Werkstoffkunde: [jetzt mit Aufgaben und Lösungen]
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer Vieweg
2012
|
| Ausgabe: | 11., bearb. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Springer-Lehrbuch
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| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Auch als Internetausgabe |
| Beschreibung: | XXII, 531 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783642177163 |
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|---|---|
| adam_text | Titel: Werkstoffkunde
Autor: Bargel, Hans-Jürgen
Jahr: 2012
Inhaltverzeichnis
1 Grundlagen der Metall- und Legierungskunde ......................... 1
Hans-Jürgen Bargel und Günter Schulze
1.1 Aufbau kristalliner Stoffe............................ I
1.1.1 Bindungsformen anorganischer Stoffe ............ 1
1.1.2 Gitteraufbau des Idealkristalls .................. 2
1.1.3 Realkristalle, Gitterbaufehler, Energie
von Fehlstellen............................... 5
1.1.4 Einkristall, Vielkristall ........................ 11
1.2 Eigenschaften der Metalle ........................... 13
1.2.1 Elektrische und thermische Eigenschaften......... 13
1.2.2 Mechanische Eigenschaften .................... 16
1.3 Phasenumwandlungen .............................. 23
1.3.1 Primärkristallisation bei reinen Metallen.......... 23
1.3.2 Primärkristallisation bei Legierungen ............ 25
1.3.3 Einfluss der Korngrenzen ...................... 28
1.3.4 Umwandlungen im festen Zustand............... 28
1.3.5 Martensitbildung ............................. 29
1.4 Thermisch aktivierte Vorgänge ....................... 32
1.4.1 Diffusion ................................... 33
1.4.2 Kristallerholung und Rekristallisation ............ 36
1.4.3 Kriechen und Spannungsrelaxation .............. 40
1.5 Grundlagen der Legierungsbildung.................... 41
1.5.1 Mischkristalle ............................... 42
1.5.2 Intermediäre Kristalle......................... 43
1.6 Zustandsschaubilder................................ 44
1.6.1 Grundlagen, Begriffe, Definitionen .............. 44
1.6.2 Phasengesetz ................................ 45
1.6.3 Aufstellen der Zustandsschaubilder .............. 46
1.6.4 Zustandsschaubilder von Zweistofflegierungen..... 48
1.6.5 Zustandsschaubilder mit intermediären Phasen..... 55
1.6.6 Zustandsschaubilder mit Umwandlungen
im festen Zustand ............................ 57
1.6.7 Nichtgleichgewichtszustände.................... 58
1.7 Eigenschaften technischer Legierungen - Anwendungen
der Zustandsschaubilder............................. 60
1.7.1 Eigenschaften von Legierungen
aus Kristallgemengen.......................... 61
XI
XII Inhaltverzeichnis
1.7.2 Eigenschaften von Legierungen
aus Mischkristallen........................... 61
1.7.3 Eigenschaften von Legierungen mit Umwandlungen
im festen Zustand ............................ 63
1.8 Korrosion ........................................ 66
1.8.1 Elektrochemische Grundlagen .................. 68
1.8.2 Korrosionsformen............................ 73
1.8.3 Korrosionsarten.............................. 74
1.8.4 Korrosionsverhalten der Werkstoffe.............. 76
1.8.5 Korrosionsschutz............................. 77
1.8.6 Korrosionsprüfungen ......................... 78
1.9 Fragen und Aufgaben zu Kap. 1 ...................... 79
Literatur.............................................. 80
2 Einwirkung von Herstellung und Weiterverarbeitung
auf die Eigenschaften von Metallen............................................. 81
Hans-Jürgen Bargel und Günter Schulze
2.1 Metallgewinnung, Verhüttung........................ 81
2.1.1 Erze, Anreicherungsverfahren .................. 81
2.1.2 Verhüttung, Reduktion........................ 82
2.1.3 Raffination.................................. 82
2.1.4 Nichtmetallische Verunreinigungen.............. 83
2.1.5 Gase im Metall .............................. 84
2.2 Schmelzen und Erstarren............................ 85
2.2.1 Ausgewählte Erstarrungsvorgänge............... 85
2.2.2 Seigerungen ................................ 87
