Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Verarbeitetes Eisen (Fe) enthält eine gewisse Menge an Kohlenstoff (C). Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement im Eisen (da es ausschlaggebend für die Härte des Materials ist). Welche Anteile an Kohlenstoff im Eisen vorhanden sind und deren Auswirkungen auf die gefügemäßige Zusammensetzung, zeigt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD). Das EKD ist ein Phasendiagramm, eine Art Gleichgewichtsschaubild (aus zwei Stoffen A und B, in diesem Fall Eisen und Kohlenstoff).

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-F

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Duktilität

Die Fähigkeit eines Materials, ohne zu brechen plastisch verformt zu werden, wird als Duktilität bezeichnet.

Ein duktiles Material ist gut verformbar und weißt eine weitreichende Verformung bis zum Verformungsbruch auf.

Ein Beispiel hierfür ist ein Gummiband, welches eines sehr gute Duktilität aufweist und erst bricht, nach dem es sich sehr stark verformt hat.

Ein wenig duktiler Stoff ist sehr schlecht verformbar und zeigt kaum/wenig Verformung bis zum Bruch.

Bei der Berechnung der Duktilität wird die Längenveränderung durch eine Verformungseinwirkung zur ursprünglichen Länge ins erhältnis gesetzt.

Duktilität: Länger der Probe nach dem Bruch – Länge der Probe vor dem Bruch / Länge der Probe durch den Bruch

Duktilität = Längenveränderung / Länge

Hinweis:

Wenn plötzlich einwirkende Kräfte auf die duktile Kraft einwirkt, dann ähnelt der Bruch bzw. das Bruchbild eher den Brüchen bei spröden Materialien. So kann nachvollzogen werden, ob eine Kraft, die ein duktiles Material zum Brechen brachte, plötzlich oder eher langsam auf das Material einwirkte.

Feinkorngefüge vs Grobkorngefüge

Die Korngröße in einem Gefüge ist abhängig von

Ein Gefüge aus feinen, kleinen Körnern kühlt schneller ab, hat eine höhere Keimbildungsgeschwindigkeit und Kornwachstumsgeschwindigkeit gegenüber einem Grobkorngefüge.

Wie hängen Korngröße und Festigkeit zusammen?

Die Festigkeit (Formelzeichen [bei Metallen]: Rm) wird durch die Korngröße beeinflusst. Viele kleine Korngrenzen stellen sich einer Verformung durch äußere Krafteinwirkung in den Weg, die Verschiebung oder Versetzung der Atome im Korn wird an einer Korngrenze aufgehalten.

Daher bedeuten viele kleine Körner eine höhere Festigkeit gegenüber größeren (und daher weniger) Körnern, dies ist jedoch nur bei (elementabhängiger, relativer) niedriger Temperatur der Fall.

Bei (relativ auf das Material bezogen) höheren Temperaturen ist die Festigkeit mit vielen, kleinen Körnern jedoch niedriger als mit weniger, größeren Körnern, da die Korngrenzen schneller erweichen oder sich verflüssigen und das Material so schneller zum Fließen kommt.

Metallbezeichnungen

Der Kohlenstoffanteil eines Metalls (immerhin das wichtigste Legierungselement) wird der Bezeichnung vorangestellt.

Bei nicht-hochlegierten Stählen erfolgt die Kennzeichnung der Legierungsanteile in Prozent mit Multiplikation eines Multiplikators.

Multiplikatoren (für die Elemente als chemisches Symbol gekennzeichnet):

Multiplikator -4- : Mn, Si, Ni, W, Cr, Co

Multiplikator -10- : Al, Cu, Mo, Ta, Ti, V, Pb, Zr, Nb, Be

Multiplikator -100- : P, S, N, C

Multiplikator -1000- : B

25 MnCr 5

  • 0,25% Kohlenstoff
  • 1,25% Mangan (Multiplikator 4)
  • deutlich weniger als 1% Chrom

TiV6Al4

  • Titan-Werkstoff
  • 6% Vanadium
  • 4% Aliminium

42CrNiMo 4-4

  • 0,42 % Kohlenstoff
  • 1% Chrom (Multiplikator 4)
  • 1% Nickel (Multiplikator 4)
  • deutlich weniger als 1% Molybdän (da keine nummerische Bezeichnung vorhanden)

Hochlegierte Stähle beziehen sich nicht auf die Multiplikatoren.

Zu erkennen sind hochlegierte Stähle an einem vorangestellten “X”.

Hochlegierte Stähle haben (mindestens) ein Legierungselement mit einem Legierungsanteil von über 5%.

X12CrNi 18-8

  • 0,12 % Kohlenstoff
  • 18 % Chrom (Cr)
  • 8 % Nickel (Ni)

Anorganische, nichtmetallische Konstruktionswerkstoffe

Anorganisch sind Werkstoffe, welche nicht auf organischer Natur basieren. Unter Ausschluss der Metalle sind diese Werkstoffe unterteilbar in:

  • Anorganische Kristalle
  • Keramik
  • Anorganische Gläser
  • Anorganische Bindemittel

Eigenschaften der anorganischen, nichtmetallischen Konstruktionswerkstoffe
Keramik entstand aus anorganischen, nichtmetallischen Pulvern mit unterschiedlichen Korngrößen bei hoher Temperatur, ca. zwischen 800 und 2000 °C. Keramik ist i.d.R. ein elektrischer Nichtleiter und kein guter Wärmeleiter bzw. ein guter Temperatur-Isolator und sehr hitzebeständig. Keramik ist im abgekühlten Zustand nicht elastisch oder plastisch verformbar, das mechanische Biegeverhalten entspricht dem des spröden Körpers.
Anorganisches Glas entspricht mechanisch ähnlich wie Keramik einem spröden Körper. Glas hat gegenüber Keramik grundsätzlich eine niedrigere Schmelztemperatur und ist daher kostengünstiger in der Herstellung. Glas kann im Gegensatz zu Keramik transparent sein, was ein häufiger Einsatzgrund für Glas ist.
Naturkristalle kommen in verschiedenen Formen mit unterschiedlichen Eigenschaften vor. Halbleiterkristalle sind sowohl Leiter als auch Nicht-Leiter.
Anorganische Bindemittel, sind Stoffe, die nicht auf organischer Natur basieren und Feststoffe miteinander verbinden. Bindemittel müssen in einem feinen Zerteilungsgrad vorliegen (Pulver oder Paste) und aushärten.
Da diese Werkstoffe weder auf organischem Material noch auf Metall basieren, sind anorganische, nichtmetallische Konstruktionswerkstoffe nicht anfällig für eine Schädigung der mechanischen Beanspruchungsfähigkeit durch Oxidation.

Einsatz von anorganischen, nichtmetallischen Konstruktionswerkstoffen
Anorganische Kristalle sind als Halbleiter der Hauptwerkstoff in der Elektronik. Silicium ist einer der bekanntesten kristallinen Halbleiter.
Einsatzmöglichkeiten in der Praxis für Keramik sind z.B. Zündkerzen, welche hohe Temperaturen (Motorenhitze) überstehen müssen und nicht elektrisch leitfähig sein dürfen.
Gläser werden vor allem dort eingesetzt, wo Lichtdurchlässigkeit verlangt wird. Hochhaus-fassaden werden i.d.R. mit Glasplatten konstruiert, da die Fassade sowohl transparent als auch korrosions-/witterungsbeständig sein muss. Quarzglas ist ein Glas, welches im Gegen-satz zum herkömmlichen Glas besonders kurzwelliges Licht (von Interesse ist das kurzwellige UV-Licht) nicht blockiert und so z.B. für UV-Leuchtmittel eingesetzt wird.
Zement, als anorganisches Bindemittel, wird zusammen mit weiteren anorganischen Stoffen (u.a. Sand, Gestein, Wasser) für die Herstellung von Mörtel und Beton verwendet. Mörtel und Beton sind Bauwerkstoffe und dienen als Bindemittel zwischen festen Bauwerkstoffen (Mauerwerkzusammenfügung und Verankerung von Stahlbauten).

Kunststoffe als Konstruktionswerkstoffe

Kunststoffe sind, wie der Name bereits aussagt, künstlich hergestellte Stoffe, gewöhnlich in fester Form. Kunststoffe können in verschiedenen Varianten erschaffen worden sein, „gemeinsam ist allen Kunststoffen, dass sie im wesentlichen aus organischen Stoffen bestehen, die makromolekular aufgebaut sind. Bestandteile anderer Art können ihnen beigemischt sein“ (Bargel, Hans-Jürgen (1980), Werkstoffkunde, 8. Auflage, Berlin, Seite 335).

Eigenschaften von Kunstoffen als Konstruktionswerkstoffe
Die Oberflächenbeschaffenheit von Kunststoffen ist sehr gut in Hinsicht auf Glätte und Be-ständigkeit. Kunststoffe können grundsätzlich durch Korrosion beschädigt werden. Alle Kunststoffe haben eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit, sind elektrische Nicht-Leiter und haben zudem eine geringe Dichte.
„Sie (die Dichte) ist bedingt durch die geringe Masse der Atome, die ihre Molekühle bilden. Für die verschiedenen Kunststoffsorten bestehen – anders als bei den Metallen – nur geringe Unterschiede in der Dichte“ (Bargel, Hans-Jürgen (1980), Werkstoffkunde, 8. Auflage, Berlin, Seite 340).
Die Festigkeit und Formsteifigkeit von Kunststoffen ist im Vergleich zu der von Metallen ge-ring. Ein Vorteil von Kunststoffen als Konstruktionswerkstoff ist die Möglichkeit zur Herstel-lung von transparenten Kunststoffen.
Die Beständigkeit gegenüber Chemikalien, Strahlung (z.B. UV-Licht) und Wärme fallen bei Kunstoffen unterschiedlich aus. Auch die Beständigkeit gegenüber mechanischen Einwir-kungen und Erwärmung ist unterschiedlich.
Kunststoffe lassen sich an Hand einiger Eigenschaften in drei Gruppen einteilen, die Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste.
Thermoplaste sind Kunststoffe, welche sich mit Hilfe von Erwärmung in einen formbaren bis plastisch formbaren (plastische Verformbarkeit: Verformung bleibt nach Krafteinwirkung erhalten) Stoff bringen, sich demnach energie-elastisch (stahlelastisch) verhalten. Thermoplaste sind als Konstruktionswerkstoff die häufigst verwendeten Kunststoffe. Ab einer bestimmten Erwärmung erweichen Thermoplaste und schmelzen. Die Verformung ist daher auch nach Aushärtung wieder reversibel (umkehrbar).
Elastomere sind entropieelastische (gummielastische) Kunststoffe, welche also verformbar sind, jedoch in die Ursprungsform zurückkehren. Elastomere sind nicht schmelzbar, sondern zersetzen sich ab einer bestimmten Temperatur. Allerdings gibt es speziell die thermoplastischen Elastomere, die sich durch Temperaturerhöhung erweichen und schmelzen lassen. Elastomere basieren auf dem Rohstoff Kautschuk.
Duroplaste sind weitere, energieelastische Kunststoffe. Die Verformung dieser Kunststoffe wird durch Erhitzung oder Hervorrufung von chemischen Reaktionen erreicht. Duroplaste sind jedoch nicht schmelzbar und die Verformung nach Aushärtung ist irreversibel (nicht umkehrbar).

Einsatz von Kunststoffen als Konstruktionswerkstoff
Thermoplaste ist der häufigst verwendete Konstruktionswerkstoff unter den Kunststoffen. Da Kunststoffe eine geringe Dichte haben, sind sie für Leichtbauprojekte interessant. Kunststoffe finden daher viel Anwendung im Automobilbau.
Elastomere finden ihre Anwendung als Dichtung in Gelenken und als Federn.
Duroplaste kommen dort zum Einsatz, wo gegenüber Umwelteinflüssen sehr widerstandsfä-hige Kunststoffe gefragt sind. Der Rumpf eine Kunststoffbootes besteht z.B. aus Duroplaste.

Holz als Konstruktionswerkstoff

Holz ist ein direkter, organischer Naturstoff, welcher einer der ersten Konstruktionswerkstoffe des Menschen ist.
Holz als Werkstoff kommt als Massivholz in Form eines Holzwerkstoffes vor. Massivholz ist naturbelassenes oder verarbeitetes Holz, welches seine natürliche Struktur und Festigkeit behalten hat. Holzwerkstoffe sind die zusammengefügte Form von zerkleinertem Holz. Die Zusammenfügung der Holzpartikel wird mit natürlichen oder synthetischen Bindemitteln erreicht.

Eigenschaften von Holz als Konstruktionswerkstoff

Holz ist i.d.R. hygroskopisch, also wasseranziehend, was den biologischen Verfall und die Dichte des Materials beeinflussen kann. Insbesondere da Holz als biologisches Material einem natürlichen Verfall ausgeliefert und anfällig für biologische Schädlinge ist, ist Holz nur bedingt für große Konstruktionen geeignet, welche Jahrhunderte überdauern sollen.
Holz hat zwar eine geringere Festigkeit als Metall, hat aber ein besseres Verhältnis zwischen Dichte(Gewicht) und Festigkeit als Metall. Holz ist ein elektrischer Nicht-Leiter und ein sehr schlechter Wärmeleiter.
Die optische Erscheinung von Massivholz ist in Struktur und Farbe ungleichmäßig, da es ein reines Naturprodukt ist. Die oberflächliche Erscheinung kann durch Einwirkung von UV-Licht verändert bzw. geschädigt werden.
Holzwerkstoffe sind i.d.R. für einen bestimmten Zweck vorgesehen und für diesen optimiert und haben aus diesem Grund oft gegenüber Massivholz Vorteile. Vorteile von Massivholz können z.B. verstärkte Festigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit oder eine angepasste Oberfläche (Glätte, Rauhigkeit) sein.
Holz ist auch aus ökologischer Sicht ein interessanter Konstruktionswerkstoff, da er biolo-gisch abbaubar und reproduzierbar ist.

Einsatz von Holz als Konstruktionswerkstoff

Holz ist heute noch immer, besonders im Bauingenieurwesen, wegen seiner Wärmedämmung und Festigkeit ein wichtiger Konstruktionswerkstoff. Im Schiffbau ist Holz als Werkstoff mit geringer Dichte (leichter als Wasser) verbreitet. Als leicht zu verarbeitender Werkstoff ist Holz in der Tischlerei verbreitet.

Organische Konstruktionswerkstoffe

Organische Werkstoffe basieren auf organischen Stoffen. Organisches Material kann direkt oder indirekt (d.h., organisches Material geht in die Herstellung oder Verarbeitung mit ein) als Werkstoff zur Verwendung kommen. Gefördertes Rohöl ist z.B. ein organischer Werkstoff, erfüllt jedoch nicht die Eigenschaften eines Konstruktionswerkstoffs.
Die wichtigsten organischen Konstruktionswerkstoffe sind:

  • Holz
  • Kunststoff