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Institut für Füge- und Schweißtechnik

Werkstofftechnologie 1 Sommersemester 2020

Vorlesungsunterlagen

Dozent

Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger

Kontakt

Institut für Füge- und Schweißtechnik Langer Kamp 8 38106 Braunschweig www.tu-braunschweig.de/ifs Die Unterlagen können die Vorlesung nicht ersetzen.

Dieses von mir, Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger, verfasste Skript unterliegt dem deutschen Urheberrecht. Es darf nur zum persönlichen Gebrauch zu Zwecken des Studiums verwendet werden. Insbesondere ist es nicht erlaubt, das Skript oder Teile daraus zu bearbeiten, zu übersetzen, zu kopieren oder in elektronischer Form zu speichern und an andere Personen weiterzugeben, weder in Kopie, noch auf elektronischem Wege per Email, auf Speichermedien (z. B. CD, USB-Stick usw.), über Datenbanken oder andere Medien und Systeme. Lediglich die Herstellung von Kopien für den persönlichen, privaten und nicht kommerziellen Gebrauch ist erlaubt.

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Werkstofftechnologie 1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c. Klaus Dilger Institut für Füge- und Schweißtechnik Langer Kamp 8

Werkstofftechnologie 1 Vorlesung:

Dienstag, 08:00–09:30 Uhr Raum: Zelt (Tentomax)

Übungen:

Dienstag, 09:45–10:35 Uhr Raum: Zelt (Tentomax)

Klausur:

Vorlesung und Übung werden auf Video aufgezeichnet und hochgeladen Æ Videos und Ankündigungen siehe Stud.IP-Veranstaltung

19. August 2020, 120 Minuten Quelle: TU Braunschweig

Zugang zu allen Informationen und Dateien: Stud.IP: https://studip.tu-braunschweig.de/

Ansprechpartner:

 Veranstaltung: Vorlesung: Werkstofftechnologie I Passwort: ifs2020

Sebastian Krischke, M. Sc.

 Die anderen Veranstaltungen (Übungen) im Stud.IP sind gesperrt

Langer Kamp 8, Raum 215

[email protected] Telefon: +49 (0) 531 391-95526

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 2

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Übersicht Übungsthemen und -termine Stand: 02.04.2019 Nr.

Thema

0

Allgemeine Informationen

1

Zugversuch

2

Härte und Härteprüfung

3

Dynamische Versuche (Crash, Kerbschlagbiegeversuch)

4

Schwingfestigkeit Teil 1

5

Schwingfestigkeit Teil 2

6

Phasendiagramme und Hebelgesetz

7

Eisenkohlenstoffdiagramm

8

Wärmebehandlung Teil 1

9

Wärmebehandlung Teil 2: Härten

10

Polymere und Faserverbund

11

Klausurvorbereitung

Änderungen bei der Reihenfolge der Übungen vorbehalten. In einigen Übungen wird es zu einem Wechsel des Dozenten kommen. Hintergrund ist, dass die Übungen zu bestimmten Themen jeweils von Experten durchgeführt werden sollen. K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 3

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Bücher zur Vorlesung Technologie der Werkstoffe von Jürgen Ruge und Helmut Wohlfahrt, Springer Vieweg Verlag, Reihe Studium Technik, 9. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2013 Auch als elektronische Ressource im Katalog der Universitätsbibliothek Braunschweig verfügbar Quelle: Springer

Werkstofftechnik von Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid und Ewald Werner, Pearson Verlag, 5. aktualisierte Auflage 2011

Quelle: Kortext

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 4

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Bücher zur Vorlesung Engineering Materials, Properties and Selection von Kenneth G. Budinski und Michael K. Budinski Pearson Verlag, 9. Internationale Auflage 2010

Quelle: Pearson

Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies von Rainer Schwab, Wiley VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 1. Auflage 2011, 3. Nachdruck 2014

Quelle: Wiley

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 5

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Kapitel 1: Begriffsbestimmung „Werkstofftechnologie“ Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c. Klaus Dilger

„Werkstofftechnologie“ Lehre von der 1. Erzeugung der Werkstoffe 2. ihrer Weiterverarbeitung zu Halbzeugen und Fertigprodukten 3. sowie wichtiger Behandlungsverfahren zum Erzielen bestimmter, für den Anwendungszweck optimaler Eigenschaften

