einführung in die werkstoffphysik - ehemaliges...

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