Josef Reissner
Werkstoffkunde für Bachelors
Vorwort
6
Inhalt
7
Werkstoffe, Produkte und Prozesse
19
Metalle
22
1 Kristallzustand der Metalle
24
1.1 Idealstruktur-Anordnung der Atome
24
1.1.1 Raumgitter und Kristallsysteme
25
1.1.2 Gitteraufbau
28
1.1.3 Bezeichnung von Punkten, Geraden und Ebenen im Raumgitter (Millersche Indizes)
31
1.1.4 Anisotropie und Textur
34
1.2 Realstruktur: Kristallbaufehler
36
1.2.1 Nulldimensionale Gitterfehler
38
1.2.2 Eindimensionale Gitterfehler (Versetzungen)
39
1.2.3 Zweidimensionale Gitterfehler
45
1.2.4 Gefüge und Legierungsstrukturen
49
1.3 Mikro- und Nano-Gefügeelemente (Überblick)
53
2 Legierungskunde – Zustandsdiagramme
54
2.1 Mehrphasige Werkstoffe
54
2.1.1 Werkstoffzustand
54
2.1.2 Energie eines Werkstoffsystems
56
2.1.3 Binäres Zustandsdiagramm und Phasenregel
58
2.1.4 Aufstellen von Zustandsdiagrammen
60
2.1.5 Phasengleichgewichte, Gesetz der wechselnden Phasenzahl, Hebelgesetz (Phasenräume)
61
2.2 Grundtypen der Zustandsdiagramme
65
2.2.1 Vollkommene Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand
65
2.2.2 Völlige Mischbarkeit im festen und flüssigen Zustand
65
2.2.3 Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand bei vollständiger Löslichkeit im flüssigen Zustand
67
2.2.4 Peritektische Erstarrung
69
2.2.5 Ausscheidungen im festen Zustand
71
2.2.6 Intermetallische Verbindung (Phasen)
71
2.3 Reales Zustandsdiagramm: Fe-Fe3C-Diagramm
73
2.3.1 Eisen
73
2.3.2 Metastabiles Fe-C-System oder stabiles Fe-Fe3C-System
74
2.3.3 Gefügebeispiele bei verschiedenen C-Konzentrationen
79
2.3.4 Mengendiagramm (Bild 2.47)
83
2.4 Komponenten, Phasen, Systeme und Gefüge
85
3 Kristallplastizität
86
3.1 Plastifizierung durch Spannungen
86
3.1.1 Normal- und Schubspannungen
86
3.1.2 Einfluss der Spannungsarten auf die Anordnung der Atome
87
3.1.3 Schubspannungen im Zugversuch
88
3.2 Einkristallverformung
89
3.2.1 Gleitsysteme
89
3.2.2 Schmidsches Schubspannungsgesetz
93
3.2.3 Vervielfachung von Versetzungen – Versetzungsquellen
95
3.2.4 Mechanische Zwillingsbildung
95
3.3 Verformung von Vielkristallen
97
3.3.1 Polykristallplastizität durch Gleiten und Zwillingsbildung
97
3.3.2 Superplastizität
98
3.3.3 Vielkornverformung – Ablauf
99
4 Diffusion
100
4.1 Diffusionsprozesse
100
4.2 Diffusionsarten
100
4.2.1 Selbstdiffusion (Thermodiffusion)
100
4.2.2 Fremddiffusion (konzentrationsabhängige Diffusion)
100
4.3 Diffusionsgesetze
101
4.4 Diffusionsmechanismen
107
5 Kristallerholung und Rekristallisation
110
5.1 Kaltumformung
110
5.2 Erholung
111
5.2.1 Erholung der physikalischen Eigenschaften
111
5.2.2 Erholung der mechanischen Eigenschaften
112
5.3 Rekristallisation
115
5.3.1 Primäre Rekristallisation
115
5.3.2 Kornvergrößerung und Sekundärkristallisation
119
6 Erstarrung (Kristallisation)
122
6.1 Übergang vom flüssigen in den kristallinen Zustand
122
6.1.1 Keimbildung
122
6.1.2 Wachstum
