Werkstofftechnik 1 Vorlesung (TH-OWL, Sept. 2024) PDF

Vorlesung Werkstofftechnik 1 gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Vorwort Diese Foliensammlung stellt eine Kurzzusammenfassung der in de...

Vorlesung Werkstofftechnik 1 gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Vorwort Diese Foliensammlung stellt eine Kurzzusammenfassung der in der Vorlesung behandelten Themen dar und ersetzt nicht den Besuch der Vorlesung/Übungen. Sie ist mit erheblicher Unterstützung von Herrn Jens Mannel entstanden. Die Struktur und der Inhalt der Vorlesung wurde durch Herrn Prof. Dr. Barth erarbeitet. Für die Erlaubnis, diese nutzen zu dürfen, bedanke ich mich ausdrücklich. Der Umdruck ist zur ausschließlichen Verwendung zu Lehrzwecken im Rahmen von Lehrveranstaltungen an der TH-OWL bestimmt, jegliche weitere Verwendung ist aus urheberrechtlichen Gründen untersagt. Lemgo, Sept. 2024 Dr. Lutwin Spix Literaturempfehlungen: Bonten, C.: Kunststofftechnik; Hanser Verlag; ist als pdf in der DigiBib der TH OWL für Studierende kostenlos erhältlich Domininghaus, H.; Kunststoffe - Eigenschaften und Anwendungen, Springer Verlag Dr. Lutwin Spix 2 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Werkstofftechnik 2. Historie von Werkstoffen und Kunststoffen 3. Wirtschaftliche Bedeutung 4. Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften 5. Kunststoffe im Werkstoffvergleich 6. Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge, Vernetzungsarten) 7. Zeitabhängiges Werkstoffverhalten 8. Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten 9. Elektrische Eigenschaften, optische Eigenschaften 10. Kunststoffe in der Schmelze 11. Alterung von Kunststoffen 12. Recycling; Kunststoff und Ökologie Dr. Lutwin Spix 53 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wichtigste Werkstoffeigenschaften Gruppen von Werkstoff Eigenschaften Physikalische Mechanische Chemische Verarbeitung Umwelt Wirtschaftliche …. Dr. Lutwin Spix 54 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Die wichtigsten Eigenschaften von (Konstruktions-) Werkstoffen Physikalische Eigenschaften Dichte Wärmekapazität Wärmeleitung Wärmeausdehnung Optische Transmission, Reflexion, Brechung Elektrische Leitfähigkeit Mechanische Eigenschaften Festigkeit (Zug, Druck, Biegung) Steifigkeit Härte Zähigkeit Tribologische Eigenschaften o Reibungsverhalten o Verschleißbeständigkeit Prof. Dr. Chr. Barth 55 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Die wichtigsten Eigenschaften von (Konstruktions-) Werkstoffen Chemische Eigenschaften Korrosionsbeständigkeit Wärmebeständigkeit Reaktionsfähigkeit Verarbeitungseigenschaften Gießbarkeit bzw. Spritzgießbarkeit Schweißbarkeit Zerspan- und Bearbeitbarkeit Prof. Dr. Chr. Barth 56 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Die wichtigsten Eigenschaften von (Konstruktions-) Werkstoffen Umwelteigenschaften Recycelbarkeit Toxizität Treibhauspotential Eutrophierungspotential (Anreicherung von Nährstoffen in Gewässern) Wirtschaftliche Eigenschaften Preis Verfügbarkeit (z.B. PA6.6 Krise in 2018) Prof. Dr. Chr. Barth 57 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Die wichtigsten Eigenschaften von (Konstruktions-) Werkstoffen In dieser Vorlesung: Dichte Wärmekapazität Wärmeleitung Wärmeausdehnung Festigkeit (Zug, Druck) Härte Dr. Lutwin Spix 58 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Zugprüfmaschinen von 5 bis 2500 kN Dr. Lutwin Spix 59 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Komponenten einer Zugprüfmaschine KRAFTAUFNEHMER (1) Der Kraftaufnehmer wandelt die Zugkraft in ein elektrisches Signal um, das gemessen werden kann. EXTENSOMETER (2) Ein Dehnungsaufnehmer oder Extensometer ist ein Dehnungsmessgerät, das die Dehnung einer Probe misst, auch bekannt als Dehnungsmessung. Fast alle Normen zur Zugprüfung wie ASTM und ISO verlangen eine Dehnungsmessung. PROBENHALTER (3) Die Probenhalter bilden die mechanische Verbindung zwischen der Probe und der Zugprüfmaschine. Ihre Funktion ist es, die Bewegung der Traverse auf die Probe