2.2.3 Lunker..................................... 88
2.2.4 Einfluss des Gießverfahrens.................... 89
2.3 Umformen........................................ 91
2.3.1 Warmformgebung............................ 91
2.3.2 Kaltformgebung ............................. 94
2.4 Sintern (Pulvermetallurgie) .......................... 95
2.4.1 Pulverherstellung, Sintervorgang................ 96
2.4.2 Möglichkeiten und Eigenschaften von
Sinterwerkstoffen ............................ 97
2.5 Schweißen........................................ 97
2.5.1 Thermische Wirkung ......................... 98
2.5.2 Schweißeigenspannungen...................... 99
2.5.3 Aufbau und Eigenschaften der thermisch
beeinflussten Bereiche ........................ 101
2.5.4 Werkstoffbedingte Besonderheiten und
Schwierigkeiten beim Schweißen ............... 103
2.6 Werkstoffbedingte Probleme beim Löten............... 107
2.7 Wärmebehandlung ................................. 111
2.7.1 Ziel der Wärmebehandlung .................... 111
2.7.2 Temperaturführung........................... 111
2.7.3 Glühbehandlungen (gleichgewichtsnahe Zustände) .. 112
2.7.4 Härten ..................................... 114
Inhaltverzeichnis XIII
2.8 Eigenspannungen ................................. 114
2.8.1 Eigenspannungen infolge Kaltverformung ....... 115
2.8.2 Eigenspannungen infolge schneller Abkühlung ... 115
2.8.3 Nachweis und Abbau von Eigenspannungen....... 116
2.9 Fragen und Aufgaben zu Kapitel 2 ................... 116
Literatur............................................. 117
Nützliche Links .................................. 117
3 Werkstoffprüfung ......................................................................... 119
Hans-Jürgen Bargel
3.1 Statische Festigkeits- und Verformungskennwerte....... 119
3.1.1 Spannung-Verformung-Verlauf................. 119
3.1.2 Elastische Kennwerte ........................ 121
3.1.3 Kennwerte des Zugversuchs................... 123
3.1.4 Kennwerte des Druckversuchs................. 126
3.1.5 Biegeversuch und Verdrehversuch.............. 127
3.1.6 Zeitstandversuch............................ 128
3.1.7 Einflussfaktoren............................. 129
3.2 Festigkeits- und Verformungskennwerte
bei schwingender Beanspruchung.................... 132
3.2.1 Definitionen................................ 133
3.2.2 Prüfverfahren .............................. 136
3.2.3 Einflüsse auf die Schwingfestigkeit............. 136
3.2.4 Werkstoffverhalten bei schwingender
Beanspruchung............................. 140
3.3 Härtekennwerte .................................. 143
3.3.1 Begriffe.................................... 143
3.3.2 Statische Härteprüfverfahren.................. 144
3.3.3 Dynamische Härteprüfverfahren............... 148
3.3.4 Einflüsse auf die Härtewerte .................. 148
3.4 Kennwerte des Bruchverhaltens ..................... 149
3.4.1 Bruchformen............................... 149
3.4.2 Bruchkriterien, Grundlagen der Bruchmechanik .. 152
3.4.3 Verfahren zur Prüfung des Zähigkeitsverhaltens . . 155
3.4.4 Einflüsse auf das Bruchverhalten............... 159
3.4.5 Anwendungsgrenzen von Bruchversuchen ....... 161
3.5 Technologische Prüfverfahren....................... 161
3.5.1 Prüfung der Umformeigenschaften ............. 162
3.5.2 Prüfung der Gießeigenschaften ................ 163
3.5.3 Weitere technologische Prüfungen.............. 164
3.6 Zerstörungsfreie Prüfung........................... 164
3.6.1 Kapillarverfahren ........................... 164
3.6.2 Magnetische und induktive Verfahren........... 165
3.6.3 Schallverfahren............................. 166
3.6.4 Strahlenverfahren........................... 167
3.7 Metallografische Untersuchungsverfahren ............. 168
3.7.1 Makroskopische Verfahren.................... 168
3.7.2 Mikroskopische Verfahren .................... 168
XIV Inhaltverzeichnis
3.8 Physikalische Analyseverfahren ..................... 171
3.8.1 Spektralanalyse............................. 171
3.8.2 Röntgenfeinstrukturuntersuchung .............. 171
