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L O T Chair of Surfaceand MaterialsTechnology

Prof. Dr. X. Jiang, 03.12.2012 Prof. Dr. X. Jiang, 03.12.2012

Werkstofftechnik I

Prof. Dr. Xin Jiang

Institut für Werkstofftechnik der Universität Siegen

Wintersemester 2012/2013


Prof. Dr. X. Jiang, 03.12.2012

I. Einführung

II. Werkstoffprüfung

III. Metallographie

IV. Aufbau von Werkstoffen

V. Mechanische Eigenschaften

VI. Aufbau mehrphasiger Werkstoffe

VII. Grundlagen der Wärmebehandlung

Prüfungsvorbereitung

Werkstofftechnik I

Inhalt der Vorlesung:



Werkstofftechnik II, SS2013

VIII. Korrosion und Korrosionsschutz

IX. Normgerechte Werkstoffkennzeichnung

X. Vom Rohstoff zum Bauteil

XI. Eisenwerkstoffe

XII. Aluminiumlegierungen

XIII. Keramische Werkstoffe

XIV. Polymerwerkstoffe

XV. Verbundwerkstoffe

Inhalt der Vorlesung:


Literatur (Auswahl): - B. Ilschner, R.F. Singer, Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik, Springer Verlag

Behandelt sehr gut die Grundlagen und gibt Hintergrundinformationen!

- W. D. Callister, Jr. Wiley, Materials Science and Engineering - An Introduction”

- James F. Shackelford, Werkstofftechnologie für Ingenieure, Pearson/Studium

- K.G. Schmitt-Thomas, Metallkunde für das Maschinenwesen, Springer-Verlag 1990 (2.

Auflage) Teil I: Aufbau und Eigenschaften metallischer Werkstoffe; Teil II: Gleichgewichts-

und Ungleichgewichtszustände

Gute Darstellung der Werkstofftechnik mit Zielrichtung Maschinenbau; ausschließlich

Metalle!

- E. Hornbogen, Werkstoffe, Springer-Verlag

Sehr guter Überblick über alle Werkstoffgruppen

- E. Macherauch, Praktikum in Werkstoffkunde, Vieweg

Grundlagen und experimentelle Verfahren dargestellt anhand von Versuchsbeschreibungen!

- W. Domke, Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, Girardet Taschenbuch

Gut als knappes Nachschlagewerk für den Ingenieur in der Praxis

- H.-J. Bargel, G. Schulze, Werkstoffkunde, VDI-Verlag

Grundlagen sehr knapp, Teil Eisenwerkstoffe sehr umfangreich!

- ……



Definition: Ein Werkstoff ist ein fester Stoff, der zur Realisierung einer

technischen Idee dient (zur Herstellung eines technischen Produktes).

Schlüsselfunktion in der Umsetzung wissenschaftlicher Erkenntnisse in

ein technisch nutzbares Produkt (d.h. letztlich in Lebensqualität)

I. Einführung:

1. Werkstoffe in der Geschichte

Konsequenz: Wichtige gesellschaftliche Entwicklungen wurden durch die

Verfügbarkeit neuer Werkstoffe maßgeblich beeinflusst und z.T.

hervorgerufen.

Werkstoff - Energie - Information



Übersicht: Werkstoffe und Kulturgeschichte

- Stein Altsteinzeit (100000 – 10000 v.Chr.) : aus Naturstein behauene

scharfkantige Werkzeuge und Waffen. In der Jungsteinzeit (6000 –

4000 v.Chr.) geschliffene, gesägte und gebohrte Werkzeuge

- Keramik Ab Jungsteinzeit (6000 v.Chr.). Brennöfen 4000 v.Chr.

Glasuren 2000 v.Chr. (vorderer Orient, Griechenland, China)

- Kupfer Ältestes Gebrauchsmetall. Als gediegenes Metall abgebaut und

verarbeitet in der mittleren Steinzeit (8000 v.Chr.). Schmelzen ab

6000 v.Chr., Verhütten aus sulfidischen und anderen Erzen um 2000

v.Chr. (u.a. in Zypern). Kupferbergbau in Tirol und Salzburg um 1500

v.Chr.

- Gold Als gediegen vorgefundenes Metall bereits in der mittleren und

jüngeren Steinzeit (8000 – 6000 V.Chr). Später auch in

Kulturen außerhalb Europas (Mittelamerika)

- Bronze Im vorderen Orient ab 3000 v.Chr. „Bronzezeit“, in Mitteleuropa ca.

