Konstruktionswerkstoffe

1. Dispersionsverfestigt:durchmesser 0,01- 0,1µm (5nm), 1-15% typisch 2-3%
2. Teilchenverstärkt: durchmesser > 1µm  V=5-40%
3. Whiskerverstärkt: 1< l>50µm  5-60%
4. Faserverstärk l> 50µm 10-70%

Al /Al2O3 (Faser/ Teilchen)

Al/SiC Teilchen

Al/ Stahlfasern

Cu/ C-Fasern  Festigkeit geht hoch

- hohe Festigkeit

- hoher E-Modul

- hohe Zähigkeit, gute Kerbschlägzähigkeit

- gute Temperaturbeständigkeit

- gute Oberflächeneigenschaften (geringer Verschleiß, geringere Sensitivität gegen Oberflächenrisse)

- hohe elektrische unf thermische Leitfähigkeit

- Ermüdungsfestigkeit steigt

Squeeze casting (Gießpressen)

• Metall wird in fserige Vorform mit kleinen Poren gegossen
• erstarrt unter Druck-> verdichten flüssiges Metall
• Vorteil: geringe Porosität, keine Hohlräume bei Verdichtung
• Nachteile: leichte Partikel schwimmen auf, evtl chem. Reaktion durch Druck, bei zu früher Ascheidung wird Rest nich gefüllt -> Lufteinschlüsse

Druckgießen: ähnlich wie Gießpressen aber komplizierter

Plasmaspritzen:

• Pulver in Plasmazone eingefüllt->schmelzen->verspritzen

Verbundgießen:

• keramisches Pulver i Metallschmelze eingerühert und gegossen

Pulvermetallurgie:

• Herstellung ODS

Verschweißen von Folien

• zw. Metallfolien werden Fasern gelegt und heißgepresset (Diffusion bonding)

Materialien mir ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten oder alpha Einlagerungskomponete > als Alpha Matrix -> Druckspannung

Grenzfläche stellt zusätzliche Diffusionswege zur Verfügung

Korrosionsprobleme an GF

Grenzfläche kann Werkstoffeigenschaften negativ beeinflussen

bei Wärmebehandlung Vergröberung Gefüge möglich

Verstärkung ist um so effektiver je kleiner die Teilchen und je geringer der Abstand zw. ihnen ist

Die Bruchzähigkeit jedoch sinkt mit höherem Volumenanteil und kleinerem Teilchenabstand

Emodul steigt mit höherem Volumenanteil, sinkt mit kleineren Teilchen

- KFZ: Kolben für Dieselmotoren, Kardanwelle, Bremsscheiben, Gehäuse für Bordelektronik, Motorblock,

- LRF: Rotorschaufeln

- Cu mit SiC Fasern: Schiffsschrauben

- mkroelektronische Bauteile

- Superleitende Drähte für Kernsfusion

Matrix

• Positionierung der Faser
• Schutz der Faser vor Kontaktabrieb
• Lastverteilung

Faser:

• Festigkeit
• Steifigkeit

- Thermoplaste (PES, PA, Polysulfane) oder Duromere (Epoxide, Phenole)

3 Möglichkeiten zur Herstellung

• Imprägnierung: Harz wird Faservorform zugegeben -> gehärtet
• Infiltration: Flüssige Polymermasse wird in Faservorform infiltriert
• Thermoplastisches Formpressen: vorwiegend in Automobilindustrie

für hohe Steifigkeit: Kohlefaser

für hohe Zähigkeit, Bruchfestigkeit: Aramid, Polyethylenfasern

bei Temp. Erhöhung oft Festigkeitsverlust

Vorteil: hohe Festigkeit und trotzdem leicht

bei niedrigen Temperaturen oft spröde (vorallem Duroplaste)

