Liste der Lehrveranstaltungen

Die zweisemestrige Lehrveranstaltung richtet sich an Studierende in den ersten Semestern. Den angehenden Ingenieurinnen und Ingenieuren werden wesentliche Grundlagen der Werkstoff-Wissenschaft und –Technik vermittelt. Die Studierenden sollen einen Überblick über die vielfältigen Möglichkeiten eines sinnvollen und insbesondere auch eines verantwortlichen Umganges mit Werkstoffen erhalten. Damit werden sie in die Lage versetzt, werkstoffkundliche Aufgabenstellungen im Maschinenbau und in angrenzenden Disziplinen kompetent zu bearbeiten.

In den Vorlesungen, Übungen und Praktika werden allgemeine werkstoffkundliche Grundlagen vermittelt. Dabei werden die Beziehungen zwischen der Struktur und dem Gefüge von Werkstoffen sowie den daraus resultierenden Eigenschaften ebenso betrachtet wie Verarbeitungs- und Beanspruchungs-Aspekte. Zudem werden aufgrund des ausgeprägt interdisziplinären Charakters der modernen Materialwissenschaft die chemisch-physikalischen Grundlagen, thermodynamische Aspekte und Elemente der mechanischen Werkstoffprüfung vermittelt. Wegen seiner besonderen technischen Bedeutung wird der Themenschwerpunkt Eisen- und Eisenwerkstoffe ausführlich behandelt. Aber auch Nichteisenmetalle, Kunststoffe, Keramiken und Verbundwerkstoffe werden entsprechend ihrer technischen Bedeutung ausreichend berücksichtigt.

Werkstoffe sind aus dem modernen Leben ebensowenig weg zu denken wie aus den diversen Gebieten der Ingenieurwissenschaften. Kaum ein Hightech-Produkt kommt heute ohne Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften aus. Wissen und Kompetenz auf dem Gebiet Werkstoffe sind damit hochaktuell und spannend.

Eine in unserem Hau-den-Lukas geprägte Münze mit dem Logo des Instituts für Werkstoffwissenschaft (IWW), einer Zugprobe und einer kubisch-raumzentrierten Elementarzelle (Eisen!).

Die einsemestrige Lehrveranstaltung richtet sich hauptsächlich an Studierende der Bachelor-Studiengänge Maschinenbau und Sports Engineering, steht aber allen interessierten Studierenden offen. In der praxisorientierten Vorlesung werden die grundlegenden Zusammenhänge der (zerstörenden) werkstoffmechanischen Prüfung vermittelt und die klassischen Methoden zur Ermittlung von Werkstoffkennwerten vorgestellt. Mit diesen Kennwerten werden zum Beispiel Dimensionierungs-Berechnungen, Zuverlässigkeits- und Schadensanalysen sowie die Bewertung von technologischen Eigenschaften ermöglicht. Neben prüfmethodischen und gerätetechnischen Details wird ebenso auf die zugrundeliegenden werkstoffwissenschaftlichen Zusammenhänge eingegangen. Zur Verdeutlichung der Ausführungen werden anschauliche Fallbeispiele vorgestellt.

In den angeschlossenen Übungen wird das in der Vorlesung vermittelte Wissen weiter vertieft. Zudem werden im Versuchsfeld maschinentechnische Details diskutiert, wodurch die Studierenden mit typischen Problemstellungen konfrontiert und auf deren spätere Lösung in industrieller Praxis oder Forschungstätigkeit vorbereitet werden. Da die Überwachung gerade in der industriellen Fertigung jedoch häufig Verfahren erfordert, die Aussagen über die Qualität und Zuverlässigkeit der Werkstoffe ohne Beschädigungen ermöglichen, werden ebenso Grundlagen und Anwendungsbereiche der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung umrissen (diese werden in der weiterführenden Lehrveranstaltung zerstörungsfreie Werkstoffprüfung ausführlich dargestellt). Voraussetzungen für die Teilnahme sind Grundlagenkenntnisse in den Bereichen Werkstoffwissenschaft und -technik, Mechanik und Mathematik.

Schematische Verläufe der technischen (grau) und wahren Spannungen (rot) im Zug- und im Druckversuch. Warum hier technische Werte und „die Wahrheit” auseinander klaffen, vermittelt die Lehrveranstaltung.

