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E-Book

Werkstoffkunde für Bachelors

AutorJosef Reissner
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2010
Seitenanzahl514 Seiten
ISBN9783446423244
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis23,99 EUR
Dieses Buch enthält den Bachelor-Grundkurs Werkstoffe für Studenten technischer Fachrichtungen. Es behandelt Metalle, Polymere, Keramik, Glaskeramik, Glas und Verbundwerkstoffe. Als durchgängige Beschreibungsparameter dienen die Strukturen im mechanischen Spannungsfeld sowie im elektrischen, thermischen und magnetischen Feld. Das Themengebiet wird anhand von 150 Lernzielen und mit einer klaren didaktischen Aufbereitung erarbeitet. Ca. zweihundert farbige Zeichnungen lassen den Stoff lebendig werden. . Ein Buch für alle - Studenten und Dozenten der technischen Fachrichtungen an Unis und Fachhochschulen

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Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhalt7
Werkstoffe, Produkte und Prozesse19
Metalle22
1 Kristallzustand der Metalle24
1.1 Idealstruktur-Anordnung der Atome24
1.1.1Raumgitter und Kristallsysteme25
1.1.2Gitteraufbau28
1.1.3Bezeichnung von Punkten, Geraden und Ebenen im Raumgitter (Millersche Indizes)31
1.1.4Anisotropie und Textur34
1.2 Realstruktur: Kristallbaufehler36
1.2.1Nulldimensionale Gitterfehler38
1.2.2Eindimensionale Gitterfehler (Versetzungen)39
1.2.3Zweidimensionale Gitterfehler45
1.2.4Gefüge und Legierungsstrukturen49
1.3 Mikro- und Nano-Gefügeelemente (Überblick)53
2 Legierungskunde – Zustandsdiagramme54
2.1 Mehrphasige Werkstoffe54
2.1.1Werkstoffzustand54
2.1.2Energie eines Werkstoffsystems56
2.1.3Binäres Zustandsdiagramm und Phasenregel58
2.1.4Aufstellen von Zustandsdiagrammen60
2.1.5Phasengleichgewichte, Gesetz der wechselnden Phasenzahl, Hebelgesetz (Phasenräume)61
2.2 Grundtypen der Zustandsdiagramme65
2.2.1Vollkommene Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand65
2.2.2Völlige Mischbarkeit im festen und flüssigen Zustand65
2.2.3Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand bei vollständiger Löslichkeit im flüssigen Zustand67
2.2.4Peritektische Erstarrung69
2.2.5Ausscheidungen im festen Zustand71
2.2.6Intermetallische Verbindung (Phasen)71
2.3 Reales Zustandsdiagramm: Fe-Fe3C-Diagramm73
2.3.1Eisen73
2.3.2Metastabiles Fe-C-System oder stabiles Fe-Fe3C-System74
2.3.3Gefügebeispiele bei verschiedenen C-Konzentrationen79
2.3.4Mengendiagramm (Bild 2.47)83
2.4 Komponenten, Phasen, Systeme und Gefüge85
3Kristallplastizität86
3.1 Plastifizierung durch Spannungen86
3.1.1Normal- und Schubspannungen86
3.1.2Einfluss der Spannungsarten auf die Anordnung der Atome87
3.1.3Schubspannungen im Zugversuch88
3.2 Einkristallverformung89
3.2.1Gleitsysteme89
3.2.2Schmidsches Schubspannungsgesetz93
3.2.3Vervielfachung von Versetzungen – Versetzungsquellen95
3.2.4Mechanische Zwillingsbildung95
3.3 Verformung von Vielkristallen97
3.3.1Polykristallplastizität durch Gleiten und Zwillingsbildung97
3.3.2Superplastizität98
3.3.3Vielkornverformung – Ablauf99
4Diffusion100
4.1 Diffusionsprozesse100
4.2 Diffusionsarten100
4.2.1Selbstdiffusion (Thermodiffusion)100
4.2.2Fremddiffusion (konzentrationsabhängige Diffusion)100
4.3Diffusionsgesetze101
4.4Diffusionsmechanismen107
5Kristallerholung und Rekristallisation110
5.1 Kaltumformung110
5.2 Erholung111
5.2.1Erholung der physikalischen Eigenschaften111
5.2.2Erholung der mechanischen Eigenschaften112
5.3 Rekristallisation115
5.3.1Primäre Rekristallisation115
5.3.2Kornvergrößerung und Sekundärkristallisation119
6Erstarrung (Kristallisation)122
6.1 Übergang vom flüssigen in den kristallinen Zustand122
6.1.1Keimbildung122
6.1.2Wachstum124
6.2 Erstarrungsgesetze126
6.2.1Gussblockstruktur127
6.2.2Gerichtete Erstarrung und Einkristall128
6.3 Erstarrungsfehler – Seigerung129
6.4 Erstarrungsgefüge131
7Elastizität und Plastizität132
7.1 Zugversuch132
7.2 Elastische Konstanten133
7.2.1Bindungskräfte in Festkörpern133
7.2.2Elastische Konstanten E, G, v, K137
7.3 Festigkeitskennwerte und plastischer Bereich141
7.3.1 Proportionalitätsgrenze und 0,01% Dehngrenze141
7.3.2 Streckgrenze und 0,2% Dehngrenze141
7.3.3Reckalterung143
7.4Möglichkeiten zur Erhöhung der Streckgrenze144
7.4.1Ideale Festigkeit144
7.4.2Linienspannung einer Versetzung146
7.4.3Streckgrenzenerhöhung148
7.5Verformungskennwerte150
7.6Versetzungsstruktur beim Zugversuch151
7.7Teilschritte im Zugversuch152
8Kriechen und Kriechbruch154
8.1 Kriechvorgang154
8.2 Kriechkurve154
8.3 Spannungsrelaxation158
8.4 Kriechmechanismen159
8.5 Kriechfeste Stoffe161
8.6 Dimensionierung von Hochtemperaturkomponenten162
9Gewaltbruch und Bruchzähigkeit166
9.1 Bruchverhalten (Gewaltbruch)166
9.1.1Phasen des Bruchvorgangs166
9.1.2Rissentstehung167
9.1.3Brucharten und Bruchtopografie170
9.1.4Einflüsse auf das Bruchverhalten171
9.2 Bruchmechanik172
9.2.1Energiekriterium (G-Konzept)172
9.2.2Linear-elastische Bruchmechanik (K-Konzept)174
9.2.3COD-Konzept (Crack Opening Displacement)177
9.2.4J-Integral-Konzept178
9.2.5Probenabmessungen180
9.2.6Einflüsse auf die Bruchzähigkeit181
9.3 Kerbschlagbiegeversuch183
9.4 Überblick der Stadien von Bruchvorgängen185
10Ermüden und Ermüdungsbruch186
10.1 Charakterisierung von Betriebsbeanspruchungen186
10.2 Elastoermüdung189
10.2.1Wöhlerermüdung (HCF – high-cycle-fatigue)189
10.2.2Basquin-Beziehung191
10.2.3Minerregel192
10.2.4Goodman-Regel193
10.2.5Zeit- und Dauerfestigkeitsschaubild193
10.2.6Beeinflussung der Wechselfestigkeit197
10.3 Plastoermüdung (Coffin-Manson-Ermüdung)201
10.4 Ermüdung von Bauteilen mit Anrissen202
10.5 Ermüdungsfeste Werkstoffe und Ermüdungsbruch205
10.5.1HCF-Bereich (Wöhler)205
10.5.2LCF-Bereich (Manson-Coffin)208
10.5.3Bauteile mit Anrissen209
11Wärmebehandlung: Gefüge im Gleichgewicht210
11.1 Wärmebehandlung210
11.2 Glühen212
11.2.1Rekristallisationsglühen213
11.2.2Normalglühen213
11.2.3Spannungsarmglühen und Eigenspannung217
11.3Überblick über die Glühverfahren218
12Wärmebehandlung: Gefüge im Ungleichgewicht220
12.1 Umwandlung mit und ohne Diffusion220
12.2 Umwandlung in der Perlitstufe220
12.3 Umwandlung in der Martensitstufe222
12.3.1Thermisch induzierter Martensit (Abkühlungsmartensit)224
12.3.2Spannungsinduzierter Martensit229
12.3.3Verformungsinduzierter Martensit232
12.4 Umwandlung in der Zwischenstufe233
12.5 Mechanische Eigenschaften und Um­wand­lungs­temperatur234
13Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramme236
13.1 Umwandlungskinetik236
13.2 Das isotherme ZTU-Schaubild237
13.3 Das kontinuierliche ZTU-Diagramm242
13.4 Konstruktion von schematischen ZTU-Schaubildern244
14Vergüten und kontrolliertes Walzen246
14.1 Vergütungsgefüge246
14.2 Anlassvergüten247
14.3 Zwischenstufenvergüten und Patentieren249
14.4 Kontrolliertes Walzen250
15Wärmebehandlung der Oberflächen252
15.1 Oberflächenhärten und Beschichten252
15.2 Flammen-, Laser- und Induktionshärten253
15.3 Aufkohlen, Nitrieren und Borieren254
16 Ausscheidung, Aushärtung (Teilchenhärtung)256
16.1 Bedingung und Ablauf256
16.2 Keimbildung257
16.3 Teilchenwachstum258
16.4 Mechanische Eigenschaften durch Teilchenhärtung260
16.5 Sonderformen der Teilchenhärtung264
16.6 Aushärtbare Legierungen265
17Thermische Eigenschaften266
17.1 Wärmeschwingungen des Kristallgitters266
17.2 Molwärme und spezifische Wärmekapazität267
17.3 Wärmeausdehnung269
17.4 Wärmeleitung272
17.5 Thermische Eigenschaften im Überblick273
18Elektrische Eigenschaften274
18.1 Klassische Elektronentheorie274
18.2 Bändermodell276
18.3 Supraleitung281
18.4 Spezifischer elektrischer Widerstand von Werkstoffen283
19Magnetische Eigenschaften284
19.1 Grundeigenschaften und Grundgrößen284
19.2 Der atomare Ursprung des Magnetismus286
19.3 Struktureller Magnetismus287
19.3.1Magnetisierungsprozess291
19.3.2Magnetostriktion293
19.3.3Eigenschaften ferromagnetischer Werkstoffe293
19.4Physikalische Eigenschaften und Gefüge295
20 Stähle298
20.1 Bau- und Werkzeugstähle298
20.2 Werkstoffprobleme bei Baustählen299
20.2.1Mischkristallhärtung299
20.2.2Längs-, Quer- und Dickenzähigkeit300
20.2.3Kornfeinung301
20.2.4Dreifachwirkung: Umwandlung, Rekristallisation und Teilchenhärtung302
20.3 Werkzeugstähle – Eigenschaften und Wärmebehandlung302
20.3.1Eigenschaften302
20.3.2Werkzeugstähle – Gütegruppen303
20.3.3Wärmebehandlung von Werkzeugstählen304
21Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoffe306
21.1 Gusslegierungen306
21.2 Stahlguss306
21.3 Gusseisen307
21.3.1Grauguss – Gusseisen mit Lamellengraphit (GGL)308
21.3.2Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG) – Sphäroguss312
21.4 Temperguss313
22 Aluminium und Aluminium-Legierungen314
22.1 Streckgrenze und Festigkeiten314
22.2 Nicht­aus­härtbare Legierungen (Mischkristallhärtung und Härtung durch Versetzungen)315
22.3 Aushärtbare Legierungen316
22.3.1Lösungsglühen, Warm- und Kaltauslagern, Rückbildung316
22.3.2Durchführung der Aushärtung317
22.4 Glühen von Al-Werkstoffen320
22.4.1Barren-Hochglühen320
22.4.2Weichglühen320
22.5 Aluminiumgusslegierungen320
22.6 Korrosionsverhalten von Aluminium322
22.6.1Natürlicher Korrosionsschutz322
22.6.2Künstlicher Korrosionsschutz322
23Kupfer und Kupferlegierungen324
23.1 Physikalische und mechanische Eigenschaften324
23.2 Reinkupfer325
23.3 Legiertes Kupfer (> 99% Cu)326
23.4 Kupferlegierungen (Cu-Gehalt max. 99?%)327
23.4.1Kupfer-Zink-Legierungen (Messing und Sondermessing)327
23.5 Kupfer-Nickel-Legierungen329
23.5.1Cu-Sn-Legierungen (Zinnbronze, meist + 0,5?% P)330
23.5.2Kupfer-Aluminium-Legierungen (Al-Bronzen)330
24Nickel und Nickellegierungen332
24.1 Nickel332
24.2 Fe-Ni-Legierungen332
24.3 Maraging-Stähle333
24.4 Werkstoffe mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten334
24.5 Hochwarmfeste Nickellegierungen (Superlegierungen)335
24.6 „Memory“-Legierungen336
Polymere338
25Struktur der Polymere340
25.1 Chemischer Aufbau340
25.1.1Kettenpolymerisation346
25.1.2Kondensationspolymerisation346
25.1.3Additionspolymerisation347
25.1.4Copolymerisate und Mischpolymerisate347
25.2 Gestalt der Makromoleküle von Polymeren348
25.3 Größe der Makromoleküle von Polymeren349
25.4 Ordnung der Makromoleküle350
25.4.1Glasartige amorphe Strukturen350
25.4.2Voraussetzungen für die Kristallisierbarkeit351
25.4.3Teilkristalline Strukturen352
25.5 Bindungskräfte der Makromoleküle356
26Polymerzustände und thermomechanische Kurven362
26.1 Polymerzustände362
26.1.1Energieelastischer Zustand (oft auch hartelastischer Bereich)363
26.1.2Erweichungszustand (auch Einfrierbereich oder Glasübergangsbereich)364
26.1.3Entropieelastischer Zustand (auch gummi- oder weichelastischer Bereich)365
26.1.4Fließbereich367
26.1.5Plastischer Zustand368
26.2 Thermisch-mechanisches Verhalten verschiedener Kunststoffe369
26.2.1Amorphe Thermoplaste (Bild 26.6)369
26.2.2Teilkristalline Thermoplaste (Bild 26.9)371
26.2.3Duromere (Bild 26.10)372
26.2.4Elastomere (Bild 26.11)373
27Mechanische Eigenschaften der Polymere im festen Zustand376
27.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten376
27.2 Zeitabhängiges Verhalten377
27.2.1Verformungsverhalten bei dynamischer Belastung381
27.3 Torsionsschwingungsversuch384
27.4 Verformungsmechanismen und Bruchverhalten386
27.4.1Polymere unter statischer Dehndeformation386
28Polymere – Physikalische Eigenschaften392
28.1 Wärmeleitfähigkeit392
28.2 Wärmeausdehnung393
28.3 Elektrische Eigenschaften394
29Spezial-Polymere398
29.1 Flüssigkristalline Polymere (LCP – Liquid Crystal Polymer)398
29.2 Polymerlegierungen400
Keramik, Glas und Glaskeramik404
30Keramische Werkstoffe – Struktur406
30.1 Keramische Werkstoffe406
30.2 Atomistische Grundlagen406
30.3 Kristalline Festkörper408
30.4 Nichtkristalline Festkörper415
30.5 Der porige Festkörper417
31Keramische Werkstoffe – Herstellung420
31.1 Keramik-, Glas- und Zementprozessketten420
31.2 Keramikherstellung421
31.2.1Pulverherstellung423
31.2.2Formgebungsmethoden423
31.2.3Der Brand keramischer Werkstoffe (Sinterung)423
31.3 Sinterverfahren424
31.3.1Festphasensintern und Sintergleichungen425
31.3.2Flüssigphasensintern427
32Keramische Werkstoffe – Mechanische Eigenschaften428
32.1 Keramik- und Metalleigenschaften428
32.2 Elastisches Verhalten429
32.3 Verformungsverhalten bei Raumtemperatur429
32.4 Festigkeit von keramischen Werkstoffen430
32.5 Bruchverhalten435
32.6 Langzeitfestigkeit (Lebensdauer unter statischer Last)438
32.7 Lebensdauer unter dynamischer Last441
32.8 Kriechen442
33Keramische Werkstoffe – Physikalische Eigenschaften444
33.1 Elektrische Leitfähigkeit444
33.1.1Ionenleitung445
33.1.2Elektronen-Leitung446
33.1.3Supraleitung448
33.2 Dielektrische Eigenschaften449
33.2.1Piezoelektrizität449
33.2.2Pyroelektrizität450
33.2.3Ferroelektrika451
33.3 Magnetische Eigenschaften452
33.4 Thermische Eigenschaften453
33.4.1Spezifische Wärmekapazität453
33.4.2Wärmeleitfähigkeit453
33.4.3Schmelzpunkt/Wärmeausdehnung454
33.5 Chemische Eigenschaften456
34Glas458
34.1 Glas-Struktur458
34.2 Mechanische Eigenschaften461
34.3 Erzeugung eines oberflächigen Druckspannungszustandes462
34.3.1Thermische Vorspannung462
34.3.2Chemische Vorspannung462
34.3.3Vorspannung durch unterschiedliche Wärmeausdehnung462
34.4 Physikalische Eigenschaften463
34.4.1Lichtleiterfasern463
34.4.2Photochrome Gläser464
35Glaskeramik466
35.1 Glaskeramikstruktur466
35.2 Mechanische Eigenschaften468
35.3 Thermische Eigenschaften468
36Metallische Gläser470
36.1 Metallischer Glaszustand470
36.2 Herstellung metallischer Gläser472
36.3 Eigenschaften metallischer Gläser472
Verbundwerkstoffe474
37Strukturen der Verbundwerkstoffe476
37.1 Verbundwerkstoffe – Werkstoffkombinationen476
37.2 Einteilung der Verbundwerkstoffe478
37.3 Eigenschaften von Verbundwerkstoffen478
38Teilchenverbundwerkstoffe480
38.1 Teilchenverbundwerkstoffe – Struktur und Herstellung480
38.2 Wichtige Teilchenverbundwerkstoffe481
38.2.1Dispersionsgehärtete Werkstoffe481
38.2.2Kontaktwerkstoffe482
38.2.3Hartmetalle483
39Faserverbundwerkstoffe488
39.1 Struktur von faserverstärkten Werkstoffen488
39.1.1Faserwerkstoffe (Verstärkungswerkstoffe)488
39.1.2Matrixwerkstoffe492
39.2 Mechanische Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes492
39.2.1Festigkeit und Steifigkeit in FV-Kunststoff493
39.2.2Haftung der Faser496
39.3 Herstellung und Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen498
39.3.1Kurzfaserverstärkte Thermoplaste498
39.3.2Glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT)498
39.3.3Bulk Molding Compounds (BMC)499
39.3.4Sheet Molding Compounds (SMC)500
39.3.5Hochleistungs-Prepregs501
39.3.6Wickeltechnik501
39.3.7Strangziehen502
39.3.8Harzinjektionsverfahren502
40 Schichtverbundwerkstoffe und Durchdringungswerkstoffe504
40.1 Schichtverbundwerkstoffe504
40.2 Durchdringungswerkstoffe507
Literaturangaben508

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