Werkstoffe, die unsere Welt verändern. acatech Journalistenworkshop 2009

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1 Werkstoffe, die unsere Welt verändern Zentrum für Konstruktionswerkstoffe Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (MPA) Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde (IfW) Prof. Dr.-Ing C. Berger acatech Journalistenworkshop / FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 1

2 Menschheits- Werkstoff- und Technikentwicklung Funktionswerkstoffe Brennstoffzelle Solarzelle 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 2

3 Menschheits- Werkstoff- und Technikentwicklung Qualitative wissenschaftliche Erkenntnisse Empirisch entwickelte Werkstoffe Quantitative wissenschaftliche Erkenntnisse Natürliche Werkstoffe 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 3

4 Weiterentwicklung Werkstoff und Technik Natürliche Werkstoffe Holz, Gold, Kupfer, keramische Materialien und Meteoreisen >2500 v. Chr. Laufmaschine Holz, 1817 Empirisch entwickelte Werkstoffe Bronze 2500 v.chr. Gusseisen 1500 v.chr. Stahl 1500 Zement/ Beton 1850 Quantitative wissenschaftliche Erkenntnisse Halbleiter 1950 Reaktorwerkstoffe 1960 Stähle höchster Zugfestigkeit 1965 Faserverstärkte Werkstoffe 1965 Legierungen mit Formgedächtnis 1975 Hochrad Rahmen, Felgen, Speichen Stahl, 1870 Qualitative wissenschaftliche Erkenntnisse Austenitischer chem. best. Stahl 1935 Organische Kunststoffe 1940 Aluminiumlegierungen 1950 Titanlegierungen 1960 Mikrolegierte Baustähle 1965 Sicherheitsrad Stahl, Vollgummireifen, / FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 4

5 Weiterentwicklung Werkstoff und Technik Natürliche Werkstoffe Holz, Gold, Kupfer, keramische Materialien und Meteoreisen >2500 v. Chr. Tour de France Fahrrad Stahl, Luftbereifung, 1903 Empirisch entwickelte Werkstoffe Bronze 2500 v.chr. Gusseisen 1500 v.chr. Stahl 1500 Zement/ Beton 1850 Quantitative wissenschaftliche Erkenntnisse Halbleiter 1950 Reaktorwerkstoffe 1960 Stähle höchster Zugfestigkeit 1965 Faserverstärkte Werkstoffe 1965 Legierungen mit Formgedächtnis 1975 Qualitative wissenschaftliche Erkenntnisse Austenitischer chem. best. Stahl 1935 Organische Kunststoffe 1940 Aluminiumlegierungen 1950 Titanlegierungen 1960 Mikrolegierte Baustähle 1965 Rennrad Chrom Molybdän Stahl, in Muffen gelötet 1940 Rennrad: Carbon, Kohlefaser Rennrad Aluminium geschweisst, Carbon, Kohlefaser / FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 5

6 Beispiele der Werkstoffentwicklung Stahlgruppe Jahr Entwicklungsprinzip Motivation nichtrostende Stähle 1912 empirisch V2A chemische Industrie mikrolegierte Stähle 1965 verfahrensgetrieben TM-Walzen, TEM Erdöl- / Erdgasindustrie Mehrphasenstähle 1990 phänomenologisch Gefügedesign, analytische Modelle Automobilindustrie Fe-Mn-C-Legierung 2007 ab initio Scale Hopping erkenntnisgetrieben 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 6 Leichtbau Sicherheit Energieeffizienz

7 Mechanische Eigenschaften Umformbarkeit ferritische einphasige Stähle Slip TRIP austenitische Cr-Ni-Stähle TWIP ferritische Mehrphasenstähle austenitische hochmanganhaltige Stähle Festigkeit 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 7

8 Die vier Stoffgruppen Werkstoffe Metallische Bindung Kovalente Bindung Ionenbindung Adsorbtionsbindung Metalle Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe Organische Stoffe Halbleiter Naturstoffe Eisen Stahl NE- Metalle Keramische Werkstoffe Glas Polymerwerkstoffe Verbundwerkstoffe 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 8

