Mehr zu diesem Thema und der Werkstofftechnik findest du im Kurs: WT3-Werkstoffprüfung
Grundlagen der Werkstoffeigenschaften
Physikalische und technische Eigenschaften von Werkstoffen werden zum einem vom Grundgitter des Kristalls als auch von der Art, Anzahl und Anordnung der Gitterdefekte sowie gitterfremden Bestandteilen bestimmt.
Die Struktur und die daran enthaltenen Unregelmäßigkeiten haben Einfluss auf
- Leitfähigkeit von elektrischer Energie,
- Leitfähigkeit von Wärmeenergie,
- Wärmedehnung,
- Fließverhalten,
- Diffusionsvorgänge,
- Festigkeitseigenschaften.
Man kann diese Einflüsse auch in Eigenschaften überführen und dann einer Kategorie zuordnen:
Fertigungstechnische Werkstoffeigenschaften
- Gießbarkeit
- Umformbarkeit
- Fügbarkeit
- Trennbarkeit
Technische & physikalische Werkstoffeigenschaften
- Mechanische Eigenschaften
- Thermische Eigenschaften
- Magnetische Eigenschaften
- Elektrische Eigenschaften
- Elektromagnetische Eigenschaften
- Akustische Eigenschaften
Chemische Werkstoffeigenschaften
- Entzündbarkeit
- Pyrolyse-Fähigkeit
- Brennbarkeit
- Korrosives Verhalten
- Affinität zu Säuren und Basen
Physikalische und chemische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen sind unter bestimmten Voraussetzungen von der Richtung abhängig in der sie gemessen werden und von der Art wie die Metalle beansprucht werden.
Umweltbezogene Werkstoffeigenschaften
- Zersetzbarkeit in der Natur,
- Recycling,
- Toxizität,
- Verbrauch an Rohstoffen zur Fertigung,
- Verbrauch an Hilfsstoffen zur Fertigung,
- Verbrauch an Primärenergie,
- Verbrauch an Nutzelektrizität,
- Emissionen von Oxiden und Feststoffen zur Fertigung.
Jede dieser Eigenschaften kann durch bestimmte Maßnahmen zumindest in einem geringen Maß beeinflusst werden. Mache Eigenschaften sogar stark. Besonders Temperatureinflüsse können sich auf die Eigenschaften von Werkstoffen, speziell Metalle, auswirken.
Als Stellvertreter für die anderen Eigenschaften schauen wir uns nachfolgend die Plastische Verformbarkeit an.
Plastische Verformbarkeit
Die plastische Verformbarkeit eines Metalls wird durch das Wandern von Versetzungen in Gleitebenen erst ermöglicht. Ohne diesen Effekt gäbe es keine Umformungstechnik.
Hierzu ist eine Mindestspannung, vorgegeben durch die Fließgrenze [Normaler Begriff] und Streckgrenze [Fließgrenze bei einer Zugbeanspruchung], notwendig damit die Versetzungsbewegung erfolgt.
Liegt eine hohe Anzahl von Gleitebenen und Gleitrichtungen vor, so ist der Widerstand gegen das Fließen gering.
Kfz-Gitter und Hexagonales Gitter
Die bevorzugten Gleitebenen und Gleitrichtungen eines kubisch-flächenzentrierten Gitters sowie eines hexagonalen Gitters ist nachfolgend dargestellt.
Krz-Gitter und tetragonales Gitter
Die bevorzugten Gleitebenen und Gleitrichtungen eines kubisch-raumzentrierten Gitters sowie eines einfach tetragonalen Gitters ist nachfolgend dargestellt.
Unterschied – Kaltumformung & Warmumformung
Liegt eine Temperatur oberhalb von 900°C vor, so können Aluminium, Kupfer, Silber sowie Stahl mit ihrem kfz-Gitter sehr gut plastisch verformt werden. Man spricht hier von einer Warmumformung.
Bei einer Kaltumformung wird die Anzahl der Versetzungen hingegen erhöht. Diese erhöhte Versetzungsdichte erschwert das Fließen und der Widerstand gegenüber einer Formänderung nimmt zu. In der Literatur findest du dieses Phänomen unter dem Begriff Kaltverfestigung.
Anisotropie
Der Elastizitätsmodul und die elektrische Leitfähigkeit sind Eigenschaften, die in einer bestimmten Richtung gemessen werden. Dabei können diese innerhalb eines Kristalls stark schwankende Werte aufweisen.
Die Richtungsabhängigkeit einer Werkstoffeigenschaft bezeichnet man als Anisotropie.
Zur Gruppe der Strukturen mit anisotropen Verhalten zählen:
- Elementarzellen
- Raumgitter
- Körner (Kristallite)
- Einkristalle
- Vielkristalle mit Textur.
Die drei ersten Begriffe kennst du ja bereits ausführlich. Die beiden anderen erklären wir dir nachfolgend:
Einkristalle
Einkristalle sind gezüchtete große Kristallite, die technisch, beispielsweise als Werkstück, verwendet werden. Hier liegt eine über größere Bereiche gegebene Gitterorientierung vor.
Hier sind Whisker als besondere Art von Einkristallen zu nennen. Es handelt sich um haarförmige Einkristalle, die bis nahe an den Bereich der theoretischen Festigkeit belastet werden können.
Vielkristall mit Textur
Bei einem Vielkristall mit Textur sind die Kristallite durch Korngrenzen voneinander getrennt, weisen jedoch eine fast gleiche Gitterorientierung auf.
Textur bedeutet, dass die Körner so ausgerichtet sind, dass die Kristallachsen weitestgehend parallel sind. Nachfolgend findest du eine entsprechende Abbildung zur Bildung einer Verformungstextur.
- Halbleitertechnik: Für die Herstellung von Mikrochips und Platinen wird hochreines Silicium benötigt. Die Gewinnung erfolgt im Industriemaßstab mit Zonenschmelzverfahren. Dadurch erhält man Einkristallstäbe mit hoher Reinheit.
- Elektrische Maschinen: Bleche für Transformatoren weisen eine Textur auf. Man schneidet sie derart zu und setzt sie ein, dass sich die Richtung der Magnetisierung mit der Richtung der geringsten Leistungsverluste deckt. Darauf kann bereits im Stadium des Urformens Rücksicht genommen werden.
Isotropie
Innerhalb der Isotropie wird die totale Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften erfasst. Denn die unterschiedlichen Gitterorientierungen in der Matrix heben gemittelt jede Form von Richtungseinfluss auf. Diese Eigenart, welche als Quasiisotropie bezeichnet wird, trifft auf die meisten Metalle zu und wir in der Technik als Endzustand angestrebt. Besonders innerhalb der Urformtechnik tritt ein beschleunigter Übergang von der Anisotropie hin zur Isotropie auf.
Zusammenfassung
Nachfolgend findest du noch mal einen Überblick zur Isotropie, Anisotropie und Quasiisotropie.
Isotropie = Richtungsunabhängige Eigenschaften
Anisotropie = Richtungsabhängige Eigenschaften
Quasiisotropie = Annähernd richtungsunabhängige Eigenschaften
Unter dem Elektronenmikroskop sehen die Kristalle dann wie folgt aus:
Nachdem du jetzt einen Überblick zu den Werkstoffeigenschaften erhalten hast, gehen wir im kommenden Kursabschnitt ausführlich auf die elastische und plastische Verformung im Detail ein.
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