Werkstoffkunde für Ingenieure: Grundlagen, Anwendung, Prüfung
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| Sprache: | German |
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Berlin [u.a.]
Springer Vieweg
2015
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| Ausgabe: | 5. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Springer-Lehrbuch
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| adam_text | Titel: Werkstoffkunde für Ingenieure
Autor: Roos, Eberhard
Jahr: 2015
Inhaltsverzeichnis
1 Überblick............................................................. 1
1.1 Was ist ein Werkstoff?............................................ 1
1.2 Werkstoffkunde.................................................. 2
1.3 Geschichte und Zukunft .......................................... 4
2 Atomarer Aufbau kristalliner Stoffe..................................... 7
2.1 Atomaufbau .................................................... 7
2.2 Die chemischen Elemente......................................... 8
2.2.1 Eigenschaften metallischer Elemente........................ 8
2.2.2 Einteilung und Übersicht.................................. 9
2.2.3 Leichtmetalle ............................................ 9
2.2.4 Schwermetalle ........................................... 10
2.2.5 Bindungen zwischen Atomen.............................. 10
2.3 Anordnung der Atome im festen Körper............................ 11
2.3.1 Kristallstrukturen ........................................ 13
2.3.2 Modifikationen - Allotropie (Polymorphie) ................. 17
2.3.3 Kristallographische Ebenen................................ 19
2.4 Reale kristalline Festkörper........................................ 23
2.4.1 Nulldimensionale Gitterstörungen.......................... 23
2.4.2 Eindimensionale Fehler ................................... 24
2.4.3 Zweidimensionale Fehler.................................. 29
2.4.4 Dreidimensionale Fehler................................... 31
2.5 Fragen zu Kap. 2................................................. 31
3 Legierungsbildung .................................................... 33
3.1 Grundbegriffe ................................................... 33
3.1.1 Substitutionsmischkristall ................................. 34
3.1.2 Einlagerungsmischkristall ................................. 35
3.2 Zustandsdiagramme von Zweistoffsystemen......................... 36
3.2.1 Vollkommene Unlöslichkeit im flüssigen und im festen Zustand 37
3.2.2 Vollkommene Löslichkeit im flüssigen und im festen Zustand .. 38
IX
Inhaltsverzeichnis
3.2.3 Vollkommene Löslichkeit im flüssigen und vollkommene
Unlöslichkeit im festen Zustand............................. 40
3.2.4 Vollkommene Löslichkeit im flüssigen und teilweise Löslichkeit
im festen Zustand......................................... 42
3.2.5 Peritektisches System ..................................... 44
3.2.6 Verbindungsbildung...................................... 45
3.3 Zustandsdiagramme von Dreistoffsystemen......................... 47
3.4 Reale Zustandsdiagramme ........................................ 48
3.5 Gefügeänderungen im festen Zustand............................... 50
3.5.1 Ausscheidungshärtung.................................... 50
3.5.2 Eutektoide Umwandlung.................................. 52
3.6 Fragen zu Kapitel 3............................................... 53
Thermisch aktivierte Vorgänge......................................... 55
4.1 Allgemeines..................................................... 55
4.2 Diffusion........................................................ 57
4.3 Kristallerholung und Rekristallisation .............................. 61
4.3.1 Kristallerholung.......................................... 61
4.3.2 Rekristallisation.......................................... 62
4.3.3 Weiteres Kornwachstum nach Rekristallisation............... 66
4.4 Sintervorgänge .................................................. 69
4.5 Fragen zu Kap. 4................................................. 70
Mechanische Eigenschaften............................................. 73
5.1 Einleitung....................................................... 73
5.2 Reversible Verformung........................................... 74
5.2.1 Elastische Verformung.................................... 74
5.2.2 Hyperelastisches Verhalten................................ 79
5.2.3 Anelastische Verformung.................................. 80
5.3 Irreversible Verformung.......................................... 81
5.3.1 Plastische Verformung.................................... 81
5.3.2 Verformungstexturen..................................... 90
5.3.3 Eigenspannungen......................................... 91