124
6.2 Erstarrungsgesetze
126
6.2.1 Gussblockstruktur
127
6.2.2 Gerichtete Erstarrung und Einkristall
128
6.3 Erstarrungsfehler – Seigerung
129
6.4 Erstarrungsgefüge
131
7 Elastizität und Plastizität
132
7.1 Zugversuch
132
7.2 Elastische Konstanten
133
7.2.1 Bindungskräfte in Festkörpern
133
7.2.2 Elastische Konstanten E, G, v, K
137
7.3 Festigkeitskennwerte und plastischer Bereich
141
7.3.1 Proportionalitätsgrenze und 0,01% Dehngrenze
141
7.3.2 Streckgrenze und 0,2% Dehngrenze
141
7.3.3 Reckalterung
143
7.4 Möglichkeiten zur Erhöhung der Streckgrenze
144
7.4.1 Ideale Festigkeit
144
7.4.2 Linienspannung einer Versetzung
146
7.4.3 Streckgrenzenerhöhung
148
7.5 Verformungskennwerte
150
7.6 Versetzungsstruktur beim Zugversuch
151
7.7 Teilschritte im Zugversuch
152
8 Kriechen und Kriechbruch
154
8.1 Kriechvorgang
154
8.2 Kriechkurve
154
8.3 Spannungsrelaxation
158
8.4 Kriechmechanismen
159
8.5 Kriechfeste Stoffe
161
8.6 Dimensionierung von Hochtemperaturkomponenten
162
9 Gewaltbruch und Bruchzähigkeit
166
9.1 Bruchverhalten (Gewaltbruch)
166
9.1.1 Phasen des Bruchvorgangs
166
9.1.2 Rissentstehung
167
9.1.3 Brucharten und Bruchtopografie
170
9.1.4 Einflüsse auf das Bruchverhalten
171
9.2 Bruchmechanik
172
9.2.1 Energiekriterium (G-Konzept)
172
9.2.2 Linear-elastische Bruchmechanik (K-Konzept)
174
9.2.3 COD-Konzept (Crack Opening Displacement)
177
9.2.4 J-Integral-Konzept
178
9.2.5 Probenabmessungen
180
9.2.6 Einflüsse auf die Bruchzähigkeit
181
9.3 Kerbschlagbiegeversuch
183
9.4 Überblick der Stadien von Bruchvorgängen
185
10 Ermüden und Ermüdungsbruch
186
10.1 Charakterisierung von Betriebsbeanspruchungen
186
10.2 Elastoermüdung
189
10.2.1 Wöhlerermüdung (HCF – high-cycle-fatigue)
189
10.2.2 Basquin-Beziehung
191
10.2.3 Minerregel
192
10.2.4 Goodman-Regel
193
10.2.5 Zeit- und Dauerfestigkeitsschaubild
193
10.2.6 Beeinflussung der Wechselfestigkeit
197
10.3 Plastoermüdung (Coffin-Manson-Ermüdung)
201
10.4 Ermüdung von Bauteilen mit Anrissen
202
10.5 Ermüdungsfeste Werkstoffe und Ermüdungsbruch
205
10.5.1 HCF-Bereich (Wöhler)
205
10.5.2 LCF-Bereich (Manson-Coffin)
208
10.5.3 Bauteile mit Anrissen
209
11 Wärmebehandlung: Gefüge im Gleichgewicht
210
11.1 Wärmebehandlung
210
11.2 Glühen
212
11.2.1 Rekristallisationsglühen
213
11.2.2 Normalglühen
213
11.2.3 Spannungsarmglühen und Eigenspannung
217
11.3Überblick über die Glühverfahren
218
12 Wärmebehandlung: Gefüge im Ungleichgewicht
220
12.1 Umwandlung mit und ohne Diffusion
220
12.2 Umwandlung in der Perlitstufe
220
12.3 Umwandlung in der Martensitstufe
222
12.3.1 Thermisch induzierter Martensit (Abkühlungsmartensit)
224
12.3.2 Spannungsinduzierter Martensit
229
12.3.3 Verformungsinduzierter Martensit
232
12.4 Umwandlung in der Zwischenstufe
233
12.5 Mechanische Eigenschaften und Umwandlungstemperatur
234
13 Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramme
236
13.1 Umwandlungskinetik
236
13.2 Das isotherme ZTU-Schaubild
237
13.3 Das kontinuierliche ZTU-Diagramm
242
13.4 Konstruktion von schematischen ZTU-Schaubildern
244
14 Vergüten und kontrolliertes Walzen
246
14.1 Vergütungsgefüge
246
14.2 Anlassvergüten
247
14.3 Zwischenstufenvergüten und Patentieren
249
14.4 Kontrolliertes Walzen
250
15 Wärmebehandlung der Oberflächen
252
15.1 Oberflächenhärten und Beschichten
252
15.2 Flammen-, Laser- und Induktionshärten
253
15.3 Aufkohlen, Nitrieren und Borieren
254
16 Ausscheidung, Aushärtung (Teilchenhärtung)
256
16.1 Bedingung und Ablauf
256
16.2 Keimbildung
257
16.3 Teilchenwachstum
258
16.4 Mechanische Eigenschaften durch Teilchenhärtung
260
16.5 Sonderformen der Teilchenhärtung
264
16.6 Aushärtbare Legierungen
265
17 Thermische Eigenschaften
266
17.1 Wärmeschwingungen des Kristallgitters
266
17.2 Molwärme und spezifische Wärmekapazität
267
17.3 Wärmeausdehnung
269
17.4 Wärmeleitung
272
17.5 Thermische Eigenschaften im Überblick
273
18 Elektrische Eigenschaften
274
18.1 Klassische Elektronentheorie
274
18.2 Bändermodell
276
18.3 Supraleitung
281
18.4 Spezifischer elektrischer Widerstand von Werkstoffen
283
19 Magnetische Eigenschaften
284
19.1 Grundeigenschaften und Grundgrößen
284
19.2 Der atomare Ursprung des Magnetismus
286
19.3 Struktureller Magnetismus
287
19.3.1 Magnetisierungsprozess
291
19.3.2 Magnetostriktion
293
19.3.3 Eigenschaften ferromagnetischer Werkstoffe
293
19.4 Physikalische Eigenschaften und Gefüge
295
20 Stähle
298
20.1 Bau- und Werkzeugstähle
298
20.2 Werkstoffprobleme bei Baustählen
299
20.2.1 Mischkristallhärtung
299
20.2.2 Längs-, Quer- und Dickenzähigkeit
300
20.2.3 Kornfeinung
301
20.2.4 Dreifachwirkung: Umwandlung, Rekristallisation und Teilchenhärtung
302
20.3 Werkzeugstähle – Eigenschaften und Wärmebehandlung
302
20.3.1 Eigenschaften
302
20.3.2 Werkzeugstähle – Gütegruppen
303
20.3.3 Wärmebehandlung von Werkzeugstählen
304
21 Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoffe
306
21.1 Gusslegierungen
306
21.2 Stahlguss
306
21.3 Gusseisen
307
21.3.1 Grauguss – Gusseisen mit Lamellengraphit (GGL)
308
21.3.2 Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG) – Sphäroguss
312
21.4 Temperguss
313
22 Aluminium und Aluminium-Legierungen
314
22.1 Streckgrenze und Festigkeiten
314
22.2 Nichtaushärtbare Legierungen (Mischkristallhärtung und Härtung durch Versetzungen)
315
22.3 Aushärtbare Legierungen
316
22.3.1 Lösungsglühen, Warm- und Kaltauslagern, Rückbildung
316
22.3.2 Durchführung der Aushärtung
317
22.4 Glühen von Al-Werkstoffen
320
22.4.1 Barren-Hochglühen
320
22.4.2 Weichglühen
320
22.5 Aluminiumgusslegierungen
320
22.6 Korrosionsverhalten von Aluminium
322
22.6.1 Natürlicher Korrosionsschutz
322
22.6.2 Künstlicher Korrosionsschutz
322
23 Kupfer und Kupferlegierungen
324
23.1 Physikalische und mechanische Eigenschaften
324
