Werkstoffkunde I WS 05 06 Episode 1 pot

Werkstoffkunde I Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach - Aufbau und Einteilung der Werkstoffe - Metallische Werkstoffe - Werkstof fprüfung - Korrosion - Stahl und Sta hlherstellung Inhaltsverzeichnis, Werkstoffkunde I Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Universität Hannover Seite 1 Aufbau und Einteilung der Werkstoffe 1.1 Einführung in die Werkstoffkunde 1 1.2 Werkstoffarten 4 1.3 Werkstoffauswahl und werkstoffgerechte Konstruktion 7 1.4 Aufbau der Atome 13 1.5 Bindungsarten der festen Stoffe 22 2 Metallische Werkstoffe 2.1 Elementarzellen, Gitterstrukturen 26 2.2 Millersche Indizes 43 2.3 Gitterstörungen 47 2.4 Diffusion 61 2.4.1 Diffusionsmechanismen 65 2.5 Mechanische Eigenschaften der Metalle 68 2.5.1 Elastische und plastische Verformung 68 2.5.2 Gleitsysteme 75 2.5.3 Verfestigungsmechanismen 78 2.6 Texturen 79 2.6.1 Texturarten 80 2.6.2 Darstellung von Texturen (Polfiguren) 83 2.7 Phasenlehre 90 2.7.1 Gibbs´sche Phasenregel 91 2.7.2 Legierungen 93 2.7.3 Gefüge 95 2.8 Grundlagen der Zustandsdiagramme 99 2.8.1 Grundtypen 99 2.8.2 Aufstellung der Zustandsdiagramme 100 2.9 Grundlagen der Erstarrung 113 2.9.1 Grundlagen und Begriffe 113 2.9.2 Phasenübergänge 116 2.9.3 Erstarrung von Metallen 118 2.9.4 Gerichtete Erstarrung 124 2.9.5 Erstarrung von Legierungen 126 2.9.6 Erstarrungsfehler 130 2.9.7 Umwandlung im festen Zustand 133 2.9.8 Glasmetalle / Amorphe Metalle 140 2.9.8.1 Definition 140 2.9.8.2 Anwendungen 142 Inhaltsverzeichnis, Werkstoffkunde I Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Universität Hannover 2.10 Eisen-Kohlenstoffdiagramm 146 2.10.1 Grundlagen und Begriffe 146 2.10.2 Zweistoffschaubild 147 2.10.3 Gefüge verschiedener Kohlenstoffgehalte 149 3 Werkstoffprüfung 3.2 Prüfung der mechanischen Eigenschaften 159 3.2.1 Zugversuch 159 3.2.2 Druckversuch 170 3.2.3 Härteprüfung 174 3.2.4 Kerbschlagbiegeversuch 184 3.3 Schwingende Belastung 192 3.3.1 Definitionen und Bezeichnungen 194 3.3.2 WÖHLER-Diagramm 198 3.3.4 Dauerfestigkeitsschaubilder 201 3.3.5 Einflussgrößen auf die Schwingfestigkeit 205 3.3.6 Betriebsfestigkeit 207 3.4 Zerstörungsfreie Prüfverfahren 209 3.4.1 Sichtprüfung 210 3.4.2 Elektromagnetische Prüfverfahren 213 3.4.3 Akustische Emissionsanalyse und Schwingungsanalyse 217 3.4.4 Ultraschallverfahren 220 3.4.5 Durchstrahlungsverfahren 224 3.4.5 Thermografie 228 4 Korrosion 4.1. Einleitung 231 4.2. Definitionen 231 4.3. Grundlagen 232 4.5 Korrosionsschutz 244 4.6 Korrosion als Werkzeug 248 5 Stahl 5.1 Stahlherstellung 252 5.2 Bezeichnungen Stahlwerkstoffe 263 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl 275 5.4 Moderne Feinbleche 293 1.1 Einführung in die Werkstoffkunde Seite 1 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Werkstoffkunde I Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Institut für Werkstoffkunde Schönebecker Allee 2, 30823 Garbsen www.iw.uni-hannover.de Vorlesung: Montag 11:15 Uhr – 12:45 Uhr im Audi Max Mittwoch 08:15 Uhr – 10:00 Uhr im Audi Max Auskunft: Dipl Ing. F. Nürnberger Sprechstunde: Nach Vereinbarung Tel: 762-4305 Umdruck: Werkstoffkunde I, Verkauf in der Vorlesung Organisatorisches Produktionstechnisches Zentrum Hannover Einführung in die Werkstoffkunde Werkstoffe haben Zeiträume bzw. Kulturepochen wie Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit geprägt. Werkstoffe haben Zeiträume bzw. Kulturepochen wie Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit geprägt. Steinzeit Bronzezeit Eisenzeit Prunkaxt Eisenklinge in Bronzekopf 1500 ca. v. Chr. Das lange Geschütz von Bidar (Indien), um ca. 1600, Länge 9 m 2 cm Kupfermuschel, ca. 6500 v. Chr. gediegenes / gehärtetes Kupfer, gediegenes Gold, Zinnbronze Arsenbronze Schmelzöfen / Stahl, Messing 2000 v. Chr. 0 4000 v. Chr. 6000 v. Chr. 2000 1.1 Einführung in die Werkstoffkunde Seite 2 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Einführung in die Werkstoffkunde Werkstoffe sind Teil der Materie, die in ihrem Aggregatzustand technologisch be- und verarbeitbar sind. Werkstoffe sind Teil der Materie, die in ihrem Aggregatzustand technologisch be- und verarbeitbar sind. Luftfahrtwerkstoffe Schiffsbau Fahrzeugbau Einführung in die Werkstoffkunde Zur Herstellung von Werkstoffen werden Maschinen und Anlagen eingesetzt. Zur Herstellung von Werkstoffen werden Maschinen und Anlagen eingesetzt. Hochofen Gießpfanne Walzstraße Strangguss Beispiel Stahlherstellung 1.1 Einführung in die Werkstoffkunde Seite 3 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Was ist Werkstoffkunde ? Werkstoffkunde ist die Erforschung von Werkstoffen und umfasst Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie. Werkstoffkunde ist die Erforschung von Werkstoffen und umfasst Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie.  Werkstoffwissenschaft – Beziehungen zwischen dem Aufbau der Materie (Chemie, Struktur) und – den technologischen Eigenschaften des Werkstoffs Aufbau Struktur Eigen- schaft S p a n n u n g Dehnung Was ist Werkstoffkunde ?  Werkstofftechnologie – baut auf den Erkenntnissen der Werkstoffwissenschaft auf. – berücksichtigt die Entwicklung neuer Werkstoffe sowie deren Formgebungs- und Fügeverfahren. – es erfolgt hierbei eine Abgrenzung: Herstellen Verarbeiten Bearbeiten. Herstel- lung Verarbei- tung Bearbei- tung 1.2 Werkstoffarten Seite 4 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Werkstoffarten Es werden drei Gruppen von technischen Werkstoffen unterschieden: Es werden drei Gruppen von technischen Werkstoffen unterschieden: Polymere (Kunststoffe) Keramiken Metalle Ansaugkrümmer Polyamid 6, Mercedes Benz Bauteile aus Hochleistungskeramiken Automobilbauteile aus Metall Werkstoffarten Verbundwerkstoffe verbinden – positive Eigenschaften der Einzelkomponenten – und führen zu neuen Eigenschaf- ten und Einsatzmöglichkeiten der Werkstoffe. Kombinationen der genannten Werkstoffgruppen werden als Verbundwerkstoffe bezeichnet. Kombinationen der genannten Werkstoffgruppen werden als Verbundwerkstoffe bezeichnet. Surfbrett aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen 1.2 Werkstoffarten Seite 5 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Werkstoffarten Weitere Beispiele für Verbundwerkstoffe Im Sportbereich z.B. – Hochsprung - Stäbe aus GFK (Glasfaserverstärkter Kunststoff) – Segelflugzeuge, – Sportboote, – Angelruten, – Schläger aller Art (Tennisschläger) Segelflugzeug aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen Werkstoffarten – geringere Massenkräfte – geringere thermische Ausdehnung – bessere Verschleiß- eigenschaften Faserverstärkte Aluminiumkolben für Dieselmotoren Werkstoff: AlSi12CuMgNi Verstärkte Bereiche: Brennraummulde, Mulderand Verstärkung: Al 2 O 3 – Kurzfasern Herstellverfahren: Squeeze-Casting (Gieß-Pressen) Brennraummulde Faserverstärkung Ringsitz aus auste- nitischem Gusseisen 1.2 Werkstoffarten Seite 6 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Werkstoffarten Das Airbus-Seitenleitwerk mit einer Länge von 8,30 m ist das größte CFK (Kohlenfaser- verstärkter Kunststoff) - Bauteil eines Flugzeugs. Vorteile sind die Gewichtsersparnis von ca. 20 % (d.h. weniger Treibstoffverbrauch) und die geringere Einzelteilanzahl (100 zu vorher Aluminium 2000 Teile!) ? Ersparnis von 50.000 € Betriebskosten pro Maschine pro Jahr. Endmontage des Airbus- Seitenleitwerks Montage des Airbus- Seitenleitwerks aus CFK Werkstoffarten weitere Werkstoffe weitere Werkstoffe Glaskeramiken Glasfasern amorphe Metalle leitende Polymere elektroviskose FlüssigkeitenAerogele [...]... Verhältnis der Dichte zu Festigkeit ist bestimmende Werkstoffeigenschaft in der Luftfahrt 18 00 Historische Entwicklung der Außenhauttemperatur der Flugkörper in Luft- und Raumfahrt – Werkstoff Aluminium ist potentieller Kandidat – Bei hohen Geschwindigkeiten (> Mach 3, 1 Mach = ca 340 m/s) erwärmt sich die Außenhaut der Flugzeuge auf über 300 °C – Bei diesen Bedingungen sind Aluminiumlegierungen nicht... Übereinkunft gibt es Süßes und Bitteres, Heißes und Kaltes, und nach allgemeiner Übereinkunft gibt es Ordnung In Wahrheit gibt es Atome und eine Leere.