Werkstoffkunde Einführungs - VL · 2017. 9. 20. · Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013 VL1:...

Ingenieurgemeinschaft

Meyer & Horn-Samodelkin GbR

Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013

VL1: Einführungsvorlesung

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Werkstoffkunde

Einführungs - VL





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Inhalt der Vorlesung (VL):

1. Organisatorisches

2. Literaturempfehlungen

3. Rolle der Werkstoffkunde in der Gegenwart –

Praxisbeispiele – Historie

4. Einführung in die Werkstofftechnik





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1. Organisatorisches





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• VL-Skript i.w. als *ppt

• Sie werden auf unserer homepage

(www.IGMHS.de) als download-Dateien nach einer

VL angeboten

• zum Selbststudium werden ggf. auch Frageblätter

angeboten

• Hinweise, Fragen und Wünsche bitte per e-mail

([email protected]) vorab zusenden

http://www.igmhs.de/mailto:[email protected]





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2. Literaturempfehlungen:

1. Seidel „Werkstofftechnik“, Hanser-Verlag,

ISBN 3-446-22900-0

2. Bargel / Schulze „Werkstoffkunde“, VDI-

Verlag, ISBN 3-18-401125-9

3. Taschen- und Tabellenbuch Metall




VL1: Einführungsvorlesung 6

Interessante Web-Seiten:

1. www.materialsgate.com

2. www.dgm.de (Werkstoffwissenschaften)

3. www.edelstahl-rostfrei.de (nichtrostende Stähle)

4. www.Kupfer-Institut.de (Messing, Bronzen, Kupfer)

5. www.werkstofftechnik.com (allgemein)

6. www.werkstoffe.de (allgemein)

7. www.roheisen.de (Gusswerkstoffe)

8. www.metallograf.de (Metallographie)

9. www.thinkzink.de (Korrosion, Verzinken)

10. www.beuth.de (Normung)

11. www.stahl-online.de (alles zum Werkstoff Stahl)

http://www.materialsgate.com/http://www.dgm.de/http://www.edelstahl-rostfrei.de/http://www.edelstahl-rostfrei.de/http://www.edelstahl-rostfrei.de/http://www.kupfer-institut.de/http://www.kupfer-institut.de/http://www.kupfer-institut.de/http://www.werkstofftechnik.com/http://www.werkstoffe.de/http://www.roheisen.de/http://www.metallograf.de/http://www.thinkzink.de/http://www.beuth.de/http://www.stahl-online.de/http://www.stahl-online.de/http://www.stahl-online.de/





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3. Rolle der Werkstoffkunde

in der Gegenwart –

Praxisbeispiele - Historie





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• eines der Grundlagenfächer der Ing.-wissenschaften

• behandelt den Zusammenhang zwischen Struktur und

Eigenschaften aller für die Technik bedeutenden Stoffe

• im 20. Jhdt. i.w. entstanden und zur Reife gelangt

• im Ursprung: Empirie (z.B. Stahlhärtung)

• Halbleiter und Technik kleiner Bauteile führte zur zweiten

industriellen Revolution im verg. Jhdt.

• heute: durch physikalisches Denken und die Anwendung

moderner Untersuchungs- und Messmethoden geprägt

Werkstoffkunde (materials science and

engineering) ist:





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Bedeutende werkstoffkundliche Entdeckungen :

• Grundlagen der Stahlhärtung

• Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen

• „metallische Gläser“, „amorphe Metalle“

• Einkristalle

• Tieftemperatursupraleiter

• Legierungen mit Form-Gedächtnis-Effekt

• Verbundwerkstoffe

• Metallschäume

• Kunststoffe mit magnetischen Eigenschaften

• Nanopartikel etc.





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Beispiele aus verschiedenen

Branchen





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B1: Metallschäume

B2: Nanopartikel

Menschenhaar





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B3: Gase im Stahl –

schädlich oder unschädlich?

Bewirken Gase im Stahl den Zusammensturz einer Brücke ?