23.2 Reinkupfer
325
23.3 Legiertes Kupfer (> 99% Cu)
326
23.4 Kupferlegierungen (Cu-Gehalt max. 99?%)
327
23.4.1 Kupfer-Zink-Legierungen (Messing und Sondermessing)
327
23.5 Kupfer-Nickel-Legierungen
329
23.5.1 Cu-Sn-Legierungen (Zinnbronze, meist + 0,5?% P)
330
23.5.2 Kupfer-Aluminium-Legierungen (Al-Bronzen)
330
24 Nickel und Nickellegierungen
332
24.1 Nickel
332
24.2 Fe-Ni-Legierungen
332
24.3 Maraging-Stähle
333
24.4 Werkstoffe mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten
334
24.5 Hochwarmfeste Nickellegierungen (Superlegierungen)
335
24.6 „Memory“-Legierungen
336
Polymere
338
25 Struktur der Polymere
340
25.1 Chemischer Aufbau
340
25.1.1 Kettenpolymerisation
346
25.1.2 Kondensationspolymerisation
346
25.1.3 Additionspolymerisation
347
25.1.4 Copolymerisate und Mischpolymerisate
347
25.2 Gestalt der Makromoleküle von Polymeren
348
25.3 Größe der Makromoleküle von Polymeren
349
25.4 Ordnung der Makromoleküle
350
25.4.1 Glasartige amorphe Strukturen
350
25.4.2 Voraussetzungen für die Kristallisierbarkeit
351
25.4.3 Teilkristalline Strukturen
352
25.5 Bindungskräfte der Makromoleküle
356
26 Polymerzustände und thermomechanische Kurven
362
26.1 Polymerzustände
362
26.1.1 Energieelastischer Zustand (oft auch hartelastischer Bereich)
363
26.1.2 Erweichungszustand (auch Einfrierbereich oder Glasübergangsbereich)
364
26.1.3 Entropieelastischer Zustand (auch gummi- oder weichelastischer Bereich)
365
26.1.4 Fließbereich
367
26.1.5 Plastischer Zustand
368
26.2 Thermisch-mechanisches Verhalten verschiedener Kunststoffe
369
26.2.1 Amorphe Thermoplaste (Bild 26.6)
369
26.2.2 Teilkristalline Thermoplaste (Bild 26.9)
371
26.2.3 Duromere (Bild 26.10)
372
26.2.4 Elastomere (Bild 26.11)
373
27 Mechanische Eigenschaften der Polymere im festen Zustand
376
27.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten
376
27.2 Zeitabhängiges Verhalten
377
27.2.1 Verformungsverhalten bei dynamischer Belastung
381
27.3 Torsionsschwingungsversuch
384
27.4 Verformungsmechanismen und Bruchverhalten
386
27.4.1 Polymere unter statischer Dehndeformation
386
28 Polymere – Physikalische Eigenschaften
392
28.1 Wärmeleitfähigkeit
392
28.2 Wärmeausdehnung
393
28.3 Elektrische Eigenschaften
394
29 Spezial-Polymere
398
29.1 Flüssigkristalline Polymere (LCP – Liquid Crystal Polymer)
398
29.2 Polymerlegierungen
400
Keramik, Glas und Glaskeramik
404
30 Keramische Werkstoffe – Struktur
406
30.1 Keramische Werkstoffe
406
30.2 Atomistische Grundlagen
406
30.3 Kristalline Festkörper
408
30.4 Nichtkristalline Festkörper
415
30.5 Der porige Festkörper
417
31 Keramische Werkstoffe – Herstellung
420
31.1 Keramik-, Glas- und Zementprozessketten
420
31.2 Keramikherstellung
421
31.2.1 Pulverherstellung
423
31.2.2 Formgebungsmethoden
423
31.2.3 Der Brand keramischer Werkstoffe (Sinterung)
423
31.3 Sinterverfahren
424
31.3.1 Festphasensintern und Sintergleichungen
