Block H1, bzw. VW3* - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe - Universität ...

Werkstofftechnologie und 

Halbzeuge, Teil Metalle 

Block H1, bzw. VW3 * 

Metallische Werkstoffe 

Universität Bayreuth 

WS 08/09 

* Modul Verfahrenstechnik und Werkstofftechnologie im Masterstudiengang Materials Science and Engineering 

1 

Uni Bayreuth, Werkstofftechn. + Halbzeuge, Metalle, H1 Uwe Glatzel, Metallische Werkstoffe

Der Dozent: 

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 (Lst. Metallische Werkstoffe) 

Kontakt: Raum 1.04.1, Tel.: (0921) 55-5555 

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

2 


Empfohlene Literatur 

• W. Bergmann, Werkstofftechnik 1 und 2, Hanser Verlag 

• F. Vollertsen, S. Vogler, Werkstoffeigenschaften und Mikrostruktur, Hauser Verlag, 

München 

• Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer 

• M.Peters, C. Leyens, J. Kumpfert, Titan und Titanlegierungen, DGM Inf.ges. Verlag 

• H. Schumann, Metallographie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 

• H.-J. Bargel, G. Schulze, Werkstoffkunde, VDI-Verlag, Düsseldorf 

• DIN-Taschenbuch 19, Materialprüfnormen für metallische Werkstoffe (Band 1 

und 2), Beuth-Verlag, Berlin 

• E. Hornbogen, H. Warlimont, Metallkunde, Springer-Verlag, Berlin 

• G. E. R. Schulze, Metallphysik, Springer-Verlag, Wien 

• Folien der Vorlesung unter: http://www.uni-bayreuth.de/departments/metalle/Lehre/WTuHZ/ 

3 


Inhalt 

0. Grundsätzliches Metalle (Wiederholung) 

1. Leichtmetalle 

• Aluminium 

• Magnesium 

• Titan 

2. Eisenwerkstoffe 

3. Hochtemperaturlegierungen 

4. Vom Halbzeug zum Bauteil - Umformen 

(Urformen wurde in der Einführungsvorlesung behandelt) 

4 


Grundsätzliches 

• Preisentstehung 

• Verfügbarkeit 

• Werkstoff-Kreisläufe 

• Lieferformen von Metallen 

- Bleche, Profile und Blöcke 

- Pulver, Formkörper 

5 


Verfügbarkeit 

(≠ Vorkommen) 

Kosten für 

Darstellung 

Preisentstehung 

Kosten für 

Weiterverarbeitung 

Preis des 

Werkstoffs 

Nachfrage 

Preis in DM/kg 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

6DM/kg 

Kupfer Titan 

6 

Uni Bayreuth, Werkstofftechn. + Halbzeuge, Metalle, H1 Uwe Glatzel, Metallische Werkstoffe 

0,01% 

60DM/kg 

0,63% 

0,7 

0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

0,2 

0,1 

0 

Vorkommen in %

Faktoren für die 

Standortentwicklung: 

Rohstoffe 

Verfügbarkeit und Preisentwicklung 

z.B. Aluminium 

Energiepreise 

Standort 

Transportwege 

7 


Aluminiumerzeugung 

und -verbrauch 

Aluminiumverbrauch und -produktion in Deutschland 

Hüttenaluminiumerzeugung nach 

Regionen 

Verbrauch an Hüttenaluminium hat 

sich von 1970 - 1990 nahezu 

verdoppelt 

8 


Rohstoffe 

Energie 

Sekundäre Rohstoffe 

Werkstoffkreisläufe 

Metall- 

Gewinnung 

Raffination 

Urform- 

gebung 

Formgebung 

Spanlose 

Spanende 

9 


Wärmebe- 

handlung 

Recycling 

Oberflächen- 

technik- 

Montage 

Einsatz 

Demontage 

Deponien 

Abwärme 

Emission

Bleche 

Profile 

Lieferformen von Metallen 

Unterschiedlichen Werkstoffe: 

(Baustahl, verzinkter Stahl, Cu, 

Messing, Al) 

Bleche mit strukturierter Oberfläche 

10 


Blöcke 

Coils 

Strangpressprofile Vergüteter Kunststoffformenstahl

Halbzeuge 

Lieferformen von Metallen 

Walzwerkserzeugnisse 

Pulver 

Formkörper 

Gesenkschmiedeteile 

Ölpumpe aus Sinterstahl 

11 


Gefüge: 

Anordnung von Phasen 

und Körnern in einem 

Aggregat, Verteilung 

der Defekte 

Orientierung: 

Anordnung der das 

Kristallgitter aufspannenden 

Vektoren 

relativ zu einem äußeren 

Vektorensystem 

Definitionen metallkundlicher Begriffe 

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

Seigerung: 

Bereiche mit unterschiedlicher 

chemischer Zusammen-setzung 

12 


Mechanismen der Entfestigung 

Rekristallisation 

Rekristallisationsschaubild von Messing 

Festigkeitsverlauf 

Temperatur 

13 


Zugfestigkeit 

Erholung 

Rekristallisation 

Kornvergrößerung 

Erholung: Entspannung des Materials 

ohne Kornneubildung 

Kornvergrößerung: Wachstum 

energetisch günstigerer Körner

Vorgänge bei der Rekristallisation 

(schematisch) 

Keimbildung und Kornwachstum 

a) b) 

c) d) 

a) Rekristallisationskeime im 

kaltumgeformten Gefüge 

b) Wachsen vorhandener Keime 

(⇒ rekristallisierte Körner) 

c) Zusammenwachsen 

rekristallisierter Körner 

d) Neues Gefüge aus unverformten 

Körnern (Rekristallisation 

abgeschlossen) 

14 


Verformungsmechanismuskarten 

(Ashby) 

15 


Verformungsmechanismuskarten 

(Ashby) 

Metalle 

Aus den Verformungsmechanismuskarten 

läßt sich entnehmen, welcher Verformungsmechanismus 

bei einer gegebenen 

Temperatur und Spannung in einem 

Werkstoff vorherrschen wird. 

Der angegebene Mechanismus ist im 

Allgemeinen nicht der einzige, der in dem 

jeweiligen Temperatur- und 

Spannungsbereich abläuft. 

Es ist der Mechanismus, der die größte 

Verformungsgeschwindigkeit bei den 

Voraussetzungen: 

angegebenen Bedingungen verursacht. 