5.3.4 Viskose Verformung...................................... 93
5.3.5 Superplastizität .......................................... 94
5.3.6 Kriechen ................................................ 96
5.3.7 Relaxation............................................... 99
5.4 Schwingfestigkeitsuntersuchung................................... 100
5.4.1 Grundlagen.............................................. 100
5.4.2 Spannungskontrollierter Versuch (Wöhlerversuch)........... 101
5.4.3 Dehnungskontrollierter Versuch (Anrisskennlinie)........... 103
5.4.4 Einflussgrößen auf die Dauerfestigkeit ...................... 106
Inhaltsverzeichnis XI
5.5 Verfestigungsmechanismen ....................................... 109
5.5.1 Kaltverfestigung ......................................... 110
5.5.2 Mischkristallverfestigung.................................. 111
5.5.3 Ausscheidungshärtung.................................... 113
5.5.4 Verfestigung durch Kornverfeinerung....................... 113
5.6 Bruchvorgänge und Bruchmechanik ............................... 114
5.6.1 Verformungsloser Bruch (Sprödbruch, Spaltbruch)........... 115
5.6.2 Verformungsbruch ....................................... 120
5.6.3 Ermittlung des J-Integrals (Bauteilcharakteristik)............. 122
5.6.4 Ermittlung der zähbruchmechanischen Werkstoffkennwerte .. 123
5.6.5 Zeitstand- bzw. Kriechbruch............................... 125
5.6.6 Zeit-und Dauerbruch .................................... 127
5.7 Zerstörungsfreie Prüfung ......................................... 130
5.7.1 Replika-Methode......................................... 135
5.7.2 Weiterentwicklung........................................ 135
5.8 Fragen zu Kap. 5................................................. 136
6 Eisenwerkstoffe....................................................... 137
6.1 Gewinnung und Verarbeitung von Eisen............................ 137
6.1.1 Erze und Erzaufbereitung ................................. 137
6.1.2 Roheisengewinnung ...................................... 137
6.1.3 Roheisenweiterverarbeitung zu Stahl (Frischen).............. 140
6.1.4 Verfahren der Nachbehandlung des Stahles.................. 142
6.1.5 Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren (ESU) ............... 143
6.2 Eisen-Kohlenstoff-Legierungen.................................... 144
6.2.1 Eisen-Kohlenstoffdiagramm............................... 144
6.2.2 Phasenbildungen......................................... 145
6.3 Legierungen .................................................... 152
6.3.1 Stahl.................................................... 152
6.3.2 Bezeichnungssysteme der Stähle ........................... 155
6.3.3 Einteilung und Verwendung von Stählen.................... 159
6.4 Verfahren zur Eigenschaftsänderung............................... 161
6.4.1 Glühen von Stahl......................................... 161
6.4.2 Härten und Vergüten von Stahl ............................ 164
6.4.3 Ausscheidungshärtung.................................... 186
6.5 Stähle für besondere Anforderungen................................ 186
6.5.1 Stähle für den Kraftwerks- und Anlagenbau.................. 186
6.5.2 Hochfeste Feinkornbaustähle (FK-Stähle).................... 187
6.5.3 Warmfeste legierte Stähle für Druckbehälter und Schmiedestücke 192
6.5.4 Hochfeste Stähle für den Automobilbau..................... 195
6.6 Versprödungserscheinungen an Stählen ............................ 200
6.6.1 Diffusions- und Ausscheidungsvorgänge.................... 201
XII Inhaltsverzeichnis
6.7 Eisengusswerkstoffe.............................................. 206
6.7.1 Einteilung............................................... 207
6.7.2 Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) ....................... 207
6.7.3 Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS)........................... 210
6.7.4 Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV)..................... 212
6.8 Werkstofftechnische Zusammenhänge beim Schweißen von Stählen___ 214
6.8.1 Bedeutung der Schweißtechnik ............................ 214
6.8.2 Werkstofftechnische Vorgänge beim Schmelzschweißen....... 214
6.8.3 Gefügeausbildungen...................................... 214
6.8.4 Auswirkungen auf das Festigkeitsverhalten .................. 217
6.9 Fragen zu Kap. 6................................................. 218
7 Nichteisenmetalle..................................................... 219
7.1 Kupfer und Kupferlegierungen (Buntmetalle)........................ 219
7.1.1 Kupfer.................................................. 219
7.1.2 Kupferlegierungen ....................................... 223