In der einsemestrigen Lehrveranstaltung, die in der Regel als Blockveranstaltung angeboten wird, werden fortgeschrittene Studierende des Bachelor-Studiengangs Medical Engineering zu Werkstoffthemen ausgebildet, die insbesondere für den Bereich der Medizintechnik Bedeutung haben. In Vorlesungs- und Übungseinheiten befassen sich die Studierenden mit harten (man denke an Zahnschmelz) und weichen (z.B. Gewebe) biologischen Materialien sowie mit metallischen, keramischen und polymeren Werkstoffen, die in verschiedenen medizintechnischen Produkten zum Einsatz kommen. Dabei werden Konzepte wie hierarchische Strukturierung, Anisotropie, Mehrphasigkeit, Nichtlinearität und Anelastizität behandelt. Einen Schwerpunkt bilden die besonderen Eigenschaften und die Funktionsweise von Formgedächtnislegierungen. Mit Blick auf die Anwendung von Werkstoffen im Körper werden Biokompatibilität, Korrosion und Biodegradation betrachtet. Die Lehrveranstaltung vermittelt damit Fähigkeiten und Kenntnisse, die speziell für die Anwendung von Werkstoffen im und am menschlichen Körper und in medizintechnischen Produkten und Apparaten von Bedeutung sind. Zur Vorbereitung auf das Schreiben der Bachelor-Arbeit werden außerdem grundlegende Aspekte des wissenschaftlichen Schreibens diskutiert.

Die mechanische Prüfung von Gewebe erfordert – z.B. wegen nichtlinearem und inhomogenem Verformungsverhalten sowie großer Verformungen – besondere experimentelle Methoden. Im hier gezeigten Beispiel können mit Hilfe optischer Messungen ausgeprägt heterogene Dehnungsfelder auf der Probenoberfläche charakterisiert werden.

In der einsemestrigen Lehrveranstaltung für Studierende im Masterstudiengang Maschinenbau (die voraussichtlich erstmals im Sommersemester 2011 angeboten wird) werden die theoretischen Grundlagen für Vorgänge in Werkstoffen, die die Entstehung von Mikrostrukturen bestimmen, behandelt. Es werden thermodynamische und kinetische Prozesse beschrieben, die ein theoretisches Verständnis für Zustandsdiagramme, Diffusionsprozesse und Gitterbaufehler in kristallinen Werkstoffen ermöglichen. Zudem werden das Erstarren von Schmelzen, Ausscheidungsprozesse, Phasenumwandlungen und Reaktionen an inneren und äußeren Grenzflächen besprochen. In Grundzügen werden die komplexen Zusammenhänge zwischen Processing, Gefüge und den daraus resultierenden Eigenschaften vermittelt - eine ausführliche Behandlung dieser Inhalte erfolgt im ergänzend wählbaren Modul Werkstoffwissenschaft – mechanische Eigenschaften.

Ob man sich für die Berufsfelder Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik, Mechanik, Umformtechnik, Leichtbau oder Konstruktion interessiert – werkstoffwissenschaftliches Grundlagenwissen spielt eine wichtige Rolle. Hier werden die Studierenden in die Lage versetzt, die komplexen Vorgänge der Strukturbildung in einfachen Modellsystemen bis hin zur werkstofftechnischen Herstellung moderner Ingenieurwerkstoffe zu verstehen und in einen Zusammenhang mit relevanten Eigenschaften zu bringen. Es werden grundlegende Fähigkeiten zur wissenschaftlichen und technologischen Analyse werkstoffbezogener Problemstellungen und zur Optimierung von Werkstoffen vermittelt.

Der komplexe Aufbau von Mikrostrukturen (hier: martensitische Nadeln in einem eisenbasierten Funktionswerkstoff) hängt direkt mit den makroskopischen Eigenschaften von Werkstoffen zusammen. Man kann dieses faszinierende Wechselspiel zwischen Processing, Mikrostruktur und Eigenschaften verstehen. Die Grundlagen dafür liefert die moderne Werkstoffwissenschaft.