3.9 Fragen und Aufgaben zu Kap. 3 ..................... 172
Literatur............................................. 173
Nützliche Links .................................. 173
4 Eisenwerkstoffe.............................................................................. 175
Günter Schulze und Hans-Jürgen Bargel
4.1 Eisen-Kohlenstoff-Schaubild (EKS) .................. 175
4.1.1 Metallkundliche Grundlagen................... 175
4.1.2 Phasenänderungen im
Eisen-Kohlenstoff-Schaubild (EKS)............. 176
4.2 Einteilung der Eisenwerkstoffe ...................... 181
4.3 Stahlherstellung .................................. 181
4.3.1 Hochofenerzeugnisse......................... 181
4.3.2 Erschmelzungsverfahren ..................... 182
4.3.3 Sekundärmetallurgie (Pfannenmetallurgie)....... 184
4.3.4 Weitere Verarbeitung von Stahl................ 185
4.4 Wirkung der Eisenbegleiter......................... 188
4.4.1 Mangan ................................... 188
4.4.2 Silicium................................... 189
4.4.3 Phosphor.................................. 189
4.4.4 Schwefel .................................. 189
4.4.5 Stickstoff.................................. 190
4.4.6 Wasserstoff................................ 192
4.4.7 Sauerstoff ................................. 192
4.4.8 Nichtmetallische Einschlüsse.................. 193
4.5 Wärmebehandlung der Stähle ....................... 194
4.5.1 Ziel der Wärmebehandlung.................... 194
4.5.2 Glühbehandlungen von Stahl.................. 194
4.5.3 Härten .................................... 198
4.5.4 Austenitumwandlung ........................ 204
4.5.5 Härteverfahren .............................. 211
4.5.6 Vergüten .................................. 216
4.5.7 Verfahren zum Härten
oberflächennaher Schichten ................... 220
4.5.8 Wärmebehandlungsfehler..................... 227
4.6 Legierungselemente im Stahl ....................... 227
4.6.1 Einteilung und allgemeine Wirkung ............ 228
4.6.2 Austenitumwandlung, Darstellung
im ZTU-Schaubild .......................... 231
4.6.3 Härtbarkeit und Härteverhalten legierter Stähle ... 233
4.7 Normgerechte Bezeichnung der Eisenwerkstoffe........ 234
4.7.1 Benennung nach DIN EN 10027-1.............. 234
4.7.2 Kennzeichnung durch Werkstoffnummern
(DIN EN 10027-2)........................... 236
4.8 Stahlgruppen..................................... 236
4.8.1 Einteilung der Stähle......................... 236
Inhaltverzeichnis XV
4.8.2 Baustähle.................................. 239
4.8.3 Härtbare Maschinenbaustähle ................. 252
4.8.4 Warmfeste und hitzebeständige Stähle .......... 260
4.8.5 Kaltzähe Stähle............................. 264
4.8.6 Nichtrostende Stähle......................... 266
4.8.7 Druckwasserstoffbeständige Stähle............. 278
4.8.8 Werkzeugstähle............................. 279
4.9 Eisengusswerkstoffe............................... 284
4.9.1 Begriff, Bedeutung, Einteilung................. 284
4.9.2 Stahlguss.................................. 286
4.9.3 Gusseisen - Übersicht ....................... 290
4.9.4 Hartguss .................................. 291
4.9.5 Graues Gusseisen ........................... 292
4.9.6 Temperguss................................ 301
4.10 Fragen und Aufgaben zu Kap. 4 ..................... 305
Literatur............................................. 306
Nützliche Links .................................. 307
5 Nichteisenmetalle.......................................................................... 309
Hermann Hilbrans
5.1 Normgerechte Bezeichnung der Nichteisenmetalle....... 309
5.1.1 Kurzzeichen................................ 310
5.1.2 Werkstoffnummern.......................... 312
5.2 Kupfer und Kupferlegierungen ...................... 312
5.2.1 Kupferherstellung........................... 313
5.2.2 Unlegiertes Kupfer.......................... 313
5.2.3 Niedriglegiertes Kupfer ....................... 316
5.2.4 Kupfer-Zink-Legierungen...................... 317
5.2.5 Kupfer-Zink-Nickel-Legierungen................ 318
