Verbundwerkstoffe sind Zusammensetzungen aus anderen Werkstoffen und werden so vermischt, dass die besten Eigenschaften entstehen.

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1 Werkstoffkunde 1. Unterscheidungen der Werkstoffgruppen I. Verbundwerkstoffe Teilchenverbunde: Partikelförmige Einschlüsse. Bsp.: Schleifmittel Relaiskontakte Phaserverbunde: Sprödes Phasermateriel + weiche Duktile Matrix Schichtverbund: Bsp.: Sperrholz oder Bimetall Verbundwerkstoffe sind Zusammensetzungen aus anderen Werkstoffen und werden so vermischt, dass die besten Eigenschaften entstehen. II. Natürliche Werkstoffe Organische: Holz, Naturfasern, Latex Anorganische: Edelstein, Granit III. Künstliche Werkstoffe Entstehen durch stoffverändernde chem. und phys. Prozesse IV. Metalle Eisen, Kupfer, Zink, Titan, Aluminium, jeweils mit Legierungen Eigenschaften: gute elek. u. wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit und Steifigkeit, chem. nicht beständig V. Nichtmetallisch-anorganisch Keramik, Glas, Zement, Kalk, Gips Eigenschaften: elek. nicht leitend, spröde, chem. beständig, hohe Temp. betändigkeit, hohe Druckbelastbarkeit VI. Polymere Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere Eigenschaften: zähes Verhalten, niedrige Dichte, rel. geringe Festigkeit VII. Halbleiter Silizium, Germanium, Galliumarsenid Eigenschaften: schlechtere elek. Leitf. als Metalle; steigt jedoch mit Temp. Gezielte Einstellung des spez. Elek. Wid. Durch dotieren Anforderungs- und Eigenschaftsprofil - Die Summe aller Eigenschaften, die der Werkstoff nach Abschluss aller Fertigungsgänge besitzt. ( kann durch Verarbeitung verändert werden ) - Eigenschaftsprofil muss mindestens Anforderungsprofil entsprechen Achtung: Thermische Beanspruchung verstärkt die Wirkung der anderen Beanspruchungsarten

2 - Festigkeit ( Druck u. Zug ) - Korrosion ( Oxidation, Ätzen ) - Tribologisch (Reibung, Verschleiß) - Thermisch ( Härten u. Schmelzen ) Struktur Bau und Gliederung der Atome. Gefüge Mikroskopisch sichtbare Anordnung der Kristalle und Phasen. Phase Bereich konstanter Zusammensetzung, durch eine Grenzfläche von einer anderen Phase abgetrennt. Phasen lassen sich mech. von einander trennen. Amorph form-, gestaltlos ohne Ordnung Feste Körper, deren Atome nicht regelmäßig in einem Kristallgitter angeordnet sind. Sind meist instabil und gehen von selbst in den kristallinen Zustand über. Kristallin Anordnung der Teilchen nach einem wiederkehrenden Schema. Gitterbaufehler Abweichungen vom idealen Gitter. Führen zu Verspannungen im Realkristall -> höherer Energiegehalt. z.b. gespannte Feder Für die Eigenschaften von WS sind Gitterbaufehler wichtig: Beeinflussen: -elek. u. Wärmeleitfähigkeit., Verformbarkeit, Festigkeit von Metallen, Hochtemperaturfestigkeit, Entstehung: Störung des Thermodynamischen Gleichgewichts, durch Energiezufuhr(mech. Verformung, Erwärmung), Gezielter Einbau zur Festigkeitssteigerung oder Erhöhung der Leitfähigkeit 1) Punktförmige GBF 0dimensional 2) Linienförmige 1d 3) Flächenhafte 2d 4) Volumenhafte 3d Wichtige Kristallgitter KRZ, KFZ, Hexagonal Chem. Bindung Anziehungskräfte zwischen den Atomen. Verlangen der Atome Edelgasniveau zu erreichen. Bindungen: Ionen-, Atom-, Metallbindung Schwächere Bindung: Van der Waals Bindung Zwischen Bindungen sind viele Übergangsformen möglich.