7.2 Aluminium und Aluminiumlegierungen............................ 230
7.2.1 Aluminium.............................................. 230
7.2.2 Legierungen ............................................. 233
7.3 Titan und Titanlegierungen ....................................... 241
7.3.1 Herstellung.............................................. 241
7.3.2 Reines Titan ............................................. 242
7.3.3 Titanlegierungen......................................... 244
7.4 Nickel und Nickellegierungen ..................................... 247
7.4.1 Nickel .................................................. 247
7.4.2 Nickellegierungen ........................................ 248
7.5 Magnesium und Magnesiumlegierungen............................ 259
7.5.1 Herstellung und Verarbeitung.............................. 259
7.5.2 Eigenschaften............................................ 260
7.5.3 Legierungen ............................................. 261
7.6 Fragen zu Kap. 7................................................. 262
8 Kunststoffe........................................................... 263
8.1 Bezeichnung der Kunststoffe...................................... 263
8.2 Herstellung von Kunststoffen...................................... 264
8.2.1 Synthese................................................. 264
8.2.2 Technische Herstellung (Polymerisation) ................... 267
8.2.3 Formgebung............................................. 268
8.2.4 Additive ................................................ 271
8.3 Kunststoffgruppen............................................... 271
8.3.1 Thermoplaste............................................ 271
8.3.2 Elastomere .............................................. 275
8.3.3 Duroplaste .............................................. 275
Inhaltsverzeichnis XIII
8.4 Physikalische und mechanische Eigenschaften....................... 277
8.4.1 Physikalische Eigenschaften................................ 277
8.4.2 Mechanische Eigenschaften ............................... 277
8.5 Wichtige Kunststoffe mit Anwendungen............................ 283
8.6 Fragen zu Kap. 8................................................. 283
9 Keramische Werkstoffe................................................ 285
9.1 Herstellung, Struktur............................................. 285
9.1.1 Einteilung der keramischen Massen......................... 285
9.1.2 Formgebung............................................. 287
9.1.3 Brennvorgang - Sintern - Reaktionssintern ................. 289
9.1.4 Atomare Vorgänge beim Brennen.......................... 289
9.1.5 Gefügeaufbau............................................ 290
9.2 Eigenschaften.................................................... 290
9.2.1 Oxidkeramik ............................................ 291
9.2.2 Nichtoxidkeramik........................................ 295
9.3 Wärmedämmschichten........................................... 300
9.4 Fragen zu Kap. 9................................................. 301
10 Verbundwerkstoffe.................................................... 303
10.1 Allgemeines..................................................... 303
10.1.1 Verstärkungsstoffe und Füllstoffe........................... 304
10.1.2 Matrixwerkstoffe......................................... 304
10.2 Faserverstärkte Verbundwerkstoffe................................. 306
10.2.1 Faserverstärkte Kunststoffe................................ 308
10.2.2 Herstellung faserverstärkter Kunststoffe..................... 309
10.2.3 Faserverstärkte Metalle (MMC, Metal Matrix Composite) ..... 311
10.2.4 Herstellung faserverstärkter Metalle......................... 312
10.2.5 Faserverstärkte Keramik (CMC, Ceramic Matrix Composite) .. 313
10.2.6 Herstellung keramischer Verbundwerkstoffe................. 314
10.3 Teilchenverbundwerkstoffe........................................ 315
10.3.1 Metallkeramik ........................................... 315
10.4 Schichtverbundwerkstoffe......................................... 316
10.5 Beschichtungstechnik ............................................ 317
10.5.1 Einleitung............................................... 317
10.5.2 Beschichtungsverfahren................................... 318
10.5.3 Verhalten von Beschichtungen............................. 321
10.6 Fragen zu Kap. 10................................................ 322
11 Physikalische Eigenschaften............................................ 323
11.1 Dämpfung ...................................................... 323
11.2 Wärmeleitfähigkeit .............................................. 324
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