Dieses in die beiden Teile "Grundlagen" und "Anwendung" gegliederte Lehrbuch der Werkstofftechnik ist als eine umfassend angelegte Einführung in die moderne Werkstofftechnik gedacht.
Es eignet sich besonders als vorlesungsbegleitendes Lehrbuch für Studenten des Maschinenbaues, für Studenten der Werkstofftechnik und der Werkstoffwissenschaft als Einführung in ihr Fachgebiet sowie als wichtige Information und wertvolle Hilfe für jeden Ingenieur, der sich in der Praxis mit Werkstoffproblemen befassen muss.
Großer Wert wird auf eine klar gegliederte und verständliche Darlegung der derzeit gültigen Grundlagen der Werkstoffwissenschaft und deren Anwendung in der heutigen Ingenieurpraxis gelegt. Zahlreiche Bilder und anschauliche Diagramme unterstützen die Vermittlung der großen Stoffülle und der teils recht komplexen Zusammenhänge.
Unter gleichartigen Gesichtspunkten und eng miteinander verknüpft werden mit Metallen, Kunststoffen und Glas/Keramik alle wichtigen Werkstoffgruppen behandelt.
Teil 1 (Grundlagen):
A Struktureller Aufbau von Werkstoffen:
Atomare Struktur - Struktur des Festkörpers
B Metallische Werkstoffe:
Strukturaufbau - Mechanische Eigenschaften - Korrosionsverhalten - Technisch wichtige Metalle
C Polymerwerkstoffe:
Strukturaufbau - Mechanische Eigenschaften - Korrosionsverhalten - Technisch wichtige Kunststoffe
D Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe:
Strukturaufbau - Mechanische Eigenschaften - Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe
Inhaltsverzeichnis
1;Inhaltsverzeichnis;8 2;A Struktureller Aufbau von Werkstoffen;16 2.1;1 Atomare Struktur;17 2.1.1;1.1 Atomaufbau und Periodensystem der Elemente;17 2.1.1.1;1.1.1 Atomare Elementarteilchen;17 2.1.1.2;1.1.2 Aufbau der Elektronenhülle;18 2.1.1.3;1.1.3 Periodensystem der Elemente;21 2.1.2;1.2 Interatomare Bindungen;23 2.1.2.1;1.2.1 Primärbindungen;25 2.1.2.1.1;1.2.1.1 Ionische Bindung;25 2.1.2.1.2;1.2.1.2 Kovalente Bindung;26 2.1.2.1.3;1.2.1.3 Metallische Bindung;30 2.1.2.2;1.2.2 Sekundärbindungen;31 2.1.2.2.1;1.2.2.1 Zwischenmolekulare Bindungen;31 2.1.2.2.2;1.2.2.2 Grenzflächen- und Oberflächenbindungen;32 2.1.2.3;1.2.3 Bindung und Temperatur;34 2.1.3;1.3 Aggregatzustände;35 2.2;2 Struktur des Festkörpers;36 2.2.1;2.1 Kristalline und amorphe Strukturen;36 2.2.2;2.2 Ideale Kristallstruktur;38 2.2.2.1;2.2.1 Strukturprinzipien;38 2.2.2.2;2.2.2 Atomare Nah- und Fernordnung;38 2.2.3;2.3 Reale Kristallstruktur;43 2.2.3.1;2.3.1 Nulldimensionale Gitterfehler;43 2.2.3.2;2.3.2 