Werkstoffkunde für Ingenieure

Frontmatter

1. Überblick

Zusammenfassung

Die Entwicklung der Zivilisation und damit der Technik war und ist mit der Verfügbarkeit von Werkstoffen verbunden. Deutlich wird dies in der gebräuchlichen Einteilung der Menschheitsgeschichte wie z.B. Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit. Hier wurden Epochen nach der Beschaffenheit der Werkzeuge, die von Menschen eingesetzt wurden, benannt. Allgemein bekannt ist auch, dass sich Zivilisationen mit den höherwertigeren Werkzeugen entwicklungsgeschichtlich durchgesetzt haben. In der jüngsten Geschichte wurden die Begriffe „industrielle Revolution“ oder „Siliziumzeitalter“ geprägt. Die industrielle Revolution, die im Grunde eine handwerklich und landwirtschaftlich geprägte Gesellschaft durch die „moderne“ Industriegesellschaft ersetzt hat, beruht letztlich auf der technischen Innovation der großtechnischen Herstellung von metallischen Werkstoffen, wobei die Eisenwerkstoffe einen besonderen Schwerpunkt bildeten. Damit wurde es z.B. möglich, Dampfmaschinen und in der weiteren Entwicklung hocheffiziente Gasturbinen zu bauen. Damit wird deutlich, dass die technische Produktinnovation wesentlich von der Leistungsfähigkeit der Werkstoffe abhängt.

Eberhard Roos, Karl Maile

2. Atomarer Aufbau kristalliner Stoffe

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Samtliche technische Werkstoffe lassen sich auf bekannte chemische Elemente zuruckfuhren, die sich aus Atomen aufbauen. Ein Atom selbst wiederum besteht im Wesentlichen aus den Elementarteilchen

• Protonen (positiv geladen),
• Neutronen (elektrisch neutral) und
• Elektronen (negativ geladen).

Eberhard Roos, Karl Maile

3. Legierungsbildung

Zusammenfassung

Technische metallische Werkstoffe sind in der Regel keine reinen Elemente, sondern bestehen aus mindestens zwei Elementen. Die Zugabe von Legierungselementen erfolgt zur gezielten Eigenschaftsveranderung wie z.B.:

• Erhohung der Festigkeit
• Steigerung des Korrosionswiderstands
• Steigerung des Verschleiswiderstands

Eberhard Roos, Karl Maile

4. Thermisch aktivierte Vorgänge

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Unter thermisch aktivierten Vorgängen versteht man den Platzwechsel der Atome aufgrund thermischer Anregung. Das wird dadurch bewirkt, dass die Atome im Kristallgitter oder in den amorphen Strukturen durch Schwingungen die Energiebarriere überwinden, die zwischen zwei „stabilen“ Zuständen liegt. Die Amplitude der Gitterschwingungen wächst mit ansteigender Temperatur. Bei der Schmelztemperatur beträgt sie etwa 12% des Gitterabstandes. Am absoluten Nullpunkt kommt die Bewegung der Atome und Moleküle zum Stillstand, unabhängig davon, ob sie im thermodynamischen Gleichgewicht angeordnet sind oder nicht. Zustandsänderungen in einem Festkörper sind stets ein Zeichen dafür, dass der energieärmste, der stabile Zustand noch nicht erreicht ist. Die Zustandsänderungen sind nicht stufenlos, sondern Folgen unterschiedlicher Vorgänge, wobei jeweils Stufen minimaler Energie auftreten. Zustände relativer Energieminima heißen metastabil. Bei Zustandsänderungen müssen Energiebarrieren durch Energiezufuhr überwunden werden. Die Energiezufuhr erfolgt am einfachsten durch Temperaturerhöhung; sie ist jedoch auch durch Bestrahlung oder Verformung möglich.

Eberhard Roos, Karl Maile

5. Mechanische Eigenschaften

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Festigkeit und Verformbarkeit (Plastizität, Bildsamkeit) sind makroskopische mechanische Eigenschaften. Sie bestimmen einerseits die Widerstandsfähigkeit gegenüber der Einwirkung äußerer Kräfte und Momente und sind andererseits die entscheidenden Parameter für die Verarbeitung (Schmieden, Walzen, Pressen, Ziehen, usw.) der Werkstoffe zu Halbzeugen oder Formteilen.

Eberhard Roos, Karl Maile

6. Eisenwerkstoffe

Zusammenfassung

Um aus mineralischen Eisenerzen technisch verwertbares Eisen in Form von Stahl herzustellen, sind mehrere Verfahrensschritte notwendig, Abb. 6.1. Zuerst wird das aufbereitete Erz durch Reduktion von seiner mineralischen in die metallische Form (Roheisen) überführt. Roheisen enthält aber noch Verunreinigungen, die entfernt werden müssen. Nach der gezielten Zugabe von Legierungselementen wird Rohstahl erhalten, welcher anschließend, je nach Qualitätsanforderungen, noch weiter gereinigt und veredelt wird.

Eberhard Roos, Karl Maile

7. Nichteisenmetalle

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Gediegenes, reines Kupfer kommt nur selten vor. Die wichtigsten im Kupfererz vorkommenden Kupferverbindungen sind die Sulfide, Kupferkies CuFeS₂ und Kupferglanz Cu₂S. Kupfer kommt jedoch auch als Oxid (Rotkupfererz Cu₂O), als Karbonat, namlich Malachit (CuCO₃·Cu(OH)₂) und Kupferlasur (CuCO₃·Cu(OH)₂) vor. Die Erze enthalten wenig Kupfer, meist nur 0,5–7,5%.

Eberhard Roos, Karl Maile

8. Kunststoffe

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Als Kunststoffe werden makromolekulare Werkstoffe bezeichnet, die organische Gruppen enthalten und die teilweise oder völlig durch Synthese („künstlich“) hergestellt werden. Die Makromoleküle entstehen durch chemische Reaktion vieler Monomerbausteine, wobei die Anzahl der Monomere im Makromolekül zwischen sehr wenigen und mehreren tausend liegt. In den Molekülketten können neben den Kettenatomen C oder H weitere Elemente beteiligt sein. Diese werden als Heteroatome bezeichnet, z.B. die nichtmetallischen Atome (N, O, S), die anstatt eines regulären Kettenatoms eingebaut sind. Valenzen (Bindungen), die nicht zur Kettenbildung benötigt werden, werden mit Atomen, Atomgruppen bzw. organischen Molekülresten abgesättigt oder sie dienen zur Bindung zwischen Makromolekülen (Vernetzung). Kunststoffe, die nur eine einzige Art von Monomeren enthalten, heißen Homopolymere. Co- oder Multipolymere sind aus unterschiedlichen Monomeren aufgebaut.

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9. Keramische Werkstoffe

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Keramiken gelten heute als Hochleistungswerkstoffe, die extremen mechanischen, chemischen und elektrischen Beanspruchungen ausgesetzt werden können. In der Elektronik finden keramische Werkstoffe Einsatz als Isolatoren, in piezoelektrischen Anwendungen oder als Supraleiter.

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10. Verbundwerkstoffe

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Die Entwicklung der Technik stellt an die verfügbaren Werkstoffe Anforderungen, die von einem einzelnen homogenen Werkstoff allein nicht mehr erfüllt werden können. Nur durch geschickte Kombination von zwei oder mehreren Phasen, die metallisch, organisch oder anorganisch sein können, lassen sich die gewünschten Eigenschaften erzielen. Die Kombination der Ausgangsstoffe erfolgt so, dass der entstehende Verbundwerkstoff homogenen Legierungen in den Eigenschaften überlegen ist.

