Metallurgie-Glossar
Definitionen wichtiger Metallurgiebegriffe, Eigenschaften und materialwissenschaftlicher Konzepte.
Mechanical Properties
Bruchdehnung
Die prozentuale Zunahme der Messlänge einer Zugprobe im Augenblick des Bruchs. Sie dient als Maß für die Duktilität: Je höher der Wert, desto zäher verformbar ist der Werkstoff.
Elastizitätsmodul
Auch Youngscher Modul genannt, bezeichnet er das Verhältnis von Spannung zu Dehnung im elastischen, also reversiblen Verformungsbereich und beschreibt damit die Steifigkeit eines Werkstoffs. Angegeben wird er in GPa.
Ermüdung
Die fortschreitende, örtlich begrenzte Schädigung eines Werkstoffs unter wiederholter zyklischer Belastung, häufig bei Spannungen deutlich unterhalb der Zugfestigkeit. Ein Ermüdungsbruch kündigt sich in der Regel nicht an.
Härte
Ein Maß für den Widerstand eines Werkstoffs gegen örtliche plastische Verformung, üblicherweise im Eindringversuch bestimmt. Gebräuchliche Skalen sind Rockwell, Brinell und Vickers.
Streckgrenze
Diejenige Spannung, ab der sich ein Werkstoff plastisch verformt und nach dem Entlasten nicht mehr in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Sie markiert die Grenze zwischen elastischem und plastischem Verhalten.
Zugfestigkeit
Die höchste Spannung, der ein Werkstoff beim Ziehen bis zum Bruch standhält. Angegeben wird sie als Kraft je Flächeneinheit, etwa in MPa oder psi.
Physical Properties
Dichte
Die Masse eines Werkstoffs je Volumeneinheit, üblicherweise in g/cm³ oder kg/m³ angegeben. Als grundlegende Stoffeigenschaft bestimmt sie das Gewicht von Bauteilen.
Elektrische Leitfähigkeit
Ein Maß dafür, wie gut ein Werkstoff elektrischen Strom leitet, üblicherweise als Prozentwert des International Annealed Copper Standard (IACS) oder in S/m angegeben. Höhere Leitfähigkeit bedeutet geringeren elektrischen Widerstand.
Magnetische Permeabilität
Ein Maß dafür, wie gut ein Werkstoff die Ausbildung eines Magnetfelds in seinem Inneren unterstützt, also wie stark er auf ein angelegtes Magnetfeld reagiert. Ferromagnetische Metalle wie Eisen und Nickel besitzen eine hohe Permeabilität.
Schmelzpunkt
Die Temperatur, bei der ein reines Metall oder eine Legierung unter Atmosphärendruck vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. Legierungen schmelzen dabei meist über einen Temperaturbereich statt bei einem einzelnen Punkt.
Wärmeausdehnungskoeffizient
Die anteilige Längen- oder Volumenänderung eines Werkstoffs je Grad Temperaturänderung, angegeben in µm/(m·K) oder 10⁻⁶/°C. Er beschreibt, wie stark sich ein Werkstoff bei Erwärmung ausdehnt und beim Abkühlen zusammenzieht.
Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmemenge, die je Flächeneinheit und Temperaturgradient durch einen Werkstoff fließt, angegeben in W/(m·K). Sie bestimmt, wie wirksam ein Metall Wärme überträgt.
Composition & Alloying
Ausscheidungshärtung
Eine Wärmebehandlung, die die Festigkeit einer Legierung steigert, indem im Metallgefüge fein verteilte Teilchen einer zweiten Phase — die Ausscheidungen — gebildet werden, die die Versetzungsbewegung behindern.
Intermetallische Verbindung
Eine Verbindung aus zwei oder mehr metallischen Elementen mit festem stöchiometrischem Verhältnis und einer eigenen Kristallstruktur, die sich von der ihrer Bestandteile unterscheidet. Intermetallische Phasen sind in der Regel hart und spröde.
Kohlenstoffäquivalent
Ein einzelner Zahlenwert, der die Wirkung von Kohlenstoff und weiteren Legierungselementen zusammenfasst, um Härtbarkeit und Schweißeignung eines Stahls abzuschätzen. Er dient verbreitet der Beurteilung des Kaltrissrisikos beim Schweißen.
Legierungselement
Ein chemisches Element, das einem Grundmetall gezielt zugesetzt wird, um dessen mechanische, physikalische oder chemische Eigenschaften zu verändern. Zu den gebräuchlichen Legierungselementen zählen Chrom, Nickel, Mangan und Molybdän.
Massenanteil
Eine Angabe der Legierungszusammensetzung, bei der die Masse eines Bestandteils durch die Gesamtmasse der Legierung geteilt und mit 100 multipliziert wird. In der industriellen Praxis ist dies die verbreitetste Form der Chemieangabe.
Mischkristall
Ein einphasiges Gefüge, in dem Atome eines oder mehrerer gelöster Elemente im Kristallgitter eines Lösungsmetalls eingebaut sind — entweder auf Gitterplätzen oder auf Zwischengitterplätzen.
