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Wiederholung:
Materialwissenschaft: Wissenschaft der Skalen und Defekte
Werkstoffklassen:
Keramiken / Gläser Polymere
Metalle
Verbund-Werkstoffe
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1.2.3 Polymere
Thermoplaste
Polyethylen (PE)Polypropylen (PP)Polystyrol (PS, "Styropor")Polyvinylchlorid (PVC)Polytetrafluorethylen (PTFE, "Teflon")Polyacrylnitril (PAN, "Orlon", "Dralon")Polymethylmethacrylat (PMMA,
"Plexiglas")Poly(hexamethylenadip)amid (PA,“Nylon“)Poly (ethylenterephthalat) (PET)
Duromere
EpoxidharzPolyesterPhenol-Formaldehyd ("Bakelit")
Elastomere
Polyisopren (Naturkautschuk)Polybutadien (synthetischer Kautschuk)Polychloropren ("Neopren")
Anwendung:Verpackung, Rohre, Flaschen, Seile, Zahnräder, Formgussteile, Dichtungen, Lager, Textilfasern, Bodenbelag, Fensterrahmen, Schallplatten, Elektrotechnik
Anwendung:Lacke, Klebstoffe, Isolatoren, Fiberglas
Anwendung:Schalldämmung, Dichtungen, Erdbebensicherung, ...
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1.2.4 Verbundwerkstoffe
Metall-Matrix
Al + SiC-FasernAl + C-FasernAl - Kunststoff-Fasern
Polymer-Matrix
Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK)"Fiberglas“Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK)Borfaserverstärkter Kunststoff (BFK)Aramidfaserverstärkter KunststoffMetallfaserverstärkter Gummi
Keramik-Matrix
Stahlbeton, "Hartmetall"Keramik-Keramik-Verbunde z.B.
Polyester + Glasfasern,Epoxidharz + Glasfasern,Nylon + C-Fasern
Anwendungen:Luft- und Raumfahrt, Schiffe, Freizeitartikel, ...
z.B.WC + CoKohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff (CFC),Keramik mit SiC-"Whiskers" oder Al2O3-Fasern
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Zugversuch an einem polykristallinen, metallischen Bauteil
strain
eng
inee
ring
stre
ssTS
Typical response of a metal
σ=F/A0
ε= ∆l/l0
„Hookesche Gerade“Steigung = E-Modul E
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Zugversuch an einem polykristallinen, metallischen Bauteil
strain
eng
inee
ring
stre
ssTS
Typical response of a metal
σ=F/A0
ε= ∆l/l00.2%
Fließgrenze σy
Streckgrenze Rp
„Hookesche Gerade“Steigung = E-Modul E
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Zugversuch an einem polykristallinen, metallischen Bauteil
strain
eng
inee
ring
stre
ssTS
Typical response of a metal
σ=F/A0
ε= ∆l/l00.2%
Fließgrenze σy
Streckgrenze Rp
Zugfestigkeit σTS
„Hookesche Gerade“Steigung = E-Modul E
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Zugversuch an einem polykristallinen, metallischen Bauteil
strain
eng
inee
ring
stre
ssTS
Typical response of a metal
σ=F/A0
ε= ∆l/l00.2%
Fließgrenze σy
Streckgrenze Rp
Zugfestigkeit σTS
Bruchdehnung, Duktilität εF
Gleichmaßdehnung Einschnürdehnung
„Hookesche Gerade“Steigung = E-Modul E
Bruch
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Einschnürdehnung
Zugversuch an einem polykristallinen, metallischen Bauteil
strain
eng
inee
ring
stre
ssTS
Typical response of a metal
σ=F/A0
ε= ∆l/l00.2%
Fließgrenze σy
Streckgrenze Rp
Zugfestigkeit σTS
Bruchdehnung, Duktilität εF
Gleichmaßdehnung
„Hookesche Gerade“Steigung = E-Modul E
Bruch
Zähigkeit (Maß für Energieabsorption bis zum Versagen)
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Steifigkeit / Festigkeit
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Qualitativer Vergleich der Werkstoffklassen
Zugfestigkeit ist erreicht in:
Metallen wenn die Einschnürung beginnt
Keramiken wenn Rissausbreitung beginnt
Polymeren wenn die C-Ketten gestreckt werden und reißen
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Qualitativer Vergleich der Werkstoffklassen
Zugfestigkeit ist erreicht in:
Metallen wenn die Einschnürung beginnt
Keramiken wenn Rissausbreitung beginnt
Polymeren wenn die C-Ketten gestreckt werden und reißen
Zähigkeit
smaller toughness- unreinforced polymers
Engineering tensile strain, ε
Engineering tensile stress, σ
smaller toughness (ceramics)
larg er toughness (metals, PMCs)
Keramiken
Metalle
Polymere
Zielkonflikt: fest, zäh →Verbundwerkstoffe
