WERK. Werkstofftechnik Grundlagen. Diese Unterlagen dienen gemäß 53, 54 URG ausschließlich der Ausbildung an der Hochschule Bremen.

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1 WERK Werkstofftechnik Grundlagen Diese Unterlagen dienen gemäß 53, 54 URG ausschließlich der Ausbildung an der Hochschule Bremen.

2 M + ENTEC - Vorlesung im SS - Klausur am Ende des SS - Klausurteilnahme nur mit Anmeldung möglich ILST - Vorlesung im WS - Klausur am Ende des WS - Klausurteilnahme nur mit Anmeldung möglich 2

3 Informationen im Internet Suche nach Personen (Reinert) - Reinert - Lehre - Veranstaltung WERK - Infos zu der Klausur - Materialien zu der Vorlesung 3

4 Arbeitsmaterialien - Eigene Mitschrift der Vorlesung - Materialien zu der Vorlesung im Internet - diverse Fachbücher (Literaturliste) 4

5 Literaturliste Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Bargel, H.-J.; Schulze, G.: Werkstoffkunde. VDI Bergmann, W.: Werkstofftechnik, Teil 1 Grundlagen, Teil 2 Anwendung. Hanser Blumenauer, H.: Werkstoffprüfung. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Hornbogen, E.: Werkstoffe. Springer Läpple, V.: Wärmebehandlung des Stahls. Verlag Europa-Lehrmittel Macherauch, E.: Praktikum in Werkstoffkunde. Vieweg Schatt, W.; Worch, H.: Werkstoffwissenschaft. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Seidel, W.: Werkstofftechnik. Hanser Troost, A.: Einführung in die allgemeine Werkstoffkunde metallischer Werkstoffe I. Wissenschaftsverlag Vollertsen, F.; Vogler, S.: Werkstoffeigenschaften und Mikrostruktur. Hanser u.a. 5

6 1. Einführung 1.1 Inhalt der Vorlesung 3 Struktur des Festkörpers Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert 1 Einführung 1.1 Inhalt der Vorlesung 1.2 Einteilung der Werkstoffe 1.3 Übersicht über die Werkstoffe 2 Atomare Struktur 2.1 Atommodell nach Nils Bohr 2.2 Periodensystem der Elemente PSE 2.3 Interatomare Bindungen 3.1 Kristalline und amorphe Strukturen 3.2 Idealer Kristall 3.3 Realer Kristall 3.4 Realstruktur und Eigenschaften 3.5 Aufbau von Legierungen 4 Werkstoffeigenschaften 4.1 Mechanische Eigenschaften 4.2 Verfestigung 5 Thermisch aktivierte Prozesse 5.1 Diffusion 5.2 Erholung und Rekristallisation 6

7 6 Strukturgleichgewichte 6.1 Phasenumwandlungen 6.2 Grundtypen binärer Zustandsdiagramme 6.3 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm 6.4 Wichtige Eisen-Kohlenstoff- Gefüge 6.5 Einfluß von Legierungselementen 7 Wärmebehandlung 7.1 ZTU-Diagramme 7.2 Arten der Wärmebehandlung 8 Bezeichnung der Stähle 8.1 Kurznamen 8.2 Werkstoffnummern 9 Werkstoffprüfung 9.1 Zugversuch 9.2 Härtemessung 9.3 Kerbschlagbiegeversuch 9.4 Dauerschwingversuch 9.5 Zerstörungsfreie Prüfverfahren 7

8 1.2 Einteilung der Werkstoffe - atomare Struktur (z.b. Bindung) - Herstellungsverfahren (z.b. Gußwerkstoffe) - natürliche / künstliche Werkstoffe (z.b. Leder / PVC) - Wichtigkeit bzgl. der Anwendung (z.b. Stahl, Alu, Kupfer,...) - Metall / Nichtmetall (z.b. Titan / Keramik) - reine Stoffe / Gemische (z.b. Diamant / Magnesiumlegierung)

