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
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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:
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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:
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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!
- ……
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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
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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)
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- 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
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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:
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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
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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.
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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! ..
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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
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3. Werkstoffgruppen
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Einteilung nach den charakteristischen Eigenschaften =
vier Hauptgruppen und vier Zwischengruppen
Silikone
Halbeiter
Supraleiter Leitfähige Polymere
P
M
V
K
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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
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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
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Verringerung des
Gewichtsanteils von
Hauptmaterialien in
Automobilen
Beispiel
4. Werkstoffauswahl:
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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:
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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)
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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)
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DLC / TiC / TiN, graphitic i-C, TiAlN, MoST, etc
Beispiel: Werkzeugbeschichtung
Patinor
Patinor DryCoat Inc
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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!
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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)
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Gefüge von Aluminium:
Erkennbar sind die verschiedenen Körner und die zwischen den Körnern
vorliegenden Korngrenzen.
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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
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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
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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.
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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:
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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.
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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