werkstoffe 0.1. & 0.2. - werkstoffe & werkstoffkunde

WERKSTOFFE 0.1. & 0.2. DR. BERND STANGE-GRNEBERG, DEZEMBER 2013


2

0.2. EINTEILUNG DER WERKSTOFFE

0.1. WERKSTOFFE & WERKSTOFFKUNDE

0. WERKSTOFFE, WERKSTOFFKUNDE & WERKSTOFFAUSWAHL

Teil A

nach Thema 13


3

LERNZIELE

Nach der Vorlesung sind Sie in der Lage...

...zwischen Werkstoffkunde, Werkstoffwissenschaften & Werk-stofftechnik zu unterscheiden

...die Verflechtungen zwischen Werkstoffkunde/-technik und Konstruktion und Fertigung zu beschreiben

...den Kreislauf der Werkstoffe grundlegend zu erlutern

...den Weg der Rohstoffe zum Werkstck zu beschreiben

...den Begriff Werkstoff zu definieren

...zwischen den vier Hauptgruppen der Werkstoffe zu unter-scheiden


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LERNZIELE

...mindestens fnf wichtige positive bzw. negative Eigen-schaften von Vertretern dieser Hauptgruppen zu nennen

...die Bedeutung von modernen Werkstoffen zu an verschie-denen Beispielen zu verdeutlichen


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Werkstoffe & Werkstoffkunde


6

Gegenstand und Bedeutung


7


Werkstoffkunde (materials science and engineering)

Werkstoff-wissenschaft

(materials science)

Werkstoff-technik

(materials engineering)

Werkstoffe


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Werkstoff-wissenschaft

(materials science)

The central concept of materials science is relating the microstructure of a

material to the properties you want it to have. By working with the

microstructure, you can tailor the central properties of that material.

Eduardo Kamenetzky, Cytec Ind.

Erforschung der Zusammenhnge zwischen

Aufbau eines Werkstoffes und seinen Ei-

genschaften


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Werkstoff-technik

(materials engineering)

Materials science broadly encompasses the fundamental study of solid

matter with the goal of engineering new materials with superior properties,

and ultimately enabling altogether new types of devices. California Institute of Technology (Caltech)

Nutzung der Erkenntnisse der Werkstoff-

wissenschaft zur Entwicklung neuer Werk-

stoffe und Technologien


10


Werkstoff-eigenschaften

Aufbau Herstellung

Prfung

Anwendung

Bearbeitung/ Verarbeitung

Normung

Werkstoffe


11

Gegenstand und Bedeutung Tetrahedron of materials science


12

Gegenstand und Bedeutung Tetrahedron of materials science

Beispiel: Chassis eines Kfz


13


Werkstoffkunde

Chemie Physik

Kristallographie Mathematik

Mineralogie

Interdisziplinaritt


14

Stellung und Bedeutung der Werkstoffkunde in der Technik:


Bau-teile

Konstruktion

Fertigung

Qualitts-sicherung

Ziel: Null-Fehler-

Produktion Bauteile mssen so entworfen, wirt-

schaftlich hergestellt und in Funktion

erhalten werden, da sie eine hohe,

dabei sinnvolle Lebensdauer erreichen


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Verflechtung von Werkstoffkunde/-technik mit Konstruktion und Fertigung:


Werkstofftechnik

Fertigungs-technik

Konstruktions-technik

Konstruktion mu

fertigungsgerecht sein

vorgesehene Fertigung

erzwingt evtl. Entwurfs-

nderung

Konstruktion soll

werkstoffgerecht sein

Fertigung ist werkstoff-

abhngig und verndert

die WS-Eigenschaften

WS-Auswahl wird durch

Fertigung beeinflut

WS-Auswahl wird durch

Entwurf beeinflut

KOSTEN


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Entwurf von Gestalt und Abmessungen des Bauteils nach

Methoden der Konstruktions- und Festigkeitslehre mit Be-

achtung des spteren Fertigungsverlaufs ( Werkstoffart

mit Rckwirkung auf die Gestalt)

Bsp.: stark geripptes Bauteil typische Gukonstruktion

Guwerkstoff


Konstruktions-technik

Einflu des Werkstoffes


17

Festlegung der Arbeitsgnge, ihre Durchfhrung und die

Kontrollen zur Qualittssicherung

Arbeitsgnge mssen die Eigenschaften des Werkstoffes be-

rcksichtigen: Kein Werkstoff ist fr alle Fertigungsverfah-

ren geeignet!