In der Vorlesung Werkstoffwissenschaf – Mechanische Eigenschaften für Interessierte aus dem Masterstudiengang Maschinenbau, z.B. mit den Vertiefungsrichtungen Werkstoffe oder Mechanik, werden die Zusammenhänge zwischen elementaren Verformungsmechanismen auf mikrostruktureller Ebene und den makroskopischen mechanischen Eigenschaften von Funktions- und Strukturwerkstoffen systematisch erarbeitet. Dabei werden z.B. Kristall-Elastizität, Anelastizität, Versetzungsplastizität bei moderaten und hohen Temperaturen, bruchmechanische Aspekte, Ermüdung sowie Reibung und Verschleiß betrachtet. Die Vorlesung vermittelt theoretische Grundlagen und zeigt aktuelle praktische Anwendungen auf. Eine ausführliche Behandlung der Strukturbildungsprozesse der hier betrachteten Mikrostrukturen erfolgt im ergänzend wählbaren Modul Werkstoffwissenschaft – Strukturbildungsprozesse.

Diese Veranstaltung befähigt die Studierenden, das oftmals komplexe Zusammenspiel von Verformungsmechanismen auf verschiedenen Längenskalen zu verstehen und daraus ein Verständnis für die Eigenschaften und Mikrostrukturoptimierung moderner Ingenieurwerkstoffe abzuleiten. Sie befassen sich dabei mit aktuellen Themen aus den zentralen Forschungsgebieten der Professur Werkstoffwissenschaft. So werden grundlegende Fähigkeiten zur wissenschaftlichen und technologischen Analyse werkstoffbezogener Problemstellungen auf dem Querschnittsgebiet Mechanische Eigenschaften vermittelt, die nicht nur für Werkstoffler, sondern auch für Konstrukteure, Mechaniker, Umformtechniker und Studierende aus weiteren Berufsfeldern und Studienrichtungen relevant sind.

Auf Wiedersehen Isotropie: Der Elastizitätsmodul von Reineisen (und von so gut wie jedem anderen kristallinen Werkstoff) ist richtungsabhängig. Hier stellt der Abstand der räumlichen Fläche vom Mittelpunkt den Verlauf dieser elastischen Anisotropie anschaulich dar. Natürlich übernimmt sie gewisse Eigenschaften der (kubisch-raumzentrierten) Kristallstruktur! Das mechanische Verhalten moderner Ingenieurwerkstoffe wird ganz allgemein maßgeblich durch die Mikrostruktur und die darin ablaufenden Elementarprozesse bestimmt.

Im Fach Werkstoffmodellierung werden einführend theoretische und numerische Ansätze vorgestellt, die eine Simulation von Vorgängen in, und Eigenschaften von, Ingenieurwerkstoffen ermöglichen. Man kann heute sehr viele relevante Vorgänge in Werkstoffen näherungsweise Simulieren und – in vielen schönen Einzelfällen – durch „virtuelle Experimente” Erkenntnisse zu Prozessen gewinnen, die experimentell nicht oder nur mit enormem Aufwand zugänglich sind. In dieser Lehrveranstaltung, die bewusst vom klassischen Vorlesungscharakter abweicht, wird ein Überblick über die grundlegenden Methoden gegeben, die für die Modellierung des Werkstoffverhaltens auf verschiedenen Längenskalen zur Anwendung kommen. Dazu zählen atomistische Aspekte, thermodynamische und mikromechanische Ansätze, sowie kontinuumsbasierte Methoden. Besondere Beachtung findet die numerische Beschreibung des mechanischen Werkstoffverhaltens. Anhand von praktischen Beispielen und in einer Projektarbeitsphase führen die Studierenden dann selbst einfache molekulardynamische, thermodynamisch-empirische oder Finite-Elemente-Rechnungen durch, über die sie im Rahmen eines Abschluss-Referates berichten. So werden den Studierenden die Möglichkeiten und die inhärenten Grenzen verschiedener Methoden vermittelt. Vorlesungen und praktische Übungsphasen befähigen die Studierenden, zwischen erkenntnis- und anwendungsbezogenen Ansätzen zu unterscheiden und im Rahmen weiter gehender ingenieurwissenschaftlicher Untersuchungen jeweils geeignete Methoden auszuwählen und sich deren praktische Anwendung in konkreten Programmpaketen selbst zu erarbeiten.

Struktur und Materialeigenschaften hängen komplex auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen zusammen – von atomistischen Aspekten bis zum makroskopischen Materialverhalten können (und müssen) verschiedene Modelle gebildet werden. Intelligente Verfahren und die großen Kapazitäten moderner Rechner erlauben uns tiefe Einblicke und neue Erkenntnisse.