Die Welt der Werkstoffe – der Grundbaukasten des Maschinenbaus

Zusammenfassung

Heute kennen wir mehr als 100.000 Konstruktions- und Funktionswerkstoffe, und fast täglich werden neue entdeckt oder patentiert. Dazu gehören vor allem die gängigen metallischen Werkstoffe, wie Stahl, Aluminium, Magnesium aber auch die ganze Bandbreite der Polymere und der technischen Keramiken. AndereWerkstoffe, wie Holz, Beton oder Stein sind als Naturmaterialien für den Maschinenbau weniger wichtig – im Bereich des Bauingenieurwesens jedoch nicht wegzudenken. Gleichzeitig basieren auch heute noch viele Innovationen auf neuenWerkstoffen. Trotz dieser Vielfalt ist die Welt derWerkstoffe von einer strengen Systematik geprägt: Es sind zum einen die verschiedenen Bindungsarten, die es ermöglichen dieWerkstoffe in verschiedene Gruppen – dieWerkstoffhauptgruppen – einzuteilen. Zum anderen ist die innere Struktur, das Gefüge, für die Materialeigenschaften wesentlich verantwortlich. Dieses Gefüge lässt sich durch verschiedene Methoden gezielt beeinflussen, womit die Eigenschaften von Werkstoffen auch an bestimmte Anforderungen angepasst werden können. Umgekehrt sind die Ingenieurswerkstoffe heute wachsenden Ansprüchen ausgesetzt. GeeigneteWerkstoffe zu entwickeln, das Verhalten vonWerkstoffen zu verstehen undWerkstoffe für bestimmte Anwendungen richtig auszuwählen, gehört zu den Kernkompetenzen von Maschinenbauingenieuren.

Appendices

Antworten zu den Verständnisfragen

Antwort 14.1

CFK::

leicht, steif und fest,

Titan::

leicht, korrosionsbeständig, fest,

Stahl::

kostengünstig, einfach verarbeitbar,

Aluminium::

leicht, kostengünstig, gut verarbeitbar, korrosionsbeständig.

Antwort 14.2

Kostengünstig, große Formenvielfalt, gut einfärbbar, nicht gesundheitsschädlich, korrosionsbeständig, waschbar, …

Antwort 14.3

Metallische Bindung: bewegliche Elektronen, hohe Packungsdichte $\rightarrow$ Metalle: hohe Festigkeit, leichte Verformbarkeit, hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit

Ionische Bindung: hohe Bindungsstärke, gebundene Elektronen, Ionen als Gitterbausteine $\rightarrow$ Keramiken: hohe Festigkeit, hohe Schmelzpunkte, geringe elektrische Leitfähigkeit, schlechte Verformbarkeit

Kovalente Bindung: hohe Bindungsstärke, gebundene Elektronen $\rightarrow$ Keramiken: hohe Festigkeit, hohe Schmelzpunkte, geringe elektrische Leitfähigkeit, schlechte Verformbarkeit $\rightarrow$ Polymere: entlang der Kette hohe Bindungsstärke, fehlende elektrische Leitfähigkeit

Van der Waals-Bindung, Wasserstoffbrückenbindung: schwache Bindungen $\rightarrow$ Polymere: zwischen den Ketten nur schwache Bindungskräfte, daher niedrige Schmelzpunkte und geringe Festigkeit, gute Verformbarkeit

Antwort 14.4

Elastizitätsmodul, Elastizitätsgrenze (Streckgrenze oder Ersatzdehngrenze), Zugfestigkeit, Bruchdehnung

Aufgaben

Im Folgenden finden Sie Aufgaben zu dem im Kapitel besprochenen Thema. Wenn es sich um Rechenaufgaben handelt, ist der Schwierigkeitsgrad angegeben (• leicht, •• mittel, ••• schwer), und eine Ergebniszeile zeigt das zu erwartende Ergebnis.

Die Lösungen zu allen Aufgaben finden Sie auf der Internetseite des Buches.

.1

•  Nennen Sie die gängigen Gitterstrukturen von metallischen Werkstoffen und fertigen Sie dazu jeweils eine Handskizze an.

Resultat:

Die gängigen Gitterstrukturen sind kubisch- raumzentriert, kubisch-flächenzentriert und hexagonal dichtest gepackt.

Zeichnungen nach Abb. 14.15.

.2

•  Nennen Sie je ein Anwendungsbeispiel für einen Polymermatrixverbund (PMC), einen Metallmatrixverbund (MMC) und einen Keramikmatrixverbund (CMC).

Resultat:

PMC: Fahrradrahmen, Sportgeräte, Automobilkarosseriebauteile (Stoßstangen, Kotflügel).

MMC: Zylinderbuchsen, Wärmesenken, Schneidwerkstoffe.

CMC: Stahlbeton, Bremsscheiben.

.3

••  Beschreiben Sie die wichtigsten Verfestigungsmechanismen.

Resultat:

• 1. Wechselwirkungen zwischen Versetzungen.

• 2. Wechselwirkung von Korngrenzen und Versetzungen.

• 3. Wechselwirkung von Mischkristallatomen und Versetzungen.

• 4. Wechselwirkung von Teilchen oder Ausscheidungen und Versetzungen.

.4

••  Wenn Sie ein reines Metall in seiner Festigkeit steigern möchten, welche Verfestigungsmechanismen stehen Ihnen zur Verfügung, wenn ein nachträgliches Zulegieren von Fremdatomen ausgeschlossen ist?

Resultat:

Wechselwirkungen zwischen Versetzungen oder Wechselwirkung von Korngrenzen und Versetzungen.

.5

•••  Der Werkstoffindex für eine leichte, steife Platte lautet $E^{1/3}/\rho$. Welche Steigung der Auswahlgeraden ergibt sich hierbei im Werkstoffauswahldiagramm?

Hinweis:

Werkstoffauswahldiagramme werden logarithmisch aufgetragen. Hier ist das Diagramm $\log E$ vs. $\log\rho$ relevant

Resultat:

Steigung 3.

.6

•••  Wie lautet der Werkstoffindex für einen leichten, steifen Zugstab? Wenn Sie die Werkstoffe Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und Stähle miteinander vergleichen, stellen Sie dann nennenswerte Unterschiede in der Eignung fest? Welcher wesentliche Unterschied ergibt sich, wenn Sie jeweils Zugstäbe gleicher Steifigkeit aus diesen Materialien fertigen?

Resultat:

Der Werkstoffindex lautet E ∕ ρ. Die drei Werkstoffe Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen und Stähle besitzen jeweils einen Werkstoffindex von ca. 25 GPa/(g/cm³) und sind damit alle ähnlich geeignet. Die Zugstäbe sind bei gleicher Steifigkeit daher alle ungefähr gleich schwer, jedoch steigt der notwendige Querschnitt mit sinkender Dichte, wenn die Steifigkeit gleich bleiben soll.