Ingenieurgemeinschaft Meyer & Horn-Samodelkin GbR Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013 VL1: Einführungsvorlesung 1 Werkstoffkunde Einführungs - VL
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
1
Werkstoffkunde
Einführungs - VL
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
2
Inhalt der Vorlesung (VL):
1. Organisatorisches
2. Literaturempfehlungen
3. Rolle der Werkstoffkunde in der Gegenwart –
Praxisbeispiele – Historie
4. Einführung in die Werkstofftechnik
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
3
1. Organisatorisches
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
4
• VL-Skript i.w. als *ppt
• Sie werden auf unserer homepage
(www.IGMHS.de) als download-Dateien nach einer
VL angeboten
• zum Selbststudium werden ggf. auch Frageblätter
angeboten
• Hinweise, Fragen und Wünsche bitte per e-mail
([email protected]) vorab zusenden
http://www.igmhs.de/mailto:[email protected]
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
5
2. Literaturempfehlungen:
1. Seidel „Werkstofftechnik“, Hanser-Verlag,
ISBN 3-446-22900-0
2. Bargel / Schulze „Werkstoffkunde“, VDI-
Verlag, ISBN 3-18-401125-9
3. Taschen- und Tabellenbuch Metall
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung 6
Interessante Web-Seiten:
1. www.materialsgate.com
2. www.dgm.de (Werkstoffwissenschaften)
3. www.edelstahl-rostfrei.de (nichtrostende Stähle)
4. www.Kupfer-Institut.de (Messing, Bronzen, Kupfer)
5. www.werkstofftechnik.com (allgemein)
6. www.werkstoffe.de (allgemein)
7. www.roheisen.de (Gusswerkstoffe)
8. www.metallograf.de (Metallographie)
9. www.thinkzink.de (Korrosion, Verzinken)
10. www.beuth.de (Normung)
11. www.stahl-online.de (alles zum Werkstoff Stahl)
http://www.materialsgate.com/http://www.dgm.de/http://www.edelstahl-rostfrei.de/http://www.edelstahl-rostfrei.de/http://www.edelstahl-rostfrei.de/http://www.kupfer-institut.de/http://www.kupfer-institut.de/http://www.kupfer-institut.de/http://www.werkstofftechnik.com/http://www.werkstoffe.de/http://www.roheisen.de/http://www.metallograf.de/http://www.thinkzink.de/http://www.beuth.de/http://www.stahl-online.de/http://www.stahl-online.de/http://www.stahl-online.de/
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
7
3. Rolle der Werkstoffkunde
in der Gegenwart –
Praxisbeispiele - Historie
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
8
• eines der Grundlagenfächer der Ing.-wissenschaften
• behandelt den Zusammenhang zwischen Struktur und
Eigenschaften aller für die Technik bedeutenden Stoffe
• im 20. Jhdt. i.w. entstanden und zur Reife gelangt
• im Ursprung: Empirie (z.B. Stahlhärtung)
• Halbleiter und Technik kleiner Bauteile führte zur zweiten
industriellen Revolution im verg. Jhdt.
• heute: durch physikalisches Denken und die Anwendung
moderner Untersuchungs- und Messmethoden geprägt
Werkstoffkunde (materials science and
engineering) ist:
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
9
Bedeutende werkstoffkundliche Entdeckungen :
• Grundlagen der Stahlhärtung
• Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen
• „metallische Gläser“, „amorphe Metalle“
• Einkristalle
• Tieftemperatursupraleiter
• Legierungen mit Form-Gedächtnis-Effekt
• Verbundwerkstoffe
• Metallschäume
• Kunststoffe mit magnetischen Eigenschaften
• Nanopartikel etc.
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
10
Beispiele aus verschiedenen
Branchen
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
11
B1: Metallschäume
B2: Nanopartikel
Menschenhaar
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
12
B3: Gase im Stahl –
schädlich oder unschädlich?
Bewirken Gase im Stahl den Zusammensturz einer Brücke ?
Können Gase den Stahl fester machen ?
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
13
Welche Gase spielen im Stahl eine Rolle?
Die meisten Stahlerzeugnisse werden aus der Schmelze hergestellt. Bei der Erstarrung können kleine Gasmengen gelöst bleiben. Das Gleiche gilt für das Schweißen.
• Stickstoff
• Sauerstoff
• Wasserstoff
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
14
Altstähle Vorsicht:
Sauerstoff (O) und Stickstoff (N)
bestimmte Stähle altern! Vorsicht beim Schweißen!
Geschweißte Straßenbrücke (Belgien) Baujahr 1937, eingestürzt 1938
Liberty-Schiff, Sprödbruch 1945
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH (alle Rechte vorbehalten) 15
Stähle für Tieftemperaturanwendungen
„Liberty Schiffe“ – ein Überblick
Liberty-Schiffe:
In den Jahren 1941 bis 1946
wurden durch US-amerikanische
Werften unter großtechnischer
Anwendung der Schweißtechnik
in Großserie neuartige Schiffe
gebaut. Dazu zählten:
2.710 Liberty Schiffe,
534 Victory Schiffe und
525 T2 Tanker.
Die Gesamtzahl der gebauten
Schiffe betrug 3.769 Einheiten. Bilder: Project Liberty Ship; S. S. Jeremiah O'Brien
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH (alle Rechte vorbehalten) 16
Stähle für Tieftemperaturanwendungen
„Liberty Schiffe“ – Bau in Großserie
Die Bauzeit für das Liberty-Schiff
SS „Robert E. Peary“ betrug:
4 Tage 15 Stunden und 29 Minuten Bilder: Library of Congress, USA
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH (alle Rechte vorbehalten) 17
Stähle für Tieftemperaturanwendungen
„Liberty Schiffe“ – Schäden
Liberty-T2-Tanker S. S. „Schenectady“ Liberty-Frachter S. S. „Charles S.
Haight“
Liberty-Frachter S. S. „Charles S. Haight“ Liberty-Frachter S. S. „Charles S. Haight“
Bilder: University of Western Australia; Ted Dow
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH (alle Rechte vorbehalten) 18
Nach dem Schaden klug werden
Die Schiffe der „Olympic“-Klasse
Schiffe der „Olympic“-Klasse
Durch die nordirische Werft HARLAND & WOLFF
in Belfast, wurden in den Jahren 1909 bis 1914
drei Passagierschiffe für die Nordatlantikroute
gebaut. Diese zählten zu den größten Schiffen
ihrer Zeit. Bilder: F. G. O. Stuart; Robert John Welch (Harland & Wolff)
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH (alle Rechte vorbehalten) 19
Nach dem Schaden klug werden
RMS „Titanic“ – Das Wrack
15. April 1912; Nordatlantik, Neufundland
Wassertemperatur: ca. -4°C
Kollision mit Eisberg und sprödes Aufreißen der
Schiffshülle unter Wasser. Der verbaute Schiff-
baustahl verfügte nicht über eine ausreichende
Kaltzähigkeit.
Bilder: Emory Kristof; DAPD - Welt
Online
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
20
Stickstoff steigert die Festigkeit von Stahl
Sonderschweißtechnologien beachten,
sonst entstehen Poren in der Schweißnaht.
REM-Bild
Stickstofflegierte Stähle
LM-Bild
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
21
Der Wasserstoff ( H ) kann z.B. beim Schweißen, Beizen oder Verzinken in den Stahl diffundieren!
REM-Bild
Im Kristallgitter wird aus atomarem H molekularer H2
Da dieser wesentlich größer ist, wird ein starker Innendruck erzeugt. Bei ungünstigen Verhältnissen führt dieser zum Bruch des Bauteils!
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
22
reines Fe Stahl mit 0,2 % C Stahl mit 0,8 % C
Im Lichtmikroskop kann man nach einer speziellen Präparation der Stahloberfläche die Kristalle sichtbar machen.
Das Aussehen der Kristalle unterscheidet sich, je nachdem, wieviel
Kohlenstoff ( C ) vorhanden ist. Der C ist i.w. als Fe3C gebunden.
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
23
Das ist auch das Geheimnis der Damaszenerstähle
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
24
Historische
Entwicklung der
Werkstoffe
nach 1990:
Kunststoffe (PVC.....moderne
leitfähige Kunststoffe)
Metallschäume
Verbundwerkstoffe mit
Nanopartikeln
Kohlefaserverstärkte
Kunststoffe (CFK)
Hochfeste Stähle
Mg-Legierungen u.v.a.m.