Heat Treatment
Abschrecken
Das rasche Abkühlen eines Metalls von erhöhter Temperatur, üblicherweise durch Eintauchen in Wasser, Öl oder eine Polymerlösung oder durch Anblasen mit Luft, um ein bestimmtes Gefüge einzustellen und die Härte zu steigern.
Anlassen
Eine Wärmebehandlung im Anschluss an das Abschrecken, bei der gehärteter Stahl auf eine Temperatur unterhalb der unteren Umwandlungstemperatur Ac1 wiedererwärmt und danach abgekühlt wird, um Sprödigkeit und Eigenspannungen abzubauen und dabei den größten Teil der Härte zu erhalten.
Austenit
Eine kubisch-flächenzentrierte Phase des Eisens beziehungsweise einer Eisenlegierung, die in unlegierten Kohlenstoffstählen bei erhöhter Temperatur und in bestimmten nichtrostenden Stählen bei Raumtemperatur vorliegt. Sie ist unmagnetisch und löst bis zu 2,14 Massenprozent Kohlenstoff.
Einsatzhärten
Eine Gruppe thermochemischer Verfahren, die Härte und Verschleißwiderstand der Randschicht eines Bauteils erhöhen, während der Kern zäh und duktil bleibt. Zu den gebräuchlichen Verfahren zählen Aufkohlen, Nitrieren und Carbonitrieren.
Glühen
Eine Wärmebehandlung, bei der ein Metall auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, dort eine festgelegte Zeit gehalten und anschließend langsam, meist im Ofen, abgekühlt wird. Ziel sind eine geringere Härte, der Abbau von Eigenspannungen und eine höhere Duktilität.
Martensit
Ein hartes, sprödes Gefüge, das im Stahl entsteht, wenn Austenit so rasch abgekühlt wird, dass die Diffusion unterbleibt und der Kohlenstoff in einem übersättigten, kubisch-raumzentriert-tetragonalen Gitter eingeschlossen bleibt. Es ist der härteste Gefügebestandteil des Stahls.
Normalglühen
Eine Wärmebehandlung, bei der Stahl über seine obere Umwandlungstemperatur Ac3 erwärmt und anschließend an ruhender Luft abgekühlt wird. Das Ergebnis ist ein feineres und gleichmäßigeres Gefüge als beim vollständigen Glühen.
Corrosion & Protection
Interkristalline Korrosion
Ein bevorzugter Korrosionsangriff entlang der Korngrenzen eines Metalls, meist verursacht durch Unterschiede in der Zusammensetzung oder durch die Ausscheidung schädlicher Phasen an den Korngrenzen gegenüber dem Korninneren.
Kathodischer Korrosionsschutz
Ein elektrochemisches Verfahren, das die Korrosion eines Bauteils verhindert, indem es zur Kathode einer elektrochemischen Zelle gemacht wird — entweder durch Anschluss an eine Opferanode oder durch Aufprägen eines Gleichstroms.
Kontaktkorrosion
Ein elektrochemischer Vorgang, bei dem ein Metall bevorzugt korrodiert, sobald es in Gegenwart eines Elektrolyten in elektrisch leitendem Kontakt zu einem edleren Metall steht. Das unedlere Metall wirkt dabei als Anode und wird abgetragen.
Lochkorrosion
Eine örtlich begrenzte Korrosionsform, bei der kleine Hohlräume oder Narben in der Metalloberfläche entstehen, während die Umgebung weitgehend unversehrt bleibt. Besonders häufig tritt sie an passiven Metallen in chloridhaltigen Medien auf.
Passivierung
Die Bildung eines dünnen, stabilen und festhaftenden Oxid- oder Hydroxidfilms auf einer Metalloberfläche, der als Sperrschicht zwischen Metall und Umgebung wirkt und den weiteren Korrosionsfortschritt wirksam verlangsamt.
Spannungsrisskorrosion
Ein Versagensmechanismus, bei dem ein korrosives Medium und eine anhaltende Zugspannung zusammenwirken und dadurch Risse entstehen und wachsen — schon bei Spannungen unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffs.
Manufacturing Processes
Gießen
Ein Fertigungsverfahren, bei dem flüssiges Metall in einen Formhohlraum der gewünschten Gestalt gegossen wird und dort erstarrt; das Ergebnis ist ein endkonturnahes Bauteil. Auf diesem Weg lassen sich komplexe Geometrien herstellen, die anderen Verfahren schwer zugänglich sind.
Pulvermetallurgie
Eine Fertigungstechnologie, bei der Metallpulver zur gewünschten Form verpresst und anschließend bei erhöhter Temperatur gesintert wird, sodass die Teilchen zu einem festen Bauteil zusammenwachsen. Sie erlaubt eine endkonturnahe Fertigung mit minimalem Materialverlust.
Schmieden
Ein Fertigungsverfahren, das Metall durch Druckkräfte von Hämmern, Pressen oder Gesenken umformt, entweder bei hoher Temperatur als Warmschmieden oder nahe der Raumtemperatur als Kaltschmieden. Dabei verfeinert sich das Korngefüge und die mechanischen Eigenschaften verbessern sich.
