Die Herstellung von Kunststoffen erfolgt aus den natürlich vorkommenden Rohstoffen Erdöl (Naphtha), Kohle, Erdgas, Kalk, Luft und Wasser. Hinzu kommen häufig Additive (z. B. Stickstoff, Chrom, Schwefel oder Chlor).

Kunststoffe sind in der Regel gut formbar und können leicht weiterverarbeitet werden. Gegen Laugen und Säuren sind Kunststoffe recht unempfindlich.

Unterschiede zu Metall-Werkstoffen:

• Geringere mechanische Festigkeit
• Einfärbbar
• Niedrigere Schmelztemperatur, folglich niedrigere Gebrauchstemperatur
• Geringere Dichte, zwischen 0,9 und 2,5 kg/dm³
• Temperaturabschirmung
• Kunststoffe sind meistens elektrische Isolatoren
• Korrosionsbeständig

Kunststoffe gelten als die Werkstoffe der Zukunft. Bereits heute ist die Kunststoffproduktion volumenmäßig längst bedeutender als die Rohstahlproduktion. Kunststoffe werden heute und in Zukunft weiteres Potenzial bieten, welches insbesondere durch Nanotechnologie erschlossen werden wird.

 Thermoplaste

Die meisten Kunststoffe sind Thermoplaste (siehe Artikel: Thermoplaste – Werkstoff und Verarbeitung). Thermoplaste bestehen aus ineinander verfilzten Fadenmolekülen. Die fehlende Vernetzung der langen Fadenmoleküle schafft ein (temperaturabhängig) starres, thermoelastisches und thermoplastisches Verhalten dieser Kunststoffe.

Elastomere

Elastomere (Gummi) sind keine harten Kunststoffe, welche als stützende Konstruktionswerkstoffe verwendet werden, sondern sehr dehnbare und elastische Werkstoffe, welche ihren Nutzen aus ihrer Flexibilität und Elastizität schöpfen. Elastomere können durch bestimmte, nicht zu stark wirkende Kräfte gedehnt werden und reagieren elastisch. Elastomere sind nicht schmelzbar, nicht schweißbar und können nur durch spanende Bearbeitung umgeformt werden.

Naturkautschuke oder synthetische Kautschuke sind die Ausgangsbasis für Elastomere. Synthetische Kautschuke sind in der Regel beständiger gegen Säuren/Laugen und altern weniger. Elastomere aus Naturkautschuk sind grundsätzlich sehr dehnbar, die Elastizität nimmt jedoch mit zunehmendem Schwefelgehalt ab.

Elastomere bestehen aus ungeordneten Fadenmolekülen mit weitmaschiger Vernetzung, die nach einer Vulkanisation entsteht. Die bekannteste Verwendung von Elastomeren erfolgt für Autoreifen. Auch Keilriemen, Dichtungen und Schläuche werden aus Elastomeren gefertigt. Die Vorteile von Elastomeren liegen in den hohen Beanspruchungsgrenzen. Elastomere schmelzen nicht und erhalten ihre Elastizität beinahe vollständig auch bei hohen Temperaturen. Elastomere bleiben elastisch bis zu ihrer Zerstörung durch zu hoher Temperatur oder chemischer Zersetzung.

Duroplaste

Duroplaste bestehen aus fadenförmigen Makromolekülen mit engmaschiger Vernetzung. Die engmaschige Vernetzung macht diese Kunststoffe hart und spröde. Die Vernetzung entsteht nach einem Härteprozess. Das Härten erfolgt durch zugesetzte Härter (Gießharze oder Klebeharze). Auch ein Härteprozess ohne Zusätze, dann jedoch durch Druck/Pressen bei Temperaturen um 170°C, ist möglich. Nach dem Härten bleiben Duroplaste hart/spröde und können nicht mehr in einen weichen oder elastischen Zustand umgewandelt werden. Duroplaste sind nur spanend umformbar, nicht löslich und nicht schweißbar.

Ausgangsbasis für Duroplaste sind Kunstharze, welche flüssig oder schmelzbar vorliegen.

Vernetzte Duroplaste können mittels Polyaddition hergestellt werden. Eine Polyaddition bezeichnet eine Polyreaktion von mindesten zwei bifunktionalen Verbindungen, bei der ein Wasserstoffatom der einen Verbindung an eine Doppelbindung der anderen Verbindung geknüpft wird. Zusätzlich erfolgt eine Elektronenpaarbindung zwischen zwei Verbindungen.

Die Wärmebehandlung erfolgt immer im festen Zustand. Wärmebehandlung von Stählen definiert sich nach Temperatur und Zeit. Wichtige Parameter der Wärmebehandlung:

• Glühtemperatur
• Glühdauer
• Abkühlung (Art und Geschwindigkeit)
• Prozessfolge von Wärmebehandlungsschritten

Für die Wärmebehandlung ist die A1-Linie (P-S-K-Linie bei 723°C) im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm eine  wichtige Markierung, denn bei mehr als 0,02% Kohlenstoffanteil (Stahl) und unter der A1-Linie zerfällt Austenit zu Perlit. Wenn keine Kornänderung erzielt werden soll, ist die Erwärmung unterhalb der A1-Linie zu halten.

Die A2-Linie ist für die Wärmebehandlung weniger von Bedeutung. Wird die A2-Linie (und damit eine Erwärmung von 768°C) überschritten, verliert sich der Ferromagnetismus.

Wichtig ist hingegen die A3-Linie (G-O-S-Linie), bei deren Unterschreitung (Abkühlung) sich freiwerdender Kohlenstoff im Austenit anreichert bis die A1-Linie erreicht wird.

Nachfolgend werden eher durchdringende Wärmebehandlungen beschrieben. Neben dem durchdringenden Härten und den nachfolgenden Glühverfahren zur Verbesserung der Qualität des Stahls durch Gefügeumstrukturierung oder den Abbau innerer Spannungen, sind das Randschichthärten von Stählen zur Verbesserung der Festigkeit der Werkstück-Oberflächen typische Wärmebehandlungen bei Stahl.

Härten von Stahl

Beim Härten von Stahl wird das Stahlwerkstück auf eine bestimmte Härtetemperatur gebracht und dann durch Zuführung von Kühlmittel (Wasser, Öl oder Luft) abgeschreckt.

Eine langsame Abkühlung ergibt immer wieder eine gleiche oder ähnliche Gefügestruktur im Stahl. Bei einer schnellen Abkühlung (Abschrecken) von einer Temperatur oberhalb der G-S-K-Linie im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm wird jedoch die unerwünschte Perlitbildung  unterdrückt und die Erreichung einer Martensitstufe mit kubisch-raumzentrierten Kristallen mit eingespannten Kohlenstoffatomen ermöglicht.

Vergüten

Das Vergüten eines Stahl-Werkstoffs ist eine Kombination aus Härten und Anlassen. Vergüten zählt zu den durchgreifenden Verfahren der Wärmebehandlung, die Beeinflussung des Werkstoffes geschieht (anders als beim Einsatzhärten) also nicht nur an den Rändern/dem oberflächennahen Material, sondern passiert im gesamten Werkstoff.

1. Erwärmung des Stahls auf Härtetemperatur und Haltung dieser Temperatur (Gefügeumwandlung in Austenit)
2. Abschrecken bzw. rasche Abkühlung aus dem Austenitbereich heraus, in Öl, Wasser oder auch Luft (Martensitbildung -> sprödes, hartes, aber feines Gefüge, bis hier hin Verlust der Zähigkeit)
3. Anlassen bei hohen Temperaturen (heißer als beim Härten) (Martensitabbau -> Entstehung eines feinen Gefüges mit weitgehendem Erhalt der Festigkeit und Wiedergewinnung hoher Zähigkeit) – Anlassen ist das Wiedererwärmen gehärteter Werkstücke mit nachfolgendem Abkühlen. Mit dem Anlassen nimmt die Festigkeit/Härte leicht ab, die Zähigkeit steigt jedoch enorm.

Es handelt sich um ein Wärmebehandlungsverfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaft (Verbesserung der Härte und vor allem der Zähigkeit) bzw. bei dem sich das Gefüge neu bilden lässt. Vergütet werden Stähle, welche für eine dynamische Beanspruchungshaltung ausgelegt werden, beispielsweise für Wellen und Zahnräder.

Um einen Werkstoff zu härten, wird dieser erst erwärmt, anschließend entweder in Öl, Wasser oder Luft abgekühlt und danach wieder erwärmt. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt, bis die gewünschte Festigkeit und Zähigkeit erreicht ist. (Je nach Stahl-Werkstoff können Temperaturen zwischen 150 – 700 Grad, meist aber über 500°C Celsius zum Anlassen verwendet werden).

Typische Vergütungsstähle sind 42CrMo4 (legiert) und C45 (unlegiert).

Glühen zur Verbesserung der Qualität von Stahl

Lösungsglühen

Durch Lösungsglühen werden Kaltverfestigungen bei austenitischen Stählen reduziert. Das Stahlwerkstück wird dabei auf Temperaturen zwischen 1000 und 1100°C gebracht. Abhängig von der Werkstückgröße kann die Erhitzungsdauer zwischen 30 Minuten und einigen Stunden betragen. Hat die Hitze das Werkstück ganz durchdrungen, wird es im Wasser abgeschreckt. Der Nachteil des Verfahrens liegt in der gegebenenfalls sehr langen Haltezeit unter hohen Temperaturen, was zu einer Grobkornbildung führen kann (ungünstige Ausprägung des Kornwachstums).

Spannungsarmglühen

Wie die Bezeichnung bereits andeutet, dient das Spannungsarmglühen keiner wesentlichen Eigenschaftsänderung. Die Qualität des Stahls soll durch Reduzierung innerer Spannungen verbessert werden. Innere Spannungen entstehen durch ungleichmäßige Erhitzung/Abkühlung, beispielsweise bei einer Warmverformung oder einer zielgenauen Erhitzung (z. B. Schweißen). Eine Erhitzung zwischen 550 und 650°C (unterhalb A1-Linie bei 723°C im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm) sorgt für  plastische Deformationen im Mikrobereich im Inneren des Werkstücks, so dass Eigenspannungen abgebaut werden. Bei Vergütungsstählen ist eine Glühtemperatur unterhalb der Anlasstemperatur wichtig, da es sonst zur Erweichung des Materials führt.

Rekristallisationsglühen

Das Gefüge des Stahls ändert sich bei einer Kaltverformung. Durch Rekristallisationsglühen sollen diese Gefügeänderungen wieder rückgängig gemacht werden. Eine α-Ferrit-Austenit-Umwandlung des Kristallgitters geschieht nicht. Die Umformung erfolgt – je nach Abmessung des Werkstücks – zwischen 600 und 700°C (unterhalb der A1-Linie).

Normalisierungsglühen (bzw. Normalglühen oder Normalisieren)

Beim Normalisierungsglühen wird eine α-Ferrit-Austenit-Umwandlung durch Erwärmen und Abkühlen durchgeführt, um ein feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge mit feinlamellarem Perlit zu erhalten. Normalisierungsglühen ist zum Beispiel für den Aufbau von Schweißkonstruktionen interessant, für welche eine feine Körnung wichtig ist. Der feine Korn im Stahl wird durch zweimaliges Umwandeln erreicht:

1. Von α-Mischkristallen (Ferrit) zu γ-Mischkristallen (Austenit) bei Erhitzen
2. umgekehrte Umwandlung bei Abkühlung

Die Erhitzung muss bei untereutektoiden Stählen (weniger als 0,8% Kohlenstoffanteil) bis über den oberen Umwandlungspunkt A3 erfolgen. Bei übereutektoiden Stählen (mindestens 0,8% Kohlenstoffanteil) reicht eine Erhitzung bis über die A1-Linie. Normalisierungsglühen ist nicht möglich bei ferritischen oder austenitischen Stählen.

• Amorphe Thermoplaste
• Teilkristalline Thermoplaste

Amorphe Thermoplaste haben eine Struktur, welche sich durch ineinander verflochtene lange Fadenmoleküle auszeichnet. Bei Raumtemperatur sind Thermoplaste hart. Die Vernetzung besteht nicht in einer dichten Struktur sondern durch ungeordnete Überlappung. Thermoplaste sind tendenziell – jedoch nicht zwingend – wärmeempfindlich. Bei Erhitzung geraten die Fäden in Schwingung und lockern sich, weiß zu einer Erweichung führt.

Teilkristalline Thermoplaste bestehen hingegen aus teilweise parallel anliegenden, verwobenen Fadenmolekülen in einer dichten Anordnung. Teilkristalline thermoplastische Bauteile sind bei höheren Temperaturen daher besser konstruktiv nutzbar.

Aggregatzustände von thermoplastischen Kunststoffen: (Reihenfolge nach Temperaturanstieg)

1. Fest – starr oder flexibel
2. Thermoelastisch – in einem höheren Temperaturbereich sind Thermoplaste thermoelastisch. Thermoelastisch bedeutet: Der Kunststoff ist flexibel und kann gebogen werden, er ist jedoch formstabil und springt daher nach Krafteinfluss sofort wieder in seine Ursprungsform zurück
3. Thermoplastisch – im hohen Temperaturbereich sind Kunststoffe thermoplastisch, lassen sich also dauerhaft umformen
4. Flüssig – bei sehr hohen Temperaturen verflüssigen sich diese Kunststoffe
5. Zersetzung – ab einer bestimmten sehr hohen Temperatur zersetzen sich Kunststoffe in flüssige/gasförmige Grundbestandteile

Herstellung von Thermoplaste

Für die Herstellung gibt es drei grundlegende Ansätze durch unterschiedliche Reaktionsformen:

Polymerisation – funktioniert bei vorhandenen Doppelbindungen, welche aufgebrochen werden, um Verkettungen durch Einfachbindungen zu ermöglichen. Es handelt sich um eine Additionsreaktion, welche durch einen Initiator eingeleitet wird.

Polykondensation – Substitutionsreaktion zweier gleich- oder verschiedenartiger Gruppen unter Abspaltung niedermolekularer Nebenprodukte.

Polyaddition – Mindestens zwei bifunktionale Verbindungen reagieren in Form von Austausch von Wasserstoffatomen. Das Wasserstoffatom wandert von der einen Verbindung zu einer Doppelbindung der anderen Verbindung.

Verarbeitung von Thermoplaste

•  Urformen (im flüssigen Temperaturbereich)
• Blasformen
  z. B. Hohlkörper wie Flaschen oder Kanister
• Extrudieren
  z. B. Profile, Führungsschienen, Leitungen
• Spritzgießen
  Auf Grund der Einsatzvielfalt und Leistungsfähigkeit das häufigste Urformverfahren. Urformen von unmittelbar verwendbarer Formteile in wenigen Sekunden bis Minuten
  z. B. Autoverkleidung, Kotflügel, Gehäuseteile
• Umformen (im thermoplastischen Temperaturbereich)
• Thermoformen
  z. B. Folientechnik
• Vakuumformen
  Tiefziehen mit Unterdruck für z. B. Verkleidungen, Kästen, Reklameschilder
• Trennen
• Spanen z. B. durch Fräsen oder lokales Erhitzen/Laser
• Fügen
• Schweißen
  Thermoplaste sind (anders als andere Kunstsoffe) schweißbar
• Kleben
• Beschichten
  bestimmte Thermoplaste (in Form polymerer Pulver) können im Wirbelsinterverfahren als Beschichtungsmaterial eingesetzt werden und somit Bauteile vor Korrosion schützt, gegenüber elektrischen Strom isolieren oder den Reibungswiderstand senken

Anwendungen für Thermoplaste

Thermoplaste lassen sich in einem bestimmten Temperaturbereich einfach (thermo-plastisch) reversibel verformen. Der Vorgang kann also nach Belieben durch Abkühlen und Erwärmen wiederholt werden (solange keine Materialzersetzung durch zu starke Erhitzung eintritt). Thermoplaste sind daher auch (als einzige Kunststoffart) schweißbar. Auch das Fügen durch Kleben ist bei Thermoplaste sehr gut geeignet.

Auf Grund der vielen Vorteile sind Thermoplaste die erfolgreichsten Kunststoffe. Mehr als die Hälfte aller verwendeten Kunststoffe sind Thermoplaste. Thermoplaste kommen in alltäglichen Produkten sehr häufig vor und auch in vielen hochspezialisierten Bereichen spielen diese künstlichen Werkstoffe eine große Rolle. Gerade im Leichtbau sind Thermoplaste kaum mehr wegzudenken. Auch im gestalterischen Bereich setzen sich Thermoplaste in Form von Folientechnik durch. Die Nachteile thermoplastischer Bauteile, vor allem die Temperaturempfindlichkeit, werden in Zukunft wahrscheinlich stark verbessert werden. Im Automobilbau nähern sich diese Kunststoffe räumlich und funktionsseitig dem Motor immer näher an. Es gibt bereits Ölwannen für PKW-Motoren aus glasfaserverstärktem Polyamid.

Verbreitet ist die Umwandlung von Thermoplaste in Thermoelaste durch Zuführung von flüchtigen Lösungsmitteln (Weichmacher). Thermoelaste sind weich, zäh und lederartig.

