Werkstofftechnik 1 Vorlesungsunterlagen PDF 2024

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!  Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Spannungs-Dehnungs-Diagramm: Werkstoff ohne ausgeprägte Streckgrenze Rm Rp 0,2 = Dehngrenze oder Ersatzstreckgrenze Spannung σ [N/mm²] (frz: résistance proportionnelle) Spannung wenn 0,2% Dehnung erreicht ist Rp 0,2 Bruch Hookesche Gerade 0,2 A Dehnung ε [%] Prof. Dr. Chr. Barth 70 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik  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 71 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Zugprüfung Kunststoffprobe Dr. Lutwin Spix 73 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Wahre Spannung beim Zugversuch Dr. Lutwin Spix 74 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wiederholung letzte Vorlesung Praktikum Zugprüfung, alle Werkstoffe Dr. Lutwin Spix 75 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wiederholung letzte Vorlesung Praktikum Zugprüfung, PE unterschiedliche Zuggeschwindigkeit Dr. Lutwin Spix 76 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wiederholung letzte Vorlesung Praktikum Zugprüfung, Sekanten E-Modul Dr. Lutwin Spix 77 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Beispiel eines Datenblatts mit Werkstoffkennwerten POM Dr. Lutwin Spix 78 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 79 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Beispiel POM Zugversuch Dr. Lutwin Spix 80 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Dichte Definition nach DIN EN ISO 1183 Frage: Was ist eine Norm? Wozu braucht man diese? Was steht in einer Norm? Wer schreibt eine Norm? Prof. Dr. Chr. Barth 81 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Dichte Definition nach DIN EN ISO 1183: Die Dichte ρ ist das Verhältnis von Masse m einer Probe zu deren Volumen V (bei der Temperatur T), angegeben in [g/cm3] oder [kg/dm3] Um die Dichte zu bestimmen wird a) die Masse und b) das Volumen des Probekörpers ermittelt 𝑚 ρ= 𝑉 ρ → Dichte [g/cm³] m → Masse [g] V → Volumen [cm³] Prof. Dr. Chr. Barth 82 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Dichte, Auftriebskraft 𝑚 𝑚 F F=m∗g ρ= V= = 𝑉 ρ∗g 𝜌 Körper verdrängt so viel Flüssigkeit, wie sein VK = VFl Volumen Fverdr.Fl = mverdr.Fl. ∗ g = ρFl ∗ VFl ∗ g „Archimedes“: Dieses Prinzip besagt, dass jeder Körper, der in eine Flüssigkeit getaucht wird, um so viel leichter wird, wie die von ihm verdrängte Flüssigkeitsmenge F wiegt. Fverdr.Fl. mverdr.Fl. VK = VFl = = ρFl ∗g ρFl mK mK FK ρK = = ρFl = ∗ ρFl VK mverdr.Fl. Fverdr.FL. Dr. Lutwin Spix 83 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Einleitung Bestimmung der Dichte - Auftriebsverfahren Mit Hilfe der Auftriebsmethode kann die Dichte von Festkörpern und Flüssigkeiten bestimmt werden FLuft „Archimedes“: Dieses Prinzip besagt, dass jeder Körper, der in eine ρK = ρFl ∙ Flüssigkeit getaucht wird, um so viel leichter wird, wie die von ihm Fverdr.Fl. verdrängte Flüssigkeitsmenge F wiegt. Reale Messung: Man bestimmt F dadurch, dass man den Körper einmal in Luft wiegt (A) und einmal in einer Flüssigkeit (B). 𝐴 ρ𝐾 = ρ𝐹𝑙 ∙ (𝐴 − 𝐵) Waagschale Präzisionswaage ρK = Dichte des Körpers A B ρFl = Dichte der Flüssigkeit Waagschale A = Gewicht des Körpers in Luft Präzisionswaage B = Gewicht des Körpers in Flüssigkeit F = Gewicht der verdrängten Flüssigkeit Prof. Dr. Chr. Barth 84 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Einleitung Temperaturabhängigkeit der Dichte verschiedener Flüssigkeiten Wasser Ethanol 0 0 Prof. Dr. Chr. Barth 85 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Einleitung Durchführung der Dichtemessung 1. Bestimmung des Gewichtes des Körpers in Luft (A) 2. Bestimmung des Gewichtes des Körpers in einer Flüssigkeit (B) 3. Berechnung der Dichte mit der Formel: 2. 1. 𝐴 ρ𝐾 = ρ𝐹𝑙 ∙ (𝐴 − 𝐵) Üblicherweise verwendete Flüssigkeiten: H2Odest oder Ethanol Prof. Dr. Chr. Barth 86 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Einleitung Durchführung der Dichtemessung 1. Bestimmung des Gewichtes des Körpers in Luft (A) 2. Bestimmung des Gewichtes des Körpers in einer Flüssigkeit (B) 3. Berechnung der Dichte mit der Formel: 2. 1. 