Materialkunde

Stahl (aus Eisen), Aluminium, Zement, Kupfer, Erdöl (Rohöl), Plastik (Kunststoffe), Papier und Pappe, Eisenerz und Düngemittel

steel (from iron), aluminum, cement, copper, crude oil, plastics, paper and cardboard, iron ore, and fertilizers

Verkörperte Energie bezieht sich auf die Gesamtmenge an Energie, die für die Herstellung, den Transport und die Entsorgung eines Produkts oder eines Baustoffs benötigt wird. Sie umfasst alle Energieformen, die in den verschiedenen Phasen des Produktlebenszyklus verbraucht werden, einschließlich der Extraktion von Rohstoffen, der Herstellung, des Transports, der Montage und der Entsorgung.

Gesamte verkörperte Energie = 1000 J + 500 J + 2000 J + 800 J = 4300 Joule

• Bauxitbergbau: Australien, Guinea, Brasilien, Jamaika, und China (es kommt aber überall auf der Welt vor)

• Kupferbergbau: Chile, China, Peru, die USA und Australien (Auch überall vorhanden)

Hochöfen (Blast Furnace Route):

Fakten: für Roheisen (pig iron)

• + hohe Produktionskapazität
• - energieintensiv, erhöhte CO2-Emissionen
• Verfahren: Eisenerz mit Koks (Brennstoffquelle) und Kalkstein (Schlackbildungsmittel um Verunreinigung zu entfernen) in Ofen gegeben. Hochtemperierte Luft wird in Boden des Hochofens geblasen. Kohlenstoff im Koks reduziert Eisenerz zu flüssigem Eisen, die Verunreinigungen werden als Schlacke entfernt.
• flüssige Eisen (Roheisen) kann durch Anpassen des Kohlenstoffgehalts und Entfernen von Verunreinigungen in einem Sauerstoffkonverter oder einem Elektroofen weiter zu Stahl verarbeitet werden

Elektroofen (Electric Arc Furnace Route - EAF):
Fakten: nicht für Roheisene (pig iron)

• +modernerer und flexiblerer, oft für das Recycling von Schrotteisen, gut für Spezialstahl und Legierungsstahl, schnelle Anpassung, nicht auf Roheisenerz und Koks angewiesen, Stahlzusammensetzung, umweltfreundlicher, energieeffizienter
• -Einschränkung in Produktionsmenge
• Verfahren: Schrotteisen zusammen mit verschiedenen Zusätzen wie Ferrolegierungen und anderen Metallen in einen Elektroofen geladen. Elektrode erzeugt Lichtbogen, der die Materialien erhitzt und zum Schmelzen bringt.

Bauxitabbau: Rohmaterial für die Aluproduktion, wird aus Minen gewonnen
Aufbereitung Bauxits: zerkleinert und aufbereitet, um Alugehalt zu erhöhen
Bayer-Prozess: Bauxit wird mit Natronlauge behandelt, um Aluminiumoxid (Al2O3) zu gewinnen
Elektrolyse: Das Aluminiumoxid wird in Elektrolyseverfahren in Alu und Sauerstoff aufgeteilt
Trennung von Aluminiumpulver: erzeugte Alu in Form von Alupulver. Weiter behandelt, um die gewünschten Produkte zu erhalten.
Gießen und Walzen: flüssige Alu wird gegossen und zu gewünschten Formen gewalzt, um Platten, Folien oder andere Produkte zu erzeugen.
Weiterverarbeitung: gewalzte Aluminium kann weiterverarbeitet werden, z. B. Profile, Bleche, Folien

Bauxite mining: raw material for aluminum production, is extracted from mines.
Bauxite beneficiation: crushed and processed to increase aluminum content.
Bayer process: bauxite is treated with caustic soda to extract aluminum oxide (Al2O3)
Electrolysis: the alumina is separated into aluminum and oxygen in electrolysis process
Separation of aluminum powder: produced aluminum in the form of aluminum powder. Further treated to obtain the desired products.
Casting and rolling: liquid alu is cast and rolled into desired shapes to produce plate, foil or other products.
Further processing: rolled aluminum can be further processed, e.g. profiles, sheets, foils.

• fcc (kubisch-flächenzentriert): Die Atome sind in den Ecken und in der Mitte jeder Würfelfläche platziert.

• bcc (kubisch-raumzentriert): Ein Atom in der Mitte des Würfels und eins in der Mitte der Würfeldiagonale.

• hcp (hexagonal-dichteste Kugelpackung): Dichteste Packung von Atomen in einer hexagonalen Anordnung mit einer zweiatomigen Einheitszelle.

• fcc (face-centered cubic):

  • Packing factor: 0.74
  • Atoms per unit cell: 4
  • Atoms are located at the corners and in the center of each cube face.

• bcc (body-centered cubic):

  • Packing factor: 0.68
  • Atoms per unit cell: 2
  • One atom at the center of the cube and one at the center of the cube diagonal.

• hcp (hexagonal close-packed):

  • Packing factor: 0.74
  • Atoms per unit cell: 2
  • Closest packing of atoms in a hexagonal arrangement with a two-atom unit cell.

Kristalline Defekte beziehen sich auf Unregelmäßigkeiten oder Imperfektionen im regelmäßigen, sich wiederholenden Muster von Atomen oder Ionen innerhalb eines Kristallgitters. Diese Defekte können aus verschiedenen Gründen auftreten und haben einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften und das Verhalten von Materialien.

1. Punktdefekte (Point defects):

   • Leerstellen (Vacancy): Fehlende Atome (2.9 a) oder
   • Ion-pair Vacanyc: Ionen im Kristallgitter (2.9 b)
   • Zwischengitteratome (Interstitialcy): Zusätzliche Atome oder Ionen, die sich an den Stellen zwischen den regulären Gitterplätzen befinden. (2.9 c)
   • Substitutionelle Defekte (Frenkel defect): Atome oder Ionen eines Typs werden durch Atome oder Ionen eines anderen Typs im Kristallgitter ersetzt. (2.9 d)

2. Linienfehler (Line defects):

   • Versetzungen (Dislocations): Lineare Defekte, bei denen eine Reihe von Atomen fehlausgerichtet oder fehlt, oft verursacht durch äußere Belastungen während des Kristallwachstums oder der Verformung.
     • Edge dislocation: extra plane of atoms in the lattice (2.10 a)
     • screw dislocation: Spiral within the lattice (2.10 b)

3. Surface defects:

   • elastically: tilting of the lattice structure without any changes of position among the atoms (2.11 a and b). If force removed, the structure gets back in shape)
   • plastic deformation: the atoms in the lattice have permanently moved prom their previous location (2.11 c)

• Kornverfeinerung: Durch Verringern der Korngröße wird das Material fester. - Spröde
• Verfestigung durch Kaltverformung: Durch Kaltverformung wird die Kristallstruktur gestrafft und die Festigkeit erhöht. - Materialermüdung, Materialverlust
• Festigkeitssteigerung durch Legieren: Zusätzliche Elemente werden zugegeben, um die Festigkeit und andere Eigenschaften zu verbessern. - Verarbeitung und Schweissung schwieriger
• Ausscheidungshärtung: Durch gezieltes Ausscheiden von Festphasen können Metalle gestärkt werden. - Verzügen oder Dimensionsänderungen
   
• Grain Refinement: Reducing the grain size makes the material stronger. - brittle, high costs
• Strength through Cold Working: Cold working tightens the crystal structure and increases strength. -heavily deformed, material fatigue
• Strengthening through Alloying: Additional elements are added to enhance strength and other properties. - affect on workability and weldability
• Precipitation Hardening: Controlled precipitation of solid phases can strengthen metals. - breast boarding

• Elastische Verformung (Dehnung):

  • Material kehrt nach Entfernen der Belastung in seinen ursprünglichen Zustand zurück.
  • Atome bewegen sich reversibel, aber nur minimal.
  • Keine dauerhaften Änderungen in der Struktur des Materials.

• Plastische Verformung:

  • Das Material bleibt nach Entfernen der Belastung in einer veränderten Form.
  • Atome bewegen sich irreversibel und rutschen aneinander.
  • Dauerhafte Veränderungen in der Materialstruktur.

Auf atomarer Ebene während der Verformung:

• Elastische Verformung:

  • Geringe atomare Bewegung, Atome schwingen um ihre Gleichgewichtspositionen.
  • Keine dauerhaften Verschiebungen oder Brüche in der Gitterstruktur.

• Plastische Verformung:

  • Größere atomare Bewegung, Atome rutschen oder gleiten aneinander entlang von Versetzungslinien.
  • Dauerhafte Verschiebungen und Umordnungen in der Kristallstruktur des Materials.

mechanischen Eigenschaften eines Materials zu charakterisieren. In der elastischen Region formt sich das Material zurück, in der plastischen nicht!

Am Yield Strength Punkt beginnt die Deformation

Young-Modul (E): Formel: E = Stress / Strain = Irgend ein Dreieck auf der geraden Line ausrechnen! a/b

auch als Elastizitätsmodu. Es ist das Verhältnis der Spannung zur Dehnung. Der Young-Modul misst die Steifheit des Materials. 

Streckgrenze (Re): Formel: Re = Stress / Strain

Punkt auf der Kurve, wo Material von elastischer Deformation in plastische Deformation übergeht. Punkt, an dem die Spannung eine festgelegte Abweichung vom linearen Bereich erreicht.

Zugfestigkeit (Rm): Formel: Rm = Maximale Spannung

Punkt auf der Kurve, wo Material die max Spannung erreicht, bevor es versagt. Dies ist der Höhepunkt der Kurve.

Dehnbarkeit (Ductility): Formel: Ductility (%) = (Final Length - Original Length) / Original Length * 100%

wird aus der Kurve abgeleitet. Bruchpunkt mit dem ursprünglichen Querschnitt des Materials vergleichen. Je weiter das Material in der Dehnung geht, bevor es versagt, desto größer ist die Dehnbarkeit.

wenn ein Material oder ein Bauteil wiederholter zyklischer Belastung oder Beanspruchung im Laufe der Zeit ausgesetzt ist.

Eine S-N-Kurve, auch Ermüdungskurve genannt, ist eine graphische Darstellung von Ermüdungsdaten. Sie zeigt die Beziehung zwischen der aufgebrachten Spannung (S) und der Anzahl der Lastwechsel bis zum Versagen (N) für ein bestimmtes Material unter zyklischen Belastungsbedingungen

siehe Bild

Concrete > Steel > Plastics > Aluminium > Copper > Gold

Metals (Ferrous metals, non ferrous metals)

Ceramics (Glasses, Crystalline, Ceramic)

Polymer (Thermoplastics, Thermosets, Elastomers)

Composites 

Auch genannt als Amorphous

difference to crystelline:

- absence of long-range order in the molecular structure

- differences in melting an thermal expansions 

s = F/A°

s= engeneering stress, MPa (Megapascal)
^{_{F = applied force, N (Newton)
A°=  original area of test probe, mm}2}

 ^{\(e = {L-L0 \over L0}\)}

e = enegineering strain, mm/mm
L = Length at any pint during de elongation, mm
L0= Original gage length (Messlänge)