WFT 2 - Legierungsbildung & Wärmebehandlung

Question 1

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.01

^{________________________________________________________}

Was wird unter einem Kristallgemisch A – B verstanden?

Welches Gefüge liegt vor?

Answer 1

Die beiden Komponenten A und B existieren nebeneinander als verschiedene Kristallarten (Phasen) bzw. Kristallite.

Da zwei Phasen im Gefüge vorliegen, handelt es sich um ein heterogenes Gefüge.

Question 2

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.02

^{________________________________________________________}

Worin besteht die Gemeinsamkeit und worin der Unterschied von Einlagerungs- und Austausch-Mischkristallen mit den Komponenten A und B?

Answer 2

• Das Charakteristikum aller MK besteht in der festen atomaren Lösung der beiden Komponenten A und B. A ist in B gelöst.
• Nur B bildet somit ein eigenes Gitter, in dem die Atome von A gelöst sind.
• Auch der umgekehrte Zustand – B in A gelöst – ist möglich. Damit liegt ein einphasiges, sprich homogenes Gefüge vor.
• Bei Einlagerungs-MK lagert sich das Element B, wenn es bezüglich des Elements A einen kleineren Atomradius hat, in die Gitterlücken, d. h. auf den Zwischengitterplätzen des Wirtselements A ein (s. Abb. 1.3).
• Bei Austausch-MK substituieren die Atome z. B. von B die Atome von A (s. Abb. 1.6).

Question 3

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.03

^{________________________________________________________}

Wann treten intermetallische Phasen auf und durch welche Eigenschaften zeichnen sie sich aus?

Answer 3

Liegen bestimmte stöchiometrische Verhältnisse vor, dann können die Komponenten A und B ein völlig neues Gitter bilden, was in der Regel komplizierter ist.

Solche Gitter (s. Abb. 1.9) werden intermetallische Phasen genannt. Sie sind

• hart und
• spröde,
• jedoch thermisch stabiler als Überstrukturphasen.

Question 4

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.04

^{________________________________________________________}

Was beschreibt ein Zustandsdiagramm?

Answer 4

Ein Zustandsdiagramm beschreibt die Abhängigkeit des Zustands der Phasen von der Konzentration und Temperatur.

Die Konzentrationsänderung wird auf der Abszisse und in der Regel als Masseprozent angegeben.

Question 5

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.05

^{________________________________________________________}

Skizzieren Sie das Zustandsdiagramm eines Zweistoffsystems (Stoffe A und B) mit völliger Löslichkeit im flüssigen und teilweiser Löslichkeit im festen Zustand.

• Die maximale Löslichkeit von B in A soll 25 % betragen und bis Raumtemperatur auf 15 % absinken.
• Die maximale Löslichkeit von A in B soll 10 % betragen und bis zur Raumtemperatur auf 5 % absinken.
• Die Umwandlungstemperaturen können selbst gewählt werden.

Bezeichnen Sie die charakteristischen Felder, Punkte und Linien.

Answer 5

Question 6

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.06

^{________________________________________________________}

Kennzeichnen Sie im nebenstehenden Schliffbild ferritische und perlitische Gefügeanteile.

Answer 6

Ferrit: helle Körner;

Perlit: streifige Körner.

Question 7

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.07

^{________________________________________________________}

Nennen Sie die Gefüge der Stahlecke des Eisen-Kohlenstoff- Diagramms und geben Sie deren Aufbau und charakteristische Eigenschaften an.

Answer 7

In der Stahlecke des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms sind folgende Gefüge:

• Ferrit – der MK des α-Fe mit C,

Ferrit ist infolge des geringen C-Gehalts weich.

• Austenit – der MK des γ-Fe mit C,

Austenit liegt in der Regel bei Raumtemperatur nicht vor. Wegen des kfz-Gitters ist es jedoch gut plastisch verformbar (Schmieden und Walzen bei hohen Temperaturen).

• Perlit – eutektoides Gefüge, das durch den Zerfall des γ-MK beim Unterschreiten der Temperatur von 723 °C auftritt und aus streifiger Anordnung von Ferrit und Zementit besteht.

Perlit ist ein streifiges Gefüge mit guten mechanischen Eigenschaften, hoher Härte und guter Verschleißbeständigkeit.

• Sekundärzementit – Zementit (Fe3C), der sich mit abnehmender Löslichkeit des γ-MK an C aus diesem MK ausscheidet.

Senkundärzementit ist hart, und je höher der Anteil an Sekundärzementit mit zunehmendem C-Gehalt in der Legierung wird, umso fester wird der Werkstoff. Sekundärzementit findet sich bei Baustählen mit höherem C-Gehalt und bei Werkzeugstählen (Werkzeugstähle werden jedoch im gehärteten Zustand eingesetzt).

Question 8

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.08

^{________________________________________________________}

Beschreiben Sie anhand des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms
(Abb. 1.27) die Vorgänge bei der langsamen Abkühlen eines
unlegierten Stahles mit 0,4 % C sowie mit 1,0 % C von einer
Temperatur von 1.40 °C auf Raumtemperatur. Die δ-Ecke
soll unberücksichtigt bleiben

Answer 8

• Bei ca. 1.540 °C ist der
  
  • unlegierte Stahl mit 0,4 % C vollständig geschmolzen.
  • Das gilt auch für den Stahl mit 1,0 % C (dessen Werte werden nachfolgend in Klammern angegeben).
• Zwischen etwa 1.520 und 1.490 °C (1.480 – 1.350 °C) kristallisieren zunehmend AustenitKristalle (γ-MK) aus Schmelze + γ-MK.
• Zwischen ca. 1.490 und 780 °C (1.350 – 800 °C) liegt nur Austenit vor (fester Zustand).
• Zwischen ungefähr 780 und 723 °C (800 – 723 °C) verringert sich die C-Löslichkeit des Austenits und es scheidet sich Sekundärzementit (Fe3C) aus.
  
  • Durch die Bildung des Sekundärzementits verschiebt sich die Zusammensetzung des Austenits (γ-MK) in Richtung des eutektoiden Punktes.
  • Dadurch entsteht neben Ferrit (α-MK) der Gefügebestandteil Perlit.
• Unter 723 °C (723 °C) liegt
  
  • Perlit beim Stahl mit 0,4 % C bzw.
  • Perlit und Sekundärzementit beim Stahl mit 1 % C vor.

Question 9

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.09

^{________________________________________________________}

Wie verändern sich die Streckgrenze, Zugfestigkeit, Härte und Sprödigkeit eines unlegierten Stahles im C-Bereich zwischen 0,1 – 1,3 % C mit zunehmendem C-Gehalt?

Geben Sie hierzu eine Begründung.

Answer 9

• Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte steigen und die Sprödigkeit nimmt zu.
  
  • Diese Tatsache ist dadurch bedingt, dass der Zementitgehalt mit steigendem C-Gehalt, auf Grund der geringen C-Löslichkeit im Ferrit, zunimmt.
  • Zementit ist hart und spröde.

Question 10

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.10

^{________________________________________________________}

Wie viele Legierungen müssen aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm herausgegriffen werden, um die Umwandlungen sämtlicher Stähle zu erfassen?

Nennen Sie die betreffenden Teilbereiche mit Namen und C-Gehalt, für die jeweils eine Legierung genügt.