Beispiele für Thermoplaste:

Herstellung durch Polymerisation: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyetrafkuorethylen (PTFE, Teflon), Polyvinylchlorid (PVC), Plystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA, Plexiglas)

Herstellung durch Polykondensation: Polyamide (PA), Polyethylenterephathalat (PET), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfid (PPS), Polyethersulfon (PES), Polyetherketone (PEK, PEEK)

Herstellung durch Polyaddition: Thermoplastische Polyurethane (TPU, Elastogran, Bayflex)

Ein verbreiteter Kunststoff ist PVC, unterschieden in Hart- und Weich-PVC. PVC ist transparent, jedoch leicht einfärbbar. PVC kann geklebt und geschweißt werden. PVC wird im Automobilbau und für Gebäudeausstattung z. B. für Rohre, Dichtungen, Verkleidungen oder als Kunstleder verwendet. Unempfindlich gegenüber Laugen, jedoch empfindlich gegenüber Azeton.

Ebenfalls vermehrt eingesetzt ist PC. Da es kristallklar, zäh und nicht ganz so wärmeempfindlich ist, eignet es sich als Glasersatz für Leuchten (z. B. für Scheinwerfer).

PA ist hingegen milchig-weiß, eher hart und zäh sowie temperaturfest auch gegen Reibungswärme. Eingesetzt wird PA beispielsweise für Gleitlager und Buchsen im Automobilbau.

Nach der DIN EN 10020 ist Stahl ein Werkstoff, dessen Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2% ist und der andere Elemente enthält.

Nach der DIN EN 10020 werden Stahlsorten in eine von drei Kategorien eingeordnet:

• Unlegierte Stähle – umgangssprachlich als Kohlenstoffstahl bezeichnet, sind Eisenmetalle mit Kohlenstoffanteil und keinem weiteren Legierungselement oder nur geringen Mengen an Chrom, Kupfer, Nickel, Blei, Mangan oder Silizium
• Nichtrostende Stähle – enthalten mindestens 10,5% Chrom und höchstens 1,2% Kohlenstoff
• Andere legierte Stähle

Stahl ist ein vergleichsweise alter Werkstoff, welcher jedoch über die Zeit immer mehr an Bedeutung gewann. In den letzten 10 Jahren wurde Stahl – beispielsweise im Automobilbau – jedoch immer mehr durch leichtere Werkstoffe (allen voran Kunststoff) ersetzt. Dennoch ist Stahl heute und auf absehbare Zeit immer noch der führende Strukturwerkstoff im Automobilbau. Ein durchschnittlicher Stahlanteil in einem Mittelklassewagen liegt zwischen 50 und 60%.

Aus ökologischer Sicht sind Stähle gute Werkstoffe. Stähle sind zwar sehr energieintensiv herzustellen, dafür weisen Konstruktionen aus Stahl eine sehr hohe Lebensdauer auf und können nahezu ohne Qualitätsverlust und unbegrenzt wiederverwertet werden.

Das industrielle Interesse liegt insbesondere auf hochfesten Stählen. Hoch- und höchstfeste Stähle werden vermehrt im Automobilbau eingesetzt und sorgen beispielsweise für eine hohe Karosseriesteifigkeit bei Kleinwagen und Cabriolets. Der Anteil hochfester Stähle als Ersatz zu herkömmlichen Tiefziehstählen wächst immer weiter an. Die Karosserie des Opel Astra J besteht bereits zu 66% aus hoch-/höchstfesten Stählen.

Hochfeste Stähle

Eine Hochfestigkeit bei Stählen wird durch die richtige Kombination von Legierungselementen und Nachbehandlungsmethoden erreicht. Die Nachbehandlung zur Schaffung hochfester Stähle erfolgt entweder als Umformung (Kalt-/Warmumformung) oder als Wärmebehandlung.

Einige hochfeste Stahlsorten:

• Bake-Hardening-Stähle (Work-Harding-Stähle)
• Dualphasen-Stähle
• Komplex-Phasen-Stähle
• Martensit-Phasen-Stähle
• Phosphorlegierte Stähle
• Restaustenit-Stähle (TRIP)
• TRIPLEX-Stähle
• TWIP-Stähle

Die Entwicklung hochfester Stähle ist von relativ hohem Interesse und daher sind weitere Fortschritte bei bekannten Stählen sowie neue Stahlsorten in naher Zukunft zu erwarten.

Die hochfesten Stahlsorten sind nicht alle unter gleichen Einsatzbedingungen zu verwenden. Während beispielsweise Martensitphasen-Stähle zwar eine sehr hohe Zugfestigkeit aufweisen, dafür jedoch nur für eine geringe Bruchdehnung in der Lage sind (ungünstig für umformende Fertigungsverfahren), bieten TRIPLEX-Stähle eine nicht ganz so hohe Zugfestigkeit, haben jedoch eine günstigere Streckgrenze (sehr gut im Umformungsprozess). Automobilhersteller nutzen die hohe Festigkeit und gute Umformbarkeit für Anwendungen im Automobilbereich, insbesondere mit Fokus auf Leichtbau bei Steigerung der Karosseriesteifigkeit. Hochfeste Stähle eignen sich insbesondere für Konstruktionen, welche gewichtssensibel und dünnwandig sind und dennoch der Fahrzeugsicherheit genügen müssen.

Typische Karosserieteile aus hoch-/höchstfesten Stählen im Automobilbau: Dachteile, A-/B-/C-Säulen und Säulenverstärkung, Schweller, Achsträger, Querlenker, Türen, Bodenkonstruktion, Tunnelbleche, (Stahl-)Felgen

Bruchtests

Fügeverbindungen durch Klebstoff sind eher unempfindlich gegenüber Druck- und Zugbelastungen, problematisch sind hingegen Scherbelastungen. Entsprechend sinnvoll ist die experimentelle Erprobung von Klebverbindungen mit Scherkrafteinwirkung. Die DIN 53 283 definiert einen Zugscherversuch, welcher die Haftung von Klebverbindung zwischen zwei länglichen Fügeteilen erprobt. Der Versuch arbeitet mit Kräften und Momenten.

Der Zugscherversuch nach DIN 53 283 hat jedoch den Nachteil, das die Fügeteile durch Biegung vo dem Versuch durch Knicken angewinkelt werden müssen. Der Versuch scheitert hier möglicherweise bereits durch das materielle Nachgeben der Fügeteile.

