Dozent: Technischer Fachwirt; Sebastian Gauweiler

Transkript

1 Dozent: Technischer Fachwirt;

2 Einleitung Werkstofftechnik wird benötigt, wenn Erfahrungs- und Daumenwerte an Ihre Grenzen stoßen! -> Bei der Auswahl eines geeigneten Werkstoffes -> Im Schadensfall zur Ursachenanalyse 2

3 Einteilung der Werk- und Hilfsstoffe Begriffe Naturstoffe: sind Stoffe, die ohne menschliches oder maschinelles Zutun in der Natur entstanden sind, z.b. Erze, Minerale, rein vorkommende Metalle (Gold, Silber, Kupfer) sowie Öl und Holz Rohstoff: liegen vor, wenn menschliche oder maschinelle Arbeitskraft aufgewandt wurde, um die Naturstoffe nutzbar zu machen, Rohstoffe sind beispielweise abgebaute Erze, geförderte Kohle oder Erdöl. Hilfsstoff: sind Stoffe, die zur Aufrechterhaltung des Produktionsprozesses nötig sind, aber nicht in das Fertigprodukt eingehen. Hierzu gehören beispielsweise Schmierstoffe, Schneid- und Kühlstoffe. Werkstoff: von einem Werkstoff spricht man, sobald ein Rohstoff die verschiedenen Stufen des Produktionsprozesses durchlaufen hat und unmittelbar vor der Verarbeitung zu einen Fertigprodukt steht. 3

4 Einteilung der Werk- und Hilfsstoffe Damit ein Stoff als Werkstoff Verwendet werden kann, müssen i.d.r. drei Voraussetzungen erfüllt sein: günstige Kombination physikalischer Eigenschaften gute Verarbeitbarkeit Wirtschaftlichkeit in der Beschaffung, Weiterverarbeitung und Entsorgung Um einen ersten Überblick über die Vielfalt der Werkstoffe zu gewinnen, teilt man sie in Gruppen ein. Die Werkstoffe jeder Gruppe haben teils gemeinsame, teils werkstoffspezifische Eigenschaften. Diese Eigenschaften bestimmen die Anwendungsmöglichkeiten der jeweiligen Werkstoffe. 4

5 Einteilung der Werk- und Hilfsstoffe Metalle Nichtmetalle Verbund- Werkstoffe Eisenwerkstoffe NE-Metalle Stähle Werkzeugstähle Baustähle Eisen- Guss- Werk- Stoffe z.b. Grauguss Sphäroguss Temperguss Leichtmetalle Dichte < 4,5Kg / dm³ z.b. Aluminium Titan Magnesium Schwermetalle Dichte > 4,5Kg / dm³ z.b. Kupfer Zink Blei Naturstoffe z.b. Holz Leder Granit Kunststoffe z.b. PVC Plexiglas Glas Faser und Teilchen- Verbund- Werkstoffe z.b. Glasfaserverstärkte Kunststoffe, Hartmetalle Schicht- Verbunde und Strukturverbunde z.b. Wandpaneele MDF-Platten PKW Stoßfänger 5

6 Werkstoffaufbau - Atommodelle Die Gebrauchseigenschaften der metallischen Werkstoffe bestimmen neben dem Preis, deren Praktischen Anwendung. Die chemische Zusammensetzung und die Struktur der Festkörper haben in hohem Maße Einfluss auf die technisch nutzbare Eigenschaften. Die Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften, bildet eine Grundlage für das Verständnis aller folgenden Themengebiete, die metallische Stoffe zum Gegenstand haben! Ebenso gelten die Ausführungen auch für die nichtmetallischen Stoffe. Die Struktur und Eigenschaften der Metall, lassen sich technologisch gezielt ändern! 6

