Konstruktionswerkstoffe
Konstruktionswerkstoffe Leibniz Universität Hannover 2018
Konstruktionswerkstoffe Leibniz Universität Hannover 2018
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Lernkarten
Modul Gusseisen
Gießverfahren
Schwerkraftgießen
Verlorene Form
Verlorene Modelle -> Feingießen, Vollformgießen
Dauermodelle --> Sandguss, Formmaskenguss, Genauguss, Verbundguss
Gießen mit Anwendung von Druck
Dauerformen --> Niederdruckguss, Cosworth-Verfahren, Druckguss, Schleuderguss, Strangguss
Modul Gusseisen
Einteilung gegossener Eisenwerkstoffe
Gusseisen (2 MA.-% <C<4,5 Ma.-%)
Metastabil --> Weißes Gusseisen
Hartguss
Temperguss
tempern in Oxidierender Atmosphäre --> Weißer Temperguss
tempern in neutraler Atmosphäre --> Schwarzer Temperguss
Stabil --> grauen Gusseisen
Lamelar
Kugelförmig
Vermikular
Modul Gusseisen
Temperguss Herstellung
1. Temperrohguss
Kohlenstoff liegt als Zementit vor
Hart und Spröde
Praktisch kaum bearbeitbar
2. Schwarzer Temperguss
Graphitisierungsglühen T = 950 °C in neutrale Atmosphäre
2. Weißer Temperguss
Glühen in oxidirender Atmosphäre 1050 °C
Unterscheidung Schwarz oder Weiß stammt von der Bruchoberfläche
Modul Gusseisen
Eigenschaften von schwarzem Temperguss
Kohlenstoffgehalt 2 bis 2,6 Ma.-%
hohe Duktilität
Geeignet für dickwandige Bauteile
gut zerpanbar
Modul Gusseisen
Eigenschaften von weißem Temperguss
Kohlenstoffgehalt 3 bis 3,4 ma.-%
hohe Ducktilität
geeginet für Dünnwandige, stoßbeanspruchte und formgenaue Bauteile
schweißbar
waru mund kaltverformbar
Modul Aluminium
Bayer-Verfahren zur Abtrennung des Rotschlamms
Bayer-Verfahren
1. Bauxit
zerkleinern
2. Aufschließen Bauxit in Natronaluge Al2 O3 + 2 NaOH --> 2 Na Al O2 + H2 O
ruhen lassen --> Rotschlamm
3. Ausrühren Na Al O2 + H2 O --> Al(OH)3 + 2 Na OH
abkühlen
4. Kalzinierung bei 1300 °C gebrannt zu Tonerde Al2 O3
Modul Aluminium
Elektrolyse zur Gewinnung des Hüttenaluminiums
Die elektrolytische Reduktion von Al2 O3 erflogt zwischen zwei Kohlenstoffelektroden in einem Kyolithsalbad.
Das beigemengte Kryolith Na3 Al F6 dient zur Absenkung der Schmeltemperatur des Aluminiums von 2050 °C auf ca 1000 °C.
Modul Aluminium
Einteilung: Aushärtbare und naturharte Legierungen
Aushärtbare Legierungen
Verfestigung durch Ausscheidung von vorher gelösten Bestandteilen
Wärmebehandlung bewirkt Festigkeitssteigerung --> Ausscheidungen
Legierungssysteme: AlCu, AlMgSi, AlCuMg, AlCuSiMn, AlZnMg
Naturharte Legierungen
Verfestigung durch Mischkristallbildung
Wärmebehandlung bewirkt Festigkeitsabfall --> Kornvergröberung
Legierungssysteme: AlMg, AlMgMn, AlZn
Modul Aluminium
Wärmebehandlung einer Al-Cu Legierung
Für die Ausscheidungshärtung muss die Gleichgewichtsphase Al2 Cu verhindder werden, da sie inkohärent ausgeschieden wird.
1. Temperatur von 548 °C Übersättigter Mischkristall
2. Abschrecken auf 20 °C Übersettiger Mischkristall
3. Auslagern bei ca 150 °C Guinier-Preston-Zone 1 Einschichtige Kupfer Ketten
4. nach längerem Auslagern bei 150 °C Guinier-Preston-Zone 2 kohärente udn teilkohärente Ausscheidungen.
