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Werkstofftechnik

Modulbezeichnung: Werkstofftechnik
Studiengang: Maschinenbau / Produktionstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2021
Code: DBMAB-240
SWS/Lehrform: -
ECTS-Punkte: 6
Studienjahr: 2
Pflichtfach: ja
Arbeitssprache:
Deutsch
Prüfungsart:
• Benotete Modulprüfung (Werkstofftechnik: Dauer 120 Min., 100 Pkt.)
  o Die Klausur wird im 3. Semester (Block 3B) gemäß Prüfungsplan geschrieben.

[letzte Änderung 02.09.2021]
Verwendbarkeit / Zuordnung zum Curriculum:
DBMAB-240 Maschinenbau / Produktionstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2021, 2. Semester, Pflichtfach
Arbeitsaufwand:
Der Gesamtaufwand des Moduls beträgt 180 Arbeitsstunden.
Empfohlene Voraussetzungen (Module):
Keine.
Sonstige Vorkenntnisse:
Formal: keine
Inhaltlich: Naturwissenschaftliche Grundlagen, Grundlagen der Thermodynamik

[letzte Änderung 02.09.2021]
Als Vorkenntnis empfohlen für Module:
Modulverantwortung:
Prof. Dr.-Ing. Jan Christoph Gaukler
Dozent: Prof. Dr.-Ing. Jan Christoph Gaukler

[letzte Änderung 11.06.2021]
Lernziele:
Struktur und Eigenschaften von Werkstoffen
 
Die Studierenden verfügen über die Grundlagen der mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe (elastisches Verhalten, plastisches Verhalten, Bruchverhalten). Sie sind mit den Prinzipien der Festigkeitshypothesen / Fließbedingungen vertraut, verstehen die Zusammenhänge von mehrachsigem Spannungszustand, Vergleichsspannung und Versetzungsbeweglichkeit und wissen um die Gefahren von Spannungsversprödung und Sprödbruch auch in Verbindung mit Kerben. Sie können das Verformungsverhalten metallischer Werkstoffe beschreiben und kennen die Bedeutung der Werkstoffkenngrößen. Sie sind in der Lage, mit Spannungs-Dehnungs-Diagrammen zu arbeiten, und daraus die
Werkstoffkenngrößen zu ermitteln. Ausgehend von den Verformungsmechanismen bei hohen Temperaturen und den dabei zusätzlich ablaufenden Prozessen wie Erholung, Rekristallisation und Kornvergröberung, können die Studierenden Zusammenhänge zwischen Werkstoffeigenschaften (Fließspannung, Stapelfehlerenergie), Fertigungsparametern (Temperatur, Umformgrad, Umformgeschwindigkeit) und Produkteigenschaften (Korngrößenverteilung, Werkstoffkenngrößen) ableiten. Ergänzend kennen sie die Mechanismen, die bei hohen Temperaturen zum Kriechen und zum Kriechbruch führen. Darüber hinaus verstehen sie die Verfestigungsmechanismen (Mischkristallhärtung, Ausscheidungshär-tung, Dispersionshärtung, Kornfeinung, Kaltumformung und Textur), kennen deren Vor- und Nachteile
sowie die Wechselwirkung untereinander und wissen, wie man sich ihrer bedient, um hochfeste Werkstoffe herzustellen. Die Studierenden kennen die Mechanismen der Rissbildung und -ausbreitung sowie
die Ursachen der verschiedenen Brucharten. Sie verstehen die Bedeutung von Brucharbeit und Übergangstemperatur und sind mit deren Abhängigkeit von metallischer Gitterstruktur und Temperatur sowie von chemischer Zusammensetzung, Korngröße und Umformgeschwindigkeit vertraut. Sie können die Auswirkungen einer schwingenden Belastung auf Werkstoffe beschreiben, Dauerbruchflächen bewerten und mit der Wöhlerkurve arbeiten.
Die Studierenden verstehen die Grundlagen zur Wärmebehandlung aushärtbarer Al-Legierungen und
zur Veredlung Si-haltiger Al-Gusslegierungen. Des Weiteren sind sie mit der Wirkungsweise der Legierungselemente in Al-Legierungen vertraut und können anhand der chemischen Zusammensetzung Rückschlüsse auf Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften ziehen. Darüber hinaus verstehen sie die Legierungskonzepte der im Maschinenbau gängigen Al-Werkstoffe und können, ausgehend von deren Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften beschreiben und die Werkstoffauswahl vornehmen. Die Studierenden können mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (metastabil) arbeiten und das Gefüge von Stählen beschreiben. Sie verstehen die Grundlagen der Wärmebehandlung (Vergüten un- und
niedriglegierter Stähle) und kennen deren Auswirkungen auf Struktur und Eigenschaften. Des Weiteren
sind sie mit der Wirkungsweise von Legierungselementen vertraut und können anhand der chemischen
Zusammensetzung Rückschlüsse auf Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften niedrig- und hochlegierter Stähle auf Fe-Ni-, Fe-Cr- und und Fe-Cr-Ni-Basis ziehen. Darüber hinaus verstehen sie die Legierungskonzepte der im Maschinenbau gängigen Stähle wie Bau-, Vergütungs-, Einsatz-, Feder-, Dualphasen-, Tiefzieh- und AFP-Stähle sowie Stähle für Verschraubungen und können, ausgehend von deren Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften beschreiben und die Werkstoffauswahl vornehmen.
 
