Konstruktionswerkstoffe
Prüfungsvorbereitung
Prüfungsvorbereitung
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Einteilung
- Dispersionsverfestigt:durchmesser 0,01- 0,1µm (5nm), 1-15% typisch 2-3%
- Teilchenverstärkt: durchmesser > 1µm V=5-40%
- Whiskerverstärkt: 1< l>50µm 5-60%
- Faserverstärk l> 50µm 10-70%
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Beispiele
Al /Al2O3 (Faser/ Teilchen)
Al/SiC Teilchen
Al/ Stahlfasern
Cu/ C-Fasern Festigkeit geht hoch
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Vorteile
- 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
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Herstellungsverfahren
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)
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Eigenschaften der Grenzfläche
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
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Auswirkungen der Größe und des Abstandes der Teilchen
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
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Anwendungen
- KFZ: Kolben für Dieselmotoren, Kardanwelle, Bremsscheiben, Gehäuse für Bordelektronik, Motorblock,
- LRF: Rotorschaufeln
- Cu mit SiC Fasern: Schiffsschrauben
- mkroelektronische Bauteile
- Superleitende Drähte für Kernsfusion
PMC: Verbundwerkstoffe mit Polymer Matrix
Aufgabe Matirx und Fasern
Matrix
- Positionierung der Faser
- Schutz der Faser vor Kontaktabrieb
- Lastverteilung
Faser:
- Festigkeit
- Steifigkeit
PMC: Verbundwerkstoffe mit Polymer Matrix
Herstellung
- 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
PMC: Verbundwerkstoffe mit Polymer Matrix
Eigenschaften
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)
PMC: Verbundwerkstoffe mit Polymer Matrix
Anwendungen
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
CMC Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix
Herstellung
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
CMC Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix
Eigenschaften
- hohe Bruchzähigkeit durch Rissüberbrückung
- großer Vorteil Hochtemperatur beständig
- wichtig Grenzfläche und Defektdichte der Faser
CMC Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix
Anwendung
Schneidplatten
Scheibenbremsen im Flugzeug und Rennwagen (Kohlenstoffverbundwerkstoffe)
Hochtemperaturanwendungen: wärmetauscher, Turbinenschaufeln, Müllverbrennung
Aufteilung Materialien im Flugzeug
10% Stahl
50% Verbund
15% Ti
20% Al
5% andere Stoffe
Was ist Zement?
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
Eigenschaften Zement
Dichte 2 g/cm³
Bruchzähigkeit 0,3 Mpawurzelm
Poren im µm Bereich
Festigkeitssteigerung durch Kohlefaser mgl Größe beachten min µm wegen Poren
was ist Zement?
besteht aus einer Mischung von Zement, Sand, Stein
bestgenutzter Baustoff
Welche Eigenschaften hat Zement?
- 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
Wie wird Hochleistungsbeton hergestellt
Zugfestigkeit
Druckfestigkeit
- 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
Festigkeitskennwerte und Dichtekennwerte für Kuststoffe, Mg-, Al-, Ti- Leg., Stahl, Al2o3, Si3N4 und ZrO2
Kunststoffe: bis 100 MPa, 1-2 g/cm³
Mg-Leg: bis 300 MPa, Mg: 1,7 g/cm³
Al-Leg: bis 800 MPa, Al: 2,7g/cm³
Ti- Leg: bis 1200MPa, Ti: 4,5 g/cm³
Stahl bis 3000MPa, Fe: 8g/cm³
Al2O3: bis 500MPa, 4g/cm³
Si3N4: bis 1400MPa, 3,2 g/cm³
ZrO2: bis 1500 MPa, 6 g/cm³
K1C für Polymere Glas, Keramik, Verbund und Metalle
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
Thermische Leitfähigkeit Lambda und lin. Ausdehnungkoeffizient alpha von Polymer, Glas, Sthal, Keramik
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
Welche werkstoffrelevanten Eigenschaften gibt es?
