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Definitiv Prüfung 3 Hauptgruppen kennen , je 2-3 Eigenschaften paar Vertreter , -Fokus auf Metalle Definition Stoff: Element, Verbin...

Definitiv Prüfung 3 Hauptgruppen kennen , je 2-3 Eigenschaften paar Vertreter , -Fokus auf Metalle Definition Stoff: Element, Verbindung oder Gemisch mit definierten chemischen & physikalischen Eigenschaften  > - was ins Tafelwerk kleben gut ist , PSE: wenige Valenzelektronen —> Oxidation  2.5.5 Metallbindung Grundprinzip: Metallatome geben die Valenzelektronen an den Atomverband ab - Bestandteile demnach positivierter Atomrumpf und : delokalisierte Elektionen - : Wolkel Atomrumpf gekennzeichnet durch rege maBige Anordnung /Elektronenges - Anziehungskräfte zusammenhalt zwischen Atomrumpf und Elektionen geben Metallbindung [www.tec-science.com, 12.06.2020] Bändermodell: Elektronen im nicht vollgefüllten Valenzband lassen sich leicht zur Aufnahme kinetischer Energie anregen (z. B. durch ein elektrisches Feld), wodurch sie ein höheres Energieniveau einnehmen („Leitungsband“) und den Strom leiten können. Leiter 1. Ordnung („echte Leiter“) Vergleich: Im Nichtleiter (Isolator) sind die Energieniveaus (Valenz- und Leitungsband) zu weit entfernt (bzw. die fest in die Bindung einbezogenen Elektronen zu schwer anregbar), so dass das Leitungsband nicht erreichbar wird. Bändermodelle im Vergleich [www. quant.uni-graz.at 30.05.2020] Halbleiter haben Zwischenstellung (durch Temperaturerhöhung wird Leitungsband erreicht). bei E 2eV 28 Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold  Metastabile Zustände Sind Zustände erhöhten Energieniveaus, deren Abbau mit Aktivierung verbunden ist (-> Siehe Kapitel „Thermisch aktivierte Zustände) Katalysatoren bewirken die Herabsetzung der Aktivierungsenergie, was zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit führt. Die Gleichgewichtslage wird nicht verändert. Kat und Edukte im gleichem Aggregatzustand Homogene Kathalyse Kat und Edukte nicht im gleichem Aggregatzustand Heterogene Kathalyse Aktivierungsenergie mit und ohne Katalysator [www.studyhelp.de 12. Juni 2020] Beispiel + homogen heterogen Katalysator (oder NO) Katalysator (Kontakte) Effekte: + + + + Katalysatoren übertragen den Sauerstoff 1 1 Teilreaktionen benötigen kleinere EA als + + 2 2 Direktreaktionen 1 1 + + 2 2 41 Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Elektrolyte: sind ionenleitfähige Medien (meist wässrige Lösungen) -> gelöste Salze, Salzsäure… Reduktion: Oxidation: Metastrabiler Zustand:  3 Struktur und Eigenschaften fester Körper Bis hier nicht Schwerpunkt Innere Struktur gewesen. Weil Chemie… 3.1 Ordnungszustand -> ungeordnet -> geordnet amorph Kristallin Nahordnung (_____________) Fernordnung (_______________) unterschiedliche Atomabstände mit unregelmäßigen regelmäßig angeordnete Atome mit regelmäßigen Bindungsstärken und Schmelztemperaturbereich Bindungen und Schmelztemperatur TS (Verformbar) (geordnet) Ungeordnete Anordnung typische Eigenschaften: beständiger, duktil, anisotrop typische Eigenschaften: typische Vertreter: Metalle, Keramiken transparent, spröde, isotrop typische Vertreter: Gläser, Kunststoffe Isotrop: richtungsunabhngig - in alle Richtungen gleiche - Eigenschaften —> Grundsätzlich kann jede Schmelze amorph oder kristallin erstarren. —> Entscheidend sind Abkühlgeschwindigkeit sowie Teilchengröße und -form. HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 77  3.2 Ideale Kristallstruktur Entstehung der Kristallstruktur (Gitterstruktur): Kräfte sinken mit zunehmendem Abstand Kleinster Abstand im Kräftegleichgewicht x0: ____________________________________________________ Definierte Gleichgewichtslage und damit regelmäßige bewirkt _____________________________________________ Anordnung der Atome (bzw. Teilchen) ist möglich ___________________________________________________ Kristalle: Atome (Moleküle) regelmäßig angeordnet im Raum ( Raumgitter) Elementarzelle (EZ; auch Gittertyp genannt) kleinste Einheit: __________________________________ periodische Wiederholung der EZ im Raumgitter mit bestimmten Koordinaten Konstruktion des Kristalls Beeinflussung der Kristallstruktur durch: Art der Bindung _________________________________________________________________ Größenverhältnisse (Atomradien, Molekülform und -größe) _________________________________________________________________ hohe Dichte starke Beeinflussung der Teilchen gegenseitig HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 78  Beschreibung des Elementarzellentyps („Gittertyp“) Gitterkonstante (Atomabstände; Abb: a, b, c) ____________________________________________ Achsenwinkel ____________________________________________ Koordinationszahl ____________________________________________ Zahl der Atome pro Elementarzelle ____________________________________________ Koordinatensystem zur Beschreibung der Elementarzelle 7 Kristallsysteme/-arten (Grundsysteme): - Gittertyp tetragonal kubisch hexagonal Bedeutend für metallische a= a=b=c a= = = =90° = = =90° = =90°, =120° Werkstoffe (obere Zeile) Vertreter Zirkon (ZrSiO4) Pyrit (Katzengold, FeS2) Graphit, Anastas (TiO2) Eis (bis -80 °C) Gittertyp rhombisch rhomboedrisch monoklin triklin (orthorhombisch) (trigonal) a=b=c = =90° = = =90° ° ° Vertreter Schwefel, Quarz, Selen Natron (NaHCO3) Minerale Brookit (TiO2) Soda (NaCO3) (z. B. Axinit) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 79  