“ DEMOKRIT, 400 v Chr Demokrit 460 - 3 71 v Chr – Aufbau der Materie aus kleinsten, unter sich gleichen Teilchen, die unteilbar sind – Atome (griechisch: atomos = unteilbar) Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 1. 4... Konstruktion Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 1. 4 Aufbau der Atome Seite 13 Einführung 4 Strukturebenen der Materie: 10 -10 m (1 Å Ångström) – Atom(-hülle) 10 -9 m (1 nm Nanometer) – Bindungsstruktur zwischen den Atomen 10 -6 m (1 µm Mikrometer) – Mikrostruktur 10 -3 m (1 mm Millimeter) – Makrostruktur 10 0 m Atommodelle Atommodelle „Nach allgemeiner Übereinkunft... reflektiert Folgerungen aus dem Rutherford‘schen Streuversuch – Materie ist nicht dicht gepackt – die positiven Ladungen und die Masse sind in eng begrenzten Raumbereichen konzentriert – die negativen Ladungen sind im Raum verteilt – die Summe der positiven und negativen Ladungen ist jeweils gleich Atommodelle Rutherford‘sches Atommodell (19 11) – Elektronen umkreisen den Kern auf Kreisbahnen mit beliebigem... -1 0 1 0 -1 0 1 -2 -1 0 1 2 s Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 1. 4 Aufbau der Atome Seite 19 Periodensystem 1s H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P N Cl Ar 1s 2s 2p 3s 3p 3d Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p Periodensystem Periodensystem der Elemente (18 69) D Mendelejew 18 34 -19 07 J L Meyer 18 30 -18 95 – Zeilen... Normalbedingungen 96 im festen, 11 im gasförmigen und 2 im flüssigen Zustand vor Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 1. 4 Aufbau der Atome Seite 21 Periodensystem Bindungsarten der festen Stoffe – bisher: nur isolierte Atome betrachtet – jetzt: Atome üben aufeinander starke Wechselwirkungen aus (Ausnahme: Edelgase) vier wichtige Mechanismen der gegenseitigen... Thermische Verwertung Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 1. 3 Werkstoffauswahl und werkstoffgerechte Konstruktion Seite 12 Zusammenfassung Werkstoffe haben Zeiträume bzw Kulturepochen wie Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit geprägt Werkstoffe sind Teil der Materie, die in ihrem Aggregatzustand technologisch be- und verarbeitbar sind Werkstoffkunde ist... einsetzbar Temperatur [°C] 16 00 14 00 12 00 10 00 800 600 400 200 0 Doppeldecker 19 30 Kampfflugzeug des 2.Weltkriegs Abfangjäger 19 80 Space Shuttle "Orient Express" Entwicklungsschritte Lösung des Problems: Titanlegierungen weisen ausreichende Festigkeit bei relativ Lösung des Problems: Titanlegierungen weisen ausreichende Festigkeit bei relativ geringer Dichte und Warmfestigkeit (ca 400 °C) auf geringer... beeinflussen die Entscheidung, welche Werkstoffe in welcher Form zum Einsatz kommen – Metalle eignen sich hervorragend zum Recycling: Beispiel Stahl: Im Jahr 2000 wurden von der weltweiten Rohstahlproduktion von 790 Millionen Tonnen ca 360 Millionen Tonnen aus Schrott erschmolzen Beispiel Aluminium: Bei der Wiederverwendung von Gebrauchtaluminium lässt sich ein Großteil der Energie einsparen, die bei... Konstruktion ist die Wirtschaftlichkeit – Der Einsatz eines Werkstoffs kann trotz ausgezeichneter technischer Eigenschaften ausbleiben, wenn dieser unwirtschaftlich ist Weißblech ist kaltgewalztes Stahlblech: – Dicke von bis zu 0,49 mm – aufgebrachte Zinnschicht, 2g Sn (Zinn) m² – Dabei muß unterschieden werden zwischen Werkstoff- und Verarbeitungskosten – Die Entwicklung neuer Verarbeitungstechnologien . Belastung 19 2 3.3 .1 Definitionen und Bezeichnungen 19 4 3.3.2 WÖHLER-Diagramm 19 8 3.3.4 Dauerfestigkeitsschaubilder 2 01 3.3.5 Einflussgrößen auf die Schwingfestigkeit 205 3.3.6 Betriebsfestigkeit 207 3.4. Chr. 2000 1. 1 Einführung in die Werkstoffkunde Seite 2 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Einführung in die Werkstoffkunde Werkstoffe sind Teil. 263 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl 275 5.4 Moderne Feinbleche 293 1. 1 Einführung in die Werkstoffkunde Seite 1 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm