Grundlagen der Funktionswerkstoffe für Studium und Praxis. Janko Auerswald

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Abb. 2.28 Qualitativer Vergleich von Festigkeit und E-Modul der Werkstoffklassen Polymere, Metalle und Keramiken. Festigkeitsangaben von Keramiken unterliegen der Weibull-Statistik und können je nach Gefügezustand stark streuen. Die Druckfestigkeit von Keramik ist deutlich höher als die Zugfestigkeit. Bei Kunststoffen sind die Festigkeitskennwerte wegen des viskoelastischen Verhaltens (Kriechen) und der vielen möglichen Additive ebenfalls mit Unsicherheiten behaftet.

Die Festigkeit von Polymeren liegt ungefähr zwischen 10 MPa (z. B. Polyethylen), 100 MPa (PEEK) und 250 MPa (Polyimid). Der E-Modul liegt in der gleichen Größenordnung.

      Die Festigkeiten weicher Metalle wie Blei liegen ebenfalls bei 10 MPa, die von Baustahl und Aluminiumlegierungen bei 300-600 MPa, während vergütete und gehärtete Stähle Festigkeiten von 1000 bis 2000 MPa erreichen können.

      Keramiken weisen theoretisch Werte von bis zu 4000 MPa und mehr auf, allerdings nur im dicht gepressten Zustand als Druckfestigkeit. Sobald Zugspannungen an der Oberfläche wirken (Zug, Biegung), verhalten sie sich spröde und brechen auch bei wesentlich tieferen mechanischen Spannungen. Andererseits verfügen Keramiken über hohe Werte des E-Moduls und damit über geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten, was in der Präzisionsmechanik sehr wichtig ist.

2.10 Aufgaben

      Aufgabe 2.1 Wie hängen E-Modul, Bindungsenergie und thermischer Ausdehnungskoeffizient qualitativ zusammen?

      Aufgabe 2.2 Worauf beruhtdie plastische Verformung von Metallen bei Raumtemperatur?

      Aufgabe 2.3 In Geschirrspülern bestehen die Seitenwände häufig aus rostfreiem ferritischen Chrom-Stahl (kubisch-raumzentriert, krz). Für den Boden, der bei der Herstellung sehr großen plastischen Verformungen unterworfen wird, fällt die Wahl in der Regel auf einen rostfreien austenitischen Chrom-Nickel-Stahl (kubischflächenzentriert, kfz). Erklären Sie die Materialwahl für den Boden des Bottichs, argumentieren Sie dabei bitte über die Kristallstruktur.

      Aufgabe 2.4 Warum sind die kfz und krz Metalle besser plastisch verformbar als das hexagonal dichtest gepackte Titan?

      Aufgabe 2.5 Die Festigkeit von Metallen lässt sich erhöhen, indem den Versetzungen gezielt Hindernisse in Form von Gitterfehlern ,,in den Weg gelegt“ werden. Nennen Sie vier Gitterfehler und die durch sie verursachten Verfestigungsmechanismen. Ordnen Sie diese nach der Dimension der Gitterfehler (0-dimensional bis 3-dimen-sional).

      Aufgabe 2.6 Federelemente in mechanischen Uhrwerken (Stellhebelfedern, metallische Spiralfedern) sind in der Regel kaltgewalzt. Warum?

      Aufgabe 2.7 Nennen und erläutern Sie bitte drei Faktoren, die die Mischkristallhärtung entscheidend beeinflussen.

Aufgabe 2.8 Elektrobleche für Transformatoren bestehen aus krz Eisen mit 2-4 % Si (Mischkristall, Unterdrückung der Wirbelströme). Diese Bleche haben häufig eine Goss-Textur, d. h., die (100)-Richtungen der Kristalle liegen bevorzugt in Walzrichtung und die {110}-Ebenen parallel zur Blechoberfläche.

      Aufgabe 2.9 Gezogenen Kupferdrähte haben eine (111)-Fasertextur, d. h., Ebenen vom Typ {111} sind senkrecht zur Drahtachse bzw. Zugrichtung des Drahts orientiert.

       Aufgabe 2.10

      Zusammenfassung

      Der E-Modul ist ein Maß für die Bindungsenergie und die elastische Federkraft zwischen den Gitterbausteinen. Ein hoher E-Modul resultiert in einer geringen thermischen Ausdehnung. Die elastischen Eigenschaften in Werkstoffen haben Tensorcharakter. So resultiert z. B. ein einachsiger Spannungszustand in einer dreiachsigen elastischen Verformung.

      Die irreversible plastische Verformung von Metallen basiert in erster Linie auf der Bewegung von Versetzungen auf dicht gepackten Gleitebenen. Kubischflächenzentrierte Metalle sind am leichtesten plastisch verformbar, gefolgt von den kubisch-raumzentrierten Metallen mit ebenfalls sehr vielen Gleitsystemen und einer etwas weniger dichten Packung. Die hexagonal dichtest gepackten Metalle sind trotz ihrer hohen Packungsdichte aufgrund der geringen Anzahl von Gleitsystemen schlechter plastisch verformbar. Zu den weichen kubisch-flächenzentrierten Metallen zählen die sehr guten elektrischen Leiter Silber, Kupfer, Gold und Aluminium.

Um die Festigkeit von Metallen zu erhöhen, werden den Versetzungen gezielt Hindernisse in Form von Gitterfehlern in den Weg gestellt. Fremdatome führen zur Mischkristallverfestigung, Kaltumformung mit starker Versetzungsmultiplikation zur Kaltverfestigung, kleine Körner mit vielen Korngrenzen zur Feinkornverfestigung und die Bildung einer zweiten Phase zur Ausscheidungshärtung.

      Die Rekristallisationstemperatur definiert, ob eine Kalt- oder Warmumformung vorliegt. Bei der Warmumformung findet keine Kaltverfestigung statt, so dass sich „beliebig hohe“ Umformgrade erreichen lassen.

      Metalle mit kfz oder hdp Struktur können sich neben dem klassischen Versetzungsgleiten ebenfalls unter Bildung von Stapelfehlern und Zwillingsdefekten plastisch verformen. Bei hohen Temperaturen erfolgt die plastische Verformung der Metalle zusätzlich durch atomare Diffusionsprozesse, vor allem entlang der Korngrenzen (Kriechen).

      Die plastische Verformung von Kunststoffen beruht auf dem Abgleiten der Makromoleküle. Keramiken besitzen in der Regel einen hohen E-Modul, verhalten sich jedoch spröde und brechen ohne nennenswerte plastische Verformung. Mit Hilfe der Weibull-Statistik lässt sich die Versagenswahrscheinlichkeit von Keramiken bei einer bestimmten mechanischen Spannung aus den gemessenen Bruchfestigkeiten ableiten.