Zusammenfassung VO Werkstoffkunde WS 14/15 Uni Nürnberg, Zusammenfassungen von Werkstoffkunde

Nur auf Docsity: Lade Zusammenfassung VO Werkstoffkunde WS 14/15 Uni Nürnberg und mehr Zusammenfassungen als PDF für Werkstoffkunde herunter! 1 Werkstoffkunde Zusammenfassung Werkstoffgruppen: Metalle, Halbleiter, nichtmetallische, anorganische Stoffe (Glas, Keramiken), Hochpolymere ( Kunststoffe), Naturstoffe Innerer Aufbau: Die Atome, Moleküle sind in zwei Gruppen zu unterteilen, amorphe (Nahordnung) und kristalline (Fernordnung) Struktur, die wiederum besitzen eine Ideal und Realstruktur Bei der kristallinen Struktur gibt es vier wichtige Kristallstrukturen: krz, kfz, hexagonal, tetraeder Gitterfehler von Realstrukturen: Fremdatome, Leerstellen, Clusterbildungen, Ausscheidungen, Versetzungen Mechanische Eigenschaften: Elastisches Verhalten : -spontan, vollständig reversible, proportional • Hookesches Gesetz : Sigma/Spannung= Elastizitätsmodul x Dehnung Spannungs- Dehnungsdiagramm: • Es gibt drei verschiedene Diagramme: mit ausgeprägter Streckgrenze (zähe WS), mit eingetragener Streckgrenze von 0,2% Dehnung (hochfeste WS), und ohne Streckgrenze (spröde WS) ( Diagramme zeichnen können!) • Plastische Verformung: WS kann nach Dehnung nicht in Ursprungszustand zurückkehren; irreversibel. • Versuch: Zugversuch: Verfahren der WS-Prüfung zur Bestimmung der Streckgrenzen, Bruchdehnung, Festigkeit. Formel: Nennspannung/Sigma n = Kraft/ querschnittsfläche undeformierter Probe S0 und Totaldehnung Epsilon T= Längenänderung/ Messtrecke Plastische Verformung von Kristallen ( Moleküle mit kristalliner Struktur) Versetzungen: Entstehen bei Kristallwachstum Durch eigene Spannungnen im Kristall Bei plastischer Verformung ( Versetzungen= Grundlage) Werkstoffkunde Zusammenfassung 2 Burgersvektor: -beschreibt die Richtung der Versetzungen, -kann nicht im inneren eines Kristalls enden, -die Richtung der Versetzungen sind durch die Kristallstruktur des Metalls bestimmt, -sein Betrag ist die Entfernung zwischen zwei Atomen Die Versetzungsverschiebung benötigt viel weniger Energie als das starre Abgleiten. Durch verschiedene Härtungsmechanismen kann die Versetzungsbewegung behindert werden: Waldversetzungen, Versetzungshärtung, Mischkristallhärtung, Ausscheidungen, Dispersionshärtung, Feinkornhärtung. Versetzungshärtung: je höher die Versetzungshärtung, desto höher die Scherspannung • Formel: Scherspannung Theta= alpha x Gb x Wurzel p/ Versetzungsdichte Mischkristallhärtung: Festigkeit ist proportional zur Fremdatomkonzentration • Formel: alpha x F hoch3/2 x C klein FA hoch q Feinkornhärtung: je größer das Korn, desto geringer die Festigkeit, da der Druck geringer ist • Formel: Theta/ Festigkeit= Theta 0 + alpha x 1/Wurzel dg ( Korngröße) Ausscheidungs,- Dispersionshärtung: Geschwindigkeit der Ausscheidungen sind temperaturabhängig. Beider Ausscheidungshärtung wird der WS solange erwärmt, bis sich die nötigen Elemente zur Ausscheidung in Lösung befinden ( eutektische Temperatur darf dabei nicht überschritten werden). → Durch Abschrecken kann die Diffusion grober Teilchen verhindert werden, sodass der Mischkristall im einphasigen, übergesättigten Zustand bleibt. Danach kann durch sogenanntes „Anlassen“ (Wärmebehandlung) eine Diffusion nachgeholt werden→ einphasiger, übergesättigter Kristall wandelt sich in zweiphasiogen Legierung um → Erhöhung der Festikeit des Werkstoffes. Härteprüfeverfahren: Um einen Werkstoff auf seine Härte zu testen, gibt es drei verschiedene Prüfungsverfahren: Brinelli, Vickers, und Rockwellverfahren. Brinelli: Beim Brinelli Verfahren wird eine Metallkugel in den WS eingedrückt. Die Eindruckoberfläche wird gemessen. ( z.B. 350 HBW 10/3000 Bedeutung: Härte nach Brinelli mit W=Metallkugel, Kugeldurchmesser D=10 und F=3000*9,81) Vickers: Bei Vickersverfahren wird eine Diamantenpyramide in den WS gedrückt. Diagonaldurchmessers des Eindruck (Oberfläche des Eindrucks) wird dabei