9 1.3 Übersicht über die Werkstoffe Werkstoffe Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Metalle Verbundwerkstoffe Nichtmetalle Eisenwerkstoffe Nichteisen (NE) - Werkstoffe teilchenverstärkt org. Werkstoffe ( = Kunststoffe) anorganische Werkstoffe Einteilung nach Güte Grundstähle Qualitätsstähle Edelstähle Stähle Einteilung nach Anwendung Baustähle un- und miedriglegierte Baustähle hochlegierte Baustähle Einteilung nach Gefüge austenitische Stähle ferritische Stähle martensitische Stähle Stahlguß ( < 2% C) Eisenguß - Werkstoffe graues Gußeisen Gußeisen mit Lamellengraphit Gußeisen mit Kugelgraphit weißes Gußeisen Hartguß Temperguß weißer Temperguß Schwermetalle ( > 5g / ccm) Leichtmetalle ( < 5g / ccm) faserverstärkt Schichtverbund Thermoplaste Elastomere Duroplaste Gläser Keramik Silicat- Keramik Oxid- Keramik Nichtoxid- Keramik Werkzeugstähle schwarzer Temperguß Kaltarbeitstähle Warmarbeitstähle Schnellarbeitstähle 9

10 2. Atomare Struktur 2.1 Atommodell nach Nils Bohr - Durchmesser: Atom m, Kern m, - Kern mit massegleichen Protonen und Neutronen, - Elektronen auf Bahnen oder Schalen, - ca. 99,95% der Atommasse im Kern, - Proton positiv geladen, Elektron negativ geladen, - Neutron ohne Ladung, - Valenzelektronen sind auf der äußeren Schale, - Kernladungszahl = Ordnungszahl im PSE, 10

11 Atommodell nach Bohr Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Atomkern mit 6 Protonen und Neutronen Elektron Hülle mit 6 Elektronen 11

12 2.2 Periodensystem der Elemente PSE 12

13 Ordnungszahl = Kernladungszahl Periode ( = Zeile) - Nummer der Periode = Nummer der äußersten besetzten Elektronenschale = Anzahl der Elektronenschalen - innerhalb einer Periode von links nach rechts aufsteigende Protonenzahl, bzw. Kernladungszahl Gruppe ( = Spalte) - Nummer der Hauptgruppe = Anzahl der Außenelektronen 13

14 Metalle - wenig Valenzelektronen - geringe Ionisierungsenergie Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Metallcharakter - metallischer Glanz (Reflexion von Licht) - gute therm. und elektr. Leitfähigkeit - gute Verformbarkeit (Duktilität) - gute Festigkeitseigenschaften Wichtig: Metallcharakter nimmt im PSE von links unten nach recht oben ab. 14

15 Übergangsmetalle (sind Metalle) - gleiche Elektronenzahl auf der äußeren Schale - untere Elektronenschalen werden aufgefüllt - Eigenschaften in einer Periode ähnlich - viele Oxidationsstufen Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Halbmetalle - zeigen metallischen und nichtmetallischen Charakter - treten in Modifikationen auf (z.b. -, -, -Sn) Nichtmetalle - bei RT oft flüssig (z.b. Br) oder gasförmig (z.b. O) - besitzen keinen Metallcharakter 15

16 2.3 Interatomare Bindungen heteropolare Bindung = Ionenbindung homoeopolare Bindung = kovalente Bindung = Elektronenpaarbindung = Atombindung dipolare Bindung = Van-der-Waals-Bindung 16

17 Metallbindung 17

18 Ionenbindung 18

19 Atombindung 19

20 Übersicht über die Werkstoffgruppen Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert 20

21 Bändermodell zur Erklärung der elektr. Leitfähigkeit (b) Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert (a) (c) Verbotene Zone Besetztes Orbital Halbbesetztes Orbital Freies Orbital Bändermodell zur Darstellung eines metallischen Leiters (a), eines Isolators (b) und eines Halbleiters (c) 21