Immer häufiger liefern optimierte oder neuentwickelte Werkstoffe den Schlüssel zum Fortschritt der Technik. Darüber hinaus bestimmen sie ganz wesentlich die Qualität und das Kosten-/Nutzenverhältnis technischer Produkte. In Einzelfällen hat dies bereits bis zu der Etablierung ganz neuer Technologien geführt.
Welchen Stellenwert die Entwicklung neuer Werkstoffe hat, zeigen Beispiele wie Hochtemperaturwerkstoffe aus Siliziumnitrid, die den Wirkungsgrad von Energieanlagen entscheidend verbessern könnten. Oder auch die Superleichtmetalle auf Aluminium- oder Magnesium-Basis mit Lithium als dem leichtesten metallischen Legierungselement überhaupt, die teilweise schon in den neuesten Flugzeugentwicklungen eingesetzt werden und kurz vor weiteren großtechnischen Einsätzen stehen. Weitere innovative Beispiele sind die Formgedächtnislegierungen, die gleichzeitig als Sensor und Stellglied eingesetzt werden und rein temperaturgesteuert Bewegungen ausführen und/oder Kräfte übertragen können. Biologisch abbaubare Polymere könnten auf ökologischste Weise mithelfen, unsere Müllprobleme zu reduzieren und mit supraleitenden Werkstoffen könnte vielleicht einmal der elektrische Strom verlustfrei und wirtschaftlich über weite Strecken transportiert werden.
Nicht umsonst gehören „Neue Werkstoffe“ zu den wichtigsten Schlüsseltechnologien der nächsten Jahrzehnte, denn gerade sie öffnen die Tore zu den Technologien der Zukunft. Gemäß verschiedener Studien hochrangiger Institute, wird der Anwendung neuer leistungsfähiger Materialien, insbesondere in den Feldern Informationstechnik, Fertigungstechnik und Medizintechnik herausragende Bedeutung eingeräumt.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Die Werkstofftechnik als Teilgebiet des Maschinenbaus
3. Innovationsbeispiele aus dem Bereich der Strukturwerkstoffe
3.1 Eisen-Basis-Werkstoffe (Stähle)
3.2 Leichtbauwerkstoffe
4. Innovationsbeispiele aus dem Bereich der Funktionswerkstoffe
4.1 Werkstoffe mit besonderen elektrischen bzw. magnetischen Eigenschaften
4.2 Werkstoffe mit besonderen mechanischen bzw. thermischen Eigenschaften
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über moderne Entwicklungen im Bereich innovativer Ingenieur-Werkstoffe und deren Bedeutung für den technischen Fortschritt, wobei der Fokus auf dem Maschinenbau liegt. Ziel ist es, Zusammenhänge zwischen Werkstoffentwicklung, Mikrostruktur und anwendungstechnischen Eigenschaften aufzuzeigen.
- Grundlagen der Werkstofftechnik und deren Wechselwirkung mit Konstruktion und Fertigung.
- Optimierung von Strukturwerkstoffen, insbesondere bei Eisen-Basis-Werkstoffen und Leichtbauwerkstoffen.
- Einsatz von Funktionswerkstoffen für magnetische, elektrische und thermische Anwendungen.
- Das Konzept der "Smart Materials" und deren Anwendung in Formgedächtnislegierungen.
Auszug aus dem Buch
3.1 Eisen-Basis-Werkstoffe (Stähle)
Unter allen technischen Werkstoffen werden Metalle auch weiterhin eine herausragende Rolle spielen. Dies gilt mit kleinen Einschränkungen ganz besonders für die Stähle, die als typische Vetreter der Strukturwerkstoffe noch erhebliches Entwicklungspotential besitzen /12-14/. Kein anderer technischer Werkstoff wird weltweit in solchen Mengen (ca. 700 Millionen Tonnen Rohstahl/Jahr) produziert wie Stahl, und kaum ein anderer verfügt über so vielfältige nützliche Eigenschaften. Die große technische Bedeutung beruht vor allem auf der guten Formbarkeit und der Eignung zur gezielten Einstellung von Eigenschaftskombinationen durch Legieren und/oder thermische bzw. mechanische Behandlungen. Insbesondere in dem großen und komplexen Bereich der mechanischen und thermo mechanischen Beanspruchung sind Stähle nach wie vor die erste Wahl und bieten die höchste Sicherheit und Zuverlässigkeit. Hinzu kommt, daß eine extrem langjährige Erfahrung mit dem Umgang von Stählen existiert, d.h. Herstellungs-, Fertigungs-, Verarbeitungs-aber auch Reparaturverfahren sind weitestgehend etabliert.