Eindimensionale Gitterfehler;45 2.2.3.3;2.3.3 Zweidimensionale Gitterfehler;48 2.2.3.3.1;2.3.3.1 Korngrenzen;48 2.2.3.3.2;2.3.3.2 Grenzflächen innerhalb eines Korns;50 2.2.3.3.3;2.3.3.3 Phasengrenzen;51 2.2.3.3.4;2.3.3.4 Stapelfehler;52 2.2.4;2.4 Anisotropie, Quasiisotropie, Textur;53 3;B Metallische Werkstoffe;55 3.1;1 Strukturaufbau metallischer Werkstoffe;56 3.1.1;1.1 Metallische Gitterstrukturen;56 3.1.2;1.2 Legierungsbildung;58 3.1.2.1;1.2.1 Allgemeine Ziele der Legierungsbildung;58 3.1.2.2;1.2.2 Legierungsphasen;60 3.1.2.2.1;1.2.2.1 Lösungsphasen;60 3.1.2.2.2;1.2.2.2 Intermetallische Verbindungen;63 3.1.3;1.3 Thermodynamisches Phasengleichgewicht;66 3.1.3.1;1.3.1 Gleichgewichtsbedingungen;66 3.1.3.2;1.3.2 Diffusion;68 3.1.3.2.1;1.3.2.1 Diffusionsmechanismen;69 3.1.3.2.2;1.3.2.2 Einflussfaktoren;70 3.1.3.3;1.3.3 Phasenumwandlungen;71 3.1.3.3.1;1.3.3.1 Umwandlung einer flüssigen in eine feste Phase;72 3.1.3.3.2;1.3.3.2 Phasenumwandlungen im festen Zustand;77 3.1.3.4;1.3.4 Zustandsdiagramme;81 3.1.3.4
.1;1.3.4.1 Einstoffsysteme;82 3.1.3.4.2;1.3.4.2 Zweistoffsysteme;82 3.1.3.4.3;1.3.4.3 Dreistoffsysteme;90 3.1.4;1.4 Ausbildung realer Gefüge;91 3.2;2 Mechanische Eigenschaften;93 3.2.1;2.1 Verformungsverhalten;95 3.2.1.1;2.1.1 Elastisches Verhalten von Metallen;95 3.2.1.1.1;2.1.1.1 Verformungsmechanismus;95 3.2.1.1.2;2.1.1.2 Linear-Elastizität (Hookesches Gesetz);96 3.2.1.1.3;2.1.1.3 Anelastizität;98 3.2.1.1.4;2.1.1.4 Elastische Hysterese, mechanische Dämpfung;99 3.2.1.2;2.1.2 Plastisches Verhalten von Metallen;100 3.2.1.2.1;2.1.2.1 Verformungsmechanismus;100 3.2.1.2.2;2.1.2.2 Gleitebenen, Gleitsysteme;103 3.2.1.2.3;2.1.2.3 Mikroskopische Schubspannungen bei makroskopischen Normalspannungen;104 3.2.1.2.4;2.1.2.4 Versetzungsbewegungen;106 3.2.1.2.5;2.1.2.5 Versetzungsreaktionen;107 3.2.1.3;2.1.3 Spannung-Dehnung-Verhalten;111 3.2.1.3.1;2.1.3.1 Verformung von Einkristallen;111 3.2.1.3.2;2.1.3.2 Verformung von Vielkristallen;112 3.2.1.3.3;2.1.3.3 Wahre Spannung-Dehnung-Kurve;118 3.2.1.4;2.1.4 Verformungsverhalten bei hohen Temperaturen;119 3.2.1.4.1;2.1.4.1 Verformungsmechanismen;119 3.2.1.4.2;2.1.4.2 Entfestigungsvorgänge;121 3.2.1.4.3;2.1.4.3 Kriechverhalten;127 3.2.1.5;2.1.5 Möglichkeiten zur Festigkeitssteigerung statisch beanspruchter Metalle;128 3.2.1.5.1;2.1.5.1 Allgemeines Prinzip der Festigkeitssteigerung;128 3.2.1.5.2;2.1.5.2 Verfestigung durch Verformung;130 3.2.1.5.3;2.1.5.3 Verfestigung durch Korngrenzen;131 3.2.1.5.4;2.1.5.4 Verfestigung