zu übertragen und die in der Probe erzeugte Prüfkraft auf den Kraftaufnehmer zu übertragen. FAHRTRAVERSE (4) Bei der beweglichen Traverse handelt es sich im Wesentlichen um eine Traverse, die so gesteuert wird, dass sie sich nach oben oder unten bewegt. Bei einem Zugversuch steht die Traversengeschwindigkeit der Prüfmaschine in direktem Zusammenhang mit der Dehnungsrate in einer Probe. ELEKTRONIK (5) Die Elektronik steuert die beweglichen Teile der Zugprüfmaschine. Die Geschwindigkeit der Traverse und damit die Belastungsrate kann von einem Mikroprozessor im Servoregler (Motor, Rückkopplungseinrichtung und Regler) gesteuert werden. ANTRIEBSSYSTEM (6) Das Antriebssystem versorgt den Motor der Zugprüfmaschine mit Strom in unterschiedlicher Stärke und Frequenz und steuert so indirekt die Motordrehzahl und das Drehmoment. Dr. Lutwin Spix 60 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Festigkeit (Zugfestigkeit) Wichtigste mechanische Prüfung Gemessen wird diejenige Kraft F pro (Ausgangs-!!!) Probenquerschnittsfläche A0, die zur Längenänderung bis zum Bruch erforderlich ist 𝐹 𝑁 𝜎= 𝑀𝑃𝑎 𝐴0 𝑚𝑚2 Gemessen wird auch die Längenänderung ΔL. Sie wird in Bezug gesetzt zur Ausgangslänge L0. Dies bezeichnet die Dehnung ε ∆𝐿 𝑚𝑚 𝜀= % ∗ 100 𝐿0 𝑚𝑚 d= 4mm 80 150 Prof. Dr. Chr. Barth 61 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften mechanische Spannung und Dehnung Spannung: F Senkrechter Schnitt: σ = A Schnitt unter Winkel α A F F Fläche A′ = t α = = ∗ sin(α) sin(α) A′ A Normalspannung F F o σ = t α ∗ sin α = ∗ sin α = ∗ sin2 (α) A′ A Kraft parallel zur Schnittfläche (Querkraft) Schub- oder Scherspannung F F o τ = t α ∗ cos α = ∗ cos α = ∗ sin α ∗ cos(α) A′ A Dehnung Einheit: [ ] , wird meist in „%“ angegeben ∆𝑙 𝜀= 𝑙 Dr. Lutwin Spix 62 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Festigkeit (Zugfestigkeit) Messwerte Werkstoffkennwerte Probenquerschnitt und Probenlänge 𝑁 Kraft [N] Spannung oder [𝑀𝑃𝑎] 𝑚𝑚² Verlängerung in [mm] Dehnung in [%] Prof. Dr. Chr. Barth 63 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik  Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Spannungs-Dehnungs-Diagramm: Werkstoff mit ausgeprägter Streckgrenze Metalle: Re = Streckgrenze (frz: résistance écoulement) Rm Rm = Zugfestigkeit (frz: résistance maximal) Spannung σ [N/mm²] A = Bruchdehnung (frz: allongement de rupture) Re Bruch Kunststoffe: Streckspannung σy , Streckdehnung εy Zugfestigkeit σM , Dehnung bei Maximalsp. εM Hookesche Gerade Bruchspannung σB , Bruchdehnung εB A Dehnung ε [%] Prof. Dr. Chr. Barth 64 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik  Zugversuch im Metalllabor Dr. Lutwin Spix 65 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Spannungs-Dehnungs-Diagramm: Werkstoff ohne ausgeprägte Streckgrenze Rm Rp 0,2 = Dehngrenze oder Ersatzstreckgrenze Spannung σ [N/mm²] (frz: résistance proportionnelle) Rp 0,2 Bruch Hookesche Gerade 0,2 A Dehnung ε [%] Prof. Dr. Chr. Barth 66 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Zugprüfung Kunststoffprobe Dr. Lutwin Spix 68 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Wahre Spannung beim Zugversuch Dr. Lutwin Spix 69 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften E-Modul; der E- Modul, nicht das… Verhältnis von Spannung zu Dehnung im Hooke´schen Bereich Gedanklich: diejenige theoretische Spannung bei 100% Dehnung 𝑁 die Einheit des E-Moduls lautet demnach: 𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑀𝑃𝑎 𝑚𝑚² Spannung σ [N/mm2] 𝜎𝑦 𝜎2 𝜎1 𝜀1 = 0,05% 𝜀2 = 0,25% 𝜀𝑦 Dehnung ε [%] Prof. Dr. Chr. Barth 70 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Beispiel eines Datenblatts mit Werkstoffkennwerten POM Dr. Lutwin Spix 71 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Beispiel eines Datenblatts mit Werkstoffkennwerten POM Density Density of melt Heat conductivity of melt specific heat capacitiy of melt Dr. Lutwin Spix 72 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Beispiel POM Zugversuch Dr. Lutwin Spix 73 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!