1800 bis 700 v.Chr. In Griechenland 500 n.Chr. Erneutes Aufblühen in

Mitteleuropa um 1000 bis 1200 n.Chr. (Aachener und Hildesheimer

Domportale, Braunschweiger Löwe)



- Eisen Erfindung durch Hethiter 1400 bis 1200 v. Chr „Eisenzeit“ in Europa

folgt Bronzezeit nach 1000 v.Chr.: Brennöfen erzeugen

kohlenstoffarmes, schmiedbares Eisen ohne Erreichen des flüssigen

Zustandes – bis ins 13. Jh.

Ab 14. Jh. Schmelzen und Gießen von Eisen

Ab 16. Jh. Hochofen – Prozess

Ab 18. Jh. Stahlherstellung durch Frischen

Ab 20. Jh. legierte Stähle, Verfahrensoptimierung

- Glas Hohlglas für Gefäße im vorderen Orient ab 2000 v.Chr., in Europa

erste Hochblüte zur Römerzeit (Produktionsstätten in Gallien und im

Rheinland). Kunstglas in Venedig 13. bis 15. Jh., in Böhmen

(Bleikristall) im 17. Jh., Fensterglas für Sakralbauten 11. Jh. (z.B.

Chartres, 12. Jh.), für Profanbauten erst 15 Jh.

- Porzellan In China ab 7. Jh., in Europa ab 1710 (Meißen)

- Aluminium Industriell ab 1889 (Neuhausen / Schweiz)

- Hochpolymere Kautschuk – Vulkanisierung 1839. Veredelte Cellulose („Clelluloid“)

1900. Industrielle Produktion vollsynthetischer Kunststoffe ab 1930


1930 Aluminiumlegierungen

1935 austenitischer chem. beständiger Stahl

1940 organische Kunststoffe

1960 Titanlegierungen

1965 mikrolegierte Baustähle

b) durch quantitative Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse:

1955 Halbleiter

1960 Reaktorwerkstoffe

1965 faserverstärkte Werkstoffe

1975 Formgedächtnislegierungen

1980 metallische Gläser

2000 Intermetalle

... Nanomaterialien...

Neuere Werkstoffentwicklungen:

a) durch qualitative Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse:


Heutiger Stand:

Ein Werkstoff kann auf bestimmte Funktionen spezifisch ausgerichtet

(maßgeschneidert) werden.

Nicht nur Konstruieren mit Werkstoffen, sondern auch

Konstruieren am Werkstoff !

Voraussetzung:

Kenntnis des Zusammenhanges von Werkstoffaufbau und den Vorgängen im

Werkstoff einerseits und den Werkstoffeigenschaften andererseits

mikroskopische Eigenschaften makroskopische Eigenschaften


Weltproduktion verschiedener Werkstoffe (Zahlen von 2005 in Millionen

Tonnen, Mt)

Rohstahl 1060 Aluminium 32

Kupfer 17 Zink 11

Blei 8 Beton 2200

Kunststoffe 50 Holz 1300

2. Werkstoffe im Stoffkreislauf:

Von 1945 bis 1973 erfolgte ein kräftiger Anstieg, ab 1973 nur noch ein leichter

Anstieg, da

- gesteigertes Bewußtsein der Notwendigkeit Rohstoffe sparsam einzusetzen

- Marktsättigung (z.B. KFZ)

- technischer Fortschritt, mit weniger mehr zu erreichen

- Recycling (z.B. 46% bei Eisen, 51% bei Blei und 37% bei Kupfer)

Zur Zeit starker erneuter Anstieg durch Industrialisierung von China und Indien.


Element Mas.% Mt (bis 3,5km)

Mas.% Anreicherung

Si 28 5 × 1012 -

Al 8 12 × 1011 25

Fe 4,6 7 × 1010 25

Ti 0,5 7 × 109 10

C 0,2 2 × 109 35

Ni 0,006 9 × 107 1,5

Vorrat in der Erdkruste:

Insgesamt:

Noch nehmen die bekannten Vorräte (z.B. durch geologische Prospektion

und verbesserte Technologien) stärker zu, als sie durch den Abbau

verbraucht werden! ..


Energieverbrauch zur Erzeugung von Werkstoffen

(in MWh/t):

*als elektrische Energie

Stahl 13 Kupfer 20

Aluminium 16* Kunststoffe 20...30

Titan 40* Beton 0,5



3. Werkstoffgruppen



Einteilung nach den charakteristischen Eigenschaften =

vier Hauptgruppen und vier Zwischengruppen

Silikone

Halbeiter

Supraleiter Leitfähige Polymere

P

M

V

K



Metalle: gute elektrische Leitfähigkeit, Reflexion von Licht, chemisch meist wenig

beständig, plastisch verformbar,...

gebräuchliche Untergruppen:

- Eisenmetalle - Nichteisenmetalle

- Edelmetalle (Ag, Au, Pt, Ir)

- Leichtmetalle (Dichte < 4,5 g/cm3)

- Hochschmelzende Metalle (Refraktäre, Tm > 2400 °C,

Nb, Mo, Ta, W)

- Übergangsmetalle (unvollständige innere Elektronen-

Schalen)

meist Legierungen: Fe + C, Cu + Zn (Messing), ...