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Verbundwerkstoffe
Metall-Matrix
Metall-Matrix + Keramik~/Kunststoff-fasernZiel:
Polymer-Matrix
Polymer-Matrix + Glas~/KeramikfasernZiel:
Keramik-Matrix
Keramik-Matrix + MetallfasernZiel:
smaller toughness- unreinforced polymers
Engineering tensile strain, ε
Engineering tensile stress, σ
smaller toughness (ceramics)
larg er toughness (metals, PMCs)
Keramiken
Metalle
Polymere
Zielkonflikt: fest, zäh →Verbundwerkstoffe
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Verbundwerkstoffe
Metall-Matrix
Metall-Matrix + Keramik~/Kunststoff-fasernZiel: steife Fasern → E, σy, σTS erhöhen
Polymer-Matrix
Polymer-Matrix + Glas~/KeramikfasernZiel: steife Fasern → E, σy, σTS erhöhen
Keramik-Matrix
Keramik-Matrix + MetallfasernZiel:
smaller toughness- unreinforced polymers
Engineering tensile strain, ε
Engineering tensile stress, σ
smaller toughness (ceramics)
larg er toughness (metals, PMCs)
Keramiken
Metalle
Polymere
Zielkonflikt: fest, zäh →Verbundwerkstoffe
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Verbundwerkstoffe
Metall-Matrix
Metall-Matrix + Keramik~/Kunststoff-fasernZiel: steife Fasern → E, σy, σTS erhöhen
Polymer-Matrix
Polymer-Matrix + Glas~/KeramikfasernZiel: steife Fasern → E, σy, σTS erhöhen
Keramik-Matrix
Keramik-Matrix + MetallfasernZiel: duktile Fasern → εF erhöhen
smaller toughness- unreinforced polymers
Engineering tensile strain, ε
Engineering tensile stress, σ
smaller toughness (ceramics)
larg er toughness (metals, PMCs)
Keramiken
Metalle
Polymere
Zielkonflikt: fest, zäh →Verbundwerkstoffe
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Verbundwerkstoffe
smaller toughness- unreinforced polymers
Engineering tensile strain, ε
Engineering tensile stress, σ
smaller toughness (ceramics)
larg er toughness (metals, PMCs)
Keramiken
Metalle
Polymere
Metall-Matrix
Metall-Matrix + Keramik~/Kunststoff-fasernZiel: steife Fasern → E, σy, σTS erhöhen
Polymer-Matrix
Polymer-Matrix + Glas~/KeramikfasernZiel: steife Fasern → E, σy, σTS erhöhen
Keramik-Matrix
Keramik-Matrix + MetallfasernZiel: duktile Fasern → εF erhöhen
Verbundwerkstoffe (fest + zäh)
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„Hartmetall“ als Verbundwerkstoff: harte Carbide (dunkel und grau) gebenVerschleißwiderstand, duktiles Kobalt (hell) Zähigkeit
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Faserverbundwerkstoff:Fasern aus Al2O3 (oben)Schliff einer Al-Matrix mit Fasern (rechts)
Quelle: Mahle AG, Stuttgart
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Bruchfläche eines Faserverbundwerkstoffes: Faserauszug („pull-out“)erhöht den Risswiderstand
![Page 19: Einführung in die Werkstoffphysik - Ehemaliges Wewi-Forumwewi.matthiasjasch.de/attachments/Werkstoffphysik_Einfuehrung_Skript_2... · Verbundwerkstoffe smaller toughness- unreinforced](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022041205/5d59e0cf88c993c2018bd11d/html5/thumbnails/19.jpg)
Metallischer Schaum: „Verbundwerkstoff“ aus Metall und Hohlraum
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Beispiel : Der Airbus A380
481 – 8502 + 28539774 kg
PassagiereBesatzungStartgewicht13300 km12500 m850 km/h
ReichweiteGipfelhöheReisegeschw.24.10 m73.00 m79.81 m
HöheLängeSpannweite
4 x 30391 KPAb Oktober 2005April 2004
SchubBauzeitErstflug
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Airbus A380
40% der Strukturen und Komponenten aus Verbundwerkstoffen:CFK: Höhen- und Seitenleitwerke, zentraler FlügelkastenGlare (Laminat aus Al + GFK): obere RumpfschaleKeine Nieten, Laserverschweißung
![Page 22: Einführung in die Werkstoffphysik - Ehemaliges Wewi-Forumwewi.matthiasjasch.de/attachments/Werkstoffphysik_Einfuehrung_Skript_2... · Verbundwerkstoffe smaller toughness- unreinforced](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022041205/5d59e0cf88c993c2018bd11d/html5/thumbnails/22.jpg)
Boeing 787 - Dreamliner
50% der neuen Boeing 787 bestehen aus CFK. Dazu gehört der gesamte Rumpf und auch Teile der Tragflächen.
