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Veranstaltung im WS 2019/20.
Zusammenfassung der Vorlesung....

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Werkstoffkunde für Wirtschaftsingenieure

WS 2019/20

Zusammenfassung 1Einführung

2

2 Aufbau der Materie

3

3 Aufbau von Festkörpern

5

4 Mikrostruktur und Eigenschaften

8

5 Metalle

10

5.1 Eisen und Stahl 5.2 Nichteisenmetalle 6 Keramiken 7 Funktionelle Werkstoffeigenschaften 8 Polymere 9 Verbundwerkstoffe

10 14 15 17 22 [nicht klausurrelevant]

1

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1 Einführung -Die 4 Werkstoffgruppen: 

Metalle:  metallische Bindung (schwächer als ionische und kovalente)  Hohe Festigkeit und Zähigkeit  Gute elektrische und thermische Leiter



Keramik:  kovalente oder ionische Bindung  hart und spröde  schlechte elektrische und thermische Leitfähigkeit => Isolator



Polymere:  Kettenmoleküle  Geringe Festigkeit und Temperaturbeständigkeit  Sehr korrosionsresistent  Schlechte elektrische und thermische Leitfähigkeit  Thermoplaste: duktil; Duroplaste: spröde



Verbundwerkstoffe:  Sind Kombination aus verschiedenen Stoffen  Vereinen mechanische und physikalische Eigenschaften der Ausgangsstoffe



(Halbleiter:  Haben besondere elektrische und optische Eigenschaften  Schlüsselrolle in moderner Elektronik)

2

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2 Aufbau der Materie -Atomtheorie von Dalton: 

Elemente bestehen aus Atomen & alle Atome eines Elements sind gleich



Chemische Reaktion = Verbinden o. Trennen (keine Zerstörung o. Bildung) von Atomen



Chemische Verbindung = Verknüpfung von Atomen versch. Elemente mit festem Mengenverhältnis

-Ergänzung von Rutherford: 

Atome bestehen aus Kern (Protonen und Neutronen) und Hülle (Elektronen)

-Quantentheorie von Planck: 

Das Erhitzen von Gasen führt zu Linienspektren (E = h * v)

-Orbitale: 

Geben den wahrscheinlichen Aufenthaltsort der Elektronen um den Kern abhängig von der Schale an



Schrödinger Gleichung: Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons im Orbital



Jedes Orbital fasst maximal 2 Elektronen



Jede Unterschale kann mehrere Orbitale beinhalten (z.B. 3 Orbitale in der p-Unterschale, nur 1 Orbital in der s-Unterschale)



Beispiel Natrium:  3 Schalen mit insgesamt 11 Elektronen  Bezeichnung der Elektronenkonfiguration ist hier 1s22s22p63s1  Erklärung: große Zahl = Schale, Buchstabe = Unterschale, Hochzahl = Anzahl der Elektronen



Allgemeine Reihenfolge der Befüllung: 3

Werkstoffkunde für Wirtschaftsingenieure 

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1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p

-Quantenzahlen: 

Hauptquantenzahl = n

(gibt Schale an)



Nebenquantenzahl = l

(gibt Unterschale an)



Magnetquantenzahl = m

(gibt Orbitale an, 2p = +1, 0, -1, s-Orbital immer m = 0)



Spinquantenzahl = s oder ms

(ist abwechselnd +

1 2

und -

1 ) 2

-Das Periodensystem der Elemente: 

Nach Mendelejew, Meyer und Moseley



Stichwort „Oktett-Regel“



Gruppen von 1 bis 8: Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Triele, Tetrele, Pentele, Chalkogene, Halogene, Edelgase

-Bindungen: 

Bindungstypen:  Metallische Bindung

(Elektronengas zw. positiv geladenen Metallionen)

 Kovalente Bindung

(klass. Atombindung, Atompaare teilen sich Elektronen, auch homöopolare Bindung)

 Ionenbindung

(Ionen tauschen Valenzelektronen und ordnen sich im Kristall an, auch heteropolare Bindung)

 Van-der-Waals-Kräfte (geringe Bindungsenergie, kommt vor bei Wasserstoffbrücken; ist also Kraft zw. polarisierten Teilchen)



Bindungscharakter:  Entscheidend für Bindungsverhalten: die Valenzelektronen  Je metallischer der Charakter eines Elements, desto geringer seine Elektronennegativität  Je größer die Elektronennegativität eines Elements, desto reaktiver ist es



Bindungskraft und -abstand: 4

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 Kraft-Abstands-Diagramm: 

Große Steigung = starke Bindung = hohe Elastizität des Werkstoffs



Am stabilsten ist Zustand bei F = 0

 Energie-Abstands-Diagramm: 

Tiefpunkt der v-förmigen Kurve beim interatomaren Abstand von 2r (2-mal der Atomradius)