Bsp.:

Stahlgu lt sich nicht dnnwandig vergieen

Tempergu ist nicht fr groe Wanddicken geeignet


Fertigungs-technik

Einflu des Werkstoffes


18

auch: Qualittssicherung (engl. quality assurance)

Null-Fehler-Produktion vorbeugende Manah-

men zur Vermeidung von unzulssigen nderungen

von Bauteilen und Werkstoffeigenschaften

FMEA (Failure Mode & Effects Analysis, Auswir-

kungsanalyse): Aufdeckung von Schwachstellen in

allen Phasen der Produktion durch berprfung

aller Prozeparameter

Gegenstand und Bedeutung weitere Faktoren


19

Betriebsunterhaltung/Wartung

31051: Manahmen zur Verzgerung des

Abbaus des vorhandenen Abnutzungs-

vorrates

Wartung Funktionserhaltung (Instandhaltung)

unter Betriebsbedingungen

Bsp.: Abstimmung von Schmiermitteln oder Korrosionsschutzmanahmen auf

den Werkstoff



20

Schadensfall:

Verminderung der Bauteillebensdauer durch

Verschlei & Korrosion Verschlei: fortschreitender Materialverlust aus der Oberflche, hervorgeru-

fen durch mechanische Ursachen;

Korrosion: Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine mebare

Vernderung bewirkt und zu einer Funktionsbeeeintrchtigung fhren kann

berlastung Gewaltbruch, Ermdung Dau-

erbruch

Bsp.: nderungen von Konstruktion, Werkstoff

oder Oberflchenbehandlung knnen knftige

Schden am Bauteil vermeiden



21

Sustainable development is development that meets

the needs of the present without compromising the ability of

future generations to meet their own needs.

Brundtland Commission, 1987

Gegenstand und Bedeutung Sustainable Development

Nachhaltigkeit: Regeneration, Recycling & Innova-

tion

konomische und kologische Gesichtspunkte

Endlichkeit der Rohstoffvorrte sparsam(er)er

Umgang mit Ressourcen


22

Gegenstand und Bedeutung Kreislauf der Werkstoffe


23


idealer Stoffkreislauf

Ideale Werkstoffe sind vollstndig

wiederverwertbar oder vollstndig

(biologisch) abbaubar!


24


Recycling

werkstoffliches

Recycling

rohstoffliches

Recycling

energetische

Verwertung

metallische

Werkstoffe

Glas

viele Metalle unterliegen Korrosion (Fe, Cu) und sind biologisch abbaubar (nicht Al)

einige Metalle sind sehr giftig (Hg, Pb) bzw. besitzen gesundheitsgefhrden-de Wirkungen bei Deponierung

Legierungen oft problematisch

keine Zersetzung unter Umgebungsbedingungen/nicht biologisch abbaubar

Wiederverwertung unter bestimmten Voraussetzungen (Sortierung nach Far-be, Glasart usw.) mglich


25


Recycling

Kunststoffe

Verbund-

werkstoffe

Reaktionstrgheit groer Nachteil fr Wiederverwertung, in der Regel nicht biologisch abbaubar

Wiederverwertung nach Art: werkstofflich (z.B. PET), rohstofflich (z.B. PE), energetisch (viele KS)

Biokunststoffe Werkstoffe 10 - Sonderthema

nur bedingt wiederverwertbar, da Trennung der verschiedenen Komponen-ten sehr aufwendig