Answer 10

Drei Legierungen:

• untereutektoide Legierungen (0,0 – 0,8 % C);
• eutektoide Legierung (0,8 % C);
• übereutektoide Legierungen (0,8 – 2,0 % C).

Question 11

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.11

^{________________________________________________________}

Wie ist der C im Fe aufgenommen und wie ist die Löslichkeit bei den verschiedenen Kristallgittern des Fe?

Answer 11

Kohlenstoff, als Element mit relativ kleinem Atomdurchmesser, bildet mit dem Fe einen EMK. Daraus ergibt sich eine begrenzte Löslichkeit.

• Beim kfz-Gitter ist die maximale Löslichkeit des C 2,06 % bei 1.147 °C,
• beim α-MK 0,02 % bei 723 °C.

In beiden Fällen sinkt mit abnehmender Temperatur die Löslichkeit.

Question 12

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.12

^{________________________________________________________}

Welches bevorzugte Gefüge haben Gusslegierungen?

Geben Sie dazu eine Begründung.

Answer 12

Technische Gusslegierungen haben Konzentrationen, die in der Nähe der eutektischen Konzentration angesiedelt sind. Somit haben sie ein Gefüge, das entweder rein eutektisch ist oder starke Anteile eines Eutektikums enthält.

• Das Eutektikum hat gegenüber den reinen Komponenten den niedrigsten Schmelzpunkt. Infolge des Vorliegens eines Schmelzpunkts und nicht eines häufig bei Legierungen anzutreffenden Schmelzintervalls erfolgt eine schnelle Erstarrung. Aus diesen Gründen tritt eine hohe Keimzahl auf und folglich somit ein relativ feinkörniges Gussgefüge.

Ein feinkörniges Gefüge hat gute mechanische Eigenschaften wie hohe
Festigkeit und hohe Zähigkeit zur Folge.

• Bei Gusslegierungen ist diese Eigenschaftsausbildung eingeschränkt, jedoch tendieren derartige Gusslegierungen in diese Richtung.

Question 13

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 1.13

^{________________________________________________________}

Welche Aussagen lassen sich aus einem kontinuierlichen ZTU-Diagramm treffen?

Answer 13

Mögliche Aussagen:

• Gefügeumwandlungen in Abhängigkeit von Zeit und Abkühlungsgeschwindigkeit,
• Auftreten von Ungleichgewichtsgefügen wie Zwischenstufengefüge und Mar-tensit,
• Gefügebestandteile und deren prozentualen Anteile,
• Härtewerte.

Question 14

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 2.01

^{________________________________________________________}

Definieren Sie den Begriff Wärmebehandlung und das mit der Wärmebehandlung verfolgte Ziel.

Answer 14

Unter Wärmebehandlung versteht man eine Folge von Wärmebehandlungs-schritten, in deren Verlauf ein Werkstück ganz oder teilweise Zeit-Temperatur-Folgen unterworfen ist.

Ziel der Wärmebehandlung ist die Änderung des Gefüges bzw. der Eigenschaften des Werkstücks. Zudem kann es bei der Wärmebehandlung auch zu Änderungen der chemischen Zusammensetzung kommen.

Question 15

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 2.02

^{________________________________________________________}

Schraffieren Sie die Lage der Temperaturbereiche der Glühverfahren

• Anlassen,
• Grobkornglühen,
• Diffusionsglühen,
• Normalglühen,
• Weichglühen und
• Spannungsarmglühen

im nebenstehenden vereinfachten Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.

Answer 15

Question 16

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 2.03

^{________________________________________________________}

Nennen Sie die zwei wesentlichsten Glühverfahren für Stähle, die
zur Verbesserung der spanenden Bearbeitbarkeit verwendet werden.

Beschreiben Sie die beiden Verfahren nach

• der mit dem Verfahren verfolgten Zielstellung,
• der Veränderung des Gefüges und
• der Verwendung für welche Stähle.

Answer 16

Grobkornglühen:

• Verbesserung der Zerspanbarkeit weicher Stähle, die beim Drehen oder Fräsen „schmieren“ würden
• Kornwachstum
• Unlegierte kohlenstoffarme (untereutektoide) Stähle (C < 0,2 %)

Weichglühen:

• Verminderung der Härte zur besseren mechanischen Bearbeitung und Verformung harter und spröder Stähle
• Einformen des Zementits in Perlit in Kugelform
• Stähle mit höherem C-Gehalt (> 0,5 %)

Question 17

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 2.04

^{________________________________________________________}

Warum wird beim Weichglühen die Zugfestigkeit eines Stahles mit 0,2 % C nur unwesentlich, die eines eutektoiden (perlitischen) Stahls aber sehr deutlich verringert?

Answer 17

Die Zugfestigkeit eines Stahles mit 0,2 % C wird sehr stark vom Ferrit bestimmt (geringer Zementitgehalt; 25 % Perlit).

• Im Stahl mit 0,8 % C liegt ein höherer Zementitgehalt (100 % Perlit) vor, der maßgeblich ist für die höhere Zugfestigkeit.
• Die Umwandlung der großflächigen Zementitlamellen in Zementitkörner verringert die Zugfestigkeit deutlich, durch Weichglühen auf etwa die Hälfte.

Question 18

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 2.05

^{________________________________________________________}

Warum soll das Normalglühen nicht beliebig hoch über Ac₃ und beliebig lange durchgeführt werden?

Answer 18

Je höher die Glühtemperatur liegt und je länger man glüht (Überzeiten, Überhitzen), desto mehr neigt der Stahl zur Grobkornbildung.

Das widerspricht dem Ziel des Normalglühens, feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge mit guten mechanischen Eigenschaften zu bilden.

Question 19

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 2.06

^{________________________________________________________}

Definieren Sie den Begriff des Härtens und nennen Sie die Ihnen im Studienbrief vorgestellten Härteverfahren.

Answer 19

Härten ist eine Wärmebehandlung, die aus dem Austenitisieren und dem Abkühlen besteht und zwar unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder minder vollständige Umwandlung des Austenits in Martensit und ggf. in Bainit oberflächlich oder durchgreifend erfolgt.

Härteverfahren sind das

• Abschreckhärten,
• Einsatzhärten und
• Oberflächenhärten
  
  • Flamm-,
  • Induktions- und
  • Laserhärten

Question 20

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 2.06a

^{________________________________________________________}

Welche Ziele werden durch Einsatzhärten erreicht?

Beschreiben Sie das Verfahren

Answer 20

Die dazu verwendeten Einsatzstähle sind unlegierte oder niedriglegierte Baustähle mit einem C-Gehalt von 0,1 – 0,2 % (s. SB 4). Um diesen Stahl härtbar zu machen, muss er aufgekohlt werden. Durch das Aufkohlen wird der C-Gehalt in der Randschicht erhöht.