5.2.6 Kupfer-Zinn-Legierungen..................... 319
5.2.7 Kupfer-Nickel-Werkstoffe mit besonderen
elektrischen Eigenschaften.................... 321
5.2.8 Korrosionsbeständige Kupfer-Nickel-
Legierungen ............................... 322
5.3 Nickel und Nickellegierungen ....................... 323
5.3.1 Reinnickel ................................. 323
5.3.2 Legiertes Nickel ............................ 325
5.3.3 Nickel-Kupfer-Werkstoffe..................... 325
5.3.4 Hochwarmfeste und hitzebeständige
Nickellegierungen .......................... 326
5.3.5 Korrosionsbeständige Nickellegierungen......... 329
5.3.6 Nickelhaltige Magnetwerkstoffe................ 330
5.4 Aluminium und Aluminiumlegierungen............... 332
5.4.1 Unlegiertes Aluminium ...................... 333
5.4.2 Legierungssysteme des Aluminiums............ 334
5.4.3 Wärmebehandlung und Aushärten.............. 336
5.4.4 Aluminium-Knetlegierungen.................. 337
5.4.5 Aluminium-Gusslegierungen.................. 338
5.4.6 Verarbeitung von Aluminiumlegierungen........ 339
XVI Inhaltverzeichnis
5.5 Magnesium und Magnesiumlegierungen .............. 340
5.5.1 Reinmagnesium............................. 341
5.5.2 Magnesiumlegierungen ...................... 341
5.6 Titan und Titanlegierungen ......................... 343
5.6.1 Unlegiertes Titan............................ 343
5.6.2 Titanlegierungen............................ 344
5.7 Zirkonium und Reaktorwerkstoffe.................... 346
5.8 Zinn und Zinnlegierungen.......................... 347
5.8.1 Reinzinn .................................. 347
5.8.2 Zinnlegierungen ............................ 348
5.9 Zink und Zinklegierungen.......................... 349
5.9.1 Unlegiertes und niedriglegiertes Zink........... 349
5.9.2 Zink-Überzüge ............................. 350
5.9.3 Zink-Druckguss............................. 350
5.10 Blei und Bleilegierungen ........................... 351
5.10.1 Weichblei.................................. 352
5.10.2 Bleilegierungen............................. 352
5.11 Recycling metallischer Werkstoffe.................... 352
5.12 Fragen und Aufgaben zu Kap. 5 ..................... 354
Literatur............................................. 355
6 Anorganische nichtmetallische Werkstoffe................................. 357
Karl-Heinz Hübner
6.1 Einteilung, Definition, Bedeutung.................... 357
6.2 Glas............................................ 359
6.3 Keramik ........................................ 363
6.3.1 Tonkeramische Werkstoffe.................... 364
6.3.2 Oxidkeramische Werkstoffe................... 367
6.3.3 Ferroelektrische keramische Werkstoffe......... 370
6.3.4 Magnetische keramische Werkstoffe............ 372
6.4 Kohlewerkstoffe.................................. 373
6.5 Nichtoxidische Hartstoffe .......................... 376
6.5.1 Nichtmetallische Hartstoffe ................... 377
6.5.2 Hartstoffe mit metallischen Eigenschaften ....... 378
6.6 Halbleiter ....................................... 381
6.6.1 Einleitung.................................. 381
6.6.2 Bändermodell .............................. 382
6.6.3 Eigenleitung ............................... 383
6.6.4 Störstellenleitung ........................... 384
6.6.5 p-n-Übergang .............................. 386
6.6.6 Transistor ................................. 388
6.6.7 Hall-Generator ............................. 389
6.6.8 Fotoelektrische Bauelemente .................. 390
6.7 Nanotechnologie und Nanomaterialien ................ 392
6.8 Fragen und Aufgaben zu Kapitel 6 ................... 394
Literatur............................................. 395
Inhaltverzeichnis XVII
7 Kunststoffe..................................................................................... 397
Oswald Krüger
7.1 Einteilung und Aufbau der Kunststoffe................ 397
7.1.1 Bezeichnungen, Begriffe...................... 397
7.1.2 Eingruppierung der Kunststoffe................ 398
7.1.3 Vorprodukte, Formstoffe, Zusatzstoffe .......... 399
7.1.4 Normung .................................. 401
7.2 Herstellung...................................... 402
7.2.1 Chemische Grundlagen....................... 402
7.2.2 Polymerisation ............................. 409
7.2.3 Polykondensation ........................... 415
7.2.4 Polyaddition ............................... 420
7.3 Aufbau und strukturelle Einflüsse.................... 422
7.3.1 Aufbauformen.............................. 422
7.3.2 Strukturelle Einflüsse........................ 426
7.4 Kunststoffsorten .................................. 428
7.4.1 Thermoplaste............................... 428
7.4.2 Thermoplastische Elastomere (TPE) ............ 438
7.4.3 Elastomere................................. 438
7.4.4 Duroplaste................................. 439
7.5 Temperaturabhängige Eigenschaften und
Anwendungsmöglichkeiten ......................... 442
7.5.1 Thermische Zustands- und Übergangsbereiche .... 443
7.5.2 Temperaturabhängigkeit...................... 445
7.5.3 Formgebungsmöglichkeiten ................... 447
7.5.4 Verhalten im Gebrauchszustand................ 450
7.6 Modifizierung von Kunststoffen ..................... 451
7.6.1 Strukturveränderungen....................... 451
7.6.2 Weichmachung ............................. 453
7.6.3 Additive................................... 453
7.6.4 Füllstoffe.................................. 454
7.6.5 Verstärkungsstoffe .......................... 455
7.7 Gemeinsame Eigenschaften, charakteristische
Merkmale ....................................... 456
7.7.1 Äußere Merkmale ........................... 456
7.7.2 Chemische und physikalische Eigenschaften...... 457
7.7.3 Mechanische Eigenschaften ................... 458
7.7.4 Elektrische Eigenschaften..................... 462
7.8 Bestimmung von Kunststoffen....................... 464
7.9 Kunststoffprüfung ................................ 467
7.9.1 Mechanische Eigenschaften ................... 467
7.9.2 Mechanisch-thermisches Verhalten ............. 476
7.9.3 Elektrische Eigenschaften..................... 478
7.10 Kriterien zur Kunststoffauswahl ..................... 482
7.10.1 Allgemeine Anforderungen.................... 482
7.10.2 Eigenschaftskennwerte ....................... 483
7.11 Fragen und Aufgaben zu Kap. 7 ..................... 484
Literatur............................................. 484
XVIII Inhaltverzeichnis
8 Schadensanalyse............................................................................. 485
Hans-Jürgen Bargel
8.1 Methodik einer Schadensanalyse..................... 487
8.1.1 Voruntersuchungsphase ...................... 487
8.1.2 Entscheidungsphase ......................... 488
8.1.3 Untersuchungsphase ......................... 488
8.1.4 Auswertungsphase .......................... 488
8.2 Schadensuntersuchungen........................... 489
8.3 Verschleißschäden ................................ 489
8.3.1 Verschleißsystem ........................... 490
8.3.2 Verschleißarten............................. 491
8.3.3 Verschleißmechanismen...................... 491
8.3.4 Verschleißmerkmale......................... 492
8.4 Korrosionsschäden................................ 493
8.5 Wasserstoffversprödung............................ 493
8.6 Fraktografie...................................... 496
8.7 Beispiele von Schadenfällen ........................ 498
8.7.1 Wasserschaden durch undichten Rohrentlüfter .... 498
8.7.2 Bruch eines Auslassventils.................... 500
8.7.3 Bruch der Kurbelwelle eines Dieselmotors....... 501
8.7.4 Lochkorrosion in einem Wärmeübertrager....... 502
8.7.5 Bruch von Federringen infolge
Wasserstoffversprödung ...................... 503
8.8 Fragen und Aufgaben zu Kap. 8 ..................... 504
Literatur............................................. 504
Nützliche Links .................................. 504
Lösungen zu den Übungsaufgaben.................................................... 505
Sachverzeichnis.................................................................................... 517
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