Luftfahrtindustrie: Flugzeugrumpf, Flügel, Leitwerk, Innenausstattung

Raumfahrt: Raketen, Tanks, Motorblöcke

Militär: Panzerung gegen Geschosse

Automobilindustrie: Türen, Stoßstanken

Marine: Schiffkörper bei kleinen Schiffen; Motorbooten  und Segeljachten

Dachbespannungen, Sonnensegel

Schlickerprozess

• Fasern durch Bad geführt, aufgerollt, getrocknet, gespült und in Lagen heißgepresst SiC/Glaskeramik

Reaktionbinden

dünne Folien aus Si und SiC Fasern werden aufeinandergelegt und heißgepresst

anschlißendes Nitridieren fürht zu Si3N4 mit 23% SiC Fasern

Imprägnieren

Fasergewebe werden imprägniert

CVI- Verfahren

teuer, beste Resultate aber langsam

typisch SiC/SiC Werkstoffe

Schmelzprozesse

flüssiges Metalll oxidiert an Oberfläche, wird aufgerissen mehr Metall oxidiert

typisches Produkt: 60% SiC, 20%Al, 20%Al2O3

- hohe Bruchzähigkeit durch Rissüberbrückung

- großer Vorteil Hochtemperatur beständig

- wichtig Grenzfläche und Defektdichte der Faser

Schneidplatten

Scheibenbremsen im Flugzeug und Rennwagen  (Kohlenstoffverbundwerkstoffe)

Hochtemperaturanwendungen: wärmetauscher, Turbinenschaufeln, Müllverbrennung

10% Stahl

50% Verbund

15% Ti

20% Al

5% andere Stoffe

Binderphase aus organischen oder anorganischen Verbindungen

z.B CaO, SiO2, Al2O3, Sulfate

Herstellung: 

• durch Brennen von Kalkstein CaCo3 mit Ton bei 1500°C
• hydrataion (Reaktionen laufen je nach Zusammensetzung unterschiedlich ab, Wasseranteil bestimmt Reaktionszeit)

ist ein Phasengemisch-> mehrere Phasen nebeneinander

Kovalente Bindungen

Dichte 2 g/cm³

Bruchzähigkeit 0,3 Mpawurzelm

Poren im µm Bereich

Festigkeitssteigerung durch Kohlefaser mgl Größe beachten min µm wegen Poren

besteht aus einer Mischung von Zement, Sand, Stein

bestgenutzter Baustoff

- spröde

- geringe Zugfestigkeit

- Dichte 2,3 g/cm³

- E-Modul 20-40 GPa

- Zugfestigkeit: 4 MPa

- Druckfestigkeit: 15- 85 MPa

- Brochzähigkeit 0,5 MPawurzelm

Grund für schwache Eigenschaften bis zu 1cm große Defekte

- Zement zu feinem Pulver mahlen

- Wasser/Zementverhältnis 0,38

- polymere Gleitmitte helfen beim Verdichten

- Härtung erfolgt unter Druck

Zugfestigkeit bis 90MPa

Druckfestigkeit bis 85 MPa

Polymere: 0,5-20 MPa*wurzelm

Glas: bis 1 MPa*wurzelm

Keramik: 2-10 MPa*wurzelm

Verbunde: 10- 100 MPa*wurzelm

Metalle: 5-200 MPa*wurzelm

Polymere:Lambda 0,1-1 W/(mK), alpha =  20-500*10^-6 1/K

Glas/ Glaskeramik: Lambda 1 W/(mK), alpha =  0,5-2*10^-6 1/K

Stahl / Cu, Alu: Lambda 40 - 200 W/(mK), alpha =  20*10^-6 1/K

Keramik: Lambda 15-200 W/(mK), alpha =  2-10 *10^-6 1/K

Diamant: Lambda 800 W/(mK), alpha =  gering

Werkstoffeigenschaften hängen vom Gefüge/bindung ect.  ab

- E- Modul -> Werkstoffkennwert führt auf Steifigkeit-> kein Werkstoffkennwert

- Festigkeit

- Bruchzähigkeit

- Festigkeit in Abhängigkeit der Temperatur

- Temperaturwechselfestigkeit

- Ermüdungsverhalten

- therm, elek Leitfähigkeit

- Ausdehnungskoeffizienten

abhängig von der Werkstoffpaarung:

- Verschleißrate

- Korrosion

- Härte

- Polymere: 0,1- 10 GPa

- Metalle: 20- 300 GPa Al: 70 Stahl 210

- Glas + Keramik: großer Bereich Al2O3 400GPa

- Diamant: 1000GPa

Vorteile:

- billiger Rohstoff -> häufiges Vorkommen

- leicht zu reduzieren, günstiger Herstellungsprozeß

- Reduktionsmittel oft gleichzeitig Legierungselement

- gut verarbeitbar

- technologisch verwertbare Phasenumwandlung

Nachteile:

- relativ schwer

- Anwendungen auf unter T=600°C begrenzt

- korr. anfällig

- Hochofenverfahren (Reduktion) : Erz (Fe2O3Hämatit und Fe3O4 Magnetit, zuschläge, Koks), Schlacke CaSiO3, CaS

- Elektrostrahlverfahren , teuer, für hochqualitativen Stahl, ohne Koksbeimischung meist aus Stahlschrott, kleine Mengen

- nach ihrer Verwendung

Baustähle, Werzeugstähle, Stähle mit besonderen phys, chem. Eigenschaften

- nach Ihrem Gefüge

- Phasen: eutektoider Stahl (Perlit), untereutektoid: (Ferrit und Perlit), übereutektoider Stahl (Perlit + Zementit)

- Gefüge: ferritisch,austenitisch, martensitisch

- nach Gütegruppen

- Massenstähle (Summe P, S <= 0,06%),

- Qualitätsstähle (Summe P, S <= 0,045%)

- Edelstähle (Summe P, S <= 0,035%)

entscheidende Auswirkung auf mech. Eigenschaften wie Zähigkeit, Verarbeitbarkeit, Sprödigkeit

- Baustähle

- beinhaltet C + Mn

- 70% der Weltproduktion

- meist warmgewalzt, selten normalgeglühlt, Austenitisiert durch abschrecken

- 3 Gütegruppen:

- weicheisen

- allg. Baustähle

- Stähle für spanabhebende Bearbeitung

- allgemeine Eigenschaften:

- gut zerspanbar, schweißbar bis etwa 0,22% C

- Sprödbruchneigung

- Reckalterung führt zur Versprödung

Aunwendungen: Rohrleitungen, Kesselanlagen, Schienenfahrzeuge, Schiffsbau

Low Carbon Mild Steel

- unlegierte Stähle hoher Reinheit C <= 0,08%, Mn <= 0,04% N durch Al entfernt

- gut Korrbest., geringe Festigekeit

- Anwendungen: (Karosserie)blech, Dichtungen

- C-Gehalt ca. 0,25%, Mn < 1,8%

- Anwendungen: Bleche, Rohre, Kaltbänder, genietete und geschraubte Konstruktionen

- C- Gehalt <0,15%, Mn < 1,2% Sr, Pb sog. Automatenstähle

Anwendung Maschinen und Fahrzeugbau

- gut schweißbar und formbar (einfache und günstige Verarbeitung)

- Legierungselemente: Mn, Nb, V, Ti  -> Bilden feine Karbide, Nitride und Karbonitride

- wird "berhigt" vergossen (mit Al) Daumenregel 1/3 Al >= N

- meist gewalzt

Mikrolegierte Stähle: LE im Konzentrationsbereich von 1/10 - 1/100 (außer C)

- 0,2% C, Mo, B Bainitische Stähle

- 0,2% C, Mn, Cr, Mo, Ti  Durchvergütet kein Festigkeitsabfall beim Schweißen

- 0,4%C  Ultrafeste Sähle

< 0,12%C, Cu, Cr, P: Wetterfeste Stähle, für Pipelines und Druckkessel

 auch Einsatzstähle, oder vergütete Stähle

- C- Gehalt 0,1- 0,45%

-hoher Legierungsgehalt fördert die Durchhärtbarkeit

- neben der Härtbarkeit vor allem Zusammensetzung (Art, Konzentration der LE entscheidend)