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
E-Module von Polymer, Metall, Keramik
- Polymere: 0,1- 10 GPa
- Metalle: 20- 300 GPa Al: 70 Stahl 210
- Glas + Keramik: großer Bereich Al2O3 400GPa
- Diamant: 1000GPa
Vor und Nachteile von Eisenwerkstoffen
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
Herstellung von Eisen
- Hochofenverfahren (Reduktion) : Erz (Fe2O3Hämatit und Fe3O4 Magnetit, zuschläge, Koks), Schlacke CaSiO3, CaS
- Elektrostrahlverfahren , teuer, für hochqualitativen Stahl, ohne Koksbeimischung meist aus Stahlschrott, kleine Mengen
Wie Werden Eisenwerkstoffe eingeteilt?
- 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
Klassifizierung der Kohlenstoffstähle, Eigenschaften
- 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
Merkmale Kohlenstoffstähle/ Weicheisen
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
Merkmale Kohlenstoffstähle/ all. Baustahl
- C-Gehalt ca. 0,25%, Mn < 1,8%
- Anwendungen: Bleche, Rohre, Kaltbänder, genietete und geschraubte Konstruktionen
Merkmale Kohlenstoffstähle/ ür spanabhebende Bearbeitung
- C- Gehalt <0,15%, Mn < 1,2% Sr, Pb sog. Automatenstähle
Anwendung Maschinen und Fahrzeugbau
Klassifizierung niederlegierter Feinkornstähle
(HSLA-Steels (high strength low alloy)
- 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
Klassifizierung Hochlegierter Stähle
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)
Eigenschaften der Werkzeugstähle
- 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
Eigenschaften/ Merkmale Rostfreie Stähle
- "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
Eigenschaften/Merkmale Stahlguß und Gusseisen
- 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
Eisen Kohlenstoff Diagramm
- 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 und Gefüge im Fe- Fe3C Diagramm
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
Was ist Martensit bzw wie entsteht er?
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!)
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Lernkarten
Aluminiumlegierugen
Knetlegierungen: 1.xxx >98% Al
Gusslegierungen: 1.xxx >95% Al
korrbest. Legierungen 5000er Serie: ALMg, AlMn, AlMgMn Mkverfestigung
Legierung mit Ausscheidungshärtung: AlCu
Alterung bei 130-190°C Festigkeit sinkt bei Änderung Schneidmechanismus auf Umgehung
Besonderheiten der AlGußlegierung
i.d.R mit Si
als gut gießbar eutektische LegierungAlSi12
andere gut gießbare und aushärtbare Legierungen mit Si, Mg oder Cu
Veredlung mit Sr, Na bewirkt Verfeinerung der eutek. erstarrten Si- Kristalle
Korrosion von Al- Legierungen
- Korr nimmt ab Al-> AlMn->AlMg-> AlCuMg
- wegenAl2O3 Schicht oxidations und korrbest. stabil pH4,5-8,5
- Einfluss einzelner LE:
- Mn positiv hält Fe in Lösung, da es sich sonst an Kg anreichert
- Cr- bis Anteil 0,2% verbesserung der Oxidbeständigkeit
- Cu schlecht, Ausscheidungen an KG korrodieren leicht
Formgebung durch Gießen (Arten, Besonderheiten)
Blockgießen:
- diskontinuierliches Verfahren
- Knetwerkstofe in Form von Barren oder Preßbolzen weiterverformung durch
- Stranggießen (rauhes Aussehen)
- Erstarrungsschrumpfung 7,5% ->evtl. Porosität
Bandgießen:
- kont. Halbzeuggießverfahren
- enges Erstarrungsintervall (Reinalu, ALMn)
- Walzenpressmaschinen
- 6mm Banddicke 1m/min
Formgießen:
- unterteilung in Sand-, Kokillen- und Druckguss