𝐴 ρ𝐾 = ρ𝐹𝑙 ∙ (𝐴 − 𝐵) Üblicherweise verwendete Flüssigkeiten: H2Odest oder Ethanol Prof. Dr. Chr. Barth 87 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Wärme Experiment: Welcher Körper ist wärmer bzw. fühlt sich wärmer an? Die Wärme Q [J] ist eine Energieform Es ist die innere Energie eines Körpers, welche die Bewegungsenergie von schwingenden Atomen bzw. Molekülen beschreibt Diese innere Energie kann nicht direkt bestimmt werden, nur ihre Änderung Die Zuführung einer Wärmemenge führt zu einer Erhöhung der Temperatur Temperatur: Zusammenhang: ΔT = 1 °C = 1 K = 1,80 °F 0 °C = 273,15 K = 32 °F °C=(°F-32)*5/9 °F=°C*1,8+32 Prof. Dr. Chr. Barth 89 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Wärmekapazität Beschreibt den Zusammenhang zwischen Wärme und Temperatur Die Wärmemenge ∆𝑄 [J] ist diejenige Energiezufuhr oder -abnahme, welche bei einem Körper eine Temperaturänderung hervorruft (oder seinen Aggregatzustand ändert) Also: wieviel Joule braucht man, um 1kg eines Stoffes um 1K zu erwärmen? ∆Q kJ ∆Q = c ∙ m ∙ ∆T c= m ∙ ∆T kg ∗ K Kg∗m2 1J = 1 W*s = 1 = 1 V*A*s = 1N*m s2 kJ kJ kJ c : Wasser: 4,18 kg ∙K ; Luft: 1,03 kg ∙K ; Schokolade 3,17 kg ∙K ∆𝑄 → Wärmemenge [J] kJ c→ spezifische Wärmekapazität kg ∙K 𝑚→ Masse [kg] ∆𝑇→ Temperaturdifferenz [K] Um die Wärmemenge zu bestimmen, benötigt man also die Wärmekapazität c Prof. Dr. Chr. Barth 90 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Wärmeleitung Wärmestrom ist die Wärmemenge pro Zeit ∆Q Qሶ = W ∆t Gibt es innerhalb eines Körpers (oder zwischen zweien) einen Temperaturunterschied, beginnt ein Ausgleichsprozess, die sogenannte Wärmeleitung λ ∗ A ∗ ΔT Qሶ = d Die Wärmeleitfähigkeit λ gibt an, welche Wärmemenge zwischen zwei Körpern durch die verbindende Fläche A und bei gegebener Wanddicke d fließt ሶ Q∗d W∗m λ= A∗ΔT m2∗ K W Die Wärmeleitfähigkeit λ ist eine stoffspezifische Größe und wird in angegeben m∗K Prof. Dr. Chr. Barth 92 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Wärmeleitung ሶ Q∗d W λ= A∗ΔT m∗K Wärmeleitfähigkeit einiger Stoffe [W/(m*K)] Kupfer 400 Eis 2,3 PP 0,23 Gold 311 Beton 1,1 Holz 0,20 EPS Aluminium 235 Glas 0,7 0,045 (Styropor) Stahl 41…58 Wasser 0,6 Luft 0,025 Also: Welche Werkstoffe sind gut als Kochtopf zu verwenden und welche als Griff des Topfes? Prof. Dr. Chr. Barth 93 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Längenänderung bei Erwärmung Dr. Lutwin Spix 95 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Bimetall Zwei verschiedene Metallstreifen sind fest miteinander verbunden Dr. Lutwin Spix 96 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Bild Rasterelektronenmikroskop Metall1: Legierung aus 2/3 Eisen, 1/3 Nickel Metall2: Legierung aus 2/3 Eisen, 1/5Nickel, Alumnium, Silizium, Mangan, Palladium Längenausdehnungskoeffizient alpha [*10^-6/K], Eisen: 12,1, Nickel: 12,8, Alu: 23,8, Mangan: 23, Palladium: 11 Dr. Lutwin Spix 97 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Wärmeausdehnung Die zunehmende Temperatur in einem Körper bewirkt höhere atomare Geschwindigkeiten und Schwingungsradien Dies wird durch eine Längen- bzw. Volumenänderung fühlbar und sichtbar (Motor…) l T1 ∆T = T2 − T1 ∆l = l2 − l T2 l2 absolute Längenänderung ∆l = l ∗ ∆T ∗ α m ∆l relative Längenänderung = α ∗ ∆T l Dr. Lutwin Spix 99 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Wärmeausdehnung Der Längenwärmeausdehnungskoeffizient α ist eine stoffspezifische Größe ∆l 1 α= l∗∆T K Er ist a) temperaturabhängig b) stimmt nicht bei Phasenübergängen! Wasser ist unter 4°C ein Sonderfall Beispiele: Werkstoff  [10-6 / K] bei 20°C HD-PE 150-200 POM 70-130 Stahl 10-13 Quarzglas 0,54 Prof. Dr. Chr. Barth 100 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Wärmeausdehnung Beispiele für die Temperaturabhängigkeit des Längenausdehnungskoeffizienten Quelle:Kunststoffe Quelle:Polymer Engineering 3 Domininghaus, Elsner Eyrer, Hirth Eyrer, Schüle, Elsner Springer Verlag 2012, S.175 Springer Vieweg 2020, S.33 Dr. Lutwin Spix 101 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Zusammenfassung Wärme Q [J] = [Ws] Energieform Wärmemenge ΔQ [J] Energiezufuhr oder -abnahme, um eine Temperaturveränderung zu erreichen Wärmestrom ∆Q Qሶ = ∆t [W] Wärmemenge pro Zeit Spezifische Wärmekapazität ∆Q kJ c= m ∙ ∆T kg ∗ K Wärmeleitfähigkeit Qሶ ∗ d W∗m λ= m2∗ K A ∗ ΔT Längenwärmeausdehnungskoeffizient ∆l 1 α= l ∗ ∆T K Dr. Lutwin Spix 102 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!