Werkstofftechnik der Metalle und Kunststoffe
 
Die Studierenden können die Herstellung von Eisen und Stahl beschreiben, kennen und verstehen die
dazu nötigen Verfahren und wissen um deren Bedeutung für die weiteren Fertigungsschritte und die
Eigenschaften des Fertigproduktes.Die Studierenden können mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (metastabil / stabil) arbeiten und das Gefüge von Gusseisen (weiße / graue Erstarrung) beschreiben. Darüber hinaus verstehen sie die Legierungskonzepte der im Maschinenbau gängigen Gusseisensorten wie GJL, GJS, GJV, Temperguss und Hartguss und können, ausgehend von deren Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften, die
Werkstoffauswahl vornehmen.
Die Studierenden kennen die Vor- und Nachteile von Ti-, Cu- und Ni-Legierungen. Sie sind mit der
Wirkungsweise der Legierungselemente in diesen Legierungen vertraut und können anhand der chemischen Zusammensetzung Rückschlüsse auf Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften ziehen. Darüber hinaus verstehen sie die Legierungskonzepte der im Maschinenbau gängigen Ti-, Cu- und NiWerkstoffe und können deren Struktur und Eigenschaften beschreiben sowie die Werkstoffauswahl vornehmen.
Die Studierenden besitzen einen Überblick über die Methoden der zerstörende und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Sie sind in der Lage, die Methoden der zerstörenden Werkstoffprüfung ausführlich zu beschreiben, und diese zur Charakterisierung von Werkstoffen selbständig anzuwenden.
Darüber hinaus können sie ausgewählte Methoden der Metallografie sowie der zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung unter Aufsicht anwenden und die Ergebnisse einfacher Problemstellungen selbstständig auswerten.
Die Studierenden besitzen einen Überblick über die technisch wichtigen Polymerwerkstoffe hinsichtlich
Strukturprinzipien, thermischer Zustandsbereiche und Verformungsverhalten und kennen wichtige Verfahren der Kunststofftechnologie.
Das Modul „Werkstofftechnik“ erweitert und stärkt die fachliche Kompetenz „Wissen und Verstehen“
und die instrumentale Kompetenz und dient dem Aufbau kommunikativer Kompetenz.

