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Materialkunde (Subject) / Stahl (Lesson)

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• 1. Wodurch unterscheidet sich Stahl und Gusseisen in der Zusammensetzung. (geben Sie einen Zahlenwert an)? (x2) Gusseisen weist einen hohen Kohlenstoffgehalt von > 2,06% (Stahl max 2,06%) auf und lässt sich deswegen nicht verformen oder schmieden. Stahl hat einen weit niedrigeren Wert (unter 2,06%) und lässt sich formen und schmieden. Auch der Eisengehalt > 30,9% von Gusseisen ist weit höher als der von Stahl (max. 30,9%)
• 2. Zeichnen Sie die Arbeitslinie eines kaltverfestigten Stahls und geben Sie jenen Punkt an, der für das Modell des linear elastischen Spannungs-Dehnungsverhaltens und damit für die Bemessung von besonderer Bedeutung ist. (x2) Skript S. 50!a -> elast. Bereichb -> plast. Bereichc -> Einschnürbereich Rm -> ZugfestigkeitReH -> obere StreckgrenzeReL -> untere Streckgrenze Rp -> Proportionalitätsgrenze
• 3. Was versteht man unter Vergüten des Stahls? = Beeinflussen der Stahleigenschaften durch Wärmebehandlung = unter Vergüten versteht man eine zusammengesetzte Wärmebehandlung -> setzt sich aus Härtungsvorgang und anschließendem Anlassen auf höhere Temperaturen (etwa 400- 750°C) zusammen. -> durch das Anlassen kann sich ein Teil der Kohlenstoffatome aus seiner Zwangslage im Gitter wieder befreien, dadurch wird Härte gemildert und Zähigkeit wesentlich gesteigert -> je höher die Anlasstemperatur, desto mehr verliert der gehärtete Stahl an Festigkeit und umso mehr nimmt die Zähigkeit zu -> durch entsprechendes Anlassen kann man alle gewünschten Festigkeitsstufen erreichen -> bei hochfesten Spannstählen, Seildrähten und Bändern wird besondere Art des Vergütens angewandt: das Patentieren (= die Stahldrähte durchlaufen nach dem Glühen ein Blei- und Salzbad von 500°C -> werden abgeschreckt und dann an Luft abgekühlt -> dabei bildet sich Perlitgefüge -> besonders gut für anschließendes Kaltziehen geeignet -> hohe Zugfestigkeit bei ausreichender Zähigkeit) -> oft auch Kaltziehen und Patentieren mehrfach nacheinander angewandt 
• 4. Zeichnen Sie die Spannungs-Dehnungslinie eines unbehandelten Stahls und geben Sie alle wesentlichen Punkte oder Bereiche an. (x3) Seite 50!
• 5. Was versteht man unter Desoxidation im Rahmen der Stahlherstellung? -> im Normalfall ist der durch das Frischen erzeugte Rohstahl fertig zur Verarbeitung -> bei erhöhten Qualitätsanforderungen braucht man Nachbehandlung = Desoxidation -> Desoxidation = Maßnahmen zur Entfernung des Restsauerstoffes aus der Schmelze während oder nach dem Abstich -> 2 Arten: unberuhigt vergossener Stahl; beruhigt vergossener Stahl
• 6. Wie ist der heute übliche Verhüttungsprozess von Aluminium gegliedert. In 2 Phasen gegliedert: 1. Gewinnung der Tonerde AI2O3 aus dem Bauxit (chem. Aufschluss mit Natronlauge) 2. Erzeugung von Aluminium durch elektrolytische Zerlegung des Aluminiumoxids in reines Metall und Sauerstoff im Elektrolyseofen 
• 7. Erklären Sie das Prinzip der Stahlherstellung. -> das weiße Roheisen wird nach dem Abstich im Roheisenmischer gesammelt -> durch großes Fassungsvermögen des Roheisenmischers können Unterschiede in der Beschaffenheit der einzelnen Roheisenabstiche ausgeglichen werden -> Umwandlung von Roheisen zu Stahl => Verminderung bzw. Entfernung von Kohlenstoff und der unerwünschten Eisenbegleiter (Phosphor, Schwefel, Mangan, Silizium) durch Oxidation = „Frischen“ -> „Frischen“ erfolgt durch Luft- bzw. Sauerstoffzuführung (Oxidation) -> die verschiedenen Frischverfahren: Windfrischverfahren, Sauerstofffrischverfahren, Herdfrischverfahren, Elektrostahlverfahren -> Stahlerzeugung kann deshalb als Pendeln zwischen Übersschuss an Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) im Eisen angesehen werden:  ERZ -> verhütten -> ROHEISEN -> frischen -> ROHSTAHL -> desoxidieren -> STAHL (hochwertig, kein Überschuss von C und O) -> SKIZZE!!