3 Polymorphie Selbes Element bei verschiedene Drücken und Temp. in verschiedenen Erscheinungsformen. (z.b. C Ruß amorph, Graphit hexagonales Gitter, Diamant kubisches Gitter) Weitere Beispiele: Eisen, Titan, Zinn, Mangan Isotropie Richtungsunabhängigkeit Bsp. Gase, Flüssigkeiten, Glas, Teer, Wachs Anisotropie Richtungsabhängigkeit Bsp. Holz, Graphit, Quasi Isotropie scheinbare -unabhängigkeit Bsp. Metalle (sehen Richtungsunabhänging aus sind es aber nicht) Mischkristall, Mischphase Mischkristalle sind feste Lösungen aus Atomen oder Molekühlen verschiedener Elemente. (Chemische Bindung) Jedoch ohne ausgeschiedene Phasen bis zu einem bestimmten Mischungsverhältnis gemischt. Unter Sättigungsgrenze. Mischphase ist die allgemeine Bezeichnung für Mischkristall. Mischkristallverfestigung, Kristallseigerung (Art eine Legierung herzustellen) Eingebaute Fremdatome weiten das Wirtsgitter auf oder ziehen es zusammen und bewirken damit eine Mischkristallverfestigung. Wird bei vielen Legierungen eingesetzt. Härte Temp. Beständigkeit nimmt zu, Zähigkeit, elek. Leitfähigkeit nimmt ab. Kristallseigerung ist eine Entmischungserscheinung im Mischkristall. Sie entstehen bei schnellerem Abkühlen. Haltepunkt, Abkühlkurve Bei einem Haltepunkt bleibt die Temp. solange konstant bis eine Phase verschwunden ist. Er ist der Erstarrungs-/ Schmelzpunkt bei 1-Stoffsystemen (reine Stoffe). z.b. Reinmetall In der Abkühlkurve sieht man wie sich einfach und mehrfach Stoffsysteme bei verschiedenen Temp. verhalten. Bei 2-Stoffsystemen gibt es Knickpunkte und Schmelz- bzw. Erstarrungsbereiche. Bei amorphen Stoffen(keine geordneten Strukturen/Kristallgitter bestimmte Viskosität(Zähigkeit)) sind weder Halte-, noch Knickpunkte zu finden da die Erstarrung bzw. Schmelzung stetig verläuft, da amorphe Stoffe nicht auskristallisieren. z.b. Glas wird immer zähflüssiger Zustandsgröße, Zustandsschaubild Im Zustandsschaubild sieht man deutlich wie Erstarrung an der Solidus - Linie und Schmelzung an der Liqiudus - Linie bei bestimmtem Mischverhältnis (eines 2 Stoffsystems) und Temp. aussieht. Eutektikum Im Eutektikum erstarren zwei Stoffe eines bestimmten Mischverhältnisses sofort und ohne Schmelzintervall. Eutektische Legierungen haben Haltepunkte wie Reinmetalle. Hohe technische Bedeutung wegen direktem Übergang von Schmelze zu Festem Zustand.

4 Keimbildung, Kristallwuchs Zwei Teilreaktionen beim Erstarrungsvorgang. Zuerst entstehen Keime in der Schmelze, aus den Keimen werden Kristalle. (Je mehr Keime gebildet werden desto härter, spröder der Stoff.) Homogene Keimbildung Nichtaufgeschmolzene Kristalle Heterogene Keimbildung Impfen der Schmelze an der Oberfläche. Thermodynamisches Gleichgewicht Im thermodynamischen Gleichgewicht befinden sich Stoffe deren Temp., Druck und Volumen sich nicht mehr mit der Zeit ändern. Die verwendeten Stoffe sind meist nicht im thermodynamischen Gleichgewicht. z.b. gehärteter Stahl, alle Gläser und Kunststoffe. Darüber hinaus können Stoffe in den einzelnen Gleichgewichten sein: chem., therm. und mech. Gleichgewicht Modifikationen des Eisens / Umwandlungstemperatur des Eisens α-eisen: C Ferrit KRZ (Curietemperatur, Verlust Magnet) β-eisen: 769 C C KRZ γ-eisen: 911 C C Austenit KFZ δ-eisen: 1401 C C KRZ Stahl, Gusseisen Stahl und Gusseisen bestehen beide zum Großteil aus Eisen, jedoch bestimmt der Kohlenstoffgehalt ob der Werkstoff Stahl oder Guss ist. Je mehr C in Fe gelöst ist desto mehr geht der Werkstoff von Stahl nach Guss über. Jedoch wird Guss nur mit maximal 6,67% C - Gehalt verwendet. Und Stahl beinhaltet nicht mehr als 2,06% C. kleine Eutektoide Erstarrung bei 0,8 % C von Perlit Eutektische Erstarrung von Schmelze in den Festen Zustand bei 4,3 % C Ledeburit

