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, Ausscheidungshärtung, 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 hoch-legierter 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, Struktur und Eigenschaften beschreiben und die Werkstoffauswahl vornehmen.
Einführung in die Fertigungstechnik:
Die Studierenden können die Fertigungstechnik innerhalb der Produktionstechnik einordnen, kennen ihre Schnittstellen zu Produktentwicklung, Konstruktionstechnik, Werkstofftechnik und Qualitätsmanagement und sind mit den Grundlagen der Fertigungsgenauigkeit vertraut. Sie können komplexe und vernetzte Fertigungsketten zur Herstellung von Produkten des Maschinenbaus ganzheitlich betrachten und kennen die Fertigungsverfahren für Urformen (insb. Strangguss, Sandguss, Schwerkraft- und Niederdruckkokillengießverfahren, Druckgießverfahren, Schleudergießen), Umformen (insb. Walzen, Stauchen, Fließpressen, Tiefziehen) und Trennen (insb. Drehen, Bohren, Senken, Reiben, Fräsen, Räu-men, Schleifen) hinsichtlich Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten. Sie sind in der Lage, geeignete Verfahren auszuwählen, und deren wichtigste Fertigungsparameter zu ermitteln und festzulegen.
Labor „Fertigungs- und Werkstofftechnik“:
Die Studierenden können ausgewählte Methoden der zerstörenden Werkstoffprüfung und der Metallografie unter Aufsicht anwenden und die Ergebnisse selbstständig auswerten. Im Laborteil „Zerspanungstechnik“ erfassen die Studierenden die unterschiedliche Zerspanbarkeit metallischer Werkstoffe und ermitteln für die Verfahren „Drehen“ und „Fräsen“ die wichtigsten Fertigungsparameter.
Das Modul „Fertigungs- und Werkstofftechnik“ erweitert und stärkt die fachliche Kompetenz „Wissen und Verstehen“ und die instrumentale Kompetenz.
[letzte Änderung 31.01.2023]
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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 Repetitorium zu unlegierten Stählen
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-, Dual-phasen-, Tiefzieh- und AFP-Stähle, Stähle für Verschraubungen
Einführung in die Fertigungstechnik:
• Industrielle Produktionstechnik, Aufgaben und Wechselbeziehungen der Fertigungstechnik, Produktentstehungsprozesses, Einteilung der Fertigungsverfahren
• Fertigungsgenauigkeit: Definition „Genauigkeit“, wahrer Wert, richtiger Wert, Erfahrungswert, Auswahl des geeigneten Fertigungsverfahrens anhand von Auftragsdaten, Geometrie, Technologie und Zeitwerten, Einflussfaktoren auf die Genauigkeit, Qualitätsanforderungen und -sicherung, qualitätsorientierte Fertigung, Fertigungsmesstechnik, systematischer und zufälliger Fehler, Messwerterfassung, Maß-, Form- und Lagegenauigkeit, Oberflächengüte, Gestaltsabweichungen, Rauheitskenngrößen, erreichbare Rauheit von Fertigungsverfahren, Funktions- und Maschinengenauigkeit unter Berücksichtigung statischer, dynamischer und thermischer Störeinflüsse, tribologische Veränderungen von Werkzeugen
• Komplexe Fertigungsketten des 21. Jahrhunderts: Verknüpfung von Metallurgie, Werkstoff- und Fertigungstechnik, Überblick über metallurgische Verfahren zur Herstellung des Rohmetalls, Herstellung des Gebrauchsmetalls durch Urformen (Blockguss, Strangguss) und Umformen (Walzen, Schmieden, Strangpressen), gefolgt von weiteren Fertigungsverfahren zur Herstellung des Fertigbauteils, Praxisbeispiele
• Urformen: Definition, Einteilung und Verfahrensüberblick, Gussfehler in reinen Metallen und Legierungen, metallische Gusswerkstoffe, Richtlinien des gießgerechten Konstruierens von Gussteilen, Technologie des Schmelzbetriebes (Aufgaben und Funktionsweise von Kupol-, Induktions-, Lichtbogen-, Drehtrommel-, Widerstands- und Elektronenstrahlöfen), Technologie des Gießbetriebes (Strangguss, Sandguss, Schwerkraft- und Niederdruckkokillengießverfahren, Druckgießverfahren, Schleudergießen)
• Umformen: Definition, Halbzeugfertigung, Werkstückfertigung, Vorteile des Umformens, Kaltumformung, Warmumformung, Abhängigkeit des Formänderungsvermögens von Spannungszustand, Temperatur, Umformgeschwindigkeit und Werkstoff, Reibung (reale Werkstoffoberfläche, Einflussgrößen, Reibgesetze, Verschleiß, Schmiermittel), Massiv- (Walzen, Schmieden, Strangpressen, Drahtziehen, Stauchen, Fließpressen) und Blechumformung (Tiefziehen, Streckziehen)
• Trennen: Definition, Einteilung und Verfahrensüberblick, Betrachtung der zerspanenden Verfahren hinsichtlich Produktivität und Qualität, Spanbildung, Schnitt- und Spanungsgrößen beim Bohren und Drehen, Geometrie der Schneide, Spanarten, Aufbauschneide, Spanraumzahl und klasse, Einfluss von Schnittgeschwindigkeit, Schnitttiefe, Vorschub und Werkzeuggeometrie auf die Spanform, Spanleitstufen an Werkzeugen, Wärmeentwicklung beim Zerspanen und Verteilung der Wärme auf Kühlschmierstoff, Span, Werkstück und Werkzeug, Standvermögen, -größen, bedingungen und -kriterien, Zerspanungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide (Meißeln, Feilen, Drehen, Bohren, Senken, Reiben, Fräsen, Räumen) und mit geometrisch unbestimmter Schneide (Schleifen, Honen, Läppen)
Labor „Fertigungs- und Werkstofftechnik“:
Das Labor „Fertigungs- und Werkstofftechnik“ dient der praktischen Übung und der Anwendung des in den Vorlesungen „Struktur und Eigenschaften von Werkstoffen“ und „Einführung in die Fertigungstechnik“ erläuterten und erarbeiteten Wissens anhand folgender Versuche/Übungen/Experimente:
• Zerstörende Werkstoffprüfung: Zugversuch, Härteprüfung, Kerbschlagbiegeversuch
• Metallografie
• Zerspanungsverfahren (Drehen, Fräsen)
[letzte Änderung 27.01.2023]
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