Vorlesung Leichtbauwerkstoffe Dr.-Ing. Enrico Bruder

Transkript

1 Vorlesung Leichtbauwerkstoffe Dr.-Ing. Enrico Bruder

2 Vorlesungstermine SoSe Block: 09:15 10:45 2. Block: 11:00 12:30 3. Block: 13:15 14:45

3 Übungen Leichtbauwerkstoffe SoSe 2009 Ablauf: 2 Praktika über je 6 Wochen mit selbständiger Versuchsdurchführung (Lichtmikroskopie und mechanische Tests an typischen Leichtmetall-Legierungen) Themen der Praktika: 1. Mikrostrukturen und mechanische Eigenschaften der (α+β)-titanlegierung Ti-6Al-4V 2. Ausscheidungshärtung der Aluminiumlegierung Al-2024 Übungsbeginn: , 7:30-9:00 Uhr, LG 3A R 325 Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Sebastian Bolz, Panta Rhei, Raum 226

4 Literatur Handbuch Leichtbau, F. Henning & E. Moeller (Hrsg.) Hanser, 2011, 1289 S. ISBN Titan und Titanlegierungen, M. Peters & C. Leyens (Hrsg.) Wiley-VCH, 2002, 528 S. ISBN Anwendungstechnologie Aluminium, F. Ostermann Springer, 2007, 892 S. ISBN

5 Gliederung der Vorlesung Einleitung Leichtbau Grundlagen Werkstoffe Titan und Titanlegierungen Titanmatrixverbundwerkstoffe Titanaluminide Aluminiumlegierungen Magnesiumlegierungen Leichtbaustähle

6 Einleitung Leichtbau

7 Leichtbaustrategien Bedinungsleichtbau: Rahmenbedingungen der Gesellschaft, Politik, Gesetzgebung oder Märkte Konzeptleichtbau: Anpassung von Modulen/Komponenten an das Gesamtsystem (z.b. Erhöhung der Funktionsintegration in Modulen) Stoffleichtbau: Reduzierung der Bauteilmasse durch Verwendung von leichtest möglichen Werkstoffen Formleichtbau: Reduzierung der Bauteilmasse durch Optimierung der Kraftverteilung und Formgebung Fertigungsleichtbau: Verbesserung der Werkstoffeigenschaften im Fertigungsprozess, Einsparung von Fügeelementen,

8 Moderne Verkehrstechnik braucht Leichtbauwerkstoffe Bild Auto Bild Schiffbau

9 Leichtbaukosten Vom Kunden akzeptierte Leichtbaukosten pro kg Gewichtsreduktion / kg Gewichtsreduktion 5000 Raumfahrt 500 Flugzeug 50 Zug 5 Automobil > Stückzahl pro Jahr

10 Leichtbaukosten Kostenreduktion und Produkthaftung Kostenreduktion ist zunächst ein einfaches Optimierungsproblem, wäre da nicht der juristische Aspekt der Produkthaftung Codex Hammurabi des Königs von Babylon v. Chr.

11 Schadensfälle : Aloha Airlines -- Boeing 737 Hilo to Honolulu At 24,000ft, the aircraft experienced a rapid decompression when an 18 ft section of the fuselage (roof and sides) ripped out. The only fatality was flight attendant C.B. Lansing, who was blown out of the airplane. Another 65 passengers and crew were injured. Quelle:

12 Schadensfälle : United Airlines -- Flight Boeing 747 Honolulu to Sydney Approx. 20 minutes into the flight, a rapid decompression occurred at about 23,000 ft, when the forward starboard cargo door and 15`X10` section of the cabin fuselage separated. Nine passengers were lost. The aeroplane returned to Honolulu and landed safely. Quelle:

13 Schadensfälle Quelle: Darmstädter Echo, 6 April 2011

14 : ICE-Unfall von Eschede Schadensfälle Am 3. Juni 1998 befindet sich der ICE "Wilhelm-Konrad-Röntgen" auf seiner Fahrt von München nach Hamburg. An Bord sind fast 300 Menschen. Um kurz vor 11 Uhr erreicht der Hochgeschwindigkeitszug den kleinen Ort Eschede - zu klein, als dass ein ICE hier halten würde. An diesem Morgen allerdings wird die Einwohner-Gemeinde auf tragische Weise in der ganzen Welt bekannt. Ein Radreifen des Zuges bricht, der ICE entgleist, rast in eine Brücke und zerschellt. 101 Menschen sterben, 105 werden verletzt. Quelle: www3.ndr.de/ndrtv_pages_std/0,3147,oid ,00.html