5 Austenit, Ferrit, Martensit Ferrit: α-eisen, KRZ, Metallbindung, weich, gut Verformbar, magnetisch Austenit: γ-eisen, KFZ, Metallbindung, weich, sehr gut Verformbar, unmagnetisch Martensit: abgeschrecktes γ-eisen KRZ, Kohlenstoff gebunden im α-eisen durch Abschrecken dadurch härter. Zunder Zunder ist eine Oxidschicht die beim Diffusionsglühen auf Metalloberflächen durch Sauerstoff oder andere Oxidationsgase entsteht. Die Zunderschicht kann durch einlegen in Koksgrieß oder Stahlspäne verhindert werden. Jedoch kann eine Lückenlose Zunderschicht auch nützlich sein z.b. als Schutzschicht vor Gasen. Zundern ist eine Begleiterscheinung des Diffusionsglühens. Das Volumen des Stahls unter der Zunderschicht darf sich nicht ändern wenn man diese als Schutzschicht benutzen will. Lunker Die Erstarrung von Metallen ist immer mit einer Volumenänderung verbunden. Dabei können beim Gießen Lunker und Poren entstehen, die allerdings unerwünscht sind und deshalb außerhalb des Werkstücks liegen sollten. Das erreicht man durch geschickte Konstruktion der Gussform, unter anderem durch Einbau eines Steigers. Der Lunker wird im nachhinein entfernt. Elastisches-, plastisches Verhalten, Bruch Beim elastischen Verhalten wird der Werkstoff reversibel beansprucht d.h. er kehrt wieder in seine Ursprungsform zurück. Wird er weiterhin belastet geht er über seine Elastizitätsgrenze hinaus und beginnt sich plastisch zu verformen. d.h. er wurde irreversibel beansprucht und kehrt nicht mehr in seine Ursprungsform zurück. Ist dies nicht das Ende der Belastung bricht der Werkstoff. Dieses kann mit Hilfe des Spannungs-Dehnungs-Diagramms graphisch dargestellt werden. (0,2% plastischer Verformung sieht man als Elastisch an) Werkstoffkennwerte ς: Zug- oder Druckspannung kn/mm^2 ε: Längenänderung ( l/l0) E: Elastizitätsmodul (Kenngröße) kn/mm^2 γ: Scherwinkel G: Leitmodul (Kenngröße) Rockwell, Vickers, Brinell-Härte Temperatur, Schmelzpunkt, Dichte, Druck

6 Zugversuch, Hooksches Gesetz Aus dem Zugversuch erkennt man das Verhalten eines Werkstoffes bei Druck-, bzw. Zugbelastung. Dieses kann mit Hilfe des Spannungs-Dehnungs-Diagramms graphisch dargestellt werden. In diesem sieht man die Relation von angelegter Zug-, bzw. Druckspannung zu der Ausdehnung bzw. Stauchung sowie drei wesentliche Bereiche: Elastische Verformung > Plastische Verformung > Bruch Dieses Verhalten lässt sich anhand des Hookschen Gesetzes beschreiben: Zug-, Druckspannung = Längenänderung * Elastizitätsmodul ς = ε * E Sigma = epsilon * E Härte, Festigkeit Die Härte ist eine Eigenschaft von Werkstoffen, sie wird so verändert wie man sie beim Einsatz des Werkstoffs braucht. d.h. je nach Beanspruchung des Werkstoffes in seinem Aufgabenfeld wird durch bearbeiten (z.b. Härten, Weichglühen) eine optimale Härte gezielt erreicht. Gemessen wird sie nach verschieden Verfahren hierbei orientiert man sich am Werkstoff selbst und entscheidet dadurch welches Verfahren am besten geeignet währe. Verfahren zur Härteprüfung: Rockwell, Vickers, Brinell. Härte (Spröde / Brüchig bei überhärten / Widerstand gegen das Eindringen eines anderen Körpers) Festigkeit (Widerstandsfähigkeit gegen die Einwirkung äußerer kräfte) Zähes-, sprödes Verhalten Ein zäher Werkstoff hat eine hoch angesetzte Elastizitäts- und Plastizitätsgrenze er kann gut verformt werden ohne zu Brechen. Fähigkeit äußere Kräfte durch Verformung in sich aufzunehmen. Hingegen ein spröder WK sehr schnell bricht. Härten, Vergüten Beim Härten werden Werkzeugstähle auf eine bestimmte Härtetemp. erhitzt. Durch abschrecken im Wasser- oder Ölbad wird die Perlitbildung unterbunden und man erhält einen sehr harten, spröden Stahl. Das Gefüge besteht nun aus Martensit. Um dem Stahl die Glashärte zu nehmen lässt man ihn bei niedriger Temp. (bis 250 C) an um eine Härte bei angepasster Zähigkeit zu erreichen. Beim Vergüten ist das Prinzip dasselbe wie beim Härten, jedoch ist die Anlasstemp. mit 500 C-600 C höher. Man erreicht dadurch eine Zähigkeit bei höherer Streckgrenze für Baustähle. Kalt-, Warmverformung Bei der Warmverformung werden Werkstoffe unter zufuhr von Wärmeenergie verformt, was den Vorteil hat das man nicht so viel mech. Energie aufbringen muss. Bei der Kaltverformung kann man hingegen die Festigkeit des Werkstoffes erhöhen.