Umformung von Aluminium
Warmumformen-> z.B. Warmwalzen: Streckung Gußgefüge
Kaltumformung: Rekristallisationsschwelle sinkt mit zunehmendem Umformgrad
Eigenschaften von Magnesium in Gegensatz zu Aluminium
dichte 1,7 g/cm³ -> leichter
Verarbeitung:
- in geringeren Wanddicken gießbar
- near net shape casting -> weniger Nachbearbeitung
- gut bearbeitbar -> höhere Lebensdauer Werkzeuge
- kühlt schneller ab -> doppelt so viele Teile gießbar
- Stranggepresste Teile schlecht umformbar da hdp
Brennbarkeit:
- brennt nur im geschmolzenen Zustand nicht mit Wasser löschen Mg +H2=-> MgO + H2
- Mg-Staub leicht entzündlich
- Naßbearbeitung reduziert Risiken
Korrosion:
- größte Gefahr galvanische Korr, z.B. Stahl und Mg
- Mg wird z.T als Opferanode benutzt um Lochfraß bei stahlbehältern zu begrenzen
- Maßnahmen: Konstruktiv: abfluss wasser, Gefügeschichten versiegeln
Haupteinsatzgebiete von Mg
Aerospace und Flugzeug: Komponenten für Raketen, Triebwerke Helikopter, Flugzeuge
Automobil: Zylinderblöcke, Komponenten für Rennwagen
Computerin.: Komp. für Computerperipherie, Gehäuse für Elektronikanwendungen
Maschinenbau: tragbare Sägen, Bohrmaschinen, Gehäuse
Herstellung von Mg
Vorkommen: Oxid oder Carbonat 6. häufigstes Element
Herstellungsprozess:
- Dolomit (MgCO3*CaCO3)
-> im Drehofen kalziniert zu MgO*CaO
-> mit Meerwasser gemischt Mg(OH)2
->wieder kalzinieren MgO
->mit Koks und Chlorgas umwandlung zu MgCl2
-> durch Schmelzelektrolyse Mg
Magnesiumlegierungen: welche Elemente, Systeme, Eigenschaften
- peritektische Systeme: Zr, Mn
- eutektische Systeme Li, Al, Ag
- Zr bewirkt Kornfeinung
- Mn bildet intermet. Phasen mi Schwermetallverunreinigungen
Systeme:
- Mg-Zn: feste Lösung MgZn2, Mg2Zn3
- Mg-Al: RT Löslichkeit 2% bei 437°C 12,7%wt, diskon. Ausscheidung an KG mit geringer Ausscheidungsverfestigung, Verwendung nach Gießen ohne WB
- Mg17Al12 schlecht Kriecheigenschaft, Verbesserung durch Si -> harte MgSi2 Phase
- Mg-Zn-Cu: Ausscheidungshärtung
- Cu erhöht eutektische Temperatur
- bessere Kontrolle über Ausscheidungshärtung
- Lösungsglühen, Abschrecken, Tempern
- Mg- Seltenerden: Festigkeit und Kriechbest. bis 250°C annähernd konst., besondersgut Nd
- Mg-Ag: Zugfestigkeit erhöht, rasche Erstarrung liefert feinkörniges Gefüge Rm bis 500MPa
- amorphe Legierungen: Mg-Ni (Cu)- Lanthanoide Rm bis 850MPa
Eigenschaften von Titan
Kristallstruktur alpha hdp <=882 °C, betha krz>882°C
dichte 4,5 g/cm³
Schmelztemp. 1662°C
Festigkeit 170MPa unlegiert bis 1000 legiert
hohe Korrbest.
Duktilität bis tiefe Temperaturen -250°C
Einsatzgrenze unlegiert 550°C
Herstellung Ti
Vorkommen: TiO3 (Ilmenit) und TiO2 (Rutil)
Verunreinigungen wie Fe, Mg Mn durch Aufschmelzen entfernen
Ti schwimmt oben Reinigung durch HCL
gewonnenes TiO2 in flüchtiges TiCl4 überführt (TiO2 + C + 2Cl2)
-> fraktionierte Destillation Reinigen durch Mg ud Na oder Schmelzelektrolyse im Chlorbad
Welche LE stabilisieren alpha und Betha Ti und deren Eichenschaften
alpha Phase:stab. durch Al, O, und N (Peritektoid (B, Sc, Ge, La,)
einphasige alpha Leg. hdp Struktur mittlere Festigkeit, hohe Kriechbest. gut schweißbar, nicht spröde bei tiefen Temp
betha Phase stab durch Mo, Fe, V, Cu, Mn (Eutek)
besitzen krz-Struktur, höhere Dichte, kurzzeitig höhere Festigkeit, besser verformbar, sprode bei tiefen temp.