425
31.3.2 Flüssigphasensintern
427
32 Keramische Werkstoffe – Mechanische Eigenschaften
428
32.1 Keramik- und Metalleigenschaften
428
32.2 Elastisches Verhalten
429
32.3 Verformungsverhalten bei Raumtemperatur
429
32.4 Festigkeit von keramischen Werkstoffen
430
32.5 Bruchverhalten
435
32.6 Langzeitfestigkeit (Lebensdauer unter statischer Last)
438
32.7 Lebensdauer unter dynamischer Last
441
32.8 Kriechen
442
33 Keramische Werkstoffe – Physikalische Eigenschaften
444
33.1 Elektrische Leitfähigkeit
444
33.1.1 Ionenleitung
445
33.1.2 Elektronen-Leitung
446
33.1.3 Supraleitung
448
33.2 Dielektrische Eigenschaften
449
33.2.1 Piezoelektrizität
449
33.2.2 Pyroelektrizität
450
33.2.3 Ferroelektrika
451
33.3 Magnetische Eigenschaften
452
33.4 Thermische Eigenschaften
453
33.4.1 Spezifische Wärmekapazität
453
33.4.2 Wärmeleitfähigkeit
453
33.4.3 Schmelzpunkt/Wärmeausdehnung
454
33.5 Chemische Eigenschaften
456
34 Glas
458
34.1 Glas-Struktur
458
34.2 Mechanische Eigenschaften
461
34.3 Erzeugung eines oberflächigen Druckspannungszustandes
462
34.3.1 Thermische Vorspannung
462
34.3.2 Chemische Vorspannung
462
34.3.3 Vorspannung durch unterschiedliche Wärmeausdehnung
462
34.4 Physikalische Eigenschaften
463
34.4.1 Lichtleiterfasern
463
34.4.2 Photochrome Gläser
464
35 Glaskeramik
466
35.1 Glaskeramikstruktur
466
35.2 Mechanische Eigenschaften
468
35.3 Thermische Eigenschaften
468
36 Metallische Gläser
470
36.1 Metallischer Glaszustand
470
36.2 Herstellung metallischer Gläser
472
36.3 Eigenschaften metallischer Gläser
472
Verbundwerkstoffe
474
37 Strukturen der Verbundwerkstoffe
476
37.1 Verbundwerkstoffe – Werkstoffkombinationen
476
37.2 Einteilung der Verbundwerkstoffe
478
37.3 Eigenschaften von Verbundwerkstoffen
478
38 Teilchenverbundwerkstoffe
480
38.1 Teilchenverbundwerkstoffe – Struktur und Herstellung
480
38.2 Wichtige Teilchenverbundwerkstoffe
481
38.2.1 Dispersionsgehärtete Werkstoffe
481
38.2.2 Kontaktwerkstoffe
482
38.2.3 Hartmetalle
483
39 Faserverbundwerkstoffe
488
39.1 Struktur von faserverstärkten Werkstoffen
488
39.1.1 Faserwerkstoffe (Verstärkungswerkstoffe)
488
39.1.2 Matrixwerkstoffe
492
39.2 Mechanische Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes
492
39.2.1 Festigkeit und Steifigkeit in FV-Kunststoff
493
39.2.2 Haftung der Faser
496
39.3 Herstellung und Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen
498
39.3.1 Kurzfaserverstärkte Thermoplaste
498
39.3.2 Glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT)
498
39.3.3 Bulk Molding Compounds (BMC)
499
39.3.4 Sheet Molding Compounds (SMC)
500
39.3.5 Hochleistungs-Prepregs
501
39.3.6 Wickeltechnik
501
39.3.7 Strangziehen
502
39.3.8 Harzinjektionsverfahren
502
40 Schichtverbundwerkstoffe und Durchdringungswerkstoffe
504
40.1 Schichtverbundwerkstoffe
504
40.2 Durchdringungswerkstoffe
507
Literaturangaben
508
© 2009-2024 ciando GmbH