Werkstoffkunde für Bachelors

Vorwort

Inhalt

Werkstoffe, Produkte und Prozesse

Metalle

1 Kristallzustand der Metalle

1.1 Idealstruktur-Anordnung der Atome

1.1.1 Raumgitter und Kristallsysteme

1.1.2 Gitteraufbau

1.1.3 Bezeichnung von Punkten, Geraden und Ebenen im Raumgitter (Millersche Indizes)

1.1.4 Anisotropie und Textur

1.2 Realstruktur: Kristallbaufehler

1.2.1 Nulldimensionale Gitterfehler

1.2.2 Eindimensionale Gitterfehler (Versetzungen)

1.2.3 Zweidimensionale Gitterfehler

1.2.4 Gefüge und Legierungsstrukturen

1.3 Mikro- und Nano-Gefügeelemente (Überblick)

2 Legierungskunde – Zustandsdiagramme

2.1 Mehrphasige Werkstoffe

2.1.1 Werkstoffzustand

2.1.2 Energie eines Werkstoffsystems

2.1.3 Binäres Zustandsdiagramm und Phasenregel

2.1.4 Aufstellen von Zustandsdiagrammen

2.1.5 Phasengleichgewichte, Gesetz der wechselnden Phasenzahl, Hebelgesetz (Phasenräume)

2.2 Grundtypen der Zustandsdiagramme

2.2.1 Vollkommene Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand

2.2.2 Völlige Mischbarkeit im festen und flüssigen Zustand

2.2.3 Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand bei vollständiger Löslichkeit im flüssigen Zustand

