaftsänderung 

Spannungsarmglühen 

Rekristallisationsglühen 

Homogenisieren und Diffusionsglühen 

+ Kaltverfestigung 

+ Mischkristallhärtung 

+ Umwandlungshärtung 

+ Ausscheidungshärten 

+ Dispersionshärtung 

+ Feinkornhärtung 


123 



(Erholung) 

Spannungsarmglühen ist eine 

Glühbehandlung, die unterhalb der 

Rekristallisationstemperatur (0,4 T m ) 

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. 

Eigenspannung [MPa] 

100 

0 

-100 

-200 

-300 

-400 

-500 

0 200 400 600 

Anlaßtemperatur [°C] 

parallel 

senkrecht 

Abbau von Schleifeigenspannungen durch 

Spannungsarmglühen (Baustahl St37) 


124 


Mechanismus der 

Kristallerholung (Spannungsarmglühung) 

Verformtes Kristallgitter 

Bildung von Subkorngrenzen 


125 


Rekristallisationsglühen 

c 

Rekristallisationsisothermen 

von reinem 

Kupfer nach 98% 

Kaltverformung. Der 

Verlauf lässt sich über 

die Avrami-Beziehung 

annähern: 

 

c 

1 

e 

( Kt 

n 

) 

Die Rekristallisation läuft über die Teilschritte 

Keimbildung und Keimwachstum 

ab. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird 

nach Arrhenius beschrieben über die 

Gleichung: 

v = A e -Q/(kT) 


126 

Diagramm zur Extrapolation 


Mechanismen der Entfestigung 

Rekristallisation 

Rekristallisationsschaubild von Messing 

Festigkeitsverlauf 

Zugfestigkeit 

Erholung 


Kornvergröberung 

Temperatur 

Erholung: Entspannung des Materials 

ohne Kornneubildung 

Kornvergrößerung: Wachstum 

energetisch günstigerer Körner 


127 


Vorgänge bei der 


Keimbildung und Kornwachstum 

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) 


128 


Rekristallisation von Kupfer 

mittl. Korndurchmesser 

Kaltumformung (%) 

Glühung: 30 min 830 °C 

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) 


129 


Erholung - Rekristallistion - 

Kornwachstum 

Einfluss der 

Wärmebehandlung 

auf eine 75% 

kaltverformte 

Messing-Legierung 

CuZn35 


130 


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. 


131 


Festigkeitssteigernde 

Mechanismen 


132 


Kaltverfestigung 

Durch Kaltumformung unterhalb der 

Rekristallisationstemperatur (0,4 T m ) 

(z. B. Walzen, Rundhämmern, Ziehen 

etc.) lässt sich die Festigkeit steigern. 

Gleichzeitig verliert der Werkstoff 

einen Teil seines Verformungsvermögens 

(Duktilität). 

• Zunahme der Versetzungsdichte 

• Zunahme des elektrischen 

Widerstandes 

• z. T. Verschlechterung der 

Korrosionseigenschaften 

• Verformungstextur 

Änderung der mechanischen Kennwerte von Kupfer und 

Messing (CuZn30) als Funktion des Umformgrades 


133 


Kaltverfestigung 

3% 6% 

Zur Erinnerung: 

weichgeglühtes Metall: ca. 10 12 m -2 (1 km pro mm 3 ) 

kaltverformtes Metall: ca. 10 16 m -2 (10.000 km/mm 3 ) 

Ursachen der Verfestigung: 

10% 18% 

Versetzungslinien in austenitischem CrNi- 

Stahl nach Kaltverformung (TEM) 


134 

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. 


Bildung neuer Versetzungen 

(z.B. über Frank-Read-Quelle) 

A 

A 

A 

A 

A 

B 

B 

B 

B 

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 


135 


Mischkristallhärtung 

Elastische 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. 

Schubspannung M [MPa] 

20 

15 

10 

5 

0 

Cu-Sb 

Cu-Sn 

Cu-In 

Cu-Au 

0,5 1,0 1,5 

Atomprozent 

Cu-Mn 

Cu-Si 

Schubspannung M [MPa] 

40 

30 

20 

10 

0 

Cu 

Cu-Ni 

20 40 60 80 100 

Atomprozent Ni 


136 


Umwandlungshärtung 


137 



(enorme Bedeutung bei Stahl) 