• Es wird nur stationäres Kriechen berücksichtigt 

• Verformung durch Zwillingsbildung wird vernachlässigt 

• Wo die Verformungsgeschwindigkeit unmessbar klein wird, wird ein elastischer Bereich angegeben 

• Es wird stets von einer konstanten Struktur, also einer bestimmten Korngröße, ausgegangen 

• Bruch tritt nicht auf 

16 


Leichtmetalle 

Definition: Dichte ρ≤4,5 g/cm 3 

17 


Al-, Mg-, Ti-Werkstoffe 

• Magnesium (1,74 g/cm 3 ) 

• Beryllium (1,85 g/cm 3 ) 

• Aluminium (2,70 g/cm 3 ) 

• Titan (4,51 g/cm 3 ) 

18 


Aluminium und 

seine Legierungen 

19 


Aluminium 

Ordnungszahl 13 

Atomgewicht 26,98 u 

Gitteraufbau kfz 

Dichte 2,7 g/cm 3 

Schmelztemperatur 659 °C 

Volumenabnahme (flüssig-fest) 6,5 % 

Linearer Ausdehnungskoeffizient (20-100°C) 23,6*10 -6 1/k 

Elastizitätsmodul 67 GPa 

Schubmodul 25,0 GPa 

Zugfestigkeit R m 80-100 MPa 

Bruchdehnung ~ 40 % 

Schmelzwärme 390 kJ/kg 

Siedetemperatur 2500 °C 

Verdampfungswärme 11,4 MJ/kg 

Elektrische Leitfähigkeit 37,67 m/Ω*mm 2 

Spezifischer elektrischer Widerstand 26,55 nΩ*m 

Wärmeleitfähigkeit 235 W/m*K 

Oberflächenspannung bei 660°C 0,86 N/m 

Standardpotential -1,67 V 

20 


Aluminiumgewinnung nach dem Bayer-Verfahren 

u. Aluminiumelektrolyse 

Aluminium – 

Bayer-Verfahren 

Schematischer Ablauf der Aluminiumgewinnung 

aus Bauxit 

AlO(OH) 

Na 3 AlF 6 

21 


Zweischichtelektrolyse 

Dreischichtelektrolyse 

Aluminium – 

Schmelzflußelektrolyse u. Raffination 

Schmelzflußelektrolyse, 

Vorgänge 

Rohstoff- und 

Energieaufwand 

22 


Al-Schmelzflusselektrolyse 

(werden verbraucht) 

(Kohle) 

1852: 1000 €/kg 1895: 1,1 €/kg 

1964: 0,5 €/kg heute: 2 €/kg 

Elektrolyt als niedrig-schmelzendes 

Eutektikum (T m = 935°C, ρ = 2,15 

g/cm 3 ) mit 20% Al 2 O 3 und 80% 

Kryolith (Na 3 AlF 6 ). Kryolith wirkt 

als Katalysator, wird also kaum 

verbraucht. Al mit höherer Dichte 

(2,35 g/cm3 bei 900°C) sinkt nach 

unten und wird alle 1-2 Tage 

abgestochen. Al 2 O 3 wird 

kontinuierlich nachgefüllt. 

Al 2 O 3 + 3 C � 2 Al + 3 CO 

Nur 5% der Energie wird für die 

Neudarstellung verwendet. 

23 


Aluminiumlegierungen 

Wirkung von Legierungselementen 

Kornfeinungsmittel für Aluminiumguß: Titan, Bor (Vorlegierung mit 5% Ti + 1% B) 

Veredelung der Schmelze: Phosphor, Natrium, Strontium 

Wichtigsten Legierungselemente: 

Magnesium, Silizium, Kupfer, Zink, Lithium Ausscheidungshärtung 

Mangan Erhöhung der Rekristallisationstemperatur 

Titan Kornfeinungsmittel, Korrosionsbeständigkeit 

Chrom Korrosionsbeständigkeit 

Eisen „Keimbildner für Mg2Si“ 24 


Einteilung von 

Aluminiumwerkstoffen 

Aluminiumknetlegierungen (DIN 1725/T1) Aluminiumgußlegierungen (DIN 1725/T2) 

aushärtbare 

bzw. 

naturharte 

Legierungen 

Knetwerkstoffe: AlMgSi, AlCuMg, AlCuSiMg, AlZnMg, AlZnMgCu, AlLi 

Gußwerkstoffe: AlMgSi, AlCuTi, AlCuTiMg, AlLi 

25 


Einteilung von 

Aluminiumwerkstoffen 

Aushärtbare Aluminiumlegierungen 

Knetwerkstoffe: AlMgSi, AlCuMg 

AlCuSiMg, AlZnMg 

AlZnMgCu, AlLi 

Gußwerkstoffe: AlMgSi, AlCuTi 

AlCuTiMg, AlLi 

Nicht aushärtbare Aluminiumlegierungen 

Wichtigsten Vertreter dieser Werkstoffgruppe: 

AlMn, AlMg, AlMgMn, AlSi, 

Neben den Werkstoffnummern (3.0000 - 3.4999 für Al-Legierungen, z.B. 3.3549) 

ist die "AA-Liste" (z.B. AA 5182) der Aluminium Association (USA) das 

gebräuchlichste Legierungsregister. Daneben AC-Legierungen, Handelsnahme der 

Firma ALCAN. 

26 



nach DIN EN 573 

Quelle: Rieg, Taschenbuch der Maschinenelemente 

27 


Aushärtungevorgang bei 

Aluminiumlegierungen (schematisch) 

meist der 

entscheidende 

Schritt 

28 


Bezeichnungen ausgehärteter 


29 


Phasendiagramm Al-Cu 

(2.000-Serie) 

30 


Ausscheidungssequenzen im System 

Aluminium-Kupfer (2.000-Serie) 

Schnitt durch Guinier-Preston-Zone I (links) 

und GPZ II (rechts) 

(parallel zur (200)-Ebene) 

Reihenfolge: 

1. GPZ I 

2. GPZ II oder Θ'' 

3. Θ' 

4. Θ (Al 2Cu) 

Kristallstrukturen: 

31 


Cu 

Al

Nicht aushärtbare 


Die Festigkeit dieser Legierungen wird im wesentlichen durch eine 

Mischkristallverfestigung bestimmt. 

Bei Knetlegierungen ist eine Veränderung der mechanisch-technologischen 

Eigenschaften durch Kaltverformen üblich. 

Grad der Verfestigung wird in älteren Normen beschrieben durch die Bezeichnungen 

weich (1,0 x R m ) halbhart (1,2 x R m ) hart (1,4 x R m ) 

(heute teilweise ersetzt durch die „F-Zahl“, d.h. F30 entspricht Zugfestigkeit > 300 MPa ) 

32 


Bruchzähigkeit verschiedener 


Ziel der Werkstoffentwicklung: 

Legierungen mit hoher 

Festigkeit und gleichzeitig 

hoher Bruchzähigkeit 

Merke: 

Anteil an unlöslichen 

Bestandteilen beeinflussen 

wesentlich die Rißeinleitung 

und Rißwachstum 

33 


Zustandsdiagramm von 

Aluminium-Silizium (4.000-Serie) 

G-AlSi12 ist eine eutektische Gußlegierung 

• ausgezeichnetes Formfüllungsvermögen 

• hohe Warmrißbeständigkeit 

• ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit 

(Ausbildung einer SiO 2 -Oberflächenschicht) 

Gestrichelte Linien deuten die Unterkühlbarkeit 

an (für veredelte Legierungen) 

