Grundlagen der Technik

• Monomer = kleines Molekül (z. B. Ethylen) mit Doppelbindungen oder aktiven Gruppen

• Polymer = lange Kette aus vielen Monomeren (z. B. Polyethylen)

• Kunststoff = Polymer + Zusatzstoffe (z. B. Farbstoffe, Weichmacher) Unterschied: Monomer = Baustein, Polymer = Kette, Kunststoff = fertiger Werkstoff mit Struktur und Zusätzen

Durch chemische Reaktionen:

• Polymerisation (Oberbegriff): Monomere verketten sich zu langen Ketten → z. B. durch Ketten- oder Stufenwachstum

• Polyaddition: Keine Nebenprodukte entstehen

• Polykondensation: Es entstehen Nebenprodukte (z. B. Wasser)

Copolymere bestehen aus 2–4 verschiedenen Monomeren:

• Alternierend: A-B-A-B

• Blockweise: A-A-A-B-B-B

• Statistisch: zufällige Reihenfolge

• Pfropfenform: Seitengruppen hängen an Hauptkette

• Thermoplaste (z. B. Polyethylen, PVC, Styropor)

• Duroplaste (z. B. Bakelit, Epoxidharz)

• Elastomere (z. B. Kautschuk, Polyurethanschaum)

• Eisenoxid (z.B. Hämatit, Magnetit) wird im Hochofen mit Koks (C) reduziert; es entsteht Roheisen.

• Dieses Roheisen wird in einem Konverter (Sauerstoffblasverfahren) oder Elektrolichtbogenofen entkohlt und legiert, um Stahl zu erzeugen.

• Elementarzelle: kleinste sich periodisch wiederholende Einheit eines Kristallgitters. Sie beschreibt die kleinste Struktur, aus der durch dreidimensionale Wiederholung das gesamte Gitter aufgebaut wird.

• Kubisch-raumzentriert (krz): z.B. α-Eisen (bis 912 °C).

• Kubisch-flächenzentriert (kfz): z.B. Aluminium, Kupfer.

• Hexagonal dichteste Kugelpackung (hdp): z.B. Magnesium, Titan. Diese drei Gittertypen kommen bei fast allen Metallen vor.

• 0D (Punktdefekte): z.B. Leerstelle – ein Atom fehlt am Gitterplatz (Vakanz) .

• 1D (Linienfehler): z.B. Versetzung (Stufen- oder Schraubenversetzung) – zusätzliche halbe Atomlage bzw. verdrillte Ebene im Gitter .

• 2D (Flächenfehler): z.B. Korngrenze – Trennebene zwischen unterschiedlich orientierten Kristalliten (Kristallitgrenzen) .

• 3D (Raumfehler): z.B. Poren – gas- oder flüssigkeitsgefüllte Hohlräume im Gefüge

• Gewollte Abweichungen: gezielt eingeführte Defekte oder Legierungselemente zur Eigenschaftsänderung. Beispiel: Kohlenstoff in Eisen (Legierung → Stahl).

• Ungewollte Abweichungen: unerwünschte Verunreinigungen/Defekte. Beispiel: Schwefel- oder Phosphor-Einschlüsse im Stahl, die Sprödigkeit erhöhen.

Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nehmen Zugfestigkeit und Streckgrenze zu, während die Bruchdehnung (Duktilität) abnimmt . (Mehr C erhöht die Festigkeit, verringert die Verformbarkeit.)

Das Fe–C-Diagramm ist ein statisches Phasendiagramm, das zeigt, welche Phasen bei gegebenem Kohlenstoffgehalt und Temperatur bestehen. Man kann ablesen, bei welchen Temperaturen und C‑Gehalten z.B. Ferrit, Austenit, Perlit oder Zementit stabil sind und wo kritische Phasengrenzen (Eutektoid-, Eutektoid-Punkte) liegen.

Ein Werkstoff ist ein Material mit technisch nutzbaren Eigenschaften, das zur Herstellung von Endprodukten, Bauteilen oder Werkzeugen verwendet wird.

Werkstoffe werden eingeteilt nach:

• Stoffzusammensetzung

• Charakteristischen Eigenschaften Hauptkategorien: Metalle, Kunststoffe, Keramiken/Gläser, Verbundwerkstoffe.

• Metalle: gut elektrisch leitfähig, hoch belastbar, plastisch verformbar → z. B. Stahl

• Kunststoffe: schlecht leitfähig, chemisch beständig, tieftemperaturspröde → z. B. PVC

• Keramiken/Gläser: spröde, chemisch sehr beständig, hochtemperaturbeständig → z. B. Glas

• Verbundwerkstoffe: Eigenschaften hängen von Bestandteilen ab → z. B. GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff)

• Heute: Stahl dominiert mit ca. 58 % Marktanteil unter den Werkstoffen.

• Historisch: Holz war im 19. Jh. der zweitwichtigste Werkstoff, heute bei nur 5,3 %.

• Neue Werkstoffe wie Polymere wachsen, bleiben aber hinter Stahl zurück.

Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Kern. Die Elektronen kreisen in mehreren konzentrischen Bahnen um den Kern – jede Bahn hat einen eigenen Radius.

Es ist anschaulich und leicht verständlich – ideal für den Einstieg in die Atomphysik, obwohl es durch das Orbitalmodell inzwischen überholt ist.

Valenzelektronen sind die Elektronen auf der äußersten Schale eines Atoms. Sie bestimmen die chemischen Eigenschaften und Bindungen eines Elements.

Von stark nach schwach:

1. Kovalente Bindung – Atome teilen sich Elektronen

2. Ionenbindung – Elektronenübertragung zwischen Atomen

3. Metallische Bindung – Elektronengas zwischen Atomrümpfen

4. Van-der-Waals-Bindung – temporäre Anziehung durch Ladungsverschiebung

• Monomere sind kleine, einzelne Moleküle mit Doppel-/Dreifachbindungen oder funktionellen Gruppen, z. B. Ethylen oder Propylen.

• Polymere entstehen durch die chemische Verknüpfung vieler Monomere zu langen Ketten (Makromoleküle).

• Kunststoffe bestehen aus Polymerketten plus Zusatzstoffen (z. B. Farbstoffe, Weichmacher). Die Makrostruktur bestimmt die Haupteigenschaften, die Zusatzstoffe die Nebeneigenschaften.

➡️ Unterschied:

• Monomer = Baustein

• Polymer = lange Kette aus Monomeren

• Kunststoff = Polymer + Struktur + Zusatzstoffe

Copolymere bestehen aus mehreren Monomeren.

▶️ Re (Streckgrenze) bezeichnet die Spannung, ab der sich ein Werkstoff dauerhaft plastisch verformt, also nicht mehr in die ursprüngliche Form zurückgeht.

▶️ Rm (Zugfestigkeit) ist die maximale Spannung, die ein Werkstoff aushält, bevor er reißt.

➡️ Re zeigt: „Ab hier bleib ich krumm.“

➡️ Rm zeigt: „Ab hier bin ich kaputt.“

▶️ Wenn bei einem Werkstoff kein ausgeprägter Punkt der Streckgrenze (Re) sichtbar ist (z. B. bei vielen Metallen), nutzt man Rp 0,2 als Ersatzwert.

Rp 0,2 ist die Spannung, bei der der Werkstoff 0,2 % plastisch verformt ist – also nicht mehr vollständig elastisch zurückkehrt.

➡️ Faustregel:

„Wenn Re nicht messbar ist, hilft Rp 0,2 als technische Grenze.“

Drei gängige Härtemessverfahren sind:

1. Brinell (HB): Kugel wird eingedrückt, Abdruckdurchmesser wird gemessen. Gut für grobe Materialien, aber nicht automatisierbar, da optische Auswertung nötig ist.

2. Vickers (HV): Diamantpyramide wird eingedrückt, Abdruck wird vermessen. Sehr genau, aber ebenfalls optisch auszuwerten, daher nur bedingt automatisierbar.

3. Rockwell (HR): Eindringtiefe wird direkt gemessen. Keine optische Auswertung notwendig, daher am besten für Automatisierung geeignet.

Begründung:

Das Rockwell-Verfahren eignet sich am besten für die Automatisierung, da der Härtewert direkt ablesbar ist und das Verfahren schnell und maschinenfreundlich durchgeführt werden kann

Ein Pendelhammer schlägt auf eine kerbige Probe, die dabei bricht.

Aus der Höhendifferenz vor und nach dem Aufprall wird die Kerbschlagarbeit K (in Joule) berechnet.

Diese gibt an, wie viel Energie das Material beim Bruch aufnehmen konnte.

Formel:

K = m * g *(H0 - H1)

Der Werkstoff wird in einem Versuch wechselnd belastet, bis er bricht.

Man misst die Anzahl der Lastwechsel und erstellt daraus eine Wöhlerkurve.

• Kurzzeitfestigkeit: Bruch nach wenigen Wechseln

• Zeitfestigkeit: Bruch nach vielen Wechseln

• Dauerfestigkeit: Kein Bruch bei Millionen Wechseln

Bei einer Belastung von 360 N/mm², einer Temperatur von 800 °C und einer Dauer von 5.000 Stunden entsteht eine bleibende Dehnung von 0,3 %.

Das beschreibt die Kriechfestigkeit des Materials bei Dauerbelastung.

Elektronen auf der äußersten Schale; strebt nach Edelgaskonfiguration; Sind maßgeblich an chemischen Reaktionen beteiligt

Atom: Einzelnes Teilchen bestehend aus Atomkern und Atomhülle

Moleküle: Mehrere Atome, die gemeinsam eine Einheit bilden

Stärkste Bindungsart, häufig innerhalb von Molekülen; Atome „teilen“ sich Valenzelektronen, um Edelgaskonfiguration zu erreichen

Schwächste Bindungsart. Durch (partielle oder konstante) Ungleichverteilung von Ladungsträgern ziehen sich diese an

Rutherford: Elektronen bewegen sich auf einer Kreisbahn um den Kern

Bohr: Es existieren mehrere Elektronenbahnen mit unterschiedlichen Energieniveaus

1. Vorbereitung des Eisenerzes

2. Roheisenerzeugung im Hochofen

3. Anpassung des Roheisens im Konverter -> Stahl

4. Formgebung (Halbzeugerstellung)

Schon geringe Abweichungen in der Zusammensetzung können erhebliche Verhaltensänderungen bewirken.

• Präzision bei der Fertigung

• Teure Zusatzbestandteile

• Umfangreiches Know How

Kleinste wiederkehrende Geometrie in einem Atomgitter

• Symmetrie

• Anzahl von Gleitebenen

• Aufwand bei der Verschiebung der Gleitebenen zueinander

Beschreiben:

…..

Warum 6,67%?

Bei höherem Kohlenstoffanteil ändern sich Zusammensetzungen und Eigenschaften nicht mehr.

In welcher Form oberhalb der Linie?

Schmelze (Flüssig)