Ausschnitt für die 

Wärmebehandlung 

kohlenstoffhaltiger Stähle 

Eisen-Kohlenstoff- 

Phasendiagramm 

kfz 

metastabiles 

System Fe-Fe 3 C 

Stabiles System 

Fe-C 

krz 

eutektoide Zusammensetzung 


138 


Untereutektoider Stahl 

C C < 0,8 wt.% 

ferritisch - 

perlitisch 

20 μm 


139 


Eutektoider Stahl 

C C = 0,8 wt.% 

reiner Perlit 

20 μm 


140 


Übereutektoider Stahl 

C C > 0,8 wt.% 

Perlit und 

Korngrenzenzemetit 

50 μm 


141 



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: 

Haasen, Phys. Metallkunde 

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

{225} bzw. {259} 

(Kurdjumov-Sachs) 

m 

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

(Nishiyama-Wassermann) 

Orientierung der Habitusebene der 

Martensitplatten im Austenitgitter: 


142 


Bain-Modell 

Fe-Atom 

C-Atom in Oktaederlücke 

y, y´ 

[011] A [111] M 

(011) A (121) M 

Umwandlung des kfz- 

Gitters durch Stauchung 

in z-Richtung in ein 

tetragonales raumzentriertes 

Gitter. 

( Martensithärte) 

Diffusionsloser 

Umklappvorgang in 

Verbindung mit 

Scherprozessen 

x 

Kohlenstoffatome 

befinden sich in 

Oktaederlücken. 

x´ 

z 

z´ 


143 


Vergüteter Stahl 

Schematische Darstellung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms eines 

Vergütungsstahls in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung. 

2 

3 

1 

E-Modul und Zusammensetzung 

ändern sich nicht. Jedoch sind 

Zugfestigkeit und 

Bruchdehnung über einen 

weiten Bereich beeinflussbar. 

gehärtet 

(martensitisch) 

vergütet (gehärtet 

und angelassen) 

normalgeglüht 

(weich) 

Schauvorlesung 


144 


Temperaturbereiche für Glühbehandlungen 

der C-Stähle 

1200 

Diffusionsglühen 


1000 

A 3 

800 

600 

400 

200 

G 

Ferrit 

() 

+ 

Anlassen 

Austenit () 

Ferrit + Fe 3 C 

+ Fe 3 C 

0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 

Kohlenstoffgehalt [Gew.-%] 

S 

A c 

m 

A 1 

Hochglühen 

mit langsamer Abkühlung 

bessere Spanbarkeit 

Auflösung des 

Karbidnetzes 

Normalglühen 

Weichglühen 


Ausschnitt aus dem 

Phasendiagramm Fe-Fe 3 C 

zur Wärmebehandlung 

unlegierter Kohlenstoffstähle. 


145 


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 



146 


Wärmebehandlung der Stähle 

Perlit: 

Sorbit: 

Isothermes Zeit-Temperatur- 

Umwandlungsschaubild für einen 

Kohlenstoffstahl mit eutektoider 

Zusammensetzung 

Troostit: 

Bainit: 

Ferrit und Zementit (Fe 3 C) in 

lamellarer Anordnung 

Feinlamellarer Perlit 

Feinstlamellarer Perlit, 

(lichtmikroskopisch nicht 

mehr auflösbar) 

Ferrit mit submikroskopisch 

kleinen Ausscheidungen von 

Fe 3 C 

Zwischenst.: Bainit, Sorbit, Troostit 


147 


Aufkohlen, Einsatzhärten 

Aufkohlen eines Einsatzstahls: 

Kohlenstoffhaltige 

Atmosphäre 

T = 930 °C 

Einsatzstahl 

(z.B. 16MnCr5) 

Kohlenstoffgehalt im Medium 

an der Oberfläche 1,3% 

Kohlenstoffgehalt im Stahl an 

der Oberfläche ≈ 0,8% 


Kohlenstoffgehalt 0,16% 

(Ausgangszustand) 

148 

C-Gehalt [%] 

1,0 

0,8 

0,6 

0,4 

T = 930 °C 

t = 10 h 

0,2 

t = 0,001 h 

0 

0 1 2 3 

Abstand zur Oberfläche [mm] 

c(x,t) = c 1 

-(c 1 

-c 0 

) 

 

 

2 

x 

 

D t 

 


Glühfarben von Eisenwerkstoffen 

Glühtemperatur [°C] 


149 


Ausscheidungshärtung 


150 


Ausscheidungshärtung 

Behinderung der Versetzungsbewegung 

durch ausgeschiedene Teilchen 

Ni 3 Al Ausscheidungen (hell) in 

einer Ni-Matrix (dunkel): 

Voraussetzung ist eine mit steigender Temperatur 

zunehmende Löslichkeit der Komponente B im - 

Mischkristall. 

Um die Gefahr des Aufschmelzens zu vermeiden, muß 

die Homogenisierungstemperatur (T 1 ) unterhalb der 

eutektischen Temperatur liegen! 