Veredelung bedeuted die Beeinflussung 

des Keimzustandes bzw. der Unterkühlung 

durch Zugabe von Natrium oder Strontium 

34 


Zustandsdiagramm 

Aluminium-Magnesium (5.000-Serie) 

AlMg- Legierungen sind „naturhart“ (d.h. 

nicht aushärtbar) 

• gute Eloxierbarkeit (Einsatz für 

Dekorationszwecke) 

• ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit an 

Luft und Seewasser 

Gefüge von AlMg 3 

35 


Aluminiumwerkstoffe zum Tiefziehen 

Herstellungsweg von Al-Karosserieblechen 

BDLO = Banddurchlaufofen 

Quelle: Alcan 

36 


AlMgSi (aushärtbar) 

Keine 

� 

++ 

++ 

BDLO 

+++ 

+++ 

+++ 

+++ 

++ 

+++ 

+++ 

Aluminiumwerkstoffe zum 

Tiefziehen 

Kriterium 

Lüderslinien 

Festigkeitsänderung KTL 

Umformvermögen 

Bördeleigenschaften 

Equipment Glühen 

Korrosionsverhalten 

Warmbeständigkeit ≥ 65 °C 

Crashverhalten 

Sichtansprüche 

Max. Umformvermögen 

Potenzial Dickenreduktion 

Sortenreine Bauweise Recycling 

AlMgMn (naturhart) 

(A), B 

BDLO oder Batch 

Fallweise prüfen 

37 


� 

+++ 

+++ 

+++ 

+++ 

(+) 

+++ 

+ 

++

Umformen – Tiefziehen 


Verwendung von Fließfigurenfreien (fff) – Legierungen für Außenhautanwendungen 

6xxx = fff 5xxx = Fließfiguren 

38 



Tiefziehteil für den Kfz-Bereich 

Grobkornbildung im Bereich 

schwacher Umformung 

39 


Aluminiumlegierungssysteme zum 

Tiefziehen 

Quelle: Alcan 

40 


Zugfestigkeit Normprobe [MPa] 

Festigkeitsvergleich 

Stahl- ↔ Aluminium-Karrosserieblech 

300 

250 

200 

150 

100 

50 

0 

DX56D+Z 

250 

200 

150 

100 

50 

0 

AC120PX 

T6 

250 

200 

150 

100 

50 

AC120PX 

0 

T4 

maximale Kraft [kN] / Weg bis F max [mm] 

Stahlblech mit 0,9 mm Stärke 

im Vergleich zum 

Aluminiumblech mit 1,1 mm Stärke 

in den Zuständen T4 und T6. 

(Skalen auf Blechdicke bezogen) 

41 


Verformungsanalyse einer gefügten 

Probe im Scherzugversuch 

DC04+ZE75/75 (0,9 mm) DC04+ZE75/75 (0,9 mm) 

Stahl Stahl 

Aluminium Aluminium 

AC120PX (T4) (1,1 mm) AC120PX (T6) (1,1 mm) 

→ Starke Deformation und Spannung im Randbereich 

Zugscherversuch 

42 


Verwendungsbereiche von 

Aluminiumblechen 

43 


Magnesium und 

seine Legierungen 

44 


Magnesium - Eigenschaften 

Kristallstruktur: hdp, mit c:a = 1,627 (im Vergleich zu 1,633) 

Schmelztemperatur: 649°C 

Siedetemperatur: 1120°C 

Dichte: 1,74 g/cm³ (leichtestes von den in größeren 

Mengen genutzten Metallen) 

E-Modul: 45 GPa 

Härte: ca. 40 HB 

Zugfestigkeit: ca. 150 MPa 

Wärmeleitfähigkeit: 156 W/m . K 

spez. el. Widerstand: 4,38 µW . cm 

therm. Ausdehnungskoeffizient: 26,1 . 10 -6 K -1 

Bruchdehnung: 1 - 12% 

45 


Magnesium 

Produktion,Verwendung 

Weltjahresproduktion: ca. 250.000 t 

Recyclingquote: ca. 40 % 

Preis: ca. 3 €/kg 

50 % des Magnesium wird als Legierungszusatz für Aluminiumlegierungen 

verwendet 

25 % als Mg-Legierung 

15 % in der chemische Industrie und zur Metalldarstellung (z. B. 

Kroll-Prozeß) 

10 % Zur Entschwefelung und Desoxodation von Stahl und zur 

Erzeugung von GGG 

46 


Magnesium 

Rohstoffe, Lagerstätten, Darstellung 

Wichtigste Erze sind: 

• Carnallit (KCl . MgCl 2 . 6H2O) mit 8 % Mg 

• Magnesit (MgCO 3 ) mit 27 % Mg 

• Dolomit (CaCO 3 . MgCO3) mit 13 % Mg 

Magnesium ist zu etwa 2,3 % in der 

Erdrinde enthalten und kommt fast überall 

vor. (Auch in Meerwasser ca. 1,3 kg Mg /m³ 

enthalten, Totes Meer deutlich mehr!!!) 

Größte Erzeuger: USA, Rußland, Norwegen 

Aufgrund des hohen Energiebedarfs zur Herstellung von Mg erfolgt die Erzeugung vorrangig 

in Ländern, die über billige Energiequellen verfügen. 

Wichtigste Herstellungsroute ist die Schmelzflußelektrolyse (vergleichbar mit der 

Aluminiumdarstellung) aus Magnesiumchlorid (etwa 70 %). Etwa 30 % werden durch 

thermische Reduktion mit Ferrosilizium aus Magnesiumoxid gewonnen. Die thermische 

Reduktion basiert hauptsächlich auf gebranntem Dolomit. 

Das elektrolytisch und thermisch erzeugte Rohmagnesium enthält noch Verunreinigungen und 

wird flüssig mit Flußmittel-Salzen und Chlorgas oder Stickstoff raffiniert. 

Reinst-Magnesium (99,99 %) erzeugt man durch Destillation im Hochvakuum. 

47 


Magnesium 

Schmelzflußelektrolyse 

Elektrolysezelle zur Gewinnung von 

Magnesium aus MgCl 2 

Temperatur: 700 - 750 °C 

Anfangsgehalt: 15 % MgCl2 Zusätze: Na2O, K2O, CaO zur 

Schmelzpunkterniedrigung 

Das Mg scheidet sich flüssig an der 

Fe-Kathode ab und schwimmt auf 

dem Elektrolyten. Wegen der 

Sauerstoffaffinität wird das Mg zum 

Abschöpfen mit Schwefel-pulver 

abgedeckt und somit eine SO 2- 

Atmosphäre geschaffen. 

Die keramischen Trennwände 

verhindern den Kontakt des 

Magnesiums mit dem Chlorgas und 

damit eine Rückchlorierung 

48 


Magnesiumlegierungen 

• Brennbarkeit (Pulver selbstentzündlich und nicht löschbar). 

• reines Magnesium: Problem der Verarbeitbarkeit (praktisch nicht 

kaltumformbar), da hexagonale Kristallstruktur. 

• reines Magnesium schlecht 

gießbar, aber in dieser 

Beziehung wurden in den 

letzten Jahren enorme 

Fortschritte erzielt (die sog. 

AJ-Legierungen mit sehr 

guten Druckgußeigenschaften). 

Z.B.: AJ52 (Mg Al 5 Sr 2,0) 

AJ62 (Mg Al 6 Sr 2,3) 

• Kriechen und Sublimation 

BMW 6-Zylinderreihenmotor, 

in Serie ab 2004, 24% Gewichtsersparnis 

49 


Magnesium - Gußlegierungen 

Die große Erstarrungsschwindung von 4 % macht Mg-Legierungen anfällig für Poren 

und Lunker. Zudem zeichnet sich Mg durch eine niedrige Wärmekapazität 

(ermöglicht kurze Zykluszeiten) und schlechtes Formfüllungsvermögen aus. Deshalb 

wird der größte Teil der Magnesiumlegierungen im Druckguß (90%) verarbeitet. Als 

Tiegelmaterial wird Eisen und als Werkzeugmaterial wird Stahl eingesetzt, da Eisen 

von flüssigem Magnesium nicht angegriffen wird. 

Auswahl einiger genormter Mg-Gußlegierungen 

Kurzzeichen Werkstoffnummer R P 0,2 R m A Härte Handelsübliche 

MPa MPa % HB 5/250 Bezeichnung 

G-MgAl18Zn1 3.5812.05 140-160 200-240 1-3 60-85 AZ 81 

G-MgAl19Zn1 3.5912.05 150-170 200-250 0,5-3 65-85 AZ 91 

G-MgAl6 3.5662.05 120-150 190-230 4-8 55-70 A 6 

G-MgAl6Zn1 3.5612.05 130-160 200-240 3-6 55-70 AZ 61 

G-MGAl4Si1 3.5470.05 120-150 200-250 3-6 60-90 AS 41 

G-MGAl6Sr2 ? 130-150 200-250 7-9 55-65 AJ 62 

50 


Magnesium 

Verarbeitung 

Magnesiumschmelze wird zum Schutz vor 

Selbstentzündung mit Schwefel abgedeckt. 

Bei Raumtemperatur ist Magnesium schlecht 

umformbar (Gleiten nur auf Basisebene), bei 

ca. 200°C sprunghafter Übergang zu höherer 

Duktilität (Aktivierung neuer Gleitsysteme). 

Aufgrund aus-geprägter Anisotropie und 

durch Glühen nicht ausgleichbarer Textur 

wird Magnesium nur in geringem Maß als 

Knetlegierung eingesetzt. Mg-Legierungen 

sind jedoch hervorragend spanend zu 

bearbeiten. Wegen der Gefahr der 

Selbstentzündung der Späne wird dabei 

trocken oder unter Öl gearbeitet. 

51 


Phasendiagramm Mg - Al 

Zulegieren mit 

leichten Elementen 

(Al, Sr). 

Die Al 12 Mg 17 

intermetallische 

Phase bildet mit der 

Mg-Matrix ein 

Lamellengefüge 

52 


Instrumententafel PKW 

Sitzschale PKW 

Magnesium 

Anwendungsbeispiele 

Werksmaschine Ralf Waldmann 

1993 mit Mg-Gußfelgen 

Flugzeugmotor mit Kurbelgehäuse 

aus Mg-Gußlegierung 

Allradgetriebegehäuse 

VW-Käfer (ca. 1940) Motor und Getriebegehäuse 

PKW-Lenkrad 

53 


Titan und seine 

Legierungen 

54 


Titan - Eigenschaften 

Kristallstruktur: α: hdp, mit c:a = 1,60 

β: krz (>882 °C) 

Schmelztemperatur: 1668 °C 

Dichte: 4,5 g/cm³ (Leichtmetall) 

E-Modul: 105 GPa 

Härte: ca. 120 HB 

Zugfestigkeit: ca. 350 MPa 

Wärmeleitfähigkeit: 15 W/m . K 

spez. el. Widerstand: 42 µW . cm 

therm. Ausdehnungskoeffizient: 8,35 . 10 -6 K -1 

55 


Titan 

Rohstoffe, Lagerstätten, Darstellung 

Wichtigste Erze sind: 

• Rutil mit bis zu 98 % TiO 2 

• Ilmenit (FeTiO 3) mit bis zu 65 % TiO 2 

Haupterzeuger von TiO 2: 

• USA (ca. 33 %) 

• Westeuropa (ca. 50 %) 

• ehem. UdSSR 

Nur ca. 10 % des TiO 2 wird zu Metall verarbeitet. Der größte Teil wird als weißes Pigment in 

der Farbenindustrie verwendet. 

Die direkte Reduktion zu metallischem Titan ist aufgrund der hohen Bildungswärme des 

Titandioxids (954,5 kJ/mol) und der großen Löslichkeit von Sauerstoff in Titan bisher nicht 

möglich. Großtechnische Herstellung durch Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium 

(Kroll-Prozeß, erst seit 1946). 

Die Herstellung des TiCl 4 erfolgt überwiegend nach dem kontinuierlichen 

Wirbelschichtverfahren. Dabei wird Ilmenit oder Rutil unter Zugabe von Koks chloriert 

TiO 2 + 2C + 2Cl 2 ↔ TiCl 4 +2CO 

56 


Elektolytischer Prozeß 

Titan 

Verfahren zur Herstellung 

Kroll-Prozeß, über 

Mg-Reduktion 

� erst ab 1949 

größere Mengen 

Titan zur Verfügung 

57 


H 2 O, 

HCl, 

HNO 3 

Titan 

Darstellung (Kroll-Verfahren) 

Mg 

(flüssig) 

Laugen 

TiCl 4 

Reduktionsreaktor 

Roh-Titanschwamm 

Zerkleinern 

Titanschwamm 

MgCl 2 

Vakuumdestillation 

Elektrolyse 

MgCl 2 , 

Mg/Ti-Chloride 

58 


Mg 

Cl 2

Titan 

Rohblockherstellung 

Unlegierter 

Titanblock 

Vakuumlichtbogenofen mit 

abschmelzender Elektrode 

Titanblock 

nach dem 

Ziehen des 

Tiegels 

Vakuumlichtbogenofen mit 

Fremdelektrode 

Vakuumlichtbogenofen 

max. Blockgewicht 

13 t 

Elektronenstrahlofen 

59 


Tigelloses Umschmelzen 

Da Titan extrem reaktiv ist, kann es nur 

tigellos oder mit Kaltwandtigeln 

umgeschmolzen und gereinigt 

(Sauerstoff-anteil reduziert) werden. 

60 


Titan - Eigenschaften 

+ ausgezeichnete 

Korrosionsbeständigkeit 

gegenüber oxidierenden 

wässrigen Medien und in vivo � 

Implantatmaterial 

+ hohe Festigkeiten 1.000 - 1.400 

MPa (vergleichbar Stahl), 

einsetzbar bis 500°C � füllen 

Lücke zwischen Al und 

warmfesten Stählen. 

