Inhalt. Vorlesung Werkstoffe des Leichtbaus I. 0. Einführung in den Leichtbau

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1 Inhalt Vorlesung Werkstoffe des Leichtbaus I 0. Einführung in den Leichtbau 1. Leichtbau im Überblick 2. Konstruktion und Gestaltung von Leichtbaustrukturen 3. Beanspruchung und Auslegung von Leichtbaustrukturen 5. Metallische Leichtbauwerkstoffe 6. Stähle Vorlesung Werkstoffe des Leichtbaus I 1

2 Leichtbau als interdisziplinäre Ingenieurwissenschaft Konstruktionslehre Festigkeitslehre Leichtbau Fertigungstechnik 1 mm m 2

3 Bindungsarten Metallische Bindung: Äußere Elektronen sind zwischen den Atomrümpfen frei beweglich und halten den Kristall zusammen z.b. Kristalle aus Fe, Al, Ti, Mg, Kovalente Bindung Kovalente Bindung: Bei Reaktion teilen sich die Bindungspartner die an der Bindung beteiligten Elektronen (Elektronenpaarbindung) Stark gerichtete Hauptvalenzbindung z.b. Diamant, Graphit und Moleküle wie Cl2, H2, CO2, C2H4 Metallische Bindung Ionische Bindung Ionische Bindung: Sekundäre Bindung Bei Reaktion eines Metalls mit einem Nichtmetall werden Elektronen vom Metall auf das Nichtmetall übertragen (Kation bzw. Anion) Elektrostatische Bindung z.b. Kristalle aus NaCl, FeO, Al2O3, Sekundäre Bindungen: Schwache intermolekulare Bindungen wie Dipol- Dipol-Bindungen (VAN DER WALS Bindungen) und Wasserstoffbrücken 3

4 Werkstoffkategorien Metallische Werkstoffe: I.d.R. weniger starke Bindung wie die kovalente oder die ionische Wegen frei beweglichen Elektronen hohe elektr. Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit Wegen der ungerichteten Bindung bilden sich dichte Atompackungen in der Kristallstruktur aus Hohe Duktilität durch Abgleiten der dichtest gepackten Ebenen ohne Änderung des Bindungszustandes Metallische Bindung Kovalente Bindung Metalle Keramische Werkstoffe: Polymere Keramiken Ionische Bindung Polymere: Starke kovalente Bindungen der Makromoleküle in Kettenrichtung (starke Anisotropie der Festigkeit) Zwischen den Molekülketten wirken 1 bis 2 Zehnerpotenzen schwächere Dipol- Bindungen (Nebenvalenzkräfte) Dipolkräfte sind entfernungs- und temperaturabhängig Daher geringer E-Modul, geringe Warmfestigkeit, hohe Tieftemperatursprödigkeit Ungeordnet verknäulte Molekülketten mit niedriger bzw. regelmäßige angeordnete Molekülketten mit hoher Dipolbindungsdichte Gute chemische Beständigkeit, elektrische und thermische Isolationseigenschaften Sekundäre Bindung Mischform aus kovalenter und ionischer Bindung Bindung mit starken Bindungskräften, die sich ausdrücken in hohem E-Modul, hoher Härte, hohem Schmelzpunkt, hoher chem. Resistenz Wegen der Abhängigkeit der Bindungsstabilität von der atomaren Geometrie (Ausrichtung, Atomabstand) sind Keramiken sehr spröde ( 4

5 Technische Werkstoffe Leichtbauwerkstoffe Metalle und Legierungen Metalle und Legierungen Eisen und Stahl Aluminium und Aluminiumlegierungen Titan und Titanlegierungen Magnesium und Magnesiumlegierungen Polymere Thermoplaste (z.b. PE, PP, PEEK**) Duromere (z.b. Epoxidharze) Elastomere (z.b. Gummi) z.b. Stahlcord verstärkte Reifen Polymere Hybride Werkstoffe* zb z.b. Stahlbeton Keramiken und Gläser z.b. CFK, GFK, Faserkeramiken Keramiken Silikate (Me[Si x O y ]) Oxide (z.b. Al-, Ti-, Mg-Oxide) Nichtoxide (z.b. Carbide, Nitride, Boride) **Poly-Ether-Ether-Keton *Verbundwerkstoffe, Werkstoffverbunde und Multimaterialsysteme (Quelle: Ashby, Engineering Materials 1) 5

6 Leichtbauwerkstoffe Bedeutsamkeit für technische Anwendungen Verarbeitete Masse Verarbeitetes Volumen Wertschöpfung (Quelle: Degischer, Lüftl: 6

7 Technische Werkstoffe Leichtbauwerkstoffe 3. Hybride Werkstoffe* Verbundwerkstoffe (z.b. CFK, GFK, MMC) Werkstoffverbunde Multimaterialsysteme 1. Metalle und Legierungen Metalle und Legierungen Eisen und Stahl Aluminium und Aluminiumlegierungen* Titan und Titanlegierungen* Magnesium und Magnesiumlegierungen* 2. Polymere* Thermoplaste (z.b. PE, PP, PEEK) Duromere (z.b. Epoxidharze) Elastomere (z.b. Gummi) Polymere Hybride Werkstoffe Keramiken und Gläser Keramiken Silikate (Me[Si x O y ]) Oxide (z.b. Al-, Ti-, Mg-Oxide) Nichtoxide (z.b. Carbide, Nitride, Boride) *Vorlesung Werkstoffe des Leichtbaus II (Quelle: Ashby, Engineering Materials 1) 7

8 Literaturhinweise: Michael F. Ashby, David R H Jones: Engineering g Materials 1. Butterworth-Heinemann Verlag, 2005 H.-P. Degischer, S. Lüftl: Leichtbau, WILEY-VCH Verlag,