• Die Härtetemperatur beim Einsatzhärten richtet sich nach dem C-Gehalt des Randes (in dem oft etwa 0,8 % C erreicht werden).
• Da die Glühtemperaturen bis zu 900 °C betragen können, kommt es zu einer Gefügevergröberung im Kern mit schlechten mechanischen Eigenschaften.
• Im Anschluss ist für den Kern oft ein Normalglühen notwendig.
• Als flüssige Einsatzmittel können Salzbäder aus geschmolzenem Natriumcyanid (NaCN) und anderen Salzen verwendet werden (B2.4). Nachteilig ist die Giftigkeit der Salze, die deshalb ein erhebliches Umweltproblem darstellen.
• Heute werden jedoch meist gasförmige Einsatzmittel wie Methan, Ethan und Propan durch Einsatz entsprechend konzipierter Öfen (s. z. B. B2.5) verwendet. Damit lassen sich Aufkohlungstiefen von 0,5 – 0,8 mm in etwa 6 Stunden erreichen. Diese Aufkohlung ist automatisierbar und auch die Einkohlungstiefe lässt sich relativ einfach regeln.
  
  • Der in den Stahl eindringende C wird am Beispiel von Methan durch folgende zwei chemische Reaktionen erreicht (siehe Abbildung)
  • Der aufzukohlende Werkstoff muss vor dem Einsatz metallisch blank sein, d. h. Öl, Rost und Zunder sind vorher zu entfernen. Stellen, die nicht aufgekohlt werden sollen, sind mit Isolierpaste abzudecken, ggf. reicht auch ein Aufmaß aus.
• Der Vorteil der Einsatzhärtung ist eine konturengerechte Härtung.
• Es können Härten an der Oberfläche von 850 – 900 HV erreicht werden.
• Verschiedene thermische Regime der Einsatzhärtung, wie das
  
  • Einfachhärten,
  • Direkthärten und
  • Doppelhärten

Das Ziel der Entwicklung der Einsatzstähle besteht darin, sie gegen derartige Überhitzungen unanfällig zu machen und ein Härten aus der Einsatztemperatur zu ermöglichen.

Question 21

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 2.06b

^{________________________________________________________}

Definieren Sie den Begriff “Abschreckhärten”.

Welche Ziele werden durch Abschreckhärten erreicht?

Beschreiben Sie das Verfahren

Answer 21

Beim Abschreckhärten erfolgt das Abschrecken aus dem γ -Gebiet, d. h. oberhalb der GSK-Linie, in einem entsprechenden Medium, dessen Temperatur unterhalb des Martensitpunkts des Stahls liegt.

• Bei dem Temperaturbereich 30 – 50 °C oberhalb der GSK-Linie gilt
  
  • der obere Wert für Ölabschreckung,
  • der untere Wert für Wasserabschreckung.
• Mit einem höheren C-Gehalt wird statt der Wasserabschreckung die Ölabschreckung gewählt, um die Gefahr von Rissen zu vermeiden.
• Ist die Härtetemperatur zu hoch, wächst die Menge des Restaustenits, d. h. des nach der Martensitbildung im Gefüge immer noch vorhandenen Austenits.
  
  • Aufgrund dessen kann u. U. die gewünschte Härtesteigerung nicht erreicht werden.
  • Zudem haben hohe Härtetemperaturen ein grobes Austenitkorn und damit grobnadeligen, d. h. sehr spröden Martensit zur Folge.

Question 22

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 2.07a

^{________________________________________________________}

Um welches Härteverfahren handelt es sich bei dem im Bild skizzierten?

Erläutern Sie die Technologie dieses Verfahrens.

Answer 22

Flammhärten.

• Die zu härtende Werkstückoberfläche wird mit einem Brenner, der mit einem Brenngas-Sauerstoffgemisch gespeist wird, schnell auf Härtetemperatur erhitzt und unmittelbar danach mit Wasser oder einem Luft-Wasser-Gemisch aus einer Brause abgeschreckt. Der Kern bleibt dadurch ungehärtet.
• Durch die örtliche Konzentration des Umwandlungsbereichs ist die Rissempfindlichkeit beim Flammhärten geringer als beim Abschreckhärten.
• Die Methode findet Anwendung bei
  
  • Teilen, die an der Oberfläche eine große Härte infolge hoher Ver-schleißbeständigkeit und hoher Flächenpressung aufweisen müssen
    
    • wie Bolzen, Zapfen, Wellen, Zahnräder, Spurkränze und Maschinenbetten

Question 23

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 2.07b

^{________________________________________________________}

Erläutern Sie die Technologie des Laserhärtens.

Answer 23

• Beim Laserhärten erhitzt ein aus dem Lasergenerator austretendes, hochenergetisches Strahlenbündel die Werkstückoberfläche. Dieses Bündel wird durch eine Fokussierung örtlich stark konzentriert, sodass sich mit dieser Methode schmale Zonen an der Oberfläche härten lassen.
• Die Austenitisierung findet dann in einer 0,5 – 1 mm tiefen Randzone statt.
• Die Abkühlung erfolgt durch Selbstabschreckung, d. h. durch eine Wärmeableitung in die kalte, nicht vom Laserstrahl erhitzte Umgebungszone.
• Geschliffene Metalloberflächen absorbieren bei Raumtemperatur nur etwa 1 – 3 % der auffallenden Strahlung eines CO2-Lasers. Zur Verbesserung der Absorption wird eine Absorptionsschicht mit einer Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge der Strahlung aufgebracht (Metalloxide, Phosphate, Graphitpulver und Farben).
• Im Motorenbau werden vor allem
  
  • Nockenwellen,
  • Ventilführungen und
  • verschleißbeanspruchte Bereiche an Zylinderlaufflächen sowie
• im Getriebebau, vor allem
  
  • Wellenzapfen, mit dieser Methode gehärtet.
• Zudem lassen sich auch lokal Innenbereiche von Bohrungen härten.

Question 24

2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung

Kontrollfrage 2.07c

^{________________________________________________________}

Erläutern Sie die Technologie des Induktionshärtens.

Answer 24

Beim Induktionshärten wird die Wärme durch Induktion erzeugt. Das zylindri-
sche Bauteil wird in eine stromdurchflossene Spule gebracht, die hochfrequente
Wechselströme in dem Bauteil hervorruft.

Die Eindringtiefe der Wirbelströme ist infolge des Skineffekts abhängig von der Frequenz der Wechselströme.

Skineffekt: Tritt bei elektrischen leitenden Werkstoffen auf, die von Wechselstrom durchflossen werden, dessen Magnetfeld Wirbelströme erzeugt, die aber durch das im Werkstoff entstehende magnetische Gegenfeld zum Rand abgedrängt werden (Skin- oder Hauteffekt). Hieraus leitet sich die Frequenzabhängigkeit der erwärmten Zone ab.

Je höher deren Frequenz ist, umso stärker wird die Erwärmung auf den Rand
konzentriert. Im Vorschubprinzip erfolgt nach der induktiven Erwärmung das
Abschrecken mit einer Wasserbrause.

Der Vorteil des Induktionshärtens ist die gute Einstellbarkeit der Härtungsbedingungen, sodass Rissgefahr und Verzug deutlich herabgesetzt sind.

Aufgrund des apparativen Aufwands der Hochfrequenzstromerzeugung ist das Verfahren bei großen Stückzahlen gleichartiger Teile wie Bolzen, Wellen, Zahnräder, Walzen, Gleitschienen, Hämmer, Wälzlagerringe, Gleitbahnen und Schienen wirtschaftlich (B2.8 und F2.3).