Einfluss von N, O2 und C auf unlegiertes Ti
- steigerung der Festigkeit N bis 0,3% bis 850 Mpa, O2 bis 0,5% (Achtung Versprödung) bis 900 Mpa, C bis 0,5% verfestigend 650MPa
Eigenschaften der alpha, betha und alpha-betha Titan Legierungen
- Alpha-Ti Legierung:
- höhere Warmfestigkeits als bethaTi
- Festigkeitserhöhung durch Al (meist verwendet max. Lösl. 8%) und Sn bewirken MK-Verfestigung
- 5%Al und 2,5%Sn am häufigsten, getempert im betha-Bereich, schnelle Abkühlung -> nadelförmige alpha Kornstruktur (Widmannstätten-Struktur) -> hohe Ermüdungsfestigkeit
- langsames abkühlen-> plattenförmiges alpha- Gefüge -> hohe Kriechbestänigkeit
- Daumenregel pro 1%wt Al sigma hoch um 55MPa, pro 1%wt Sn Erhöhung um 28 MPa
betha-Ti- Legierungen
- Zusätze Mo, V, Ta, Nb
- LE bewirken metastabile Struktur aus betha Ti
- bis 300°C höhere Festigkeit
- kaltumformbar
- z.B Ti-15Mo-5Zr-Al
- Anwendung: gering Trägerelemente, Formteile LRF hochfeste Verbinungselemente (Nieten)
alpha+ betha Legierungen
- alpha als auch betha Stabilisatoren -> bei RT Gemisch aus alpha und betha Ti (10-50%)
- Legierung: TiAL6V4
- je nach WB Gefüge/ Eigenschaften einstellbar:
- Tempern im betha- Gebiet + abschrecken -> nadelförmiges Gefüge: hoche Bruchzähigkeit, gut Kriechbeständig, nicht ermüdungsfest
- Tempern in alpha+ betha-Gebiet -> globulares Gefüge: höhere Duktilität, Formbarkeit, höhere Festiggkeit, gu gegen niederfrequente Ermüdung
Anwendungen Ti
- Komponenten in Luft- und Raumfahrt (Turbinen, Verdichterteile, Abgasleiungen)
- Amaturen, Behälter, Pumpen in Chemie- und anlagentechnik
Was sind intermetallische Verbindungen?
bestehen aus zwei oder mehr Metallen, die eine Phase mit stöchiometrischer oder nichtstöchiometrischer Zusammensetzung bilden
Kristallstruktur kann sich von einzelnen Metallen unterscheiden
meiste sehr spez. und außerordentliche Eigenschaften
Bsp. NiAl, TiAl, FeAl, Ni3Al, Ti3Al, Fe3Al MoSi2
oft auch bei hohen Temp. konst. Festigkeit und immer noch duktiel
Charakter der Binung oft zw. metallisch, kovalent und ionisch
Gitteraufbau meist kopmliziert-> erschwert Versetzungsbewegungen-> sehr hart, aber auch spröde
meist feinverteilt in weicher und duktiler Matrix ausgeschieden
Eigenschaften:
oft hohe Schmelzpkt
große Steifigkeit
hoher korrwiederstand
hohe kriechbest.