• 8. /10. /26. Beschreiben Sie die Einflüsse von Legierungselementen und Stahlbegleitern auf Stahl. -> im Roheisen befinden sich unerwünschte Stahlbegleiter die dafür verantwortlich sind, dass Roheisen nicht schmiedbar und spröde ist -> diese werden im Stahlwerk beseitigt oder verringert und Legierungselemente werden hinzugefügt -> schon kleine Mengen der unerwünschten Stahlbegleitern die im Stahl verbleiben, haben großen Einfluss auf die Eigenschaften und das Gefüge des Stahls -> sind oft nur mit großem Aufwand zu beseitigen-> „unlegierte“ Stähle = enthalten außer Kohlenstoff und den unvermeidbaren Begleitelementen keine Zusätze, außer den für Herstellung und Verarbeitung notwendigen Legierungselementen in kleinen Mengen -> unlegierte Stähle unterscheiden sich hauptsächlich durch die Höhe des Kohlenstoffgehaltes -> verändert die wichtigsten Gebrauchseigenschaften -> Legierungselemente: Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Aluminium (Kathi Sagt Materialkunde Adieu)-> unerwünschte Stahlbegleiter: Phosphor, Schwefel, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Kupfer (Solche Prüfungen Sind Wirklich Kein Spaß)                    Kohl.   Siliz.   Mang.   Phos   Schwef.   Stick  Festigkeit     +          +          +           +           0           +Zähigkeit       -          -           +           -            -            -Schweißb.      -         -           +           -             -            -
• 9. Beschreiben Sie die Roheisengewinnung. -> wird aus Eisenerz gewonnen (nur bei einem Eisengehalt von mehr als 26% zur Weiterverarbeitung geeignet) -> zuerst muss Eisenerz aufbereitet werden (Vorbehandlungen um Erz von Gesteinen und erdigen Beimengungen zu trennen) -> das Eisen ist im Erz immer an Sauerstoff gebunden -> dann Verhüttung im Hochofen: Entzug von Sauerstoff durch Zuschläge und Kohle als Wärmelieferant -> bei Verhüttung wird also das Erz im Hochofen zu Eisen reduziert -> das flüssige Eisen wird in Abständen durch tiefer liegenden Abstich abgelassen (zuerst Eisen, dann die Schlacke)-> das Roheisen wird dann entweder in Sandformen erstarrt oder in flüssigem Zustand zum Stahlwerk gebracht, dort wird es weiter zu Stahl verarbeitet-> noch sehr viel Kohlenstoff im Roheisen -> deshalb nicht schmiedbar!-> es entstehen zwei verschiedene Arten von Roheisen: weißes (für Stahlherstellung) und graues (für Gusseisenherstellung)-> danach wird weißes Roheisen weiter im Stahlwerk zu Stahl umgewandelt 
• 11. Erlautern Sie die Spannungs-Dehnungslinie einen kaltverfestigten Stahls. Wo ist der E Modul zu sehen? S. 50!
