Zusammenfassung Werkstofftechnik I PDF

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Zusammenfassung Skript Wintersemester 1516...

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Zusammenfassung: Werkstofftechnik I

Einführung in die Werkstofftechnik Werkstoffe=Teil der Marterie, die in ihrem Aggregatzustand be- und verarbeitbar sind  zu ihrer Herstellung werden Maschinen und Anlagen eingesetzt Werkstoffkunde = Werkstoffwissenschaft (Aufbau, Struktur, Eigenschaft) + Werkstofftechnologie (Herstellung, Bearbeitung, Verarbeitung) Drei Gruppen von technischen Werkstoffen: Metalle, Keramiken, Polymere  Kombination dieser Gruppen=Verbundwerkstoffe (verbinden positive Eigenschaften der Einzelkomponenten und führen zu neuen Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten) Spezifische Werkstoffeigenschaften: el. Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Dichte, Schmelztemperatur, chem. Reaktionsvermögen, Elastizität, plast. Verformbarkeit, Festigkeit  richtige Werkstoffauswahl und werkstoffgerechte Konstruktion sind Voraussetzung für eine optimale Verwendung eines Werkstoffs Leichtbau: Werkstoffe mit optimerter gewichtsspezifischer Festigkeit fortschrittliche, problemangepasste Leichtbaustrukturen Erfassung des Belastungs- und Beanspruchungszustands beanspruchungsgerechte Dimensionierung Beispiele für falsche Werkstoffauswahl und Konstruktion: Materialverwechselung, Materialeinsparung, Fehlkonstruktion Die Wirtschaftlichkeit ist entscheidend für Werkstoffauswahl und Konstruktion  Werkstoff- und Verarbeitungskosten ( neue Verarbeitungstechnologien -> Einsatz bisher unwirtschaftlicher Werkstoffe möglich ) Umweltschutz und Recycling  Ökologische Gesichtspunkte für Werkstoffauswahl  Metalle eignen sich hervorragend zum Recycling (zB Stahl und Aluminium) Bioresorbierbare Werkstoffe -> lösen sich als Implantate im Körper auf

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Aufbau der Materie

4 Strukturebenen der Marterie: Atom ( m), Bindungsstruktur zwischen den Atomen ( m), Mikrostruktur ( m), Makrostruktur ( m) Atommodelle: 1911 Rutherford’sches Atommodell (Kern und Elektronen) 1913 Bohr’sches Atommodell (Schalenaufbau der Elektronenhülle) Quantenmechanische Beschreibung des Atoms (Teilchen werden durch Wellen beschrieben) Periodensystem der Elemente (1869) Zeilen (Perioden) = Quantenschalen Spalten (Gruppen)= Anzahl Elektronen auf der äußersten Schale  109 bekannte Elemente, davon unter Normalbedingungen 96 fest, 11 gasförmig, 2 flüssig Die häufigsten Elemente in der Erdkruste: Sauerstoff, Silicium, Aluminium, Eisen Gegenseitige Bindung zwischen Atomen: Kovalente Bindung

Ionenbindung

Metallbindung

van der WaalsBindung

Atome teilen sich Elektronen

sehr hoher Schmelzpunkt sehr hart elektr. Nichtleiter Elektron wird an hoher Schmelzpunkt anderes Atom hart, spröde geringer elektr. Leiter abgegeben Atome geben hoher Schmelzpunkt Valenzelektronen an hart und weich „Elektronengas“ ab duktil, verformbar sehr guter elektr. Leiter sehr niedriger Schmelzp. schwache Wechselwirkung zw. weich elektr. Dipolen sehr schlechter el. Leiter

Diamant Sand Bornitrid Natriumchlorid Bariumoxid Calciumfluorid Gold Kupfer Eisen Magnesium Wassersoff Chlor Kohlendioxid

Metallphysikalische Grundlagen Elementarzelle= Kleinste Einheit aus der ein Metall periodisch aufgebaut ist  Für die vollständige Beschreibung: Koordinatensystem (Raunrichtungen) x,y,z Gitterkonstanten (Kantenlängen der EZ) a,b,c Achsenwinkel  Darstellung: Punktgitter, Kugelmodell