durch Mischkristallbildung;131 3.2.1.5.5;2.1.5.5 Verfestigung durch Teilchen;132 3.2.1.5.6;2.1.5.6 Struktureller Aufbau hochfester Metalle;136 3.2.2;2.2 Bruchverhalten;137 3.2.2.1;2.2.1 Bruchformen;137 3.2.2.2;2.2.2 Duktiles und sprödes Bruchverhalten;138 3.2.2.2.1;2.2.2.1 Duktilbruch;139 3.2.2.2.2;2.2.2.2 Energiearmer Duktilbruch;142 3.2.2.2.3;2.2.2.3 Interkristalliner Sprödbruch;142 3.2.2.2.4;2.2.2.4 Transkristalliner Sprödbruch;143 3.2.2.2.5;2.2.2.5 Struktureller Aufbau sprödbruchunempfindlicher Werkstoffe;145 3.2.2.3;
2.2.3 Dauerbruchverhalten;147 3.2.2.3.1;2.2.3.1 Ermüdungsverfestigung;148 3.2.2.3.2;2.2.3.2 Rissbildung;150 3.2.2.3.3;2.2.3.3 Rissausbreitung;152 3.2.2.3.4;2.2.3.4 Einflussfaktoren;156 3.2.2.3.5;2.2.3.5 Maßnahmen zur Steigerung der Schwingfestigkeit;161 3.2.2.4;2.2.4 Kriechbruchverhalten;163 3.2.3;2.3 Prüfung der mechanischen Eigenschaften;164 3.2.3.1;2.3.1 Prüfung des Verformungsverhaltens;164 3.2.3.1.1;2.3.1.1 Zügige Beanspruchung;164 3.2.3.1.2;2.3.1.2 Statische Langzeitbeanspruchung;165 3.2.3.2;2.3.2 Prüfung des Bruchverhaltens;166 3.2.3.2.1;2.3.2.1 Duktiles und sprödes Verhalten;166 3.2.3.2.2;2.3.2.2 Einfluss der Beanspruchungsbedingungen;166 3.2.3.2.3;2.3.2.3 Sprödbruchprüfung;169 3.2.3.2.4;2.3.2.4 Ermüdungsprüfung;174 3.2.3.3;2.3.3 Mechanische Kennwerte und deren Bedeutung für die Werkstoffanwendung;177 3.2.3.3.1;2.3.3.1 Festigkeitskennwerte;177 3.2.3.3.2;2.3.3.2 Verformungskennwerte;178 3.2.3.3.3;2.3.3.3 Übertragbarkeit von Kennwerten;180 3.3;3 Korrosionsverhalten;182 3.3.1;3.1 Korrosionsvorgänge;182 3.3.1.1;3.1.1 Die elektrolytische Auflösung von Metallen;183 3.3.1.2;3.1.2 Korrosionsreaktionen in wässrigen Lösungen;186 3.3.1.2.1;3.1.2.1 Anodische und kathodische Teilreaktionen;186 3.3.1.2.2;3.1.2.2 Säurekorrosion, Wasserstoffkorrosion;187 3.3.1.2.3;3.1.2.3 Sauerstoffkorrosion;187 3.3.1.3;3.1.3 Korrosionselemente;188 3.3.1.4;3.1.4 Passivität;189 3.3.1.5;3.1.5 Stromdichte-Potenzial-Kurven;190 3.3.2;3.2 Erscheinungsformen der Korrosion;195 3.3.2.1;3.2.1 Gleichmäßige Korrosion;195 3.3.2.2;3.2.2 Lokalisierter Korrosionsangriff;195 3.3.2.2.1;3.2.2.1 Kontaktkorrosion;196 3.3.2.2.2;3.2.2.2 Selektive Korrosion;198 3.3.2.2.3;3.2.2.3 Interkristalline Korrosion;198 3.3.2.2.4;3.2.2.4 Spaltkorrosion;199 3.3.2.2.5;3.2.2.5 Lochfraßkorrosion;200 3.3.2.2.6;3.2.2.6 Mechanisch-korrosiver Angriff;202 3.3.3;3.3 Einflussfaktoren;207 3.3.3.1;3.3.1 pH-Wert;207 3.3.3.2;3.3.2 Sauerstoffgehalt;208 3.3.3.3;3.3.3 Temperatur;209 3.3.3.4;3.3.4 Bewegungszustand;210 3.3.3.5;3.3.5 Salzgehalt;