9 Metallische Werkstoffe Metall= metallum (Grube oder Bergwerk) Eigenschaften: Reflexionsvermögen Lichtundurchlässigkeit Kristalliner Aufbau: Erstarrung, Kristalle, Wachstum, Einkristall Atome in kennzeichnender Anordnung fester Zustand bei 20 C (außer Quecksilber: -98 C) 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 9

10 Metallische Werkstoffe Eigenschaften: Festigkeit (Elastizität) =f(temperatur) Bildsamkeit (Plastizität) =f(temperatur) Verfestigungsvermöge =f(temperatur) (Widerstand gegen Gestaltänderung wächst) Leitfähigkeit (Silber bester Leiter bei 20 C) =f(temperatur) 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 10

11 Gusseisen Gusseisen: Dichte ρ 7 g/cm 3 wichtigste Legierungselemente: Anwendungsgebiete: Fe-C-Verbindung, Schmelztemperatur: 1170 C-1350 C Si, Mn, S, P Lagerbock 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 11

12 Stahl Stahl: Fe-C-Verbindung, Dichte ρ 7,9 g/cm 3 Schmelztemperatur: 1400 C-1530 C wichtigste Legierungselemente: C, Cr, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W, Mn, Co Eisenbegleiter: Anwendungsgebiete: P, S, O Stahlbau auf Schalke Geschmiedete Golfschläger Espressomaschine, Edelstahl Kamin, Edelstahl 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 12

13 Schadensfall Tanker, Darmstädter Echo Frachter Eurobulker in der Mitte durchgebrochen und gesunken. (Nachdem er mit einigen 1000 Tonnen Zement beladen wurde) 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 13

14 Bruch einer Turbinenwelle 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 14

15 Bruch einer Turbinenwelle Am barst eine Niederdruckturbinenwelle im Kraftwerk Irsching, nach einem 10-tägigen Stillstand der Anlage, während des Anfahrens nach Erreichen der Betriebsdrehzahl, kurz vor dem Synchronisieren. Es handelte sich dabei um eine 1970 hergestellte Welle, die 1972 in Betrieb genommen wurde. Die Maschine absolvierte im 15-jährigen Einsatz ca Betriebsstunden bei 838 An- und Abfahrten. Aufgabenstellung und Lösungsweg Rekonstruktion des Schadens und Ermittlung der Schadensursache Betrachtung herstellungs- als auch betriebsbedingter Ursachen 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 15

16 Bruch einer Turbinenwelle Schadensausmaß Berstschaden Niederdruckturbinenwelle nach 15-jährigen Einsatz, nach einem 10-tägigen Stillstand der Anlage, während des Anfahrens nach Erreichen der Betriebsdrehzahl, kurz vor dem Synchronisieren zerstörtes rtes Maschinenhaus 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 16

17 Bruch einer Turbinenwelle Schadensursache 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 17

18 Bruch einer Turbinenwelle Zusammenfassung Durch den bruchmechanischen Festigkeitsnachweis wird der Schaden erklärbar. Die Existenz derartiger großer Fehler wurde laut Ultraschallbefund zum Herstellungszeitpunkt nicht erwartet. Es wurde lediglich von einer Anhäufung nicht zusammenhängender Einschlüsse ausgegangen. Die Sensitivitätsanalyse ergab, dass bei derzeit eingesetzten Wellen mit einer doppelt so hohen Bruchzähigkeit, wie im vorliegenden Fall, die kritische Fehlergröße mehr als fünfmal so hoch ist. Im Zusammenhang mit einer verbesserten Ultraschallprüfung ist eine Wiederholung eines solchen Schadens auszuschließen. 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 18

19 Materialwissenschaften und Werkstofftechnik - MatWerk Zusammenhang zwischen atomarem/ nano-/ mikroskopischem Aufbau und den Eigenschaften aller Materialien Werkstoff und Bauteilherstellung Werkstofftechnik Materialwissenschaft Fertigungstechnik Werkstoffkunde / -prüfung /Normung Konstruktion Eigenschaften, Untersuchungsmethoden und Prüfverfahren Anforderungen an Werkstoff / Bauteil durch die Betriebsbeanspruchung Bauteilgestalt und Funktion 29./ FB 16 MPA/IfW KBL Bg/Wk acatech Journalistenworkshop Folie Nr.: 19