* Vorstellung am 8. Juli 2007 * Erstflug ist für März 2008 geplant.
![Page 23: Einführung in die Werkstoffphysik - Ehemaliges Wewi-Forumwewi.matthiasjasch.de/attachments/Werkstoffphysik_Einfuehrung_Skript_2... · Verbundwerkstoffe smaller toughness- unreinforced](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022041205/5d59e0cf88c993c2018bd11d/html5/thumbnails/23.jpg)
Atomarer Aufbau der Werkstoffe (Beispiele)
kristallin:
ABC
0,3 nm
Metall (Ni)
Keramik (SiO2, Quarz)
z
y
x
O
O
O
O
Si
1.2.5 Struktur und Gefüge
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amorph:
Glas (SiO2, Kieselglas) Glas (z.B. Natrium-Silikat-Glas)
(Alkali-, Erdalkali- Metallionen)
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amorph:
Metallisches Glas (FeB, PdNiP)
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Polymer:
Molekülketten (Polyethylen)
H
H H
H
C C
H
H H
H
C C
n=10000
H
H H
H
C C
H
H H
H
C C
H
H H
H
C C
H
H H
H
C C
amorph + kristallin (Thermoplaste)
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Netzwerk (vulkanisierter Gummi)
Polymer:
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Gefüge der Metalle (Beispiele)
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1-43
Korngrenzen, sichtbargemacht durch:
Ätzen eines Schliffesund Beobachtung imPolarisationsmikroskop(Barker-Ätzung an Al)
Hochauflösende Trans-missionselektronen-mikroskopie, bei der die Störung der regelmäßigenAtomreihen erkennbarist(Kippgrenze in NiO)
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1-44
Versetzungen in einer Ni-Superlegierung, sichtbar gemacht imTransmissionselektronenmikroskop (Quelle: J. Schröder, MPI)
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1-45
Versetzung in Cu, sichtbar gemacht durch hochauflösendeTransmissionselektronenmikroskopie (Quelle: J. Sigle, MPI)
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Gefüge der Keramiken (Beispiel)
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Gefüge der Polymere (Beispiel)
Sphärolite in Polyethylen „Morphologie“
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Dichte nach Werkstoffgruppen
ρ, k
g m
-3
nach Ashby und Jones:Engineering Materials
Die Dichte hängt vom Atomgewicht, der Anzahl von Atomen in der Einheitszelle und der Größe der Einheitszelle ab. Die Dichte kann sich bei einer Phasenumwandlung ändern.