210 3.3.3.6;3.3.6 Korrosionsmedien;211 3.3.4;3.4 Korrosionsschutz (Grundsätzliche Möglichkeiten);213 3.4;4 Technisch wichtige Metalle;214 3.4.1;4.1 Werkstoffe auf Fe-Basis;214 3.4.1.1;4.1.1 Phasenausbildungen;215 3.4.1.1.1;4.1.1.1 Allotropie von Eisen;215 3.4.1.1.2;4.1.1.2 Lösungsphasen;216 3.4.1.1.3;4.1.1.3 Verbindungsphasen;217 3.4.1.1.4;4.1.1.4 Metastabile und stabile Phasenzustände;218 3.4.1.2;4.1.2 Legierungen Fe-C, metastabil (unlegierte Stähle);220 3.4.1.2.1;4.1.2.1 Gleichgewichtsnahe Gefüge (metastabil);220 3.4.1.2.2;4.1.2.2 Ungleichgewichtige Gefüge (metastabil);227 3.4.1.3;4.1.3 Legierungen Fe-C-X (niedriglegierte Stähle);235 3.4.1.3.1;4.1.3.1 Ziele des Legierens von Eisen;235 3.4.1.3.2;4.1.3.2 Im Eisengitter lösliche Legierungselemente;235 3.4.1.3.3;4.1.3.3 Verbindungen bildende Legierungselemente;237 3.4.1.3.4;4.1.3.4 Einfluss von Legierungselementen auf die Umwandlung von Austenit;238 3.4.1.3.5;4.1.3.5 Einfluss von Legierungselementen auf die Umwandlung von Martensit;239 3.4.1.3.6;4.1.3.6 Einfluss von Legierungselementen auf die mechanischen Eigenschaften von Stählen;241 3.4.1.4;4.1.4 Legierungen Fe-X (hochlegierte Stähle);242 3.4.1.4.1;4.1.4.1 Legierungen Fe-Ni;243 3.4.1.4.2;4.1.4.2 Legierungen Fe-Cr;244 3.4.1.4.3;4.1.4.3 Legierungen Fe-Cr-Ni;246 3.4.1.5;4.1.5 Legierungen Fe-C, stabil (Gusseisen);249 3.4.1.5.1;4.1.5.1 Gefügeausbildung;249 3.4.1.5.2;4.1.5.2 Technische Gusseisensorten;253 3.4.2;4.2 Werkstoffe auf Al-Basis;254 3.4.2.1;4.2.1 Aushärtung;255 3.4.2.2;4.2.2 Al-Legierungen;259 3.4.2.2.1;4.2.2.1 Nicht aushärtbare Legierungen vom Typ AlMg;259 3.4.2.2.2;4.2.2.2 Aushärtbare Legierungen;260 3.4.2.2.3;4.2.2.3 Gusslegierungen vom Typ AISi;261 3.4.3;4.3 Werkstoffe auf Cu-Basis;262 3.4.3.1;4.3.1 Kupfer-Zink-Legierungen;264 3.4.3.2;4.3.2 Kupfer-Zinn-Legierungen;265 3.4.3.3;4.3.3 Kupfer-Aluminium-Legierungen;266 3.4.3.4;4.3.4 Kupfer-Beryllium-Legierungen;267 3.4.3.5;4.3.5 Kupfer-Nickel-Legierungen;268 3.4.4;4.4 Werkstoffe auf Ni-Basis;268 3.4.4.1;4.4.1 Ni
ckel-Chrom-Legierungen;269 3.4.4.2;4.4.2 Nickel-Kupfer-Legierungen;272 3.4.5;4.5 Werkstoffe auf Ti-Basis;272 3.4.5.1;4.5.1 Titan technischer Reinheit;273 3.4.5.2;4.5.2 Titanlegierungen;274 3.4.5.2.1;4.5.2.1 Titanlegierungen mit a-Gefüge;274 3.4.5.2.2;4.5.2.2 Titanlegierungen mit ß-Gefüge;275 3.4.5.2.3;4.5.2.3 Titanlegierungen mit (a+ß)-Gefüge;276 4;C Polymerwerkstoffe;277 4.1;1 Strukturaufbau;278 4.1.1;1.1 Unvernetzte und vernetzte Polymere (Kunststoffe);278 