Wiederholung: Metalle. Verbund- Werkstoffe. Keramiken / Gläser Polymere. Materialwissenschaft: Wissenschaft der Skalen und Defekte.

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1 Wiederholung: Materialwissenschaft: Wissenschaft der Skalen und Defekte Werkstoffklassen: Metalle Verbund- Werkstoffe Keramiken / Gläser Polymere

2 1.2.3 Polymere Thermoplaste Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Polystyrol (PS, "Styropor") Polyvinylchlorid (PVC) Polytetrafluorethylen (PTFE, "Teflon") Polyacrylnitril (PAN, "Orlon", "Dralon") Polymethylmethacrylat (PMMA, "Plexiglas") Poly(hexamethylenadip)amid (PA, Nylon ) Poly (ethylenterephthalat) (PET) Anwendung: Verpackung, Rohre, Flaschen, Seile, Zahnräder, Formgussteile, Dichtungen, Lager, Textilfasern, Bodenbelag, Fensterrahmen, Schallplatten, Elektrotechnik Duromere Epoxidharz Polyester Phenol-Formaldehyd ("Bakelit") Anwendung: Lacke, Klebstoffe, Isolatoren, Fiberglas Elastomere Polyisopren (Naturkautschuk) Polybutadien (synthetischer Kautschuk) Polychloropren ("Neopren") Anwendung: Schalldämmung, Dichtungen, Erdbebensicherung,...

3 1.2.4 Verbundwerkstoffe Metall-Matrix Al + SiC-Fasern Al + C-Fasern Al - Kunststoff-Fasern Keramik-Matrix Stahlbeton, "artmetall" Keramik-Keramik-Verbunde z.b. WC + Co Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff (CFC), Keramik mit SiC-"Whiskers" oder Al 2 O 3 -Fasern Polymer-Matrix Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) "Fiberglas Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) Borfaserverstärkter Kunststoff (BFK) Aramidfaserverstärkter Kunststoff Metallfaserverstärkter Gummi z.b. Polyester + Glasfasern, Epoxidharz + Glasfasern, Nylon + C-Fasern Anwendungen: Luft- und Raumfahrt, Schiffe, Freizeitartikel,...

4 Zugversuch an einem polykristallinen, metallischen Bauteil σ=f/a 0 TS engineering stress ookesche Gerade Steigung = E-Modul E Typical response of a metal strain ε= l/l 0

5 Zugversuch an einem polykristallinen, metallischen Bauteil σ=f/a 0 Fließgrenze σ y Streckgrenze R p TS engineering stress ookesche Gerade Steigung = E-Modul E Typical response of a metal 0.2% strain ε= l/l 0

6 Zugversuch an einem polykristallinen, metallischen Bauteil σ=f/a 0 TS Zugfestigkeit σ TS Fließgrenze σ y Streckgrenze R p engineering stress ookesche Gerade Steigung = E-Modul E Typical response of a metal 0.2% strain ε= l/l 0

7 Zugversuch an einem polykristallinen, metallischen Bauteil σ=f/a 0 TS Zugfestigkeit σ TS Fließgrenze σ y Streckgrenze R p engineering stress ookesche Gerade Steigung = E-Modul E Typical response of a metal Bruch 0.2% Gleichmaßdehnung strain Bruchdehnung, Duktilität ε F Einschnürdehnung ε= l/l 0

8 Zugversuch an einem polykristallinen, metallischen Bauteil σ=f/a 0 TS Zugfestigkeit σ TS Fließgrenze σ y Streckgrenze R p engineering stress ookesche Gerade Steigung = E-Modul E Typical response of a metal Zähigkeit (Maß für Energieabsorption bis zum Versagen) Bruch 0.2% Gleichmaßdehnung strain Bruchdehnung, Duktilität ε F Einschnürdehnung ε= l/l 0

9 Steifigkeit / Festigkeit

10 Qualitativer Vergleich der Werkstoffklassen Zugfestigkeit ist erreicht in: Metallen wenn die Einschnürung beginnt Keramiken wenn Rissausbreitung beginnt Polymeren wenn die C-Ketten gestreckt werden und reißen

11 Qualitativer Vergleich der Werkstoffklassen Zugfestigkeit ist erreicht in: Metallen wenn die Einschnürung beginnt Keramiken wenn Rissausbreitung beginnt Polymeren wenn die C-Ketten gestreckt werden und reißen Zähigkeit Engineering tensile stress, σ Keramiken smaller toughness (ceramics) larg Metalle er toughness (metals, PMCs) smaller toughnessunreinforced polymers Polymere Engineering tensile strain, Zielkonflikt: fest, zäh Verbundwerkstoffe ε

12 Verbundwerkstoffe Metall-Matrix Metall-Matrix + Keramik~/Kunststofffasern Ziel: Keramik-Matrix Keramik-Matrix + Metallfasern Ziel: Polymer-Matrix Polymer-Matrix + Glas~/Keramikfasern Ziel: Engineering tensile stress, σ Keramiken smaller toughness (ceramics) larg Metalle er toughness (metals, PMCs) smaller toughnessunreinforced polymers Polymere Engineering tensile strain, Zielkonflikt: fest, zäh Verbundwerkstoffe ε