Werkstoffkunde Zusammenfassung 5 Ferrit: Eisen, alpha Eisen (krz) und sigma Eisen (krz) Austenit: gamma Eisen (kfz) Perlit: Phasengemisch aus Ferrit und Zementit Eutektoider Punkt: 723 Grad und 0,83 % C ; eutektoidisches Perlit entsteht durch lokaler Verarmung an C→ Nachbargebiet gewinnt an C Fe3C: Zementit, komplizierte Gitterstruktur Metallische Werkstoffe: Stahl: günstig, gute Schweißbarkeit, jedoch schwer und temperaturbeständig/hohe TS Wichtige Stahllegierungen: S235 (allgemeiner Baustahl;235 MPa), 42CrMo4 (Vergütungsstahl;900MPa), X5CrNi18-10 (nichtrostender Stahl;250 MPa), GJS-600 (Gusseisen mit Kugelgraphit;380 MPa) Defeniton von Stahl und Gusseisen: Stahl lässt sich gut umformen; mit Kohlenstoffkonzentration kleiner 2%. Gusseisen lässt sich gut gießen, mit Kohlenstoffkonzentration größer 2%. Werkstoffkunde Zusammenfassung 6 Stahlerzeugung: zwei Verfahren: Blasstahlverfahren(Sauerstoffblasverfahren) 70% weltweit und Elektrostahlverfahren 30% weltweit eingesetzt. Sauerstoffblasverfahren: Flüssiges Eisen (Erz Koks, evtl. eine kleine Menge Schrott) aus dem Hochofen wird in ein feuerfestes, ausgekleidetes Gefäß gegeben (Konverter). Auf dem flüssigen Roheisen schwimmt eine flüssige Schlackenschicht→Sauerstoff wird mithilfe einer Sauerstofflanze in und auf das flüssige Eisen geblasen. Dieser Sauerstoff löst sich in der Schmelze, reagiert mit den Kohlenstoff und vielen anderen Elementen zu Oxiden. Diese Oxide steigen aufgrund ihrer niedrigen Dichte nach oben, und werden in der Schlackenschicht gelöst. Dadurch entsteht nach ca. 20 min reines Eisen. Elektrostahlverfahren: dient zum Teil zur Verarbeitung von Schrott, oder festem Roheisen. Bei diesem Verfahren wird der Schrott/Roheisen ebenfalls in ein feuerfestes Gefäß gegeben. Zwischen einer Grafitelektrode und dem Schrott lässt man riesige Lichtbögen brennen, die den Schrott aufschmelzen. Die dabei entstehenden Zuschläge bilden eine flüssige Schlackenschicht, die über dem Roheisen schwimmt. Die unerwünschten Elemente werden auch mithilfe von Sauerstoff entfernt ( durch Blasen). Werkstoffkunde Zusammenfassung 7 Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild ( ZTU) :Darstellung der Gefügeentwicklung bei unterschiedlicher Temperatur und Zeit Randschichthärten von Stahl: Oberflächenhärtung, jedoch hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit nicht möglich. Drei verschiedene Härtungsmechanismen beim selektiven Erwärmen: Flammhärten: Erhitzen durch Brennflammen auf Härtetemperatur→ Abschrecken. Form von Brenner und Brause an Werkstoff angepasst. Induktionshärten: WS wird kurze Zeit einem wechseldem Magnetfeld ausgesetzt → Erhitzung (je höher die Frequenz, desto niedriger die Schnitttiefe)→ Abschrecken Laserstahlhärten: punktförmige Erhitzung einer zu härtenden Oberfläche auf Austenittemperatur→ Selbstabschreckung aufgrund sehr schneller Erwärmung Einsatzhärten durch thermochemische Behandlung: Randschicht eines Bauteils wird zuerst aufgekohlt, und danach abgeschreckt→ Härtung Nitrieren: Sättigung der Randschicht mit Stickstoff. Glühen in Stickstoffabgegebendem Mittel bei 500 Grad. Geringe Diffussionstiefe,höhere Härte Werkstoffkunde Zusammenfassung 10 Verbundwekstoffe: WS aus zwei oder mehreren Materialen, besitzen zusammen andere Eigenschaften als einzeln Sprödeverhalten: - Kovalente ionische Bindungen - Niedriger E-Modul → SPrödeverhalten und Fehlerempfindlichkeit ist hoch Festigkeit: - Je weniger Fehler, desto fester der WS - Griffith Riss: Rissfortschritt, wenn freiwerdende elastische Verzerrungsenergie größer ist als die Bindung der Bruchflächen benötigte Oberflächenenergie. ( We >W0) Weinbull-Statistik: Auswertung der Festigkeig; d.h. Je größer Volumen, desto Wahrscheinlicher, dass Fehler im WS existiert. Steigerung der mechanischen Festigkeit: - Durch Rissverkleinerung; Vermeidung von Poren, bessere Brenntechnik - Erhöhung der Bruchzähigkeit - Einbringen von Druckvorspannungen Glasstruktur: - Struktur wie