Werkstoffkunde für EEI - Cheatsheet

Definition und Klassifikation von Werkstoffen

Definition:

Werkstoffe sind Materialien, die in Technologien und Produkten verwendet werden, unterteilt in Metalle, Polymere, Keramiken und Verbundstoffe.

Details:

• Metalle: Gute Leitfähigkeit, hohe Festigkeit, z.B. Eisen, Aluminium.
• Polymere: Organische Verbindungen, flexibel, leicht, z.B. Kunststoffe.
• Keramiken: Hochtemperaturbeständig, hart, spröde, z.B. Ton, Glas.
• Verbundstoffe: Kombination mehrerer Werkstoffe, um bessere Eigenschaften zu erzielen, z.B. Stahlbeton.

Einführung in metallische, keramische, polymerische und Verbundwerkstoffe

Definition:

Überblick über die grundlegenden Materialtypen in der Werkstoffkunde.

Details:

• Metalle: Hohe Leitfähigkeit, Duktilität, Festigkeit. Beispiele: Stahl, Aluminium.
• Keramiken: Hohe Härte, niedrige Duktilität, hitzebeständig. Beispiele: Siliziumkarbid, Aluminiumoxid.
• Polymere: Geringes Gewicht, niedrige Dichte, vielseitig einsetzbar. Beispiele: Polyethylen, Polypropylen.
• Verbundwerkstoffe: Kombination mehrerer Werkstoffe für optimierte Eigenschaften. Beispiele: GFK (Glasfaserverstärkter Kunststoff), CFK (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff).

Elektrische Leitfähigkeit und ihr Zusammenhang zu Elektronenbändern

Definition:

Elektrische Leitfähigkeit beschreibt, wie gut ein Material elektrischen Strom leitet. Sie hängt von der Beweglichkeit und Dichte der Ladungsträger (meist Elektronen) ab. In Festkörpern beeinflussen Bänderstruktur und Bandlücken die Leitfähigkeit.

Details:

• Ohm'sches Gesetz: \( \sigma = \frac{1}{\rho} \), wobei \( \sigma \) die Leitfähigkeit und \( \rho \) der spezifische Widerstand ist.
• Elektronenbänder: Valenzband (gefüllt), Leitungsband (ungefüllt oder teilgefüllt)
• Bandlücke: Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband, beeinflusst Leitfähigkeit
• Leiter: keine oder sehr kleine Bandlücke (Metalle)
• Halbleiter: mittlere Bandlücke, Leitfähigkeit temperaturabhängig (z.B. Silizium)
• Isolatoren: große Bandlücke, kaum Leitfähigkeit

Spannung, Dehnung und Hookesches Gesetz

Definition:

Spannung, Dehnung und Hookesches Gesetz beschreiben mechanische Verformungen von Materialen unter Last.

Details:

• Spannung (\textit{Stress}, \(\sigma\)): Kraft pro Fläche, \[ \sigma = \frac{F}{A} \]
• Dehnung (\textit{Strain}, \(\varepsilon\)): Verhältnis der Längenänderung zur ursprünglichen Länge, \[ \varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0} \]
• Hookesches Gesetz: Beschreibt linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung für elastische Verformungen, \[ \sigma = E \varepsilon \]
• Elastizitätsmodul (\textit{Young's Modulus}, \(\ E\)): Maß für Steifigkeit eines Materials, Einheit: Pascal (Pa)

Härteprüfung (Rockwell, Vickers, Brinell)

Definition:

Messung der Härte eines Werkstoffs durch Eindringen eines Prüfkörpers unter bestimmter Last.

Details:

• Rockwell: Eindringtiefe wird gemessen, Skalen HRA, HRB, HRC.
• Vickers: Knoop-Diagonale gemessen, Härtewert: HV = \frac{0.1891 \times F}{d^2}
• Brinell: Eindruckoberfläche gemessen, Härtewert: HBW = \frac{2F}{\text{π}D(D-\sqrt{D^2-d^2})}

Klassifizierung von Kristallstrukturen (kubisch, hexagonal, etc.)

Definition:

Einteilung der Atomanordnungen in Kristallen nach geometrischen Kriterien.

Details:

• Kubisch: Würfelförmig. Beispiele: Kubisch raumzentriert (BCC), kubisch flächenzentriert (FCC).
• Hexagonal: Hexagonale Gitterstruktur. Beispiel: Hexagonal dichtestes Kugelpackung (HCP).
• Tetragonal: Wie kubisch, aber eine Achse verlängert.
• Orthorhombisch: Drei ungleich lange Achsen, rechtwinklig.
• Monoklin: Zwei Achsen rechtwinklig, dritte Achse geneigt.
• Triklin: Alle Achsen verschieden lang und keine rechtwinklig.
• Transformationen zwischen Strukturen beeinflussen Materialeigenschaften.
• Raumgruppen bestimmen symmetrische Eigenschaften.

Fehler und Störungen in Kristallstrukturen

Definition:

Fehler und Störungen in Kristallstrukturen beeinträchtigen mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften \textbf{Defekte beeinflussen die Materialeigenschaften}.

Details:

• Punktdefekte: Leerstelle (Vakanz), Zwischengitteratom, Substitutionsatom
• Linienförmige Defekte (Versetzungen): Stufenversetzung, Schraubenversetzung
• Flächendefekte: Korngrenzen, Phasengrenzen, Zwillingsgrenzen
• Mathematische Beschreibung der Versetzungslinie: \textbf{Burgers-Vektor}
• Einfluss auf die plastische Verformung: Versetzungen erleichtern die Bewegung von Atomreihen
• Methoden zur Analyse von Defekten: Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie