Werkstofftechnik 1 - Vorlesungsskript PDF

Vorlesung Werkstofftechnik 1 Wiederholungen, Übungen, Rechenaufgaben gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! 1. Einleitung i...

Vorlesung Werkstofftechnik 1 Wiederholungen, Übungen, Rechenaufgaben gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! 1. Einleitung in die Werkstofftechnik Das Lästige: griechische Buchstaben und die sog. Vorsätze von Einheiten Prof. Dr. Chr. Barth 2 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Faktoren und Vielfache Bildung von Vielfachen und Faktoren von Einheiten auf 10er-Basis Quelle: DIN IEC/TS 62720 (DIN SPEC 42720):2018-04 Vorsatz Faktor Name Zeichen –24 0,000 000 000 000 000 000 000 001 = 10 Yocto y 0,000 000 000 000 000 000 001 = 10–21 Zepto z –18 0,000 000 000 000 000 001 = 10 Atto a –15 0,000 000 000 000 001 = 10 Femto f –12 0,000 000 000 001 = 10 Piko p 0,000 000 001 = 10–9 Nano n 0,000 001 = 10–6 Mikro  –3 0,001 = 10 Milli m –2 0,01 = 10 Zenti c –1 0,1 = 10 Dezi d 1= 100 – – 1 10 = 10 Deka da 2 100 = 10 Hekto h 3 1 000 = 10 Kilo k 1 000 000 = 106 Mega M 9 1 000 000 000 = 10 Giga G 12 1 000 000 000 000 = 10 Tera T 15 1 000 000 000 000 000 = 10 Peta P 1 000 000 000 000 000 000 = 1018 Exa E 1 000 000 000 000 000 000 000 = 1021 Zetta Z 24 1 000 000 000 000 000 000 000 000 = 10 Yotta Y Dr. Lutwin Spix 3 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! SI Einheiten SI Einheiten Art der Basisgröße Name der Basiseinheit Formelzeichen für Symbol für die Größe Name Übliches Einheiten- Beziehung zu die Basisgröße Basiseinheit Symbol bzw. zeichen anderen Länge Meter l m Formel- SI-Einheiten zeichen Zeit Sekunde t s Frequenz Hertz f Hz = 1/s Masse Kilogramm m kg Kraft Newton F N = kg · m/s2 Elektrische Stromstärke Ampere I A Druck Pascal p Pa = N/m2 Temperatur Kelvin T K Energie, Arbeit Joule E, W J =N·m Lichtstärke Candela IV cd =W·s Stoffmenge Mol n mol Leistung Watt P W = J/s Basisgrößen und Basiseinheiten des SI Elektrische Ladung Coulomb Q C =A·s Falls Sie in der Tabelle so wichtige Größen wie „Kraft“ oder „elektrische Spannung“ vermissen: Diese Elektrische Spannung Volt U V = W/A sind nicht elementar und können mit ihren Einheiten aus den Basis größen abgeleitet werden. Elektrische Kapazität Farad C F = C/V Elektrischer Widerstand Ohm R Ω = V/A Elektrischer Leitwert Siemens G S = A/V Magnetischer Fluss Weber Φ Wb =V·s Magnetische Fluss Tesla B T = Wb/m2 dichte Induktivität Henry L H = Wb/A (Radio) Aktivität Becquerel A Bq = 1/s Energiedosis Gray D Gy = J/kg Äquivalentdosis Sievert H Sv = J/kg Abgeleitete SIEinheiten mit selbständigen Namen https://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/broschueren/zum-internationalen-einheitensystem.html Dr. Lutwin Spix 4 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Einleitung Rechenaufgaben Wie löst man eine Aufgabe mit unterschiedlichen Einheiten  Gegeben: A=25 m/min; B= 10 km/h  Gesucht: X in km/min  Formel (auswendig gelernt)  Lösungsweg (Empfehlung): 1. Einheiten betrachten! Idealerweise alle Größen auf die Einheit der Zielgröße umformen. 1. A = 25 = 25 ∗ ∗ = 0,025 2. B = 10 = 10 ∗ = 0,167 2. Formel in Buchstaben umstellen 1. A + X = B ⇒ X = B − A 3. Zahlen einsetzen 𝐤𝐦 1. X = 0,167 − 0,025 = 𝟎, 𝟏𝟒𝟐 𝐦𝐢𝐧 Dr. Lutwin Spix 5 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Einleitung Rechenaufgaben Achtung: Umstellung von Formeln üben! Beispiel: ohne Einheiten mit Einheiten Prof. Dr. Chr. Barth 6 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Rechenaufgaben Einheiten Zieleinheit Ergebnis 3,6 km m 3600m 1 m 7 dm 7 mm mm 1787 mm 12,3 mm µm 12300 um 0,42 mm nm 420000 nm 3 m 5 dm 4 mm cm 350. 