Question 25

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 2.07d** ^{________________________________________________________} Definieren Sie den Begriff Oberflächenhärten.

Answer 25

**Beim Oberflächenhärten wird die Energie zur Überführung des Gefüges in den austenitischen Zustand auf die Oberflächen bzw. auf oberflächennahe Bereiche konzentriert.**

Question 26

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 2.08** ^{________________________________________________________} Was verstehen Sie unter Aufhärtbarkeit und Einhärten? Wovon hängen diese ab?

Answer 26

Die Aufhärtbarkeit wird charakterisiert durch die höchste nach dem Härten erreichbare Härte, diese liegt an der Oberfläche vor. * Sie wird in erster Linie durch den C-Gehalt beeinflusst. * Die Einhärtung wird durch die Einhärtetiefe ausgedrückt. Die Einhärtetiefe ist der Abstand der Oberfläche, bis zu dem das Gefüge bzw. die mechanische Eigenschaft einen bestimmten Grenzwert erreicht. Die Einhärtungstiefe hängt von den Legierungselementen ab, sie wird bei legierten Stählen vergrößert.

Question 27

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 2.09** ^{________________________________________________________} Was ist das Vergüten? Wie ändern sich die mechanischen Eigenschaften mit der Vergütungstemperatur?

Answer 27

**Vergüten ist eine kombinierte Wärmebehandlung aus Härten und nachfolgendem Anlassen bei höheren Temperaturen (meist oberhalb 550 °C) mit dem Ziel verschiedene mechanische Eigenschaften zu kombinieren.** Das Vergüten wird bei Baustählen durchgeführt, d. h. bei Stählen, die einen C-Gehalt von 0,2 – 0,6 % haben. * Die Vergütungstemperatur liegt im Bereich von etwa 500 – 650 °C. * Durch das Vergüten sinkt die Festigkeit nach dem Härten deutlich ab, * gleichzeitig ist ein deutlicher Anstieg der Duktilität (z. B. Bruchdehnung) des Werkstoffs zu verzeichnen. * Durch die höhere Zähigkeit besitzt der Werkstoff gute mechanische Eigenschaften, um auch einer schlagartigen Beanspruchung standzuhalten. * Je nach Abschreckmedium spricht man von Wasser-, Öl- oder Luft- vergütung. **Als durchvergütet wird ein Werkstück bezeichnet, wenn es vom Rand bis zum Kern keine wesentlichen Gefügeunterschiede und damit keine oder nur geringe Festigkeitsdifferenzen aufweist.**

Question 28

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 2.09a** ^{________________________________________________________} Welchen Ziel wird mit dem Anlassen verfolgt? Wie ändern sich die mechanischen Eigenschaften mit der Anlasstemperatur?

Answer 28

**Das Anlassen erfolgt unmittelbar nach dem Härten mit dem Ziel, Spannungen Ziel des Anlassens abzubauen und die Zähigkeit zu erhöhen, da sonst im gehärteten Teil Rissgefahr besteht.** Die Gefügevorgänge sind abhängig von der Anlasstemperatur und von der Anlassdauer. * Ein Anlassen bei niedrigeren Temperaturen (max. bis 250 °C) hat eine hohe Härte, d. h. einen hohen Verschleißwiderstand, zum Ziel. Auf diese Weise werden Werkzeugstähle und einsatzgehärtete Stähle behandelt. * Ein Anlassen bei höheren Temperaturen (bis etwa 600 °C) hat eine große Zähigkeit bei ausreichender Festigkeit zur Folge. Das Anlassen bei derartigen Temperaturen ist Bestandteil des Vergütens. Man unterscheidet dabei vier Anlassstufen: 1. **Anlassstufe:** Bis 250 °C, maximaler Effekt bei 150 °C. In dieser Stufe erfolgt die Ausscheidung von ε-Karbid (Fe2C). 2. **Anlassstufe:** Im Bereich von 230 – 280 °C, maximaler Effekt bei 250 °C. In dieser Stufe wandelt sich der Restaustenit in Martensit um. Die Folge ist eine Volumenvergrößerung. 3. **Anlassstufe:** 260 – 380 °C, maximaler Effekt bei 360 °C. In dieser Stufe wandelt sich das ε-Karbid in Fe3C + α-MK um. 4. **Anlassstufe:** Oberhalb 400 °C, hier erfolgt die Einformung des Zementits zu Kugelform. Die Legierungselemente, die mit C Karbide bilden, scheiden als Sonderkarbide aus. Bei legierten Stählen tritt eine Festigkeitszunahme auf, die als Sekundärhärte bezeichnet wird. Die Änderung der Festigkeit Rm und der Bruch19 als ungefähres Maß für die Zähigkeit in Abhängigkeit von der Anlasstemperatur zeigt Abb. 2.2.

Question 29

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 2.10** ^{________________________________________________________} Welche Vorgänge spielen sich beim Nitrieren ab? Mit welchen Zielen wird es wo eingesetzt?

Answer 29

Das Nitrieren ist eine thermochemische Behandlung in stickstoffabgebenden Medien (z. B. Ammoniak) zur Anreichung der Randschicht des Werkstücks mit N. * Es entsteht dadurch eine harte und somit verschleißbeständige Diffusionsschicht oder – je nach Technologie (Gas-, Bad-, oder z. B. Nitrocarburieren) und Werkstoffzusammensetzung – eine Verbindungsund / oder Diffusionsschicht. * Bei Stählen beträgt die Nitriertemperatur 500 – 580 °C. * Vor dem Nitrieren wird der Stahl oft vergütet. Dadurch wird eine gute Kernzähigkeit und infolge des feineren Korngefüges eine bessere Diffusionsfähigkeit des Werkstoffs erzielt.

Question 30

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 2.10a** ^{________________________________________________________} Was wird unter Nitrieren verstanden? Welche Verfahren gibt es?

Answer 30

**Das Nitrieren ist eine Wärmebehandlung in stickstoffabgebenden Medien zur Definition des Nitrierens Anreicherung der Randschicht des Bauteils mit Stickstoff.** **_Man unterscheidet verschiedene Verfahren des Nitrierens:_** * Beim **Gasnitrieren** ist das Nitriermittel Ammoniak, welches bei Glühtemperatur Nitrierverfahren thermisch dissoziiert: 2 NH₃ → 2 N + 3 H₂ * Beim **Badnitrieren** kommen cyanhaltige Salzbäder zur Anwendung. * Wenn das Nitrieren mit einer Glimmentladung erfolgt, spricht man vom **Ionennitrieren**. * Das **Nitrocarburieren** hat die gleichzeitige Anreicherung der Werkzeugober-fläche mit C und N zum Ziel. Dadurch werden die Umwandlungspunkte herabgesetzt und die kritische Abkühlgeschwindigkeit verringert. Die Temperaturen des Nitrocarburierens liegen zwischen A1 und A3.

Question 31

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 3.01** ^{________________________________________________________} Welche Kenngrößen werden beim Zugversuch ermittelt und wofür dienen diese bzw. wie ist ihre Übertragbarkeit auf die Konstruktion zu bewerten?