Können Gase den Stahl fester machen ?





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Welche Gase spielen im Stahl eine Rolle?

Die meisten Stahlerzeugnisse werden aus der Schmelze hergestellt. Bei der Erstarrung können kleine Gasmengen gelöst bleiben. Das Gleiche gilt für das Schweißen.

• Stickstoff

• Sauerstoff

• Wasserstoff





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Altstähle Vorsicht:

Sauerstoff (O) und Stickstoff (N)

bestimmte Stähle altern! Vorsicht beim Schweißen!

Geschweißte Straßenbrücke (Belgien) Baujahr 1937, eingestürzt 1938

Liberty-Schiff, Sprödbruch 1945

GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH (alle Rechte vorbehalten) 15

Stähle für Tieftemperaturanwendungen

„Liberty Schiffe“ – ein Überblick

Liberty-Schiffe:

In den Jahren 1941 bis 1946

wurden durch US-amerikanische

Werften unter großtechnischer

Anwendung der Schweißtechnik

in Großserie neuartige Schiffe

gebaut. Dazu zählten:

2.710 Liberty Schiffe,

534 Victory Schiffe und

525 T2 Tanker.

Die Gesamtzahl der gebauten

Schiffe betrug 3.769 Einheiten. Bilder: Project Liberty Ship; S. S. Jeremiah O'Brien



„Liberty Schiffe“ – Bau in Großserie

Die Bauzeit für das Liberty-Schiff

SS „Robert E. Peary“ betrug:

4 Tage 15 Stunden und 29 Minuten Bilder: Library of Congress, USA



„Liberty Schiffe“ – Schäden

Liberty-T2-Tanker S. S. „Schenectady“ Liberty-Frachter S. S. „Charles S.

Haight“

Liberty-Frachter S. S. „Charles S. Haight“ Liberty-Frachter S. S. „Charles S. Haight“

Bilder: University of Western Australia; Ted Dow


Nach dem Schaden klug werden

Die Schiffe der „Olympic“-Klasse

Schiffe der „Olympic“-Klasse

Durch die nordirische Werft HARLAND & WOLFF

in Belfast, wurden in den Jahren 1909 bis 1914

drei Passagierschiffe für die Nordatlantikroute

gebaut. Diese zählten zu den größten Schiffen

ihrer Zeit. Bilder: F. G. O. Stuart; Robert John Welch (Harland & Wolff)


Nach dem Schaden klug werden

RMS „Titanic“ – Das Wrack

15. April 1912; Nordatlantik, Neufundland

Wassertemperatur: ca. -4°C

Kollision mit Eisberg und sprödes Aufreißen der

Schiffshülle unter Wasser. Der verbaute Schiff-

baustahl verfügte nicht über eine ausreichende

Kaltzähigkeit.

Bilder: Emory Kristof; DAPD - Welt

Online





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Stickstoff steigert die Festigkeit von Stahl

Sonderschweißtechnologien beachten,

sonst entstehen Poren in der Schweißnaht.

REM-Bild

Stickstofflegierte Stähle

LM-Bild





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Der Wasserstoff ( H ) kann z.B. beim Schweißen, Beizen oder Verzinken in den Stahl diffundieren!

REM-Bild

Im Kristallgitter wird aus atomarem H molekularer H2

Da dieser wesentlich größer ist, wird ein starker Innendruck erzeugt. Bei ungünstigen Verhältnissen führt dieser zum Bruch des Bauteils!





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reines Fe Stahl mit 0,2 % C Stahl mit 0,8 % C

Im Lichtmikroskop kann man nach einer speziellen Präparation der Stahloberfläche die Kristalle sichtbar machen.

Das Aussehen der Kristalle unterscheidet sich, je nachdem, wieviel

Kohlenstoff ( C ) vorhanden ist. Der C ist i.w. als Fe3C gebunden.





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Das ist auch das Geheimnis der Damaszenerstähle





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Historische

Entwicklung der

Werkstoffe

nach 1990:

Kunststoffe (PVC.....moderne

leitfähige Kunststoffe)

Metallschäume

Verbundwerkstoffe mit

Nanopartikeln

Kohlefaserverstärkte

Kunststoffe (CFK)

Hochfeste Stähle

Mg-Legierungen u.v.a.m.





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4. Einführung in die

Werkstoffkunde





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Stadium A: wie erfolgt eine effiziente Gewinnung der Werkstoffe ?

Stadium H: in welchen Lieferformen liegt der Rohwerkstoff vor ?

Kann er hinsichtlich seiner Eigenschaften noch

modifiziert werden?

Stadium F: wie muss der Werkstoff verarbeitet werden, um keine

Eigenschaftseinbußen zu erfahren ?

wie erfolgt eine werkstoffgerechte Konstruktion? (die

Gestaltung muss den Werkstoffeigenschaften und den

Fertigungsmöglichkeiten angepasst sein)

Stadium G: wie muss die Konstruktion gepflegt, gewartet werden ?

Stadium V: wann tritt ein Versagen der Konstruktion auf ? Gibt es

Maßnahmen, die eine Lebensdauerverlängerung

bewirken ?

Stadium E: Was geschieht mit dem Werkstoff, nachdem er seinen

„Dienst getan hat“ ?





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Metalle Nicht -

Metalle

Verbund -

werkstoffe

Eisen - Werkstoffe Nichteisen - Metalle

Künstliche

Werkstoffe

z.B.

verstärkte

Kunststoffe,

Hartmetalle

z.B.

Kunststoffe

Glas

Keramik

z.B.

Granitstein

Asbest

Holz

z.B.

Aluminium

Magnesium

Titan

z.B.

Kupfer

Zink

Blei

z.B.

Baustahl

Werkzeugstahl

Vergütungsstahl

z.B.

Gusseisen

Temperguss

Stahlguss

Stahl Schneid - stoffe

Eisen -

Gusswerk -

stoffe

Aluminium

Kupfer Kunst -

stoffe

Natur -

Werkstoffe

Leicht -

metalle

Schwer

- metalle

Eisen - Guss -

werkstoffe Stähle





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Eine Kombination gewünschter physikalischer Eigenschaften

wird „technische Eigenschaften“ oder

„Gebrauchseigenschaften“ genannt.

Ein Stoff, der die gewünschten technischen Eigenschaften

besitzt, muss noch 2 weitere Voraussetzungen erfüllen,

um als Werkstoff verwendet werden zu können:

a) er muss „ zu Bauteilen formbar/verarbeitbar sein“

(Urformbarkeit – Giessen, Pressen, Sintern und

Umformbarkeit – zerspanend bzw. spanlos verarbeitbar

sowie Fügbarkeit – Schweißen, Kleben, Nieten, Löten)

b) er muss wirtschaftlich herstellbar sein (die Kosten für die

Herstellung und Verarbeitung müssen vgl. optimal sein,

Eigenschaften / Preis = max.)





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Entsprechend der Gebrauchseigenschaften werden

Werkstoffe in 2 große Gruppen eingeteilt:

a) Strukturwerkstoffe bei diesen kommt es vor allem auf die mechanischen Eigenschaften an

(Flugzeugtragflächen, Brücken,

Pleuelstangen etc. – aus hochfesten Al-

und Ti-Legierungen, hochfestem Stahl, Ni-

Legierungen usw.)

b) Funktionswerkstoffe es stehen physikalische Eigenschaften im Vordergrund, Wolframdraht für

Glühlampen, Heizleiter für Kochplatten,

piezoelektrische Quarzkristalle etc.





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Sämtliche verwendete Bilder und Daten stammen

entweder:

• aus verschiedenen Quellen im Internet,

• den VDI-Nachrichten,

• den Literaturempfehlungen [1] bis [3],

• den GSI-Unterrichtsmanuskripten

• oder eigenem Archiv der IGMHS.

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