WerkstofftechnikProf. Dr. Remo Ianniello1 von 32 Einteilung der Werkstoffe W.

Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello 1 von 32

Einteilung der Werkstoffe

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Einteilung der Stähle

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nach chem. Zusammensetzung

Qualitätsstähle Edelstähle

unlegiert (LE < 1%) Anforderungen z.B. an - Korngröße - Verformbarkeit - Zähigkeit

Anforderungen z.B. an - Reinheit,- Korrosionsschutz - Magnetisierbarkeitniedrige Gehalte an P und S

legiert niedrig(LE < 5%)

Nicht rostende Stähle „Nirosta“(> 10,5% Cr)hoch

(LE > 5%)

Anwendung Unlegierte Qualitäts-stähle werden als warmgewalzte Flach- und Langprodukte verwendet (Profile, Rohre)

Legierte Edelstähle werden als Behälter für Lebensmittel, Leitungen für Chemikalien, Regale und Arbeitsflächen für die Küche oder als Werkzeuge eingesetzt.

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nach chem. Zusammensetzung

Qualitätsstähle Edelstähle

unlegiert

Wärme-Behandlung bei Bedarf werden vergütet oder Oberflächen gehärtet

legiertkeine Wärme-Behandlung Wärme-Behandlung bei Bedarf

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Einteilung nach C-Gehalt:

A = allgemeiner Baustahl (C < 0,5%)

W = Werkzeugstahl (C > 0,5%)

Einteilung nach Eutektoid

Übereutektoide Stähle (C>08,%) erlangen durch das Härten und Vergüten eine hohe Festigkeit, sind jedoch ähnlich wie die Gusseisenwerkstoffe spröde und schlagempfindlich.

Untereutektoide Stähle besitzen eine geringere Festigkeit, sind dafür aber besser verformbar.

Einteilung nach C-GehaltE

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Baustähle sind Stähle für den Stahl- und den Maschinenbau, die nicht als Werkzeugstahl verwendet werden.

Sie sind meist niedrig legiert und nur teilweise wärmebehandelt (wenn wärmebehandelt dann normalisiert, auch Normalglühen genannt).

Daraus ergeben sich mäßige Eigenschaften (die aber für viele Anwendungen ausreichend sind) bei einem günstigen Preis.

Aber auch legierte Edelstähle finden als Baustähle Verwendung.

Im Allgemeinen zählen so gut wie alle kohlenstoffarmen Stähle zu den Baustählen.

Bei den kohlenstoffreicheren Sorten sind die Grenzen fließend.

Baustähle sind schweißbar und können spannungsarm geglüht werden.

Allgemeiner BaustahlE

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Erster Buchstabe des Kurznamens:

S…… Stähle für Stahlbau

P…… Stähle für Druckbehälter (Pressure=Druck)

L…… Stähle für Leitungen

E…….Stähle für Maschinen („Elektrisch“)

B…….Stähle für den Betonbau

Allgemeiner Baustahl

Beispiel: S 235 JRS = Baustahl

235 = Mindeststreckgrenze (Re): 235 N/mm²

J = Kerbschlagarbeit in Joule (J)wobei: J=27J, K=40J, L=60J

R= Prüftemperaturwobei: R=Raumtemp., 0=0°C, 2= - 20°C,

…

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C-G

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Das Einsatzhärten wird immer angewandt, wenn - eine harte Oberfläche und- aber ein zäher, elastischer Kern verlangt wird,

Beispiel Zahnräder: Zahnflanke sehr hart → verschleißfeste Oberfl. Zahnfuß zäh und elastisch → bricht nicht ab.

Einsatzstähle weisen, gleichgültig ob legiert oder unlegiert, einen C-gehalt von 0,1 bis 0,2 % auf.

Beispiele:

C15E: unlegierter Stahl 0,15 % C; unlegiert

20MnCr5

17CrNiMo6

16MnCr5

15CrNi6

Allg. Baustahl: EinsatzstahlE

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Einsatz gehärtete Zahnräderlegiert E

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Allg. Baustahl: EinsatzstahlE

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Die Härtbarkeit eines Stahles ist in allererster Linie abhängig von seinem Kohlenstoffgehalt.