Chemische Technologie

chemische Umwandlung der Rohstoffe in Werkstoffe

Mechanische Technologie

mechanische Verarbeitung der Werkstoffe. Formgebung

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 7

Institut für Füge- und Schweißtechnik

„Werkstofftechnologie“ Rohstoff chemische Umwandlung

Werkstoff im Rohzustand (z. B. Roheisen) Weiterverarbeitung (chemisch oder mechanisch) und Verfahren des Umformens

Werkstoff im Urzustand (z. B. Bramme) veredelnde Weiterverarbeitung

Werkstoff oder Bauteil im veredelten Zustand (z. B. gewalztes Blech) Endbearbeitung und/oder Schlussveredelung wie Schleifen, Oberflächenbehandlung

Bauteil, endbearbeitet und/oder schlussveredelt K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 8

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Abgrenzung zur Werkstoffkunde Einfach formuliert:

Mikroebene: Werkstoffkunde

Makroebene: Werkstofftechnologie

Größte Schnittstellen zwischen Werkstoffkunde und Werkstofftechnologie und Motivation für das Wiederaufgreifen der Themen:

  

Werkstoffeigenschaften insbes. Spannungs-Dehnungs-Diagramm Î Auswirkung von Wärmebehandlungsverfahren Eisenkohlenstoffdiagramm Î Betrachtung von Wärmebehandlungsverfahren Polymere Î Einführung in das Thema „faserverstärkte Kunststoffe (FVK)“ K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 9

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Fertigungsverfahren nach DIN 8593 Teil 0

Fertigungsverfahren (DIN 8580)

4.1 Zusammensetzen (DIN 8593 Teil 1)

1 Urformen

4.2 Füllen (DIN 8593 Teil 2)

2 Umformen DIN 8583

4.3 Anpressen Einpressen (DIN 8593 Teil 3)

3 Trennen

4.4 Fügen durch Urformen (DIN 8593 Teil 4)

4 Fügen DIN 8593 Teil 0

4.5 Fügen durch Umformen (DIN 8593 Teil 5)

5 Beschichten

4.6 Fügen durch Löten (DIN 8593 Teil 6)

6 Stoffeigenschaften ändern

4.7 Fügen durch Schweißen (DIN 8593 Teil 7) 4.8 Kleben (DIN 8593 Teil 8) 4.9 Textiles Fügen

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 10

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Inhalte Werkstofftechnologie 1

Metall

Kunststoff

Keramik

Urformen

Gießen

Spritzgießen

Umformen

Walzen, Tiefziehen etc.

Warmumformen

Trennen

Schneiden, Fräsen, Schleifen etc.

s. Metall

Schneiden, Schleifen, ...

Schneiden, ...

Fügen

Schweißen, Löten, Kleben

Schweißen, Kleben

Aktivlöten, Kleben

Schweißen, Kleben

Beschichten

Anorganisch, organisch

s. Metall

s. Metall

s. Metall

Stoffeig. ändern

Härten, Anlassen, Glühen etc.

Sintern

Verbundwerkstoff Spritzgießen Tiefziehen

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 11

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Triebfeder Leichtbau

Ökonomie

Ökologie

Leichtbau Kundennutzen

Wirtschaftlichkeit

100 kg Gewichtsreduzierung

0,3 l pro 100 km Verbrauchsreduzierung

0,75 kg pro 100 km Verringerung der CO2-Emission

Problem:

Wirtschaftliche Fertigung

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 12

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Entwicklung des Fahrzeuggewichts

Quelle: Horst E. Friedrich: Leichtbau in der Fahrzeugtechnik, Springer Vieweg 2013 K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 13

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Werkstoffleichtbau: Golf 7, Stahlleichtbau

Quelle: Volkswagen Media Services

Gewicht: 245 kg Kosten: 1 €/kg

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 14

Institut für Füge- und Schweißtechnik

1-Liter-Auto: Kombination der Leichtbauprinzipien (1. Generation)

Al-Strang Al-Blech Mg-Strang Mg-Blech Mg-Guss CFK Quelle: Volkswagen AG

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 15

Institut für Füge- und Schweißtechnik

1-Liter-Auto 3. Generation

Quelle: Volkswagen AG

       

Weiterentwicklung des 1-L-Autos CFK-Monocoque: neues Verfahren des aRTM (patentiert) Leergewicht: 795 kg cw-Wert: 0,186 Hybridsystem aus E-Motor und Zweizylinder-TDI-Motor Verbrauch: 0,9 l/100 km CO2-Ausstoß: 24 g/km erstmals 2 Plätze nebeneinander K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 16

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Extremer Leichtbau im Automobil

Gewicht: 150 kg Kosten: 50 €/kg

Produktion des BMW i3 Quelle: cdn.bimmertoday.de K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 17

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Herausforderung Fertigung

Quelle: BMW AG K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 18

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Fügetechnik: Der Schlüssel zur Nutzung innovativer Werkstoffe in modernen Produkten Boeing 787 Dreamliner

CFK (Laminat) CFK (Sandwich)

50 % des Gesamtgewichts

andere Verbundwerkstoffe Aluminium Titan

20 % des Gesamtgewichts (15 %)

Titan/Stahl/Aluminium Stahl (10 %) Andere (5 %)

30 % des Gesamtgewichts Quelle: Boeing

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 1: Begriffsbestimmung | Seite 19

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit – Teil 1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c. Klaus Dilger

Einflussfaktoren auf die Betriebsfestigkeit

Betriebsfestigkeit

Fertigung

Werkstoff

Beanspruchung

Konstruktion

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 21

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Kriterien für eine betriebsfeste Bemessung 

Erreichen der geforderten Lebensdauer



Zuverlässigkeit der Komponenten einer Konstruktion bzw. des ganzen Systems (Funktionstüchtigkeit)



Sicherheit kein Ausfall vor Erreichen der Bemessungslebensdauer für eine geforderte rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 22

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Beanspruchung vs. Beanspruchbarkeit 

Sicherstellung der Funktionsfähigkeit von Bauteilen unter Betriebsbedingungen über die Produktlebensdauer



Festigkeitsnachweis für Bauteile stellt einen Vergleich zwischen Beanspruchung und Beanspruchbarkeit dar



Die Beanspruchung darf nicht größer sein als die Beanspruchbarkeit Beanspruchung Beanspruchbarkeit



≤ 1,0

Beanspruchbarkeit und Beanspruchung sind statistisch ermittelte Größen, sind einer Streuung unterworfen Berücksichtigung von Sicherheitsfaktor

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 23

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Beanspruchung vs. Beanspruchbarkeit Beanspruchung

mechanisch

thermisch

chemisch

Bsp.: Stahlbau

Bsp.: Wärmetauscher

Bsp.: Rohrleitungen, Behälterbau

Quelle: metallbau-und-industriebau.de

Quelle: interheat.nl

Quelle: www.binder-behaelterbau.de

Kombination der einzelnen Beanspruchungen

Herabsetzung der Beanspruchbarkeit eines Bauteils K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 24

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Zulässige Beanspruchung Sicherheiten und zulässige Spannungen hängen von der Art der Beanspruchung ab:

 Ruhende oder zügige Beanspruchung: – Die Lasten sind zeitlich konstant oder nur langsam einsinnig veränderlich.

 Schwingende oder zyklische Beanspruchung: – Die Lasten sind zeitlich veränderlich und wiederholen sich regelmäßig.

 Dynamische oder hochdynamische Beanspruchung (Crash) – Die Lasten wirken einsinnig mit hoher Beanpruchungsgeschwindigkeit (z. B. v = 1…20 m/s).

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 25

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Beanspruchungsarten – Einachsige Beanspruchung  Je nachdem, in welcher Richtung Kräfte auf ein Bauteil wirken, herrschen unterschiedliche Beanspruchungen.

 Wirken zwei Kräfte in entgegengesetzter Richtung vom Bauteil weg auf einer Wirkungslinie, so liegt Zugbeanspruchung vor.  Bei Einwirkung zweier Kräfte von entgegengesetzten Seiten auf das Bauteil hin herrscht Druckbeanspruchung.  Weitere Beanspruchungsarten sind Biegung, Scherung, Verdrehung und Knickung.  Für jede Beanspruchungsart hat ein Werkstoff eine höchste Belastungsgrenze, die je nach Belastungsart Zug-, Druck-, Biege- und Scherfestigkeit genannt werden.

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 26

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Beanspruchungsarten – Mehrachsige Beanspruchung  Reale Bauteile: I. d. R. mehrachsige Beanspruchung, d.h. ebener (2-achsig) oder räumlicher (3-achsig) Spannungszustand schräger Zug/Druck

exzentrischer Zug/Druck

schiefe Biegung

exzentrische Querkraft

 Experimentelle Untersuchung aller Spannungszustände ist praktisch nicht möglich. Festigkeitshypothese: Aus den Spannungskomponenten der mehrachsigen Beanspruchung wird Vergleichsspannungg σ σV ist für das berechnet, die mit den ermittelten Kennwerrten Material aus der einachsigen Beanspruchung „gleichwertig“ verglichen werden kann.  Festigkeitshypothesen hängen von Art des Versagens und damit von der Art des Werkstoffs ab.  Normalspannungshypothese (sprödes Werkstoffverhalten)  Schubspannungshypothese (duktiles Werkstoffverhalten)  Gestaltänderungshypothese (duktiles Werkstoffverhalten) K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 27