7 Werkstoffaufbau - Atommodelle Woraus bestehen Atome? Atome bestehen stets aus dem Atomkern (elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch neutrale Neutronen) sowie den Kern umkreisenden elektrisch negativen Elektronen. Merke: Die Anzahl der Protonen ist gleich der Ordnungszahl der Elemente im Periodensystem. Die Zahl der Elektronen muss dieser Ordnungszahl entsprechen, damit das Atom elektrisch neutral wird. -> 2 x n² = max. Anzahl der Elektronen des Atoms -> n = Hauptgruppe Anzahl der Elektronen in der äußeren Schale (Hauptgruppe) 7

8 Werkstoffaufbau - Atommodelle Rutherford sches Atommodell Entwickelt im Jahre 1911 Sehr vereinfachter Modellaufbau Kern-Hülle-Modell liefert folgenden Atomaufbau: 8

9 Werkstoffaufbau - Atommodelle Bohr sches Atommodell 9

10 Werkstoffaufbau - Bindungsarten Elektronenpaarbindung (Kovalente Bindung) Durch die Elektronenpaarbindung werden Nichtmetallatome untereinander gebunden. Nichtmetallatome besitzen vielen Elektronen auf der Außenschale z.b. Chloratom Nichtmetallatome können in einer Verbindung mit anderen Nichtmetallatomen einen edelgasähnlichen Aufbau der Außenschale erreichen, indem die Atome untereinander aus einfach besetzten Kugelwolken gemeinsam, mit zwei Elektronen besetzte Kugelwolke bilden. Die Elektronen, welche von zwei Atomen zur Bildung einer gemeinsamen Kugelwolke benutzt werden, nennt man ein Elektronenpaar. Man bezeichnet darum die Bindung die durch gemeinsame Elektronenpaare entsteht, als Elektronenpaarbindung. 10

11 Werkstoffaufbau - Bindungsarten Ionenbindung Durch die Ionenbindung werden Metallatome und Nichtmetallatome miteinander gebunden. Metallatome haben auf der Außenschale wenig Elektronen, Nichtmetallatome dagegen viele. Zur Erreichung eines edelgasähnlichen Aufbaus der Außenschale geben Metallatome die Elektronen ihrer Außenschale an die Nichtmetallatome ab. Durch die Abgabe der Elektronen werden die Metallatome zu positiv geladenen Teilchen, die man als positiv geladene Ionen oder Kationen bezeichnet. Die Nichteisenmetallatome erhalten durch die Aufnahme dieser Elektronen edelgasähnlichen Aufbau der Außenschalen. Sie werden durch die Aufnahme von Elektronen zu negativ geladenen Teilchen, die man als negativ geladenen Ionen oder Anionen bezeichnet. Aufgrund der Anziehungskräfte, welche zwischen den gegensätzlichen elektrischen Ladungen wirken, ziehen sich die Kationen und Anionen gegenseitig an und bilden so eine chemische Verbindung. Die Art der Bindung wird daher als Ionenbindung bezeichnet. 11

12 Werkstoffaufbau - Bindungsarten Metallbindung Reine Metalle sind chemische Elemente, deren Atome nur wenige Elektronen auf den Außenschalen besitzen Valenzelektronen. In einer Verbindung mit anderen Metallatomen werden die Elektronen der äußeren Schale freigegeben. Es entstehen somit positiv geladene Metallionen, zwischen denen sich die freigegebenen Elektronen bewegen. Weil der Aufenthaltsbereich der freigegeben Elektronen begrenzt ist, spricht man von quasifreien Elektronen. Diese quasifreien Elektronen erfüllen eine doppelte Funktion Sie halten die positiv geladenen Metallionen zusammen Sie stehen als frei bewegliche Ladungsträger für den Transport des elektrischen Stroms zur Verfügung 12