2.2.4 Peritektische Erstarrung

2.2.5 Ausscheidungen im festen Zustand

2.2.6 Intermetallische Verbindung (Phasen)

2.3 Reales Zustandsdiagramm: Fe-Fe3C-Diagramm

2.3.1 Eisen

2.3.2 Metastabiles Fe-C-System oder stabiles Fe-Fe3C-System

2.3.3 Gefügebeispiele bei verschiedenen C-Konzentrationen

2.3.4 Mengendiagramm (Bild 2.47)

2.4 Komponenten, Phasen, Systeme und Gefüge

3 Kristallplastizität

3.1 Plastifizierung durch Spannungen

3.1.1 Normal- und Schubspannungen

3.1.2 Einfluss der Spannungsarten auf die Anordnung der Atome

3.1.3 Schubspannungen im Zugversuch

3.2 Einkristallverformung

3.2.1 Gleitsysteme

3.2.2 Schmidsches Schubspannungsgesetz

3.2.3 Vervielfachung von Versetzungen – Versetzungsquellen

3.2.4 Mechanische Zwillingsbildung

3.3 Verformung von Vielkristallen

3.3.1 Polykristallplastizität durch Gleiten und Zwillingsbildung

3.3.2 Superplastizität

3.3.3 Vielkornverformung – Ablauf

4 Diffusion

4.1 Diffusionsprozesse

4.2 Diffusionsarten

4.2.1 Selbstdiffusion (Thermodiffusion)

4.2.2 Fremddiffusion (konzentrationsabhängige Diffusion)

4.3 Diffusionsgesetze

4.4 Diffusionsmechanismen

5 Kristallerholung und Rekristallisation

5.1 Kaltumformung

5.2 Erholung

5.2.1 Erholung der physikalischen Eigenschaften

5.2.2 Erholung der mechanischen Eigenschaften

5.3 Rekristallisation

5.3.1 Primäre Rekristallisation

5.3.2 Kornvergrößerung und Sekundärkristallisation

6 Erstarrung (Kristallisation)

6.1 Übergang vom flüssigen in den kristallinen Zustand

6.1.1 Keimbildung

6.1.2 Wachstum

6.2 Erstarrungsgesetze

6.2.1 Gussblockstruktur

6.2.2 Gerichtete Erstarrung und Einkristall

6.3 Erstarrungsfehler – Seigerung

6.4 Erstarrungsgefüge

7 Elastizität und Plastizität

7.1 Zugversuch

7.2 Elastische Konstanten

7.2.1 Bindungskräfte in Festkörpern

7.2.2 Elastische Konstanten E, G, v, K

7.3 Festigkeitskennwerte und plastischer Bereich

7.3.1 Proportionalitätsgrenze und 0,01% Dehngrenze

7.3.2 Streckgrenze und 0,2% Dehngrenze

7.3.3 Reckalterung

7.4 Möglichkeiten zur Erhöhung der Streckgrenze

7.4.1 Ideale Festigkeit

7.4.2 Linienspannung einer Versetzung

7.4.3 Streckgrenzenerhöhung

7.5 Verformungskennwerte

7.6 Versetzungsstruktur beim Zugversuch

7.7 Teilschritte im Zugversuch

8 Kriechen und Kriechbruch

8.1 Kriechvorgang

8.2 Kriechkurve

8.3 Spannungsrelaxation

8.4 Kriechmechanismen

8.5 Kriechfeste Stoffe

8.6 Dimensionierung von Hochtemperaturkomponenten

9 Gewaltbruch und Bruchzähigkeit

9.1 Bruchverhalten (Gewaltbruch)

9.1.1 Phasen des Bruchvorgangs

9.1.2 Rissentstehung

9.1.3 Brucharten und Bruchtopografie

9.1.4 Einflüsse auf das Bruchverhalten

9.2 Bruchmechanik

9.2.1 Energiekriterium (G-Konzept)

9.2.2 Linear-elastische Bruchmechanik (K-Konzept)

9.2.3 COD-Konzept (Crack Opening Displacement)

9.2.4 J-Integral-Konzept

9.2.5 Probenabmessungen

9.2.6 Einflüsse auf die Bruchzähigkeit

9.3 Kerbschlagbiegeversuch

9.4 Überblick der Stadien von Bruchvorgängen

10 Ermüden und Ermüdungsbruch

10.1 Charakterisierung von Betriebsbeanspruchungen

10.2 Elastoermüdung

10.2.1 Wöhlerermüdung (HCF – high-cycle-fatigue)

10.2.2 Basquin-Beziehung

10.2.3 Minerregel

10.2.4 Goodman-Regel

10.2.5 Zeit- und Dauerfestigkeitsschaubild

10.2.6 Beeinflussung der Wechselfestigkeit

10.3 Plastoermüdung (Coffin-Manson-Ermüdung)

10.4 Ermüdung von Bauteilen mit Anrissen

10.5 Ermüdungsfeste Werkstoffe und Ermüdungsbruch

10.5.1 HCF-Bereich (Wöhler)

10.5.2 LCF-Bereich (Manson-Coffin)

10.5.3 Bauteile mit Anrissen

11 Wärmebehandlung: Gefüge im Gleichgewicht

11.1 Wärmebehandlung

11.2 Glühen

11.2.1 Rekristallisationsglühen

11.2.2 Normalglühen

11.2.3 Spannungsarmglühen und Eigenspannung

11.3Überblick über die Glühverfahren

12 Wärmebehandlung: Gefüge im Ungleichgewicht

12.1 Umwandlung mit und ohne Diffusion

12.2 Umwandlung in der Perlitstufe

12.3 Umwandlung in der Martensitstufe

12.3.1 Thermisch induzierter Martensit (Abkühlungsmartensit)

12.3.2 Spannungsinduzierter Martensit

12.3.3 Verformungsinduzierter Martensit

12.4 Umwandlung in der Zwischenstufe