Druckscherversuch

Ein alternatives Erprobungsverfahren ist der Druckscherversuch, bei welchem die Verbundfestigkeit durch eine reine Scherbeanspruchung gemessen wird.

Ein Prüfstempel fährt über eine Probenhalterung, in welcher die Probe (ausgehärtete Klebstoffmasse) verankert ist. Über das Verhältnis aus nötigem maximalem Druck des abschabenden Prüfstempel und der Klebfläche (über die der Prüfstempel fährt) ergibt sich die Verbundfestigkeit.

Kopfzugversuch

Beim Kopfzugversuch werden zwei geometrisch verschiedene Fügeteile mit Klebstoff zusammengefügt.

Das gefügte Gebilde wird dann in eine Halterung eingespannt und einseitig mit einer Zugkraft belastet.

Der Zugversuch wird in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm (E-Modul) dargestellt.

Bruchformen von Klebverbindungen

Brüche werden unterschieden in:

1. Kohäsionsbruch – Bruch im Gefüge der Klebstoffmasse
2. Adhäsionsbruch – Bruch im Gefüge zwischen den Oberflächen von Fügeteil und Klebstoff
3. Mischbruch – Kombinierter Bruch

Der Kohäsionsbruch ist ein Bruch an der Klebstoffmasse. Der Bruch zeigt mangelnde Stabilität des ausgehärteten Klebstoffs. Ein stabilerer Zusammenhalt bedingt eine feste Aushärtungsform der Klebstoffmasse.

Der Adhäsionsbruch ist ein Bruch an der Haftungsoberfläche zwischen Klebstoffmasse und Fügeteil. Das Bruchergebnis zeigt ungenügende Klebstoffhaftung am Fügeteil. Um eine bessere Klebleistung zu erreichen, muss die Haftung des Klebstoffs an den Fügeteilen verbessert werden. Zudem kann eine fehlende oder falsche Klebflächenvorbehandlung Ursache für einen Adhäsionsbruch sein.

Ein Mischbruch ist ein Indiz dafür, dass die Haftung des Klebstoffes etwa gleichmäßig im Verhältnis Adhäsion und Kohäsion ist. Das Ergebnis ist daher oft als positiv anzusehen, sofern die gewünschte Maximalkraft erreicht wurde.

Randschichthärten kann in Randschichthärtung mit und ohne Kohlenstoff/Stickstoff-Zuführung unterschieden werden.

• Randschichthärtung durch Gefügeumwandlung mit ausreichend vorhandenem Kohlenstoff
• Flammenhärten
• Induktionshärten
• Randschichthärten durch Gefügeumwandlung mit zugeführtem Kohlenstoff
• Einsatzhärten
• Randschichthärten mit zugeführtem Stickstoff
• Nitrieren

Typische Vergüten und Einsatzhärten sind zwei von mehreren Wärmebehandlungsverfahren zur Steigerung der Festigkeit in Kombination mit der Zähigkeit. Beide Verfahren sind selbst Kombinationen aus mehreren einzelnen Wärmebehandlungsverfahren.

Randschichthärtung mit vorhandenem Kohlenstoff

Da kein Kohlenstoff zugeführt wird, sollten die Werkstücke aus Vergütungsstahl mit mindestens 0,45% Kohlenstoff bestehen.

Flammenhärten

Das Werkstück wird mit einer sehr heißen Flamme in sehr kurzer Zeit an der Oberfläche auf hohe Temperaturen gebracht. Noch bevor die Hitze das gesamte Werkstück durchdrungen hat, wird dieses in kaltem Wasser oder Öl abgeschreckt.

Induktionshärten

Induktionshärten bezeichnet eine Methode des partiellen Härtens der Oberfläche eines Werkstücks.

Eine elektrische Spule, an der ein hochfrequenter Wechselstrom angelegt wird, umhüllt ein Stahlwerkstück mit geringem Abstand. Die durch Induktion entstehenden Ströme erhitzen die Randoberfläche des Werkstücks sehr schnell und lokal begrenzt. Nach Erreichung der gewünschten Härtetemperatur, bevor die Hitze das Werkstück durchdringt, wird die Spule entfernt und das Werkstück mit Wasser abgeschreckt. Oftmals ist kein Abschrecken nötig, denn durch die partielle Härtung ohne Wärmedurchdringung des gesamten Werkstücks kann die Wärme der Härtezone schnell an die umliegenden Bereiche abgegeben werden. Wenn zusätzlich das Werkstück sowie die Umgebungstemperatur eine kühle Grundtemperatur haben, reicht die Abkühlgeschwindigkeit, die für eine Härtung notwendig ist, oftmals schon aus. Der positive Nebeneffekt ist, dass keine Spannungen/Risse sowie kein Materialverzug zu befürchten sind, die jedoch beim Abschrecken entstehen können.

Hinsichtlich Genauigkeit, Steuerbarkeit und Zugänglichkeit wird das Induktionshärten nur noch vom Laserhärten übertroffen.

Laserstrahlhärten

Das Laserstrahlhärten erfolgt über einen Roboter, welcher in der Lage ist, ein Werkstück dreidimensional anzusteuern und durch Bestrahlung mit einem Laser eine partielle Härtung vorzunehmen. Da der Laserstrahl sehr lokal auf eine kleine Fläche strahlt und sehr genau geführt wird, kann eine hohe Präzision erreicht werden. Gehärtet werden damit Ecken und Kanten eines Werkstücks, welche sehr verschleißfest sein müssen.

In der Regel ist kein Medium zur Abschreckung nötig. Die klimatisierte Umgebungsluft sowie die Grundtemperatur des Werkstücks reichen aus, um eine schnelle Abkühlung durch Wärmeableitung zu schaffen. Bei Zuführung eines Schutzgases können zudem blanke Oberflächen ohne Notwendigkeit der Nachbehandlung erzielt werden.