[letzte Änderung 02.09.2021]
Inhalt:
Struktur und Eigenschaften von Werkstoffen
 
• Mechanische Eigenschaften metallischer Werkstoffe
  o Elastisches Verhalten - Einführung: Kraft-Abstands-Kurve zwischen Atomen, Normalspannungen, Dehnungen,
    Poissonsche Querkontraktionszahl, Schubspannungen, Gleitungen, Elastizitätsgesetz, energie-elastische
    Verformungen
  o Plastisches Verhalten - Einführung: Verformungsmechanismus, Verformbarkeit in Abhängigkeit vom
    Kristallgittertyp, Einfluss des Spannungszustandes auf die Versetzungsbewegung, Festigkeitshypothesen /
    Fließbedingungen, Kerbwirkung, Versetzungsbewegungen und -reaktionen
  o Verformungsverhalten - Grundlagen: Zugversuch, Spanungs-Dehnungs-Diagramm mit kontinuierlichem Fließbeginn und
    mit ausgeprägter Streckgrenze, Werkstoffkenngrößen, Lüdersdehnung, Reckalterung, Bauschinger-Effekt, wahres
    Spannungs-Dehnungs-Diagramm, Fließspannung, Umformgrad, Fließkurve
  o Verformungsverhalten bei hohen Temperaturen: Verformungsmechanismen, Erholung,
    Rekristallisation, Abhängigkeit der Fließspannung von Temperatur, Umformgrad und Umformgeschwindigkeit,
    Abhängigkeit der Korngrößenverteilung des rekristallisierten Gefüges von Temperatur und Umformgrad, Einfluss
    von Stapelfehlerenergie, Umformgrad und Umformgeschwindigkeit auf die Korngrößenverteilung des Produktes,
    Veränderung von Werkstoffkenngrößen während Erholung und Rekristallisation, Kriechen einschließlich zu Grunde
    liegender Mechanismen
  o Verfestigungsmechanismen: Mischkristallhärtung, Ausscheidungshärtung, Dispersionshärtung, Kaltumformung,
    Kornfeinung, Texturverfestigung
  o Bruchverhalten: Rissbildung und -ausbreitung, Duktil-, Misch- und Sprödbrüche, Abhängigkeit der Brucharbeit
    von metallischer Gitterstruktur und Temperatur, Abhängigkeit der Übergangstemperatur von chemischer
    Zusammensetzung, Korngröße und Umformgeschwindigkeit
  o Dauerbrüche: Schwingende Belastungsarten, Ermüdungsverfestigung und -rissbildung, Rissausbreitung,
    Dauerbruchfläche, Abhängigkeit der Dehnungsamplitude bzw. der Spannungsamplitude von der Schwingspielzahl,
    Verhalten kaltverformter Bauteile unter schwingender Belastung, Abhängigkeit der Risswachstumsgeschwindigkeit
    von der Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors, Paris-Gesetz und Werkstoffkenngrößen, Wöhler-Kurve,
    Kurzzeit-, Zeit- und Dauerfestigkeit
  o Kriechbrüche
 
• Aluminiumwerkstoffe
  o Eigenschaften von Aluminium
  o Naturharte Al-Legierungen vom Typ AlMg
  o Aushärtbare Al-Legierungen: Ausscheidungshärtung, Wärmebehandlung „Aushärten“, Legierungskonzept, technisch
    wichtige Legierungen
  o Al-Gusslegierungen ohne Si
  o Al-Gusslegierungen mit Si: Legierungskonzept, Veredlung, technisch wichtige Legierungen und deren
    Eigenschaften
 
• Eisenwerkstoffe
  o Niedriglegierte Stähle: Bezeichnung, Wirkungsweise der Legierungselemente (Mischkristallhärtung, Hemmung der
    Umwandlung des Austenits zu Ferrit und Perlit, Ferritstabilisierung, Austenitstabilisierung,
    Anlassbeständigkeit durch Si und Sondercarbidbildner)
  o Hochlegierte Stähle: Legierungen auf Fe-Ni-, Fe-Cr- und Fe-Cr-Ni-Basis insb. korrosions-, zunder- und
    verschleißbeständige Cr-Stähle und korrosionsbeständige sowie warmfeste, austenitische CrNi-Stähle
  o Stähle im Maschinen- und Automobilbau: Bau-, Vergütungs-, Einsatz-, Feder-, Dualphasen-, Tiefzieh- und AFP-
    Stähle, Stähle für Verschraubungen Werkstofftechnik der Metalle und Kunststoffe
 
• Eisenwerkstoffe – Vertiefung
  o Metallurgische Herstellung von Eisen und Stahl: Hochofenverfahren, Entschwefelung, Konverterverfahren,
    Elektrostahlverfahren, Sekundärmetallurgie, Umschmelzverfahren
  o Gusseisen: Stabiles Eisen-Kohlenstoffdiagramm, Ausbildung des Gefüges bei weißer und grauer Erstarrung in
    Abhängigkeit vom C-Gehalt, Gefügeausbildung und mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von chemischer
    Zusammensetzung (C- und Si-Gehalt) und Abkühlgeschwindigkeit, Gusseisensorten, Temperguss, und Hartguss
 
• Titanwerkstoffe
  o Vorteile von Titanwerkstoffen und deren Anwendung
  o Kristallstrukturen, Allotropie, Gefüge- und Phasenausbildungen
  o Titan technischer Reinheit und der Einfluss von Wasser-, Stick- und Sauerstoff
  o Legierungskonzepte, Eigenschaften und Anwendungen von
    - Ti-Legierungen mit α-Gefüge und mit nah- α-Gefüge einschl. ELI-Sorten
    - Ti-Legierungen mit β-Gefüge und mit nah-β-Gefüge
    - Ti-Legierungen mit α+β-Gefüge
 
• Kupferwerkstoffe
  o Vor- und Nachteile von Kupferwerkstoffen und deren Anwendung
  o Gefüge- und Phasenausbildungen, Umformverhalten
  o Legierungskonzepte, Eigenschaften und Anwendungen von
    - Cu-Zn-Legierungen (Messing)
    - Cu-Sn-Legierungen (Bronze)
    - Cu-Ni-Legierungen
 
• Nickelwerkstoffe
  o Vor- und Nachteile von Nickelwerkstoffen und deren Anwendung
  o Legierungskonzepte, Eigenschaften und Anwendungen von
    - Ni-Cu-Legierungen
    - Ni-Cr-Legierungen und Nickelbasissuperlegierungen
 
• Werkstoffprüfung
  o Zerstörende Werkstoffprüfung: Zugversuch, Druckversuch, Biegeversuch, Härtemessung, Zeitstandversuch,
    Dauerschwingversuch, Kerbschlagbiegeversuch, thermische Analyse
  o Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung: Eindringverfahren, Magnetpulverprüfung, Durchstrahlungsprüfung mit Röntgen
    und Gammastrahlen, Ultraschallprüfung, magnetinduktive Prüfverfahren
 
• Einführung in die Kunststofftechnik
  o Einführung in die Polymerwerkstoffe:
    - Strukturprinzipien: Grundbegriffe, Typen von Makromolekülen, Einteilung der Polymerwerkstoffe, Thermoplaste
      (amorph, kristallin), Duromere, Elastomere, thermoplastische Elastomere, Fluidoplaste
    - Thermische Zustandsbereiche: Glasübergangs- und Schmelzbereich, Stockpunkt, Glasübergangs-, Fließ-, Schmelz-
      und Zersetzungstemperatur
    - Verformungsverhalten: Viskoelastisches Verformungsverhalten durch Überlagerung von elastischer,
      relaxierender und viskoser Verformung, Verformungsverhalten bei kurzzeitiger Belastung
o Einführung in die Kunststofftechnologie
    - Aufbereitung
    - Fertigungsverfahren: Extrusion, Reactive Injection Moulding (RIM), Reinforced RIM, Spritzgießen, Pressen,
      Vakuumumformen, Kalandrieren
    - Recycling
 
Labor „Werkstoffprüfung“
 
Das Labor „Werkstoffprüfung“ dient der praktischen Übung und der Anwendung des in den Vorlesungen „Struktur und Eigenschaften von Werkstoffen“ und „Werkstofftechnik der Metalle und Kunststoffe“
erläuterten und erarbeiteten Wissens anhand folgender Versuche / Übungen / Experimente:
• Zerstörende Werkstoffprüfung: Zugversuch, Härteprüfung, Kerbschlagbiegeversuch
• Metallografie
• Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung: Farbeindring-, Magnetpulver- und Ultraschallprüfung

[letzte Änderung 02.09.2021]
Weitere Lehrmethoden und Medien:
Vorlesungen: Vortrag (darbietend), Demonstration (darbietend), Frage- und Impulsunterricht (erarbeitend), Bearbeitung konkreter Problemstellungen und Fallstudien in Gruppenarbeit (erarbeitend), Unterrichtsgespräch (erarbeitend)
Labore: Selbsterarbeitung und -erfahrung der naturwissenschaftlich-technischen Zusammenhänge mittels in Gruppenarbeit durchgeführter Versuche / Experimente

[letzte Änderung 02.09.2021]
Sonstige Informationen:
Keine.

[letzte Änderung 02.09.2021]
Literatur:
• W. Bergmann: Werkstofftechnik 1 (Carl Haser Verlag)
• W. Bergmann: Werkstofftechnik 2 (Carl Haser Verlag)
• E. Roos, K. Maile, M. Seidefuß: Werkstoffkunde für Ingenieure
• K. Schiebold: Zerstörende und zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, Springer Vieweg
• D. Gross, W. Hauger, J. Schröder, W. A. Wall: Technische Mechanik 2 – Elastostatik (Springer)
• R. C. Hibbeler: Technische Mechanik 2 – Festigkeitslehre (Pearson)
• J. Hoinkis, E. Lindner: Chemie für Ingenieure (Wiley-VCH)
• G. W. Ehrenstein, Polymerwerkstoffe, Hanser-Verlag
• H.-G. Elias, Makromoleküle I – III, Wiley-VCH
• J. M. G Cowie, H. Mauermann-Düll: Chemie und Physik der synthetischen Polymeren, Springer
• G. Menges: Menges Werkstoffkunde Kunststoffe, Carl Hanser Verlag GmbH & Co.KG

[letzte Änderung 02.09.2021]
[Wed Aug 10 10:57:18 CEST 2022, CKEY=awd, BKEY=aswmpt, CID=DBMAB-240, LANGUAGE=de, DATE=10.08.2022]