13 Werkstoffaufbau - Bindungsarten 13

14 Werkstoffaufbau - Metalle Diese Art der Bindung, in der positiv geladenen Metallionen durch frei bewegliche Elektronen zusammengehalten werden, bezeichnet man als Metallbindung. Bei dieser Bindungsart wirken Anziehungskräfte zwischen den Trägern unterschiedlicher Ladungen -> quasi zwischen Metallionen und freien Elektronen, sowie Abstoßkräfte zwischen den Trägern gleicher Ladungen in alle Richtungen. Die günstigsten Verhältnisse für ein Gleichgewicht zwischen anziehenden und abstoßenden Kräften ergeben sich bei einer regelmäßigen Anordnung der Metallionen in Form eines Gitters. Diese Regelmäßige Anordnung liegt bei allen Metallen vor. Stoffe, in denen die kleinsten Teilchen in Form eines Gitters aufgebaut sind, bezeichnet man als kristallin. Metalle sind wegen ihrer Metallbindung kristallin aufgebaut. 14

15 Werkstoffaufbau - Metalle Die infolge der Metallbindung freien Elektronen sind die Ursache für die gute elektrische Leitfähigkeit der Metalle. Schließt man mit einem metallischen Leiter einen Stromkreis. So fließt elektrischer Strom. Der Stromfluss hat seine Ursache darin, dass zusätzlich zu den im Leiter befindlichen freien Elektronen, vom Minuspol der Spannungsquelle aus, Elektronen in den Leiter eintreten. Alle im Stromkreis befindlichen freien Elektronen werden dadurch in Richtung vom Minus- zum Pluspol in Bewegung gesetzt. 15

16 Werkstoffaufbau - Metalle Das Gefüge eines Metallischen Werkstoffes, d.h. seine Gliederung in Kristalle, entsteht nach dem Vergießen beim Erstarren der Metallschmelze zum festen Metallkörper. Punkt 1 -> Beginn der Kristallbildung Punkt 2 -> fortschreitende Kristallbildung Punkt 3 -> vollständige Erstarrung 16

17 Werkstoffaufbau - Metalle Innerer Aufbau der Metalle -> Kristallgitter Der innere Aufbau eines Metalls bestimmt seine Eigenschaft und die Verwendbarkeit in der Technik. Beim Erstarren eines Metalls aus der Schmelze lagern sich die Metallionen an vielen Keimen an und bilden Kristalle. Dies Kristalle wachsen so lange, bis sie gegeneinander stoßen. Man bezeichnet dann diese an weiterem Wachstum gehinderten Kristalle als Kristalline. In der Metallkunde werden sie als Körner bezeichnet. Die Grenze zwischen benachbarten Körnern wird als Korngrenze bezeichnet. Die Korngröße beeinflusst die Eigenschaft eines Werkstoffes. So ist z.b. ein Gefüge aus kleinen Körnern zäher als ein grobkörniges Gefüge. Dies ist hingegen besser Spanend zu bearbeiten. Auch die magnetischen Eigenschaften ferromagnetischer Werkstoffe werden entscheidend durch die Korngröße bestimmt. An polierten und geätzten Metallproben können Körner und Korngrenzen sichtbar gemacht werden. Diese Analyseart nennt man Metallmikroskopie. 17

18 Werkstoffaufbau - Metalle Innerer Aufbau der Metalle -> Gitteraufbau Zur Beschreibung des Aufbaus von Kristallen denkt man sich in der Mitte der Teilchen durch Linien verbunden, so dass ein räumliches Gitter entsteht. Durch die Figur der kleinsten, immer wiederkehrenden Einheit dieses Gitters Elementarzelle beschreibt man den kristallinen Aufbau. 18

