Kontrollfragen zu Kapitel 5

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1 Martin Reuter: Methodik der Werkstoffauswahl 5.1 Lösungen zu Kontrollfragen Kontrollfragen zu Kapitel Welches Ziel verfolgt Phase II der Materialsuche, die Vorauswahl? o Die Vorauswahl hat das vorrangige Ziel, Materialien mit möglichst weit-gehender Übereinstimmung zwischen Anforderungsprofil des gesuchten Werk stoffs und Eigenschaftsprofilen von Konstruktionswerkstoffen zu finden. Sie identifiziert üblicherweise noch keine Materialsorten, sondern üblicherweise Werkstoffgruppen, -untergruppen oder auch familien. 5.2 Welcher Typ von Materialeigenschaften wird bevorzugt für die Vorauswahl verwendet? Nennen Sie drei Beispiele! o Quantitative Eigenschaften wie Festigkeit, Elastizitätsmodul, max. Betriebstemperatur, thermischer Ausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, spez. elektrischer Widerstand, Relativkostenfaktor 5.3 Welche Möglichkeiten bestehen, um qualitative Werkstoffmerkmale zu quantifizieren? Nennen Sie ein Beispiel! o Einstufungen z. B. in Werten 1 5 o Beständigkeitstabellen gegenüber einwirkenden Medien oder Schweißeignung 5.4 Welche Kriterien sollten erst bei der Feinauswahl Berücksichtigung finden und warum? o Nicht quantifizierbare Eigenschaften (i. d. R. attributiv), da sie in Datenbanken nicht numerisch ausgewertet werden können. 5.5 Was sind Ausschlusskriterien? Welchen Vorteil haben sie gegenüber anderen Suchkriterien? o Als Ausschlusskriterien sollen Bedingungen charakterisiert werden, die im Gegensatz zu anderen Suchkriterien durch ihre strikte Grenzziehung zum Ausschluss von Werkstoffen führen. o Sie grenzen die Zahl der möglichen Werkstofflösungen (Suchfelder) stark ein. 5.6 Welche Vorteile hat eine grafische Darstellung von Werkstoffkennwerten in Werkstoffschaubildern? o Übersichtlich und vergleichend. 5.7 Warum wird in Werkstoffschaubildern, die alle Materialien aller Werkstoffgruppen darstellen, ein logarithmischer Maßstab gewählt? o Die Spannbreite der Eigenschaftswerte, z. B. des Elastizitätsmoduls, geht über mehrere Zehnerdekaden, sodass eine Gesamtdarstellung nur über eine nicht lineare, logarithmische Skalierung erfolgen kann. 5.8 Ordnen Sie die Legierungen von Aluminium, Nickel, Magnesium und Titan sowie die Stähle nach ihrem Elastizitätsmodul in aufsteigender Reihenfolge! Was bedeutet dies für ein strukturmechanisches Bauteil (tragende Struktur) bei gleicher Bauweise und gleicher anliegender Last? Welche Konsequenzen hat dies für die Konstruktion? o Werkstoffschaubild mit Elastizitätsmodul: Mg Al Ti St Ni o Deutlich stärkere Verformungen von Mg- gegenüber Ni-Strukturen o Andere Bauweisen mit Legierungen niedrigeren Elastizitätsmoduls: versteifende Elemente verwenden, größere Bauteilquerschnitte usw. 5.9 Welche Leichtbauwerkstoffe zum Aufbau tragender Strukturen würden sich allein aufgrund hoher spezifischer Festigkeiten und hoher spezifischer Elastizitätsmodule anbieten? o Werkstoffschaubild spez. Festigkeit / spez. Elastizitätsmodul: Technische Keramiken, Verbundwerkstoffe (GFK, CFK, AFK)

2 Martin Reuter: Methodik der Werkstoffauswahl 5.2 Lösungen zu Kontrollfragen 5.10 Was charakterisiert die Bruch- oder Risszähigkeit K 1C eines Materials? o Die Bruchzähigkeit K IC (oder auch Risszähigkeit), charakte risiert die Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber einer Rissausbrei tung. Einfacher aus-gedrückt stellt diese Größe eine Toleranz gegenüber Fehlern im Werkstoff dar Warum werden technische Keramiken nicht als Leichtbauwerkstoffe für tragende Strukturen eingesetzt? Werkstoffschaubild Bruchzähigkeit / Festigkeit (oder Elastizitätsmodul) o Aufgrund der niedrigen K IC -Werte findet eine Rissausbreitung weit unterhalb der Festigkeit des Werkstoffs statt (unterkritisches Risswachstum). Kleine Risse neigen zu schnellem Wachstum; die Keramik versagt bereits bei geringeren Spannungen. o Hinzu tritt die breite Streuung der Werkstoffkennwerte. In der Praxis wird zu wirkenden Biegespannungen eine Überlebenswahrscheinlichkeit für Keramiken ermittelt (vergleiche Schlagwortregister: Stichwort Risswachstum ) 5.12 Die Vertreter welcher Materialgruppen sollten für die Geräuschdämmung eingesetzt werden? Welche sind hingegen gänzlich ungeeignet? Werkstoffschaubild: Verlustfaktor / Elastizitätsmodul o Gut: Elastomere (Kautschukprodukte), Schäume (heute auch Metallschäume!) o Schlecht: Keramiken 5.13 Wie können Materialien bei hohen Temperaturen versagen? o Reduzierte Festigkeit durch Kriechen, Zersetzen, Bruch durch Überbeanspruchung, Reaktion mit umgebenden Medien (Oxidation). o Veränderte Materialeigenschaften führen zu funktionellem Versagen Prüfen Sie, welche der Materialgruppen höchste Einsatztemperaturen erlauben? Nennen Sie einen Anwendungsfall aus der Raumfahrt. Werkstoffschaubild: Festigkeit / Max. Einsatztemperatur Keramiken (technische wie nicht-technische) Hitzeschild des Space Shuttle besteht aus keramischen Materialien Welche metallischen Werkstoffe sind für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet? Nennen Sie Einsatzfälle. Werkstoffschaubild: Festigkeit / Max. Einsatztemperatur o Titan-, Nickel-, Wolframlegierungen, nichtrostende Stähle. Darüber hinaus gibt es weitere Werkstoffe, die nicht im Diagramm auftauchen, aber über Internetrecherche oder Fachbücher (z. B. Schatt: Konstruktionswerkstoffe) ermittelt werden können: Chromstähle, Superlegierungen, Kobaltlegierungen, hochschmelzende Metalle. o Bauteile in Turbinen, Ofentechnik, Auslassventile in Dieselmotoren 5.16 Die Festigkeit einer metallischen Werkstoffprobe soll bei erhöhten Temperaturen geprüft werden. Das Aufheizen der Probe erfolgt durch direkten Stromdurchfluss. Welches Zuleitungsmaterial sollte gewählt werden, wenn möglichst wenig elektrische Leistungsverluste anzustreben sind? Des Weiteren soll durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit ein Aufheizen des elektrischen Leiters durch schnelle Wärmeabfuhr gewährleistet werden. Entsprechend ist ein möglichst geringes Wärmespeichervermögen anzustreben. Wird dies von dem/den gewählten Werkstoff(en) erfüllt? Werkstoffschaubild: Spez. elektr. Widerstand / Wärmeleitfähigkeit o Niedriger spezifischer elektrischer Widerstand, hohe Wärmeleitfähigkeit

3 Martin Reuter: Methodik der Werkstoffauswahl 5.3 Lösungen zu Kontrollfragen o Metallische Werkstoffe sind die besten. Darunter haben Kupferlegierungen die höchste Wärmeleitfähigkeit und den geringsten spezifischen elektrischen Widerstand. o Die gewünschte thermische Eigenschaften des Leitermaterials wird durch die Temperaturleitfähigkeit beschrieben: Die Wärmeleitfähigkeit ist hoch, die Wärmekapazität ρ c p klein. Daraus folgt eine ebenfalls zu maximierende Temperaturleitfähigkeit für das gesuchte Material. Im Werkstoffschaubild Wärmeleitfähigkeit / Temperaturfähigkeit zeigen die Kupferlegierungen das gewünschte Verhalten Das Material der Sohle eines Bügeleisens ist zu wählen. Welche Werkstoffe sind aus Sicht der thermischen Anforderungen einsetzbar? o Hohe Wärmeleitfähigkeit, ausreichend gutes Wärmespeichervermögen (vergleiche Kontrollfragen in Kapitel 4) Werkstoffschaubild: Spez. Wärmeleitfähigkeit / Temperaturleitfähigkeit Werkstoffschaubild: Wärmeleitfähigkeit / Temperaturleitfähigkeit o Im Nenner der Temperaturleitfähigkeit steht das Wärmespeichervermögen (= Dichte x spez. Wärmekapazität). Es sind daher Werkstoffe zu wählen, die bei hoher Wärmeleitfähigkeit eine möglichst geringe Temperaturleitfähigkeit haben, damit die Sohle in den Bügelpausen seine Temperatur hält. o Hohe Wärmeleitfähigkeiten besitzen die technischen Keramiken und die Metalle. Diese Hauptfunktion muss in jedem Fall erfüllt werden, sodass andere Werkstoffgruppen ausscheiden. Eine möglichst niedrige Temperaturleitfähigkeit in der Gruppe der Metalle und technischen Keramiken erfüllen die Werkstoffgruppen Gusseisen, Kohlenstoffstähle (unlegierte Stähle), Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid. Auch Nichtrostende Stähle und Titanlegierungen könnten in weitere Untersuchungen miteinbezogen werden Ordnen Sie die Werkstofffamilien der Legierungen des Aluminiums, des Magnesiums, des Titans, der nichtrostenden Stähle, der glasfaser- und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe, von Polypropylen, Polyamid und der Silikone in aufsteigender Reihenfolge nach ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Werkstoffschaubild: Thermischer Ausdehnungskoeffizient / Wärmeleitfähigkeit o CFK - Ti-Leg. - Nichtrostende Stähle - Al-Leg. - Mg-Leg. - GFK in Überschneidung mit den letzten drei Werkstofffamilien - Polyethylen PE - Polyamid PA - Silikone 5.19 Welche mechanischen und thermischen Werkstoffeigenschaften sind für die Temperaturschockbeständigkeit von Bedeutung? Begründen Sie Ihre Nennungen. o Niedriger therm. Ausdehnungskoeffizient: Der Werkstoff spannt sich bei einem lokalen Temperaturwechsel nicht selbst ein, d. h., eine lokale Wärmeausdehnung mit daraus folgenden Wärmespannungen findet nicht statt. o Große Wärmeleitfähigkeit: Wärme wird möglichst schnell von der lokal erwärmten Stelle in andere Materialbezirke gebracht, sodass keine lokale Aufheizung stattfindet. Hohe Wärmespannungen werden nicht induziert. o Niedriger Elastizitätsmodul: Niedrige Elastizitätsmodule führen bei thermischer Verformung des Werkstoff nur zu geringen Wärmespannungen (und umgekehrt). o Hohe Festigkeit: Werkstoffe mit hohen Festigkeiten können auch hohe innere Wärmespannungen ertragen. o Niedrige Wärmekapazität: Eine geringe Wärmekapazität sorgt für eine hohe Temperaturleitfähigkeit (ebenso wie die hohe Wärmeleitfähigkeit). Temperaturausgleichsvorgänge finden schnell statt. Ein lokales Aufheizen erfolgt nicht.