(höchste Festigkeit 450 MPa)
Modul Aluminium
Möglichkeiten Aluminium mit Aluminium zu verschweißen
generell einfach zu schweißen
Geringer Schmelzpunkt onv 660 °C
Hohe Wärmeleitung --> hohe Wärmeabfuhr
Großer thermischer Ausdehnungskoeffizient --> Gefahr von Schweißeigenspannungen
Schemlzpunkt der Oxidschicht bei 2052 °C
Modul Aluminium
Eloxieren von Aluminium
Eloxal Verfahren --> Elektrolytische Oxidation des Aluminiums
Gesammtreaktion: 2 Al + 3 H2O --> Al2 O3 + 3 H2
Es Entsteht eine Matt-Graue Oxid-Oberlfäche, die beben diesem Erscheiunugsbild zusätzlich besonders wiederstandsfähig gegenüber Korrosion ist.
Genutzt wird Alumium als Kathode und Graphit oder Blei als Elektrode in 10 % iger Schwefelsäure
Modul Magnesium
Magnesiumherstellung Elektrolyse
Magnesiumchloridsole (MgCl2)
Reinigen, Eindampfen, Kristalisation, Dehydrirung
Schemlzflusselektrolyse --> Dabe entsteht Magnesium und Chlorgas
Magnesium schwimmt im Bereich der Kathode auf.
Modul Magnesium
Technologische Charakteristika
- hohe Spezifische Festigkeit/Steifigkeit
- gute Dämpfungseigenschaften
- relativ gute Gießbarkeit
- hervorragende Zerspanungseigenschaften
- gute Schweißbarkeit
- Recycelbarkeit
- hohe Verfügbarkeit (2,1 der gesammten erdkruste)
Bei Raumtemperatur 2 Unabhänige Gleitsysteme (HDP)
Oberhalb 225 °C ergeben sich 6 Gleitsysteme
Modul Magnesium
Legierungselement Aluminium
Verbesserung der Festigkeit bis 8 Ma.-%
Verbesserung der Gießbarkeit je mehr desto besser
Verbesserung der Korrosionsbestendeigkeit
Modul Magnesium
Magnesium Legierungen mit Zugabe von seltenen Erden
Zugabe von Yttrium oder Thorium
Verbesserung der Warm und Kriechfestigkeit
Verbesserung der Korrosionsbestendigkeit
Starke Kornfeinung (Hall Petch Beziehung)
Aushärtbare Legierungssysteme z.B. T6 Behandlung
Ausscheidung Thermisch stabiler Phasen
Verarbeitung vorwiegend im Sandguss
Hohe Kosten
Modul Magnesium
Einflüsse der wichtigsten Legierungselemente
Aluminium
+Festigkeit
+Härte
+Gießbarkeit
+Oberflächenpassivisierung
-Mikroporosität
Mangan
+Festigkeit
+Korrosionsbeständigkeit
+Kornfeinung
+Schweißeignung
Zink
+Festigkeit
+ Gießbarkeit
+Kornfeiunung
-Mikrobporosität
-Heißrissbildung
Seltene Erden
+Warmfestigkeit
+ Korrosionsbeständigkeit
+Konrnfeinung
-hoher Preis
Zirkonnium
+Kornfeiunung
+Dehnung
+Korrosionsbeständigkeit
-nicht mit Al Verwendbar
Lithium
+Dehnung
+Dichtereduzierung
+ Kornfeinung
-Hohe Reaktivität der Schmelze
-Korrosionsbeständigkeit
Modul Magnesium
Natürliche Schmelzedeckschichten auf Al und Mg
Wie können die Nachteile beseitigt werden
Aluminium:
Oxidationsschutz durch dünnen elastischen Film Al2 O3 Bei Reacktion Schmelze mit Luft
Magnesium:
Oxidation und Verdampfung durch Dicken aufgebrochenen Film auf der Schmelze bei Reaktion mit Luft
MgO Film
Technische Lösungen:
- Verwendung von abdecksalzen
- Zugabe von ddeckschichtbildener Legierungselemente --> zum teil Giftig
- Schmelzbehandlung unter Inertgas
- Einsatz von Reaktivgasen, Bildung von Passivschichten --> Nachteil alle Substanzen giftig
Modul Magnesium
Knetlegierungen - Druckgusslegierungen
Knetlegierungen
+ hohe Ducktilität
+ Wärmebehandlungsmöglichkeiten
+gute Schweißbarkeit
+dickwandige Bauteile
- Eingeschränkte Kaltvervormbarkeit
- mögliche Anisotropie der mechanischen Eigenschaften