Nicht zuletzt ist einerseits die relativ preiswerte Verfügbarkeit von Eisen und seinen Legierungskomponenten, andererseits aber auch die Recycling-Fähigkeit von Stählen außerordentlich hoch und damit positiv zu bewerten. Stähle ermöglichen also ein reichhaltiges Spektrum von einstellbaren Eigenschaften bzw. Eigenschaftskombinationen. Dabei führen geringfügige Änderungen der chemischen Zusammensetzung (Bild 6), aber auch der Produktions- und Verarbeitungsbedingungen bereits zu unterschiedlichen Festigkeits- und Zähigkeitskennwerten. Dies wird in raffiniert zusammengestellten Legierungen - oft in Kombination mit immer wieder neuartigen Behandlungsmethoden - bis ins letzte Detail ausgenutzt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Dieses Kapitel erläutert die zentrale Bedeutung moderner Werkstoffe für den technischen Fortschritt und die ökologische sowie soziale Verantwortung der Werkstoffforschung.
2. Die Werkstofftechnik als Teilgebiet des Maschinenbaus: Hier werden die Wechselwirkungen zwischen Werkstoffeigenschaften, Konstruktionsanforderungen und Fertigungsverfahren sowie die globale Bedeutung von Werkstoffen für die Industriewelt beschrieben.
3. Innovationsbeispiele aus dem Bereich der Strukturwerkstoffe: Dieses Kapitel behandelt die Entwicklung von Stählen durch Legierung und Gefügeoptimierung sowie die Bedeutung von Leichtbauwerkstoffen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit.
4. Innovationsbeispiele aus dem Bereich der Funktionswerkstoffe: Hier stehen Materialien mit speziellen elektrischen, magnetischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften im Vordergrund, inklusive metallischer Gläser und Formgedächtnislegierungen.
Schlüsselwörter
Strukturwerkstoffe, Funktionswerkstoffe, Stahl, Leichtbau, Werkstofftechnik, Formgedächtnislegierungen, Magnetwerkstoffe, Supraleiter, Mikrostruktur, Legierungselemente, Maschinenbau, Smart Materials, Werkstoffforschung, Festigkeitssteigerung, Recycling.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit innovativen Ingenieur-Werkstoffen und zeigt auf, wie deren gezielte Entwicklung den technischen Fortschritt und die Produktqualität im modernen Maschinenbau maßgeblich beeinflusst.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind Strukturwerkstoffe wie hochfeste Stähle und Leichtbaumetalle sowie Funktionswerkstoffe mit besonderen elektrischen, magnetischen und mechanischen Eigenschaften, inklusive "Smart Materials".
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, einen allgemeinverständlichen Einblick in moderne Werkstoffkonzepte zu geben, aktuelle Trends für die Technik aufzuzeigen und Anregungen für neue Einsatzgebiete zu liefern.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit stützt sich auf eine werkstoffkundliche Analyse bestehender Forschungsergebnisse, die durch Fallbeispiele und schematische Darstellungen der Gefügeentwicklung und Eigenschaftsoptimierung verdeutlicht wird.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert detailliert die Optimierung von Baustählen, Leichtmetallen wie Aluminium und Magnesium sowie Funktionsmaterialien wie Magnetwerkstoffe, Supraleiter und Formgedächtnislegierungen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind unter anderem Strukturwerkstoffe, Funktionswerkstoffe, martensitische Umwandlung, Formgedächtnislegierungen, Leichtbau und Mikrostruktur.
Wie unterscheidet sich die "Selbsthärtung" von Mangan-Stählen von anderen Härtungsverfahren?
Bei der Selbsthärtung wandelt sich der Werkstoff nur in dem Bereich martensitisch um, der durch mechanische Beanspruchung belastet wird, wodurch die Oberfläche hart wird, während der Kern duktil bleibt.
Welche Rolle spielt die martensitische Umwandlung bei Formgedächtnislegierungen?
Die martensitische Umwandlung ermöglicht das "thermoelastische" Hin- und Herpendeln zwischen zwei Kristallstrukturen (Austenit und Martensit), was die Grundlage für den Formgedächtniseffekt bildet.
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- Prof. Dr.-Ing, Dipl.-Wirt.-Ing. Norbert Jost (Author), 2004, Innovative Ingenieur-Werkstoffe, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/28415