Bedeutende Gittertypen der Metalle Bezeichnung kubisch raumzentriert kubisch flächenzentriert hexagonal dichteste (krz) (kfz) Packung (hdP) Modell · N (Zahl der Atome pro EZ) dichter gepackt - Pr: wissen welcher dichter gepackt, wie verformbarkeit ↓ PD (Packungsdichte) 68 % 74 % 74 % /Ausfüllung im Verhältnis zu Lee) KZ (Koordinationszahl) 8 12 12 opie) /Packunsch gut abemEnergie spiel Verformbarkeit Beispiele Kristallstruktur bestimmt die Eigenschaften /z B.. Verformberkeit , Festigkeit) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 81  3.3 Polymorphie - Von der Temperatur Erläuterung: Änderung der Gitterstruktur in Abhängigkeit _______________________ (auch: Allotropie) Heißt ein Metall kann abhängig von der Temperatur verschiedene Gittertypen annehmen, bestimmt die Eigenschaften, Umwandlung i. d. R. reversibel i.d.R. Reversibel Verunreinigungen und Legierungszusätze beeinflussen Umwandlung die Polymorphie von Ferrit in Austenit Beispiel Eisen: 760 °C 911 °C 1392 °C Krz -Fe (____) Krz -Fe (____) Krz Kfz -Fe (____) -Fe (____) Curie- 2-Ferrit Temperatur B - Ferrit As-Ausfenit & - Ferrit Temperatur Die Polymorphie ist die wesentliche Grundlage bedeutender Wärmebahandlungsverfahren für Stahl und Gusseisen (z.B. Härten und Vergüten) Mit dem Gittertyp ändern sich auch die von ihm abhängigen Eigenschaften (Dichte, Verformbarkeit…) Dilatometerkurve des Eisens: P.: Weiterer polymorpher Werkstoff: Titan 911 1392 1536 HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 83  3.3 Polymorphie Erläuterung: Änderung der Gitterstruktur in Abhängigkeit _______________________ (auch: Allotropie) Umwandlung i. d. R. reversibel Wichtig kurve zu kennen für Prüfung Verunreinigungen und Legierungszusätze beeinflussen die Polymorphie Beispiel Eisen: -Fe (____) -Fe (____) -Fe (____) -Fe (____) Curie- Temperatur Dilatometerkurve des Eisens: 911 1392 1536 HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 83  3.4 Anisotropie (Gegenteil: Isotropie) … bedeutet: Richtungsabhängigkeit von Eigenschaften Arten: Kristallstruktur des Graphit A B Das Verformungsverhalten der Metallen ist primär auf den Gittertyp zurückzuführen! ____________________________________________________________________________________________ Polykristallinität Eigenschaften sind bezüglich eines Einkristalls strukturanisotrop C C D E polykristalline Werkstoffen sind im Primärgefüge praktisch isotrop (= quasi-isotrop) D Veränderung des Primärgefüges (z. B. durch Umformen) Textur (künstlich geschaffene Anisotropie) -> E _____________________________________________ HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 85  3.5 Reale Kristallstruktur Grundlagen Gitterbaufehler, also Abweichungen vom regelmäßigen Aufbau Jeder kristalline Festkörper enthält ________________________________________________________________________ Zustand erhöhter Energie (freie Energie vergleichbar mit gespannter Feder) ____________________________________________________________________________________________________ im metastabilen in der Umgebung von Störungen/Gitterbaufehlern sind immer einige Atome _____________________Zustand! -> nicht gleich etwas schwaches (bsp. Härten von Stahl) Hauptursachen: Störung des thd. Gleichgewicht der Primärkristallisation (real) Verunreinigungen (z.B. beim Gießen) Umwelteinflüsse (z.B. Korrosion) mechanische Beeinflussung (z.B. Verformung) thermische Einflüsse (z.B. Abschrecken) Gezielte Eigenschaftsbeeinflussung möglich, z. B. beim 1 … stabiler Zustand 2 … metastabiler Zustand Legieren, Dotieren, Kaltumformen ________________________________________________ Q … Aktivierungsenergie HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 86  Einteilung der Gitterbaufehler 0-dimensional (Punktfehler) 1-dimensional (Linienfehler) 2-dimensional 3-dimensional (Raumfehler) (Flächenfehler) -um Zwischengitteratome Leerstellen Fremdatome (Austausch- oder Einlagerungsatome) Versetzungen (Stufen- und Schraubenversetzung) Korngrenzen Phasengrenzen ( Stapelfehler ) Einschlüsse, Poren Risse Ausscheidungen -> Plastische Verformung -> Diffusion -> Legierungen 1 Leerstelle 2 Zwischengitteratom 3, 4 Austauschatome (Legierung!) 5 Einlagerungsatom (Legierung!) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 87  Beeinflussung wesentlicher Strukturmerkmale durch die Abkühlbedingungen Korngröße Kornform Kristallisationsgeschwindigkeit ______________________________ Keimzahl (Zahl der Stellen an denen es losläuft) abhängig von der ______________ entscheidend hohe Gießtemperatur + niedrige Gießtemperatur + langsame Abkühlung rasche Abkühlung allseitig gleichmäßige gerichtete Abkühlung Abkühlung Grobkorn Feinkorn Globulares Korn Stengelkorn (Annähernd /lamellares Korn rundes Korn) Einfluss einer geringen (1) und höheren Abkühlgeschwindigkeit Technologisches Ziel (i. d. R.): (2) auf die Korngrößen in einem globulares, homogenes Feinkorn (fest + zäh) Gussstück HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 91  4 Metallische Werkstoffe 4.1. Legierungsbildung Beispiel Stahl: Fe + C 4.1.1 Einleitung Beispiel Messing: Cu + Zn - Stoffgemenge mit metallischen Eigenschaften (mind. 2 Elemente - davon mind. 1 Metall) Legierungen …_______________________________________________________________________________________ Basismetall und Legierungselemente (Le) Komponenten: _________________________________________________ Ziel des Legierens: Eigenschaftseinstellung __________________________ Gebrauchs- Verarbeitungs- eigenschaften eigenschaften Beispiele: Beispiele: Härte eines Fräsers Zerspanbarkeit eines Automatenstahls Vergleich der Streckgrenzen Dauerfestigkeit eines Fahrradrahmens Härtbarkeit eines Klingenstahls von unlegiertem Aluminium mit zwei Aluminiumlegierungen Metallische Konstruktionswerkstoffe sind immer Legierungen. Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 93  Stoff A Stoff B 4.1.2 Legierungsbildungsarten homogene Schmelze Löslichkeit Unlöslichkeit gemeinsame EZ A und B bilden von A und B Kristallisation arteigene Kristallite homogene heterogene Legierung Legierung Mischkristalle Kristallgemische (MK) (KG) · Austauschmischkristalle (A-MK) U · Einlagerungsmischkristalle (E-MK) n Vollkommene Austauschbarkeit (d.h. Löslichkeit) Intermetallische (-mediäre) Phase (imP) (So ein zwischenzustand) begrenzte Austauschbarkeit (d.h. Löslichkeit) EZ… Elementarzelle Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 94  Austausch- mischkristall (A-MK) vollkommene Austauschbarkeit teilweise Austauschbarkeit (vollkommene Löslichkeit) (teilweise Löslichkeit) jedes Mischungsverhältnis denkbar nur eine begrenzte Menge LE im Basismetall löslich (immer beidseitig B in A und umgekehrt) A und B müssen gleich Kristallart (Gittertyp) haben, Atomradiendifferenz < 8 % aufweisen und chemisch Löslichkeit spezifisch und temperaturabhängig ähnlich sein Atomradienunterschied 8 bis 15 % regellose (statistische) Verteilung von B im A-Gitter hohe Gitterverzerrung – keine beliebigen A- und B-Atome untereinander ohne Anziehungs- Verhältnisse A/B möglich oder Abstoßungskräfte Al-Cu, Cu-Sn, Cu-Zn Beispiele: _____________________________ Cu-Ni, Fe-Ni, Ag-Au Beispiele: _________________________________ Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 95  Einlagerungsmischkristall (E-MK) nur einige Metalle bilden die Basis für E-MK Fe, Ti, Nb, Cr, V v. a. Übergangsmetalle (________________) Einlagerungsatome nicht-metallisch in Zwischengitterplätzen H, C, O, N ausschließlich kleine Atome werden „eingelagert“: ____________(Radienverhältnis < 0,59) < 2% (Beispiel: 0,8% C sind max. in zu - Fe lösbar) Löslichkeit i. d. R. __________________________________________________ Legierungssystem Fe-c wichtiges technisches Beispiel: ________________________ Stahl und Gusseisen also ________________________ Einlagerung der C-Atome immer am Mittelpunkt der größten Hohlräume im Gitter – wobei i. d. R. nicht alle Plätze besetzt sind , keine zwingend homogene Verteilung bei 723 °C kommt im -Mischkristall ca. 1 C-Atom auf 24 Fe-Atome; Atomdurchmesser Fe: 0,228 nm und C: 0,141nm bei RT Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 96  Intermetallische Phase (imP) Zusammengefasst: Hohe mechanische und thermische Stabilität, Die gibt es halt. Das wars homogene Mischung Me/Me oder Me/NMe d. h. intermetallisch oder intermediär Mischkristalle mit konstanter Zusammensetzung Besonderheit: ___________________________________________ jede imP hat eigenes typisches Gitter (i. d. R. kompliziert aufgebaut) hohe mechanische und thermische Stabilität (hart, spröde) Beispiele: Fe3C, TiN, Mg2Si, CuBe2 Fe3C Gefügebestandteil im Stahl TiN Mg2Si CuBe2 Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 97  Legierungsbildungsarten: Zusammenfassung Es gibt zwei Arten von Legierungsbildung: Mischkristalle (MK) Lösen sich die Atome im festen Zustand bilden sich _____________________. Lösen sie sich nicht oder nur teilweise bildet sich ein Kristallgemisch (KG) _______________________. Je nach Atomart gibt es zwei Möglichkeiten der Mischkristallbildung, d. h. der Bildung einer Elementarzelle aus zwei (oder mehr) verschiedenen Atomen: LE nimmt reguläre Gitterplätze ein Austauschmischkristalle (A-MK) __________________________________ LE besetzt die Zwischenräume (Zwischengitterplätze) Einlagerungsmischkristalle (E-MK) ________________________________ Intermetallische Phasen (imP) _____________________________ sind Sonderformen der Mischkristalle. Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 98  Eigenschaftsverlauf im Legierungssystem Grundverläufe Ableitungen Völlige Unlöslichkeit (KG) Völlige Löslichkeit (A-MK) A-MK (teilweise) E-MK E E E E KG ( Mk + B Mk) - - B Mk - 2-MK KG KG ( Mk +B) - L -MK x - MK 100 % A 100 % B A B A B A B Mischungslücke B … Einlagerungsatom KG … Kristallgemisch A-MK … Austauschmischkristall E-MK … Einlagerungsmischkristall Löslichkeitsgrenze - Eigenschaftsänderung ____ nur im Kristallgemisch immer linear ___________________________________________________________ mit Mischungsverhältnis Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 100  4.1.4 Zustandsschaubilder binärer Systeme Grundlage: messbare Phasenwechsel reines Metall A Legierungen AB (A-MK) L… Liqiduspunkt Haltepunkt -> Tl… Liquidustemp. -> im Bereich Schmelztemperatur Ts S… Soliduspunkt -> Ts … Solidustemp Kristallisationswärme bewirkt Kristallisationswärme bewirkt Wärmetönung, d. h. Wärmemenge beim Temperaturkonstanz (HALTEPUNKT im Erstarren zu gering für die Ausbildung eines Haltpunktes – Legierungen Bereich der Schmelztemperatur) erstarren mit sog. KNICKPUNKTen in den Abkühlungskurven gilt für: Reine Metalle und eutektische Keinen Haltepunkt, Knickpunkte und Übergangsbereich (Zweiphasig) Legierungen Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 101  ZSB Typ 1: Vollkommene Löslichkeit der Komponenten im flüssigen und festen Zustand (A-MK) Abkühlkurven ZSB