bei Flüssigkeiten, bei Raumtemperatur viskos, wie bei Festkörpern - Drei Hauptgruppen von Gläsern: anorganische Gläser, metallische Gläser und amorphe Gläser. Glasbildung erfolgt durch schnelles abkühlen/Abschrecken der Struktur, um Kristallisation zu vermeiden→ amorphe Struktur Netzwerkhypothese: - Atom X wird von 2-4 O-Atomen umgeben→ Polyeder - Polyeder nur an den Ecken verbunden - Glasbildende Oxide→ Netzwerkbildner (SiO2, P2O5) - Durch den Einbau von Netzwerkwandlern ( Na2O,CaO) wird der Vernetzungsgrad herabgesetzt→ Schmelztemperatur sinkt. - Bsp. Quartzglas ( SiO2 → Ts = 2200); Fensterglas (SiO2 + Na2O → Ts = 1600) Eigenschaften von Gläsern: Werkstoffkunde Zusammenfassung 11 - Viskosität: thermischer Ausdehnungskooeffizient teilt die Gläser in hart und weich ein. Er wird verwendet, um Spannungen zu erzeugen. Besserer Korressionsschutz durch Glasur. Mechanische Eigenschaften: - Festigkeit stark abhängig von Oberflächenbeschaffenheit und Defekten - Abhängig von Glasstruktur (Trennstellen, Verzweigungen) - Festigkeit erhöhen durch: Feuerpolitur, Aufbau von Druckspannung Optische Eigenschaften: - Brechungsindex, Absorption Kristallisation: durch Zugabe von WS mit hohem Ts: TiO2→Erhöhung der Plastizität Glasfasern: Stufenindexfasern nd Gradientfasern, hergestellt durch CVD und anschließend Stabziehverfahren. Verwendung von hochreinem SiO2 Keramik: Al, Mg + Oxide, Silicide, Nitride, Karbide - Ionische Bindungen → hohe Ts - Verfahren: Pulversitern und zusätzlich heißgepresst, um Dichte zu erhöhen - Kristalline Struktur mit richtungsabhängigen Eigenschaften - Temperatur- und Druckwirkungen verändern Struktur, was wichtig für die Verbesserung mechanischer Eigenschaften ist. - Mechanische und chemische Eigenschaften abhängig vom Gefügeaufbau - Nach Sintern darf der WS nur noch mit Diamantenwerkzeug bearbeitet werden→ teuer, deshalb versuchen, Bearbeitung nach Formgebung und nach Vorbrand - Selbst bei hochreinen WS bilden sich an den Korngrenzen Glasphasen, die Rissbildung verursachen - Eigenschaften: hoher Ts, gute Kriechbestandigkeit, Festikeit, jedoch Bruch nicht vorhersehbar, da langsames voranschreiten des Risses → Katastrophalbruch - Einphasige Keramiken Korressionsbeständiger als glasphasenhaltige Keramiken Anwendung von Keramiken: Turbinenbauteile, Motorenbauteile, Verschleißteile aufrrung von guten mechanischen Eigenschaften wie geringes Gewicht, Korressionsbeständig, hohe Verschleeißbeständigkeit Werkstoffkunde Zusammenfassung 12 Kunststoffe: bestehen aus langen Makromolekülketten - Können verschiedene Gestalten aufweisen: linear, verzweigt, verschlauft, vernetzt - Besitzen eine geringe Dichte - Geringe Festigkeit und geringes E-Modul, jedoch durch Faserverstärkung hoch - Geringe Temp-Beständigkeit - Schlecht leitfähig - Korressionsbeständig - Leichte Verarbeitung Polymer: makromolekülkette bestehend aus einzelnen Monomeren Polymerblends: Polymergemisch,- legierung, bestehend aus mehreren Polymeren - Copolymere/Heteropolymere: Polymer aus zwei verschiedenen oder mehreren Polymeren zusammengesetzt ( statische,propf,gradient,block) Voraussetzungen eines Polymers: - Aufeinander abgestimmte Ausgangsverträglichkeit - Stabile Blendmorphologie Eigenschaften eines Polymergemisches: -linear interpolierbar;d.h. eigenschaftsniedrigung,- erhöhung Faserverstärkte Verbundwerkstoffe: - Führen zu Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften - Drei Paradoxe: 1. Höhere Festigkeit, 2. Einspannung kleiner, 3. Verbundwerkstoff kann als ganzes Spannung aufnehmen→ stärker Herstellung von Kunststoffen: durch Polyreaktion (synthetische Reaktion von Monomeren in Polymeren) Zwei Wachstumsreaktionen: Kettenwachstumsreaktion, und Stufenwachstumsreaktion Kettenwachstumsreaktion: - Radikales Kettenwachstum: aktives Zentrum bei Startreaktion, wdh. Anlagerungen von Monomeren, Abbruchreaktion beendet Wachstum durch Disproportionierungsreaktion - Anionische und kationisches Kettenwachstum: