Werkstoffeigenschaften, Struktur und Aufbau Kap. 2

1. Mechanische Eigenschaften

• Zug
• Druck
• Biegung
• Scherung
• Torsion

2. thermische Eigenschaften

• Temperatur
• Strahlung

3. keine elastische Verformung

• chemisch: Korrosion

elastisches Verhalten, Formänderung verschwindet nach Entlastung

plastisches oder viskoses Verhalten, Formänderung bleibt nach Entlastung erhalten

Trennung des Werkstoffes, atomare Bindung wurde überschritten

Rp0,2 = Dehngrenze mit 0.2% plastischer Verformung

Re = Rp = Streckgrenze

σb = Rm = Zugfestigkeit

εp = plastische Dehnung 

εe = elastische Dehnung

εp+εe = Gesamtdehnung

εb = Gesamte Dehnung bei Bruch

σ = E * ε

E: E-Modul

σ = F/A

ε = Δl/lο

σ -> Positiv Zug; Negativ Druck Spannung

Zugspannung erzeugt Längenänderung

->Reduktion von Breite und Höhe Δd

ε1 = Δl/lο 

ε2 = Δd/dο 

ε3 = Δd/dο 

v12 = ε2/ε1

v31 = ε3/ε1

Metalle im Bereich v=0.3

• Volumen nimmt im elastischen Bereich zu

Auslöser Scherung oder Torsion

gleich zu Hooksches Gesetz

Schubgesetz -> τ = G * γ

E-Modul u. G-Modul

E= 2G* (1+v) ≈ 2,6*G nur gültig für Metalle

G = E/(2*(1+v)) nur gültig für isotrope WS

plastische Verformung durch überschreiten kritischen Schubspannung 

-> sprunghaftes Verschieben/Abgleiten einzelner Gitteratome um mehrere Atomabstände

• gut verformbar
• >Viele Gleitebenen
• starkes Einschnüren
• idealplastisches Verhalten
• kritische Schubspannung in 45°Ebene leicht zu überschreiten
• Feinkörniges Gefüge

--> Hochfester Werkstoff ohne sprödes Verhalten

• eingeschränkte Verformbarkeit
• Trichterbruch
• Bruchkante 45°
• Einschnüren bis Gewalt/Trennungsbruch
• kritische Schubspannung anfangs leicht zu überschreiten
• später Bindungstrennung leichter als gleiten

• spröder WS
• gleiten behindert kaum plastische Verformung
• Bsp. gehärteter Stahl C-Atome in Gitterlücke

           -->Gittertrennung leichter als krit. Schubsp. 

Ausscheidungsverfestigung

>Gefüge heterogen

> ist Ausscheidung aus sprödem Material

--> Verformbarkeit nimmt ab

• Atome regellos angeordnet
• Struktur wie molekular Flüssigkeiten
• keinerlei Fernordnung
• Atomabstände unterschiedlich
• unterschied. Bindungsverhältnisse

• -->kein fixer Schmelzpunkt, sondern Erweichungsbereich

• Glas / Kunststoffe

• Atom gesetzmäßig angeordnet --> Raumgitter
• gute Fernordnung
• Raumgitter aus Elementarzellen 
• 7 versch. Gittersysteme möglich
• Gittersystemart beeinflusst WS Eigenschaften (Anisotropie)

Metalle streben dichteste Packung --> Zwischengitteratome möglich

Kubisch-flächenzentriertes Gitter (gut formbar) 

• Al, Blei, Kupfer, Nickel, Silber

Kubisch-raumzentrierte Gitter (mäßig formbar) 

• Eisen, Chrom

Hexagonal-dichtestgepacktes Gitter (schlet formbar) 

• Magnesium, Kobal, Zink, Titan

- Formbarkeit abhängig von Gitterkleiten 

Temperaturabhängige Raumgitter

-> Stähle mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen 

gleiten nur in Ebenen mit maximal dichter Atombesetzung

-> minimaler Versatzweg

Schubspannung groß

gleitebene unter 45° zur Spannung

KRZ: 6 Gleitebenen je 2 Gleitrichtungen

KFZ: 4 Gleitebenen je 3 Gleitrichtungen

HDP: alle Gleitebenen parallel wenig Gleitsysteme

1. Zwischengitteratome

• liegen zwischen eigentlischen Gitterplätzen

2.Fremdatome

• auf Zwischengitterplätzen oder auf regulären Gitterplatz

3.Leerstellen

• unbesetzte Gitterplätze

--> Steigerung der Festigketi; Gitter im Bereich elastisch

1. Stufenversetzung

• Gitterebne wird eingeschoben

2. Schraubenversetzungen

• Gitterebenen zueinander verschoben

--> Versetzungen wanderen und/oder klettern durch Schubsp.

-->Versetzwanderung ermöglischt plastische Verformung

1. Korngrenzen

• Grenzen seperat gewachener Kristalle mit ungleicher Anordnung

 --> Kristalle wachsen zusammen entstehen beim erstarren der Metalle

• Korngrenze = Gleitebene locale pl.V.
• Korngrenze = Versetzungsbehinderung

idealer Monokristall

• höchstes Rp0,2 (Startp. pl. V.)
• alle Atome der Ebene gleichzeitig abgleiten
• extrem hohe kritische Schubsp.

realer Monokristall

• deutlisch niedrigeres Rp0,2
• abgleiten kann schrittweise erfolgen
• Atome müssen nicht gleichzeitig abgleiten

--> Versetzung blockieren sich gegenseitig --> (Kalt-)Verfestigung

1. Fremtatome

• Subsituiton wenn vergleichbare größe
• Zwischengitter, wenn 15% größer/kleiner

2. Gitterbildung von Fremdatonen, übersettigte Lösung vorliegen

3.Erzielen feiner Körnen

• Impfen/Unterkühlen der Schmelze während des abkühlens

Federkonstante des Material

• welche Normalspannung, welche elastiche Verformung auftritt

Federkonstante des M gegen Scherung

• welche Schubsp., welche elastische Scherung auftrit

Übergang von elastisch zu plastischer Verformung

• Normspannung irreversible Verformung erzäugt
• > Grenze der Nutzbarkeit

Maximal überetagbare Spannung des Materials

• Überschreitung führt zu Querschnittsverminderung
• übertragbare Last sinkt
• Festigkeit und Bruchsp. können bei spröden Materiallien gleich sein

Wiederstand des WS. dem eindringen eines fremdkörpers endgegensetzt

• WS festigkeit Einfluss auf Härte allerdings nicht das gleiche
• prüfung durch plastische Verformung an Eindringstelle

relevant da

• Behandlungszustand feststellbar
• leicht Prüfbar
• abschätzung der Zugfestigkeit

plastische Verformung duchr langanhaltende Belastungen

Einflussgrößen

• Beanspruchungshöhe
• Temp.
• Beanspruchungsdauer

1. Betong

• Kriechen durch Wasser im Zement 3x größer als elastische Verf.

2. Kunstoff

•  durch entknäulung der molekühlketten

3.Metalle

• 1.Diffusionskriechen
• Leerstellen/Zwischengitteratome diffundieren durch Gitter
• 2. Versetzungs-kriechen und -gleiten
• thermische Aktivierung versetzungshindernisse überwunden
• 3. Korngrenzenkriechen
• Korngrenze wird Gleitefläche nachteil kleienr Körnung

Eigenschaften met. WS. oberhalb dÜbergangstemp. Tt zeitabhänig alles läuft thermisch aktiv ab

--> span. unterhalp Rp0,2 zu plast. Verformung

1. primäres Kriechen

• auch bei niedriger Temp., Kaltverfestigung wirkt gegen 

2. Sekundäres Kriechen

• höhere Temp. fortschreitender Dehnung
• Verfestigung und Entfestigung in Gleichgewicht (Versetzungs-behiderung/-gleite)
• > konst. Kriechgeschwindigkeit

3. Tertiäres Kriechen

• fortschreitende Verformung > Poren in WS
• Bildung von Rissen schnellerwerdend
• endet im Bruch

Spannung bei der anfängliches

Kriechen zum Stillstand kommt

überschreitung = Bruch

dynamisch wechselnde Belastung

• nur geringe ertragbare Spannungswerte
• > Ermüdung

Mechanismus

•  Rissbildung, Oberflächen fehler
• > wie Kerben, erhöhte dreiachsige Span. zustände über Nennspan.
• > lokale überschreiung der Nennspannung > mikroplastischer Verformung
• lokale Verfestigung/sprödung
• Stufe 2 Anriss > Rissausbreitung hin zu Rastlinien
• restquerschnitt wird kleiner
• > Gewaltbruch Stufe 3

Spannung, bei geg. Temp. und Zeit zum Bruch führt

Spannung, geg. Temp. und Zeit zu plast. Verformung von x% führt

größte Spannungsamplitude um mittelpunkt inf. oft aushalten ~ 10^7 Lastspiele

1. Wechselfestigkeit

2. Schwellfestigkeit

Spannungsverhältnis R einfluss auf Dauerfestigkeit R = Unterspan./Oberspan.

Resultat von erhöhter Teilchenbewegung

• Wärme = Arbeit
• Steigende Temp = steigende Bewegungsenergy = erhöhter Platzbedarf = Wärmeausdehnung
• In Gas freie, Feststoff Bewegung um Ruhepunkt
• Dichte Sinkt bei steigender Temp. p(t)=m/V(t)

Δl = l0*α*ΔT

l1 = l0 + Δl = l0 *(1+α*ΔT)

Wärmeausdehnungskoeffizient

α = Δl/( l0*ΔT)

ΔV = V0*3*α*ΔT

V1 = V0 + ΔV = V0 *(1+α*ΔT)

Temp. strom immer zum kälteren Punkt (ideal keinVerlust) transport der Wärme ohne Stofftransport

Wärmetransport durch Medien Bewegung

Maß für speicherung thermischer Energie in Stoff

Maß an Energie um Stoff um 1K aufzuheizen

c= ΔQ/(m*ΔT)  J/(kg*k) 

Verhältniss Reibkraft und Anpresskraft

1. Gleit- (Relativbewegung)

2. Haftreibung

Adhäsion- und Kohäsionskräfte zwischen den Materialien

Fr = μ * Fn

Einfluss durch Materialpaarung/Oberfläsche/Anpresskraft und weg(abbau der Unebenheiten)/

Schmiermittel(Grenzreibung/Mischreibung/Hydrodynamische Reibung)

H = Viskosität*Geschwindigkeit/ Druck zwischen den fläschen

Reibung fürt zu verschleiß der Oberf. > Riefen/Kratzer

hervorgerufen durch Reibung

-> Abtragen von Rauigkeitsspitzen

-> Kerb erzeuging durch Rauigkeitsspitzen

beinflust durch

- Rauheit

- härte

- belastung

- Bewegung

- Temp.

Kontaktkorrosion

Kochkor.

Spaltkor.

Spannungskor.

Interkrisline Kor.

Erosionskor.

Hochtempkor.

Bimetalkor.

• elektrochemische Reaktionen zwischen unterschiedlichen Metallen
• unmittelbarer Kontakt und gemeinsame Benetzung durch wässriges Korrosionsmedium

--> galvanisches Korrosionselement unedleres Metall wird durch Strom zerstört

Schutz

• aktive Beschichtung (verzinken/verchromen)
• Opferannoden die zuerst Zerstört werden(Zink/Magnesium)
• Passivierung (Erzeugung von resistenter Oxidschicht)

• auftritt bei passivierten Metallen
• geringe Oberfläschenbeschädigung > Ausdehnung innerhalb des Metalls
• entsteht durch defekte Oxidschicht lokaler verlust > Korrosionsbeginn

• in engen Spalten zwischen Metallteilen
• Eindringen von Feuchtigkeit (kapilar)
• Potenialunterschied im Medium > Korrosion auch bei gleichen Metallen

Schutz

• keine spalte oder ausreichender größe
• beschichtung 

Vonrhandene Zugspannung

• Korrosion an Korngrenzen

Schutz

• auslassen von Span.kor. empfindlichen Stoffen 
• Angriffsmedium (Wasser Nitrate) Reichen für beginn von Korrosion

bei vielen Legierungen möglich

Wärmebehandlung kann zu chromaren Korng. führen

• >Chromcarbid
• ohne Chrom anfällig für Korrosion

Schutz

• Reduktion von %C oder beigeben von Titan