7 Thremo-, Duroplaste, Elastomere - Struktur: Thermoplaste: flexible lineare Ketten Duroplaste: starres, dreidimensionales Netzwerk Elastomer: lineare Ketten mit Querverbindungen - Eigenschaften: Thermoplaste (Plastomere) sind bei Raumtemperatur eher Spröde oder zäh - elastisch, erweichen aber bei hoher Temperatur und können sich durch viskoses Fliessen verformen. Thermoplaste sind schmelzbar, quellbar, und löslich. Sie sind leicht recyclebar. Duroplaste sind generell fester aber auch spröder als Thermoplaste (Durch räumliche Verknüpfung der Moleküle). Enge Verknüpfung macht die Stoffe auch unlöslich und verhindert die plastische Verformung. Netzartige Moleküle nicht gegeneinander verschiebbar. Nach der Vernetzung nicht mehr leicht recyclebar. Elastomere bestehen aus weitmaschigen vernetzten Makromolekülen. Daraus entsteht eine weite elastische Dehnbarkeit. Die Moleküle strecken sich aus ihrer verknäulten Lage und gehen in die Ausgangsposition wieder zurück. (bei Krafteinwirkung). Verhalten sich Gummi Elastisch. Keine Änderungen bei Temperatureinwirkungen. Eigenschaften der Kunststoffe - Keine Korrosion - Kein Oberflächenschutz unter Normalbedingungen nötig - Kann mit Lebensmittel unbedenklich in Berührung kommen. - Chemische und physikalische Widerstandsfähigkeit - geringes Gewicht durch niedrige Dichte bei gleicher mechanischer Belastung Polymerisationsgrad - Der Polymerisationsgrad n ist ein Maß für die durchschnittliche Kettenlänge und für die durchschnittliche relative Molekülmasse welche die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes bestimmt. - Die Anzahl der in einem Makromolekül (Riesenmolekül) enthaltenen Grundmoleküle (Monomere) nennt man Polymerisationsgrad. - Je höher der Polymerisationsgrad desto höher die Festigkeit und desto kleiner die Plastizität Vernetzte Strukturen - Der Vorgang des Vernetzens wird Härten genannt. Eigenhärtung erfolgt ohne Zuführung von Fremdstoffen. - Das Vernetzen basiert auf der Möglichkeit der Reaktion zwischen Fadenmolekülen drei- oder mehrerfunktionelle Monomere treffen aufeinander und verknüpfen sich allseitig Aufspaltung von Doppelbindungen erlaubt gegenseitige Bindungen

8 Glas oder Einfriertemp. Im Temperatur Intervall (ET) (Erweichungstemperaturbereich bzw. Einfriertemperaturbereich) wird die untere Grenze Glastemperatur genannt. Dieses Intervall beschreibt den Übergang von weichelastischem zum hartelastischen Kunststoff. (oder umgekehrt). Weichmacher - Harte Polymere können durch Weichmachung für bestimmte Gebrauchstemperaturen leder- oder gummiartig werden. (ähnlich den echten Elastomeren). Es wird die Einfriertemperatur herabgesetzt. - Innere Weichmachung durch Einbau verschiedener Monomere erreicht - Äußere Weichmachung wird durch wenig flüchtige organische Verbindungen erreicht (Teil-) Kristallisation - Wie bei Metallen können auch die Thermoplasten beim ziehen und walzen durch strecken und abkühlen in einen Texturähnlichen anisotropen Zustand gelangen. - Man spricht von einem orientierten Zustand - Insbesondere die Festigkeit erhöht sich mit dem Grad der Kristallinität Vorgang der Polymerisation - Es werden gleiche Niedermolekulare Verbindungen die Doppelbindungen enthalten zu Makromolekülen (Riesenmolekülen) vereinigt. Durch z.b. Energiezufuhr werden die Doppelbindungen geöffnet und es entstehen reaktionsfähige Radikale, die sich zu Ketten zusammenschließen. Polymere Kennzeichnung der Kunststoffe Thermoplaste PE PVC PS PP PA Polyethylen Polyvinylchlorid Polystyren Polypropylen Polyamide Duroplaste (Duromere) PV EP UF MF PUR UP Phenol-Formaldehyd (Penolhartz) Epoxid(-Hartz) Harnstoff-Formaldehyd (Harnstoff-Hartz) Melamin-Formaldehyd (Melamin-Hartz) Polyurethane (vernetzt) ungesättigter Polyester

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