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• 12./16. Was ist Stahl? (x2) -> ist eine Metalllegierung die hauptsächlich aus Eisen besteht -> die wichtigste Legierungskomponente ist Kohlenstoff -> häufige Legierungselemente: Silizium, Mangan, Chrom, Nickel, Kupfer -> aus Eisenerz wird durch Verhüttung im Hochofen Roheisen gewonnen -> dieses wird weiter zu Stahl oder Gusseisen verarbeitet -> Stahl ist ohne Nachbehandlung schmiedbar -> ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit max. C-Gehalt von 2,06% und 30,9% Zementit 
• 13. Formgebung beschreiben; wie ändern sich die Eigenschaften des Stahls dabei...(x2) -> verschiedene Wege zur Formgebung: 1. Stahlguss:- Vergießen zu fertigen Formen (= beim Gießen wird endgültige Gestalt erreicht)- Blockguss (= der flüssige Rohstahl wird in gusseiserne Formen gegossen und erstarrt zu Blöcken mit verschiedenen Formen -> quadratisch, zylindrisch,... je nach später erfolgender Umformung)- Strangguss (= erstarrt in wassergekühlten Durchläufen zu endlosem Strang, und wird dann in erforderliche Längen unterteilt)  2. Warmverformung:= die Warmverformung erfolgt bei Temperaturen oberhalb der Rekristallisierungstemperatur, wodurch sich beim Abkühlen ein neues, regelmäßiges Kristallgefüge bildet. Der Stahl wird als neuhart bezeichnet.- Walzen (= „kontinuierliches Schmieden“)- Schmieden und Pressen (= nicht walzbare Werkstücke -> Druck mit hydraulischen Pressen, Schlagen bzw. Hämmern, Ziehen)  3. Kaltverformung:= erfolgt bei 20°C -> die technischen Eigenschaften der Stähle (Zugfestigkeit, Bruchdehnung) werden im allg. verändert 
• 20. eine Stahlart genauer beschreiben Beispiel: SPANNSTÄHLE Für Spannbetonkonstruktionen müssen spezielle Spannstähle mit hohen zulässigen Spannungen verwendet werden. Die zulässigen Spannungen normaler Betonstähle sind so klein, dass die aufgebrachte Vorspannung durch Kriechen und Schwinden des Betons zu stark verringert würde.  Definition der Spannstähle und Anforderungen Spannstähle haben einen hohen Kohlenstoffgehalt (0,6 – 0,9 %) und sind unlegierte oder niedriglegierte Stähle mit hoher Festigkeit. Sie müssen folgende Anforderungen erfüllen: • hohe zulässige Spannung • kein Nachlassen der Spannung (Relaxation), Stahlkriechen muss gering bleiben• zuverlässige Haftung (beim Spannen im Verbund)• ausreichende Bruchsicherheit• gute Zähigkeit, entsprechende DauerschwingfestigkeitSpannstähle reagieren besonders empfindlich auf Korrosionsangriffe → Korrosionsschutz!  Einteilung der SpannstähleDie o.g. Anforderungen führten zur Entwicklung verschiedener Spannstähle und Spannsysteme (Verankerungen).Diese können nach ihrer Herstellung (Erzeugungsart) oder ihren Querschnittsformen in diverse Gruppen eingeteilt werden. mechanisch-technologische Eigenschaften der Spannstähle: • Gewährleistungswerte (vom Hersteller zu gewährleisten); − Zugfestigkeit − Dehngrenze− Bruchdehnung− Faltbarkeit (Hin- und Herbiegbarkeit)− Abminderung der Zugfestigkeit nach einmaligem Hin- und Herbiegen− Technische Kriechgrenze• Informationswerte− Dauerschwingfestigkeit− Relaxation− Gleichmaßdehnung• RichtwerteAuf Verlangen des Bestellers sind die Spannungs-Dehnungs-Linie und der E-Modul bekanntzugeben 
• 14. 4 Arten der Stahlanwendung im Bau - Bewehrung für Stahlbeton und Spannbeton - Befestigungs- und Verdübelungsmittel - Stahlhochbauten (Stahlskelettbauten) - vorgehängte Fassaden, Dächer und Sandwichelemente - Hallenbauten- Bergbau- Brückentragwerke, Kranbau- Stahlgerüste- Stahlzargen, Türkonstruktionen, Fensterbeschläge - Treppen- und Balkongeländer- Heizkörper, Rohre, Behälter etc. 