Answer 31

Beim Zugversuch werden die mechanischen Kenngrößen * **Streckgrenze ReH bzw. Rp0,2,** ReH ist der Beginn einer merklichen plastischen Deformation eines Werkstoffs bei Anlegen einer Spannung. * **Zugfestigkeit Rm,** Rm ist die maximal ertragbare Spannung, nach deren Überschreiten der Bruch eintritt. * **Bruchdehnung A und** A wird aus der Verlängerung der Messlänge des Zugstabs nach Eintreten des Bruchs, bezogen auf die Ausgangsmesslänge, ermittelt. * **Brucheinschnürung Z ermittelt.** Z ergibt sich aus der Querschnittsänderung des Stabs, bezogen auf den Ausgangsquerschnitt, nach dem Bruch ermittelt. **_Im elastischen Bereich des Spannungs-Dehnungs-Diagramms kann der_** * **Elastizitätsmodul E** ermittelt werden. E ist der Anstieg der HOOKEschen Geraden und kennzeichnet die Steifigkeit eines Werkstoffs bzw. einer Konstruktion. **_Die Übertragbarkeit auf die Konstruktion:_** * Auf die Konstruktion sind die Zugfestigkeit bzw. die Streckgrenze nur sehr bedingt zu übertragen. In der Regel erfolgt die Absicherung nach der Streckgrenze, um eine plastische Deformation in der Konstruktion zu vermeiden. * Da der Zugversuch einen einachsigen Zugspannungszustand abbildet und in der Konstruktion häufig mehrachsige Beanspruchungen vorliegen, ist die Übertragbarkeit nicht ohne weiteres möglich. * Zudem werden die Konstruktionen meistens auch schwingend beansprucht, während die Streckgrenze bei statischer Beanspruchung ermittelt wird. * Die Absicherung muss dann nach der Schwingfestigkeit erfolgen. Die mechanischen Kennwerte dienen in erster Linie unmittelbar der Identifizierung des Werkstoffs.

Question 32

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 3.02** ^{________________________________________________________} Skizzieren Sie ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze und markieren Sie darin * den Elastizitätsmodul, * die (obere) Streckgrenze, * die Zugfestigkeit sowie * die Bruchdehnung.

Answer 32

Question 33

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 3.03** ^{________________________________________________________} Welche Aussage hat die Streckgrenze und wie wird sie ermittelt?

Answer 33

Die Streckgrenze wird durch den Beginn der plastischen Deformation charakterisiert. * Sie ist im Falle des Vorliegens einer ausgeprägten Streckgrenze einfach zu ermitteln. Es wird die obere Streckgrenze angegeben (Abb. 3.2). * Liegt keine ausgeprägte Streckgrenze vor, wie es bei den meisten Werkstoffen der Fall ist, dann wird als Ersatzstreckgrenze die Spannung vereinbart, bei der 0,2 % bleibende Dehnung der Messlänge eintritt (Abb. 3.5).

Question 34

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 3.04** ^{________________________________________________________} Definieren Sie den Unterschied zwischen Gleichmaß- und Einschnürdehnung.

Answer 34

**_Gleichmaßdehnung:_** * Gleichmäßige plastische Verformung über die Länge des Zugstabs bis zum Punkt Rm. **_Einschnürdehnung:_** * Nach Rm örtliche Einschnürung des Zugstabs.

Question 35

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 3.05** ^{________________________________________________________} Was ist unter der LÜDERS-Dehnung zu verstehen?

Answer 35

Bei einigen metallischen Werkstoffen schließt sich nach der unteren Streckgrenze ein Bereich inhomogener plastischer Verformung an, die sich im Gefügebild des Zugstabs in Streifenform widerspiegelt. Diese Streifen liegen in etwa unter 45° zur Zug- bzw. Stabrichtung, d. h. in Richtung der maximal auftretenden Schubspannungen und werden LÜDERS-Bänder genannt.

Question 36

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.01** ^{________________________________________________________} Welche Aussage hat die Härte? Was sind die Messgrößen bei der Härteprüfung?

Answer 36

**Die Härte ist der Widerstand eines Werkstoffs, den dieser dem Eindringen eines härteren Körpers entgegensetzt.** * Die Härte dient in erster Linie der Werkstoff- bzw. Gefügezustandscharakterisierung, insbesondere nach einer Wärmebehandlung. * Messgrößen bei der Härteermittlung sind * die Prüfkraft und * die Eindruckfläche oder * die Eindringtiefe. Aus diesen Messgrößen werden, je nach Verfahren, die Härtewerte abgeleitet.

Question 37

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.02** ^{________________________________________________________} Charakterisieren Sie die Härteprüfverfahren nach * BRINELL, * VICKERS und * ROCKWELL zzgl. Durchführbarkeit und Vergleichbarkeit der Messwerte.

Answer 37

* Bei der **BRINELL- und VICKERS-Härteprüfung** muss die Eindruckfläche ausgemessen werden, die auf die angewandte Prüfkraft bezogen wird. * Bei der **ROCKWELL-Härte** wird die Eindringtiefe ausgemessen. Damit ist der messtechnische Aufwand beim ROCKWELL-Verfahren relativ klein und die Messgröße eignet sich besonders zur Automation der Härteprüfung. * Bei der **BRINELL-Prüfung** ist infolge einer Eindruckkugel von meist großem Durchmesser die Werkstoffbeschädigung relativ groß, während sie bei der **ROCKWELL**- und insbesondere bei der **VICKERS**-Prüfung klein ist. * Bei der **BRINELL**-Härte wird über einen größeren Bereich integriert, sodass sie für inhomogene Werkstoffe gut geeignet ist. ## Footnote * *Die Härteprüfwerte, die nach verschiedenen Verfahren ermittelt wurden, sind nicht direkt miteinander vergleichbar, da die Verfahren unterschiedliche Messgrößen und unterschiedliche Eindringkörper zur Grundlage haben. Empirisch ermittelte Vergleiche zwischen den Härtewerten unterschiedlicher Prüfverfahren können nur in einem sehr begrenzten Umfang hergestellt werden.**

Question 38

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.02a** ^{________________________________________________________} Wie erfolgt die Härteprüfung nach Vickers?

Answer 38

Der Eindringkörper bei der VICKERS-Prüfung ist eine regelmäßige vierseitige Diamantpyramide mit einem Flächenöffnungswinkel von 136° (Abb. 4.2). Aus dem arithmetischen Mittelwert d der gemessenen Eindruckdiagonalen d1 und d2 wird die VICKERS-Härte bestimmt. Die VICKERS-Härte ist definiert als Kraft F in N pro Eindruckfläche S und ermit- telt sich zu: * HV = 0,102 ⋅ F / S * HV = 0,1891 ⋅ F / d ².

Question 39

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.03** ^{________________________________________________________} Wie groß sollte der Prüfeindruck gewählt werden?

Answer 39

Der Prüfeindruck mit Kugel bzw. Diamantkegel sollte möglichst groß gewählt werden, um die Härte relativ vieler Körner des Werkstoffgefüges bestimmen zu können. Dementsprechend ist ein großer Eindringkörper bzw. eine große Prüfkraft anzuwenden, die im Kompromiss stehen mit einer vertretbaren Beschädigung der Werkstoffoberfläche.

Question 40

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.04** ^{________________________________________________________} Worin unterscheiden sich die beiden Härtewerte HRC und HRF bzgl. ihres Eindringköpers?