- Schnellarbeitsstähle: 1,4-2% C

- Grenzfall zu Funktionswerkstoffen

- Verwendung als Schneidwerkstoff, Gesenke zum Schmieden

- Hochlegiert mit Karbidbildnern Cr<Mo<W<Ti<Nb<Hf

- wenn gehärtet: Primärkarbide, Sekundärkarbide, Marensit

- "definiert" über Schaeffler- Diagramm

Cr equ.:  Cr+ Mo+ 1,5Si+ 0,5Nb 

Ni equ: Ni+ 30C+ 0,5 Mn

allgemein Cr: krz (alpha Eisen) , Ni: kfz (gammaEisen)

- ferritisch: 17-26% Cr bei 2% C, Mo, Nb, Ti zur Korrbest., schlechte Zähigkeit, härtbar, Anw. Messerstahl

- austenitisch: 16-25%Cr, 7-22% Ni bei 0,6%C, Mo, Ti, Nb zur korrbe, nicht härtbar, gute Zähigkeit, schlecht zu bearbeiten, gut zu schweißen, kriechfest

- martensitische Stähle: Cr <17%, C 0,1..1%, sehr hohe Festigkeit bis 2,5GPa, geringe Duktilität 1,8-2%, ferromag

- gießbar, schlecht spanbar

- Materialfehler durch WB korrigiert

Anwendung: Seilrollen, Zahnräder, Ketten, Achsschenkel

- Stahlguß bis 2% C

- Gusseisen 2% bis eutek.Zsammensetzung 4,3% , meist (2,5% bis 3,8%)

- graues Gusseisen: graphit, lamellar, vermicular, globular

- weisens Gusseisen: Ledeburid, Hartguß, Walzen, beim Tempern entsteht Graphit

- graphithaltiges Gusseisen: GGL lamellar, enthält Cr, Ni, Co, Mo, Si:

GGG globular: hohe Festigkeit + Dehnung (Kurbelwellen, Motorblöcken, Laufräder)

- Temperguss: C+Si = 3,5% gute Dämpfung, Schwweißbar, zerspanbar

schwarzer Temperguss: Graphit bei 920°C -950°C 40h tempern -> Ferrit + Perlit+ Temperkohle

weißer Temperguss: wird entkohlend geglüht

Anwendung: Rohrverbindungen, Bremstrommeln, Differentialgehäuse

- Schmelztemperatur 1538°C

- delta umwandlung: 1394°C

- Gammaumwandlung: 911°C

- Curie- Tem 769°C

- eutektoide linie bei 723°C , max Löslichkeit alpha eisen 0,02

- eutektikale linie bei 1147°C , maximale Löslichkeit gamma eisen: 2,08

- Peritektikale linie bei 1493°C, maximale Löslichkeit delta Eisen: 0,1%

- Eutektoid: 723°C, 0,8%

- Eutektikum: 1147°C, 4,3%

- Peritektikum: 1493°C, 0,16%

Phasen:

- flüssig bis 1536°C

- delta-Eisen krz

- gamma-Eisen (Austenit) kfz

- alpha Eisen (Ferrit) krz

- Fe3C Zementit bis max 6,7 wt%

Gefüge:

- Perlit: Ferrit+ Zementit 12%

- Ledeburit 1: Austenit und Zementit

- Ledeburit 2: Ferrit und Zementit

Ungleichgewichtgefüge durch sehr schnelles abkühlen

Diffusionslose Umwandlung -> tetragonale Verzerrung C sitzt in tetraeder und oktaederLücken

Einheitszelle wird auseinander gezogen c wird länger und a verkürzt sich (linear)

durch Verzerrung hohe Härte

Restaustenit sorgt für Zähigkeit

je mehr C desto härter (nicht liniear!)