Am stabilsten ist Zustand bei niedrigster Energie



Aussage des Graphen: Wärmeausdehnung und Bindungsenergie sind ein Maßstab für die Bindungsstärke

3 Aufbau von Festkörpern -Atomare Anordnung 

Stufe 1: keine Ordnung (z.B. Edelgase)



Stufe 2: Nahordnung (z.B. Wasser in der Dampfphase, Gläser oder Polymere)



Stufe 3: Fernordnung (also Kristallinität, z.B. in Keramiken oder Metallen => Metallgitter)

-Die 7 Kristallsysteme: 1. Kubisch 2. Tetragonal 3. Orthorhombisch 4. Rhomboedrisch 5. Hexagonal 6. Monoklin 7. Triklin [Die Kristallsysteme bestehen aus den Elementarzellen, insgesamt gibt es 14 Kombinationen.] 5

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-Miller’sche Inidizes: 

Dienen der eindeutigen Bezeichnung von Ebenen im Kristallgitter [obere Ebene = (001)]



Gitterkonstante = Längenangabe oder Winkel zur Beschreibung einer Elementarzelle

-Elementarzellen (Bravais-Gitter):



Elementarzelle = die kleinste Einheit des Kristalls

-Koordinatensystem und Gitterparameter:



Randatome zählen nur zu 1/8, weil sie auch Teil der 7 umgebenden Zellen sind



Koordinationszahl gibt an, wie viele Nachbarn ein Atom hat 6

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

Atome pro Zelle ist ein Maß für die Dichte eines Materials



Packungsfaktor = % des Volumens

-Weitere Kristallmerkmale: 

Isotroper Kristall: mechanische und physikalische Eigenschaften sind unabhängig von der Richtung oder Ebene der der Kristallstruktur



Anisotroper Kristall: Eigenschaften sind abhängig von der Richtung

-Zwischengitterplätze: 

Können mit anderen Atomen oder Ionen aufgefüllt werden



Dies hat großen Einfluss auf die mechanischen und physikal. Eigenschaften kristalliner Stoffe

-Gleitebenen: 

Allgemein: Ebenen mit höherer Packungsdichte gleiten besser, da geringere Schubspannung

a) unverformt

b) elastisch verformt

c) elastisch und plastische verformt

-Plastische Dehnung eines Materials: „Wurstscheiben-modell“: Abgleiten der Ebenen mit einem einzigen Gleitsystem, siehe c) -Abweichungen von der idealen Kristallstruktur: 

Arten der Fehler und Maßeinheit: 1. Punktdefekt: 2. Versetzung:



Leerstellendicht in m- 3 Versetzungsdichte in m- 2

3. Korngrenze:

Korngrenzendichte in m- 1

4. Teilchen oder Pore:

Volumenanteil in m0

Punktdefekte:  Leerstelle, Zwischengitteratom, kleines oder großes Substitutionsatom, FrenkelDefekt oder Schottky-Defekt 7

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 Bewirken Druck- oder Zugspannungen, die Gleitvorgang von Versetzungen behindern  Effekt wächst mit Anzahl und Größenunterschied der Fremdatome  Verändert neben Festigkeit auch Zähigkeit und Schmelztemperatur



Versetzungen:  Sind lineare Defekte  Schraubenversetzung oder Stufenversetzung  Scherspannung erforderlich

 Der Burgers-Vektor schließt den Umlauf um die jeweilige Versetzung  (plastische) Verformung entsteht durch das Verschieben von Versetzungen

 „Das Gleiten einer Versetzung geht viel einfacher das Verschieben einer „idealen“ Ebene!“  Sind der Grund für folgende Eigenschaften:





Kfz:

duktil, da optimale Anzahl an Gleitebenen



Krz:

hart



Hdp:

spröde

Korngrenzen:  Sind Grenzflächen zw. Kristalliten  Verringerung der Korngröße führt zu Erhöhung der Gesamtfläche der Korngrenzen  Können Verschiebung von Versetzungen blockieren

-Funktion von Fehlern im Gitter: 

Zur Erhöhung der Festigkeit wird das Versetzungsgleiten gezielt behindert!



Entscheidend: Anzahl und Typ der Gitterstörungen

-Maßnahmen zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften (Festigkeit): 

Kaltverfestigung

(Einbau von Versetzungen)



Mischkristallverfestigung

(Einbau von Punktdefekten)



Feinkornverfestigung

(Verringerung der Korngröße)



[Ausscheidungshärtung (=Feinkornverfestigung?)] 8

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4 Mikrostruktur und Eigenschaften -Materialkenngrößen: 

Festigkeit (keine Verformung, kein Bruch, kein Verschleiß)  Dehnbarkeit (keine Verformung)  Sicherheit (kein Bruch)  Härte (kein Verschleiß)

-Belastungsparameter: 

Dauer



Geschwindigkeit



Temperatur



Periodisch oder nicht

-Versuchsarten: 

Zugversuch:

 Elastizitätsmodul hängt von Bindungskraft ab (Eisen 210.000 MPa, Gummi 100 MPa)  Kenngrößen für die Bruchzähigkeit: Bruchdehnung und Brucheinschnürung



Biegeversuch:  Dient zur Bestimmung des Zugverhaltens spröder Werkstoffe

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 Ermöglicht Ermittlung der Spannungs-Durchbiegungs-Kurve, des E-Moduls und der Biegefestigkeit



Schlagversuch:  Nach Charpy (beidseitig eingespannt) oder Izod (einseitig eingespannt)  Basis für Werkstoffvergleiche ist beim Bruch aufgebrauchte Energie



Kriechversuch:  Kriechen = langsam schleichendes Versetzungswandern  Gibt Auskunft über Materialbelastbarkeit bei erhöhter Temperatur  Kenngrößen sind Kriechgeschwindigkeit und Bruchzeit



Härteprüfung:  Gibt Auskunft über Widerstandsvermögen ggü. Eindrücken sowie über Verschleißund Abriebbeständigkeit  Härte korreliert häufig mit der Zugfestigkeit  Prinzip: Kugel, Kegel oder Pyramide kratzt auf Testkörper  Verfahren: 

Nach Brinell (Stahlkugel)



Nach Rockwell (Diamantkegel)



Nach Vickers (Diamantpyramide)

-Bruchmechanik: 

Bruchmechanik = Arbeitsgebiet, das unvermeidliches Vorhandensein von Rissen im Bauteil berücksichtigt



Bruchzähigkeit = wie leicht sich Risse im Material ausbreiten können => Kenngröße K C



Risse wirken als Spannungsverstärker



Spannungsintensitätsfaktor K = f * σ *



Bei zyklischer Beanspruchung: Dauerschwingversuch (Ermüdungstest)

√ π∗a

-Festigkeit: 

Festigkeit = Widerstand gegen plastische Verformung, Rissausbreitung und Verschleiß



Ausscheidungshärtung (Mittel der Festigkeitssteigerung):  Bedingungen: Ausscheidungen müssen … 10

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

… hart und ungleichmäßig verteilt,



… klein und zahlreich,



… rund statt nadelförmig sein und



… einen möglichst hohen Gesamtanteil an der Legierung aufweisen.

-Zusammenhang von Mikrostruktur und Eigenschaften:

5 Metalle 5.1 Eisen und Stahl -Definition: Stahl ist … … eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit weniger als 2,06% Massenanteil Kohlenstoff … eine Legierung aus Eisen und Eisencarbid (chemisch betrachtet) … schmiedbar, wärmebehandelbar und härtbar

-Stahlproduktion chemisch: 

Rohstoffe: Eisenerze  Roteisenstein FE2O3  Magneteisenstein FE3O4



Reduktion nötig (also + C)  Es entsteht „Roheisen“, also Fe mit ca. 4% C



Entkohlung nötig (also + O2)  Es entsteht Stahl, also Fe mit < 2,06% C

-Stahlproduktion technisch: 

Blasstahlverfahren: 11

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1. Eisenerz, Kohle und Zuschläge werden oben in Hochofen eingeführt 2. Gichtgas kann oben entweichen 3. Am unteren Ende wird Sauerstoff über die Luft zugeführt 4. Ebenfalls unten werden das Roheisen und die Schlacke abgeführt 5. Anschließend wird das Roheisen im Sauerstoff-Aufblaskonverter in Konvektion versetzt 6. Stahl liegt nun vor



Elektrostrahlverfahren:

1. Stahlschrott wird im Lichtbogenofen einem Lichtbogen durch Kohleelektroden ausgesetzt 2. Stahl liegt wieder vor



Nach der Stahlgewinnung: 1. Beifügen von Legierungsmitteln 2. Pfannennachbehandlung 3. Strangguss 12

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-Erstarrung des Stahls aus der Schmelze: 

Erstarren = Entziehen von Energie



Schnelle Abkühlung zur Bildung von Keimen notwendig



Prinzipiell: je feinkörniger der Werkstoff, desto höher seine Festigkeit



3 Schritte der Erstarrung: 1. Keimbildung

(Keime sind Kristallisationskerne)

2. Beginn Kristallwachstum

(Erstarrung beginnt an den Keimen)

3. Ende Kristallwachstum

(Gefüge besteht jetzt aus Körnern und Korngrenzen)

-Phasendiagramme: (hängen mit A-B-Mischkristall zusammen) 

Ermittlung des Zustandsschaubilds mit Hilfe der Abkühlkurve:



Abkühlzeit spielt eine Rolle!