Answer 40

Der Härtewert HRC sagt aus, dass hier ein Ergebnis einer Rockwell-Prüfung mit Diamantkegel, der von HRF mit einer Stahlkugel vorliegt.

Question 41

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.05a** ^{________________________________________________________} Interpretieren Sie folgende Prüfergebnisse: **a) 285 HBW 10/3000/35**

Answer 41

a) 285 HBW 10 / 3000 / 35: * 285 Härtewert; * HB Kennbuchstabe für BRINELL-Härte, * W Kennzeichnung des Prüfkugelwerkstoffs (hier Hartmetallkugel); * 10 Kugeldurchmesser D =10 mm; * 3000 Prüfkraftkennziffer (entspricht F in N · 0,102); * Einwirkdauer der Prüfkraft (35 s)

Question 42

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.05b** ^{________________________________________________________} Interpretieren Sie folgende Prüfergebnisse: **b) 350 HBW 5/750**

Answer 42

b) 350 HBW 5 / 750: * BRINELL-Härte 350, * Prüfkraftkennziffer 750, * bestimmt mit einer Kugel von 5 mm Durchmesser, * die 10 – 15 s einwirkte.

Question 43

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.05c** ^{________________________________________________________} Interpretieren Sie folgende Prüfergebnisse: **c) 640 HV 30**

Answer 43

c) 640 HV 30: * VIKERS-Härtewert 640, * HV Kennbuchstabe für VICKERS-Härte; * Prüfkraftkennziffer 30 (entspricht F in N · 0,102), * bestimmt mit einem Diamantkegel, * der 10 – 15 s einwirkte. Das ist der Regelfall.

Question 44

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.05d** ^{________________________________________________________} Interpretieren Sie folgende Prüfergebnisse: **d) 545 HV 1/20.**

Answer 44

d) 545 HV 1 / 20: * VIKERS-Härtewert 445; * HV Kennbuchstabe für VICKERS-Härte; * Prüfkraftkennziffer 1, * Einwirkdauer der Prüfkraft 20 s.

Question 45

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.05e** ^{________________________________________________________} **Wann sind Prüfergebnisse Vergleichbar?**

Answer 45

Die Vergleichbarkeit der Prüfergebnisse ist gegeben, wenn * Prüfkugeldurchmesser, * Prüfkugelwerkstoff, * Prüfkraft und * Einwirkdauer der Prüfkraft übereinstimmen. Bei gleichem Belastungsgrad liegt eine bedingte Übereinstimmung vor, die für die betriebliche Praxis jedoch meist ausreichend ist. Aufgrund der großen Prüfeindrücke ist die BRINELL-Härte besonders zur Prüfung inhomogener Werkstoffe geeignet.

Question 46

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.06a** ^{________________________________________________________} Die Härte eines Werkstoffes mit einem heterogenen Gefüge aus harten und weichen Bestandteilen soll nach BRINELL mit einer Hartmetallkugel D = 5 mm, einer Prüfkraft von 7353 N und einer Einwirkdauer von 10 – 15 s geprüft werden. **a) Warum eignet sich für diesen Werkstoff das BRINELL-Verfahren?**

Answer 46

a) Der vergleichsweise große Abdruck der Kugel liefert eine durchschnittliche Härte aller Gefügebestandteile und damit einen den realen Verhältnissen sehr nahe kommenden Wert, sodass sich hierfür das Härteverfahren nach BRINELL anbietet.

Question 47

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.06b** ^{________________________________________________________} Die Härte eines Werkstoffes mit einem heterogenen Gefüge aus harten und weichen Bestandteilen soll nach BRINELL mit einer Hartmetallkugel D = 5 mm, einer Prüfkraft von 7353 N und einer Einwirkdauer von 10 – 15 s geprüft werden. **b) Berechnen Sie die BRINELL-Härte für einen gemessenen Durchmesser d = 2,06 mm und geben Sie diese normgerecht an.**

Answer 47

Question 48

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.07a** ^{________________________________________________________} Die Härte von einsatzgehärteten Zahnrädern und eines Gehäuses aus Gusseisen, das ein heterogenes Gefüge ausweist, ist zu prüfen: **a) Welche(s) Härteprüfverfahren sind (ist) dafür geeignet?**

Answer 48

a) * Für die einsatzgehärteten Zahnräder ist das Prüfverfahren nach VICKERS geeignet, da mit dem Diamanten des Prüfköpers harte und wegen der möglichen kleinen Kräfte auch dünne Schichten geprüft werden können. * Für das Gehäuse gilt das oben unter 4.6 a) Gesagte. [4.06a: Der vergleichsweise große Abdruck der Kugel liefert eine durchschnittliche Härte aller Gefügebestandteile und damit einen den realen Verhältnissen sehr nahe kommenden Wert, sodass sich hierfür das Härteverfahren nach BRINELL anbietet.]

Question 49

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.07b** ^{________________________________________________________} Die Härte von einsatzgehärteten Zahnrädern und eines Gehäuses aus Gusseisen, das ein heterogenes Gefüge ausweist, ist zu prüfen: **b) Welche Folgen hätte es für das Prüfergebnis, wenn die einsatzgehärteten Zahnräder nach dem BRINELL-Verfahren geprüft würden?**

Answer 49

Entweder kann beim BRINELL-Verfahren die Kugel die harte Randschicht in den weicheren Untergrund drücken und so nur teilweise dessen Härte ermitteln oder sie wird von der gehärteten Schicht verformt. ## Footnote **In beiden Fällen wird das Prüfergebnis verfälscht.**

Question 50

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 4.08** ^{________________________________________________________} Beschreiben und skizzieren Sie den Vorgang der ROCKWELL-Prüfung anhand der drei hier skizzierten Verfahrensschritte.

Answer 50

1. Die zu prüfende Werkstückoberfläche wird mit dem Eindringkörper in Kontakt gebracht. Anschließend wird eine Vorkraft F0 ausgelöst, wodurch ein kleiner Eindruck entsteht, um die Unebenheiten der Oberfläche auszugleichen. An diesem Punkt wird die Messuhr auf Null gestellt. 2. Langsam und ohne Stöße wird eine zusätzliche Kraft F1 ausgebracht, welche zusammen mit F0 als Prüfgesamtkraft F definiert wird. Der Eindringkörper dringt mittels dieser Kraft mehr oder weniger tief in den Werkstoff ein und zwar je nach Härte desselben, bis der Zeiger der Messuhr zum Stillstand kommt. 3. Nunmehr wird die zusätzliche Kraft F1 bis auf die Prüfvorkraft zurückgenommen. Auf diese Weise verweilt der Eindringkörper in dem unter Prüfgesamtkraft entstandenen Eindruck, wobei alle durch die Anwendung von F entstandenen Verformungen verschwinden. Die Messuhr zeigt nur noch die bleibende Eindringtiefe h. **Die ROCKWELL-Härte HR ist definiert über die Eindringtiefe h** und wird, wie in Abb. 4.4 dargestellt gemessen. **_Als Eindringkörper dienen_** * Diamantkegel mit einem Öffnungswinkel von 120°, * Kugeln aus gehärtetem Stahl mit Durchmessern von D = 1,5875 mm bzw. 3,175 mm oder * Kugeln aus Hartmetall mit D = 5 mm bzw. 10 mm.

