einführung in die werkstoffphysik - ehemaliges...
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Wiederholung:
Materialwissenschaft: Wissenschaft der Skalen und Defekte
Werkstoffklassen:
Keramiken / Gläser Polymere
Metalle
Verbund-Werkstoffe
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, ...
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
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
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
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
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
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)
Steifigkeit / Festigkeit
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
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
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
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
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
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)
„Hartmetall“ als Verbundwerkstoff: harte Carbide (dunkel und grau) gebenVerschleißwiderstand, duktiles Kobalt (hell) Zähigkeit
Faserverbundwerkstoff:Fasern aus Al2O3 (oben)Schliff einer Al-Matrix mit Fasern (rechts)
Quelle: Mahle AG, Stuttgart
Bruchfläche eines Faserverbundwerkstoffes: Faserauszug („pull-out“)erhöht den Risswiderstand
Metallischer Schaum: „Verbundwerkstoff“ aus Metall und Hohlraum
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
Airbus A380
40% der Strukturen und Komponenten aus Verbundwerkstoffen:CFK: Höhen- und Seitenleitwerke, zentraler FlügelkastenGlare (Laminat aus Al + GFK): obere RumpfschaleKeine Nieten, Laserverschweißung
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.
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
amorph:
Glas (SiO2, Kieselglas) Glas (z.B. Natrium-Silikat-Glas)
(Alkali-, Erdalkali- Metallionen)
amorph:
Metallisches Glas (FeB, PdNiP)
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)
Netzwerk (vulkanisierter Gummi)
Polymer:
Gefüge der Metalle (Beispiele)
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)
1-44
Versetzungen in einer Ni-Superlegierung, sichtbar gemacht imTransmissionselektronenmikroskop (Quelle: J. Schröder, MPI)
1-45
Versetzung in Cu, sichtbar gemacht durch hochauflösendeTransmissionselektronenmikroskopie (Quelle: J. Sigle, MPI)
Gefüge der Keramiken (Beispiel)
Gefüge der Polymere (Beispiel)
Sphärolite in Polyethylen „Morphologie“
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
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
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
Schmelzpunkt* nach Werkstoffgruppen
T m /
K
nach Ashby und JonesEngineering Materials
(*Schmelzpunkt bzw. Zersetzungstemperatur)
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
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
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