Typ 1 A … Komponente A L1 … Legierung 1 (75A/25B) L2 … Legierung 2 (35A/65B) B … Komponente B S … homogene Schmelze … festes Mischkristall Merkmale: Abkühlkurven der Legierungen mit Knickpunkten Legierungen einphasig (homogen) -> Lückenlose Mischkristallreihe Beispiele: Ag/Au und Cu/Ni Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 103  Weiter zu ZSB Typ 2 Merkmale: Systeme mit eutektischer Entmischung Gefüge besteht aus mindestens zwei Kristallarten Abkühlungskurve mit Knick - und Haltepunkt Beispiele Al/Si und Pb/Sb Eutektikum (LE) Bestandteile stehen in bestimmten Verhältnis zueinander, in dem sie als Ganzes bei einer bestimmten Temperatur fest werden Typische Struktur: feinkörnig, lamellar niedrigste Ts im Legierungssystem Typ 3 eher nicht in Prüfung Reales Gefügebild (C45, REM) Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 105  Kristallseigerung Legierung erstarrt nicht im Mischungsverhältnis sondern eine Komponente (die höher schmelzende) erstarrt anfangs vermehrt während die andere im Laufe der Erstarrung aufholt. Folge: Konzentrationsunterschiede (Inhomogenitäten) innerhalb der Mischkristalle Bei zügiger Abkühlung kommt es nicht zum Konzentrationsausgleich zwischen Kristallkern und den Randbereichen („Zonenmischkristalle“ = Kristallseigerung) Beseitigung: durch nachträgliche Behandlung (Diffusionsglühen, Warmumformen) Schmelztiegel mit erstarrender einzelner Kristallit mit Legierung (ca. 3/5 fest, 2/5 Schmelze) Seigerungszonen Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 109  4.2 Mechanische Eigenschaften 4.2.1 Einleitung Struktur ___________ Eigenschaften ____________ = innerer Aufbau Strukturmerkmale: Strukturabhängige Eigenschaften: z. B.: Festigkeit, Härte, Dehnung, Gefügezustand (Kornform, Korngröße, Korn- verteilung) elektrische Leitfähigkeit Legierungsart und Verteilung der LE hh Beeinflussung der Struktur ermöglicht die Strukturunabhängige Eigenschaften: gezielte Einstellung der Eigenschaften! z. B.: Schmelztemperatur, Dichte, Beispiele: Kaltverformung E-Modul Wärmebehandlung Für die Verformung braucht man Gitterfehler HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 111  Verformung und Anisotropie Verformbarkeit ist eine ____________________ richtungsabhängige Eigenschaft! Verformungsfähigkeit wird bestimmt von der Zahl der Gleitsysteme im Kristallit je nach Gittertyp: kfz: hohe Zahl von Ebenen dichtester Kugelpackung (a) Sehr duktil, wenig fest krz: viele Gleitsysteme aber keine dichteste Kugelp. (b) Fest, gut verformbar hdP: wenige Gleitsysteme Schlecht verformbar deshalb: Knetwerkstoffe meist mit kfz-Gitter (z. B. Al, Cu, Stähle) Gusswerkstoffe meist mit hdP- oder krz-Gitter (z. B. Mg, Zn) Quasi-Isotropie Allerdings: Polykristallinität bewirkt _________________, aber die Wahrscheinlichkeit, das im kfz-Gitter Gleitsysteme im günstigen Winkel zur max. Schubspannung liegen, ist deutlich höher bei anderen Gittertypen. Kriterien für gute Verformbarkeit: - hohe Zahl bewegungsfähiger Versetzungen - hohe Zahl von Gleitsystemen - geringe kritische Schubspannung (Mindestschubspannung für die Bewegung von Versetzungen) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 117  Spannungs-Dehnungs-Diagramm: Fließgrenze = Dehngrenze ODER Streckgrenze (materialabhängig) Dehngrenze Streckgrenze … unstetiger Übergang zur plastischen Verformung Rm –> wenn kein Re vorhanden Rm Rp0 2 A… Bruchdehnung Ro. (Bsp. A=50% -> kann um 50% gedehnt werden vor Bruch) A Ep = 0 2%. A langsamer Anstieg des plastischen Anteils plötzlicher Spannungsabfall am Ende der elastischen an der Verformung mit stetigem Übergang Verformung mit anschließendem zackigen Verlauf häufig als Ersatzstreckgrenze verwendet Bereich der Lüders-Dehnung: elastische und plastische Verformung überlagert typische Vertreter sind kfz-Metalle (Al, Cu austenitische Stähle, vergütete Stähle) typische Vertreter sind unlegierte Stähle HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 121  4.2.4 Einteilung der Brüche Gewaltbruch , Dauerbruch /- --- Einsinnige, zügige Überbeanspruchung --- Schwingende (statisch) Beanspruchung Gewaltbruch ____________________ Dauerbruch ___________________ - (Geht schnell) (Dauert lange) > Zähbruch _________________ Sprödbruch _________________ mit vorausgehender plastischer häufigste Versagensform Verformung plastische Verformung glatte Dauerbruchfläche und Bruchfläche matt (fasrig) metallisch glänzende zerklüftete Restbruchfläche Bruchflächen Ursachen: Ursachen: Zähler Werkstoff Ursachen: Ermüdung durch zyklische spröder Werkstoff (zustand) Dauerbelastung Fördernde Beanspruchungs- bedingungen (siehe Sprödbruch) Tiefe Temperaturen Kerben (v.a. Oberflächlich; konstruktiv oder unzulässig) Mehrachsiger Spannungszustand (Kerben) Der Sprödbruch ist die ungünstigere Hohe Beanspruchungs- Gewaltbruchform geschwindigkeit (energiearm, keine Anzeichen) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold (Energiearm -> weniger Energie nötig) Seite 123  4.2.5 Ermüdung Hauptversagensart im Maschinenbau Ursache: lokale Spannungserhöhung durch abnehmende plastische Verformbarkeit Folgen: Rissbildung Risswachstum Bruch (Dauerbruch; Ermüdungsbruch) Kenngröße: Dauerfestigkeit GA Versuch: Wöhlerversuch Ermittlung der Riss- oder Bruchlastwechselzahl N für bestimmte Spannungsausschläge 6 A bei konstanter Mittelspannung 6 m festgelegte Grenzschwingspielzahl N G 7 G (Ermüdung Dauerbruch erst nach so ner Millionen