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Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische.

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Präsentation zum Thema: "Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische."—  Präsentation transkript:

1 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Im Vergleich zu Metallen weisen Keramiken komplexere Strukturen auf In der Regel besitzen diese Strukturen eine geringere Symmetrie => weniger Gleitebenen, höhere Bindungsenergie Keramiken haben normalerweise keine Duktilität hohe Härte und Temperaturbeständigkeit Fazit aus Struktur und Bindung: Mechanische Eigenschaften von Keramiken

2 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 2 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe - werden durch den Strukturaufbau und den Herstellungsprozess verliehen Aufbau: Verbindungen aus Metall- und Nichtmetallatomen mit ionischer bis kovalenter Bindung Ergebnishohe ■ Härte ■ Festigkeit ■ Sprödigkeit i. d. R. niedrige ■ elektrische Leitfähigkeit ■ thermische Leitfähigkeit Herstellung: erfolgt über pulvermaterialurgische Verfahren, da die hohen Schmelzpunkte der Verbindungen keine Verarbeitung über schmelzmetallurgische Verfahren ermöglichen. Eine Umformung ist aufgrund der fehlenden Plastiziät nicht möglich. v.A. bei ionisch gebundenen Verbindungen Mechanische Eigenschaften von Keramiken

3 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 3 elektrische Leitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit Härte Verschleißfestigkeit Korrosionsbeständigkeit Dichte Hochtemperaturfestigkeit Duktilität thermische Ausdehnung MetallKeramikEigenschaft Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Keramik und Metalle - Vergleich spezifischer Eigenschaften - Tendenz zu niedrigen Werten - Tendenz zu hohen Werten Quelle: Handbuch der techn. Keramik

4 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 4 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Quelle: Hausner: Technische Keramik (N/mm²) Eigenschaften keramischer Werkstoffe

5 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 5 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Vokabular

6 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 6 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Eigenschaftsvergleich der vier wichtigsten Hochleistungs-Keramiken

7 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 7 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Eigenschaftsstreuung monolithischer Keramiken Eigenschaftsstreuung Energie = Fläche unter der Kurve

8 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 8 Coulomb, Born Meyer, van der Waals, Nullpunktsenergie U = Gitterenergie [J/mol] z = Ionenladung N 0 =Avogadro ρ = Abstoßungskoeffizient CN = Koordinierungszahl ν = Schwingungsfrequenz Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Maximale Festigkeit aus „first principles“: U total = U anziehend +U abstossed

9 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 9 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Interatomic force Potential energy Maximum der Kraft Analog Spannungs/ Dehnungs Diagramm ! F(r) = - ΔV(r)

10 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 10 σ0σ0 a 0 +a/2 a0a0 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Mikroskopischer Ansatz nach Orowan (1949) Interatomic force am Punkt x = a 0 a ist noch ein freier Parameter !  der jetzt bestimmt werden muss für x = a 0 (Null Dehnung) x E-Modul

11 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 11 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe σ0σ0 a 0 +a/2 a0a0 a sin Interatomic force  Theoretische maximale Festigkeit ! Mikroskopischer Ansatz nach Orowan zur Bestimmung von a (1949) (Orowan nimmt den Sinus „wörtlich“  d.h. Bruch bei a)

12 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 12 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe MaterialDirectionE [GPa]  [J/m²]  theoretical [GPa]  -Iron Si 1881,232 NaCl 440,256,3 MgO 2451,237 Al2O Values of the theoretical Breaking Strength (nach Kelly and MacMillan, 1986) Quelle: Wachtmann Diese Werte sind für reale polykristalline Keramiken um Größenordnungen zu hoch

13 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 13 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Eigenschaften Keramischer Werkstoffe

14 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 14 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Reale Festigkeit wird durch „Gefügefehler“ Risse bestimmt An einer Rissspitze treten Spannungsüberhöhungen gegenüber der außen angelegten Spannung auf  Hebelgesetz Linear elastische Bruchmechanik Quelle: Hoffmann / IKM Karlsruhe

15 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 15 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Der energetische Ansatz nach Griffith (1920) (quantitativ) U tot = Gesamtenergie U 0 = freie Energie U elas = elastische Energie U surf = Oberflächeenergie durch Riß Dehnung Spannung Bruch U elas U elas – Fläche unter Spannungs-Dehnungs-Diagramm für das Einheitsvolumen V 0 U - Gesamtenergie im Volumen V 0 U tot = U 0 + U elas + U surf

16 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 16 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe U strain - Spannungsenergie, die im Rißgebiet frei wird V Rißgebiet =  c 2 t/2 Der energetische Ansatz nach Griffith (1920)

17 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 17 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe V Rißgebiet =  c 2 t / 2 mit reduziert c crit um Faktor 2 Der energetische Ansatz nach Griffith (1920) Berücksichtigung der Oberflächenenergie das Maximum der U tot Kurve definiert kritische Risslänge c crit

18 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 18 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Der energetische Ansatz nach Griffith (1920) reduziert c crit um Faktor 2 Maximum U tot aus Kurvendiskussion => Differenzieren nach c und gleich 0 setzen (mit  frac =  app ) Griffith Gleichung !!!

19 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 19 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Definition des Spannungsintensitätsfaktors K I [MPa m 1/2 ] Bedingung für Bruch K Ic : Bruchzähigkeit (oder kritischer Spannungsintensitätsfaktor) Griffith – Gleichung umgestellt !! Y = Geometriefaktor für nicht atomar scharfe Risse

20 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 20 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe x yy   wenn K I  K Ic :  Rißausbreitung  Bruch K Ic : Bruchzähigkeit, [MPa·m 1/2 ] Wichtig: Bruchzähigkeit ist, im Gegensatz zur Festigkeit, eine Materialkenngröße Typische Werte für Keramiken liegen zwischen 1 und 15 MPa·m 1/2 Quelle: Hoffmann / Karlsruhe Nicht atomar scharfe Risse (Riss- & Probengeometrie)

21 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 21 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe x yr    crack = planar defect with sharp tip yy xx   x yy Spannungsintensitätsfaktor K I

22 K Ic (MPa  m) Glas Glaskeramik2.5 MgO Einkristall1 SiC Einkristall1.5 SiC Keramik4-6 Al 2 O 3 Keramik3.5-4 Al 2 O 3 Verbundk.6-11 Si 3 N ZrO 2 - c2.8 ZrO 2 - c/t PSZ6-12 ZrO 2 - t TZP6-12 WC/Co5-18 Al35-45 Stahl40-60 c F F Spannungs- intensitätsfaktor Risszähigkeit K IC (= Werkstoffeigenschaft) Risswachstum Risswiderstand K IC

23 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 23 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Rissausbreitung – schematische Darstellung

24 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 24 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Mechanismen zur Reduzierung der Rissausbreitung Bei den metallischen Werkstoffen existiert auch im Fall eines Sprödbruches immer eine begrenzte Rissspitzenplastizität, die in Form der plastischen Zone auftritt in extrem spröden Werkstoffen (Glas, Keramik), kann die Spannungsintensität an einem Riss nur durch energiedissipative Prozesse vermindert werden Eine Energiedissipation ist z.B. möglich durch: - kontrolliertes Einbringen von Mikrorissen - Rissumlenkung an Fasern oder Teilchen - Erzeugung von Eigenspannungen infolge Phasenumwandlungen (Beispiel: Al 2 O 3 –ZrO 2 - System) Quelle: W. Schatt, H. Worch: Werkstoffwissenschaft

25 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 25 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Bisher nur Berücksichtigung von Zugspannung Druckspannung: C av - durchschnittliche Rissgröße (nicht Maximalgröße!) Z - ca ! krit. Druckspannung > ca. ( · krit. Zugspannung) Maßnahmen: Beim Konstruieren mit Keramik müssen Zugspannungen vermieden werden Bauteile können durch Druckspannung („Verspannen“) stabilisiert werden !

26 Eigenschaftsvergleich

27 Keramische Werkstoffe 02 Mechanisches Verhalten Teil 1 27 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe (a)Fracture in ceramics due to preexisting flaws tested in tension. Feilure occurs by the unstable propagation of the worst crack that ist also most favorably oriented. (b)During compressive loading, many cracks propagate stably, eventually linking up and creating a crush zone. Quelle: Mechanical Properties, S. 370 Varianten der Rissausbreitung


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