- hohe Herstellkosten
Druckgusslegierungen
+ hohe Produktivität durch kurze taktzeiten und geringen Werkzeugverschleiß
+ dünnwandiges Gießen
- geringe Schweißbarkeit durch Gaseischlüsse
- eingeschränkte Wärmebehandlungsmöglichkeiten
- begrenzte Bauteilgrößen
Modul Titan
Herstellung durch den Kroll-Prozess
1. Prozessschritt ist die Herstellung von TiCl4 aus den Rohstoffen
Titanerz + Koks --> + Chlorgas --> Chlorierung --> Kondensation und Destilation --> Titantetrachlorid TiCl4
Reaktion: TiO2 + 2C + 2 Cl2 --> TiCl4 + 2 CO
2. Prozesschritt ist die Herstellung von Titanschwamm aus TiCl4
Titantetrachlorid --> Krollprozessrektor
Reaktion: TiCl4 + 2 Mg --> Ti + 2 MgCl2
modul Titan
Eigenschaften von Titan
- Gitterstruktur bei RT: HDP
- Allotropie HDP --> KRZ bei 882,5 °C
- Schmelzpunkt 1668 °C
- Streckgrenze 290 - 1150 MPa
- Elastizitätsmodul 110 GPa
modul Titan
Gasaffinität von Titan
Titan hat die besondere Eigenschaft, bei höheren Temperaturen Gase in großem Maße interstitiell zu lösen
Waaserstoff H2
0,001 Ma.-% bei RT
0,1 Ma.-% bei 300 °C
bis zu 4 Ma.-% bei 900 °C
Bei Übersättigung scheidet TiH2 aus, behindert Gleitversetzungen und bildet TiH Teilchen --> starke Versprödung
Technische Verwendung nur bis 0,01 Ma.-% H2
Einsatz als H2 Speichermedium möglich
modul Titan
Korrosionsbeständigkeit
Nach der Elektrochemischen Spannungsreihe müsste Titan ein sehr korrosionsanfälliges Metall sein
Praxis: Titan ist ein Metall, das man unter stark korrosiven Beanspruchungen einsetzten kann, da es extrem Korrosionsbeständig ist.
Erklärung: Titan gehört wie Aluminium, Zirkonium und Magnesium zu den passivivirbaren Metallen und bildet unter der Bindung von Sauerstoff an der Oberfläche eine sehr dichte und stabile Deckschicht aus TiO2. Selbst bei einer Beschädigung der Oxidschicht repassiviert das Metall wieder sehr schnell.
modul Titan
Titanlegierungen
Ni Nickel: Memory-Werkstoffe
Nb Nobium: Supraleiter
Fe/Mn Eisen/Mangan: H2 Speicher
Al Aluminium gamma Aluminide
Fe Al Biomaterial
Al+V, Cu, Mo,Zr, Sn Konstruktionsmaterial
Pd, Ni+Mo Korrosionstabilisator
moudul Titan
Titanlegierungen
Alpha-stabilisierende
Beta-Stabilisierende
Alpha-stabilisierende Elemente z.B. Al, O, N
+Kriechfestigkeit
+ Schweißbarkeit
Beta-stabilisierende Elemente z.B. Mo, Fe, Cr, Mn
+ Höhere Dichte
+ Wärmebehandelbar
+ Dauerfestigkeit
+Verformabarkeit
modul Tintan
Anwendungsbereiche
Automobielindustrie
Vorteile durch geringe Dichte bei hoher Temperaturbeständigkeit
Anwendung in der Ventiltechnologie
Biomedizintechnik
Gute Korrosionsbeständigkeit bei guter Dauerfestigkeit gute Knochenbindung
Anwendung als Prothesen Platten oder Impantate sowie Stents
Stant besteht aus 50 Ma.-% Ti und 50 Ma.-% Ni --> Formgedächtnischwerkstoff
Stant entfaltet sich erst bei Umspülung mit Blut bei 37 °C.
modul Titan
Formgedächtniswerkstoffe
Formspeicherung durch eine martensitische Umwandlung Werstoff: 50 %Nickel 50 %Titan
Dreiteilung des Effektes:
1. Superelastizität
Ca. 8 % superelastische Dehnung
2. Thermische "Erinnerung"
(reversible thermisch induzierte Formrückbildung durch Erwärmung und Abkühlung)
3. Martensitische Deformatione
(martensitische Verformung durch Zwillingsbildung geht nach der Austenitisierung durch Erwärmung wieder in den Ausgangszustand zurück).