Schwingungen) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 124 4.2.6 Mechanismen der Festigkeits- steigerung HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 127  4.3 Thermisch aktivierte Vorgänge -> Eigenschaftsveränderungen durch Diffusion zum Abbau metastabiler Zustände -> Diffusionsgeschwindigkeit (D ) und Aktivierungsenergie (Q) sind (siehe Folie 84) abhängig von der Legierungsart Vergleich der Aktivierungsenergie für die zwei Diffusionseigenschaften in ausgewählten Legierungen wichtigsten Diffusionsarten: Leerstellen und Zwischengitterdiffusion HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 128  Erholung und Rekristallisation Gitterfehler sind die Ursache Erholung bei T < TR Gitterfehler- praktisch aller Diffusionsvorgänge Rekristallisation bei T > TR orientierung ohne Kornneubildung Kornneubildung -> kein neuer Kristall Tr = 0. 4 # Fs &K] T < TR „kalt“ T > TR „warm“ Metall TS in °C TR °C Al 658 99 Cu 1083 269 Fe 1536 450 W 3370 1457 Technisch relevante taV Erholungseffekte Effekte durch Rekristallisation finden bei T > TR statt geringfügige Veränderung der mechanischen deutliche Veränderung der mechanischen Eigenschaften (Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit) Eigenschaften HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 129  Schadensart durch Hochtemperatureinfluss: Kriechen 1. Mikroporen 2. Maktroporen 3. Porenkette 4. Risse -> Bruch Kriechbruch Typische (auch Zeitstandbruch) Erscheinungsformen der Kriechporen/-risse Kriechkurve mit Schädigungsablauf -> Kriechen: Werkstoffschädigung durch plastische Verformung unter konstanter Last (bei Metallen nur im „warmen“ Zustand relevant“) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 131  Weitere Beispiele für thermisch aktivierte Vorgänge Thermische Ermüdung Ermüdung durch zeitlich veränderlichen Temperatureinfluss Effekte vergleichbar mit mechanisch verursachter Ermüdung Phasenbildung/ - auflösung Veränderung der Verteilung von Legierungselementen Normalglühen Grundlegender Effekt der „Wärmebehandlung“ Stahlguss (Primärgefüge) Stahlguss (Normalgefüge) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 133  4.5 Eisen-Kohlenstoff-Legierungen DIESES KAPITEL PRÜFUNGSSCHWERPUNKT 4.5.1 Einleitung Eisenwerkstoffe alle Eisen-Kohlenstoff-Legierungen (über 80 % aller Konstruktionswerkstoffe) Eigenschaftsbeeinflussung v. a. durch: Legierungsbildung (ca. 20 LE) und vielseitige Wärmebehandlung Bsp.: RmStahl ≈ 250 … 4.000 MPa Eisenwerkstoffe sind gut ver- und bearbeitbar durch Gießen, Umformen, spanende und spanlose Formgebung, Schweißen, Beschichten, Wärmebehandlung, … Stahl: max. ≈ 2 % C (Fe-MK + Fe3C (lamellar) + LE) Einteilung: nach Legierungsgrad in unlegiert, niedrig legiert und hochlegiert nach Reinheit in Edelstahl und Qualitätsstahl (veraltet: Grundstahl) nach Art der Verwendung in Bau-, Behälter-, Schienen-, Maschinenbaustahl, Federstahl … Gusseisen: 2 … 4 % Kohlenstoff, meist graphithaltig ( Grauguss) Einteilung: nach Graphitform in Gusseisen mit Lamellengraphit, Kugelgraphit graphitfrei: weißes Gusseisen, meist durch Tempern überführt in Grauguss (= Temperguss) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Eisen-Kohlenstoff-Diagramm / Dipl.-Ing. Th. Amhaus EKD 1  4.5.2 Das Legierungssystem Eisen-Kohlenstoff Eigenschaften von Eisen sehr weich (verformbar/geringe Festigkeit) kaum Bedeutung als Konstruktions-WS polymorph krz/kfz-Gitter mit unterschiedlicher Löslichkeit für LE Dichte mit 7,9 g/cm3 vergleichsweise hoch Schmelzpunkt: 1536 °C Festigkeit: Re ≈ 100 MPa Rm ≈ 200 MPa sehr gute Verfügbarkeit und Verarbeitbarkeit HSZG Fakultät Maschinenwesen / Eisen-Kohlenstoff-Diagramm / Dipl.-Ing. Th. Amhaus EKD 3  Polymorphie des Eisens Eisen kann in Abhängigkeit von der Temperatur verschiedene Gitterstrukturen und damit Eigenschaften annehmen Kristallarten α – Eisen: krz (kleine Gitterlücken) Ferrit (0,02% C bei723 °C) γ – Eisen: kfz Austenit (2,06% C bei 1147 °C) δ – Eisen: krz δ –Ferrit (0,10% C bei 1493 °C) Abkühlkurve mit Gitterumwandlungen Pr: Abkühlkurve unbedingt kennen HSZG Fakultät Maschinenwesen / Eisen-Kohlenstoff-Diagramm / Dipl.-Ing. Th. Amhaus EKD 4  Kohlenstoff als Legierungselement im Eisen E-MK wichtigstes LE, weil er: die Festigkeit stark erhöht die Härtbarkeit und Vergütbarkeit bewirkt geringe Unterschiede im Kohlenstoffgehalt bewirken große Unterschiede in den Eigenschaften je höher der C-Gehalt, desto härter (verschleißfester) aber spröder und anspruchsvoller in der Verarbeitung (z. B. Schweißbarkeit) Absenkung der Schmelztemperatur von 1536 °C auf 1147 °C siehe Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Erscheinungsformen von Kohlenstoff: -Kohlenstoff (krz) -Kohlenstoff (kfz) gelöst -Kohlenstoff (krz) Fe3 -Carbid gebunden Grafit (hdP) frei HSZG Fakultät Maschinenwesen / Eisen-Kohlenstoff-Diagramm / Dipl.-Ing. Th. Amhaus EKD 5  Das EKD für das Gesamtsystem (Doppel-Schaubild) Pr: siehe unten Eine O j Staklecke /Entertuides Entektisches System) - /System wichtig HSZG Fakultät Maschinenwesen / Eisen-Kohlenstoff-Diagramm / Dipl.-Ing. Th. Amhaus EKD 8 Pr: Unterschied zwischen Eutetisches (Umw. Flüssig-Fest)und Eutektuides System (Stahlecke Umw. fest-> anderer fester Stoff); bezeichnende Umwandlungspunkte kennen Bezeichnung der Phasen: wo ist Ferrit, Austenit,… Zuordnen Gamma -> Ferrit und so Liquidus und Soliduslinien bezeichnen A3 Temperatur von einem Stahl mit bestimmten C Gehalt angeben (Linie Stahlecke) (nicht so Zeug wie Perlit+Fe3C+Ledeburit ect.)  