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
25
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
26
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
27
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
28
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
29
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
30
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
31
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
32
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
33
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
34
4. Einführung in die
Werkstoffkunde
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
35
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
36
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
37
Stadium A: wie erfolgt eine effiziente Gewinnung der Werkstoffe ?
Stadium H: in welchen Lieferformen liegt der Rohwerkstoff vor ?
Kann er hinsichtlich seiner Eigenschaften noch
modifiziert werden?
Stadium F: wie muss der Werkstoff verarbeitet werden, um keine
Eigenschaftseinbußen zu erfahren ?
wie erfolgt eine werkstoffgerechte Konstruktion? (die
Gestaltung muss den Werkstoffeigenschaften und den
Fertigungsmöglichkeiten angepasst sein)
Stadium G: wie muss die Konstruktion gepflegt, gewartet werden ?
Stadium V: wann tritt ein Versagen der Konstruktion auf ? Gibt es
Maßnahmen, die eine Lebensdauerverlängerung
bewirken ?
Stadium E: Was geschieht mit dem Werkstoff, nachdem er seinen
„Dienst getan hat“ ?
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
39
Metalle Nicht -
Metalle
Verbund -
werkstoffe
Eisen - Werkstoffe Nichteisen - Metalle
Künstliche
Werkstoffe
z.B.
verstärkte
Kunststoffe,
Hartmetalle
z.B.
Kunststoffe
Glas
Keramik
z.B.
Granitstein
Asbest
Holz
z.B.
Aluminium
Magnesium
Titan
z.B.
Kupfer
Zink
Blei
z.B.
Baustahl
Werkzeugstahl
Vergütungsstahl
z.B.
Gusseisen
Temperguss
Stahlguss
Stahl Schneid - stoffe
Eisen -
Gusswerk -
stoffe
Aluminium
Kupfer Kunst -
stoffe
Natur -
Werkstoffe
Leicht -
metalle
Schwer
- metalle
Eisen - Guss -
werkstoffe Stähle
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
40
Eine Kombination gewünschter physikalischer Eigenschaften
wird „technische Eigenschaften“ oder
„Gebrauchseigenschaften“ genannt.
Ein Stoff, der die gewünschten technischen Eigenschaften
besitzt, muss noch 2 weitere Voraussetzungen erfüllen,
um als Werkstoff verwendet werden zu können:
a) er muss „ zu Bauteilen formbar/verarbeitbar sein“
(Urformbarkeit – Giessen, Pressen, Sintern und
Umformbarkeit – zerspanend bzw. spanlos verarbeitbar
sowie Fügbarkeit – Schweißen, Kleben, Nieten, Löten)
b) er muss wirtschaftlich herstellbar sein (die Kosten für die
Herstellung und Verarbeitung müssen vgl. optimal sein,
Eigenschaften / Preis = max.)
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
41
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
42
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
43
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
44
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
45
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
46
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
47
Entsprechend der Gebrauchseigenschaften werden
Werkstoffe in 2 große Gruppen eingeteilt:
a) Strukturwerkstoffe bei diesen kommt es vor allem auf die mechanischen Eigenschaften an
(Flugzeugtragflächen, Brücken,
Pleuelstangen etc. – aus hochfesten Al-
und Ti-Legierungen, hochfestem Stahl, Ni-
Legierungen usw.)
b) Funktionswerkstoffe es stehen physikalische Eigenschaften im Vordergrund, Wolframdraht für
Glühlampen, Heizleiter für Kochplatten,
piezoelektrische Quarzkristalle etc.
Ingenieurgemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR
Werkstoffkunde HWK Schwerin 2013
VL1: Einführungsvorlesung
48
Sämtliche verwendete Bilder und Daten stammen
entweder:
• aus verschiedenen Quellen im Internet,
• den VDI-Nachrichten,
• den Literaturempfehlungen [1] bis [3],
• den GSI-Unterrichtsmanuskripten
• oder eigenem Archiv der IGMHS.