Kristallgitter=dreidimensionale Aneinanderreihung von Elementarzellen in die Raumrichtungen x,y,z Idealkristall -> völlig regelmäßige Anordnung der Gitterbausteine

Koordinationszahl k = Anzahl der Atome, die zu einem zentralen Atom den kürzesten Abstand haben, steigt mit Packungsdichte, max. 12 Kubisch primitive Elementarzelle

Kubisch raumzentrierte Elementarzelle

Kubisch flächenzentrierte Elementarzelle

Hexagonal dichtest-gepackte Elementarzelle

krz-Gitter Cr: Chrom Mo: Molybdän V: Vanadium W: Wolfram -Eisen Ta: Tantal

kfz-Gitter Al: Aluminium, Ag: Silber Au: Gold, Cu: Kupfer Ni: Nickel Pb: Blei -Eisen

hdp-Gitter Be: Beryllium -Titan (Ti) Mg: Magnesium Co: Cobalt Ca: Calcium Zn: Zinn Cd: Cadmium

Dichteste Kugelpackung= dichteste Schichtung von dichtest mit Kugeln belegten Ebenen Stapelfolge bei dichtester Packung  hexagobal dichteste Packung - Dritte Schicht über erster ABAB  kubisch dichteste Packung (kfz) – Dritte Schicht gegen erste und zweite versetzt ABCABC Kristallsysteme (insgesamt 7) kubisch hexagonal

a=b=c a=b!=c

α=β=γ=90° α=β= 90° γ=120°

weitere Systeme: tetragonal, orthorombisch, rhomboedrisch, monoklin, triklin  14 Elementarzellen-Typen im Bravais-Gitter (einfach primitiv, basisflächenzentriert, raumzentriert, flächenzentriert)

Gitterebenen = den Kristall durchziehende Ebenen auf denen die einzelnen Atome angeordnet sind Gitterebenenschar = mehrere Gitterebenen mit gleichem Abstand d Kristallstrukturanalyse: parallele Röntgen- oder Elektronenscharen werden an den verschiedenen Gitterebenen gebeugt, charakteristisches Beugungsbild bzw. –muster für jeden Gittertyp (zB Debye-Scherrer-Verfahren, Transmissionselektronenmikroskop) Isotropie = Richtungsunabhängigkeit von Werkstoffeigenschaften Anisotropie = Richtungsabhängigkeit von Werkstoffeigenschaften (zB bei Kristallstruktur) Quasiisotropie = Kristallite sind anisotrop aber regellos angeordnet, gleicht die richtungsabhängigen Eigenschaften aus, das Gefüge ist makroskopisch isotrop Textur=Ausrichten der Kristallite zB durch Walzvorgänge amorphe Stoffe = Atome und Bindungen sind völlig regellos verteilt -> sind isotrop Allotropie/Polymorphie = Auftreten verschiedener Kristallgitterformen bei einem Metall, abhängig von der Temperatur (zB α-Eisen (krz)  γ-Eisen (kfz), Graphit (Schmierstoff) Diamant (Schneidstoff)) Dialometer = Gerät zur Messung der Dehnung von Festkörpern in Abhängigkeit der Temperatur Miller’sche Indizes: Beschreibung von kristallographischen Gitterebenen und –richtungen  Bezug auf Koordinatensystem parallel zu den Kanten der EZ  negativer Achsenabschnitt: Querstrich über dem Index  immer ganzzahlig Millersche Indizes

bestimmte

kristallographisch positiv/negativ Vielfache äquivalent Ebene (Kehrwert!) (hkl) {hkl} identisch nicht identisch Richtung [uvw]

nicht identisch identisch kubisch: h,k,l=u,v,w -> Richtung und Ebene senkrecht zueinander

Gitterstörungen    

Realkristalle sind niemals fehlerfrei Gitterstörungen erzeugen ein Spannungsfeld, Kristall bekommt höheren Energiegehalt sind für positive mechanische Eigenschaften metallischer Werkstoffe verantwortlich werden nach ihrer Geometrie unterschieden

kleinster Gleichgewichtisabstand zweier Atome = Minimum der Bindungsenergie Entstehung von Gitterbaufehlern

Kristallentstehung: Störung des thermodynamischen Gleichgewichts Fester Kristall: Energiezufuhr (zB mechanische Verformung, Kernstrahlung

Nulldimensionale Gitterfehler/Punktfehler   

Leerstellen (unbesetzte Gitterplätze) –> temperaturabhängig Zwischengitteratome= Einlagerungs-/interstitielle Atome ( wesentlich kleiner zB H,O,N,C,B) Fremdatome = Austausch-/Substitutionsatome (Atomradiendifferenz max. 15%, chem. affin, gleiche Gitterstruktur) Voraussetzung für Legierungsbildung

Frenkelpaar=Kombination aus Leerstelle und Zwischengitteratom, häufig durch Kernstrahlung Mischkristalle = Größere gelöste Mengen zweiter Atomart im Gitter Substitutionsmischkristalle Einlagerungsmischkristalle  Verspannungen führen zu Mischkristallverfestigung (Hemmung des gegenseitigen Abgleitens von Netzebenen) Eindimensionale Gitterfehler / Linienfehler =Versetzungen (beugen Elektronenstrahl im TEM) 

Stufenversetzung (Burgersvektor senkrecht zur Versetzungslinie)  wandern bis sie an Oberfläche Stufe bilden



Schraubenversetzung (Burgersvektor parallel zur Versetzungslinie)

Burgersvektor = Maß für Größe und Richtung einer Versetzung Bewegung von Versetzungen  bewirkt Abgleiten zweier Kristallbereiche gegeneinander  Grund für die gute plastische Verformbarkeit von Metallen  Kaltverformung: Verfestigung durch behindern von Versetzungsbewegungen durch neu erzeugte Versetzungen Versetzungsdichte = Gesamtlänge der Versetzungslinien pro Volumeneinheit in [cm/cm^3]= [cm^-2] Annihilation=zwei Versetzungen gleicher Richtung aber unterschiedlicher Orientierung hinerlassen nach Auslöschung fehlerfreien Kristallbereich Zweidimensionale Gitterfehler / Flächenfehler = Korn- und Phasengrenzen  

Großwinkelkorngrenze (Orientierungsunterschied > 15°) Kleinwinkelkorngrenze (Orientierungsunterschied < 10°, Energie geringer als bei Großwinkel, können aus untereinanderliegenden Stufenversetzungen gebildet werden)  Hindernisse für Versetzungsbewegungen



Zwillingsgrenze, Phasengrenze, Antiphasengrenze, Zone, Stapelfehler

´ kristalline Werkstoffe= Verband vieler Kristallite/Körner  Polykristallinität generell erwünscht (wird zT aufwändig eingestellt) Zwillingsgrenze = Gitterbereich mit spiegelbildlicher Anordnung an Zwillingsebenen durch Aufeinanderfolgen zweier entgegengesetzter Stapelfehler

Dreidimensionale Gitterfehler/Volumenfehler  

unbeabsichtigt: Risse, Poren, Einschlüsse Ausscheidungen (erwünschte Anteile zweiter Phase), Disoersion, Leerstellenagglomerat

Diffusion Diffusionsschweißen = Verbinden von Werkstoffen mit stark unterschiedlichen Schmelztemperaturen oder an unzugänglichen Stellen (Werkstoffoberflächen werden erwärmt und zusammengepresst) Diffusion in Festkörpern=Durch thermische Anregung verursachte Platzwechselvorgänge im Kristall  einzige bedeutsame Art des Massentransports in festen Werkstoffen Selbstdiffusion = Platzwechselvorgänge von Atomen des gleichen Elements Fremddiffusion = Bewegung von Fremdatomen im Basisgitter Konzentrationsgradient = Treibende Kraft bei der Diffusion ; Einheit: [Atome/ ]