Keramische Stoffe: (besser: anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe) schlechte

Leitfähigkeit, spröde, chemisch beständig, hochschmelzend

Beispiele: Oxide: Al2O3, ZrO2; Karbide: SiC; Nitride Si3N4; Gläser (SiO2)

Polymere: Kunststoffe sind schlechte elektrische Leiter, tieftemperaturspröde,

chemisch beständig, nicht temperaturbeständig

Beispiele: PE, PVC, PMMA, Gummi



Verbundwerkstoffe: Kombination von mindestens zwei Werkstoffen mit

unterschiedlichen Eigenschaften. Daraus resultieren neue (verbesserte)

Eigenschaften.

Beispiele: GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff), MMC (metal matrix

composite: z.B. Keramikfasern in Al-Legierungen), aber auch Holz,

Beton, …

Weitere wichtige Werkstoffgruppen:

Halbleiter (anorganisch): halbleitend, elektrische Leitfähigkeit nimmt mit der

Temperatur stark zu

Beispiele: Si, Ge, Se, Te (+Dotierstoffe), III-V-Halbleiter: GaAs, InSb

Supraleiter (keramisch): zeigen keinen elektrischen Widerstand unterhalb

einer (möglichst hohen) Temperatur

Silikone: als Öl, Fett, Harz oder Gummi herstellbar



Verringerung des

Gewichtsanteils von

Hauptmaterialien in

Automobilen

Beispiel

4. Werkstoffauswahl:



Welche Anforderung werden an den Werkstoff gestellt?

• Analyse des Belastungs- bzw. Beanspruchungsprofils

Anforderungsprofil

Wie wird ein anforderungsgerechter Werkstoff ausgewählt?

• Eigenschaft - Werkstoffprüfung

• Werkstoffauswahl

Ein Werkstoff lässt sich den Beanspruchungsbedingungen anpassen.

Dies ist z.B. bei Metallen großtechnisch möglich durch:

- legierungstechnische Maßnahmen (Das Periodensystem

enthält 80 Metalle. Die Kombination aus 40 Metallen ergibt 10²³

Möglichkeiten)

- Wärmebehandlung

- Kalt- oder Warmverformung

- kombinierte Behandlungsverfahren

Beispiel: Eisen (rein) hat eine Festigkeit von 10 N/mm2, durch Legieren mit

Kohlenstoff erreicht man Werte von 2000 N/mm2.

Beanspruchungsgerechte Werkstoffauswahl:



Durch solche Maßnahmen ergibt sich ein Eigenschaftsprofil, welches

idealerweise mit dem Anforderungsprofil vollständig übereinstimmt.

Beispiel: Düsentriebwerk

Beanspruchungen:

o hohe Temperaturen

o Fliehkräfte ( Kriechen)

o Reibbeanspruchung

o Überlasten

o Schlagbeanspruchung (Zähigkeit)

o Wechselbeanspruchung (Ermüdung)

o korrosive Umgebung (Hochtemperaturkorrosion)

o starke Temperaturänderungen (Thermoschockbeständigkeit)





Oft ist das Anforderungsprofil so vielfältig, dass es von einem homogenen

Werkstoff nicht erfüllt werden kann.

Lösungen können dann gefunden werden durch:

- Oberflächenbehandlung (höhere Verschleiß- und/oder

Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche)

- Werkstoffverbunde

Beispiel: Auslassventil eines PKW-Motors. Schaft aus Vergütungsstahl und

Teller aus Hochtemperatur-legierung (verbunden durch Reib-schweißen)



DLC / TiC / TiN, graphitic i-C, TiAlN, MoST, etc

Beispiel: Werkzeugbeschichtung

Patinor

Patinor DryCoat Inc



a) duktiler Werkstoff b) hochfester Werkstoff

Beispiel: Vergrößerung des Übertragungsdrehmoments einer Welle

Verwendung eines Werkstoffes mit höherer Festigkeit zur Vermeidung von

Veränderungen in der Konstruktion kann aufgrund der höheren

Kerbempfindlichkeit zu Rissen und zum Bauteilversagen führen!

