6 Metallische Werkstoffe und Glas

Kristalliner Aufbau von Metallen: Arten, Fehler

• Basis für charakteristische Eigenschaften von Metallen: z.B. Leitfähigkeit und Verformbarkeit

• Metallatome im festen Zustand in einem regelmäßigen Gebilde, Raumgittern, angeordnet

• Arten von Kristallstrukturen (beinflussbar bei Herstellung und Legierung durch Variation der Abkühlgeschwindigkeit):

  • kubisch-raumzentriertes Gitter → Ferrit

  • kubisch-flächenzentriertes Gitter → Austenit

  • hexagonales Gitter

• Gitterfehler durch Fremdatome (Legierungen) oder bestimmte Behandlungen → für mechanische Eigenschaften von besonderer Bedeutung

Einteilung der Metalle

• Eisen-Werkstoffe

  • Stähle (z.B. Baustahl)

  • Eisen-Gusswerkstoffe (z.B. Gusseisen)

• Nichteisen-Metalle

  • Schwermetalle (z.B. Kupfer, Zink, Blei)

  • Leichtmetalle (z.B. Aluminium, Magnesium, Titan)

Eisen und Stahl: Wichtigkeit von Eisen, Kohlenstoffgehalt

• Eisen ist das wichtigste Metall

• reines Eisen zu weich für industrielle Verwendung

• wichtigstes Legierungselement für Eisen: Kohlenstoff

• bei Kohlenstoffgehalt unter 2,06% → Stahl

• über 2,06% → Gusseisen

• → je höher der Kohlenstoffanteil, desto spröder und weniger bearbeitbar wird das Metall!!

Was passiert mit steigendem Kohlenstoffgehalt bei Eisen?

• Festigkeit nimmt zu

• Verformbarkeit und Schweißeignung nehmen ab

• Schmelzpunkt nimmt ab

Eisen-Kohlenstoff-Gefügephase: Ferrit und Austenit

• Ferrit:

  • α-Eisen

  • kubisch raumzentriertes Gitter

  • weich und verformbar

  • hohe Zähigkeit auch bei tiefen Temperaturen

• Austenit:

  • γ-Eisen

  • kubisch flächenzentriertes Gitter

  • korrosionsbeständig

  • höhere Festigkeit und Härte

  • verminderte Verformbarkeit

Herstellung von Stahl: Frischen, wichtigste Verfahren, Nachbehandlung

Frischen: Einblasen von Sauerstoff um Kohlenstoff und andere Verschmutzungen aus Roheisen zu entfernen

Verfahren:

• Linz-Donawitz-Verfahren (LD) → Sauerstofffrischverfahren

  • reiner Sauerstoff wird unter hohem Druck über wassergekühlte Lanze in das flüssige Roheisen eingeblasen

• Elektrostahlverfahren

  • in Lichtbogenöfen wird leitfähiges Material auf bis zu 3500°C erhitzt

  • vorwiegend zur Herstellung von Edelstählen (teuer)

Nachbehandlung:

• Reduzierung von nach dem Schmelzprozess weiter im Stahl gelösten gasförmigen Stoffen

• Gase, wie z.B. Wasserstoff und Stickstoff, verschlechtern nämlich die Werkstoffeigenschaften

• Verfahren z.B. Desoxidation, entgasung

Formgebung von Stahl

• Stahlguss

  • Stahlguss in fertige Form

  • Blockguss

  • Stranggussverfahren

• in Walzwerken

Naturharter Stahl vs Kaltverformter Stahl

Naturhart:

• warmverformt

• ausgeprägte Streckgrenze → bei gleichbleibender Spannung verändert sich die Verformung

• verhältnismäßig hohe Bruchdehnung

• i.A. schweißbar und härtbar

• z.B. Baustahl

Kaltverformt:

• werden unter Rekristallisationstemperatur verformt

• keine ausgeprägte Streckgrenze

• z.B. Bewehrungsstahl

Definitionen: Glühen, Abschrecken, Härten, Anlassen, Nitrieren

• Glühen: Spannungsabbau und Verfeinerung des Gefüges

• Abschrecken: Erwärmen und schnelles Abkühlen → Härtung

• Anlassen: Erwärmung nach dem Abschrecken → Oberflächenhärte wird beibehalten, Werkstoff wird zäher

• Nitrieren: Glühen in stickstoffhaltiger Atmosphäre → Härtung des Randbereichs

Recycling von metallischen Werkstoffen

→ trotz geringerem Energieverbrauch kaum in Verwendung

Edelstahl

• besonders reiner Stahl mit sehr geringem Anteil an z.B. Phosphor und Schwefel

• ab ca. 10,5% Chromgehalt rostfrei

• Nickel, Molybdän und Titan erhöhen Beständigkeit

Gusseisen

• Stahl-Kohlenstofflegierung mit C-Gehalten über 2,06%

Aluminium

• kommt in Erdkruste häufig vor, ist jedoch stark an andere Elemente gebunden und braucht daher viel Energie für Produktion von Primäraluminium

• elektrischer Leiter

• hohe Festigkeitswerte als Legierung

• korrosionsbeständig

• durch geringe Dichte (1/3 von Stahl) interessant für leichte Bauteile

Kupfer

• weich & leicht zu bearbeiten

• hohe elektrische und Wärmeleitfähigkeit

• korrosionsbeständig

Blei

• rel. leicht → leicht bearbeitbar

• hohe Dichte

• v.A. in Autoindustrie, Strahlenschutz und Munition

• für Mensch und Umwelt giftig

Quecksilber

• bei Normbedingungen in flüssiger Form

• Quecksilberdämpfe sehr giftig

• nur noch in z.B. Thermometern, Barometern verwendet

Welcher Versuch ist wesentlich für die Bestimmung der Festigkeit und Verformung des Stahls?

→ einachsiger Zugversuch

• Probekörper wird mit einem Anfangsquerschnitt und Kraft gleichmäßig beansprucht und gedehnt

• Darstellung in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Kennzahlen Baustahl S235: Rohdichte, E-Modul, Wärmeausdehnungskoeffizient, Streckgrenze…

Brandverhalten von Stahl

• hohe Wärmeleitfähigkeit → Streckgrenze halbiert sich bei etwa 600°C → Festigkeit nimmt ab

• Stahlbauwerke müssen vor Brandeinwirkung besonders geschützt werden (z.B. Brandschutzanstrich)

Definition Korrosion und Arten, Korrosionsschutz

→ Angriff und Zerstörung metallischer Werkstoffe durch chemische oder elektrochemische Reaktionen mit Umgebung

Arten:

• Flächenkorrosion: gleichmäßiger, flächiger Abtrag, v.A. bei nicht legierten Baustählen

• Lochfraßkorrosion: chloridhaltige Medien; bei nichtrostenden, vergüteten und hochlegierten Stählen

• Spannungsrisskorrosion: Zusammenwirken von elektrochemischer Korrosion und Zugbelastung

• Kontaktkorrosion: Kontakt von untersch. Werkstoffen → unedleres Metall wird aufgelöst

Korrosionsschutz:

• Auswahl geeigneter Werkstoffe

• Spannungsspitzen meiden, möglichst glatte Oberflächen, Wasseransammlungen vermeiden

• chemische Oberflächenbehandlung

• metallische Überzüge (Verzinken)