Ohne Kohlenstoff ist ein Härten und eine Festigkeitssteigerung des Stahls durch Wärmebehandlung nicht möglich.

Schon geringe Veränderungen im C-Gehalt verändern die Eigenschaften des Stahls.

Je höher der C-Gehalt, desto größer die zu erreichende Härte.

Beim Einsatzhärten wird den Stählen mit ausgehend tiefem C-Gehalt (0.1-0.22%) die Oberfläche in einem ersten Verfahrensschritt bis 1 mm Tiefe aufgekohlt, um einen C-Anteil (bis 0.8%) zu erzielen, welcher im anschliessenden Verfahrensprozess härtbar ist.

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V = Vergütungsstahl (0,25 bis 0,5%C) gehört zu den Allgemeinen Baustählen ist legiert oder unlegiert ist wegen C-Gehalt zum Härten geeignet weist nach dem Anlassen gezielte

mechanische Eigenschaften auf, z.B. hohe Zugfestigkeit bei guter Zähigkeit.

Allg. Baustahl: VergütungsstahlE

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Beispiele:

C30E → Baustahl mit 0,3%C, unlegiert

25CrMo4 → legierter Baustahl mit 0,25% C

V

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Allg. Baustahl: VergütungsstahlE

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Man verwendet Vergütungsstahl für Kurbelwellen (Abb. rot), Achsen, Wellen, Pleuelstangen, Bolzen, Schrauben und andere Konstruktionsteile höherer Festigkeit, wie zum Beispiel Flugzeugfahrwerke (Zugfestigkeiten bis zu 2.000 MPa).

Beispiel:

Bei dem Stahl der Spezifikation C45E handelt es sich um einen Vergütungsstahl mit 0,45 % Kohlenstoff.

Das E steht dabei für einen besonders kleinen Gehalt an Phosphor (≤0,025 %) und Schwefel (≤0,035 %).

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Werkzeugstahl wird zur Fertigung von Werkzeugen und Formen verwendet.

Legierte Werkzeugstähle werden in höher beanspruchten Werkzeugen eingesetzt und sind meistens durchhärtbar. Zudem verziehen sie sich beim Härten nicht so sehr, je nach dem welche Legierungselemente vorhanden sind.

WerkzeugstahlE

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W


W = Werkzeugstahl (0,5 bis 2,06%C)

- unlegiert: Nach einer gezielten Wärmebehandlung können sie sich durch hohe Oberflächenhärte, hohe Verschleißfestigkeit und gute Schneidfähigkeit bei zähem Kern

auszeichnen (reine Schalenhärter). werden bei über 200° wieder weich

- legiert: Durch die LE werden die Stähle durchhärtbar und können bei über 200° eingesetzt werden.

Je nach Arbeitstemperatur teilt man sie auf in

- Kaltarbeits-St. (T bis 200°C)

- Warmarbeits-St. (T bis 400°C)

- Schnellarbeits-St. (T bis 600°C), = HHS (high speed steel)

WerkzeugstahlE

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Ab der Mindest-Abkühlgeschwindigkeit bildet sich ca. 50% Martensit für eine ausreichende Härtung. Das ist die kritische Abkühlgeschwindigkeit.

Soll der ganze Querschnitt eines Werkstücks gehärtet werden,spricht man von Durchhärtung.

Will man dickwandige Bauteile durchhärten, so muss man den Stahl legieren, damit er eine niedrigere kritische Abkühgeschwindigkeit hat.

Exkurs: „Durchhärtung“

C muss zwangsgelöst bleiben, darf also nicht diffundieren, was er bei zu langsamer Abkühlung sofort macht. LE vermögen es, C zu binden – sie verhindern die Diffusion der C-Atome.

Legierter Stahl kann somit langsamer abgeschreckt werden als unlegierter Stahl; es bildet sich immer noch ausreichend Martensit.