• 21./22. Vor- und Nachteile von Stahl Vorteile:+ Stahl hat von allen Massenbaustoffen die höchsten Festigkeitswerte, den höchsten Emodul und das günstigste Verhältnis von aufnehmbarer Last zu Konstruktionsgewicht+ Stahlkonstruktionen und die daraus gefertigten Produkte = Industrieerzeugnisse; haben die am weitesten gesicherte Güte+ Stahlkonstruktionen sind Fertigteilbauten -> kurze Bauzeit, frühe Nutzung+ Stahlkonstruktionen müssen nicht auf Baustelle austrocknen (wie z.b. Beton) und können unabhängig von Witterung errichtet werden; sind nach Errichtung sofort voll belastbar+ Stahlkonstruktionen sind veränderungsfähig, Auswechslungen möglich, Befestigungen, Erweiterungen,..+ Stahlkonstruktionen sind nach Beschädigungen leicht zu reparieren+ Stahlkonstruktionen können demontierbar ausgeführt werden+ Rohre und Behälter sind ohne besondere Behandlung flüssigkeits- und gasdicht+ Anwendung von Farbe ohne Mehrkosten+ Recycling von Abbruch 
• Nachteile Stahlbau Nachteile:- unbehandelter Baustahl korrodiert -> benötigt deshalb Korrosionsschutz- ist nur durch geschulte Arbeitskräfte bzw. Maschinen bearbeitbar -> Erhöhung Produktionskosten- zwar nicht brennbar, aber relativ geringer Brandwiderstand -> Brandschutzmaßnahmen erforderlich - tragende Stahlkonstruktionen -> bilden keine raumabschließenden, schall- und wärmedämmenden Wandkonstruktionen 
• 18. Schweißverfahren im Stahlbau beschreiben = vereinigen metallischer Werkstoffe mit (nahezu) gleichem Schmelzpunkt unter Einwirkung von Wärme oder von Wärme und Druck zusammen, im schmelzflüssigen/weichteigigem Zustand; mit oder ohne Zuführung von artgleichem Metall -> Schweißvorgang in zwei Verfahren gliedern: Schmelzschweißen, Pressschweißen  Schmelzschweißen:-> durch Wärmezufuhr örtlich begrenzte Aufschmelzung des Grundmaterials -> idR. Wird Zusatzwerkstoff zugeführt-> beim Abkühlen entsteht feste Verbindung der beiden Werkstücke Pressschweißen:-> die zu verbindenden Elemente werden durch Wärme auf teigigen Zustand gebracht-> durch Druck oder Schlag werden die beiden Werkstücke dann miteinander verbunden -> eher seltenes Verfahren, eher nur bei Spezialfällen 
• 23./ 25. Vergleich Alu und Stahl = obwohl hochfeste Aluminiumlegierungen Festigkeitswerte von Baustählen erreichen können, kann man die beiden konstruktiv nicht direkt miteinander vergleichen -> durch die unterschiedlichen physikalischen und technologischen Werkstoffeigenschaften, fordern Aluminiumwerkstoffe Konstruktionsprinzipien der Leichtbauweise-> Alu hat wesentlich niedrigeren E-Modul (70.000 N/mm2) -> also treten bei gleicher Belastung wie bei Stahl wesentlich größere Verformungen auf-> wegen niedrigem E-Modul: Konsequenzen für konstruktive Gestaltung und Dimensionierung von Aluminiumbauteilen (-> kleinere Steifigkeit)-> festigkeitsmindernder Einfluss der Schweißwärme bei Aluminium-> Vorteil gegenüber Stahl: es entfallen viele Problembereiche wie z.B. Aufhärten beim Schweißen, Verspröden mit abnehmender Temperatur-> bei Alu ist das (ohnehin schon gute) Korrosionsverhalten wesentlich besser beeinflussbar als bei Stahl-> man muss beim Bauen aber generell nicht nur auf die Kenngrößen schauen sondern „integriert denken“ und schauen was beim Entwurf passt # Die bautechnisch wichtigsten Eigenschaften von Aluminiumlegierungen im Vergleich zu Baustahl sind: - ihre geringe Dichte, etwa ein Drittel von Stahl - ihre guten Festigkeitseigenschaften, bestimmte Legierungen erreichen Zugfestigkeiten von 660 N/mm2. - Gute Korrosionsbeständigkeit -> Alu hat natürliche Oxidhaut (kann künstlich noch verstärkt werden) - die Möglichkeit der leichten Formgebung  ungünstig gegenüber Stahl ist zu beachten: - niedriger E-Modul (große Verformungen) - Veränderung der Festigkeit bei zunehmender Temperatur (Brandverhalten) - der niedrige Schmelzpunkt 