Randschichthärtung mit Kohlenstoff-Zuführung

Haben Stahlwerkstücke nur einen geringen Kohlenstoffanteil (<0,2%), wird für die Härtung eine Zuführung von Kohlenstoff notwendig.

Einsatzhärtung

Beim Einsatzhärten ist eine Form des Randschichthärtens mit Zuführung von Kohlenstoff. Dabei wird der Werkstoff aufgekohlt (Kohlenstoff wird von außen zugeführt, damit die gewünschte Härte erreicht werden kann), gehärtet und angelassen. Das Einsatzhärten wird, vornehmlich für kohlenstoffarme Stähle, dann verwendet, wenn ein zäher Kern und eine verschleißbeständige Oberfläche benötigt werden.

1. Aufkohlung der Randschicht
2. Abkühlung (i.d.R. auf Raumtemperatur -> Ein Normalgefüge einschließlich Perlit, Ferrit und Carbid entsteht)
3. Härten mit Anlasstemperatur, geringer als beim Vergüten

Randschicht eines Stahl-Werkstoffs wird in speziellen Einsatzverfahren mit Kohlenstoff angereichert. Die Anreicherung wird auch als „Aufkohlen“ bezeichnet. Der Stahl wird nachfolgend gehärtet und angelassen.
Die Anreicherung geschieht mit Einbringung der Stahl-Werkstücke in Kohlenstoff abgebende Einsatzmittel und Glühen bei Temperaturen von 850 – 950 °C über Stunden oder auch Tage (bei Aufkohlen mit mehr als 950°C wird auch von Hochtemperaturkohlen gesprochen). Dadurch diffundiert der Kohlenstoff in die Randschicht des Werkstoffes. Die Kohlenstoffreichhaltigkeit am Rand ermöglicht so einen sehr harten Rand.
Es gibt mehrere Verfahren des Einsatzhärtens, welche sich hinsichtlich des Einsatzmittels unterscheiden.:
Aufkohlen im festen (Pulveraufkohlen), flüssigen (Salzbadaufkohlen) oder gasförmigen Einsatzmittel (Gasaufkohlen, kohlenstoffhaltiges Gas) ist möglich.
Einsatzhärten wird verwendet, wenn ein zäher Kern und eine verschleißbeständige Randschicht benötigt werden.
Beispiel Samuraischwert-Klinge: Der zähe (kohlenstoffarme) Kern macht das Schwert widerstandsfähig gegenüber Erschütterungen, der harte Rand mit hohem Kohlenstoffanteil ist sehr hart und schärfbar
Bei erfolgreichem Einsatzhärten wird eine hohe Oberflächenhärte und Festigkeit des Bauteils erreicht, was zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führt. Einsatzgehärtet werden Stähle, welche für eine dynamische Beanspruchungshaltung ausgelegt werden, beispielsweise für Wellen und Zahnräder.

Ein typischer Einsatzstahl ist 16MnCr5 (legiert).

Randschichthärtung mit Stickstoff-Zuführung

Auch die Zuführung von Stickstoff zur Randschicht des Werkstücks kann die Härtung von Stählen erreichen. Es entsteht keine Gefügeumwandlung. Die Stickstoff-Zuführung ist für Stähle sinnvoll, die mit Aluminum, Chrom, Molybdän, Titan oder Vanadium legiert wurden. Diese Legierungen bilden bei Härtung mit Stickstoff-Zufuhr stabile Nitride (bei Chrom z. B. Chromnitrid), welche die Härtung verbessern.

Nitrieren

Beim Nitrieren geschieht eine Härtung bei einer sehr dünnen Randschicht durch Erhitzung des legierten Stahlwerkstücks in der Regel auf etwa 500-520°C. Bei diesen Temperaturen entsteht direkt aus der Stickstoff-Zufuhr die Härtung. Ein Abschrecken (sowie Anlassen) erfolgt nicht. Gängige Anwendungen sind das Salzbadnitrieren (Salzbad als Stickstoff-Quelle) und das Gasnitrieren und Plasmanitrieren. Bei Gasnitrieren wird das Werkstück in einem Gasofen (Ammoniakgas-Zufuhr) erhitzt.

Der Vorteil des Nitrierens ist die Härtung ohne Abschrecken. Daher haben nitriergehärteten Werkstücke keine verzunderten Oberflächen und weisen keine entsprechenden Spannungen/Verziehungen auf. In der Regel ist keine Nachbearbeitung der gehärteten Werkstücke notwendig.

Randschichthärtung mit Kohlenstoff- und Stickstoff-Zufuhr

Unter bestimmten Umständen kann die Kombination obiger Wärmebehandlungen vorteilhaft sein. Eine kombinierte Verfahrensart wird als Carbonitrieren bezeichnet.

Carbonitrieren

Carbonitrieren bezeichnet die Kombination von Einsatzhärten und Nitrierhärten von legierten Stählen mit geringem Kohlenstoffanteil. Es erfolgt eine Erhitzung mit Zuführ von Kohlenstoff und Stickstoff in einem Gasofen. Es erfolgt ein Abschrecken, wodurch weitere Härtung entsteht.

Nachfolgend werden eine kleine Auswahl an wichtigen metallischen Legierungselemente, der vielen bekannten Legierungselemente, etwas vorgestellt.

Chrom

Chrom dient als Legierungselement der Herabsetzung, der für die Martensitbildung nötigen kritischen Abkühlgeschwindigkeit und erhöht damit die Härtbarkeit, Warmfestigkeit und begünstigt die Vergütbarkeit. Chrom erweitert den Ferritbereich. Die Nitrierbarkeit (Zufuhr von Stickstoff zur Oberflächenhärtung) wird verbessert. Die Kerbschlagzähigkeit wird durch Chrom etwas verringert, ebenso die Schweißbarkeit nimmt bei reinen Chromstählen mit zunehmendem Gehalt an Chrom ab. Die Zugfestigkeit des Stahls steigt um ~80-100 N/mm² je 1% Chrom an. Die Warmumformbarkeit verringert sich mit Chromlegierungsanteilen entsprechend. Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit werden verringert. Chrom ist ein karbidbildendes Metall. Seine Karbide (Carbide, binäre chemische Verbindungen mit Kohlenstoff) steigern die Verschleißfestigkeit. Steigende Chrom-Anteile setzten die Zunderbeständigkeit herauf. Korrosionsbeständige Stahllegierungen verlangen einen Mindestchromgehalt von ~13%, welcher in der Grundmasse gelöst werden muss.

Kupfer

Die Härtbarkeit und erreichbare Streckgrenze werden durch Kupferanteile erhöht, das Streckgrenzen-Festigkeitsverhältniss verbessert. Gehalte über 0,30% können Aushärtungen bewirken. Kupfer beeinflusst die Schweißbarkeit nicht, es begünstigt i.d.R. eher die Bearbeitung der Metalllegierung.
In unlegierten und schwachlegierten Stählen wird durch Kupfer eine nicht unwesentliche Verbesserung der Korrosions- und damit auch der Witterungsbeständigkeit erreicht. In hochlegierten Stählen wird Kupfer auch mit über 1% Anteil legiert und verbessert damit auch die Beständigkeit gegenüber Säuren. Kupfer fließt zwar in vielfältige Metalllegierungen ein, für Stahllegierungen wird es hingegen teilweise als Schädling betrachtet, da es sich unter der Zunderschicht anreichert und der Kupfereinfluss durch Eindringen in die Korngrenze eine große Oberflächenempfindlichkeit bei Warmverformungsprozessen zur Folge hat. Kupfer fließt daher eher weniger in Stähle ein.

Mangan

Mangan besitzt eine hohe Affinität (Tendenz zur Eingehung zu chemischen Verbindungen) zu Sauerstoff und Schwefel, setzt die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit stark herab und erhöht so die Härtbarkeit. Streckgrenze und Festigkeit werden für Metalllegierungen mit Mangan erhöht. Mangan wirkt sich günstig auf die Schmied- und Schweissbarkeit aus. Mangan-Gehalte von über 4% führen (auch bei langsamer Abkühlung) zur Ausbildung von spröden martensitischem Gefüge. Stähle mit Mangan-Gehalten über 12% sind bei gleichzeitig hohem Kohlenstoff-Anteil austenitisch. Diese Stähle verfügen unter schlagender Beanspruchung der Oberfläche über eine sehr hohe Kaltverfestigung, während der Kernbereich zäh bleiben kann. Mangan kann mit entsprechend hohem Legierungsanteil eine hohe Verschleißfestigkeit bei Schlageinwirkung erzielen.
Stähle mit Mangan-Gehalten von mindestens 18% bleiben auch nach relativ starker Kaltverformung nicht magnetisierbar, sie werden als Sonderstähle und auch als kaltzähe Stähle bei Tieftemperatur-Beanspruchung verwendet. Mangan verbessert den Wärmeausdehnungs-Koeffizienten, während Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit abnehmen. Manganlegierungen bewirken den Anstieg der Zugfestigkeit, Streckgrenze, Warmumformbarkeit sowie Härtbarkeit (Vergütbarkeit) und Nitrierbarkeit.

Molybdän

Molybdän ist ein Legierungselement, welches selten alleine ohne weitere typische Legierungselemente legiert wird. Molybdän setzt die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit herab, wodurch bei richtiger Abkühlvorgehen die Härtbarkeit gesteigert wird. Molybdän verringert weitgehend die Anlasssprödigkeit, also das Nachlassen der Kerbschlagzähigkeit nach Anlassen der Legierung, und gewährleistet einer verbesserte Feinkornbildung sowie die Schweißbarkeit. Molybdän erhöht außerdem die Hitzebeständigkeit (nicht jedoch die Zunderbildung), Festigkeit und Streckgrenze. Vorteil des Molybdäns als Metalllegierungselement ist auch die Verringerung der Korrosionsanfälligkeit, es verringert so die Gefahr von Lochfraß im korrosionsfördernden Umfeld. Hochlegierte Chrom-Stähle und austenitische Chrom-Nickel-Stähle sind typische Legierungseinsätze.

Nickel

Nickel erhöht die Streckgrenze und Kerbschlagzähigkeit in Baustählen. Nickel wird bei Einsatzstählen und Vergütungsstählen ebenso zur Steigerung der Zähigkeit verwendet. Zudem verbessern Nickellegierungen die Korrisionsbeständigkeit. Nickel bewirkt in korrosions- und zunderbeständigen Chrom-Nickel-Stählen die Austenitstruktur.
Hohe Nickelgehalte führen aber auch zur Verringerung der Verschleißfestigkeit, Zerspanbarkeit und Schweißbarkeit. Nickel gilt zudem als gesundheitsbedenklich, da Nickel einer der Auslöser für Kontaktallergien sein kann.

Zinn

Zinn ist ein Stahlschädling. Zinn kann zusammen mit Kupfer aber zum Legierungsmetall Bronze gebracht werden und ist kaum ersetzbar für Metalllegierungen mit einem niedrigen Schmelzpunkt (z. B. Lötzinn). Zinn hat den Nachteil, durch allotrope Umwandlung über die Zeit sich selbst und ganze Metalllegierungen zu zerstören bzw. unbrauchbar zu machen.

Für Ingenieure ist es jedoch von äußerster Wichtigkeit, das Verhalten eines Materials bei Beanspruchung einschätzen zu können.

Bei Zug reagieren Körper mehr oder weniger (da materialabhängig) mit Dehnung. Welcher Grad der Dehnung und wann welche Dehnstufe (elastische Dehnung, plastische Dehnung, Bruch) erreich wird, wird mit einem Zugversuch im Labor getestet.
Beim Zugversuch werden Objekte eingespannt und an ihnen nach einem standarisiertem Verfahren gezogen.

Der Zugversuch setzt die Dehnung δ und die Spannung ε ins Verhältnis, es resultiert ein Wert (E-Modul) der Auskunft über die Elastizität bei Spannungsanstieg gibt. Der E-Modul wird i.d.R. mit der Einheit kN/mm² angegeben.

Mit dem Zugversuch können die Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Streckgrenze und Proportionalitätsgrenze eines Materials bzw. eines Objekts aus einem bestimmten Material ermittelt werden. Mit dem Zugversuch bzw. den Ergebnissen aus dem Zugversuch kann ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm konstruiert werden.

Die Spannung δ ist das Verhältnis aus einwirkende Kraft F und die Fläche A, auf die die Kraft wirkt.

Das Lese-Prinzip des Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist einfach: Bei steigender Spannung, steigt die Dehnung. Die Dehnung kann beispielsweise linear ansteigen oder auch sehr ruckartig voranschreiten.

Grundsätzlich beginnt die Dehnung mit einem linearen Verhalten. In dem linearen Bereich gilt das Gesetz von Hooke (Hookesche Gesetz).

Der Wert des E-Moduls selbst ist also die anfängliche Steigung des Graphen im Spannungs-Dehnungs-Diagramm.

Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Der Winkel α ist abhängig von der Sprödigkeit. Ein kleinerer Winkel α bedeutet, dass das Material eher duktil ist.

Ein weiterer interessanter Faktor ist die Querdehnung, dies ist die Dehnung, die senkrecht zur Beanspruchungsrichtung geschieht.

Die Poissonzahl v (oder μ), oder auch Querdehnzahl v (μ), ist das Verhältnis aus der Elastizität des Querschnitts εq und der Elastizität (in Beanspruchungsrichtung) ε.
Die Querschnittselastizität berechnet sich aus den Verhältnis des ursprünglichen Durchmessers und der Änderung des Durchmessers nach der Beanspruchung kurz vor Bruch.

Die Poissonzahl ist eine Materialkonstante und dimensionslos (wie auch z.B. der Reibungskoeffizient).

Die Elastizität (E-Modul) und die Poissonzahl sind wichtige Kennzahlen in der Festigkeitslehre.

Beispiele für E-Modul-Werte und Poissonzahlen:

• Titan mit 105 kN/mm² und einer Poissonzahl von 0,34
• Glas mit zwischen 50 und 90 kN/mm² und einer Poissonzahl zwischen 0,18 und 0,30
• Stahl (Ferrit) mit 210 kN/mm² und einer Poissonzahl zwischen 0,26 und 0,28

Hinweise:

Die Elastizität ist nicht nur von der beanspruchenden Kraft abhängig, sondern auch von der Temperatur.
Die Ursache einer Dehnung kann, neben einer Krafteinwirkung, auch eine veränderte Material-Temperatur sein.

Die Zähigkeit des Materials wird nicht mit dem Zugversuch, sondern mit dem Kerbschlagversuch zur Überprüfung der Kerbschlagzähigkeit in Erfahrung gebracht.

Aufbau des Phasendiagramms: Vertikale Achse zeigt die Temperatur, die horizontale Achse den Legierungsanteil (Kohlenstoffanteil). Das Diagramm zeigt bei korrekter (d.h. nicht zu schneller) Temperaturveränderung von warm zu kalt die Gefügebestandteile.

Zu benutzen ist das Phasendiagramm wie folgt: Legierungsanteil an Kohlenstoff (horizontal) festmachen, das Diagramm von höchster Temperatur (vertikal) herunter laufen lassen. Begonnen wird folglich immer bei der Schmelze (flüssiges Material), nach Abkühlung findet sich zumindest bei dem Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm immer festes bzw. erstarrtes Material.

Begriffsserklärung:

Das Eutektikum findet sich am Einschnürungspunkt. Die Legierungselemente stehen in genau dem Verhältnis, bei dem der Übergang bei beiden Legierungelementen von der Schmelze bei Abkühlung sofort in den festen Aggregatzustand wechselt.

Die Liquiduslinie trennt die vollkommende Schmelze von der Halbschmelze (ein Legierungelement ist flüssig, ein anderes nicht) und dem festen Material. Im Schaubild verläuft die Liquiduslinie wie folgt: A-B-C-D

Die Soliduslinie trenn die Schmelze und Halbschmelze von dem festen/erstarrten Material. Im Schaubild: A-H-I-E-C-D

Eigenschaften der vorkommenden Kristalle in der “Stahlecke” (< 2,06% Kohlenstoff; Gusseisen > 2,06% Kohlenstoff):

Austenit ist nicht magnetisch, zäh aber weich, hitzebeständig, korrosionsbeständig, leicht verformbar. Austenit ist kubisch-flächenzentriert, daher können sich Kohlenstoffatome in die Kristallgittermitte eingliedern.

Im EKD ist Austenit nicht bei Raumtemperatur vorzufinden. Durch weitere Legierung mit Chrom, Nickel oder Mangan ist dies jedoch erreichbar.

Ferrit ist zäh aber weich, leicht verformbar, korrosionsanfällig. Da der Kristallaufbau kubisch-raumzentriert ist, findet sich kein Platz für Kohlenstoffatome. Dennoch kann Ferrit mit Kohlenstoff zwangslegiert werden, daraus ergibt sich dann Martensit. Martensit ist hart und dadurch spröde.

Perlit ist ein Gefüge, welches genau 0,83 % Kohlenstoff innehält. Perlit ist ein Kristallgemisch aus Ferrit und Zementit. Perlit zeichnet hohe Festigkeit aus, ist daher auch spröde. Erhöht sich der Kohlenstoffanteil über die 0,83% hinaus, bleibt der Perlit unverändert, an den Korngrenzen entsteht dann jedoch Zementit (zwischen 0,83 und 2,06% Kohlenstoffanteil). Der Zementit an den Korngrenzen wird Korngrenzenzementit bis Sekundarzementit genannt.

Zementit enthält 6,67 % Kohlenstoff, ist sehr fest und spröde. Zementit besteht aus einem sehr stark verwobenen Gitter aus Kohlenstoff und Eisen.