13 Verbundwerkstoffe Metall-Matrix Metall-Matrix + Keramik~/Kunststofffasern Ziel: steife Fasern E, σ y, σ TS erhöhen Keramik-Matrix Keramik-Matrix + Metallfasern Ziel: Polymer-Matrix Polymer-Matrix + Glas~/Keramikfasern Ziel: steife Fasern E, σ y, σ TS erhöhen Engineering tensile stress, σ Keramiken smaller toughness (ceramics) larg Metalle er toughness (metals, PMCs) smaller toughnessunreinforced polymers Polymere Engineering tensile strain, Zielkonflikt: fest, zäh Verbundwerkstoffe ε

14 Verbundwerkstoffe Metall-Matrix Metall-Matrix + Keramik~/Kunststofffasern Ziel: steife Fasern E, σ y, σ TS erhöhen Keramik-Matrix Keramik-Matrix + Metallfasern Ziel: duktile Fasern ε F erhöhen Polymer-Matrix Polymer-Matrix + Glas~/Keramikfasern Ziel: steife Fasern E, σ y, σ TS erhöhen Engineering tensile stress, σ Keramiken smaller toughness (ceramics) larg Metalle er toughness (metals, PMCs) smaller toughnessunreinforced polymers Polymere Engineering tensile strain, Zielkonflikt: fest, zäh Verbundwerkstoffe ε

15 Verbundwerkstoffe Metall-Matrix Metall-Matrix + Keramik~/Kunststofffasern Ziel: steife Fasern E, σ y, σ TS erhöhen Keramik-Matrix Keramik-Matrix + Metallfasern Ziel: duktile Fasern ε F erhöhen Polymer-Matrix Polymer-Matrix + Glas~/Keramikfasern Ziel: steife Fasern E, σ y, σ TS erhöhen Engineering tensile stress, σ Keramiken smaller toughness (ceramics) larg Metalle er toughness (metals, PMCs) Verbundwerkstoffe (fest + zäh) smaller toughnessunreinforced polymers Polymere Engineering tensile strain, ε

16 artmetall als Verbundwerkstoff: harte Carbide (dunkel und grau) geben Verschleißwiderstand, duktiles Kobalt (hell) Zähigkeit

17 Faserverbundwerkstoff: Fasern aus Al 2 O 3 (oben) Schliff einer Al-Matrix mit Fasern (rechts) Quelle: Mahle AG, Stuttgart

18 Bruchfläche eines Faserverbundwerkstoffes: Faserauszug ( pull-out ) erhöht den Risswiderstand

19 Metallischer Schaum: Verbundwerkstoff aus Metall und ohlraum

20 Beispiel : Der Airbus A380 Erstflug April 2004 Spannweite m Reisegeschw. 850 km/h Startgewicht kg Bauzeit Ab Oktober 2005 Länge m Gipfelhöhe m Besatzung Schub 4 x KP öhe m Reichweite km Passagiere

21 Airbus A380 40% der Strukturen und Komponenten aus Verbundwerkstoffen: CFK: öhen- und Seitenleitwerke, zentraler Flügelkasten Glare (Laminat aus Al + GFK): obere Rumpfschale Keine Nieten, Laserverschweißung

22 Boeing Dreamliner * Vorstellung am 8. Juli 2007 * Erstflug ist für März 2008 geplant. 50% der neuen Boeing 787 bestehen aus CFK. Dazu gehört der gesamte Rumpf und auch Teile der Tragflächen.

23 1.2.5 Struktur und Gefüge Atomarer Aufbau der Werkstoffe (Beispiele) z O kristallin: O Si A B C x O O y 0,3 nm Metall (Ni) Keramik (SiO2, Quarz)

24 amorph: (Alkali-, Erdalkali- Metallionen) Glas (SiO 2, Kieselglas) Glas (z.b. Natrium-Silikat-Glas)

25 amorph: Metallisches Glas (FeB, PdNiP)

26 Polymer: C C C C n=10000 C C C C C C C C Molekülketten (Polyethylen) amorph + kristallin (Thermoplaste)

27 Polymer: Netzwerk (vulkanisierter Gummi)

28 Gefüge der Metalle (Beispiele)

29 Korngrenzen, sichtbar gemacht durch: Ätzen eines Schliffes und Beobachtung im Polarisationsmikroskop (Barker-Ätzung an Al) ochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie, bei der die Störung der regelmäßigen Atomreihen erkennbar ist (Kippgrenze in NiO) 1-43

30 Versetzungen in einer Ni-Superlegierung, sichtbar gemacht im Transmissionselektronenmikroskop (Quelle: J. Schröder, MPI) 1-44

31 Versetzung in Cu, sichtbar gemacht durch hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (Quelle: J. Sigle, MPI) 1-45

32 Gefüge der Keramiken (Beispiel)

33 Gefüge der Polymere (Beispiel) Sphärolite in Polyethylen Morphologie

34 1.2.6 Eigenschaftsdiagramme Dichte nach Werkstoffgruppen ρ, kg m -3 nach Ashby und Jones: Engineering Materials Die Dichte hängt vom Atomgewicht, der Anzahl von Atomen in der Einheitszelle und der Größe der Einheitszelle ab. Die Dichte kann sich bei einer Phasenumwandlung ändern.