Draht mit Gedächtniss
- Der NiTinol-Draht wird über 50 °C in eine gerade Form gebracht
- Beim Abkühlen unter 50°C verändert sich das Kristallgitter abrupt, die Äußere Form des Drahtes bleibt gleich
- Beim Verformen des Drahtes verändert sich das Kristallgitter nicht
- Beim Erwärmen über 50 °C "Erinnnert" sich der Draht an seine alte Form
Modul Polymere
Strukturen der Kunststoffgruppen
Lineare Kettenmolekühle, Verzweigte Kettenmolekühle --> Thermoplast
Schmelzbar, löslich, bei Raumtemperatur i.A. weich bis zäh
Schwach vernetzte Kettenmolekühle --> Elastomere
nicht Schmelzbar, quelbar, unlöslich, bei Raumtemperatur im elast, weichen zähen Zustand
Stark vernetzte Kettenmolekeühle --> Duroplaste
nicht schmelzbar, nicht quelbar, nicht löslich, bei Raumtemperatur i.A. hart.
modul Polymere
Thermoplaste
Thermoplaste bestehen aus vielen einzelnen Makromolekühlen.
Bindungsart: Wasserstoffbrückenbindungen und van-der-Waals Kräfte gebunden --> löslich in Lösungsmitteln
Temperaturerhöhung: Molekühle znehmend untereinander bewegliche --> schmeze entsteht
Warme Umformung möglich z.B. Spritzguss, Extrudiren, Spinnen
Material erstarrt teikristalin oder amorph
Kristalintensität bestimmt Gebrauchseigenschaften --> hoher Grad an Kristallinität ergibt festere Materialien
modul Poymere
Elastomere
Elastomere bestehen aus eineme einzigen Molekühl
Bindungsart: Kovalente Bindungen vieler Polymerketten, die an einigen Stellen verbuden sind, so dass ein großes Molekühl entsteht. --> unlöslich in Lösungsmitteln
Temperaturerhöhung: das Melekühl wird Weicher, es entsteht aber keine Schmelze --> Zersetzung
Keine Umformung möglich, Endform muss bei Herstellung erreicht werden
Material erstarr Amorph
Material besitzt Gummielastisches Verhalten
Sehr Starke verformung möglich, nimmt seinde Ursprüngliche Form nach Wegfall der Kräfte wieder ein.
Keine bleibende Plastische Verformung
modul Poymere
Duromere
Duromere bestehen aus einem einzigen großen Molekühl
Bindungsart: Kovalente Bindungen vieler Polymerketten, die an vielen Stellen verbunden sind, so dass ein großes Molekühl entsteht
unlöslich in Lösungsmitteln
Temperaturerhöhung: kein schmelzen sondern Zersetzung
Material kann nicht Umgeformt werden, sondern nur Urgeformt werden
Keine Plastische Verformung möglich
bricht spröde bei überlastung der Festigkeitsgrenzen.
modul Polymere
Formgebunsverfahren
Extrudieren
Ist das Hauptverfahren zur kontinuierlichen Verarbeitung von Kunststoffen
Spritzgießen
Kurze Durchlaufzeiten, Keine oder nur geringe Nacharbeit, Komplexe Formen herstellbar, hohe Repruduzierbarkeit
--> Massenartikefertigung
Kalandrieren
Kontinuierliches Vefahren, Kunststoffmischung wird zunächst in einem Spalt zweier gegenläuftiger rotierender und beheitzter Metallwalzen aufgeschmolzen. zusätzliche Homogenisierung und Dickeneinstellung des Flächigen Endproduktes durch weitere, nachgeschaltete Walzen.
--> Fertigung von Platten, Folien, Bodenbelägen und Kusntleder
Polymerschäume
modul Verbundwerkstoffe
Einteilung anhand des Aufbaus
Metalle: metallische Bindung, kristalines Gefüge, gut leitend, plastisch, meist chemisch unbeständig
Keramik: kristalines amorphes Gefüge, schlecht leitend, nicht Plastisch, chemisch beständig
Kunststoffe: homöopolare und dipolare Bindungen, amorph oder teilkristalin, schlecht leitend, hochtemp. plastisch, chemisch beständig
--> Verbundwerkstoffe
Teilchenverbund
Faserverbund
Schichtverbund
Durchdringungsverbund
modul Verbundwerkstoffe
MMC Matal Matix Composits
Einsatzgebiete
MMC im Motorenbau
Al/SiC Berstärkung an der Brennraumwandung oder Verstärkte Zylinderbalfbuchse --> Werkstoffverbund
MMC Faserverstrkte Aluminium Bremstrommel -> Verbundwerkstoff
modul Verbundwerkstoffe
1. Paradoxon fester Stoffe
Die wirkliche Festigkeit eines festen Stoffes ist sehr viel niedriger als die theoretisch berechnete
Moderne Kohlefasern erreichen bis zu 80 % der theoretischen Steifigkeit und bis zu 25 % der theoretischen Zugefestigkeit
modul Verbundwerkstoffe
2. Paradoxon fester Stoffe
Ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach größere Festigkeit als in anderer Form, und je dünner die Faster, desto größer ist die Festigkeit.
--> Grund für dises Phänomen ist, dass sich die Defektzahl pro Längeneinheit verringert. in Faser um Faktor 2,5 * 10^3 größerer Defektabstand als im kompakten Körper.
modul Keramik
Keramische Werkstoffe
Keramische Werkstoffe: Grobkeramik, Feinkeramik
Feinkeramik wird unter teilt in Sanitärkeramik, Zierkeramik, Technische Keramik, Geschirkeramik
Die Technische Keramik wird dann weiter in Strukturkeramik, Hochleistungskeramik und Industriekeramik aufgeteilt.
Die Hochleistungskeramik wiederum wird in Funktionskeramik, Elektrokeramik, Schneidkeramik, Biokeramik unterteilt.
modul Keramik
Verschidene Hochleistungskeramiken
Funktionskeramik:
Hier werden die Eigenschaften für eine aktive Funktion verwendet z.B. besondere elektrische, magnetische, dieelektrische oder optische Kennwerte aufweisen.
Elektrokeramik:
Wird in der Elektronik und Elektrotechnik eingesetzt auf grund ihrer Isolierfähigkeit, mechanischen Festigkeit, Halbleitung, deren nicht linearer Wiederstand, Hochtemperatur Supraleitung.
Schneidkeramik:
hervorragende Verschleiß und Hitzebeständigkeit wird für die spanende bearbeitung eingesetzt.
Biokeramik:
wird genutzt um Kochen Zähne odr hartes Gewebe zu ersetzen.
moudul Keramik
Piezoelektrischer Effekt
Diese Keramik gehört zu der Elektrokeramik und es ist möglich unter Krafteinfluss Strom zu erzeugen.
Keramiken (Kristalle) mit einer polaren Achse (elektrische Dipole) erzeugen bei mechanischer Belastung entlang dieser Achse Oberflächenladungen
Beispiel: Quartz SiO2
Voraussetzung nicht zentrosymetischer Kristall !!!
modul Keramik
Bindungsarten und resultierende Eigenschaften
Für Keramische werkstoffe liegt in der Regel eine Mischform von ionischer und kovalenter Bindung vor.
Die starken Bindungskräfte keramischer Materialien kommen in den hohen E-Module und Härtewerten, den hohen schmelzpunkten, der geringen Wärmeausdehnung und der guten chemischen Resistenz dieser Werkstoffe zum Ausdruck.
Die Kovalente Bindung ist stark gerichtet; Zuordnung und Abstand benachbarter Atomi liegen genau fest. Die Stabilität ionsicher und kovalent gebudender Feststoffe hängt stark von der Aufrechterhaltung der atomaren Geomertireaber und erklärt die fehlende plastische Verformbarkeit bei Belastung.
modul Keramik
Herstellungsprozess
Die Pulverteilchen werde verdichtet und in eine Zusammenhängende Form gebracht
--> Grünling
Grünling kann spanend bearbeitet werden
Anschließend Sintern
- Trocknen muss langsam erfolgen um Rissbildung zu vermeiden (es kommt zu einer Schwindung)
- Ausbrennen Plativiszierungs und Verdampfungsmittel werden verdampft oder verkohlt
- Verglühen optinoal, teilweise vorverfestigung zum Vorzihen der Endbearbeitung
- Brennen Beim Brennen bilden sich die starken chemischen Bindungen. Die porösität nimmt ab, es kommt zu einer Verdichtung. Die resultierende Brennschwindung mit zuvor mit einberechnet werden.