Auswahlkriterien:
kovalenter Bindungsantei und hoher schmelzpkt
wie können Intermet. Phasen eingeteilt werden?
nach Art ihrer Bindung
- Elektronenphasen
- Laves Phasen A2B- Verbindungen
- A3B- Verbindungen
- Einlagerungsverbindungen
- Valenzverbindungen
nach Atomgrößenverbindungen
Lavesphasen
Frank-Kasper- Phasen
Was sind Elektronen- Phasen? (Hume Rottery)
Zahlenverhältnis zwischen Valenzelektronen und beteiligten e- (e/a) in der EZ
z.B e/a = 3/2 CuZn, Cu5Sn
e/a = 21/13 Cu5Zn8
e/a = 7/4 CuZn3
jedes Verhältnis entspricht bestimmter Gitterstruktur
Eigenschaften: starke met. Bindung, breiter Löslichkeitsbereich
A2B- Verbindungen: Laves Phasen
Atomgrößenverhältnis A:B = 1:2 zB. MgCu2
A3B - Verbindungen
Atomradienverhältnis entscheidend
z.B. Nb3Sn ->Subraleiter
Was sind Einlagerungsverbindungen?
Karbide, Nitride, Karbonitride oder Karbidbildende Übergangsmetalle mit metallähnlichen Eigenschaften wie z.B. Mg2C
(ionisch) oder SiC (kovalent)
hohe Härte und Kriechtemperatur TiC, ZrC
Was ist eine Valenzverbindung zw. Metallen?
bei ionischen Verbindungen mit großem Elektronegativitätsunterschied
z.B. Mg2Sn
Verhalten der Intermet.Ph bzgl der Sprödigkeit
- sind spröde -> Sprödbruch
- Einkristalle besitzen gewisse Duktilität durch Superversetzung (2 partielle Versetzungen mit Stapelfehlerdazwischen)
- durch atomare Bindung teilweise metallisch (nicht so spröde wie Keramik)
- sprödigkeit steigt mit abnehmender Symmetrie und zunehmender Größe der EZ
- für Konstruktionswerkstoffe Intmetph. mit hoher Kristallsymerie (kubische Phasen) und kleinen EZ interessant
Welche eigenschaften hat Ni3Al- Lavesphase?
- wesentliche Phase in iner Ni- Basis Legierung (auch in Ni- Super-Alloys)
- für HT-Festigkeit und kriechbeständigkeit verantwortlich
- mit 7,5 g/cm³ relativ schwer
- Tm 1380°C
- Einkristall: duktil, polykristall neigt zu Sprödbruch
- Fließgrenze steigt bis 700-900 °C an, erst danach Festigkeitsabfall
- durch Zugabe von Bor -> steigerung der Duktilität
Anwendungen: Turboladerrototen, Matritzen zum Schneiden, Kolben Wentile, Schneidwerkstoffe, Rollen von Temperöfen zum Stahlbrennen
Welche eigenschaften hat NiAl
- Tm: 1638°C
- relativ niedrige dichte 5,85 g/cm³
- Emodul: 188 GPa
- beständig gegen Umwelteinflüsse
- hohe therm. Leitfähigkeit
- stabiles System auch bei größeren Abweichungen von der Stöchiometrie
Ni- Überschuss -> sitzen auf Al- Plätzen, bei Al-Überschuss werden Ni- Ls gebildet
- Duktilität bei RT 0,2%, bei 600°C etwa 40% Sigma=800MPa K1c 4-6 MPawurzelm bei RT
-
Eigenschaften von Ti und Ti3Al
TiAl: dichte: 3,8-4,0; E ca. 170GPa, Tm 1440°C; sigma 400-650 MPa, K1c 12-22
TiAl: dichte: 4,2; E ca. 140GPa, Tm 1200°C; sigma 500-1000 MPa, K1c 10-25
Anwendungen:
Ventile, Turboladermotoren, Turbinenschaufeln
Was sind Superlegierungen?
Ni, Fe-Ni, und Co Legierungen mit hohen Legierungsanteilen
Spez. Eigenschaften:
- große Temp.festigkeit
- hohe Kriechbeständigkeit bis temp. 1000°C meist bis (600-700°C)
- hohe Korrosionsbeständigkeit
Vorraussetzung: stabiles Gefüge erzeugt durch MK-Verfestigung, Dispersionsverfestigung und Ausscheidungsverfestigung
Besondere Bedeutung: Ni-BasisSuperlegierungen Einsatztemp. 80-90% der Schmelztemperatur
z.B. Ni- Matrix (Tm 1456°C, kfz),Ni3Al Ausscheidung (Tm 1380°C, kubische Struktur) mit 0,1-1 µm Kg und 40-80% Vol.gehalt
Beschreiben Sie die Verfestigungsmechanismen bei Superlegierungen.