+ gute Bruchfestigkeit/Dichte 

Verhältnis 

- Preis 

- Kerbschlagempfindlichkeit Pourbaix-Diagramm von Titan 

61 


Titan 

Verarbeitung, Formgebung 

Gießen Umformen 

• hoher Schmelzpunkt und Reaktionsfreudigkeit 

(Ti reagiert mit allen Tiegel-materialien) und 

Sauerstoff-affinität � Elektronenstrahlschmelzen 

in Ti-Tiegeln, Guß in gekühlte Cu- 

Formen oder Graphit. 

• hohe Oberflächenspannung schlechtes 

Formfüllungs-vermögen � Vakuumdruck-guß. 

Gebräuchlich ist z.B. das 

Warmwalzen „im Hemd“, 

d.h. der Titanblock wird in 

Stahlmantel eingeschweißt 

und gemeinsam gewalzt, 

um Verzunderung zu 

vermeiden 

Rein-Titan und α-Titan-Legierungen sind schweißbar (Ar- oder He- 

Schutzgas), β- und (α + β)-Legierungen verspröden. 

62 


Titan 

Verarbeitung 

Vakuum-Lichtbogenofen zum Umschmelzen, 

Raffinieren, Legieren paketierter Titanschwammblöcke, 

max. Kapazität: 13 t Titan 

Beladen eines Schmiedeofens 

63 


Festigkeit in N/mm² 

700 

600 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

Titan 

Sauerstoffeinfluss 

Titan technischer Reinheit wird aufgrund seiner Festigkeit und 

Korrosionsbeständigkeit im chemischen Apparatebau eingesetzt, z.B. für 

Wärmetauscher, Heizschlangen, Behälterauskleidungen 

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 

Sauerstoffgehalt in % 

Zugfestigkeit Streckgrenze Bruchdehnung 

64 


40 

35 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

Bruchdehnung in % 

Einfluß des Sauerstoffgehalts auf 

die Festigkeit unlegierten Titans

Titan und seine Legierungen 

Festigkeitsbereich von Rein-Titan: 290 bis 740 N/mm 2 

Merke: 

Eigenschaften werden dabei hauptsächlich durch Abstufung des 

Sauerstoffgehaltes erzielt. Mit 

zunehmendem Sauerstoffgehalt 

nehmen Festigkeit und Härte zu, 

während die Zähigkeitabnimmt. 

Palladium- und Nickel-Molybdänlegiertes 

Titan zeichnet sich 

gegenüber unlegiertem Titan durch 

nochmals verbesserte 

Korrosionsbeständigkeit aus. 

Deutsche Titan (ThyssenKrupp Stainless) 

1% Pd 

TiAl6V4 

65 


Titanlegierungen 

Festigkeitswerte 

Festigkeitswerte typischer Ti-Legierungen (weichgeglüht) 

Legierung R P 0,2 R m A 

[N/mm²] [N/mm²] [%] 

TiAl5Sn2,5 840 880 18 

TiAl6V4 1050 1200 18 

TiV13Cr11Al3 1200 1270 15 

66 


Titan - Legierungselemente 

Die Hauptlegierungselemente für Titan teilt man nach ihrer Wirkung auf die 

Gitterstruktur ein: 

α-stabilisierend (hcp): Al, Sn, O, N, C 

β-stabilisierend (bcc): V, Mo, Cr, Cu, Zr, H 

Dementsprechend unterscheidet man je nach Kristalltyp drei Legierungsgruppen: 

hexagonale α-Legierungen 

• mäßig kaltverformbar 

• Diffusionsgeschwindigkeit der 

versprödenden Elemente O, N, C 

geringer als in β-Legierungen � 

geeignet für Anwendungen bei 

höheren Temperaturen (z.B. 

Strahltriebwerke) 

Beispiel: TiAl5Sn2,5 

Zweiphasige (α + β)-Leg. 

• guter Kompromiß zwischen 

Festigkeit und Dichte 

• aushärtbar 

Beispiel: TiAl6V4 

krz- β-Legierungen 

• hohe Festigkeit 

• gut kaltverformbar 

• höhere Dichte wegen der 

zugesetzten Schwermetalle 

Beispiel : TiV13Cr11Al3 

67 


Phasendiagramm Ti - Al 

(Al stabilisiert α-Phase) 

68 


Phasendiagramm Ti - V 

(V stabilisiert β-Phase) 

69 


Ausschnitt aus dem ternären 

Phasendiagramm Al-Ti-V 

70 


TiAl6V4 Mikrostruktur 

verschiedener Anwendungen 

Ausgangsmaterial vor dem Schmieden für Pleuelstangen (Automobil) 

71 




gefertigtes Pleuel 

72 




Verdichterschaufel für Flugturbine (Flugzeug) 

73 




Schienbeinnagel (ca. 35 cm lang) zur Knochenstabilisierung (Mensch) 

74 


Titan - Anwendungen 

links: Rennmotor: Ti Al 6 V 4, 420 g 

rechts: Serienmotor: 25 Cr Mo 4 V, 650 g 

� Gewichtsersparnis um 35% 

trotz größerem Volumen 

75 


Titan - Anwendungsmerkmale 

Die Anwendungen von Titanlegierungen können grob in drei Kategorien unterteilt 

werden: 

• Anwendungen, bei denen gute Struktur- und/oder Temperatureigenschaften von Titanlegierungen 

im Verhältnis zu ihrer geringen Dichte erforderlich sind. Tatsächlich ist das 

Verhältnis zwischen den Festigkeitseigenschaften und der Dichte das höchste bei den 

metallischen Bauteilen. 

• Anwendungen, bei denen ein sehr hoher Korrosionswiderstand gegen bestimmte 

aggressive Medien, wie in der chemischen Industrie, verlangt wird. 

• Spezielle Anwendungen, die auf den einzigartigen Eigenschaften von Reintitan und 

Titanlegierungen basieren. 

76 


Titan - 

Einsatz im Automobilbau 

Einsatzgebiete: z. B. Abgasanlagen, Bremssysteme, Pleuel, Ventile, Federn 

Werkstoffauswahl: Reintitanwerkstoff 12 (3.7025) und RT 15 (3.7035) 

Auswahl entsprechend dem Umformgrad zur Herstellung 

des jeweiligen Bauteils. 

Als Verformungsverfahren dünner Bleche oder 

dünnwandiger Rohre aus TiAl6V4 wird in der Luftund 

Raumfahrt in vielen Fällen die superplastische 

Umformung, auch häufig in Verbindung mit dem 

Diffusionsschweißen, angewendet. 

77 


Titan 

Einsatz in der Medizintechnik 

Einsatzgebiete: Gelenkersatzteile für Hüfte, Knie, Wirbelsäule, Ellbogen und Hand 

Fixiermaterialien für Knochen, wie Nägel, Schrauben, Muttern/Platten 

Zahnimplantate und Teile für die kieferorthopädische Chirurgie 

Herzschrittmachergehäuse und künstliche Herzklappen 

chirurgische Instrumente für die Herz- und Augenchirurgie 

Bauteile in schnell laufenden Blutzentrifugen 

Anforderungen: Die als Dauerimplantate in den menschlichen Körper einzubringenden 

Implantatwerkstoffe müssen u.a. biokompatibel, korrosionsbeständig, 

gewebeverträglich, vital und elastisch sein. 