Schweißen
Ein Fertigungsverfahren, das Metalle stoffschlüssig verbindet, indem durch Wärme, Druck oder beides ein Zusammenwachsen bewirkt wird — mit oder ohne Zusatzwerkstoff. Es entsteht eine durchgehende metallurgische Verbindung.
Strangpressen
Ein Umformverfahren, bei dem ein Block unter Druck durch die Öffnung einer Matrize gepresst wird und dabei ein fortlaufendes Erzeugnis mit gleichbleibendem Querschnittsprofil entsteht. Häufig stranggepresst werden Aluminium, Kupfer und Titan.
Walzen
Ein Umformverfahren, bei dem das Vormaterial durch ein oder mehrere Walzenpaare läuft, um die Dicke zu verringern, einen bestimmten Querschnitt zu erzeugen oder die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Die beiden Hauptvarianten sind Warm- und Kaltwalzen.
Testing & Standards
AISI/SAE-Bezeichnung
Ein vierstelliges Nummernsystem des American Iron and Steel Institute (AISI) und der Society of Automotive Engineers (SAE) zur Einordnung von Kohlenstoff- und legierten Stählen nach ihrer Zusammensetzung. Die ersten beiden Ziffern kennzeichnen die Legierungsgruppe, die letzten beiden oder drei den nominellen Kohlenstoffgehalt in Hundertstelprozent.
Brinellhärte
Ein Härteprüfverfahren, bei dem eine gehärtete Stahl- oder Hartmetallkugel unter festgelegter Prüfkraft in die Metalloberfläche gedrückt und die Härte aus dem Durchmesser des Eindrucks berechnet wird. Angegeben werden die Werte als HBW, also Brinellhärte mit Hartmetallkugel.
Kerbschlagbiegeversuch
Ein genormter Schlagversuch, bei dem eine gekerbte Probe von einem Pendelhammer geschlagen und die beim Bruch aufgenommene Energie in Joule gemessen wird. Er beurteilt die Zähigkeit und die Kerbempfindlichkeit eines Werkstoffs.
Rockwellhärte
Ein Härteprüfverfahren, das die Eindringtiefe eines Eindringkörpers unter der Prüfkraft gegenüber seiner Lage unter der Vorkraft misst. Je nach Eindringkörper und Kraft werden die Werte auf verschiedenen Skalen wie HRA, HRB oder HRC angegeben.
Zerstörungsfreie Prüfung
Eine Gruppe von Prüfverfahren, mit denen sich Zustand, Eigenschaften und Maße von Werkstoffen und Bauteilen beurteilen lassen, ohne diese zu beschädigen oder ihre spätere Verwendbarkeit zu beeinträchtigen. Verbreitet sind Ultraschall-, Durchstrahlungs-, Magnetpulver- und Eindringprüfung.
Zugversuch
Ein zerstörender mechanischer Versuch, bei dem eine genormte Probe einer kontrollierten einachsigen Zugbelastung bis zum Bruch ausgesetzt wird. Ermittelt werden Kennwerte wie Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Brucheinschnürung.
Metallurgy Fundamentals
Korngrenze
Die Grenzfläche zwischen zwei benachbarten Kristallkörnern unterschiedlicher Orientierung in einem vielkristallinen Metall. Korngrenzen wirken als Hindernis für die Versetzungsbewegung und prägen mechanische, diffusions- und korrosionsbezogene Eigenschaften erheblich.
Kriechen
Die zeitabhängige, bleibende Verformung eines Werkstoffs unter konstanter Last oder Spannung bei erhöhter Temperatur, üblicherweise oberhalb des 0,4-Fachen der absoluten Schmelztemperatur. Ein Kriechbruch kann bei Spannungen weit unterhalb der Streckgrenze bei Raumtemperatur eintreten.
Kristallstruktur
Die geordnete, periodische dreidimensionale Anordnung der Atome in einem festen Metall, beschrieben durch eine Elementarzelle, die sich über das gesamte Gitter wiederholt. Die häufigsten metallischen Kristallstrukturen sind kubisch-flächenzentriert (kfz), kubisch-raumzentriert (krz) und hexagonal dichtest gepackt (hdp).
Rekristallisation
Der Vorgang, bei dem in einem zuvor kaltverformten Metall beim Glühen oberhalb der Rekristallisationstemperatur neue, verformungsfreie Körner entstehen und wachsen, wodurch die Duktilität wiederhergestellt und die Härte gesenkt wird.
Versetzung
Ein linienförmiger Gitterfehler in einem Kristall, der die Grenze zwischen bereits abgeglittenen und noch nicht abgeglittenen Bereichen einer Gleitebene bildet. Versetzungen sind die wesentlichen Träger der plastischen Verformung metallischer Werkstoffe.
Zustandsdiagramm
Eine grafische Darstellung der in einem Legierungssystem stabilen Phasen in Abhängigkeit von Zusammensetzung, Temperatur und Druck. Sie ist ein unentbehrliches Werkzeug, um Erstarrung, Phasenumwandlungen und die Auslegung von Wärmebehandlungen zu verstehen.