Neben den Gebrauchseigenschaften sind

immer auch die

fertigungstechnischen Eigenschaften

wirtschaftlichen Eigenschaften

Recyclingfähigkeit

entscheidend

Fließen

Des Werkstoffs Anrisse

Kurbelwelle für

Verbrennungsmotoren:

-Reibungs- und

Verschleißreduzierung

höhere Beschleunigung

Vorsicht: Komplexität des Anforderungsprofils!



Materialwissenschaften: Zusammenhang zwischen Struktur und

Eigenschaften von Werkstoffen

Werkstofftechnik: Design oder Entwicklung der Struktur eines Werkstoffes

um in der Herstellung ein Vorgehensschema von Eigenschaften zu

ermöglichen.

Die Eigenschaften hängen von der Struktur ab. Beispiel: Härte von Stahl;

Nanostrukturierte Materialien

Die Herstellungsbedingungen beeinflussen die Struktur. Beispiel: Kühlrate

von Stahl, Bildung von Martensit

5. Materialwissenschaften und Werkstofftechnik

(Materials Science and Engineering)



Gefüge von Aluminium:

Erkennbar sind die verschiedenen Körner und die zwischen den Körnern

vorliegenden Korngrenzen.


Die ersten bedeutenden Ergebnisse wird die Nanotechnologie wohl im Bereich

der Werkstoffe liefern.

In der Nanotechnologie werden Strukturen und Materialien nachgebaut, wie es

das Leben selbst tut: Atom für Atom. Nano ist dabei die Dimension, die ein Atom

hat. Ein Nano ist ein Milliardstel Meter, ungefähr 2.000mal dünner als ein Haar.

Nanomaterialien - Das Material der Zukunft



o Subatomar: Die Wechselwirkungen der Elektronen mit den Atomkernen (Atomstruktur);

o Atomar: Die Anornung von Atomen oder Molekülen im Gitter

(Kristallstruktur); o Mikroskopisch: Beinhaltet große Atomgruppen, die normalerweise

zusammengeballt sind (Kornstruktur). Untersuchung mittels Mikroskop;

o Makroskopisch: Strukturelemente, die mit bloßem Auge sichtbar sind.

“Struktur”

--- Anordnung der inneren Komponenten



o Atombindung <10-10 m

o Fehlende/Zusätzliche Atome 10-10 m

o Kristalle (geordnete Atome) 10-8 -10-1 m

o Zweiphasenpartikel 10-8 -10-4 m

o Kristalltextur >10-6 m

“Strukturdimensionen”

Werkstoffe sind keine Black-Box,

sondern technisch konstruierte Strukturen.



z.B. Eine spezifische Behandlung bedingt eine Materialveränderung. Eine

polierte Metalloberfläche wird Licht reflektieren

“Eigenschaften” ---- die Beantwortung einer spezifischen Anregung

--- Deformationsrate in Anwendung einer Ladung oder

Kraft; z.B. Elastizitätsmodul und Härte

--- Anregung durch elektrische Feld; z.B. elektische

Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante

--- Reaktion auf die Anwendung thermischer Energie;

z.B. Wärmekapazität und Wärmeleitung

--- Verhalten nach Anlegen eines magnetischen Feldes;

z.B. Magnetisierung und Ferromagnetismus

--- Anregung durch elektromagnetische oder optische

Strahlung; z.B. Brechungsindex und Reflexionsgrad

--- chemische Reaktivität von Materialien.

(1) Mechanisch:

(2) Elektrisch:

(3) Thermisch:

(4) Magnetisch:

(5) Optisch:

(6) Aktivität:



Werkstofftechnik: Herstellung Struktur Eigenschaften Funktion

“Herstellung und Funktion”

Beispiel: Aluminiumoxid

o transparent ein Einkristall (sehr

perfekt)

o lichtdurchlässig eine Anzahl

kleiner Einkristalle, alle

miteinander verbunden.

o Opak kleine, lose Einkristalle,

und eine grosse Anzahl kleiner

Poren oder Leerstellen

Maschinenbau: Design Produktion Verwendung von Werkstoffen

Optische Übertragungseigenschaften

o Unterschiedliche Herstellungstechniken unterschiedliche Strukturen

Unterschiedliche Eigenschaften.



o Benutzung des richtigen Werkstoffes für den Verwendungszweck;

o Verstehen der Zusammenhänge zwischen Eigenschaften, Struktur und

Herstellung;

o Erkennen neu entwickelter Eigenschaften, die sich durch eine

Werkstoffauswahl erzielen lassen.

Zusammenfassung

Date post:	20-Aug-2019
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