4.1.2;1.2 Struktureller Aufbau und räumliche Anordnung von Kettenmolekülen;279 4.1.2.1;1.2.1 Konstitution;279 4.1.2.2;1.2.2 Konfiguration;281 4.1.2.3;1.2.3 Konformation;282 4.1.2.4;1.2.4 Molekülanordnungen im Schmelzzustand;283 4.1.2.5;1.2.5 Kristalline Molekülanordnungen;283 4.1.2.6;1.2.6 Amorphe Molekülanordnungen;288 4.1.2.7;1.2.7 Orientierte Molekülzustände;289 4.1.3;1.3 Struktureller Aufbau von Netzwerken;291 4.2;2 Mechanische Eigenschaften;292 4.2.1;2.1 Verformungsverhalten;292 4.2.1.1;2.1.1 Verformungsmechanismen;292 4.2.1.1.1;2.1.1.1 Energie-Elastizität;292 4.2.1.1.2;2.1.1.2 Entropie-Elastizität;292 4.2.1.1.3;2.1.1.3 Plastizität;293 4.2.1.1.4;2.1.1.4 Viskosität;296 4.2.1.2;2.1.2 Visko-Elastizität;296 4.2.1.3;2.1.3 Spannung-Dehnung-Verhalten;298 4.2.1.4;2.1.4 Prüfung des Verformungsverhaltens;302 4.2.1.4.1;2.1.4.1 Torsionsschwingversuch;302 4.2.1.4.2;2.1.4.2 Zugversuch;305 4.2.1.4.3;2.1.4.3 Langzeitprüfung, isochrone Spannung-Dehnung-Linien;306 4.2.2;2.2 Bruchverhalten;308 4.2.2.1;2.2.1 Duktil-, Sprödbruch;308 4.2.2.2;2.2.2 Dauerbruch;311 4.2.3;2.3 Möglichkeiten zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften;313 4.2.3.1;2.3.1 Copolymerisation;313 4.2.3.2;2.3.2 Weichmachung;314 4.2.3.3;2.3.3 Polymermischungen;315 4.2.3.4;2.3.4 Füll- und Verstärkungsmittel;317 4.2.3.5;2.3.5 Sonstige Möglichkeiten;318 4.3;3 Korrosionsverhalten;319 4.3.1;3.1 Verhalten unter Witterungseinfluss (Alterung);319 4.3.2;3.2 Verhalten gegenüber flüssigen Medien;320 4.3.3;3.3 Thermische Zersetzung von Kunststoffen;321 4.4;4 Technisch
wichtige Kunststoffe;322 4.4.1;4.1 Thermoplaste;322 4.4.1.1;4.1.1 Massenkunststoffe;324 4.4.1.1.1;4.1.1.1 Polyethylen (PE);324 4.4.1.1.2;4.1.1.2 Polypropylen (PP);325 4.4.1.1.3;4.1.1.3 Polyvinylchlorid (PVC);326 4.4.1.1.4;4.1.1.4 Polystyrol (PS);327 4.4.1.2;4.1.2 Thermoplastische Konstruktions-Kunststoffe;329 4.4.1.2.1;4.1.2.1 Polyamid (PA);330 4.4.1.2.2;4.1.2.2 Polyoximethylen (POM);332 4.4.1.2.3;4.1.2.3 Polyethylen- und -butylenterephthalat (PETB, PBTP);334 4.4.1.3;4.1.3 Thermoplastische Kunststoffe mit speziellen Eigenschaften;334 4.4.1.3.1;4.1.3.1 Polymethylmethacrylat (PMMA);334 4.4.1.3.2;4.1.3.2 Polycarbonat (PC);335 4.4.1.3.3;4.1.3.3 Polytetrafluorethylen (PTFE);336 4.4.1.4;4.1.4 Thermoplaste mit erhöhter Temperaturbeständigkeit;337 4.4.2;4.2 Duroplaste;340 4.4.2.1;4.2.1 Phenol- und Aminoharze (PF, UF, MF);340 4.4.2.2;4.2.2 Ungesättigte Polyesterharze (UP);342 4.4.2.3;4.2.3 Epoxidharze (EP);343 4.4.3;4.3 Elastomere;345 4.4.3.1;4.3.1 Dien-Elastomere normaler Beständigkeit;345 4.4.3.2;4.3.2 Dien-Elastomere erhöhter Beständigkeit;347 4.4.3.3;4.3.3 Dienfreie Spezial-Elastomere;348 5;D Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe;350 5.1;1 Struktureller Aufbau;353 5.1.1;1.1 Keramik;353 5.1.1.1;1.1.1 Reine Nichtmetalle und nichtoxidische Verbindungen;353 5.1.1.2;1.1.2 Reine Oxide und oxidische Verbindungen;357 5.1.1.2.1;1.1.2.1 Ionische Gitterstrukturen;357 5.1.1.2.2;1.1.2.2 Siliciumdioxid SiO_2;359 5.1.1.2.3;1.1.2.3 Aluminiumoxid Al_2O_3;361 5.1.1.2.4;1.1.2.4 Titandioxid TiO_2;361 5.1.1.2.5;1.1.2.5 Eisenoxide;361 5.1.1.2.6;1.1.2.6 Hochschmelzende Oxide;362 5.1.1.3;1.1.3 Oxidische Verbindungen;363 5.1.1.3.1;1.1.3.1 Oxide mit Perowskit-Struktur;363 5.1.1.3.2;1.1.3.2 Oxide mit Spinell-Struktur;364 5.1.1.3.3;1.1.3.3 Silikate;364 5.1.1.4;1.1.4 Entstehung keramischer Gefüge;367 5.1.1.4.1;1.1.4.1 Sintern fester Phasen;368 5.1.1.4.2;1.1.4.2 Sintern mit flüssiger Phase;369 5.1.1.4.3;1.1.4.3 Reaktionssintern;370 5.1.2;1.2 Gläser;370 5.1.3;1.3 Glaskeramik;373 5.1.4;1.4 Metallisc
he Gläser;374 5.2;2 Mechanische Eigenschaften;377 5.2.1;2.1 Verformungsverhalten;377 5.2.1.1;2.1.1 Verformungsverhalten bei tiefen Temperaturen;377 5.2.1.1.1;2.1.1.1 Keramik;377 5.2.1.1.2;2.1.1.2 Glas;378 5.2.1.2;2.1.2 Verformungsverhalten bei hohen Temperaturen;378 5.2.1.2.1;2.1.2.1 Keramik;378 5.2.1.2.2;2.1.2.2 Glas;379 5.2.2;2.2 Bruchverhalten;379 5.2.2.1;2.2.1 Keramik;379 5.2.2.2;2.2.2 Glas;381 5.2.3;2.3 Möglichkeiten zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften;382 5.2.3.1;2.3.1 Keramik;382 5.2.3.2;2.3.2 Glas;384 5.3;3 Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe;386 5.3.1;3.1 Keramische Werkstoffe;386 5.3.1.1;3.1.1 Silikatkeramik;386 5.3.1.2;3.1.2 Oxidkeramik;390 5.3.1.2.1;3.1.2.1 Aluminiumoxid Al_2O_3;390 5.3.1.2.2;3.1.2.2 Zirkoniumdioxid ZrO_2;392 5.3.1.3;3.1.3 Nichtoxidkeramik;393 5.3.1.3.1;3.1.3.1 Carbide, Nitride;393 5.3.1.3.2;3.1.3.2 Kohlenstoff;396 5.3.1.4;3.1.4 Feuerfeste Werkstoffe (Steine);398 5.3.2;3.2 Gläser;400 5.3.2.1;3.2.1 Technisch wichtige Glassorten;400 5.3.2.2;3.2.2 Kalknatron-Gläser;400 5.3.2.3;3.2.3 Borosilikat-Gläser;401 5.3.2.4;3.2.4 Gläser mit speziellen optischen Eigenschaften;401 5.3.2.4.1;3.2.4.1 Kristallglas;401 5.3.2.4.2;3.2.4.2 Optische Gläser;402 5.3.2.4.3;3.2.4.3 Gläser mit veränderter Strahlungsdurchlässigkeit;403 5.3.2.4.4;3.2.4.4 Phototrope Gläser;404 6;Quellenverzeichnis und weiterführende Literatur;406 7;Sachwortverzeichnis;410