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Ermittlung der Beanspruchbarkeit Grenzspannung: Die Grenzspannung σG ist die im Versuch ermittelte Spannung, bei der Versagen eintritt

Sicherheit: Die Sicherheit S ist das Verhältnis der Grenzspannung σG zur berechneten Spannung σ: (vgl. DIN 743-1)

=

 > 

Sicherheit =

Beanspruchbarkeit Beanspruchung

Zulässige Spannung: Die zulässige Spannung ist das Verhältnis der Grenzspannung σG zur Sicherheit S:

 =

 <  

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 28

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Versagenskriterien Ein Bauteil versagt, wenn es aufgrund der äußeren Belastung zu einem Anriss bzw. Bruch kommt oder der Werkstoff einer unzulässig hohen plastischen Verformung unterliegt. Die Art des Versagens ist abhängig:  von den Werkstoffeigenschaften (duktil oder spröd)  vom Spannungszustand (ein- oder mehrachsig) und  der Art der Belastung (ruhend, wechselnd, schlagartig) Weitere Einflüsse:  Temperatur  Umgebungsmedium  Formgebung Bei der Auslegung eines Bauteils ist es daher notwendig, die Obergrenze eines Spannungszustandes zu definieren, deren Überschreitung zum Versagen des Materials führt.

Einsturz der Mississippi-Brücke in Minneapolis Quelle: www.npr.org

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 29

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Bauteildimensionierung Was soll Vzul. gewährleisten?

  = 

=

 ≤  . 

. =? ? ?

Sicherheit gegen Bruch?

Sicherheit gegen plastische Verformung?

d. h., Vzul. muss bestimmt werden

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 30

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Beanspruchbarkeit Werkstofftechnologie 1 – Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit (Werkstoffeigenschaften):  Härteprüfung  Zugversuch  Druckversuch  Kerbschlagbiegeversuch  Dauerschwingversuch  Zeitstandversuch Werkstofftechnologie 1 – Kapitel 3: Beeinflussung der Beanspruchbarkeit (Veränderung von Aufbau und Eigenschaften metallischer Stoffe)  Legieren  Wärmebehandlungen  Thermomechanische Behandlungen  Kaltverformen  Randschichtverfestigung

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 31

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Ermittlung der Beanspruchbarkeit (Werkstoffprüfung) Aufgaben der Werkstoffprüfung:  Ermittlung und Kontrolle von Werkstoffeigenschaften  Ermittlung und Kontrolle von Qualitätsmerkmalen  Überprüfung auf Fehler- und Schädigungsfreiheit

Zerstörende Prüfverfahren z. B. Härteprüfung Zugversuch Kriechversuch Dauerschwingversuch

Zerstörungsfreie Prüfverfahren z. B. Sichtprüfung Farbeindringprüfung Ultraschallprüfung Durchstrahlungsprüfung

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 32

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Werkstoffkennwerte: nötig zur Beschreibung wichtiger und typischer Werkstoffeigenschaften Ermittlung von Werkstoffkennwerten häufig mit zerstörenden genormten Prüfverfahren Mit zerstörenden Prüfverfahren ermittelte Kennwerte dienen:



Vergleich wichtiger Eigenschaften unterschiedlicher Werkstoffe und Werkstoffzustände



Zur Kontrolle von Behandlungen, die die Werkstoffeigenschaften verändern



Bereitstellung von Werkstoffkennwerten für die Bauteildimensionierung (Ermittlung nötiger bzw. zulässiger Querschnitte) bei unterschiedlichen Beanspruchungen (Lastspannungen)

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beanspruchbarkeit | Seite 33

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Aufgaben der zerstörungsfreien Prüfverfahren Überprüfung auf 

Fehler und Schädigungsfreiheit



Innere Risse und Oberflächenrisse



Lunker (Gussfehler)



Poren, Schlauchporen, Porennester



Doppelungen (Schmiedefehler)



Einschlüsse (Schlackeneinschlüsse, Schlackennester, Schweißfehler)



Delaminationen (z. B. Ablösung des Harzes von Fasern)



Physikalischer Eigenschaften

K. Dilger | WT 1 | Kapitel 2: Ermittlung der Beansp...