1.2.6 Eigenschaftsdiagramme
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Typische Dichtewerte 1
Werkstoff ρ , Mg m-3OsmiumPlatinWolfram und LegierungenGoldUranWolframkarbid, WCTantal und LegierungenMolybdän und LegierungenHartmetall WC / CoBlei und LegierungenSilberNiob und LegierungenNickelNickellegierungenKobalt und LegierungenKupferKupferlegierungenMessing und Bronze
22.721.4
13.4 - 19.619.318.9
14.0 - 17.016.6 - 16.910.0 - 13.711.0 - 12.510.7 - 11.3
10.57.9 - 10.5
8.97.8 - 9.28.1 - 9.1
8.97.5 - 9.07.2 – 8.9
Werkstoff ρ , Mg m-3EisenEisenbasislegierungenRostfreie austenitische StähleZinn und LegierungenNiedriglegierte StähleBaustähleRostfreier ferritischer StahlGußeisenTitankarbid, TiCZink und LegierungenChromZirkonkarbid, ZrCZirkon und LegierungenTitanTitanlegierungenAluminiumoxid, Al2O3Alkalihalogenide (NaCl etc.)Magnesiumoxid, MgO
7.97.8 - 8.37.5 - 8.17.3 - 8.0
7.87.8
7.5 - 7.76.9 - 7.8
7.25.2 - 7.2
7.26.66.64.5
4.3 - 5.13.9
3.1 - 3.63.5
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Werkstoff ρ , Mg m-3CFKPolyesterPolyimideEpoxydePolyurethan, PUPolykarbonat, PCPMMANylonPolystryrol, PSPolyethylen hoher Dichte, HDPEEis, H2ONaturkautschukPolyethylen niedriger Dichte, LDPEPolypropylen, PPHolzaufgeschäumte Kunststoffeaufgeschäumte Polyurethan
1.5 - 1.61.1 - 1.5
1.41.1 - 1.41.1 - 1.31.2 - 1.3
1.21.1 - 1.21.0 - 1.1
0.94 - 0.97
0.920.83 - 0.91
0.91
0.88 - 0.910.4 - 0.80.01 - 0.60.06 - 0.2
Typische Dichtewerte 2
Magnesium
Werkstoff ρ , Mg m-3
Siliziumkarbid, SiCSiliziumnitrid, Si3N4MullitBerylliumoxid, BeOAluminiumAluminiumlegierungenQuarzglas, SiO2FensterglasBeton, ZementGFKKohlenstoffasernPolytetrafluorethylen, PTFEBorfasern / EpoxyBeryllium und LegierungenGraphitFiberglas (Glasfasern/ Polyester)Polyvinylchlorid, PVC
2.5 - 3.23.23.23.02.7
2.6 - 2.92.62.5
2.4- 2.51.4 - 2.2
2.22.32.0
1.8 - 2.11.81.8
1.3 - 1.61.74
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Schmelzpunkt* nach Werkstoffgruppen
T m /
K
nach Ashby und JonesEngineering Materials
(*Schmelzpunkt bzw. Zersetzungstemperatur)
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Schmelz- bzw. Glasübergangs- (g) oder Zersetzungstemperatur (z)Werkstoff KDiamant, GraphitWolframTantalSiliziumkarbid, SiCMagnesiumoxid, MgOMolybdänNiobBerylliumoxid, BeOAluminiumoxid, Al203Siliziumnitrid, Si3N4ChromZirkonPlatinTitanEisenKobaltNickelSiliziumAlkalihalogenide (NaCl etc.)UranKupferGoldSilberQuarzglas
400036803250
3110 (z)3073288027402820
2327 (z)2155 (z)
21482125204219431809176817261683
800 - 16001405135613361234
1100 (g)
Werkstoff KAluminiumMagnesiumFensterglasZinkPolyimideBleiZinnPolyesterPolykarbonat, PCPolyethylen hoher Dichte, HDPEPolyethylen niedriger Dichte, LDPEAufgeschäumte Kunststoffe, steifEpoxydharzePolystyrol, PSNylonPolyurethan, PUAcrylPolypropylen, PPEisQuecksilber
933923
700 – 900 (g)692
580 – 630 (g)600505
450 – 480 (g)400 (g)300 (g)
360 (g)
300 – 380 (g)
340 – 380 (g)370 – 380 (g)340 – 380 (g)
365 (g)350 (g)330 (g)
273235
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Linearer Ausdehnungs-koeffizient nach Werk-stoffgruppen
€
α =1l 0
d l
d T, in K-1
Line
arer
Aus
dehn
ungs
koef
fizie
nt α
(10-6
K-1)
Unterschiedlich große Ausdehnungskoeffizienten bewirken in Materialverbunden bei Temperaturwechsel hohe thermische Spannungen, die zum Versagen führen können.
nach Ashby undJones:
Engineering Materials
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Werkstoff α (10-6 K-1)BerylliumBetonEisenBerylliumoxid, BeOTitanS-GlasBorAluminiumoxid, Al203Zirkonoxid, ZrO2Holz, parallel zur FaserGermaniumMolybdänCFK in FaserrichtungWolframSiliziumkarbid, SiCSiliziumnitrid, Si3N4SiliziumInvarDiamantQuarz, SiO2
1212
11.59
8.98887
4-75.25.15
4.54.53
2.50.1-21.50.6
Typische Werte für den linearen Ausdehnungskoeffizienten α
Werkstoff α (10-6 K-1)ElastomereKorkPolyethylen niedriger Dichte,
LDPEPolyethylen hoher Dichte,
HDPEPolypropylen, PPNylonEpoxyCaesiumPolyesterHolz, quer zur FaserNatriumPMMALithiumEisBleiMagnesiumAluminiumKupferNickel
150-500200200
150
110100
60-10097
50-9030-80717056502926231713