-Stahl als Mischkristall: 

Aufbau der Mischkristalle:  A-Atome bilden Wirtsgitter  B-Atome sind zusätzlich eingelagert oder ersetzen einzelne A-Atome



Mischkristall:  Material B ist quasi vollständig in Material A „gelöst“  Folglich gibt es keine B-Phasen und keine Entmischung

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C-Einlagerung im Fe-Gitter:  Bei niedriger Temperatur ist krz α-Gitter besser  Bei hoher Temperatur ist kfz γ-Gitter besser



Eisen-Kohlenstoff-Diagramm: (Metastabiles System Fe-Fe 3C)

-Perlitbildung: 

Perlit = Eutektoid (Punkt S im obigen Diagramm, also bei 0,8% C)

1. Großer Teil der im Austenit enthaltenen C-Atome diffundiert durch Gitter in die Fe 3C-Phase 2. Großer Teil der Fe-Atome diffundiert in die α-Phase 3. Umverteilung wird durch langsamere Abkühlung begünstigt, da dies eine feinere Lamellenstruktur bedeutet -Wärmebehandlung: 

Normale Abkühlgeschwindigkeit:

< 1K/s



Abkühlgeschwindigkeit über kritischer Abk.geschw.:

> 500 K/s

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

Wärmebehandlung = ein Verfahren, bei dem ein Werkstück im festen Zustand Temperaturänderungen unterworfen wird, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen



Wärmebehandlung = Härten = Vergüten: 1. Austenitisieren (Mischkristallbildung & homogene Verteilung des C) 2. Abschrecken (Martensit-Bildung & C wird eingefroren) 3. Anlassen (definierte Bildung von Ausscheidungen)



Je niedriger die Anlasstemperatur, desto höher die Zugfestigkeit, aber desto niedriger die Bruchdehnung



(723 °C = Umwandlungstemperatur von Austenit zu Ferrit!)

-Stahlarten: (nach Kohlenstoffanteil) 

0,00% - 0,80%: unter-eutektoide Stähle (Reineisen, Bau-, Vergütungsstähle), hohe Festigkeit



0,80% - 2,06%: über-eutektoide Stähle (Werkzeugstähle), hohe Festigkeit, aber spröde



2,06% -4,30%: Gusseisen

(kein Stahl mehr), mäßige Festigkeit und sehr spröde

-Legierungselemente für Stahl: 

Aluminium, Chrom, Kupfer, Nickel, …

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5.2 Nichteisenmetalle -Aluminium: 

Herstellung: Bauxit => Rotschlamm => Aluminiumoxid => durch Elektrolyse zu Aluminium



Eigenschaften: Dichte niedriger, E-Modul schlechter als bei Eisen, hohe Korrosionsbeständigkeit

-Kupfer: 

Eigenschaften: Dichte höher, E-Modul schlechter als bei Eisen



Kupferlegierungen: Messing (mit Zink aka Zn), Bronze (mit Zinn aka Sn), …



Anwendung: Elektronik, Energieübertragung, …

-Titan: 

Eigenschaften: Dichte niedriger, aber E-Modul schlechter als bei Eisen (beides aber etwa doppelt so hoch wie bei Aluminium), gute Korrosionsbeständigkeit



Anwendung: Triebwerksschaufeln, Sportgeräte, …

-Nickel: 

Eigenschaften: hoher E-Modul als Legierung (etwa wie Eisen), sehr temperaturunempfindlich



Anwendung: Turbinenschaufeln

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6 Keramik -Definition: 

Keramiken = nicht-metallische, anorganische und polykristalline Werkstoffe

-Anwendung – Alltagsbeispiele: 

Künstliche Gelenke, Fadenführer für Webmaschinen, Einsätze für Wasserhähne

-Anwendung – Kategorien: 

Mechanisch



Elektrisch



Chemisch



Biologisch



Thermisch

-Bestandteile / Atomarten von Keramiken: 

Metalle, Halbleiter, Nichtmetalle

-Bindungsarten der Keramik: 

Ionisch

(also Metallatom und Nichtmetallatom)



Kovalent

(also zw. Nichtmetallatomen)

-Gitterstrukturen: 

Keramik besteht aus Elementarzellen



Elementarzellen müssen außen an allen Ecken ein Atom haben, damit Gesamtstruktur entstehen kann



Perowskit-Gitter, Spinell-Struktur, Diamant-Gitter, … möglich

-Schmelztemperaturen: 

Je höher die Dichte, desto höher die Schmelztemperatur



Schmelztemperatur zw. 2000 und 4000 °C, Dichte zw. 2 und 16 g/cm3

-Herstellung keramischer Bauteile: 17

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1. Pulversynthese 2. Masseaufbereitung 3. Formgebung 4. Sintern 5. Endbearbeiten

-Masseaufbereitung: 

Soll möglichst homogen sein



Kristalli...