19 Werkstoffaufbau - Metalle Kristallgitter Bei allen in der Natur vorkommenden Kristallarten können 14 Elementarzellen, die sog. Bravais-Gitter, unterschieden werden, die sich 7 verschiedenen Kristallsystemen zuordnen lassen. Bei den Gebrauchsmetallen treten im wesentlichen die 3 folgenden Gitterarten auf. krz: Metallionen bilden sich zu einem Würfel, zusätzlich befindet sich eines im Zentrum des Kubus. Packungsdichte: 68% hex: Metallionen bilden ein Sechseckiges Prisma mit 3 Metallionen im Zentrum und je einem mittig auf den Grundflächen. Packungsdichte: 74% kfz: Metallionen bilden ebenfalls einen Würfel, jedoch befindet sich kein Ion in der Mitte, stattdessen liegt auf jeder Seite zentral ein Metallion. Packungsdichte: 74% Packungsdichte bezeichnet die Anzahl der Atome je Volumeneinheit in % 19

20 Werkstoffaufbau - Verbundwerkstoffe Innerer Aufbau der Verbundwerkstoffe - Allgemein Verbundwerkstoffe entstehen durch Kombination von mindestens zwei Werkstoffen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffgruppen. Mit ihrer Hilfe können mechanische oder physikalische Eigenschaften erreicht werden, die mit einem Werkstoff nicht oder nur unter höherem Aufwand möglich sind. Verbundwerkstoffe werden häufig dort eingesetzt, wo eine Verbesserung bestimmter Eigenschaften von konventionellen Werkstoffen nicht mehr möglich ist. Die Komponenten der Verbunde werden dabei so ausgewählt, dass sie nur im Bereich ihrer herausragenden Eigenschaften beansprucht werden. Verbundwerkstoffe gewinnen in der Technik eine zunehmende Bedeutung, denn sie ermöglichen: eine optimale Nutzung unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften Material- und Energieeinsparung (Leichtbau) Kosteneinsparung 20

21 Werkstoffaufbau - Verbundwerkstoffe WPC - Wood Plastic Composites GFK - glasfaserverstärkter Kunststoff 21

22 Werkstoffaufbau - Verbundwerkstoffe Innerer Aufbau der Verbundwerkstoffe Unterscheidung Nach Art der Anordnung der Komponenten im Verbund werden unterschieden in: Schichtverbundwerkstoffe Faserverbundwerkstoffe Teilchenverbundwerkstoffe Durchdringungsverbundwerkstoffe Nach Größe und Ausrichtung der Einlagerungen ist eine weitere Unterscheidung möglich. So wird bei den Faserverbundwerkstoffen üblicherweise nach Kurz- und Langfasern mit regelmäßiger oder unregelmäßiger Ausrichtung unterschieden. 22

23 Werkstoffaufbau - Verbundwerkstoffe Innerer Aufbau der Verbundwerkstoffe Beispiele 23

24 Werkstoffeigenschaften Physikalische Eigenschaften Mechanisch- technologische Eigenschaften Fertigungstechnische Eigenschaften Chemisch- technologische Eigenschaften Umwelt-Eigenschaften 24

25 Physikalische Eigenschaften Die Physikalische Eigenschaft beschreiben Zustand der Werkstoffe bzw. Zustandsänderung bei Änderung der Temperatur. Dichte ρ: Ist der Quotient aus Masse m und Volumen V eines Körpers Schmelzpunkt: Ist die Temperatur T bei der ein Werkstoff zu schmelzen beginnt. thermische Längenausdehnung: Der thermische Längenausdehnungskoeffizient α gibt die Längenänderung Δl eines 1m langen Körpers bei einer Temperaturänderung von Δt = 1 K / 1 C an. Leitfähigkeit (Wärme/Elektrisch): Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, den elektrischen Strom zu leiten. Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit des Stoffes, die Wärmeenergie zu leiten. 25

26 Mechanisch- technologische Eigenschaften Die mechanisch- technologische Eigenschaften kennzeichnen das Werkstoffverhalten unter der Einwirkung von verschiedenen Kräften. Elastizität: Unter der Elastizität wird die Fähigkeit des Werkstoffes nach einer Verformung in ihre Ausgangsform zurück zu gehen bezeichnet. Plastizität: Beschreibt die Dauerhafte/bleibende Verformung nach einer Krafteinwirkung auf den Werkstoff. Sprödigkeit: Bezeichnet die Eigenschaft eines Werkstoffes unter Belastung zu brechen, ohne sich vorab merklich zu verformen. 26

