Materialklassen. Keramiken / Gläser. Polymere. Cu-, Al-, Ti-, Zn-, Mg- Legierungen, Stähle, Superlegierungen, Metall- Metall-Verbund

Transkript

1 E. Arzt, UdS/INM 2015 Materialklassen M e t a l l e Cu-, Al-, Ti-, Zn-, Mg- Legierungen, Stähle, Superlegierungen, Metall- Metall-Verbund Hochleistungskeramik, Zement, Beton, Porzellan, Fensterglas, Kera- mik-keramik- Verbunde Hartmetalle, ODS- Legierungen, Stahlbeton, Metallmatrix-Verbund, Keramik-Metall-Verbund Keramiken / Gläser V e r b u n d - W e r k s t o f f e Metallfaserverstärkter Gummi Polymere Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere, natürliche Polymere, Kunststoff- Kunststoff- Verbunde Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK], Kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK), Borfaserverstärkter Kunststoff (BFK)

2 E. Arzt, UdS/INM 2015 Metall - Keramik - Glas - Polymer: Was ist was? Material Bindung Packung Chemie Metall metallisch kristallin/(amorph) anorganisch Keramik kovalent/ ionisch kristallin/amorph anorganisch Glas kovalent/ ionisch metallisch amorph anorganisch/ organisch Polymer kovalent, van der Waals amorph/kristallin (Molekülketten) organisch

3 Ableitung: Leichtbau bei vorgegebener Steifigkeit TABELLEN (zum Nachschlagen)

4 E. Arzt, UdS/INM 2015

5 E. Arzt, UdS/INM 2015 Naturkonstanten Absoluter Temperaturnullpunkt C Avogadro - Zahl, N A x mol - 1 Boltzmann - Konstante, k x 10 JK - 1 Elektronenladung, e x 10 C Faraday - Konstante, F x 10 4 C mol - 1 Gaskonstante, R J mol K - 1 Magnetisches Moment des Elektrons x 10 A m - 2 Influenzkonstante, x AsV - 1 m - 1 Planck sches Wirkungsquantum, h x 10 J s Ruhemasse des Elektrons x kg Ruhemasse des Neutrons x 10 kg Ruhemasse des Protons x 10 kg Atommasseneinheit x 10 kg Lichtgeschwindigkeit im Vakuum x 10 8 m s - 1 Ideales Gasvolumen unter 22.4 x 10 m 3 mol - 1 Standardbedingungen (O C, 1 atm)

6 E. Arzt, UdS/INM 2015 SI-Vorsilben multiplikativer Faktor Vorsilbe Symbol Tera T 10 9 Giga G 10 6 Mega M 10 3 Kilo K 10-3 Milli m 10-6 Mikro µ 10-9 Nano n Piko p

7 E. Arzt, UdS/INM 2015 Umrechnung von Einheiten Checken!

8 E. Arzt, UdS/INM 2015 Einheiten: Leistung, Spannung und Druck Leistung kw erg s-1 PS ft lbf s-1 kw (kj s-1) x102 erg s x x10-8 PS 7.46x x x102 ft lbf s x x x Druck MN m -2 dyn cm -2 lbf in -2 kp mm -2 bar MN m -2 dyn cm -2 lbf in -2 kp mm -2 bar x x x x x x x x x x

9 E. Arzt, UdS/INM 2015 Einheiten: Energie J erg cal ev BThU ft lbf J x x erg x x x x10-8 cal x x x ev 1.60x x x x x10-19 BThU 1.06x x x x x10 2 ft lbf x x x10-3 1

10 Eigenschaftstabelle : METALLE

11 Eigenschaftstabelle: KERAMIKEN und GLÄSER Ashby&Jones

12 Eigenschaftstabelle : POLYMERE und POLYMER-VERBUNDWERKSTOFFE

13 E. Arzt, UdS/INM 2015 Metall - Keramik - Glas - Polymer: Was ist was? Material Bindung Packung Chemie Metall metallisch kristallin/(amorph) anorganisch Keramik kovalent/ ionisch kristallin/amorph anorganisch Glas kovalent/ ionisch metallisch amorph anorganisch/ organisch Polymer kovalent, van der Waals amorph/kristallin (Molekülketten) organisch

14 E. Arzt, UdS/INM 2015 Charakteristische Eigenschaften Metalle Keramiken Kunststoffe Verbundwerkstoffe E-Modul hoch sehr hoch niedrig hoch Schmelzpunkt hoch sehr hoch niedrig (<250 C) Dichte hoch niedrig niedrig? Festigkeit hoch, einstellbar sehr hoch mäßig, aber hoch bzgl. E-Modul Duktilität, Zähigkeit hoch niedrig gut (besonders relativ zur Dichte) Leitfähigkeit hoch niedrig niedrig?? hoch hoch Korrosionsbeständigkeit niedrig hoch hoch hoch

15 Dichte nach Werkstoffgruppen nach Ashby/Jones

16 Typische Dichtewerte 1 Werkstoff r, Mg m-3 Osmium Platin Wolfram und Legierungen Gold Uran Wolframkarbid, WC Tantal und Legierungen Molybdän und Legierungen Hartmetall WC / Co Blei und Legierungen Silber Niob und Legierungen Nickel Nickellegierungen Kobalt und Legierungen Kupfer Kupferlegierungen Messing und Bronze Werkstoff r, 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

17 Typische Dichtewerte 2 Werkstoff r, 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 r, Mg m-3 CFK Polyester Polyimide Epoxyde Polyurethan, PU Polykarbonat, PC PMMA Nylon Polystryrol, PS Polyethylen hoher Dichte, HDPE Eis, H 2 O Naturkautschuk Polyethylen niedriger Dichte, LDPE Polypropylen, PP Holz aufgeschäumte Kunststoffe aufgeschäumte Polyurethan

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

19 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, HDPE 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)

20 Elastizitätsmodul nach Werkstoffgruppen nach Ashby/Jones

21 Typische E-Modul-Werte 1 Werkstoff E, GN m-2 Diamant Wolframkarbid Osmium Hartmetalle WC / Co Boride des Ti, Zr, Hf Siliziumkarbid, SiC Bor Wolfram Aluminiumoxid, Al 2 O 3 Berylliumoxid, BeO Titankarbid, TiC Molybdän und Legierungen Siliziumnitrid, Si 3 N 4 Chrom Beryllium und Legierungen Magnesiumoxid, MgO Kobalt und Legierungen Zirkonoxid, ZrO 2 Nickel Nickellegierungen Werkstoff E, GN m-2 CFK Eisen Eisenbasislegierungen Ferritische Stähle, niedriglegiert Rostfreie austenitische Stähle Baustähle Gußeisen Tantal und Legierungen Platin Uran Bor / Epoxy Verbundwerkstoffe Kupfer Kupferlegierungen Mullit Vanadium Titan Titanlegierungen Palladium Messing und Bronze

22 Typische E-Modul-Werte 2 Werkstoff E, GN m -2 Werkstoff E, GN m -2 Niob und Legierungen Silizium Zirkon und Legierungen Quarzglas, SiO 2 Zink und Legierungen Gold Aluminium Aluminiumlegierungen Silber Fensterglas Alkalihalogenide ( NaCl, LiF, etc.) Granit Zinn und Legierungen Beton, Zement Fiberglas (Glasfaser / Epoxy) Magnesium und Legierungen GFK Graphit Holz, parallel zur Faser Blei und Legierungen Eis, H 2 O Polyimide Polyester Acryl Nylon PMMA Polystyrol, PS Polykarbonat, PC Expoydharze Holz, quer zur Faser Polypropylen, PP Polyethylen hoher Dichte, HDPE Polyethylen geringer Dichte, LDPE Gummi Polyvinylchlorid, PVC Aufgeschäumtes Polyurethan Schaumstoff

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

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

25 Fließgrenze R p nach Werkstoffgruppen nach Ashby/Jones

26 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, s Keramiken smaller toughness (ceramics) larger Metalle toughness (metals, PMCs) smaller toughnessunreinforced polymers Polymere Zielkonflikt: fest, zäh Engineering tensile strain, e Verbundwerkstoffe

27 E-Modul - normierte Fließgrenze nach Werkstoffgruppen nach Ashby/Jones

28 Zähigkeiten G C nach Werkstoffgruppen nach Ashby/Jones

29 Bruchzähigkeit K IC nach Werkstoffgruppen nach Ashby/Jones