12.5 Mechanische Eigenschaften und Um­wand­lungs­temperatur

13 Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramme

13.1 Umwandlungskinetik

13.2 Das isotherme ZTU-Schaubild

13.3 Das kontinuierliche ZTU-Diagramm

13.4 Konstruktion von schematischen ZTU-Schaubildern

14 Vergüten und kontrolliertes Walzen

14.1 Vergütungsgefüge

14.2 Anlassvergüten

14.3 Zwischenstufenvergüten und Patentieren

14.4 Kontrolliertes Walzen

15 Wärmebehandlung der Oberflächen

15.1 Oberflächenhärten und Beschichten

15.2 Flammen-, Laser- und Induktionshärten

15.3 Aufkohlen, Nitrieren und Borieren

16 Ausscheidung, Aushärtung (Teilchenhärtung)

16.1 Bedingung und Ablauf

16.2 Keimbildung

16.3 Teilchenwachstum

16.4 Mechanische Eigenschaften durch Teilchenhärtung

16.5 Sonderformen der Teilchenhärtung

16.6 Aushärtbare Legierungen

17 Thermische Eigenschaften

17.1 Wärmeschwingungen des Kristallgitters

17.2 Molwärme und spezifische Wärmekapazität

17.3 Wärmeausdehnung

17.4 Wärmeleitung

17.5 Thermische Eigenschaften im Überblick

18 Elektrische Eigenschaften

18.1 Klassische Elektronentheorie

18.2 Bändermodell

18.3 Supraleitung

18.4 Spezifischer elektrischer Widerstand von Werkstoffen

19 Magnetische Eigenschaften

19.1 Grundeigenschaften und Grundgrößen

19.2 Der atomare Ursprung des Magnetismus

19.3 Struktureller Magnetismus

19.3.1 Magnetisierungsprozess

19.3.2 Magnetostriktion

19.3.3 Eigenschaften ferromagnetischer Werkstoffe

19.4 Physikalische Eigenschaften und Gefüge

20 Stähle

20.1 Bau- und Werkzeugstähle

20.2 Werkstoffprobleme bei Baustählen

20.2.1 Mischkristallhärtung

20.2.2 Längs-, Quer- und Dickenzähigkeit

20.2.3 Kornfeinung

20.2.4 Dreifachwirkung: Umwandlung, Rekristallisation und Teilchenhärtung

20.3 Werkzeugstähle – Eigenschaften und Wärmebehandlung

20.3.1 Eigenschaften

20.3.2 Werkzeugstähle – Gütegruppen

20.3.3 Wärmebehandlung von Werkzeugstählen

21 Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoffe

21.1 Gusslegierungen

21.2 Stahlguss

21.3 Gusseisen

21.3.1 Grauguss – Gusseisen mit Lamellengraphit (GGL)

21.3.2 Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG) – Sphäroguss

21.4 Temperguss

22 Aluminium und Aluminium-Legierungen

22.1 Streckgrenze und Festigkeiten

22.2 Nicht­aus­härtbare Legierungen (Mischkristallhärtung und Härtung durch Versetzungen)

22.3 Aushärtbare Legierungen

22.3.1 Lösungsglühen, Warm- und Kaltauslagern, Rückbildung

22.3.2 Durchführung der Aushärtung

22.4 Glühen von Al-Werkstoffen

22.4.1 Barren-Hochglühen

22.4.2 Weichglühen

22.5 Aluminiumgusslegierungen

22.6 Korrosionsverhalten von Aluminium

22.6.1 Natürlicher Korrosionsschutz

22.6.2 Künstlicher Korrosionsschutz

23 Kupfer und Kupferlegierungen

23.1 Physikalische und mechanische Eigenschaften

23.2 Reinkupfer

23.3 Legiertes Kupfer (> 99% Cu)

23.4 Kupferlegierungen (Cu-Gehalt max. 99?%)

23.4.1 Kupfer-Zink-Legierungen (Messing und Sondermessing)

23.5 Kupfer-Nickel-Legierungen

23.5.1 Cu-Sn-Legierungen (Zinnbronze, meist + 0,5?% P)

23.5.2 Kupfer-Aluminium-Legierungen (Al-Bronzen)

24 Nickel und Nickellegierungen

24.1 Nickel

24.2 Fe-Ni-Legierungen

24.3 Maraging-Stähle

24.4 Werkstoffe mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten

24.5 Hochwarmfeste Nickellegierungen (Superlegierungen)

24.6 „Memory“-Legierungen

Polymere

25 Struktur der Polymere

25.1 Chemischer Aufbau

25.1.1 Kettenpolymerisation

25.1.2 Kondensationspolymerisation

25.1.3 Additionspolymerisation

25.1.4 Copolymerisate und Mischpolymerisate

25.2 Gestalt der Makromoleküle von Polymeren

25.3 Größe der Makromoleküle von Polymeren

25.4 Ordnung der Makromoleküle

25.4.1 Glasartige amorphe Strukturen

25.4.2 Voraussetzungen für die Kristallisierbarkeit

25.4.3 Teilkristalline Strukturen

25.5 Bindungskräfte der Makromoleküle

26 Polymerzustände und thermomechanische Kurven

26.1 Polymerzustände

26.1.1 Energieelastischer Zustand (oft auch hartelastischer Bereich)

26.1.2 Erweichungszustand (auch Einfrierbereich oder Glasübergangsbereich)