Einfluss des C-Gehaltes auf die Stahleigenschaften Mechanische Eigenschaften: zunehmender C-Gehalt Anteil Zementit (härtester Gefügebestandteil) nimmt linear zu nahezu linearer Anstieg der Härte örtlich bedingter Gehalt an Zementit entscheidend z.B. für die Zugfestigkeit Rm zunächst deutlicher Anstieg, dann Stagnation und Abnahme (bedingt durch Korngrenzen) durch Anstieg der spröden Zementitphase Bruchdehnung A sinkt (Dehnung die es aushält, ohne zu brechen) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Eisen-Kohlenstoff-Diagramm / Dipl.-Ing. Th. Amhaus EKD 15  Technologische Eigenschaften: C-Gehalt steigt Schmelztemperatur sinkt Gießbarkeit wird besser (Stahlguss wegen hoher TS und γ-MK nicht re dünnwandig vergießbar) hohe TS der Stähle (bis 2% C) Warmverformbarkeit sehr gut (kleine Kräfte und starke Umformungen u m möglich) Zementit-Gehalt steigt Bruchdehnung vermindert sich Kraft- und Energiebedarf bei Kaltverformung steigt Zementit-Gehalt steigt Schnittkraft steigt Spanbarkeit wird schlechter (liegt C als Grafit vor (stabiles System) am verbessert sich die Zerspanbarkeit) weitere technologische Eigenschaften: Schweißeignung: Abbau lokaler Spannungen notwendig bis 0,25% C gute Schweißbarkeit >0,25% C spezielle Bedingungen und Verfahren notwendig Wärmebehandlung: bei höherem C-Gehalt hartes und sprödes Gefüge begünstigt Härtbarkeit (0,2-0,6% C) und Festigkeitssteigerung durch Wärmebehandlung weiter ab Seite 155 Aktivskript 6 HSZG Fakultät Maschinenwesen / Eisen-Kohlenstoff-Diagramm / Dipl.-Ing. Th. Amhaus EKD 16  Thermisch aktivierte Vorgänge im polymorphen Stahlgefüge A -Temperaur Erwärmung des Ferrit/Perlit-Gefüges führt oberhalb der ________________________ 3 Austenitgefüges (möglichst homogen) zur Ausbildung des _____________________________________________________ Gefügeveränderungen bei Erwärmung sind geschwindigkeitsabhängig (zügige Erwärmung führt zur Verschleppung kritischer Temperaturen zu höheren Werten) Die anschließende Gefügerückumwandlung durch Abkühlung ist ebenfalls stark Abkühlgeschwindigkeit (siehe Abb rechts) abhängig von der ________________________________________ Mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit wird ________________________________ Die Kohlenstoffdiffusion behindert Es gilt: Je schneller die Abkühlung desto ____________________________________ Härter das gebildete Gefüge Oberhalb der kritischen Abkühlgeschwindigkeit - -Umwandlung ohne Kohlenstoffdiffusion Martensit = Härtegefüge HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 155  4.5.3 Wärmebehandlung am Beispiel der Stähle Prinzip: Erwärmungs- und Abkühlvorgänge im festen Zustand bewirken Diffusion und damit Eigenschaftsveränderungen Zweck: gezielte Einstellung von Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften Blick in den Wärmebehandlungsofen Einteilung: Gruppe Beschreibung Beispiel (für Stahl) Klassische „Wärmebehandlung“ mit Härten (-> Martensit) Thermische Behandlung Erwärmen + Halten + Abkühlen (TB) Vergüten (evtl. mehrstufig) TB + gesteuerte chemische Stahlguss (Primärgefüge) Thermochemische Reaktion und dadurch Entzug oder Einsatzhärten (+C) Behandlung (TCB) Anreicherung von Elementen in der Nitrieren (+N) Randschicht Thermomechanische Austenitformhärten TB + gezieltes Umformen Pressformhärten Behandlung (TMB) Stahlguss (Normalgefüge) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 160  Technologie (der thermischen Behandlung): Thermische Verfahren besitzen einen charakteristischen Temperatur-Zeit-Verlauf Untergruppen: Glühen Härten Vergüten Schritte: 1. Erwärmen 2. Halten 3. Abkühlen (Häufig mehrstufig) Technologie-Schema des Härtens HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 161  Glühverfahren Prinzip: Erwärmen, Halten, Abkühlen unter Bildung eines möglichst gleichgewichtsnahen Werkstoffzustandes bei Raumtemperatur Homogenisieren des Gefüges -> Verbesserung der Eigenschaften ___________________________________________________________________ Zweck: Verbesserung der Verarbeitbarkeit von Maschinenteilen Herabsetzen von Härte und Festigkeit für Verarbeitung und Gebrauch Verbesserung von Zähigkeit und Umformbarkeit Beseitigung von Konzentrationsgradienten (Seigerung) Kornverfeinerung Abbau von Eigenspannungen Für die Haltedauer gilt (grobe Orientierung): = 20 + s … Wanddicke, Durchmesser [mm] 2 HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 163  Diffusionsglühen Ziel: Ausgleich von Konzentrationsunterschieden, d. h. Abbau von Kristallseigerungen, Auflösung bzw. (Homogenisierungsglühen, Feinverteilung von nichtmetallischen Einschlüssen Verteilungsglühen) Hauptsächlich für Stahlguss (teuer) Grobkornglühen Ziel: Erzeugung von grobkörnigem Gefüge (für gute (Hochglühen) Zerspanbarkeit) für C < 0,4 % (Versprödung weicher Stähle) Ziel: Abbau innerer Spannungen (Eigenspannungen) Spannungsarmglühen ohne wesentliche Gefügeveränderungen ( keine Änderung der Festigkeitseigenschaften) (Spannungsfreiglühen) Vorgehen: allmähliches Erwärmen unterhalb A1, Halten (bis 4 h), langsames Abkühlen (Ofenabkühlung) zur Vermeidung neuer Spannungen Anwendung: Walz- und Schmiedestücke, Umformteile, Schweißkonstruktionen HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 164  Normalglühen (Normalisieren): Ziel: feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge gute Kombination aus Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften) „Normalgefüge“ Vorgehen: rasche