Konstruieren mit spröden Werkstoffen

 

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Inhalt

Einer nachhaltigen Etablierung spröder Konstruktionswerkstoffe in einem breiten Anwendungsfeld steht bisher der niedrige Stellenwert der Materialauswahl, sowohl in den Konstruktionsabteilungen der Unternehmen, als auch im Konstruktionsprozess selbst entgegen. Die Vorlesung Konstruieren mit spröden Werkstoffen verfolgt daher das Ziel, die Bedeutung der Materialauswahl im Produktentstehungsprozess durch die Anwendung werkstoffspezifischer Gestaltungsregeln zu stärken und somit das volle Potenzial dieser Werkstoffe für möglichst viele Anwendungen weit über die Grenzen einer reinen Werkstoffsubstitution nutzbar zu machen.

Für die wichtigsten Werkstoffklassen Hochleistungskeramik, Hartmetall, Werkzeugstähle und intermetallische Phasen werden anhand der thermo-mechanischen und tribologischen Eigenschaftsprofile die charakteristischen Unterschiede spröder und duktiler Konstruktionswerkstoffe diskutiert. Es folgt eine Einführung in die linear-elastische und statistische Bruchmechanik sowie die Vorstellung von Festigkeitshypothesen und probabilistischer Auslegungskriterien für den Lebensdauernachweis unter statischer und zyklischer Beanspruchung. Schließlich werden Verfahren zur Ermittlung der bruchstatistischen Kennwerte an Proben und Methoden zur Übertragung auf Bauteile behandelt.

Ein wesentlicher Teil der Vorlesung ist die Vorstellung und Anwendung werkstoffspezifischer Gestaltungsprinzipien und -richtlinien in der Konstruktionsmethodik. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Identifikation konstruktions- und fertigungsrelevanter Werkstoffeigenschaften sowie der Auswahl werkstoffklassenspezifischer Fertigungsverfahren. Ausführlich werden gestalterische Richtlinien für ein Werkstoff-, Belastungs-, Formgebungs- und Fertigungs- sowie Montage- bzw. Fügegerechtes Design vorgestellt. Abschließend werden Methoden und Verfahren zum Nachweis der Bauteilzuverlässigkeit vorgestellt. Hierzu sind Praxisübungen mit Anwendung numerischer Postprozessoren am PC vorgesehen.

Anhand einer Vielzahl von Praxisbeispielen aus den Bereichen der Hochtemperatur- und Energietechnik, Triboanwendungen und Anlagenbau werden mit besonderem Fokus auf die Fügetechnik die vorgestellten Grundlagen erläutert und vertieft.

 

Angestrebte Lernziele

Wissen und Verstehen:

In Vertiefung der allgemeinen Kenntnisse zur technischen Mechanik und Werkstoffkunde kennen die Studierenden:

  • charakteristischen Eigenschaftsprofile spröder Werkstoffe
  • Methoden zur bruchstatischen Bauteilauslegung
  • werkstoffklassenspezifischen Gestaltungsrichtlinien

Die Studierenden haben dadurch ein vertieftes Wissen über spröde Werkstoffe erhalten und sind in der Lage konstruktionsrelevante Werkstoffeigenschaften zu identifizieren.

Fertigkeiten und Kompetenzen:

Die Studierenden können Bauteile einer Zuverlässigkeitsanalyse unterziehen, diese entsprechend den Anwendungsanforderungen auslegen und unter Anwendung der Gestaltungsrichtlinien neu konstruieren bzw. Verbesserungsvorschläge erarbeiten. Dabei setzen sie ihr wissenschaftlich fundiertes Urteilsvermögen ein, um Probleme zu analysieren, auch wenn diese unüblich oder unvollständig definiert sind und konkurrierende Spezifikationen aufweisen.

Sie sind fähig, für die Lösung von Problemen die geeigneten Elemente selbständig theoriegeleitet auszuwählen, diese gegenüber zu stellen und kritisch zu bewerten. Auf diese Weise erhalten sie Kompetenzen zur selbstständigen analytisch-mathematischen Problemlösung.

Sie planen theoretische oder/und experimentelle Untersuchungen und führen diese selbständig durch.

 

Literaturhinweise

Creyke, W.E.C. Sainsbury, I.E.J., Morrel, R.: Design with Non-ductile Materials, Applied Science Publishers Ltd. 1982, ISBN 0-85334-149-4

Ashby, M. F.; Fleck, C.; Wanner, A.: Materials selection in mechanical design:das Original mit Übersetzungshilfen. Easy Reading. Heidelberg: Spektrum, Akad. Verlag 2007, ISBN 978-3-8274-1762-6