Werkstofftechnik 1 - Struktureller Aufbau von Werkstoffen - Metallische Werkstoffe - Polymerwerkstoffe - Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe

Wolfgang Bergmann

Werkstofftechnik 1

Struktureller Aufbau von Werkstoffen - Metallische Werkstoffe - Polymerwerkstoffe - Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe

2013

426 Seiten

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ISBN: 9783446435810

 

Inhaltsverzeichnis

8

A Struktureller Aufbau von Werkstoffen

16

1 Atomare Struktur

17

1.1 Atomaufbau und Periodensystem der Elemente

17

1.1.1 Atomare Elementarteilchen

17

1.1.2 Aufbau der Elektronenhülle

18

1.1.3 Periodensystem der Elemente

21

1.2 Interatomare Bindungen

23

1.2.1 Primärbindungen

25

1.2.1.1 Ionische Bindung

25

1.2.1.2 Kovalente Bindung

26

1.2.1.3 Metallische Bindung

30

1.2.2 Sekundärbindungen

31

1.2.2.1 Zwischenmolekulare Bindungen

31

1.2.2.2 Grenzflächen- und Oberflächenbindungen

32

1.2.3 Bindung und Temperatur

34

1.3 Aggregatzustände

35

2 Struktur des Festkörpers

36

2.1 Kristalline und amorphe Strukturen

36

2.2 Ideale Kristallstruktur

38

2.2.1 Strukturprinzipien

38

2.2.2 Atomare Nah- und Fernordnung

38

2.3 Reale Kristallstruktur

43

2.3.1 Nulldimensionale Gitterfehler

43

2.3.2 Eindimensionale Gitterfehler

45

2.3.3 Zweidimensionale Gitterfehler

48

2.3.3.1 Korngrenzen

48

2.3.3.2 Grenzflächen innerhalb eines Korns

50

2.3.3.3 Phasengrenzen

51

2.3.3.4 Stapelfehler

52

2.4 Anisotropie, Quasiisotropie, Textur

53

B Metallische Werkstoffe

55

1 Strukturaufbau metallischer Werkstoffe

56

1.1 Metallische Gitterstrukturen

56

1.2 Legierungsbildung

58

1.2.1 Allgemeine Ziele der Legierungsbildung

58

1.2.2 Legierungsphasen

60

1.2.2.1 Lösungsphasen

60

1.2.2.2 Intermetallische Verbindungen

63

1.3 Thermodynamisches Phasengleichgewicht

66

1.3.1 Gleichgewichtsbedingungen

66

1.3.2 Diffusion

68

1.3.2.1 Diffusionsmechanismen

69

1.3.2.2 Einflussfaktoren

70

1.3.3 Phasenumwandlungen

71

1.3.3.1 Umwandlung einer flüssigen in eine feste Phase

72

1.3.3.2 Phasenumwandlungen im festen Zustand

77

1.3.4 Zustandsdiagramme

81

1.3.4.1 Einstoffsysteme

82

1.3.4.2 Zweistoffsysteme

82

1.3.4.3 Dreistoffsysteme

90

1.4 Ausbildung realer Gefüge

91

2 Mechanische Eigenschaften

93

2.1 Verformungsverhalten

95

2.1.1 Elastisches Verhalten von Metallen

95

2.1.1.1 Verformungsmechanismus

95

2.1.1.2 Linear-Elastizität (Hookesches Gesetz)

96

2.1.1.3 Anelastizität

98

2.1.1.4 Elastische Hysterese, mechanische Dämpfung

99

2.1.2 Plastisches Verhalten von Metallen

100

2.1.2.1 Verformungsmechanismus

100

2.1.2.2 Gleitebenen, Gleitsysteme

103

2.1.2.3 Mikroskopische Schubspannungen bei makroskopischen Normalspannungen

104

2.1.2.4 Versetzungsbewegungen

106

2.1.2.5 Versetzungsreaktionen

107

2.1.3 Spannung-Dehnung-Verhalten

111

2.1.3.1 Verformung von Einkristallen

111

2.1.3.2 Verformung von Vielkristallen

112

2.1.3.3 Wahre Spannung-Dehnung-Kurve

118