27 Mechanisch- technologische Eigenschaften Unterschied Zähigkeit und Härte. Zähigkeit: unter Zähigkeit wir die Eigenschaft eines Werkstoffes beschrieben, bei der bleibenden (plastischen) Verformung großen Wiederstand entgegenzusetzen. Härte: ist der Wiederstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines anderen Körpers (Prüfkörper) entgegensetzt. Zähe Werkstoffe sind z.b. Kupfer, Aluminium und Federstahl Harte Werkstoffe sind z.b. Hartmetalle, gehärteter Stahl und Korund 27

28 Mechanisch- technologische Eigenschaften Beanspruchungsarten (Zug- und Druckbeanspruchung) je nachdem, in welcher Richtung Kräfte auf ein Werkstoff wirken, herrschen im Werkstoff unterschiedliche Beanspruchungen. Wirken zwei entgegengesetzte Kräfte, die auf einer Wirkungslinie sind, entgegen des Werkstoffs. So liegt Zugbeanspruchung vor. Wirken die Kräfte zueinander auf den Werkstoff. So liegt Druckbeanspruchung vor. 28

29 Mechanisch- technologische Eigenschaften weitere Beanspruchungsarten Für jede Beanspruchungsart hat ein Werkstoff eine höchste Belastungsgrenze, die sich Festigkeit nennt. 29

30 Mechanisch- technologische Eigenschaften Zugspannung: Um die Größe der Zugbeanspruchung in einem Bauteil, unabhängig von der Bauteilgröße, zu berechnen, bezieht man die einwirkende Zugkraft F auf den Bauteilquerschnitt S 0. Diese Größe nennt man Zugspannung σ z [N/mm²] Zugfestigkeit: Die bei der größten Zugkraft F m im Werkstoff herrschende Zugspannung ist die Zugfestigkeit R m Streckgrenze: Die Zugspannung, die unmittelbar vor Beginn des Streckens im Werkstoff herrscht, nennt man Streckgrenze R e Dehnung: Die infolge einer einwirkenden Kraft zurückbleibende Verlängerung eines Werkstoffes bezogen auf die Ausgangslänge L 0, bezeichnet man als Dehnung ε 30

31 Fertigungstechnische Eigenschaften Gießbarkeit Schweißeignung Spanbarkeit Härtbarkeit Schmiedbarkeit Kaltumformbarkeit 31

32 Fertigungstechnische Eigenschaften Die Fertigungstechnische Eigenschaften beschreiben die Eignung der Werkstoffe für die verschiedenen Fertigungsverfahren. Gießbarkeit: Die Gießbarkeit der Schmelze eines Werkstoffs ist die Voraussetzung zur Verarbeitung von Gussstücken. Damit die Gussform vollständig ausgefüllt wird, muss die Schmelze möglichst dünnflüssig sein, außerdem dürfen sich bei der Erstarrung keine Hohlräume (Lunker) bilden. Für die verschiedenen Anwendungsbereiche wurden dazu spezielle Gusswerkstoffe entwickelt. Spanbarkeit: Alle Eisenwerkstoffe sowie die meisten Nichteisenmetalle haben die Eigenschaft der spanenden Formbarkeit, d. h., diese Werkstoffe können durch Drehen, Fräsen, Bohren etc. spanend bearbeitet werden. Schlecht spanend bearbeitbar sind sehr harte und spröde Werkstoffe. Schmiedbarkeit: Die Schmiedbarkeit ist die Fähigkeit eines Werkstoffs, sich im erwärmten Zustand durch Krafteinwirkung umformen zu lassen. Die meisten Stähle sowie Aluminium- und Kupferknetlegierungen sind schmiedbar, Gusswerkstoffe im Allgemeinen nicht. 32