4 Martin Reuter: Methodik der Werkstoffauswahl 5.4 Lösungen zu Kontrollfragen 5.20 Welche Auswahlproblematiken ergeben sich im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit von Materialien? o Die Verschleißfestigkeit verknüpft sich immer mit einem anderen Werkstoff und den Betriebsbedingungen. Daher sind Werkstoffkennwerte nicht möglich. Die Verschleißfestigkeit ist i. d. R. im Versuch nachzuweisen. Erfahrung spielt bei der Auswahl eine große Rolle Welche Materialien weisen gegenüber dem Trockenlauf mit Stahl größte bzw. kleinste Reibwerte auf? Nennen Sie daraus resultierende technische Anwendungen. Werkstoffschaubild (Balkendiagramm): Reibwerte o Größte Werte: Natürlicher und synthetischer Kautschuk bis etwa 4 Bremswirkung von Elastomerbelägen. o Kleinste Werte: PTFE um 0,04 Gleitlagertechnik Entnehmen Sie dem Werkstoffschaubild Festigkeit über Relativkostenfaktor die Faktoren k v * für die Werkstofffamilien glasfaserverstärkte und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, Aluminiumoxid, Kohlenstoffstähle, nichtrostende Stähle, Magnesium- und Titanlegierungen sowie Polyethylen. Werkstoffschaubild: Festigkeit / Relativkostenfaktor o Polyethylen etwa 0,3 o Kohlenstoffstähle um die 1 o Mg-Leg. etwas über 2 o Aluminiumoxid etwa 2 bis 5 o Glasfaser verstärkte Kunststoffe: etwa 4 bis 9 o Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffe etwa 20 bis 30 o Ti-Leg. etwa 20 bis 70 o Nichtrostende Stähle etwa 5 bis Welche Designparameter ergeben sich aus der Analyse von Funktions- und Bedingungsgleichungen? Erläutern Sie die unterschiedlichen Indizes. o Funktionsindex: Von den äußeren Lasten abhängige Größe. Je nach Beanspruchung (z. B. Lasthöhe, erforderlicher Wärmestrom im Bauteil, erforderliche Stromstärken) ergeben sich entsprechende Anforderungen an das Material. o Geometrieindex: Eine Größe, die durch die konstruktive Gestaltung des Bauteils festgelegt ist (Abmessungen, sich ergebende Flächen). o Materialindex: Eine rein von den Materialeigenschaften abhängige Größe, die aus dem funktionellen und konstruktiven Zusammenhang Werkstoffeigenschaften in das anwendungsspezifisch korrekte Verhältnis setzt. Dadurch wird die Materialauswahl wesentlich stärker an den Anwendungsfall ausgerichtet (Suche nicht über die Werkstoffeigenschaften separat, sondern über den Materialindex) Welchen Vorteil hat die Werkstoffsuche über Materialindizes gegenüber der Suche von Werkstoffeigenschaften? o Die Materialauswahl wird wesentlich stärker an den Anwendungsfall ausgerichtet, da der Zusammenhang von Funktion und Konstruktion berücksichtigt wird.

5 Martin Reuter: Methodik der Werkstoffauswahl 5.5 Lösungen zu Kontrollfragen 5.25 Was ist das Arbeitsergebnis der Vorauswahl, wie entsteht es und was sollte es in jedem Fall beinhalten? o Liste möglicher Materiallösungen o Es entsteht durch Eingrenzung der Vorauswahlliste auf eine sinnvolle Anzahl an möglichen Werkstofflösungen. Beurteilungskriterien sind die Werkstoffeigenschaften und die Materialindizes. Eine Rangfolgenbildung sollte noch nicht stattfinden. o Sie sollte in jedem Fall die Suchkriterien des Vorauswahlprozesses beinhalten.