26

WING: Werkstoffinnovationen fr Industrie und Gesellschaft

Schwerpunkte des Programms:

ausgereifte Konstruktionen bedingen Verbesserung nur noch ber die Werk-

stoffe selbst Entwicklung neuer Materialien und neuer Fertigungsverfah-

ren, z.B.:

nanotechnologische Werkstoffkonzepte

Schichten und Grenzflchen

leichte Werkstoffe und Strukturen

intelligente Werkstoffe

elektromagnetische Funktionswerkstoffe



27

Material- und Energieeffizienz:

bessere Nutzung von Werkstoff und Energie

Bsp.: Reduktion von Werkstoff- & Energieverbrauch durch Leichtbau

Gegenstand und Bedeutung Entwicklungsrichtungen


28

Oberflchenbehandlungen/Nanotechnologie:

verbesserter Schutz gegen Verschlei und Korrosion



29

Energieeinsparung und bessere Nutzung:

steigende Bedeutung von Materialausnutzung und Energieverbrauch

hhere Wirkungsgrade



30

Energieeinsparung und bessere Nutzung:

steigende Bedeutung von Materialausnutzung und Energieverbrauch bei Ent-

scheidungen ber Fertigungsverfahren:



31

Werkstoffe als Basis fr Technologien und Industrien:


Flugzeugbau, Luft-fahrtindustrie

Fertigungs-/ Produktionstechnik

Kunststoffe, che-mische Industrie

Dsentriebwerke, Turbinenbau

Aluminium-legierungen

Hartmetalle

Polymere

Super-legierungen

1920 1930 1940 1950


32


Transistortechnik, Elektronikindustrie

High-Tech-Industrien

Biotechnologien, Medizintechnik

Mikro- und Nanotechnik

Halbleiter

neue Keramiken

Bio- materialien

Nano- materialien

1960 1970 1980 1990


33

Innovationen in Produkt- und Verfahrensdomne durch Integration aller fr

die Werkstoffentwicklung beitragender Wissens- und Technologiebereiche:

Gegenstand und Bedeutung Werkstoffe im 21. Jahrhundert

Materials: Shaping our Society


34

weitere Informationen:

Gegenstand und Bedeutung Werkstoffe im 21. Jahrhundert


35

Geschichte


36

Werkstoffe besitzen eine enorme

kulturevolutionre Bedeutung fr

die Menschheit:

STEINZEIT (bis 7000 v.Chr.)

KUPFERZEIT/KUPFERSTEINZEIT (8000-2200 v.Chr.)

BRONZEZEIT (3000-1200 v.Chr.)

EISENZEIT (1700-500 v.Chr.)

Geschichte

Drei- bzw. Vierperiodensystem der Archologie

Nutzung natrlicher

Werkstoffe

gezielte technische

Gewinnung von

Rohstoffen

Kulturgeschichte


37

Geschichte Entwicklung und Bedeutung


38

Vom Rohstoff zum

Werkstck


39

Vom Rohstoff zum

Werkstck

Werkstck

physikalische

Trennverfahren

chemische

Trennverfahren

Vom Rohstoff zum Werkstck


40

Vom Rohstoff zum

Werkstck

Energie & Hilfsstoffe

Energie & Hilfsstoffe

Erze

Erdl

Erdgas

Rohstoffe

Halbzeuge

Erzeugnisse (z.B. Pulver)

Werkstoffe

Werkstcke

Vom Rohstoff zum Werkstck

Kurzdarstellung


41

Vom Rohstoff zum

Werkstck

Weltproduktion von mineralischen Rohstoffen & Energierohstoffen (2004):


42

Einteilung der Werkstoffe


43

Werkstoffe Definition &

Anforderungen


44


Anforderungen

Werkstoffe sind Materialien in (vorwiegend) festem Aggregat-

zustand, die in Produktionsprozessen zu Bauteilen, komplexen

Konstruktionen und Werkzeugen verarbeitet werden und in die-

se eingehen. In der Regel handelt es sich um Rohstoffe, Hilfs-

stoffe, Halbzeuge und Halbfertigprodukte.