Temperatur T 

A 

 

+S 

T T 

1 

1 

Auslagern (T 2 ) 

 

T T 2 

2 

Zweiphasengebiet 

+ 

Konzentration c B 

B 

Temperatur T 

Lösungsglühen (T 1 ) 

Abschrecken übersättigter Mischkristall 

Zeit t 


151 


Ausscheidungshärten 

Aluminium mit Cu 

Bedingung für eine Ausscheidungshärtung aus fester Lösung ist eine 

abnehmende Löslichkeit mit abnehmender Temperatur. 

Al 2 Cu 

AlCu4Mg1, Dural (Düren 1909, durus = hart) 


152 


Auslagern übersättigter 

Mischkristalle 

Cluster 

Zone 

kohärente Ausscheidung 

inkohärente Ausscheidung 

Kohärente und inkohärente 

Ausscheidungen treten sehr 

selten auf. Am häufigsten: 

teil- oder semikohärent. 


153 


Wechselwirkung zwischen 

Versetzungen und Teilchen: 

1. kohärente (schneidbare) Teilchen 

d 

L 

Die Gleitsysteme der Matrix gehen in die 

Gleitsysteme des Teilchens über. 

Versetzungen schneiden die Teilchen unter 

Bildung einer Antiphasengrenze oder von 

Versetzungspaaren. 

 

Versetzung 

 

 

0,1 μm 

Ni 3 Al-Teilchen einer Ni-Cr-Al-Legierung werden von 

Versetzungen geschnitten 

Nembach (1997) 


154 


Wechselwirkung zwischen 

Versetzungen und Teilchen 

2. inkohärente (nicht schneidbare) Teilchen 

L 

- 

+ 

- 

+ 

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). 

- 

+ 


155 


Umgehung von kohärenten Ausscheidungen 

bei hohem Volumenanteil 

L 

Bewegung von 

Versetzungen zu Beginn 

der plastischen 

Verformung nur in der 

leichter verformbaren 

Matrix. 


156 


Ausscheidungshärten 

Anlasstemperatur und -zeit 

Vorgeschichte: Lösungsglühen mit anschließender rascher Abschreckung 

Geschwindigkeit durch 

Temperatur bestimmt (Diffusion). 

Überalterung 

log( ) 

Bei höheren Temperaturen und zu 

langen Zeiten werden die 

Ausscheidungen teilkohärent, 

koagulieren, Abstände zu groß 

(Orowanspannung , σ = Gb/L). 

Effekt der Ausscheidungshärtung mit zunehmender Anlasstemperaturen, bzw. -zeiten 


157 


Heat treatment 

L 

As-cast 

(segregations, 

eutectics) 

Homogenization 

and solution heat 

treatment (very 

small window), 

quenching 

Ageing for 

precipitation of the 

‘-phase 


158 


Microstructure Pt 80 Al 11 Cr 3 Ni 6 

As-cast 

+ aged 

Homogenized and 

water quenched 


159 


Microstructure Pt 78.5 Al 12.5 Cr 3 Ni 6 

3 vol.% ‘ 

34 vol.% ‘ 

No cold or hot formability 

Water quenched 

with > 300 K/s 

single phase 

30 vol.% ‘ 

Homogenized and air cooled with 5 K/s 

Furnace cooled 

with 0,1 K/s 


160 


Dispersionshärtung 

Die Festigkeitssteigerung erfolgt analog zur 

Ausscheidungshärtung. 

Dispersionshärtung: 

feinverteilt eingelagerte Teilchen (meist 

Oxide, z.B. Al 2 O 3 oder Y 2 O 3 ): 

• pulvermetallurgische Herstellung 

• innere Oxidation 

• „mechanisches Legieren“ 

Festigkeit 

Ausscheidungsverfestigung 

• Vorteil im Vgl. zur Ausscheidungshärtung 

Dispersoide haben höhere Temperaturbeständigkeit 

T hom = T m /T 

Dispersionsverfestigung 

1,0 


161 


Feinkornhärtung 

Verformung im Vielkristall 

• 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: 

Den Einfluß der Korngröße auf die 

Streckgrenze beschreibt die Hall-Petch- 

Beziehung: 

= 0 + 

K: Konstante (Korngrenzenfestigkeit) 

d: mittlerer Korndurchmesser 

K 

d 

0 = M 0 

0 : Streckgrenze des Vielkristalls 

M: Taylor-Faktor; M = 3,06 

0 : kritische Schubspannung 


162

Einf_MaWi_MetalleA - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Universität ...

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