2.1.4 Verformungsverhalten bei hohen Temperaturen

119

2.1.4.1 Verformungsmechanismen

119

2.1.4.2 Entfestigungsvorgänge

121

2.1.4.3 Kriechverhalten

127

2.1.5 Möglichkeiten zur Festigkeitssteigerung statisch beanspruchter Metalle

128

2.1.5.1 Allgemeines Prinzip der Festigkeitssteigerung

128

2.1.5.2 Verfestigung durch Verformung

130

2.1.5.3 Verfestigung durch Korngrenzen

131

2.1.5.4 Verfestigung durch Mischkristallbildung

131

2.1.5.5 Verfestigung durch Teilchen

132

2.1.5.6 Struktureller Aufbau hochfester Metalle

136

2.2 Bruchverhalten

137

2.2.1 Bruchformen

137

2.2.2 Duktiles und sprödes Bruchverhalten

138

2.2.2.1 Duktilbruch

139

2.2.2.2 Energiearmer Duktilbruch

142

2.2.2.3 Interkristalliner Sprödbruch

142

2.2.2.4 Transkristalliner Sprödbruch

143

2.2.2.5 Struktureller Aufbau sprödbruchunempfindlicher Werkstoffe

145

2.2.3 Dauerbruchverhalten

147

2.2.3.1 Ermüdungsverfestigung

148

2.2.3.2 Rissbildung

150

2.2.3.3 Rissausbreitung

152

2.2.3.4 Einflussfaktoren

156

2.2.3.5 Maßnahmen zur Steigerung der Schwingfestigkeit

161

2.2.4 Kriechbruchverhalten

163

2.3 Prüfung der mechanischen Eigenschaften

164

2.3.1 Prüfung des Verformungsverhaltens

164

2.3.1.1 Zügige Beanspruchung

164

2.3.1.2 Statische Langzeitbeanspruchung

165

2.3.2 Prüfung des Bruchverhaltens

166

2.3.2.1 Duktiles und sprödes Verhalten

166

2.3.2.2 Einfluss der Beanspruchungsbedingungen

166

2.3.2.3 Sprödbruchprüfung

169

2.3.2.4 Ermüdungsprüfung

174

2.3.3 Mechanische Kennwerte und deren Bedeutung für die Werkstoffanwendung

177

2.3.3.1 Festigkeitskennwerte

177

2.3.3.2 Verformungskennwerte

178

2.3.3.3 Übertragbarkeit von Kennwerten

180

3 Korrosionsverhalten

182

3.1 Korrosionsvorgänge

182

3.1.1 Die elektrolytische Auflösung von Metallen

183

3.1.2 Korrosionsreaktionen in wässrigen Lösungen

186

3.1.2.1 Anodische und kathodische Teilreaktionen

186

3.1.2.2 Säurekorrosion, Wasserstoffkorrosion

187

3.1.2.3 Sauerstoffkorrosion

187

3.1.3 Korrosionselemente

188

3.1.4 Passivität

189

3.1.5 Stromdichte-Potenzial-Kurven

190

3.2 Erscheinungsformen der Korrosion

195

3.2.1 Gleichmäßige Korrosion

195

3.2.2 Lokalisierter Korrosionsangriff

195

3.2.2.1 Kontaktkorrosion

196

3.2.2.2 Selektive Korrosion

198

3.2.2.3 Interkristalline Korrosion

198

3.2.2.4 Spaltkorrosion

199

3.2.2.5 Lochfraßkorrosion

200

3.2.2.6 Mechanisch-korrosiver Angriff

202

3.3 Einflussfaktoren

207

3.3.1 pH-Wert

207

3.3.2 Sauerstoffgehalt

208

3.3.3 Temperatur

209

3.3.4 Bewegungszustand

210

3.3.5 Salzgehalt

210

3.3.6 Korrosionsmedien

211

3.4 Korrosionsschutz (Grundsätzliche Möglichkeiten)

213

4 Technisch wichtige Metalle

214

4.1 Werkstoffe auf Fe-Basis

214

4.1.1 Phasenausbildungen

215

4.1.1.1 Allotropie von Eisen

215

4.1.1.2 Lösungsphasen

216

4.1.1.3 Verbindungsphasen

217

4.1.1.4 Metastabile und stabile Phasenzustände

218

4.1.2 Legierungen Fe-C, metastabil (unlegierte Stähle)

220

4.1.2.1 Gleichgewichtsnahe Gefüge (metastabil)

220