Definition (allg.)

VW

Golf

II,

in E

inze

lteile z

erl

egt


45


Anforderungen

Ein Material wird zum Werkstoff, wenn es

in mindestens einem Aggregatzustand anwendungsrelevante

(z.B. technisch verwertbare) Eigenschaften besitzt,

technologisch und wirtschaftlich machbar und umweltvertrg-

lich ist.

Definition nach ONDRACEK (1979)

Umweltvertrglichkeit schliet ein,

da der Werkstoff whrend des Gebrauchs der Produkte keine

Schadstoffe in die Biosphre abgibt und

da sich der Werkstoff nach Gebrauch und Verbrauch der Pro-

dukte in den kokreislauf einfgt.


46

Systematik


47

Werkstoffauswahl

Beispiele


48

Werkstoffauswahl

Beispiele


49

Systematik

Werkstoff-Hauptgruppen

Keramiken/ Glser

Metalle

Polymere

Verbund-werkstoffe

Halbleiter

Silikone

Natur-stoffe


50

Systematik Hierarchie der Materialklassifizierung


51

Systematik

Halbleiter

Metalle


52

Systematik

hohe Zhigkeit

mittlerer bis hoher Elastizittsmodul

hohe Festigkeit

hohe Verschleifestigkeit

hohe elektrische und thermische Leitfhigkeit

gute plastische Verformbarkeit in allen Temperaturbereichen

vielfltige Herstellungs-, Umform-, Bearbeitungs- und Fge-

mglichkeiten unkompliziertes Konstruieren

Metalle charakteristische

Eigenschaften

Stahlcoils

kristalliner Aufbau


53

Systematik

z.T. hohe Dichte

hufig chemisch reaktiv bis sehr reaktiv (anfllig gegen Kor-

rosion)

schlechte Dmpfungseigenschaften

maximale Betriebstemperaturen unterhalb 1000 C

hohes Reflexionsvermgen fr Licht/lichtundurchlssig

Metalle charakteristische

Eigenschaften


54

Systematik

Metalle

Blick ins PSE


55

Systematik

Keramiken/ Glser


56

Systematik

relativ niedrige Dichte

groe Hrte

hohe Verschlei- und Warmfestigkeit

hoher Elastizittsmodul

gute elektrische Isolationseigenschaften

geringe thermische Ausdehnung

hohe maximale Betriebstemperaturen (bis weit ber 1000 C)

chemisch sehr bestndig bis inert

Keramiken/ Glser

charakteristische Eigenschaften

Keramikisolator

kristalliner oder amorpher Aufbau


57

Systematik

geringe Zhigkeit, hohe Sprdigkeit (kaum plastisch verform-

bar)

eingeschrnkte Herstellungs-, Umform-, Bearbeitungs- und

Fgemglichkeiten Probleme bei der Fertigung, Nachbear-

beitung, Prfbarkeit, thermische Wechselbestndigkeit

hohes Know-how bei der konstruktiven Gestaltung notwendig

Keramiken/ Glser



58

Systematik

Keramiken/ Glser

Kombinationen

Blick ins PSE


59

Systematik

Polymere


60

Systematik

niedrige Dichte

geringer Elastizittsmodul (hohe Flexibilitt)

relativ gute Korrosionsbestndigkeit

gute Temperaturwechselbestndigkeit

gute elektrische Isolationseigenschaften

gute Dmpfungseigenschaften

gute Einfrbbarkeit

mgliche Transparenz

Polymere charakteristische

Eigenschaften

Kunststoff-Halbzeuge

makromolekularer Aufbau


61

Systematik

vielfltige Herstellungs-, Umform-, Bearbeitungs- und Fge-

mglichkeiten groe konstruktive Gestaltungsfreiheit

einfache und wirtschaftliche Fertigung komplizierter Massen-

teile


Eigenschaften


62

Systematik

geringe Festigkeit

geringe Warmfestigkeit

geringe Bauteilsteifigkeit

z.T. niedrige Verschleifestigkeit

maximale Betriebstemperaturen unterhalb 200 C

Brennbarkeit (mit daraus resultierender Umweltproblematik)