• 26. Anwendung von Aluminiumwerkstoffen und Stahlwerkstoffen im Bauwesen Aluminiumlegierungen sind je nach ihrer Festigkeit für Konstruktionen verschiedenster Art geeignet, vor allem dort, wo die höheren Werkstoffkosten durch Gewichtseinsparung ausgeglichen werden können. Ein Vergleich zwischen Stahl und Alu zeigt, dass ein Alu-Träger gegenüber einem Stahlträger bei gleicher Belastung und Durchbiegung wegen des niedrigeren E-Moduls ein etwa dreimal so großes Trägheitsmoment und damit einen größeren Querschnitt und eine größere Bauhöhe erfordert, dass er aber trotzdem noch weniger als die Hälfte eines vergleichbaren Stahlträgers wiegt.  Stahlwerkstoffe im Bauwesen:- Bewehrung für Stahlbeton und Spannbeton- Brückentragwerke, Kranbau- Heizkörper, Rohre, Behälter usw.- Vorgehängte Fassaden, Dächer und Sandwichelemente  Aluminiumwerkstoffe im Bauwesen:- besonders wirtschaftlich für weittragende Hallenkonstruktionen, Fassadenelemente, besonders bei aufgehängten Konstruktionen und großen Industriebauten.- Obwohl hochfeste Alu-legierungen Festigkeitskennwerte von Baustählen erreichen können, kann man die beiden Werkstoffe nicht direkt vergleichen. Bedingt durch unterschiedliche physikalische und technologische Werkstoffeigenschaften verlangen Alu-werkstoffe „aliuminiumgerechte“, der modernen Leichtbauweise entsprechende Konstruktionsprinzipien. 
• 24. Verbindungsarten und eine genauer erklären. Verbindungsarten:-> Schweißen-> Schraubverbindungen -> Nietverbindungen-> sonstige Verbindungen  Unterteilung nach Kraftübertragung:-> punktweise (Schrauben, Nieten usw.) -> linienhafte (Schweißnähte)-> flächenhafte (Kleben)  andere Unterteilung:-> unlösbare (Schweißen, Kleben, Nieten) -> lösbare (Schrauben, Bolzen)  1. Schweißen:= vereinigen metallischer Werkstoffe mit (nahezu) gleichem Schmelzpunkt unter Einwirkung von Wärme oder von Wärme und Druck zusammen, im schmelzflüssigen/weichteigigem Zustand; mit oder ohne Zuführung von artgleichem Metall-> Schweißvorgang in zwei Verfahren gliedern: Schmelzschweißen, Pressschweißen Schmelzschweißen:-> durch Wärmezufuhr örtlich begrenzte Aufschmelzung des Grundmaterials -> idR. Wird Zusatzwerkstoff zugeführt-> beim Abkühlen entsteht feste Verbindung der beiden Werkstücke Pressschweißen:-> die zu verbindenden Elemente werden durch Wärme auf teigigen Zustand gebracht-> durch Druck oder Schlag werden die beiden Werkstücke dann miteinander verbunden -> eher seltenes Verfahren, eher nur bei Spezialfällen  2. Schraubverbindungen= im konstruktiven Stahlbau und Stahlhochbau werden Sechskantschrauben und Sechskantmuttern zum Fügen von Bauteilen verwendet-> sind lösbare Verbindungen-> ermöglichen Kraftübertragung in Richtung der Schraubenachse und auch Quer zu ihr-> Bezeichnung erfolgt nach Schaftdurchmesser in mm (von M12 bis M36), Schraubenlänge und Festigkeitsklasse der Schrauben-> Lochabstände idR. Mind. 200 mm  3. Nietverbindungen= eig. nur früher verwendet, heute nur mehr zur Instandsetzung von historischer Stahlbausubstanz -> früher einzige technische Möglichkeit, heute von Schweißen und Schrauben abgelöst  4. Sonstige Verbindungen= Bolzenverbindungen zur Ausbildung von Gelenkverbindungen 

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