15 : ICE Achsenbruch bei Köln Schadensfälle BAM-Gutachten: Es wurden Einschlüsse mit unzulässiger Größe gefunden. 2010: DFG startet SPP zu VHCF (N > 10 8 LW) Very High Cycle Fatigue

16 Automobiler Leichtbau Anforderungen an Module und Baugruppen im Automobilbau

17 Automobiler Leichtbau Reduktion des Gesamtgewichts des Fahrzeugs Werkstoffsubstitution (z.b. Ersatz von Stahl durch Al oder Kunststoff) Optimierte Konstruktion Verringerung des Komponentengewichts durch neue Verfahren (z.b. Ersatz von Nietverbindungen durch Schweißen) Erhöhung der Werkstoffzuverlässigkeit, dadurch Verringerung des Sicherheitszuschlags Wirkungsgradverbesserung des Antriebsystems Leichtbau bei bewegten Massen unter Nutzung von Sekundäreffekten Erhöhung der Betriebstemperatur bei gleichzeitigem Leichtbau Probleme: Kosten, Verfügbarkeit, Herstellungstechnologien, Recycling

18 Automobiler Leichtbau Hybridbauweise und Multi-Material-Design Super Light Car Audi TT

19 Automobiler Leichtbau Das 1-Liter Auto von VW

20 Automobiler Leichtbau Primäre Gewichtseinsparungen z.b. durch Stoff- oder Konzeptleichtbau Sekundäre Gewichtseinsparungen durch Anpassung von Motor, Getriebe, Fahrwerk Anteil der Fahrzeugmasse am Energiebedarf eines Elektrofahrzeugs

21 Leichtbau in der Luftfahrt (1969) (1994) (1972) (1991)

22 Leichtbau in der Luftfahrt

23 Leichtbau in der Luftfahrt

24 Leichtbau in der Luftfahrt Materialien für Zelle und Triebwerk

25 Leichtbaukriterien Bauteile, Baugruppen und Module können verschiedenen Anforderungen unterliegen, wie z.b.: Steifigkeit Festigkeit (statisch oder zyklisch) Energieabsorptionsvermögen (Crashelemente) Korrosionsbeständigkeit Verschleißbeständigkeit Prinzip Leichtbau: Die absoluten Kennwerte sind oft weniger entscheidend als die spezifischen, d.h. auf die Dichte bezogenen Werkstoffkennwerte.

26 Steifigkeitsoptimierter Leichtbau

27 Steifigkeitsoptimierter Leichtbau

28 Steifigkeitsoptimierter Leichtbau Biegesteifigkeit von Biegebalken (Kraft und Länge der Balken konstant) Gleiche Abmessungen Durchbiegungen unter der Voraussetzung, dass die Abmessungen aller Balken gleich sind. y = 3 F L 3 E I I = b h 12 3

29 Steifigkeitsoptimierter Leichtbau Biegesteifigkeit von Biegebalken (Kraft und Länge der Balken konstant) Gleiches Gewicht Gleiche Steifigkeit Magnesium Aluminium Titan Stahl

30 Steifigkeitsoptimierter Leichtbau E-Modul und Dichte: Cu: E / ρ 13 Nm/kg E = 120 GPa ρ = 8,9 g/cm³ Ni: E / ρ 22 Nm/kg E = 200 GPa ρ = 8,9 g/cm³ Fe: E / ρ 26 Nm/kg E = 206 GPa ρ = 7,8 g/cm³ Ti: E / ρ 26 Nm/kg E = 115 GPa ρ = 4,5 g/cm³ Al: E / ρ 26 Nm/kg E = 72 GPa ρ = 2,8 g/cm³ Mg: E / ρ 26 Nm/kg E = 45 GPa ρ = 1,74 g/cm³ CFK: E / ρ 38 Nm/kg E = 60 GPa ρ = 1,6 g/cm³

31 Steifigkeitsoptimierter Leichtbau Steifigkeit für einachsigen Zug M t = E / ρ Balken Durchbiegung: M b = E 1/2 / ρ Panel Durchbiegung: M p = E 1/3 / ρ Lastfall ist maßgeblich für Werkstoffauswahl!