Question 51

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.01** ^{________________________________________________________} Wodurch wird die plastische Verformung des Kristallgitters ermöglicht?

Answer 51

* Die plastische Verformung des Kristallgitters wird durch Versetzungen ermöglicht. * Dadurch ist die für das Abgleiten der Gitterblöcke notwendige Schubspannung wesentlich geringer als für den Fall, wenn keine Versetzungen im Material vorhanden sind. * Versetzungen befinden sich jedoch immer in technischen Werkstoffen, bei unverformten Werkstoffen etwa 108 Versetzungen / cm2.

Question 52

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.01a** ^{________________________________________________________} Beschreiben Sie den Vorgang der plastischen Verformung.

Answer 52

Bei der plastischen Verformung tritt ein Schwellwert der elastischen, d. h. reversiblen Formänderung bzw. Verformung vor der irreversiblen Formänderung auf. Die Fähigkeit zur plastischen Formänderung ist eine wichtige Eigenschaft der Werkstoffe. Bei der plastischen Verformung gleiten Gitterblöcke unter der Einwir- kung von Schubspannungen entlang bestimmter Ebenen (Gleitebenen) der Kristalle und innerhalb dieser Ebenen wieder entlang bestimmter Vorzugsrichtungen (Gleit- richtungen) gegeneinander ab.

Question 53

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.01b** ^{________________________________________________________} Wodurch sind Gleitsysteme gekennzeichnet?

Answer 53

Die Gleitsysteme, d. h. Gleitrichtungen und -ebenen, sind dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Atomen am dichtesten besetzt sind. * Das kfz-Gitter besitzt vier Gleitebenen mit je drei Gleitrichtungen, also zwölf Gleitsysteme. Danach hat das kfz-Gitter die beste plastische Verformbarkeit. * Das krz-Gitter hat im Durchschnitt etwa acht Gleitsysteme. * Die hexagonal dichteste Packung weist nur eine Gleitebene mit je drei Gleit-richtungen, d. h. insgesamt nur drei Gleitsysteme, auf. Mit steigender Verformung nehmen die Gleitbänder in der Anzahl und Breite zu.

Question 54

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.01c** ^{________________________________________________________} Was wird unter einer Versetzung verstanden? Grenzen Sie in diesem Zusammenhang die Cottrell-Wolken vom Cottrell-Effekt ab.

Answer 54

Die Versetzungen sind Gebiete hoher Verzerrungen, an die bevorzugt Fremdatome Versetzungen und der diffundieren (sog. COTTRELL-Wolken). Die Fremdatome blockieren die Versetzungen, sodass eine höhere Schubspannung zur Aktivierung der Versetzungen aufgewandt werden muss als bei unblockierten Versetzungen (COTTRELL-Effekt). Die Spannung, die zur Loslösung der Versetzungen von den Fremdatomen nötig ist, ist im Spannungs-Dehnungs-Diagramm die obere Streckgrenze (Abb. 3.2). Wenn die Versetzung von den Fremdatomen losgerissen ist, ist zur Aufrechterhaltung der Verformung eine geringere Spannung notwendig; dies entspricht der unteren Streckgrenze. Die Verformung ist inhomogen, wird als LÜDERS-Dehnung bezeichnet und konzentriert sich auf Bänder, die bereits in Kapitel 3 als LÜDERS-Bänder erwähnt wurden. Diese inhomogene Verformung ist bei der Kaltumformung von Blechen unerwünscht. Die Festigkeitssteigerung durch Zusatz von Legierungselementen ist die Mischkristallverfestigung. Im unverformten Zustand beträgt die Versetzungsdichte etwa 10⁸/cm2, im plastisch stark verformten Zustand tritt eine Versetzungsdichte von etwa 10¹²/cm2 auf.

Question 55

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.02a** ^{________________________________________________________} Welche Möglichkeiten der Festigkeitssteigerung metallischer Werkstoffe gibt es?

Answer 55

* Mischkristallverfestigung * Kaltverfestigung * Korngrenzenverfestigung * Teilchenverfestigung:

Question 56

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.02b** ^{________________________________________________________} Beschreiben Sie zudem den Wirkungsmechanismus der Mischkristallverfestigung.

Answer 56

**_Mischkristallverfestigung:_** Die auf Gitterplätzen angesiedelten Fremdatome (gelösten Atome) verzerren wegen ihres vom Wirtsgitter abweichenden Atomradius das Kristallgitter des Wirtsmetalls und in noch stärkerem Maße die Fremdatome auf Zwischengitterplätzen. Diese Gitterverzerrungen behindern die Versetzungsbewegung und erhöhen somit die Festigkeit. Die Atome, die beim Mischkristall in Lösung gehen, siedeln sich bevorzugt an Versetzungen an und blockieren diese in ihrer Bewegung. Die anderen, früher genannten Mechanismen der Mischkristall- und Kaltverfesti- gung haben mit der Festigkeitssteigerung gleichzeitig einen Zähigkeitsabfall zur Folge. Die Werkstoffe werden bei diesen Verfestigungen fester, aber auch spröder.

Question 57

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.02c** ^{________________________________________________________} Beschreiben Sie zudem den Wirkungsmechanismus der Kaltverfestigung.

Answer 57

**_Kaltverfestigung:_** **Bei der plastischen Verformung werden auch neue Versetzungen erzeugt, sodass das Versetzungsnetzwerk so dicht wird, dass sich die Versetzungen bei der Bewegung gegenseitig behindern.** Die anderen, früher genannten Mechanismen der Mischkristall- und Kaltverfesti- gung haben mit der Festigkeitssteigerung gleichzeitig einen Zähigkeitsabfall zur Folge. Die Werkstoffe werden bei diesen Verfestigungen fester, aber auch spröder. Bei der plastischen Verformung kommt es durch einen Mechanismus, der FRANK- READ-Quelle, unter Einfluss einer Schubspannung τ auf eine an den Ausscheidun gen A und B fixierten Versetzung zu deren Ausbauchung und schließlich zu einer Abschnürung (Abb. 5.2). Diese Versetzungsvervielfachung führt zur gegenseitigen Blockierung der Versetzungsbewegungen und damit zu einem Festigkeitsanstieg, der Kaltverfestigung. Beim Vorliegen eines polykristallinen Werkstoffs wandern die Versetzungen bis zur Korngrenze und werden dort aufgestaut. * **Im Falle eines feinkörnigen Gefüges ist die Bewegung der Versetzung bis zum Aufstau stärker eingeschränkt als bei einem grobkristallinen Werkstoff. In feinkörnigem Gefüge steigt folglich die Festigkeit an.** Die Abhängigkeit der Streckgrenze R_e vom Korndurchmesser gibt die HALL- HALL-PETCH-Beziehung wieder: **R_e = σ₀ + k ⋅ d ^–1/2** **_Hierbei ist_** * σ₀ die Spannung der Versetzungsaufstauung, * k sind Konstanten und * d der mittlere Korndurchmesser.

Question 58

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.02d** ^{________________________________________________________} Beschreiben Sie zudem den Wirkungsmechanismus der Korngrenzenverfestigung.