Eberhard Roos, Karl Maile

11. Physikalische Eigenschaften

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Bei schwingender Beanspruchung verliert ein Werkstoff durch Reibungsvorgänge Energie. Dabei tritt sowohl Reibung mit der Umgebung (z.B. in Luft) als auch innere Reibung, die in Wärme umgesetzt wird, auf.

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12. Korrosion

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Korrosion ist die unerwünschte, von der Oberfläche ausgehende chemische, physikalisch-chemische oder elektrochemische Reaktion eines Werkstoffes mit einem umgebenden Medium, die mit einem Schädigungsprozess ausgehend von der Oberfläche verbunden ist. Die Korrosion ist somit i.Allg. eine Grenzflächenreaktion.

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13. Recycling

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Ein wichtiges Kriterium für die Verwendung von Werkstoffen ist ihre Recyclingfähigkeit. In dichtbesiedelten Ländern mit industrieller Produktion sind die Kapazitäten für die Abfallentsorgung knapp. Da Deponieraum kaum vermehrbar ist und Abfallverbrennung geringe Akzeptanz in der Öffentlichkeit findet, können Lösungen nur in einer konsequenten Anwendung von geschlossenen Materialkreisläufen liegen.

Eberhard Roos, Karl Maile

14. Tribologische Beanspruchung

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In den verschiedensten Bereichen der Technik stellen sich an Maschinenteilen durch den Betrieb Abnutzungserscheinungen ein, die durch tribologische, korrosive oder andere Beanspruchungen entstehen können. Unter Verschleiß versteht man den Werkstoffabtrag an der Oberfläche unter überwiegend mechanischer Einwirkung, d.h. unter Einwirkung von Kräften und Relativbewegungen. Ein tribologisches System (Reibsystem) muss einerseits aus der Sicht der Energieumsetzung durch Reibung und andererseits des Werkstoffabtrags betrachtet werden, der zu Geometrieänderungen und schließlich zum Unbrauchbarwerden des Bauteils führen kann. Motoren, Getriebe, Bremsen und Fahrzeugreifen sind typische Komponenten, für die Reibung und Verschleiß im Hinblick auf Wirkungsgrad, Lebensdauer und Sicherheit zu betrachten sind. Die in Gewinnung und Weiterverarbeitung von Rohstoffen eingesetzten und direkt mit dem Stofffluss in Kontakt befindlichen Komponenten wie Grab- und Förderelemente im Bergbau, Schnecken in Kunststoffaufbereitungsmaschinen oder Turbinenschaufeln in Wasserkraftanlagen, sind überwiegend aus Sicht des Werkstoffabtrages, d.h. der Lebensdauer zu beurteilen.

Eberhard Roos, Karl Maile

15. Kriterien zur Werkstoffauswahl

Zusammenfassung

Die Auswahl des Werkstoffes ist von entscheidender Bedeutung für die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit eines Bauteils. Dabei ist die aus der Funktionalität resultierende Anforderung an die konstruktive Gestaltung nur ein Kriterium. Hinzu kommt mit den einsetzbaren Fertigungsverfahren, die wesentlich von der Werkstoffwahl beeinflusst werden, ein wesentlicher, sich in den Kosten auswirkender Aspekt. Dies gilt in gleicher Weise für Fügeverfahren, da in den seltensten Fällen Komponenten und Bauteile aus einem Stück hergestellt werden können. Ein weiterer, heute besonders wichtiger Punkt, ist der Wartungs- und Reparaturaufwand, der einen nicht zu unterschätzenden Anteil an den Betriebskosten ausmacht.

Eberhard Roos, Karl Maile

16. Kriterien zur Schadensbewertung

Zusammenfassung

Die Aufgabe der Schadensbewertung ist die Klassifizierung und Beurteilung von Schadensfällen. Die Schadensursache soll festgestellt und Maßnahmen zur Reparatur und zur Vermeidung von Wiederholungsschäden definiert werden.

Eberhard Roos, Karl Maile

17. Antworten zu den Verständnisfragen

Eberhard Roos, Karl Maile

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