4 mm 12 m 273 cm km 1 Dr. Lutwin Spix 7 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Rechenaufgaben Einheiten Zieleinheit Ergebnis 2 2 m² cm² 20 000 um 2 4,3 cm² mm² 430 mm 0,31 m² dm² 31 dm2 3 dm² 5 cm² mm² 30500 mm 2 840 cm² 75 mm² m² 0 084075 , m2 250 ha km² 2 5 hm" , Dr. Lutwin Spix 8 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Rechenaufgaben Einheiten Zieleinheit Ergebnis 3,2 l cm³ 3200 cm3 65 ml cm³ 65 am3 2,3 dm³ l.3 2 ( 12 cm³ cl 1 2c , 18 cm³ mm³ 18000 mm3 4 m³ l 4000 L Dr. Lutwin Spix 9 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Rechenaufgaben Einheiten Zieleinheit Ergebnis 5 h 40 min min 340 Min 4d9h min 6300 min 2 h 12 min s 7920s 4 min 15 s s 255s 3 Wochen d 21d 226 s min 3 77 min , Dr. Lutwin Spix 10 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Rechenaufgaben Einheiten Zieleinheit Ergebnis 4,2 m/min mm/s 70 M 30 km/h mm/s 8333 35 , 200 m/min km/h 12 um/h 800 m/s km/h 2880 720 1/min 1/s 127 90 1/s 1/min 5400 Ein Dr. Lutwin Spix 11 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Rechenaufgaben Einheiten Zieleinheit Ergebnis 4,2 m/min mm/s 30 km/h mm/s 200 m/min km/h 800 m/s km/h 720 1/min 1/s 90 1/s 1/min Dr. Lutwin Spix 12 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Rechenaufgaben Einheiten 100 Zieleinheit Ergebnis 90 kg/m³ g/cm³ 0. 09 grams 1,2 g/cm³ kg/m³ 1200 7,8 g/cm³ kg/dm³ 7 ,8 li/dm 50 bar N/mm² 5 12 N/mm² MPa 12 MPa Dr. Lutwin Spix 13 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  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! 1. Einleitung in die Werkstofftechnik Das Lästige: griechische Buchstaben und die sog. Vorsätze von Einheiten Prof. Dr. Chr. Barth 23 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik SI Einheiten SI Einheiten Art der Basisgröße Name der Basiseinheit Formelzeichen für Symbol für die Größe Name Übliches Einheiten- Beziehung zu die Basisgröße Basiseinheit Symbol bzw. zeichen anderen Länge Meter l m Formel- SI-Einheiten Zeit Sekunde t s zeichen Frequenz Hertz f Hz = 1/s Masse Kilogramm m kg Kraft Newton F N = kg · m/s² Elektrische Stromstärke Ampere I A Druck Pascal p Pa = N/m² Temperatur Kelvin T K Energie, Arbeit Joule E, W J =N·m Lichtstärke Candela IV cd =W·s Stoffmenge Mol n mol Leistung Watt P W = J/s Basisgrößen und Basiseinheiten des SI Elektrische Ladung Coulomb Q C =A·s Falls Sie in der Tabelle so wichtige Größen wie „Kraft“ oder „elektrische Spannung“ vermissen: Diese Elektrische Spannung Volt U V = W/A sind nicht elementar und können mit ihren Einheiten aus den Basis größen abgeleitet werden. Elektrische Kapazität Farad C F = C/V Elektrischer Widerstand Ohm R Ω = V/A Elektrischer Leitwert Siemens G S = A/V Magnetischer Fluss Weber Φ Wb =V·s Magnetische Fluss Tesla B T = Wb/m² dichte Induktivität Henry L H = Wb/A (Radio) Aktivität Becquerel A Bq = 1/s Energiedosis Gray D Gy = J/kg Äquivalentdosis Sievert H Sv = J/kg Abgeleitete SIEinheiten mit selbständigen Namen https://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/broschueren/zum-internationalen-einheitensystem.html Dr. Lutwin Spix 24 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Faktoren und Vielfache Bildung von Vielfachen und Faktoren von Einheiten auf 10er-Basis Quelle: DIN IEC/TS 62720 (DIN SPEC 42720):2018-04 Vorsatz Faktor Name Zeichen –24 0,000 000 000 000 000 000 000 001 = 10 Yocto y –21 0,000 000 000 000 000 000 001 = 10 Zepto z 0,000 000 000 000 000 001 = 10–18 Atto a 0,000 000 000 000 001 = 10–15 Femto f –12 0,000 000 000 001 = 10 Piko p –9 0,000 000 001 = 10 Nano n –6 0,000 001 = 10 Mikro  –3 0,001 = 10 Milli m –2 0,01 = 10 Zenti c –1 0,1 = 10 Dezi d 0 1= 10 – – 1 10 = 10 Deka da 2 100 = 10 Hekto h 3 1 000 = 10 Kilo k 1 000 000 = 106 Mega M 1 000 000 000 = 109 Giga G 12 1 000 000 000 000 = 10 Tera T 15 1 000 000 000 000 000 = 10 Peta P 18 1 000 000 000 000 000 000 = 10 Exa E 21 1 000 000 000 000 000 000 000 = 10 Zetta Z 24 1 000 000 000 000 000 000 000 000 = 10 Yotta Y Dr. Lutwin Spix 25 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 26 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Einführung Klassifizierung Werkstoffe nach Bindungsart Quelle Wolfgang Weißbach Michael Dahms Christoph Jaroschek Werkstoffkunde Springer Fachmedien Wiesbaden 2015 Dr. Lutwin Spix 27 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Werkstoffe zum Anfassen Dr. Lutwin Spix 28 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Einleitung in die Werkstofftechnik Beispiele für Werkstoffe 2024 Werkstoff Eigenschaften Anwendung Holz elektrische Leitfähigkeit keinen Schmelzpunkt Tische , Stühle Türen anisotop (RichtungsabhängigeEigenschaften (wegen Fasern), , , brennbar hygroskopisch geringe Wärmeleitfähigkeit , , Thermoplast - hitzebeständig (00-150% Wäscheklammer - spröde je nach Kunstoff e - geingeelektrischeLeitfähigkeit ird durch zumischen verbessert zersetzen -Schmelzbar irgendwann der Geschwindigkeit abhängig (schnell härter -Verformung von Elastomer - hitzebeständiger als Thermoplast Gummiband - Spröde je nach Kunststoff sich - keinen Schmelzpunkt zersehen UV-Beständigkeit Glas /Keramik Gläser Fenster - -Durchsichtig - hohe Wärmeleitfähigkeit , - spräche -schlecht Zerspanbar Leitfähigkeit - geringe elektrische elektrische Leitfähigkeit Metall - Wärmeleitfähigkeit. Büroklammer hohe Dichte ggüber Kunststoff - - - hohes Gewicht - bei leichten Belastungen reversibel verformbar der Kraft -Verformung abhängig von Dr. Lutwin Spix 31 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Einleitung in die Werkstofftechnik Definitionen zur Werkstofftechnik „Werkstofftechnik ist derjenige Zweig der technischen Wissenschaften, der sich mit der Gewinnung, den Eigenschaften und der Verwendung der Werkstoffe befasst.“ Konstruktionswerkstoffe sind für die Konstruktion von Bauteilen nützliche, feste Stoffe; mechanische Eigenschaften stehen im Vordergrund Dagegen Funktionswerkstoffe: physikalische Eigenschaften im Vordergrund Die Werkstofftechnik ist „ur“-alt. Ganze Epochen wurden nach Werkstoffen benannt, z.B.: Steinzeit (2,6 Mio. v.Chr. bis 2200 v. Chr.) Bronzezeit (2200 v.Chr. bis 800 v Chr.) Eisenzeit (800 v. Chr. bis 500 n. Chr.) Prof. Dr. Chr. Barth 32 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Einleitung in die Werkstofftechnik Werkstofftechnik im Produktentstehungsprozess Werkstofftechnik Dr. Lutwin Spix 33 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 34 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Historie von Kunststoffen Die Entwicklung der Werkstoffe Kunststoff Speziallegierungen Stahlbeton Mörtel Eisen Bronze, Glas Seide, Baumwolle Edelmetall Steinzeit -5000 e -4000 Wolle Bronzezeit -2000 Leder Eisenzeit -1000 0 Holz Mittelalter 1000 Steine Neuzeit 2000 Prof. Dr. Chr. Barth 35 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Historie von Kunststoffen 1531: Bartholomäus Schobinger schreibt ein Rezept für ein Material aus Milchkasein als Ersatz für Rinderhorn auf 1905: Leo Baekeland entwickelt den ersten vollsynthetischen Kunststoff, das „Bakelit“ aus Phenol und Formaldehyd Prof. Dr. Chr. Barth 36 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Historie von Kunststoffen Dr. Lutwin Spix Bakelit - Kunststoff einfach Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! 37 erklärt - YouTube 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 38 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wirtschaftliche Bedeutung Weltverbrauch der wichtigsten Werkstoffe (4.650 Mto/a) Kunststoff Holz 400 Mto/a 2.500 Mto/a (geschätzt aus 4.300 mio m³ (2022) 2023) Stahl Zement 1.900 Mto/a 4.100 Mto/a (2023) (2023) Quelle: Statista Prof. Dr. Chr. Barth 39 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik  Wirtschaftliche Bedeutung Produktionszahlen in [m³] Produktionsvolumen [Mio. m3] Kunststoff 300 250 Produktion Kunststoff > Produktion Stahl 200 150 Stahl 100 50 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Jahr Prof. Dr. Chr. Barth 40 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Wirtschaftliche Bedeutung Erdölverbrauch in der EU in den Jahren 1970 bis 2023 (in Millionen Tonnen) 800 700 Erdölverbrauch in Millionen Tonnen 600 500 400 300 200 100 0 Quelle: Statista Dr. Lutwin Spix 41 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wirtschaftliche Bedeutung Verwendung von Erdöl Frage: Wie hoch ist der Anteil des Erdölverbrauchs für Kunststoffe? Quelle: APME Dr. Lutwin Spix 42 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wirtschaftliche Bedeutung Kunststoffeinsatz in Europa Quelle: PlasticEurope Facts 2020 Market Research Group (PEMRG) and Conversio Market & Strategy GmbH Dr. Lutwin Spix 43 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wirtschaftliche Bedeutung Anwendungen, Kunststoffe, Mengen in Europa Quelle: PlasticEurope Facts 2020 Market Research Group (PEMRG) and Conversio Market & Strategy GmbH Dr. Lutwin Spix 44 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Wirtschaftliche Bedeutung Magisches Dreieck der Kunststoffe PVC Polyvinylchlorid PS Polystyrol PMMA Polymethylmethacrylat amorph SAN Styrol-Acrylnitril ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol PC Polycarbonat PSU Polysulfon Hochleistungsthermoplaste PEI PEI Polyetherimid (> 6 €/kg) PEEK PSU PPS PE Polyethylen PP Polypropylen PC POM teilkristallin PA Polyamid Technische Thermoplaste, PET Polyethylenterephthalat Konstruktionswerkstoffe ABS PBT PBT Polybutylenterephthalat (≈ 2 – 6 €/kg) PET POM Polyoxymethylen PMMA SAN PA PPS Polyphenylensulfid PEEK Polyetheretherketon PS PP Standard Thermoplaste (< 2 €/kg) PVC PE amorph teilkristallin Menge Prof. Dr. Chr. Barth 45 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Wirtschaftliche Bedeutung Weltverbrauch und Durchschnittspreise von Kunststoffen PEEK PEI PSU PC POM PPS ABS PS PP PBT SAN PVC PE PMMA PA PET Hochleistungs- Technische Standard- thermoplaste Thermoplaste thermoplaste Prof. Dr. Chr. Barth 46 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Wirtschaftliche Bedeutung Wärmedämmwirkung verschiedener Baustoffe 1,6 cm PU-Hartschaum 2,2 cm PS-Extruderschaum 2,6 cm Mineralfaser 1,6 cm PU-Schaum besitzt die 2,6 cm Styropor gleiche Dämmwirkung wie Gleicher Wärmeverlust 3,4 cm Zellulose 134,4 cm Beton 3,4 cm Kork 3,4 cm Blähperlit 3,4 cm Holzfaserplatte 3,8 cm Schaumglas 6,8 cm Holzwolle 9,0 cm Beton (porös) 9,0 cm Holz 15,8 cm hochporöser Ziegel 37,1 cm Lochziegel 39,8 cm Strohlehm 52,5 cm Kalksandstein 134,4 cm Beton cm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Prof. Dr. Chr. Barth 47 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Wirtschaftliche Bedeutung Energiebilanz PUR-Hartschaum 1m³ PUR-Hartschaum braucht zur Herstellung 70 Liter Erdöl...... und spart innerhalb von 50 Jahren 5.474 Liter Heizöl Prof. Dr. Chr. Barth 48 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik  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 Spannung , wenn 0 2 % , der Dehnung erreicht ist 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 immer zwischen 0, 05 % 0 25%. Spannung σ [N/mm2] 𝜎𝑦 ↑ 𝜎2 Sekarte 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! Rechenaufgaben Fläche, Volumen, Gewicht Welche Gewichtskraft in N erzeugt: a) eine 100 g Tafel Schokolade a) 9 , 81g 0. 1 lg = 0 981 N. b) eine 5 kg Hantel b) 9. 81. Jug = 49 , 05 N c) ein 25 kg schwerer Granulat Sack 2) 9 81. Eg. 25hg = 245 25 , 1 d) ein 75 kg schwere Studierender 2) 9 81. Eg. 75hg = 735 751 , Dr. Lutwin Spix 15 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Rechenaufgaben Fläche, Volumen, Gewicht Gegeben ist ein 8 cm hohen Abstandshalter. Außenprofil ist ein gleichseitiges Dreieck mit einer Kantenlänge von 45 mm, der Durchmesser der h durchgängigen zylindrischen Bohrung beträgt 15 mm. usmo to F a. Ermitteln Sie den Querschnitt des Bauteils in mm². 22 5 , mi b. Bestimmen Sie das Volumen des Bauteils in Liter. c. Wie schwer ist das Bauteil, wenn es aus einem 8cm Kunststoff mit der Dichte 1,1 g/cm³ gefertigt ist? 22 , 5 mm2 + h2 = 45 mm2 h : 545mm 2 - 22 , 5 mm2 Ao = Erz n = 38 97 mm to = 176 71 mm , , 14137 17 mm3 A = Eg. h Vo = 176 71mi 80mm , = , = E. 45 mm. 38, 97mm = 876 825 , Dr. Lutwin Spix 17 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! a) 876 , 825 mm) - 176 , 71 mm = 700 115 , mi b)  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 > - Bruchspannung 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  Probe A[g] B &[ En3] 9t0 = 0. 99753 PVC 3 11 , 0 , 96 1 44 , Alv 7 464 70 , , 2 70 , Stahl 8 57 7 49 7 91. , , 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 Versuch 1Q C = m. ST M = 1 , 007 lg 18 , 7 % Tj = TE % = 67 5 C , 14Wh = 360043 2 = 4 , 62 K 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! Rechenaufgabe Dichte 1 Eine Kugel mit einem Durchmesser von 40 mm wiegt 263 g.  Welche Dichte in [kg/dm³] hat sie?  Aus welchem Material ist sie? o Dr. Lutwin Spix 2 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Rechenaufgabe Wärmekapazität 1 Wie lange braucht eine Heizung mit 500 W, 300 g Schokolade um 20 K zu erwärmen? Geben Sie das Ergebnis in Stunden an. cSchoki = 3,17 , 1J = 1 W*s Dr. Lutwin Spix 4 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Rechenaufgabe Wärmeleitung 1 Ein quadratischer Raum (4m breit, 2,5 m hoch) ist auf dem Boden und der Decke ideal isoliert. Er hat 5 cm dicke Außenwände aus Holz Eine Heizung kann mit einer Leistung von 1000 W die Temperatur von 19°C im Raum aufrechterhalten. Welche Außentemperatur liegt vor? Dr. Lutwin Spix 6 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Rechenaufgabe Wärmeausdehnung 1 Ein Kunststoffstab ist bei 23°C Raumtemperatur 120 cm lang. Bei 50°C hat er sich um 3,24 mm verlängert. Wie lang ist ein Kunststoffstab aus dem gleichen Werkstoff bei 70°C, wenn er bei Raumtemperatur 2 m lang war? Was für ein Werkstoff könnte das sein (Recherche im Internet!)? Dr. Lutwin Spix 8 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Rechenaufgabe Querkontraktion 1 Aufgabe zur Querkontraktion. In dieser Aufgabe wird diese nicht vernachlässigt! Ein Rundstab mit dem Radius 10 mm und einer Länge von 10 cm wird um 1% gedehnt.  Ermitteln Sie unter der Annahme ortsunabhängiger Querkontraktion den sich ergebenden neuen Radius. Dr. Lutwin Spix 10 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Aufgabe 1 Val = ir = -( 2dm). = 0 0335dm3 , 0 263 ag q 848s Stahl = 7, , = => 0 0335 dm3 , Aufgabe 2 1Q = c. m. ST E) sQ = 3 17in , 0 34g · 20k = 19 0243 , = 19020]. Es 19020 3 = 19020 Ws 19020Ws = + = 500W = 30 04s , 0 634 min , E 0. 011 h Aufgabe 3 1 = Q d ST. · : z A. ST = E) ST E] 19 = Q d x 19 - - - A. X 07: E x 19 - = - 1000 W 0, 05m => * 12, 75 % (1. - = = 19 in - 40m2 - 0 2. X = 12 , 75 %  Aufgabe 4 3 , 240 , 3240, 00324 2 = Al 2. ST 0 00324m , x = 1 2m,. 27k a = 1. 10 k. Fall 2 1l 2 = l. ST · l. ST sl = 2. l. AT -l = 1. 10 * 2m. 47k = 9 4. 10 m , 9 103m Zum => Im + , 4. = Aufgabe 5 Vo = +2 · e Es V = I. (m · 10 In Vo = I 10 cm · 1 cal Vo = 10 i cm3 Vo = r. 1  Stand 13. 11. 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! E-Modul / Dichte Werkstoffvergleich Dr. Lutwin Spix Quelle :Skolaut; Maschinenbau Springer 112 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Verlag Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Beispiel POM Zugversuch Dr. Lutwin Spix 113 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wiederholung letzte Vorlesung Praktikum Zugprüfung, PE unterschiedliche Zuggeschwindigkeit Dr. Lutwin Spix 114 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Einflussgrößen Prüfgeschwindigkeit und Prüftemperatur im Zugversuch Einfluss Prüfgeschwindigkeit Einfluss Prüftemperatur 150 150 100 100  [MPa]  [MPa] 50 50 0 0 5 10 5 10  [%]  [%] Dr. Lutwin Spix 116 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Zeit-Temperatur Verschiebungsmodell ε 1 1 log =k∙ − εref T Tref Die Zeit-Temperatur-Verschiebungsgleichung stellt den Zusammenhang zwischen Dehngeschwindigkeit und Temperatur her. Ist bei einer Referenztemperatur und Referenzdehngeschwindigkeit die Spannungs/Dehnungskurve bekannt, kann daraus mit Kenntnis einer Werkstoffkonstanten k die Spannungs/Dehnungskurve bei einer anderen Temepratur oder anderen Dehngeschwindigkeit berechnet werden. Anwendungsbeispiel: Reduzierung der Prüfzeit bei einem Langzeittest, indem man die Prüfung bei einer höheren Temperatur durchführt. Dr. Lutwin Spix Quelle: CH. Bonten Kunststofftechnik 117 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Hanser Verlag 2014 Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Druckbeanspruchung Im Druckversuch werden die Proben uniaxial mit einer Kraft beaufschlagt. Die Proben sind, je nach gesuchter Größe (Festigkeit oder Druck-E-Modul) unterschiedlich. Dr. Lutwin Spix 118 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Mechanische Eigenschaften Schlankheitsgrad Bei Einwirkung einer Druckspannung darf der Prüfkörper nicht ausknicken, da ansonsten ein Eulerscher Stabilitätsfall eintritt. Um das Ausknicken auszuschließen, darf der Schlankheitsgrad λ nicht mehr als 6, in Ausnahmefällen max.10 betragen. Der Schlankheitsgrad λ ist das Verhältnis von Prüfkörperlänge lk zum kleinsten Trägheitshalbmesser i (entspricht dem Trägheitsmoment) seiner Grundfläche A: 𝑙𝑘 𝐼𝑦 λ= mit i= 𝑖 𝐴 i = kleinster Trägheitshalbmesser kleinstes axiales Iy = Flächenträgheitsmoment A = Prüfkörpergrundfläche lk = Prüfkörperlänge λ Prof. Dr. Chr. Barth 119 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Mechanis