35 Typische Dichtewerte 1 Werkstoff ρ, Mg m-3 Osmium Platin Wolfram und Legierungen Gold Uran Wolframkarbid, WC Tantal und Legierungen Molybdän und Legierungen artmetall WC / Co Blei und Legierungen Silber Niob und Legierungen Nickel Nickellegierungen Kobalt und Legierungen Kupfer Kupferlegierungen Messing und Bronze Werkstoff ρ, Mg m-3 Eisen Eisenbasislegierungen Rostfreie austenitische Stähle Zinn und Legierungen Niedriglegierte Stähle Baustähle Rostfreier ferritischer Stahl Gußeisen Titankarbid, TiC Zink und Legierungen Chrom Zirkonkarbid, ZrC Zirkon und Legierungen Titan Titanlegierungen Aluminiumoxid, Al2O3 Alkalihalogenide (NaCl etc.) Magnesiumoxid, MgO

36 Typische Dichtewerte 2 Werkstoff ρ, Mg m-3 Siliziumkarbid, SiC Siliziumnitrid, Si 3 N 4 Mullit Berylliumoxid, BeO Aluminium Aluminiumlegierungen Quarzglas, SiO 2 Fensterglas Beton, Zement GFK Kohlenstoffasern Polytetrafluorethylen, PTFE Borfasern / Epoxy Beryllium und Legierungen Graphit Fiberglas (Glasfasern/ Polyester) Polyvinylchlorid, PVC Magnesium Werkstoff ρ, Mg m-3 CFK Polyester Polyimide Epoxyde Polyurethan, PU Polykarbonat, PC PMMA Nylon Polystryrol, PS Polyethylen hoher Dichte, DPE Eis, 2 O Naturkautschuk Polyethylen niedriger Dichte, LDPE Polypropylen, PP olz aufgeschäumte Kunststoffe aufgeschäumte Polyurethan

37 Schmelzpunkt* nach Werkstoffgruppen (*Schmelzpunkt bzw. Zersetzungstemperatur) T m / K nach Ashby und Jones Engineering Materials

38 Schmelz- bzw. Glasübergangs- (g) oder Zersetzungstemperatur (z) Werkstoff Diamant, Graphit Wolfram Tantal Siliziumkarbid, SiC Magnesiumoxid, MgO Molybdän Niob Berylliumoxid, BeO Aluminiumoxid, Al Siliziumnitrid, Si3N4 Chrom Zirkon Platin Titan Eisen Kobalt Nickel Silizium Alkalihalogenide (NaCl etc.) Uran Kupfer Gold Silber Quarzglas K (z) (z) 2155 (z) (g) Werkstoff Aluminium Magnesium Fensterglas Zink Polyimide Blei Zinn Polyester Polykarbonat, PC Polyethylen hoher Dichte, DPE Polyethylen niedriger Dichte, LDPE Aufgeschäumte Kunststoffe, steif Epoxydharze Polystyrol, PS Nylon Polyurethan, PU Acryl Polypropylen, PP Eis Quecksilber K (g) (g) (g) 400 (g) 300 (g) 360 (g) (g) (g) (g) (g) 365 (g) 350 (g) 330 (g)

39 Linearer Ausdehnungskoeffizient nach Werkstoffgruppen α = 1 l 0 d l d T, in K -1 Unterschiedlich große Ausdehnungskoeffizienten bewirken in Materialverbunden bei Temperaturwechsel hohe thermische Spannungen, die zum Versagen führen können. Linearer Ausdehnungskoeffizient α (10-6 K -1 ) nach Ashby und Jones: Engineering Materials

40 Typische Werte für den linearen Ausdehnungskoeffizienten α Werkstoff α (10-6 K -1 ) Elastomere Kork Polyethylen niedriger Dichte, LDPE Polyethylen hoher Dichte, DPE Polypropylen, PP Nylon Epoxy Caesium Polyester olz, quer zur Faser Natrium PMMA Lithium Eis Blei Magnesium Aluminium Kupfer Nickel Werkstoff α (10-6 K -1 ) Beryllium Beton Eisen Berylliumoxid, BeO Titan S-Glas Bor Aluminiumoxid, Al Zirkonoxid, ZrO 2 olz, parallel zur Faser Germanium Molybdän CFK in Faserrichtung Wolfram Siliziumkarbid, SiC Siliziumnitrid, Si 3 N 4 Silizium Invar Diamant Quarz, SiO