Besonders wirksam sind die LE Mn, Cr, Ni und V.

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C-G

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1) Welche beiden Stahlsorten gibt es, wenn man nach dem C-Gehalt einteilt?

Allgemeine Baustähle und Werkzeugstähle

1) Welche speziellen Stähle gehören zu den Allgemeinen Baustählen?

Vergütungs- und Einsatzstähle.

1) In welche Untergruppen kann man Werkzeugstähle einteilen?

in Kaltarbeits-, Warmarbeits- und Schnellarbeitsstähle.

1) Warum sind unlegierte Werkzeugstähle meist Kaltarbeitsstähle?

Weil sie ab 200°C ihre Härte verlieren würden.

1) Welche LE verhindern die vorzeitige Diffusion von C-Atomen beim langsamen Abschrecken?

Mn, Cr, Ni und V („Man chrommt nicht vorbei“)

1) Welcher Stahl wäre für den Bau einer Kurbelwelle geeignet?

Arbeitstemp. < 200°C, möglichst preiswert → Ein Vergütunsstahl

1) Einsatzstähle sind für das Einsatzhärten geeignet, weil ihr Kohlenstoffgehalt …

… relativ gering ist. Er wird dann an der Oberfläche erhöht.

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In Europa und damit in Deutschland sind etwa 2000 Stahlsorten so gängig, dass sie in der Europäischen Stahlregistratur, die vom Verein Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh) in Düsseldorf betreut wird, mit Werkstoffnummern versehen und registriert worden sind.

Der «Stahlschlüssel», den der VDEh in Abständen herausgibt, ist das zusammen fassende Ergebnis dieser Registrierung.

Benennung der Stähle

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Benennung der StähleFür Stähle gibt es zwei unterschiedliche Arten der

Bezeichnung:

1) Bezeichnung nach Werkstoffnummern – DIN EN 10027-2 Gußeisen Stahl Schwermetalle Leichtmetalle

2) Bezeichnung nach Kurznamen – DIN EN 10027-1 Hauptgruppe 1: Aus der Bezeichnung der Stähle kann

man mechanische Eigenschaften heraus lesen. Die Kurznamen für Stähle in der Hauptgruppe 2 geben

Aufschluss über deren chemische Zusammensetzung.

a) Unlegierte Stähle

b)Legierte Stähle

c)Hoch legierte Stähle

d)Schnellarbeitsstähle

S235JR

C15C15

Werkstoffnummer: 1.0037entspricht S235JR

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Bezeichnung der Stähle

Beispiele: Qualitäts-Stahl Edel-Stahl

unlegiert 1.00xx – 1.09xx 1.1xxx – 1.89xx

legiert Nirosta1.40xx – 1.45xx

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Bezeichnung der StähleK

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Beispiele:

C10 → 0,10% C, Einsatzstahl, nicht härtbar.

C35 → 0,35% C, Vergütungsstahl, härtbar.

C110 → 1,1% C, Werkzeugstahl, härtbar.


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Beispiele:

16MnCr5 → 0,16% C, Einsatzstahl, 5/4% Mn, Cr < 0,7%.

34CrAlMo5 → 0,34% C, Nitrierstahl, 5/4%Cr, Al und Mo jew. < 0,7%.

11MoCrV7-2-4 → 0,11% C, Schweißzusatz, warmfester Stahl, 7/10% Mo, 2/4%Cr, 4/10%V.

Das „C“ entfällt


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Merkhilfen:

Man Sieht Nie 4 Weiße CroCodile

„AlCuMoTaTiV“

Mit 100 PS nach Celle (bei Lüneburg)

Das „C“ entfälltDas „C“ entfällt


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Das „C“ entfälltDas „C“ entfällt

Beispiele:

X 20 Cr 13 → 0,2% C, Nirosta, vergütbar, 13% Cr .

6CrNiMo17-13 → 0,06% C, Hochwarmfester Stahl, 17% Cr, 13%, Mo < 0,7%.