- kohärente Ausscheidungen bewirken Verfestigung durch Versetzungsbehinderung (Schneiden erforderlich)
- MKverfestigung durch große Zusätze von Cr, Mo, W, kleinere Zusätze von Ta,Zr,Ni, B (hoher Kriechwiederstand)
- Dispersionshärtung durch Karbide (feines stabiles Netzwerk aus Karbidpartikel -> erschwer Versetzungsbewegung, verhinder KGgleitung; hemmen Kornwachstum (Ausscheidungsverfestigung wird eingeschränkt)
Bsp: TiC, BC, ZrC, TaC, Mo6C W6C
- Cr, Al bilden an der Of Oxidschichten
- Korngrenzenelemente C,B,Zr,Hf bewirken Duktilisierung de KG -> verhindern Risse entlang der KG
Starke Variation der verschiedenen Mechanismen je nach Herstellung z.b geschmiedet oder gegossen
gezielte WB notwendig oft mehrstufig
Wie werden Thermische Barriereschichten hergestellet und aus was bestehen sie?
ZrO2 (mit 7gew% Y2O3 zur Stabilisierung der kubischen Phase) auf MeCrAlY- Zwischenschicht
ZrO2 niedriger ther.Ausdehnungskoeff (12*10^-6 1/K, und niedrige Wärmeleitfährigkeit 2,5 W/(mK)
zwei Arten zur Aufbringung
- Plasmaspritzen (anisotropes Gefüge mit 10-30% Porosität)
- EB-PVD (Stängelstrukur)
Dicke der Schicht zw. 100-1000µm mit Tempabfall der Gastemp. um 100°C
Beispiele und Eigenschaften Hochtemperaturbeständiger Keramiken
oridisch:
- Al2O3:hitzeresistent, Korrosionsbest,
- ZrO2: therm. Isolator
- Al2TiO5: therm. schockresistent
nicht oxidisch:
- Si3N4: hohe Festigkeit, , thermoschockbeständig, abriebfest
- BN(hexagonal und kubisch)
- AlN: hitzebeständig, hohe wärmeleitfähigkeit
- SiC
- C (Graphit und Diamant)
Eigenschaften/ Besonderheiten Si3N4
- zwei Formen alpha und betha beide hexagonal (unterschied in Dimension der C-Achse)
- alpha Schichtabfolge ABCD (Tieftemperaturmodifikation, aus Gasphase hergestellt)
- betha Schihctfolge AB (aus flüssigem SI hergestellt)
- Herstellung über Reaktionssintern, Sintern oder HIP
-Eigenschaften:
- Gefüge: stengeliges Gefüge mit hohem Streckungsgrad für hohe Bruchzähigkeit und Kriechbest.
- Festigkeit bis 1400MPa
- Dichte 3,2g/cm³
- thermische Ausdehnung: sehr gering
- EModul: 330 GPa
- thermoschockb.: deltaT= 600K
Anwendung von Si3N4
Maschichenbau: Kugellager, Gleitlager
Verschleißtechnik: Schneidwerkzeug für spanende Bearbeitung
Energietechnik: Turboladerrotoren, Kolbenbolzen
auch porös genutzt für: Tiegel, Düsen, Lötformen, Wärmetauscher
Eigenschaften/ Besonderheiten SiC
- zwei Modifikationen Alpha: hexagonal (stabilere Modi), betha kubisch
- es existieren viele Polytypen mit unterschiedlichen Stapelfolgen (Einfluss auf HL eigenschaft)
Formgebung: UniaxialesPressen, Strangpressen, Schlickerguss, Folienguss, druckloses Sintern , HP, HIP
Eigenschaften:
- Härte 25GPa
- hohe Wärmeleitfähigkeit
- hohe chem. und therm. Beständigkeit
- Dichte 3,2 g/cm³
- niedrige Bruchzähigkeit 3-4 MPawurzelm
Anwendungen von SiC
- Turboladerrotoren (hohe Festigkeit bis 1000°C
- Gleitringdichtungen und Gleitlager
- Wärmetauscher
Eigenschaften/ Besonderheiten Kohlenstoff
Modifikationen:
Graphit hexagonal, Diamant kubisch, Fullerene, Nanotubes
Eigenschaften Bulk- Kohlenstoffwerkstoffe:
äußerst hohe Druckfestigkeit
geringer E-Modul
hohe therm Leitfähigkeit
hohe elekt. Leitfähigkeit
Beständig bei hohen Temp.
geringer Reibungskoeff
chem. inert gegen Oxidation
geringe dichte 1,5- 2 g/cm³
Thermoschockbest.
geringe Benetzung durch Metallschmelze
Anwendung von Kohlenstoff
metallugisch: Innenwandung von Schmelzöfen, Gießformen
chem. :Anoden zur Herstellung von Chlor, Fluor; Ventile
mechanisch: Kolbenringe, Kugellager, Schmiermittel
elektrisch: Schleifkonakte
in Verbundwerkstoffen: Bremsbelege, Hitzeschilde
Was ist Verschleiß?
- Tribologie ist aufeinander einwirken von Oberflächen in Relativbewegung, umfasst Gesamtgebiet von Reibung und Verschleiß, einschließlich Schmierung und Grenzflächenwechselwirungen zw. festen, flüssigen und gasförmigen Medien
- Verschleiß fortschreitender Materialverlusst an der OF eines Körpers durch mech.Ursachen (Kontakt und Relativbewegung)
- Verschleiß ist keine Eigenschaft sondern eine Werkstoffpaarung, Umgebuungsmedium spiel wichtige Rolle
Charkterisierung durch Verschleißkoeffizient K
K = Wv/ Fn*s
Wv= Verschleißvolumen [mm³], Fn = Normalkraft, s [m] Gleitweg
Testversuch: Stift auf rotierender Scheibe
Welche Verschleißmechanismen gibt es?
Oberflächenzerrüttung -> Abplatzen der Oberfläche
Abrasion -> Abrieb
Abhäsion -> Kaltverschweißungen
Triebochem. Reaktionen -> Reaktionen unter den Bestandteilen
Überlagerung der Mechanismen
Verschleißmechanismus
Was ist Adhäsion?
- tritt auf, wenn zwei feste Oberflächen aneinander unter Druck entlanggleiten
- führt zu Mikroverschweißungen zw. Grund- und Gegenkörper
- durch lokale Pressung durchbruch schutzender Oberflächenschichten
- bei Relativbewegung bleibt "Schweißnaht" erhalten und kleines Volumen wird aus einem der Körper herausgerissen
- übertragenes Materialvolumen kann in Form von Abriebteilchen abgetrennt werden
- hohe Temp. ehöhen Risiko Adhäsion -> Schmierfilm mit Kühlung wichtig
- Cu neigt zum Kaltverschweißen
Verschleißmechanismen
Was ist Abrasion?
- Ritzung und Mikrozerspanung des Grundkörpers durch Rauigkeitshügel des Gegenkörpers oder Partikel in der Zwischenschicht
- Gegenkörper härter und rauer als Grundkörper oder Partikel in Zw.schicht
- Unterscheidung in:
- Mirkopflügen: Grundkörper plastisch verformt und zu Furchenrändern aufgeworfen, kein Materialabtrag
- je rauer desto schlimmer
- mikropflügen ehöht Rauigkeit mehr als Mikrispanen
- tritt auf bei großem Härteunterschied
- Mikrospannen: Spanbildung vor abrasiv wirkendem Teilchen, -> Entstehen einer Verschleißfurche
- erzeugt Kratzer
- bei annähernt gleicher Härte der Partner
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