26.1.3 Entropieelastischer Zustand (auch gummi- oder weichelastischer Bereich)

26.1.4 Fließbereich

26.1.5 Plastischer Zustand

26.2 Thermisch-mechanisches Verhalten verschiedener Kunststoffe

26.2.1 Amorphe Thermoplaste (Bild 26.6)

26.2.2 Teilkristalline Thermoplaste (Bild 26.9)

26.2.3 Duromere (Bild 26.10)

26.2.4 Elastomere (Bild 26.11)

27 Mechanische Eigenschaften der Polymere im festen Zustand

27.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten

27.2 Zeitabhängiges Verhalten

27.2.1 Verformungsverhalten bei dynamischer Belastung

27.3 Torsionsschwingungsversuch

27.4 Verformungsmechanismen und Bruchverhalten

27.4.1 Polymere unter statischer Dehndeformation

28 Polymere – Physikalische Eigenschaften

28.1 Wärmeleitfähigkeit

28.2 Wärmeausdehnung

28.3 Elektrische Eigenschaften

29 Spezial-Polymere

29.1 Flüssigkristalline Polymere (LCP – Liquid Crystal Polymer)

29.2 Polymerlegierungen

Keramik, Glas und Glaskeramik

30 Keramische Werkstoffe – Struktur

30.1 Keramische Werkstoffe

30.2 Atomistische Grundlagen

30.3 Kristalline Festkörper

30.4 Nichtkristalline Festkörper

30.5 Der porige Festkörper

31 Keramische Werkstoffe – Herstellung

31.1 Keramik-, Glas- und Zementprozessketten

31.2 Keramikherstellung

31.2.1 Pulverherstellung

31.2.2 Formgebungsmethoden

31.2.3 Der Brand keramischer Werkstoffe (Sinterung)

31.3 Sinterverfahren

31.3.1 Festphasensintern und Sintergleichungen

31.3.2 Flüssigphasensintern

32 Keramische Werkstoffe – Mechanische Eigenschaften

32.1 Keramik- und Metalleigenschaften

32.2 Elastisches Verhalten

32.3 Verformungsverhalten bei Raumtemperatur

32.4 Festigkeit von keramischen Werkstoffen

32.5 Bruchverhalten

32.6 Langzeitfestigkeit (Lebensdauer unter statischer Last)

32.7 Lebensdauer unter dynamischer Last

32.8 Kriechen

33 Keramische Werkstoffe – Physikalische Eigenschaften

33.1 Elektrische Leitfähigkeit

33.1.1 Ionenleitung

33.1.2 Elektronen-Leitung

33.1.3 Supraleitung

33.2 Dielektrische Eigenschaften

33.2.1 Piezoelektrizität

33.2.2 Pyroelektrizität

33.2.3 Ferroelektrika

33.3 Magnetische Eigenschaften

33.4 Thermische Eigenschaften

33.4.1 Spezifische Wärmekapazität

33.4.2 Wärmeleitfähigkeit

33.4.3 Schmelzpunkt/Wärmeausdehnung

33.5 Chemische Eigenschaften

34 Glas

34.1 Glas-Struktur

34.2 Mechanische Eigenschaften

34.3 Erzeugung eines oberflächigen Druckspannungszustandes

34.3.1 Thermische Vorspannung

34.3.2 Chemische Vorspannung

34.3.3 Vorspannung durch unterschiedliche Wärmeausdehnung

34.4 Physikalische Eigenschaften

34.4.1 Lichtleiterfasern

34.4.2 Photochrome Gläser

35 Glaskeramik

35.1 Glaskeramikstruktur

35.2 Mechanische Eigenschaften

35.3 Thermische Eigenschaften

36 Metallische Gläser

36.1 Metallischer Glaszustand

36.2 Herstellung metallischer Gläser

36.3 Eigenschaften metallischer Gläser

Verbundwerkstoffe

37 Strukturen der Verbundwerkstoffe

37.1 Verbundwerkstoffe – Werkstoffkombinationen

37.2 Einteilung der Verbundwerkstoffe

37.3 Eigenschaften von Verbundwerkstoffen

38 Teilchenverbundwerkstoffe

38.1 Teilchenverbundwerkstoffe – Struktur und Herstellung

38.2 Wichtige Teilchenverbundwerkstoffe

38.2.1 Dispersionsgehärtete Werkstoffe

38.2.2 Kontaktwerkstoffe

38.2.3 Hartmetalle

39 Faserverbundwerkstoffe

39.1 Struktur von faserverstärkten Werkstoffen

39.1.1 Faserwerkstoffe (Verstärkungswerkstoffe)

39.1.2 Matrixwerkstoffe

39.2 Mechanische Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes

39.2.1 Festigkeit und Steifigkeit in FV-Kunststoff

39.2.2 Haftung der Faser

39.3 Herstellung und Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen

39.3.1 Kurzfaserverstärkte Thermoplaste

39.3.2 Glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT)

39.3.3 Bulk Molding Compounds (BMC)

39.3.4 Sheet Molding Compounds (SMC)

39.3.5 Hochleistungs-Prepregs

39.3.6 Wickeltechnik

39.3.7 Strangziehen

39.3.8 Harzinjektionsverfahren

40 Schichtverbundwerkstoffe und Durchdringungswerkstoffe

40.1 Schichtverbundwerkstoffe

40.2 Durchdringungswerkstoffe

Literaturangaben