32 Steifigkeitsoptimierter Leichtbau Werkstoff CFK Laminat Mg-Leg. Al-Leg. Ti-Leg Stähle E Modul [GPa] Dichte [g/cm³] 1,6 1,74 2,8 4,5 7,8 M t = E / ρ M b = E 1/2 / ρ 4,8 3,9 3,0 2,4 1,8 M p = E 1/3 / ρ 2,4 2,0 1,5 1,1 0,8 Anwendungsbeispiel Karosserieblech (M p ): CFK: Mg: Leichteste aber mit Abstand teuerste Lösung (bislang nicht großserientauglich) Zweitleichteste Lösung aber schlechte Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit Al: Leichte und im Verhältnis zu CFK/Ti relativ kostengünstige Lösung Stähle: Schwerste aber kostengünstigste Lösung

33 Steifigkeitsoptimierter Leichtbau Konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung der Steifigkeit Der Formfaktor Der Formfaktor beschreibt um welchen Faktor eine bestimmte Konstruktion eine Belastung besser erträgt als ein runder Vollstab der selben Querschnittsfläche. Standardbauteile und Beanspruchungsarten Erhöhung der Biegesteifigkeit durch Formeffizienz

34 Steifigkeitsoptimierter Leichtbau Konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung der Steifigkeit Der Formfaktor Beispiel: Elastische Biegesteifigkeit S: Biegesteifigkeit I: axiales Flächenträgheitsmoment A: Querschnittsfläche Der maximale Formfaktor variiert je nach Werkstoff und Lastfall. Für elastische Biegung gelten ca. folgende Maximalwerte: Stähle: 65 Al-Leg.: 44 GFK/CFK: 39 Polymere: 12 Holz: 5

35 Steifigkeitsoptimierter Leichtbau Konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung der Steifigkeit Der Formfaktor

36 Festigkeitsoptimierter Leichtbau

37 Festigkeitsoptimierter Leichtbau Festigkeit für einachsigen Zug M t = E / ρ Balken Durchbiegung: M b = E 2/3 / ρ Panel Durchbiegung: M p = E 1/2 / ρ Lastfall auch hier maßgeblich für Werkstoffauswahl!

38 Festigkeitsoptimierter Leichtbau

39 Festigkeitsoptimierter Leichtbau Spez. Festig gkeit [MPa/(gcm -3 )] FVK Titanlegierungen Al-Leg. TiAl-Legie rungen Stähle und Superlegierungen Einkristall- Superlegierung en Temper atur [K]

40 Grundlagen Werkstoffe

41 Elementverteilung in der Erdkruste

42 Materialgewinnung Reduktion der Erze und Materialgewinnung Rohstoffe sind in der Regel nicht elementar vorhanden (Ausnahme Edelmetalle, aber auch dort Spurenelemente vorhanden) Bergbau: Erz + taubes Gestein oft aufwendige Trennung nötig Energiekosten vs. Reinheit taubes Gestein Erzader

43 Materialgewinnung Richardson-Ellingham-Diagramm Diagramm dient der Beurteilung der Stabilität von Metallen in Gasen Je tiefer eine Linie im Diagramm liegt um so stabiler sind die Oxide (d.h. um so energieaufwendiger die Reduktion) Für Metalle gilt: xm + O 2 2M x/2 O dg/dt>0 Reduktionsmittel: 2CO + O 2 2CO 2 C + O 2 CO 2 2C + O 2 2CO 2H 2 + O 2 2H 2 O

44 Phasendiagramme

45 Phasendiagramme

46 Phasendiagramme

47 Kristallstrukturen Al, γ-fe α-ti, Mg, α 2 -Ti 3 Al α-fe, β-ti

48 Versetzungen Versetzungen sind Träger der plastischen Verformung

49 Versetzungen

50 Versetzungen

51 Versetzungen

52 Gleitsysteme

53 4er Indizierung

54 Gleitsysteme

55 Verformungszwillinge

56 Kriechen

57 Kriechen

58 Kriechen

59 Gitterdefekte und Werkstoffeigenschaften Werkstoffeigenschaften werden maßgeblich durch Defekte bestimmt Gefüge 0-dimensional: 1-dimensional: 2-dimensional: 3-dimensional: Leerstellen Versetzungen Korngrenzen Phasen Eigenschaften Festigkeit, Duktilität, el. Leitfähigkeit,

60 Punktdefekte Einfluss der Leerstellenkonzentration am Beispiel FeAl

61 Punktdefekte Einfluss von Fremdatomen am Beispiel von Al-Legierungen

62 Liniendefekte Einfluss der Versetzungsdichte auf die Festigkeit Geringe Festigkeit im mittleren Bereich (ρ ver /m 2 ) Festigk keit 0 Versetzungsdichte m -2

63 Liniendefekte Einfluss der Versetzungsdichte auf die Festigkeit Cu (99,9%)

64 Flächendefekte Aufbau polykristalliner Werkstoffe Korn (Einkristall) Korngrenze

65 Flächendefekte Einfluss der Korngröße bzw. Korngrenzendichte Korngröße Hall-Petch: 1 R e = σ 0 + k d Streckgrenze e d -1/2? Die Streckgrenze eines Werkstoffes hängt von der Korngröße des Gefüges ab. Je kleiner die Korngröße, desto größer die Streckgrenze. Bei sehr kleinen Korngrößen: z.t. Abflachen der Hall-Petch Geraden bis hin zu inversem Hall-Petch Verhalten (R e sinkt mit abnehmender Korngröße)

66 Flächendefekte Einfluss der Korngröße bzw. Korngrenzendichte

67 Flächendefekte Einfluss der Korngröße bzw. Korngrenzendichte

68 Volumendefekte Einfluss von Zweitphasen Kombination aus hoher Festigkeit und Duktilität setzt hohes Verfestigungsvermögen voraus. Ansatz: Mehrphasige Gefüge (DP, CP, TRIP) Considère-Kriterium Bruchdehnung [%] ] Wahre Spannung Zugfestigkeit [MPa] wahre Dehnung

69 Volumendefekte Einfluss von Zweitphasen Steigerung der mechanischen Eigenschaften von Al-Legierungen der 5000er Serie durch Zulegieren geringer Mengen Scandium (Bildung von Al 3 Sc Ausscheidungen) System Legierung Zusammensetzung [Gew.%] R e [MPa] R m [MPa] A [%] Al-Mg AlMg1 Al-1,15Mg Al-Mg-Sc Al-1,15Mg-0,3Sc-0,1Zr Al-Mg AlMg4 Al-4,2Mg-0,65Mn-0,06Ti Al-Mg-Sc Al-4,2Mg-0,3Sc-0,1Zr Al-Mg AlMg6 Al-6,3Mg-0,65Mn-0,06Ti Al-Mg-Sc Al-6,3Mg-0,35Sc-0,1Cr-0,1Zr

70 Erholung und Rekristallisation Cu-35%Zn Legierung (α-messing) Terminologie: Erholung ist thermisch aktivierter Abbau von Versetzungen ohne Bewegung oder Neubildung von Großwinkelkorngrenzen. Rekristallisation umfasst Prozesse der Gefügeneubildung durch Entstehung neuer oder Bewegung vorhandener Großwinkelkorngrenzen. Triebkraft: Reduzierung der Gibb schen Energie durch Reduzierung der Versetzungsdichte (gilt für Erholung und primäre Rekristallisation) Technologische Bedeutung: Reduzierung bzw. vollständige Aufhebung der Kaltverfestigung Gezielte Einstellung des Gefüges (Korngröße, Phasenanteile, etc.)

71 Erholung und Rekristallisation Rekristallisationsschaubild Aluminium Höhere Temperatur führt zu größeren Kornabmessungen Diffusion Zunehmender Umformgrad (T = konstant) führt zu abnehmender Korngröße Keimdichte Bei hohen Umformgraden z.t. sehr hohe Korngrößen (anormales Kornwachstum) Korngrenzmobilität (?)

72 Textur und Anisotropie Vorzugsorientierung der Kristalle beeinflusst Umformverhalten und mech. Eigenschaften

73 Textur und Anisotropie Elastische Anisotropie Elastische Anisotropie innerhalb der Blechebene bei ferritischem Stahl mit ausgeprägter Walztextur E 50 GPa Elastische Anisotropie im α-fe Einkristall WR QR

74 Ermüdung

75 Ermüdung Schadenslinie Spannun ngsamplitude RB RAB Schadenslinie Lastwechsel Aufteilung der Lebensdauer (Lastwechsel) in Rissbildung (RB) und Rissausbreitung (RAB).

76 Ermüdung Extrusion Oberfläche F Rissbildung Ausbildung von Gleitbändern Bildung von In- und Extrusionen durch irreversible Anteile der Gleitung Kerbwirkung Spannungskonzentration Rissbildung (Bei aggressivem Umgebungsmedium forciertes Eindiffundieren von Fremdatomen Versprödung im Gleitband) Intrusion F

77 Ermüdung Ermüdungsrissausbreitung 10-6 [m/lw] P K = B W f ( ) c W da/dn da/dn = c K m K th : Schwellwert der Rissausbreitung K [M Pam 1/2 ] Instabilität wenn K max = K IC

78 Korrosion

79 Korrosion

80 Korrosion

81 Korrosion