Erwärmung viele Fe3C-Reste als Keime kurze Haltedauer ( 2malige Umkörnung) zügige Abkühlung Haltetemperatur — Nachteile: A 3 bei unterschiedlichen Stählen M Anwendungen: Absinken der Festigkeit (Streckgrenze) A bei überperlitischen Stählen -tom ferritische und austenitische Stähle lassen sich nicht normalisieren 1 Stahlgussteile (Erhöhung der Zähigkeit) (Grund: X -MK soll aufgelöst werden) nach fehlerhafter Wärmebehandlung nach Kaltumformen, Schweißen, Brennscheiden (Abbau lokaler Gefügeunterschiede) vor dem Härten und Vergüten (Schaffung eines homogenen Ausgangsgefüges) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 165  Rekristallisationsglühen: Ziel: Rückbildung der durch Kaltumformen geschaffenen Eigenschaften durch Gefügeneubildung im festen Zustand neue Kristallisationskeime durch Diffusion mit nahezu ungestörtem Gitter neues, entfestigtes Gefüge Vorgehen: Erwärmen auf TR = ca. 0,4 * TS (LE erhöhen TR; bei Stahl 500 bis 600 °C), Halten, langsames Abkühlen Zugproben (Al) mit Anwendung: unterschiedlichem Einfluss der Glühtemperatur auf Umformgrad nach dem Tiefziehen (Zwischenglühen/Rekristallisationsglühen Korngröße und mechanische Rekristallisationsglühen zum Abbau der durch Verformung entstandenen Eigenschaften am Beispiel NiCu30Fe Verfestigung, d. h. zur Erhaltung der Verformbarkeit) Kornfeinung —> Feinkorn entsteht bei möglichst hohem Verformungsgrad, kurzer Glühdauer und geringer Glühtemperatur —> einzige Möglichkeit der Korngrößenveränderung im festen Zustand bei NE-Legierungen und umwandlungsfreien Stählen Siehe Skript S. 127f HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 166  Härten Ziel: hohe Härte bzw. Verschleißfestigkeit Ablauf: HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 167  4.6.1 Kupfer und Kupferlegierungen www.kupferinsitut.de Wichtigste allgemeine Eigenschaften von Kupfer Technologische Merkmale von Kupfer kalt- und warmumformbar hart- und weichlötbar schweißbar weniger gut gießbar (Sauerstoffaufnahme) und zerspanbar (Neigung zum Schmieren) Abhilfe durch Legieren (Bronze) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 177  4.6.2 Nickel und Nickellegierungen Eigenschaften: Anwendungen: Legierungen mit Cr, Fe, Cu, Ti, Al, Mn Katalysatoren, Turbinen, Thermoelemente, Ventile, Werkzeugbau Beschichtungen (Vernickeln) Legierungselement im Stahl HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 183  4.6.3 Magnesium und Magnesiumlegierungen Eigenschaften: Anwendungen: Legierungen mit Al, Zn, Mn, Si Vorteile von Mg-Druckgusslegierungen Leichtbau vor allem Gussteile im Flugzeug- und Fahrzeugbau gegenüber Al-Legierungen Elektrochemie geringere Schmelzviskosität dünnwandige, Opferanode filligrane Teile mit niedrigen Drücken gießbar kürzere Taktzeiten möglich aufgrund geringerem Wärmeinhalt unlöslich für Fe Fe-Werkzeuge einsetzbar mit geringerem Energieaufwand zerspanbar HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 184  4.6.4 Aluminium und Aluminiumlegierungen Eigenschaften: Anwendungen: Legierungen mit Si, Zn, Mg bis ca. Rm=700 MPa Leichtbau (Bauwesen, Maschinenbau, Nahrungsmittelwesen) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 186  4.6.5 Titan und Titanlegierungen Eigenschaften: Anwendungen: Leichtbau (v. a. Luft- und Raumfahrt) Medizintechnik (Gerätekomponenten, Instrumente, Implantate) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 190  4.7 Metallkorrosion und Korrosionsschutz 4.7.1 Einleitung/Begriffe Korrosion: Ursache: Einteilung: Wesentliche Werkstoffeigenschaften mit Einfluss auf die Korrosionseigenschaften: HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 192  4.7.2 Chemische Korrosion Korrosion ohne Elektrolyt  direkter, chemischer Angriff Reaktionen i.d.R. nur bei hohen Temperaturen Arten __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ Besonderheiten hohe Reaktionsgeschwindigkeiten spezifische Reaktionen meist definierte Bedingungen Relevante Bereiche Heißgaskorrosion an einer Energietechnik/Verbrennungstechnik Gasturbinen-Laufschaufel (Ni-Cr-Legierung) nach ca. Metallurgie 17.000 Betriebsstunden bei Chemische Prozesse etwa 750 °C Eine besondere Rolle spielen _______________, die sich auf der Oberfläche bilden. HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 193  4.7.3 Elektrochemische Korrosion Korrosion unter Mitwirkung eines Elektrolyten Teilreaktionen: HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 195  Erscheinungsformen der elektrochemischen Korrosion ohne Abbildung: ebenmäßiger Angriff (flächiger Abtrag) Schadenbeispiel (Lochfraß an einer Schweißnaht) Elektrochemische Spannungsreihe der Metalle (vereinfacht) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 196  Kontaktkorrosion Verbindung zweier Metalle mit unterschiedlichem Potential ( elektrochemische Spannungsreihe und gleichzeitiger Umgebung durch einen Elektrolyten Vermeidung von Kontaktstellen zwischen Metallen großen Potentialunterschieds notwendig Berücksichtigung bei der Konstruktion von Maschinen, Fahrzeugen, Anlagen usw. Bsp.: Vergleich zwischen verzinkten und verzinnten oder vernickelten Stahlteilen (Baustahl) Prinzip am Beispiel Cu-Stahl HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 197  4.7.4 Maßnahmen zum Korrosionsschutz Prinzip der Opferanode Vermeidung der Korrosion durch Trennung der Metalle (Kleben statt Nieten) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 198  5 Polymerwerkstoffe 5.1 Einleitung Definition: Polymerwerkstoffe sind aus monomeren Verbindungen hergestellte hochmolekulare Werkstoffe mit organischen Gruppen (Ausnahme Silikone) und i. d. R. mehr als 1000 Atomen je Molekül. Bedeutung: breites Anwendungsfeld in nahezu allen Bereichen der Produktion Ursache: (Verfügbarkeit, Massenproduktion) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 200  5.2 Systematik synthetischer Polymerwerkstoffe schmelzbar, nicht nicht warmformbar, schmelzbar, schmelzbar, schweißbar beständig, elastisch spröde z. B. Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), z. B. Epoxidharz (EP) z. B. Naturkautschuk (NR), Polyamid (PA) Polyurethan (PUR) Styrolbutadienkautschuk, Polyethylenterephthalat (PET) Phenolformaldehydharz (PF) (SBR),Chloroprenkautschuk (CR) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 201  5.6 Thermomechanisches Verhalten der PWS Kritische Temperaturen der Polymerwerkstoffe: Thermoplaste amorphe Thermoplaste: ungeordnete Knäuelstruktur der Fadenmoleküle Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur für amorphe (oben) und Eigenschaften: transparent, spröde, hart teilkristalline (unten) Thermoplaste Beispiele: PS, PVC, PMMA, PC, Celluloseacetat (CA), Copolymerisate von PS teilkristalline Thermoplaste: parallel liegende Bereiche oder gefaltete Molekülketten besitzen nicht nur eine Tg, sondern auch eine Tm typische Eigenschaften: opak/undurchsichtig, insgesamt beständiger Beispiele: Polytetrafluorethylen (PTFE), PE, POM, PBT, viele PA-Sorten HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 210  Duroplaste bei Erwärmung nicht plastisch-verformbar Eigenschaften: bis zur thermischen Zersetzung (Tz) formbeständig, spröde und hart Beispiele: Epoxidharz (EP), Phenolharz (PF) Elastomere Makromolekülketten untereinander weitmaschig, dreidimensional, Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von chemisch vernetzt der Temperatur für Elaste (oben) und Duroplaste Eigenschaften: WS nicht warmformbar, nicht schweißbar, (unten) hocheleastisch Abkühlung unter Tg Verlust der gummi-elastischen Eigenschaften („einfrieren“) WS werden hart, spröde (unbrauchbar als Gummiwerkstoffe) Beispiele: Isoprene (IR), Naturkautschuk (NR, Latex), Butadienkautschuk (BR) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 211  5.8 Additive (Zusatz- und Hilfsstoffe) 5.8.1 Einleitung Unterscheidung in: Stabilisatoren (Wärme, Farbmittel Feuchte, Sauerstoff, UV) Weichmacher Thixotropiermittel Flammhemmer Treibmittel (Schäume) Füll- und Verstärkungsstoffe Antistatika … … geforderte Eigenschaften der Zusatz- und Hilfsstoffe: Forderungen oft nicht alle erfüllbar Eigenschaftsprioritäten Wechselwirkungen der Additive untereinander möglich Nachteile: teilweise giftig, problematisch beim Recycling (erschweren die Identifizierung des Kunststoffs, beeinflussen das Schmelzverhalten, bilden mitunter giftige Zersetzungsprodukte) HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 214  Werkstoffliches Recycling Bedingung: makromolekulare Struktur der Polymere bleibt beim Umschmelzen erhalten Herausforderungen: Alterung (Veränderung der Materialeigenschaften durch chemische und physikalische Einflüsse) bei Thermoplasten „Downcycling“ Abhilfe durch Zusatzstoffe (Nachstabilisatoren) und nur anteilige Verwendung von Rezyklat nur gut getrennte, sortenreine Thermoplaste sind technisch-wirtschaftlich sinnvoll verwendbar Kunststoffabfall wird zu Granulat oder Pulver zerkleinert und neuer Formmasse zugegeben HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 239  6 Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe 6.1 Keramiken 6.1.1 Aufbau und Eigenschaften kristalline Verbindungen aus _________________________ ___________________________________________________________ seltener: polare Atombindung (ebenfalls sehr stabil) Bindungsart beeinflusst erheblich die Eigenschaften _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ Auswahl typischer Kristallsysteme: _____________________________________________ a) NaCl-Gitter (MgO, FeO, TiN) Oberflächen sehr polar und bindungsfreudig b) Zinkblende-Gitter (kfz; CBN, Diamant) Ursachen der geringen plastischen Verformbarkeit im Vergleich zu den Metallen c) Wurtzit-Gitter (hdP; ZnO) Kristallgitter der Keramiken weniger ________ gepackt und _____________ als die der Metalle d) Fluorit-Gitter (kfz; UO2, ZrO2) Versetzungsdichte geringer als bei Metallen e) Rutil-Gitter (TiO2, PbO2, Cr2O3) Versetzungsbewegung ermöglicht prinzipiell Verformung und Kriechen – f) Hoch-Crystobalit (SiO2) allerdings in _______________ Maße HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 242  6.2 Gläser 6.2.1 Aufbau _______________ Keramik _______________________________________________________________________________________ __________________________________ gleiche physikalische Eigenschaften in alle Raumrichtungen (__________) SiO2-Grundstruktur wie im Kristall (Tetraeder) Einteilung in Silikate (häufigste Gläser) und Nichtsilikate 6.2.2 Eigenschaften Erweichung bei ____________________________(„Erstarrung“ ohne Kristallisation) Dichte ca. 3 bis 7 g/cm3 ___________________________ _______________________________________________________________________________________ sehr korrosionsfest in alkalischen und sauren Medien (chemisch reaktionsträge) klassisch spröde (Rm = 50 … 90 N/mm2), ___________________ immer vorhanden einfach und kostengünstig herstellbar HSZG Fakultät Maschinenwesen / Werkstofftechnik / Dr.-Ing. Jana Reinhold Seite 252