Diffusionskoeffizient D = bestimmt bei zeitlich konstantem Konzentrationsgradienten und gegebenem Diffusionsquerschnitt die Diffusionsgeschwindigkeit (Q=Aktivierungsenergie [J/mol], R=Gaskonstante, T=absolute Temperatur [K]) Einheit: [ /s]; und Q sind stoffabhängige Konstanten! Aktivierungsenergie Q: hängt mit Bindungsenergie der Atome im Gitter zusammen (Schmelztemp!); thermische Anregung muss groß genug sein um ein Atom aus seiner bindung zu lösen und über eine energetisch ungünstige Position an einen neuen Gitterplatz zu verlagern  geringer an GitterbauFehlern zB Korngrenzbereichen und Versetzungen (wirken als Kanal) und Oberflächen (Grund: wenige Nachbarn, viele Leerstellen) Celsius+273,15°=Kalvin Fick’sches Diffusionsgesetz: beschreibt die Geschwindigkeit von Diffusionsprozessen (j=Diffusionsgeschwindigkeit in [Atome(kg)/s], A=Diffusionsquerschnitt) 1.Fick’sches Gesetz (j = Diffusionsstromdichte in [kg/s* ]

2.Fick’sches Gesetz: beschreibt wie sich der Konzentrationsgradient entlang eines Diffusionspfades mit der Zeit t ändert Diffusionsmechanismen   

Leerstellenmechanismus (geringe Aktivierungsenergie) direkter Platzwechsel (höher energetisch) Zwischengittermechanismus (für arteigene Atome nur bei hoher Temeratur, von großer Bedeutung für Einlagerungsatome mit geringerem Durchmesser)

Phasenlehre Merkmale einer Phase:  

durchgehend gleiche Struktur/ atomare Anordnung nahezu konstante stoffliche Zusammensetzung

 definierte Grenzflächen zw. unterschiedlichen Phasen Ein Element: Aggregatzustände sind die möglichen Phasen Gibb’sche Phasenregel: beschreibt Relation zw. Zahl der beteiligten Komponenten und der Zahl unter Gleichgewichtsbedingungen auftretenden Phasen f=n-P+2 ( Druck variabel) bzw f=n-P+1 (Druck ist konstant) f:=Anzahl der Freiheitsgrade (Temperatur, Druck, Konzentration) n:=Anzahl der Stoffkomponenten (Elemente oder Verbindungen) P:=Anzahl der vorhandenen Phasen Phasendiagramm: liefert Aussagen über die bei verschiedenen Temperaturen und chem. Zusammensetzungen vorliegenden Phasen von Legierungen  Einstoffphasendiagramm (Temperatur und Druck variabel)  Zweistoffphasen Diagramm (Temperatur und Konzentration variabel, Druck konstant)  Dreistoffphasendiagramm (Konzentrationen variabe, Druck + Temperatur konstant) Voraussetzungen: undendlich langsame Abkühlung der Legierung oder nachträgliche Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts! Hebelarmgesetz (für Bereich zw. Liquidus- und

Soliduslinie) Masse fest:

Masse flüssig:

Vollständige Unlöslichkeit flüssig + fest

Vollständige Löslichkeit flüssig + Vollständige Unlöslichkeit fest

Vollständige Löslichkeit flüssig + Teillöslichkeit fest (einseitig)

Vollständige Löslichkeit flüssig+fest

Eutektikum = unmittelbarer und vollständiger Übergang vom schmelzflüssigen in den festen Zustand  feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge aus zwei Kristallarten Eutektikale = Waagerechter Teil der Soliduslinie im Zustandsdiagramm eines eutekt. Systems Peritektikum = es bilden sich β-Mischkristalle an der Oberfläche von primär erstarrten α- Mischkristallen

Legierungen: Erstarren nicht bei konstanter Temperatur sondern innerhalb eines Temperaturbereichs

Thermodynamisches Gleichgewicht= Summe aus mechanischem, chemischem und thermischem Gleichgewicht (Arten: stabil, metastabil, instabil) Möglichkeiten zur Ermittlung eines Zustandsschaubilds:  Thermische Analyse  Dialometermessungen  Gefügebeobachtungen an Metallschliffen  Untersuchung der Mikrostruktur Knickpunkte = Liquiduslinie, Haltepunkte=Soliduslinie

Liquidusschaubild = gibt die Erstarrungstemperaturen der einzelnen Phasen des Dreikomponentensystems wieder Isothermenschaubild = gibt die Phasen bei einer definierten Temperatur wieder Legierung= Mischung mindestens zweier chemischer Elemente, von denen mindestens eines ein Metall sein muss Eigenschaften: Komponenten bilden eine feste Lösung (Mischkristall oder Verbindung) makroskopisch gleiche Zusammensetzung und Struktur Legierungselemente beeinflussen den kristallinen Aufbau und damit die Eigenschaften der Werkstoffe Phasen (Komponenten) der Legierung sind:   

  



Mischkristalle Nichtmetallische Phasen Intermediäre Phasen (neben metallischer Bindung noch andere Bindungsarten  zw. der rein metallischen und chem. Bindung, übertragen Eigenschaften auf die gesamte Legierung, daher i.A. max 1/10% zugelassen, Bsp: Zementit aus C und Fe) Intermetallische Phasen (Verbindung nur aus Metallen)

Gefüge=Zustandsform eines Stoffes in der Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften unter Gleichgewichtsbedingungen konstant sind Charakterisiert durch: Art, Form, Größe, Verteilung und Orientierung der Gefügebestandteile Gefügebestandteile: Körner, amorphe Bereiche, Füllstoffe durch Korn-/Phasengrenzen getrennt Gefügeänderungen (Erstarren, Lösungs-, Ausscheidungsvorgänge) durch Änderung der Zustandsgrößen Druck p, Temperatur t und Konzentration c Korngrenze=Grenzfläche innerhalb einer Phase Phasengrenze=Grenzfläche zw Gebieten verschiedener Kristallstruktur und/oder chem. Zusammensetzung Kristallgemische=Enthalten mehr als eine Phase, deren Eigenschaften erhalten bleiben Mischkristall= Ausgangssubstanzen lösen sich ineinander auf und verlieren ihr individuellen Eigenschaften Substitutionsmischkristall = Austauschmischkristall (Gleicher Gittertyp, Atomradiendifferenz < 14 %) Interstitieller Mischkristall = Einlagerungsmischkristall

Werkstoffmechanik Prüfverfahren:    

mechanisch technologische Prüfverfahren metallographische Untersuchungen zerstörungsfrei Prüfung chemische Prüfverfahren, physikalische Prüfung

Zugversuch: ermittelt das Werkstoffverhalten bei einachsiger, gleichmäßig über den Querschnitt verteilter Zugbeanspruchung Probe (genormt): kreisförmiger oder rechteckiger Querschnitt, Kopf zu Befestigung (nicht in

Länge)  legierter Baustahl, austenitischer Stahl

 unlegierter Baustahl, ferritischer Stahl

Härteprüfung: liefert zerstörungsfrei Anhaltswerte für die Festigkeit und das Verschleißverhalten von Werkstoffen und Bauteilen techn.Härte = Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines harten Prüfkörpers entgegensetzt (leicht und schnell ermittelbar, in weiten Grenzen veränderlich) Statische Prüfverfahren = Prüfkraft wird stoßfrei aufgebracht ,ruht für vorbestimmte Zeit auf Probe

Name Eindringkörper Messung Berechnung

Werkstoffe Zugfestigkeit

Vorteile

Brinell (HBW) Hartmetallkugel

Vickers (HV) Rockwell (HRB) Rockwell (HRC) Diamantpyramide Hartmetallkugel abgerundeter 136° d: 1,59 mm Diamantkegel120° Eindrückfläche Eindrückfläche Eindringtiefe Eindringtiefe HBW=0,102 F/A HV = HRB=130HCB=1000,102*1,854/d^2 (t/0,002) (t/0,002) HRC=HB/10 bis 300 HV/HB gleich weich, mittelhart mittelhart, hart weich, mittelhart hart an einigen bei 80-650 HV: Rm=3,38 * HV Stellen Rm=3,5 HB genau Universell direkte Anzeige des Härtewerts, geringer reproduzierbare einsetzbar Werte Zeitaufwand, vollautomatisierbar

Fazit: unterscheiden sich durch Gestalt und Werkstoff des Eindringkörpers, Größe der Belastung, Art (statisch oder dynamisch) Mechanische Eigenschaften von Werkstoffen kennzeichnen das Verhalten eines Werkstoffs unter Einwirkung äußerer Kräfte. Die elementaren Auswirkungen bei äußerer Belastung   

Elastische Verformung (reversibel) Plastische Verformung (irreversibel) Bruch/ Werkstofftrennung (irreversibel)

elastische Verformung = Verzerrung der interatomaren Abstände im Kristallgitter (im unbelasteten Atomgitter Atomabstand r0 = Minimum an Bindungsenergie) Aufnahme äußerer Kräfte durch das Kristallgitter  immer mit Verformung des Gitters Analogie: Atombindung – Mechanische Feder  lineare Abhängigkeit zw. Kraft und Auslenkung im Bereich um r0  Hooksches Gesetz für elastische Zug-Druck Beanspruchung

Elastizitätsmodul E = von Bindungsenergie und Atomabstand abhängige Werkstoffkonstante, Steigung der Hookschen Geraden (bei Eisen 210.000 MPa)

Querkontraktion elastische Längendehnung  elastische Querschnittsabnehme Querkontraktionszahl (Poisson-Zahl) Schubbeanspruchung Schubspannung

(Hook)

Schubmodul

Kompression (Volumen ändert sich durch hydrostatischen Druck) (Hook)

Kompressionsmodul

E.Modul, Schubmodul und Kompressionsmodul : wichtige Werkstoffkennwerte , wesentlich für

Dimensionierung von technischen Bauteilen! Grenzen der elastischen Verformung 



Zugspannung : Kristall wird gedehnt bis Spannungsgrenzwert, dann Bruch ohne bleibende Verformung der Bruchstücke (Spaltbruch, Sprödbruch) , neue Oberflächen an Bruch Schubspannung : Abgleiten von Kristallebenen bei Erreichen des Spannungsgrenzwerts, plastische Verformung

Festigkeit = mechanische Spannung, die ein Werkstoff unter definierten Bedingungen erträgt, ohne sich plastisch zu verformen (zB Spaltfestigkeit, Schubfestigkeit)  Theoretische Festigkeit um Größenordnungen größer als reale (Grund: Fehlstellen) Verformungsmechanismen bei plastischer Verformung  

Versetzungsgleiten (nicht Abgleiten ganzer Kristallebenen!), auch beim Idealkristall Korngrenzgleiten = Verschiebung der Körner untereinander bei Temperaturen über 0,4 (Wichtig für Hochtemperaturverformung (Kriechen))

Gleitsysteme Gleitebene = Gitterebenen in denen unter Einwirkung äußerer KräfteVersetzungsbewegungen und somit plastische Verformungen stattfinden können  immer dichtest gepackte Ebene Gleitrichtungen = Richtungen in Gleitebenen in denen Versetzungsbewegungen und somit plastische Verformungen stattfinden können immer dichtest Gepackte Richtungen krz-Gitter kfz-Gitter Gleitebenen = 4 Typ {111} Gleitebenen = 6 Typ {110} Gleitrichtungen =2 Typ Gleitrichtungen = 3 Typ Gleitsysteme = 6x2 = 12 Gleitsysteme = 3x4=12 Verfestigungsmechanismen Hindernisart Fremdatome

Dimension Effekt 0-dimensional Mischkristallhärtung abhängig von Atomradius (besser interstitiell) und Konze...