Answer 58

**_Korngrenzenverfestigung:_** Bei kleinem Korn kommt es zu einem geringeren Aufstau der Versetzungen an den Korngrenzen als bei grobem Korn. Damit wird infolge Vorliegens von vie- len Korngrenzen, d. h. bei einem feinkörnigen Gefüge, die Versetzungsbewegung innerhalb des Korns stärker behindert als bei einem grobkörnigen Gefüge. Mit dieser Verfestigung ist auch gleichzeitig eine Erhöhung der Zähigkeit verbunden, was bei den anderen Verfestigungsmechanismen in der Regel nicht der Fall ist. **Der Einfluss der Korngrenze auf die Festigkeitserhöhung wird als Korngrenzenverfestigung bezeichnet**. Dieser Mechanismus ist der bevorzugte Mechanismus der Festigkeitssteigerung, da nicht nur die Festigkeit eines Werkstoffs, sondern auch seine Zähigkeit erhöht wird.

Question 59

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.02e** ^{________________________________________________________} Beschreiben Sie zudem den Wirkungsmechanismus der Teilchenverfestigung. Welche Arten gibt es?

Answer 59

**_Teilchenverfestigung:_** **Durch die Ausscheidung feinverteilter Teilchen im Gefüge wird die Versetzungsbewegung behindert. Diese Behinderung ist umso stärker, je feinverteilter die Ausscheidung erfolgt.** Feindispers eingelagerte Teilchen, d. h. Ausscheidungen, erhöhen ebenfalls die Teilchenverfestigung Fließspannung, da diese der Versetzungsbewegung einen Widerstand entgegensetzen. Der Festigkeitsanstieg ist infolge der Ausscheidung kleiner Teilchen durch den Widerstand beim Schneiden der Teilchen möglich (Abb. 5.3). Er kann auch durch das Hindurchziehen der Versetzung durch die Ausscheidungen mit der Bil- dung von Versetzungsringen um die feindispers verteilten Teilchen (Abb. 5.4) be- dingt sein. Im Falle eines größeren Teilchenabstands D und bei einem größeren Teilchendurchmesser d überwiegt der Umgehungsmechanismus, während bei kleinem Teilchenabstand und geringer Teilchengröße der Schneidprozess dominiert. **_Arten:_** * Die **Ausscheidungsverfestigung** tritt bei der Ausscheidung der Teilchen aus übersättigten Lösungen auf (s. Abschn. 1.3.4), * während bei der **Dispersionsverfestigung** die Verteilung feiner Teilchen auf pulvermetallurgischem Wege erzeugt wird (s. SB 1: Abschn. 3.3.2). Bei warmfesten Werkstoffen dürfen sich die durch Ausscheidung oder Dispersion erzeugten Teilchen bis zur Betriebstemperatur nicht auflösen, um die Festigkeit auch bei hohen Temperaturen zu gewährleisten. Die Festigkeitssteigerung bei den metallischen Werkstoffen, insbesondere bei Stählen, erfolgt meist durch Kombination der Korngrenzen- und der Teilchenverfestigung.

Question 60

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.03** ^{________________________________________________________} Was sind Eigenspannungen und wodurch entstehen sie?

Answer 60

**Eigenspannungen sind Spannungen im Werkstoff ohne das Einwirken äußerer Momente und Kräfte.** Sie entstehen durch * **Abkühlung bei unterschiedlicher Verformung** in verschiedenen Querschnitten, bedingt durch Temperaturunterschiede über den Querschnitt (thermische Eigenspannungen bzw. Wärmeeigenspannungen), * **inhomogene plastische Verformung infolge äußerer Kräfte** (Verformungseigenspannungen) – entspricht der Abb. 5.5, * **inhomogene Gefügeumwandlungen**, die mit einem Volumeneffekt verbunden sind (z. B. die γ/α-Umwandlung des Fe bzw. der entsprechenden MK) (Umwandlungseigenspannungen) oder * die mit **Ausscheidungen im Gitter hervorgerufenen Verzerrungen** (Ausscheidungseigenspannungen).

Question 61

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.03a** ^{________________________________________________________} Welche Wirkung haben sie hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung eines Bauteils?

Answer 61

* Sie erhöhen die Belastbarkeit eines Bauteils, wenn ihr Vorzeichen entgegengesetzt den Spannungen ist, die durch äußere Beanspruchungen in dem Bauteil hervorgerufen werden. * Vorteilhaft sind deshalb Druckeigenspannungen, weil sie die rissfördernden Zugspannungen teilweise oder ganz kompensieren.

Question 62

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.04** ^{________________________________________________________} Skizzieren Sie die typische Kriechkurve für Metalle bei angenommener konstanter Temperatur und konstanter Beanspruchung. Markieren und definieren Sie die drei Bereiche der Kriechkurve.

Answer 62

1. **_Primärkriechen (Bereich I m \< 1):_** Die Verfestigung überwiegt durch Behinderung der Versetzungsbewegung im sich bildenden Versetzungsnetzwerk. 2. **_Sekundäres Kriechen (Bereich II m = 1):_** Konstante Kriechgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch Klettern von Versetzungen und Ausbilden von Kriechporen. 3. **_Tertiäres Kriechen (Bereich III m \> 1):_** Es dominiert das Korngrenzengleiten, die Kriechporen nehmen zu, sodass es zur Mikrorissbildung und letztendlich zum Bruch kommt.

Question 63

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.04a** ^{________________________________________________________} Was wird unter Kriechen verstanden? Wann ist mit Kriechvorgängen zu rechnen?

Answer 63

* **Die zeitabhängige Verformung bei konstanter Last wird als Kriechen bezeichnet.** Die Kriechkurve ist der funktionale Zusammenhang von **Dehnung ε** und **Zeit t**. Er wird durch die Proportion ε ~ t ^m beschrieben. Im technischen Versuch wird die Last konstant gehalten. * Mit Kriechvorgängen ist zu rechnen, wenn die Beanspruchungstemperatur etwa oberhalb der halben Schmelztemperatur liegt. Die Verformung einer Ni-Legierung bei 600 °C. Neben der Verformung durch Gleitlinienbildung tritt ein Korngrenzengleiten auf, das bei einer Verformung bei 1000 °C schließlich bis zum Eintreten des Bruchs nur allein noch zu erkennen ist. Durch Verfolgung der Kriechporenausbildung ist eine Abschätzung der Schädigung (z. B. von Rohrleitungen in Kraftwerken) infolge Kriechens möglich.

Question 64

**2 - Legierungsbildung und Wärmebehandlung** **Kontrollfrage 5.05** ^{________________________________________________________} Was ist Rekristallisation und wovon hängt die Korngröße nach der Rekristallisation ab?

Answer 64

**Rekristallisation ist eine Umkristallisation des Gefüges, die nach vorangegangener plastischer Deformation und anschließender Glühbehandlung auftritt.** * Die Korngröße des rekristallisierten Gefüges ist klein, wenn der Verformungsgrad groß und die Glühtemperatur klein sind. * Die Rekristallisation tritt erst nach einem kritischen Verformungsgrad auf. * Verformungen oberhalb der Rekristallisationstemperatur sind Warmverformungen, weil es durch Rekristallisation zu keiner Verfestigung infolge plastischer Verformung und den damit verbundenen Versetzungsaufstau kommt.