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