Eigenschaften


63

Systematik

Polymere

Blick ins PSE


64

Systematik

Verbund-werkstoffe


65

Systematik

Verbund-werkstoff

Einfhrung

Definition: Kombination aus mindestens zwei unter-

schiedlichen Materialien, z.B. glasfaserverstrkte Poly-

mere, Stahlbeton, Hartmetall usw.

einstellbare Eigenschaften in Abhngigkeit von Art,

Anteil und Verteilung der Komponenten

hufig anisotrope (richtungsabhngige) Eigenschaften

Hartmetall-Gefge

Wood-Plastic-Composite


66

Systematik

Verbund-werkstoff

Werkstoff-verbund Begriffsklrung

Kombination positiver Eigenschaften der Einzelwerkstoffe in einem Bauteil

neuer Werkstoff mit anderen Eigenschaften

Teilchenverbundwerkstoffe

Faserverbundwerkstoffe

Schichtverbundwerkstoffe

unklar: einfache Werkstoffkombination

z.B. Oberflchenbehandlungen

im Sinne einer Lackierung o..

(keine chemische Vernderung!)

Verbund-werkstoff

Einfhrung


67

Systematik

Verbund-werkstoff


hohe Festigkeit

hohe Steifigkeit

geringe Dichte

gute chemische und thermische Bestndigkeit

z.T. hohe Verschleifestigkeiten

belastungsgerechte Optimierung von Bauteilen

hohe Flexibilitt (in den Eigenschaften) durch Wahl der Ver-

bundkomponenten


68

Systematik

Verbund-werkstoff


relativ geringe Zhigkeit

Anisotropie der Werkstoffeigenschaften

hohe Fertigungskosten bei groen und komplizierten Teilen

Probleme beim Herstellen, Fgen, Recyceln

hohes Know-how bei der konstruktiven Gestaltung notwendig


69

Systematik Vergleich der Hauptgruppen

Dichte


70


Steifigkeit (E-Modul)


71


Festigkeit


72


Bruchzhigkeit


73

Systematik

Halbleiter


74

Systematik Halbleiter

Werkstoffe mit stark temperaturabhngiger elektrischer Leitfhigkeit:

Unterscheidung:

elementare Halbleiter (z.B. Si, Ge)

Verbindungen aus Elementen der III. und der V. Haupt-

gruppe, sogenannte III-V-Halbleiter (z.B. Galliumarsenid,

GaAs) Silicium-Wafer

tiefe Temperaturen: Isolator

ab Raumtemperatur: Leiter/Nichtleiter


75

Systematik

elementare Halbleiter

III-V-Halbleiter

Halbleiter Blick ins PSE


76

Systematik

Silikone


77

Systematik Silikone

eigentlich: Polydialkylpolysiloxane, [R2SiO]n

Polymere mit im Vergleich zu gewhnlichen

Kunststoffen (PE, PET, PS usw.) verbesserter Tem-

peraturbestndigkeit (speziell bei tiefen Tempera-

turen fehlende Sprdigkeit)

Polydimethylsiloxan

Haushaltsprodukte aus Silikon


78

Systematik

Natur-stoffe


79

Systematik

Natur-stoffe

Unterscheidung

Asbest

Schiefer

Naturstein

Diamant/Graphit

mineralische

Werkstoffe

kristalliner Aufbau


80

Systematik

Natur-stoffe

Unterscheidung

Holz

Kautschuk

Naturfasern

organische

Werkstoffe

makromolekularer Aufbau


81

Systematik

Natur-stoffe

Holz

(Bau-)Holz, lat. materia Material

wichtigster natrlicher Werkstoff mit jahrtausendealter

Geschichte (Produktion ca. 109 Tonnen pro Jahr)

Bestandteile: Cellulose, Lignin, Wasser, Fette/le,

Wachse, Harze, Luft

Gefge aus lnglichen Zellen

natrliche Variante eines zellularen

Werkstoffes


82

Systematik

Natur-stoffe


nachwachsender Werkstoff mit hervorragender kobilanz

(Energiebedarf < 7,5 kWh/Tonne) gnstig fr nachhaltige

Entwicklungen

relativ hohe Festigkeit bei geringer

Dichte guter Konstruktionswerk-

stoff

Dauerhaftigkeit

Holz


83

Systematik

Natur-stoffe


ausgeprgte Inhomogenitten/Anisotropien

hygroskopische Eigenschaften (hohes Quell-/Schwindma bei

Feuchtewechseln)

Brennbarkeit

Anflligkeit gegen biotische Faktoren (Pilze, Bakterien, UV-

Strahlung)

Thema 11

Holz


84

Systematik

WERKSTOFFE

VERBUNDWERKSTOFFE

organische Werkstoffe

anorganische Werkstoffe

Eisen-Werkstoffe

Nichteisen-Werkstoffe

Halbleiter-Werkstoffe

Glas-Werkstoffe

Keramik-Werkstoffe

aus synthetischen

Edukten

aus natrlichen

Edukten

natrliche Werkstoffe

knstliche Werkstoffe

metallische Werkstoffe

anorganische nicht-metallische Werkstoffe

hochpolymere Werkstoffe

nichtmetallische Werkstoffe

komplexere Systematik


85

Systematik

Struktur- oder Konstruktions-

werkstoffe

Funktions-werkstoffe

Materialien mit besonderen

mechanisch-technologischen

Eigenschaften

geben Bauteilen geometrische Form/Steifigkeit gegenber an-

greifenden Krften

Bsp.: Stahl, Al-/Ti-Legierungen fr groe Bauteile usw.

Materialien, die besondere

funktionelle Eigenschaften

realisieren

meist lokal begrenzt

Bsp.: optische Glser, Halblei- ter, Magnete usw.

Systematik nach Anwendung


86

Exkurs: Moderne

Werkstoffe


87

Exkurs: Moderne Werkstoffe auch: innovative Werkstoffe/Hochleistungswerkstoffe

Halbleiter Biomaterialien

intelligente Werkstoffe

Nanomaterialien


88

Exkurs: Moderne Werkstoffe

intelligente Werkstoffe (smart materials)

Werkstoffe aller Hauptgruppen mit groem Ein-

flu auf viele moderne Technologien

Erkennen von Vernderungen in der Umgebung und Reaktion in vorherbestimmter Weise

Bestandteile

Sensoren (Empfang eines Signals)

Aktoren (Generierung einer Antwort)

optische Fasern

piezoelektrische Materialien

mikroelektromechanische Systeme

Formgedchtnislegierungen (WS 4.3.)

piezoelektrische Keramiken (WS 11)

magnetostriktive Werkstoffe (WS 2.1.)

elektro-/magnetorheologische Fluide


89


Nanomaterialien

(nanomaterials)

nanoskalige Partikel zeigen drastische nderungen in einigen physikalischen/

chemischen Eigenschaften

Effekte sind oft quantenmechanischer Natur bzw. Oberflchenphnomene

Cave: Gefhrdungspotential weitgehend unbekannt!

A natural, incidental or manufactured material containing particles, in an unbound state or as

an aggregate or as an agglomerate and where, for 50% or more of the particles in the number

size distribution, one or more external dimensions is in the size range 1 nm 100 nm.


90


Nanomaterialien

(nanomaterials)

Beispiele

Nanopartikel

Nanofasern/-rhren

Nanoplatten

Fullerene

Kohlenstoffnanorhren

(carbon nanotubes, CNT) Goldnanopartikel


91

Vielen Dank fr Ihre Aufmerksamkeit!

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