4.1.2.2 Ungleichgewichtige Gefüge (metastabil)

227

4.1.3 Legierungen Fe-C-X (niedriglegierte Stähle)

235

4.1.3.1 Ziele des Legierens von Eisen

235

4.1.3.2 Im Eisengitter lösliche Legierungselemente

235

4.1.3.3 Verbindungen bildende Legierungselemente

237

4.1.3.4 Einfluss von Legierungselementen auf die Umwandlung von Austenit

238

4.1.3.5 Einfluss von Legierungselementen auf die Umwandlung von Martensit

239

4.1.3.6 Einfluss von Legierungselementen auf die mechanischen Eigenschaften von Stählen

241

4.1.4 Legierungen Fe-X (hochlegierte Stähle)

242

4.1.4.1 Legierungen Fe-Ni

243

4.1.4.2 Legierungen Fe-Cr

244

4.1.4.3 Legierungen Fe-Cr-Ni

246

4.1.5 Legierungen Fe-C, stabil (Gusseisen)

249

4.1.5.1 Gefügeausbildung

249

4.1.5.2 Technische Gusseisensorten

253

4.2 Werkstoffe auf Al-Basis

254

4.2.1 Aushärtung

255

4.2.2 Al-Legierungen

259

4.2.2.1 Nicht aushärtbare Legierungen vom Typ AlMg

259

4.2.2.2 Aushärtbare Legierungen

260

4.2.2.3 Gusslegierungen vom Typ AISi

261

4.3 Werkstoffe auf Cu-Basis

262

4.3.1 Kupfer-Zink-Legierungen

264

4.3.2 Kupfer-Zinn-Legierungen

265

4.3.3 Kupfer-Aluminium-Legierungen

266

4.3.4 Kupfer-Beryllium-Legierungen

267

4.3.5 Kupfer-Nickel-Legierungen

268

4.4 Werkstoffe auf Ni-Basis

268

4.4.1 Nickel-Chrom-Legierungen

269

4.4.2 Nickel-Kupfer-Legierungen

272

4.5 Werkstoffe auf Ti-Basis

272

4.5.1 Titan technischer Reinheit

273

4.5.2 Titanlegierungen

274

4.5.2.1 Titanlegierungen mit a-Gefüge

274

4.5.2.2 Titanlegierungen mit ß-Gefüge

275

4.5.2.3 Titanlegierungen mit (a+ß)-Gefüge

276

C Polymerwerkstoffe

277

1 Strukturaufbau

278

1.1 Unvernetzte und vernetzte Polymere (Kunststoffe)

278

1.2 Struktureller Aufbau und räumliche Anordnung von Kettenmolekülen

279

1.2.1 Konstitution

279

1.2.2 Konfiguration

281

1.2.3 Konformation

282

1.2.4 Molekülanordnungen im Schmelzzustand

283

1.2.5 Kristalline Molekülanordnungen

283

1.2.6 Amorphe Molekülanordnungen

288

1.2.7 Orientierte Molekülzustände

289

1.3 Struktureller Aufbau von Netzwerken

291

2 Mechanische Eigenschaften

292

2.1 Verformungsverhalten

292

2.1.1 Verformungsmechanismen

292

2.1.1.1 Energie-Elastizität

292

2.1.1.2 Entropie-Elastizität

292

2.1.1.3 Plastizität

293

2.1.1.4 Viskosität

296

2.1.2 Visko-Elastizität

296

2.1.3 Spannung-Dehnung-Verhalten

298

2.1.4 Prüfung des Verformungsverhaltens

302

2.1.4.1 Torsionsschwingversuch

302

2.1.4.2 Zugversuch

305

2.1.4.3 Langzeitprüfung, isochrone Spannung-Dehnung-Linien

306

2.2 Bruchverhalten

308

2.2.1 Duktil-, Sprödbruch

308

2.2.2 Dauerbruch

311

2.3 Möglichkeiten zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften

313

2.3.1 Copolymerisation

313

2.3.2 Weichmachung

314

2.3.3 Polymermischungen

315

2.3.4 Füll- und Verstärkungsmittel

317

2.3.5 Sonstige Möglichkeiten

318

3 Korrosionsverhalten

319

3.1 Verhalten unter Witterungseinfluss (Alterung)

319

3.2 Verhalten gegenüber flüssigen Medien

320

3.3 Thermische Zersetzung von Kunststoffen