33 Fertigungstechnische Eigenschaften Die Fertigungstechnische Eigenschaften beschreiben die Eignung der Werkstoffe für die verschiedenen Fertigungsverfahren. Schweißeignung: Die Schweißeignung eines Werkstoffs ermöglicht das Fügen von zwei oder mehreren Bauteilen zu Baugruppen durch Schweißen. Bei begrenztem Kohlenstoffgehalt sind unlegierte und legierte Stähle gut schweißbar. Auch Gusseisen und Aluminium- und Kupferlegierungen können mit dem entsprechende Verfahren verschweißt werden. Härtbarkeit: Mit der Härtbarkeit wird die Eigenschaft eines Werkstoffs beschrieben, wenn durch Abschrecken des glühenden Bauteils in Wasser oder Öl eine wesentliche Verbesserung der Härte erreicht wird. Beim Vergüten (Härten und Anlassen) kann auch die Festigkeit wesentlich erhöht werden. Härtbar sind die meisten Stähle, einige Eisen- Gusswerkstoffe sowie bestimmte Aluminium- Legierungen. Kaltumformbarkeit: Die Eigenschaft eines Werkstoffs, sich bei Umgebungstemperatur durch Biegen, Abkanten, Tiefziehen u. a. umformen zu lassen, wird als Kaltumformbarkeit bezeichnet. Vor allem Bleche, Bänder und Rohre werden entsprechend kaltumgeformt. 33

34 Chemisch- technische Eigenschaften Die Chemisch- technologischen Eigenschaften befassen sich mit den stoffverändernden Wirkungen von Umwelteinflüssen und aggressiven Stoffen (Wirkmedien) auf die Werkstoffe. Korrosionsbeständigkeit: Als Korrosion bezeichnet man die von der Oberfläche des Werkstoffs ausgehende Zerstörung durch chemische oder elektrochemische Reaktionen Verstärkt wird die Korrosion durch ungünstige Umwelteinflüsse (Regen, Salzhaltige Luft in Küstennähe etc.) Korrosionsunbeständig sind unlegierte Stähle, d.h. sie rosten an der Luft. Korrosionsbeständig sind die nichtrostenden Stähle (umgangssprachlich Edelstähle), sowie Kupfer und Aluminium Werkstoffe. Alle anderen Werkstoffe müssen mit geeigneten Maßnahmen gegen Korrosion geschützt werden Temperaturbeständigkeit: Die Temperaturbeständigkeit spielt bei Bauteilen eine Rolle, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind. Unlegierte Stähle sind z. B. wärmebeständig bis ca. 600 C, darüber hinaus verzundern sie. Verzunderungsfeste Stähle können dagegen bis zu 1100 C erhitzt werden Brennbarkeit: Relevant bei Kunstoffen wird bei Metallen i.d.r. nicht erreicht 34

35 Chemisch- technische Eigenschaften 35

36 Chemisch- technische Eigenschaften 36

37 Chemisch- technische Eigenschaften Umweltverträglichkeit, gesundheitliche Unschädlichkeit Die Werk- und Hilfsstoffe sollen bei ihrer Herstellung, bei der Bearbeitung und beim sachgemäßen Gebrauch keine gesundheitsgefährdende Wirkung ausüben. Nach dem Gebrauch der Geräte und Maschinen sollen die Werkstoffe recyclebar sein. Die am häufigsten verwendeten metallischen Werkstoffe sind überwiegend umweltverträglich: Eisen- und Stahl-Werkstoffe, Aluminium und Kupferwerkstoffe. Giftig sind die Metalle Blei und Cadmium, wenn sie z.b. als Feinstaub eingeatmet werden. Beim zerspanen von Werkstoffen ist darauf zu achten, dass kein Kühlschmierstoffnebel eingeatmet werden kann. Vermeidung von Chrom 6 haltigen Oberflächenschichten (Gelbchromatierung) 37