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Der Kurzname beginnt mit HS. Es folgen, stets in Der Kurzname beginnt mit HS. Es folgen, stets in der Reihenfolge W, Mo, V, Co „wenig Motor – viel der Reihenfolge W, Mo, V, Co „wenig Motor – viel CO“ die Massengehalte in gerundeten Zahlen. CO“ die Massengehalte in gerundeten Zahlen.

Beispiel:

HS 10-4-3-10 → Schnellarbeitsstahl (hochlegierter Stahl für Werkzeuge) 10%W, 4%Mo, 3%V, 10%Co.


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HS 10-4-3-10

→ Schnellarbeitsstahl 10%W, 4%Mo, 3%V, 10%Co.

S235JR G 2M

→ Baustahl, Re = 235 N/mm², Kerbschlagarbeit 27J.

Was bedeutet der Buchstabe B als erster Buchstabe im Kurznamen?

→ Betonstahl

C35

→ Unlegierter Qualitäts-Stahl mit 0,35% Kohlenstoff

10CrMo 9-10

→ 0,1% Kohlenstoff, 9/4% Chrom (Man Sieht Nie 4 weiße CroCodile), 10/10=1% Mo. Alle LE < 5% , daher niedrig legierter Stahl.

X5CrNi 18-8

→ 0,05% Kohlenstoff, 18% Cr, 8% Ni. Vorsicht, bei Edelstahl nicht dividieren!


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Korrosionsbeständige StähleMit LE kann man die Gitterstruktur des Stahls beeinflussen, z.B. bei Raumtemperatur einen austenitischen Stahl erzeugen. LE, die das Phasengebiet für Austenit bzw. für das Ferrit erweitern, nennt man Austenitbildner bzw. Ferritbildner.

Änderung des Fe-C-Diagramms (Mitte) durch Ferritbildner (links) bzw. durch Austenitbildner (rechts).

Austenitische und ferritische Stähle haben auf Grund ihres hohen Chrom-Gehalts einen hohen Korrosions-Widerstand.

Außerdem gibt es folgende korrosionsresistente Stähle:

martensitische St. aust.-ferrit. Stähle

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Korrosionsbeständige Stähle

Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven nach R. Oppenheim

Vorteile des ferritischen ggü. dem austenitischen Stahl:

Ferritischer Stahl ist beständig gegen Spannungsrisskorrosion durch Chlor → Einsatz im Schwimmbad und entsprechender chem. Anlangen.

Da ferritische Stähle kein Nickel enthalten, sind ihre Preise niedriger und stabiler als die der austenitischen.

Nachteile des ferritischen Stahls sind seine Kerbschlag-Empfindlichkeit sein geringerer Korrosionswiderstand.

Im Unterschied zum austenitischen Stahl ist ferritischer Stahl magnetisch. → Kochgeschirr für Induktionsherde

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Ferritische Stähle mit max. (nur) 12% Cr. haben einen begrenztenKorrosionswiderstand → sie sind „korrosionsträge“

Ferr. Stähle mit bis zu 17% Cr sind „korrosionsbeständig“. Mit einem Zusatz von 1% Mo → „sehr korrosionsbeständig“

Titan oder Niob bilden Carbide (TiC, NiC) → C wird abgebunden → beständig gegen interkristalline Korrosion.

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Merkhilfe:Verchromte Nobel-Fähren (→ Ferrit) Sinken Montags Tief

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Ferritbildner sind die LE: V, Cr, Nb, Si, Mo, Ti

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Korrosionsbeständige StähleA

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Nachteile austenitischer Stähle: Nicht härtbar nicht vergütbar Zugfestigkeit ist nur halb so hoch wie

bei ferritischen Stählen teurer als ferritische Stähle

Vorteile: doppelt so hohe Bruchdehnung

→ Sicherheit gegen Bruch gut schweißbar gut umformbar sehr korrosionsbeständig

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Merkhilfe: Man erStickt Austern (→ Austenit) Nie in Kohle (→ C)

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Austenitbildner sind die LE: Mn, N, Ni, C

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