Werkstoffe: Für Implantate/sonstige Teile, die keiner großen Belastung im menschlichen 

Körper unterworfen sind, kommen überwiegend die unlegierten 

Titansorten und für Endoprothesen und Instrumente überwiegend 

Titanlegierungen zum Einsatz. 

Im Dentalbereich werden sowohl die Reintitanwerkstoffe (3.7025) und 

3.7035 als auch die Titanlegierungen wie z.B. TiAl6V4 (3.7165) als 

Implantatmaterial/zahntechnischen Prothetik eingesetzt. 

78 


Titan 

Einsatz in der Medizintechnik 

Vorteil der Titanwerkstoffe im Dentalbereich 

Völlige Geschmacksneutralität und für Patienten, die mit Allergien oder toxischen 

Reaktionen auf die verschiedenen Dentallegierungen reagieren, ist Titan eine ausgezeichnete 

Alternative. 

Legierungsentwicklung: TiAl5Fe2.5 - speziell für Dauerimplantate (Ergänzung zu 

TiAl6V4) 

• hervorragende Gewebeverträglichkeit 

• ausgezeichnete mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht 

• Dauerfestigkeiten von über 700 N/mm 2 

Entwicklungsziel:Ersatz des im elementaren Zustand toxische Element Vanadium durch 

geeignete körperverträgliche Elemente! 

Bei der Legierung TiAl5Fe2.5 ist dies durch Substitution mit Eisen 

erreicht worden, ohne die guten statischen und dynamischen Eigenschaften 

negativ zu beeinflussen. 

79 


VW-Projekt 

(1999 - 2001) 

Problem: Versagen (meist am Ende) einer Tieflochbohrung an 

Versuchspleuel für hochwertige Ottomotoren 

Drill Rotation 

Cross section of the 

connecting rod 

Drill Depth: 0 mm 



80 


10 µm

Pseudo 

temperature 

versus radial 

distance of the 

drill hole surface 

Calibration curve 

VW-Projekt 

(1999 - 2001) 

Pseudo temperature vs. 

drill depth 

Sample for 

carrier gas hot 

extraction. 

Dependence of 

oxygen 

concentration on 

drill depth. 

81 


Gleitrichtung 

{1101}- 

Pyramidalebene 

Verformung im hexagonalen Kristallsystem 

(Be, Mg, Ti, Co, ... ) 

{0001} 

Basisebene 

{1010}- 

Prismenebene 

Abhängig vom c:a-Verhältnis werden 

verschiedene Gleitsysteme bei der 

Verformung wirksam. Aus der Forderung 

nach dichtester Packung läßt sich ein c:a- 

Verhältnis von 1,633 ableiten. Je näher der 

tatsächliche Wert liegt, desto eher werden 

alle unabhängigen Gleitsysteme aktiviert. 

Darüberhinaus erfolgt bei entsprechend 

niedriger Stapelfehlerenergie auch eine 

Verformung über Zwillingsbildung, bzw. 

setzt Zwillingsbildung ein, um neue 

Gleitsysteme in eine für die Verformung 

günstige Lage zu drehen. 

82 


Grundsätzliches 

Titan 

Umformeigenschaften 

α- und α/β-Titanlegierungen lassen sich bei RT nur bedingt umformen 

Grund: hohes Streckgrenzenverhältnis von meist über 90 %. 

Geringe Gleichmaßdehnung, d. h. die plastische Verformungsfähigkeit ist auf 

einen sehr engen und technisch kaum nutzbaren Bereich eingeschränkt 

Lösung: Bei Temperaturen über 500°C verbessert sich sowohl das Streckgrenzenverhältnis 

als auch das Verhältnis von Elastizitätsmodul zu Streckgrenze, so daß 

Bleche aus legiertem Titan überwiegend warm umgeformt werden 

Merke: Bei Wärmebehandlung ist grundsätzlich zu beachten, daß eine hohe Reaktionsfreudigkeit 

zu Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff besteht. 

� Möglichst kurze Erwärmungsdauer in neutraler oder leicht oxidierender 

Atmosphäre. 

Eine Wasserstoffaufnahme tritt bereits bei Temperaturen ab 500 °C auf 

83 


Wissenswertes zur Warmumformung 

Titan 

Umformeigenschaften 

Merke: Warmumformung findet oberhalb der Rekristallisationstemperatur statt 

Einzuhaltende Temperaturbereich wird durch die Gefügeanforderungen, den 

Umformwiderstand und die Neigung zur Rißbildung begrenzt 

Schmiermittel sind Glasmischungen mit ausgewählten Erweichungsbereichen 

oder Fett-Graphit-MoS 2 -Schmiermittel 

Üblicherweise erfolgt nach dem Umformen ein Weichglühen (T= 650-805°C) 

Glühzeiten sind abhängig vom Umformgrad/Bauteildicke 

Faustformel: Haltezeit etwa 2 Minuten pro mm Wandstärke 

Mindesthaltezeitzeit bei den meisten Legierungen etwa 30 min 

(bei Schmiedestücken größeren Querschnitts ca. 2 Stunden) 

84 


Wissenswertes zur Wärmebehandlung 

Titan 

Wärmebehandlung 

Oberhalb 700°C führen Sauerstoff + Stickstoff verstärkt zur Bildung von Zunderschichten, 

unter gleichzeitiger Diffusion von Sauerstoff in die Werkstückoberfläche (α-case) 

Merke: α-case hat eine Verringerung der Zähigkeitseigenschaften und der 

thermischen Stabilität des Titanwerkstoffes zur Folge 

Im Gegensatz zu Sauerstoff und Stickstoff kann der eindiffundierte Wasserstoff 

durch eine Vakuumglühung wieder weitgehend entfernt werden 

Wärmebehandlung mit Schutzgas- (nur Edelgase) und Vakuumöfen (elektrisch 

oder gasbeheizte Luftöfen. 

Wichtig: Bei gasbeheizten Öfen ist ein Luftüberschuß von etwa 10 - 15% einzustellen. 

Aufgrund der Gefahr einer Wasserstoffaufnahme und einer örtlichen Überhitzung 

des Materials ist eine unmittelbare Berührung des Wärmebehandlungsgutes 

mit der Gasflamme zu vermeiden. 

85 


Titan 

Wärmebehandlung 

Darüber hinaus bildet Titan mit bestimmten Metallen, wie z. B. Nickel und 

Kupfer, niedrigschmelzende Phasen, die bei den Wärmebehandlungen 

üblichen Temperaturen zu lokalen Aufschmelzungen führen können. 

� Immer den Kontakt mit diesen Metallen durch z. B. Chargiergestelle 

vermeiden! 

