Einführung in Werkstoffkunde

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1 Einführung in Werkstoffkunde Magnesium Innovations Center (MagIC) GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH Dr.-Ing. Norbert Hort

2 Inhalte Über mich Einführung Aufbau von Werkstoffen Physikalische und mechanische Eigenschaften Phasenumwandlungen Diffusion, Erholung und Rekristallisation Zustandsdiagramme Werkstoffprüfung Herstellung, Eigenschaften, Verund Bearbeitung Fe Al und Mg Cu und Zn Ti, Ni und sonstige Si Polymere Keramik und Glas Verbundwerkstoffe Werkstoffauswahl Page 2

3 Page 3 Einführung - Werkstoffe

4 Giessverfahren Übersicht Beispiel: Gießverfahren von Kupferwerkstoffen Gießverfahren Schwerkraftgießen Gießen mit Anwendung von Druck Verlorene Formen Dauerformen Dauerformen Verlorene Modelle Feinguß Vollformguß Dauermodelle Sandguß Maskenformguß Kokillenguß Strangguß Schleuderguß Druckguß Niederdruck- Kokillenguß Sonderverfahren

5 Giesseigenschaften

6 Giesseigenschaften

7 Werkstoffauswahl: Spanbarkeit Beispiel: Spanbarkeit von Kupferwerkstoffen - Kriterien 1. Spanform 2. Oberflächengüte 3. Werkzeugverschleiß 4. Zerspanungskräfte

8 Werkstoffauswahl: Spanbarkeit Beispiel: Spanbarkeit von Kupferwerkstoffen - Spanformen Nadelspäne Stäbschenspäne Flachwendelspäne Röllchenund Stäbchenspäne CuZn39Pb3 CuZn38Pd1,5 CuZn36Pb3 Spiralwendelspäne Bandspäne CuZn37Pb0,5 CuZn37 CuZn15

9 Werkstoffauswahl: Gleiteigenschaften Beispiel: Gleiteigenschaften von Kupferwerkstoffen - Werkstoffanforderungen In einem Gleitsystem sind von Bedeutung: -Werkstoffe und Oberflächen der Gleitkörper -Zwischenstoff -Umgebungsmedium

10 Korrosionsbeständigkeit Beispiel: Seewasser-Kühlrohrleitungssystem auf einer Off-Shore -Plattform aus der seewasserbeständigen CuNi10F1Mn

11 Korrosionsbeständigkeit Beispiel: Mit Kupfer gedecktes Gartenhaus im Englischen Garten Münchens Werkstoff: SF-Cu

12 Umformfähigkeit Beispiel: Dekorative Metallwaren aus α-messing oder Neusilber gefertigt durch Kaltumformung

13 Schweißbarkeit Beispiel: Druckbehälter aus SF-Cu, beidseitig WIG-geschweißt

14 Funktionswerkstoffe Erhöhte Einsatztemperatur durch keramische Beschichtung Schichtaufbau (funktionale Schicht) bestimmt Zuverlässigkeit Page 14

15 Vorlage Natur Oberkiefer eines Ameisenlöwen Vorderteil einer Kombizange

16 Vorlage Natur Ausschnitt einer Biegeader auf dem Hinterflügel des Sandläufers Verbiegbare Lampenführung aus Kunststoff

17 Vorlage Natur Schaftteil des Legebohrers bei der Holzwespe Schaftteil der technischen Bohrraspel

18 Werkstoffe Werkstoffe sind für technische Anwendungen nützliche Stoffe, die in der Regel mehrere anwendungsrelevante Eigenschaften zu einem Optimum vereinen.

19 Versagen von Werkstoffen Typisches Versagensbild metallischer Crashproben Spezifische Energieaufnahme Stahl: Aluminium: kj/kg kj/kg Typisches Versagensbild von Faserverbund-Crashproben Spezifische Energieaufnahme SMC: kj/kg FVW mit orientierten Fasern: kj/kg

20 Verbundwerkstoffe Mikroskopaufnahme Siliziumkarbidfaser / Titanlegierung

21 Verbundwerkstoffe

22 Verbundwerkstoffe

23 Werkstoffsysteme

24 Werkstoffgruppen M Metalle: metallische Bindung K Keramik: kovalente Bindung P Polymere: Kettenmoleküle V Verbunde: Kombination verschiedener Stoffe

25 Werkstoffgruppen Eigenschaft Anwendung Konstruktionswerkstoffe Beton Stahl Aluminium-Legierungen, Titan-Legierungen Nickel-Legierungen Polymere Keramiken Druckfestigkeit Zugfestigkeit spez. Festigkeit Kriechfestigkeit Formbarkeit Korrosionsbeständigkeit Bauwerke Maschinenbau, Apparatebau, Anlagenbau Flugzeugbau Gasturbinen Verpackungen Tiegel, Öfen Funktionswerkstoffe Ag, Cu InP, Si, ZnS ZrO 2 YBa 2 Cu 3 O 7-x SiO 2 Fe-Si Elektr. Leitung Halbleiter O 2 -Ionenleitung Piezoelektrisch Lichtbrechung Ferromagnetismus Stromleiter Elektronik Gassensor Schwinger Opt. Leiter Trafo-Bleche

26 Werkstoffwissenschaften Die Werkstoffwissenschaft untersucht Beziehungen zwischen physikalischen und technischen Eigenschaften des makroskopischen Werkstoffs und seinem mikroskopischen Aufbau. Bauteil Polykristall Einkristall Atom [m] [mm] [μm] [nm] Bsp.: die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs werden bestimmt durch Struktur und Gefüge amorph kristallin Vernetzungsgrad Korngröße, Versetzungsdichte

27 Eigenschaften Belastungsprofil Eigenschaftsprofil Werkstoffauswahl Mechanische Belastung Günstige Attribute Metalle = Beanspruchung mit geringer elastischer bzw. plastischer Verformung steif - schlaff fest - weich Verbundwerkstoff hart - weich Polymere Keramik Statisch (Zug-Druck)+ Temperatureinfluß (thermomechanische Beanspruchung) elastisch reversibel plastisch irreversibel zerstörend zäh - spröde Ermüdungsbeständig Dauerfest Verschleißfest Einfluß von: Struktur = Anordnung der Atome und Gitterfehler Gefüge = Art, Anzahl und Anordnung von Kristalliten im Festkörper

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