321

4 Technisch wichtige Kunststoffe

322

4.1 Thermoplaste

322

4.1.1 Massenkunststoffe

324

4.1.1.1 Polyethylen (PE)

324

4.1.1.2 Polypropylen (PP)

325

4.1.1.3 Polyvinylchlorid (PVC)

326

4.1.1.4 Polystyrol (PS)

327

4.1.2 Thermoplastische Konstruktions-Kunststoffe

329

4.1.2.1 Polyamid (PA)

330

4.1.2.2 Polyoximethylen (POM)

332

4.1.2.3 Polyethylen- und -butylenterephthalat (PETB, PBTP)

334

4.1.3 Thermoplastische Kunststoffe mit speziellen Eigenschaften

334

4.1.3.1 Polymethylmethacrylat (PMMA)

334

4.1.3.2 Polycarbonat (PC)

335

4.1.3.3 Polytetrafluorethylen (PTFE)

336

4.1.4 Thermoplaste mit erhöhter Temperaturbeständigkeit

337

4.2 Duroplaste

340

4.2.1 Phenol- und Aminoharze (PF, UF, MF)

340

4.2.2 Ungesättigte Polyesterharze (UP)

342

4.2.3 Epoxidharze (EP)

343

4.3 Elastomere

345

4.3.1 Dien-Elastomere normaler Beständigkeit

345

4.3.2 Dien-Elastomere erhöhter Beständigkeit

347

4.3.3 Dienfreie Spezial-Elastomere

348

D Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe

350

1 Struktureller Aufbau

353

1.1 Keramik

353

1.1.1 Reine Nichtmetalle und nichtoxidische Verbindungen

353

1.1.2 Reine Oxide und oxidische Verbindungen

357

1.1.2.1 Ionische Gitterstrukturen

357

1.1.2.2 Siliciumdioxid SiO_2

359

1.1.2.3 Aluminiumoxid Al_2O_3

361

1.1.2.4 Titandioxid TiO_2

361

1.1.2.5 Eisenoxide

361

1.1.2.6 Hochschmelzende Oxide

362

1.1.3 Oxidische Verbindungen

363

1.1.3.1 Oxide mit Perowskit-Struktur

363

1.1.3.2 Oxide mit Spinell-Struktur

364

1.1.3.3 Silikate

364

1.1.4 Entstehung keramischer Gefüge

367

1.1.4.1 Sintern fester Phasen

368

1.1.4.2 Sintern mit flüssiger Phase

369

1.1.4.3 Reaktionssintern

370

1.2 Gläser

370

1.3 Glaskeramik

373

1.4 Metallische Gläser

374

2 Mechanische Eigenschaften

377

2.1 Verformungsverhalten

377

2.1.1 Verformungsverhalten bei tiefen Temperaturen

377

2.1.1.1 Keramik

377

2.1.1.2 Glas

378

2.1.2 Verformungsverhalten bei hohen Temperaturen

378

2.1.2.1 Keramik

378

2.1.2.2 Glas

379

2.2 Bruchverhalten

379

2.2.1 Keramik

379

2.2.2 Glas

381

2.3 Möglichkeiten zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften

382

2.3.1 Keramik

382

2.3.2 Glas

384

3 Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe

386

3.1 Keramische Werkstoffe

386

3.1.1 Silikatkeramik

386

3.1.2 Oxidkeramik

390

3.1.2.1 Aluminiumoxid Al_2O_3

390

3.1.2.2 Zirkoniumdioxid ZrO_2

392

3.1.3 Nichtoxidkeramik

393

3.1.3.1 Carbide, Nitride

393

3.1.3.2 Kohlenstoff

396

3.1.4 Feuerfeste Werkstoffe (Steine)

398

3.2 Gläser

400

3.2.1 Technisch wichtige Glassorten

400

3.2.2 Kalknatron-Gläser

400

3.2.3 Borosilikat-Gläser

401

3.2.4 Gläser mit speziellen optischen Eigenschaften

401

3.2.4.1 Kristallglas

401

3.2.4.2 Optische Gläser

402

3.2.4.3 Gläser mit veränderter Strahlungsdurchlässigkeit

403

3.2.4.4 Phototrope Gläser

404

Quellenverzeichnis und weiterführende Literatur

406

Sachwortverzeichnis

410

 

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