Spannungsarmglühung: - unlegiertes Titan zwischen 500 und 600 °C 

- alpha+beta-Legierungen zwischen 600 und 675°C 

- beta-Legierungen zwischen 700 und 750°C 

86 


Titan-Feinguß 

Vorteil des Feinguß: 

Gießtechnische Fertigung komplizierter Innenkonturen, Hinterschnitte oder gekrümmte 

Flächen, die mit anderen Fertigungsverfahren nur aufwendig realisierbar sind. Gießtechnik 

mit „Endmaß“, d. h. Reduzierung des Nachbearbeitungsaufwandes (z. B. Spanen) 

Werkzeugbau Wachsmodell Modellmontage 

Keramikbeschichtung der „Trauben“ Entwachsen und Brennen der „Trauben“ 

87 


Literaturhinweise 

Titan 

Literaturhinweise 

H. Bühler "Umformeigenschaften von Titan und Titanlegierungen" Bänder, Bleche, Rohre 6 (1965) Teil 1: H. 11, 

S. 625/30 und 667 Teil 2: H. 12, S. 677/84 

U. Zwicker "Titan und Titanlegierungen" Kap. 16.1 - Warmumformung Springer-Verlag 1974, S. 469/80 

H. Wilhelm "Das Umformverhalten von Blechen aus Titan und Titanlegierungen im einachsigen Zugversuch und 

beim Tiefziehen" Bänder, Bleche, Rohre 16 (1975), S. 421/26 und S. 473/76 

H. Wilhelm "Das Verhalten von Blechen aus Titan und Titanlegierungen beim Biegen im V-Gesenk" Bänder, Bleche, 

Rohre 7 (1976), S. 284/88 

A. Hegazy "Untersuchungen zur Warmumformbarkeit der Titanlegierung TiAl6V4" Aluminium 59 (1983), H. 6, S. 

451/55 

R. Kopp "Einfluß des mehrmaligen Erwärmens beim partiellen Schmieden von Werkstücken aus TiAl6V4" Metall 

37 (1983), H. 4, S. 345/49 

H. Wagner "Beitrag zum Kaltfließpressen von Titan" VDI-Fortschr.-Ber. VDI-Reihe 2, Nr. 101, (1985) 

D. Ward "Superplastic forming of titanium alloys" Metals and Materials, September 1986, S. 560/63 

K. Kutzsche "Umformfestigkeit von Titan" Neue Hütte 35 (1990), S. 149/51 

D. Dunst "Analysis of Experimental and Theoretical Rolling Textures of Two-phase Titanium Alloys" Zeitschrift 

für Metallkunde (1996), H. 6, S. 498/507 

M. Peters, C. Leyens und J. Kumpfert "Titan und Titanlegierungen", DGM-Verlag (1996) 

G. Lütjering, J. Albrecht (eds.) "Proc. 10. World Conf. Titanium", Wiley VCH (2004) 

88 


Beryllium 

Be kann bei 1% der Männer und 4% der Frauen Immunreaktionen 

hervorrufen, deren lungenschädigende Wirkung erst nach vielen 

Jahren (25-35) auftritt (Staub und Aufnahme über die Haut). 

� extreme Sicherheitsmaßnahmen. 

Be sehr gutes Festigkeit/Dichte Verhältnis und hohe Wärmekapazität 

(� Bremsscheiben für Sondereinsätze) 

Nachteile: spröde, toxisch 

89 


Dichte 

E-Modul 

Zugfestigkeit 

Bruchdehnung 

(bezogen auf Stahl) 

therm. 

Exp.koeff. 

Vergleich der Leichtmetalle 

mit Stahl 

Faserverstärkte 

Kunststoffe 

19% 

10% 

54% 

13% 

2-250% 

Be 

24% 

135% 

44% 

0-26% 

107% 

22% 

21% 

32% 

35% 

226% 

35% 

34% 

26% 

150% 

208% 

58% 

55% 

100% 

190% 

73% 

Stahl 

100% 

100% 

100% 

100% 

100% 

Gewicht einer Feder m ~ G⋅ρ � Titan-Feder nur 35% des Gewichts einer Stahl-Feder 

90 


Mg 

Al 

Ti

Federstahl 

Quelle: Prof. Christ, Siegen 

low-cost-β-Titan 

Achsschraubenfedern aus Titan 

Titan 

Serieneinsatz im Lupo FSI, 40% Gewichtsreduzierung. 

Geringeres Elastizitätsmodul günstig da (G für und die Masse ρ jeweils ca. 

einer Feder gilt: 

55% der Stahl-Werte) 

m 

~ 

G ⋅ρ 

91 


Al (7075-T6) 

Ti 6Al 4V 

Werkstoffgerechte Konstruktion 

Material 

Stahl (40 NiCrMo 8-4) 

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe 

(auf Festigkeit optimiert) 

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe 

(auf E-Modul optimiert) 

E-Modul/Dichte 

[MPa·m3 /kg] 

134 

780 

460 

92 


27 

26 

25 

92 

Zugfestigkeit/Dichte 

[kPa·m3 /kg] 

230 

180 

250

T 2 

M 2 

F 1 

Beispiel Fahrradrahmen 

T 1 

M 1 

F 2 

Anforderungen an Fahrradrahmen: 

•Gewicht 

• Steifigkeit 

Starke Verwindungen des 

Fahrradrahmens benötigen zusätzliche 

Energie, die dann dem Vortrieb nicht 

mehr zur Verfügung steht. 

Aluminium-Fahrradrahmen gelten als 

steifer, Stahlrahmen als komfortabler, 

obwohl 

E St = 210 GPa ≈ 3·E Al = 70 GPa 

93 


Aluminium ↔ Stahl 

Fahrradrahmen 

Biegespannung eines Rohres mit Radius r 

und Stärke t: 

I ... Trägheitsmoment 

M ... Biegemoment (~ Gewicht des Radfahrers) 

mit der Dauerfestigkeit σD und dem Trägheitsmmoment 

für ein dünnwandiges Rohr I = π·r3 M r 

σ = 

I 

·t, ergibt sich: 

aus Festigkeitsüberlegungen gilt: 

Konstruktion 

m 

L 

= 

2 

94 


π 

r 

t 

ρ 

= 

M 

max 

2 M 

r 

max 

= 

π 

ρ 

σ 

σ 

D 

D 

r 

2 

t 

Material


Fahrradrahmen 

Der Krümmungsradius k eines Stabes unter Biegebeanspruchung 

ist gegeben durch die Bernoulli-Euler 

Gleichung, Verschiebung u und E-Modul: 

1 

k 

= 

2 

d u 

2 

dx 

= 

M 

E I 

= 

M 

π E r 

3 

t 

oder 

dann gilt aus Überlegungen zur elastischen Verbiegung 

des Rohres 

Konstruktion 

m 

L 

= 

2 

π 

r 

t 

2 M 

r 

95 


ρ 

= 

max 

2 

k 

k 

~ 

ρ 

E 

E 

r 

3 

t 

Material


Fahrradrahmen 

Ähnliche Gleichungen lassen sich für die 

Torsionsbeanspruchung herleiten. Das Gewicht des 

Fahrers (und damit M) wird als konstant angenommen. 

Ebenso wird eine Obergrenze der maximal zugelassenen 

Krümmung festgelegt. Die Größe m/L soll unter 

Berücksichtigung der Festigkeits- und Steifigkeitskriterien 

optimiert werden. 

� Ashby Plots σ D /ρ und E/ρ 

96 


1 

r 

ρ 

σ 

D 

k 

2 

r 

ρ 

E

Auf Dichte bezogene 

Dauerfestigkeit σ e und Steifigkeit 

CFRP ist somit der beste 

Werkstoff. 

Kommt der Rohrradius als 

freier Parameter hinzu, ändert 

sich das Bild. Die Festigkeit 

skaliert mit r, die Steifigkeit 

mit r 2 . 

Wichtig: die Kombination 

verschiedener Materialeigenschaften 

bestimmt das 

optimale Material. 

97 


AA 7075 T6, 3.4365 

AlZnMgCu1,5 

Stahl, 1.6562 

(40 NiCrMo 8-4) 

Ti 6Al 4V, 3.7165 


σ B 

[MPa] 

500 

1 350 

1 000 

σ D 

[MPa] 

220 

600 

600 

ρ 

[g/cm 3 ] 

98 


2,7 

7,8 

4,5 

E 

[GPa] 

70 

210 

120 

G 

[GPa] 

Ausgangspunkt: Stahlrahmen mit Radius r = 12,5 mm, Wandstärke t = 1,25 mm 

Alternativ: Aluminiumrahmen (Ausscheidungsgehärtet AA 7075-T6) 

27 

83 

45


Variante A: 

Bedingung gleicher Radius 

rAl = rSt = 12,5 mm 

gleiche Festigkeit 

ρ/σ D [10 -6 s 2 /m 2 ] 

ρ/E [10 -9 s 2 /m 2 ] 

Das Masse zu Längenverhältnis ist dann 

Wandstärke tAl ist dann 

tSt 

ρSt 

t Al = 

= 2, 

73 tSt 

= 3, 

41 

1, 

06 ρ 

Das Verhältnis der Krümmungsradien ist: 

Al 

⎛ m ⎞ 

⎜ ⎟ 

⎝ L ⎠ 

= 

⎛ m ⎞ 

⎜ ⎟ 

⎝ L ⎠ 

13,0 

37,1 

12,3 

38,6 

� Der Stahlrahmen ist circa um das gleiche Verhältnis schwerer und steifer. 

99 


k 

k 

mm 

St 

⎛ m ⎞ 

⎜ ⎟ 

⎝ L ⎠ 

⎛ m ⎞ 

⎜ ⎟ 

⎝ L ⎠ 

Al 

2 M ⎛ ρ ⎞ 

r ⎜ 

⎟ 

St ⎝ σD 

⎠ 

2 M ⎛ ρ ⎞ 

r ⎜ 

⎟ 

Al ⎝ σD 

⎠ 

Al 

13, 

0 

= 

12, 

3 

St St 

= 

= 

Al 

⎛ ρ ⎞ 

⎜ ⎟ 

⎝ E ⎠ 

⎛ ρ ⎞ 

⎜ ⎟ 

⎝ E ⎠ 

Al 

38, 

6 

= 1, 

06 

37, 

1 

St St Al 

= 

Al 

Al 

1, 

10 

Ti 

7,50 

37,5 

1, 

06


Variante B: Erhöhung der Steifigkeit beim Aluminiumrahmen � Verdopplung des 

Rohrdurchmessers des Aluminiumrahmens: 

r Al = 25 mm, bei gleichem Gewicht, d.h. die Wandstärke t Al wird halbiert. Die 

Wandstärke ist dann immer noch t Al = 1,7 mm = 1,4·t St größer als die des 

Stahlrahmens mit r St =12,5 mm und t St =1,25 mm. 

� Der Rahmen wird 33% steifer, da das Verhältnis der Krümmungsradien: 

3 

k Al EAl 

rAl 

t Al 70 

= 

= 4 = 

3 

k E r t 210 

St 

St 

St 

St 

1, 

33 

Dieselbe Vorgehensweise beim Stahl- und Titanrahmen ist begrenzt, da die 

Wandstärke des Stahlrahmens bei r St = 25 mm mit t St = 0,63 mm in den Bereich 

weniger 1/10 mm kommt. Beulen können schon durch Druck der Finger entstehen. 

100 



Variante C: Verdopplung des Rohrdurchmessers des Aluminiumrahmens im 

Vergleich zum Stahlrahmen (rAl = 25 mm) unter weiterer Reduktion des Gewichts, 

durch Verringern der Wandstärke. 

Welche Gewichtsverringerung lässt sich durch einen Aluminiumrahmen mit 

doppelten Rohrradius erzielen? Bedingung: gleiche Festigkeit wie Stahlrahmen. 

Festigkeitskriterium: 

Der Al-Rahmen wiegt nur 47% des Stahlrahmens! 

0, 

47 rSt 

tSt 

ρSt 

0, 

47 tSt 

ρSt 

t Al = 

= = 0, 

68 tSt 

r ρ 2 ρ 

Steifigkeit: 

Al 

3 

k Al EAl 

rAl 

t Al 70 

= = ⋅8 

⋅0, 

68 = 

3 

k E r t 210 

St 

Al 

St 

St 

St 

Al 

= 

0. 

85 

1, 

81 

⎛ m ⎞ 

⎜ ⎟ 

⎝ L ⎠ 

⎛ m ⎞ 

⎜ ⎟ 

⎝ L ⎠ 

2 M ⎛ ρ ⎞ 

r ⎜ 

⎟ 

Al ⎝ σD 

= 

⎠ 

2 M ⎛ ρ ⎞ 

r ⎜ 

⎟ 

St ⎝ σD 

⎠ 

12, 

3 

2⋅13, 

0 

101 


mm 

x = 

Al Al = = 

St 

St 

0, 

47 

� Der Al-Rahmen ist halb so 

schwer und fast doppelt so steif!

Weitere Kriterien Fahrradrahmen 

• Schweißbarkeit !! 

(z.B. Sc-haltige Al-Legierungen) 

• Verarbeitungsmöglichkeit !! 

(z.B. Innen-Hochdruck-Umformung (IHU), Strangpressen 

• Preis (im Hochleistungssportbereich kein Kriterium) 

102 


Beispiel variable Wandstärke 

Aussendurchmesser 50,8 mm 

Wandstärke 0,89 mm ± 0,08 mm 

Durch die größere Fertigungsfreiheit 

(biegen, ziehen, IHU) und bessere 

Schweißbarkeit sind Aluminium-Rahmen 

zur Zeit leichter als Titan-Rahmen. 

Außerdem ist das Problem der zu dünnen 

Rohrwandstärken beim Ti ähnlich wie 

beim Stahl. 

103

Block H1, bzw. VW3* - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe - Universität ...

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