Grundlagen der Konstruktionswerkstoffe für Studium und Praxis

Grundlagen der Konstruktionswerkstoffe für Studium und Praxis

von: Pius Portmann, Janko Auerswald

Wiley-VCH, 2023

ISBN: 9783527839971

Sprache: Deutsch

516 Seiten, Download: 34501 KB

 
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Grundlagen der Konstruktionswerkstoffe für Studium und Praxis



  Cover 1  
  Titelseite 5  
  Impressum 6  
  Inhaltsverzeichnis 7  
  Vorwort 17  
  Danksagung 19  
  1 Metallkunde 21  
     1.1 Wichtige Kristallstrukturen von Metallen 22  
        1.1.1 Miller'sche Indizes: Bezeichnung von Richtungen und Ebenen 23  
        1.1.2 Packungsdichte und dicht gepackte Ebenen in Metallen 26  
        1.1.3 Polymorphie: Die Vielgestalt einiger Metalle 28  
     1.2 Kristallbaudefekte in realen Metallstrukturen 29  
        1.2.1 0D: punktförmige Defekte 30  
        1.2.2 1D: Versetzungen 31  
        1.2.3 2D: Korngrenzen und andere Flächendefekte 32  
        1.2.4 3D: Ausscheidungen 33  
     1.3 Tropie: Die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften 34  
     1.4 Linear-elastische Verformung 36  
        1.4.1 Linear-elastische Verformung isotroper Werkstoffe 36  
        1.4.2 Vertiefung: linear-elastische Tensoren für isotrope Werkstoffe 39  
        1.4.3 Vertiefung: linear-elastische Tensoren und Anisotropiefaktor für kubische Einkristalle 42  
     1.5 Plastische Verformung der Metalle 43  
        1.5.1 Vereinfachte Betrachtung der plastischen Verformung 43  
        1.5.2 Vertiefende Betrachtung der plastischen Verformung 44  
        1.5.3 Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und plastischer Verformbarkeit 51  
     1.6 Verfestigung von Metallen durch Kristallbaudefekte 51  
        1.6.1 0D: Mischkristallverfestigung 51  
        1.6.2 1D: Kaltverfestigung 53  
        1.6.3 2D: Feinkornverfestigung 54  
        1.6.4 3D: Ausscheidungshärtung 54  
     1.7 Aufgaben 55  
     Zusammenfassung 56  
  2 Legierungskunde 59  
     2.1 Erstarrungsverhalten von Metallschmelzen 59  
     2.2 Homogene oder heterogene Gefüge 61  
     2.3 Legierungen 62  
        2.3.1 Homogene Legierungen aus Mischkristallen 62  
        2.3.2 Heterogene Legierungen aus Kristallgemischen 63  
        2.3.3 Legierungen mit intermetallischen oder intermediären Phasen 64  
     2.4 Zweistoffsysteme (Auswahl) 65  
        2.4.1 Zweistoffsystem mit vollständiger Löslichkeit 65  
        2.4.2 Eutektisches Zweistoffsystem mit begrenzter Löslichkeit 68  
        2.4.3 Eutektisches Zweistoffsystem Aluminium-Silizium 75  
        2.4.4 Zweistoffsysteme mit intermetallischen Phasen 77  
     2.5 Aufgaben 78  
     Zusammenfassung 80  
  3 Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (metastabiles EKD) 81  
     3.1 Das metastabile Zweistoffsystem Eisen-Kohlenstoff 81  
     3.2 Hebelgesetz und Gefügeentstehung im metastabilen EKD 84  
     3.3 Ausblick auf die Kapitel Stahl und Eisengusswerkstoffe (Kap. c07 bis c10) 88  
     3.4 Aufgaben 88  
     Zusammenfassung 89  
  4 Werkstoffprüfung 91  
     4.1 Methoden der Werkstoffprüfung zur Ermittlung mechanischer Kennwerte 91  
        4.1.1 Technische Spannung und technische Dehnung 91  
        4.1.2 Zugversuch 93  
        4.1.3 Härteprüfung 103  
        4.1.4 Biegeversuch 106  
        4.1.5 Torsionsversuch 108  
        4.1.6 Dynamische Werkstoffprüfung – Dauerschwingversuch nach Wöhler 110  
        4.1.7 Kerbschlagbiegeversuch und Zähigkeit 115  
        4.1.8 Zeitstandversuch: Kriechen und Relaxation 119  
        4.1.9 Weitere technologische Versuche 122  
     4.2 Verfahren der Rissprüfung 122  
        4.2.1 Durchstrahlungsprüfung 123  
        4.2.2 Ultraschallrissprüfung 123  
        4.2.3 Magnetpulverprüfung 124  
        4.2.4 Wirbelstromprüfung 125  
        4.2.5 Farbeindringprüfung 125  
     4.3 Mikroskopische Mess- und Prüfverfahren 125  
        4.3.1 Stereomikroskop 125  
        4.3.2 Konfokale Lasermikroskopie 125  
     4.4 Methoden der Analyse von Struktur und Gefüge 126  
        4.4.1 Strukturanalyse durch Röntgenbeugung (XRD) 126  
        4.4.2 Metallographische Lichtmikroskopie 127  
        4.4.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 128  
        4.4.4 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 129  
        4.4.5 Computertomographie: der Röntgenblick ins Material 129  
     4.5 Analyse der chemischen Zusammensetzung 131  
        4.5.1 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) 131  
        4.5.2 EDX und WDX 133  
        4.5.3 Photoelektronenspektroskopie (XPS) 134  
        4.5.4 Auger-Elektronenspektroskopie 136  
        4.5.5 Funkenspektrometrie (OES, optische Emissionsspektrometrie) 136  
        4.5.6 Massenspektrometer 136  
        4.5.7 Nasschemische Analyse 137  
        4.5.8 Infrarotspektroskopie (FTIR) 137  
     4.6 Aufgaben 138  
     Zusammenfassung 140  
  5 Korrosion 143  
     5.1 Grundlagen der Korrosion 143  
        5.1.1 Elektrochemische Standardpotentiale 143  
        5.1.2 Galvanische Zelle 146  
        5.1.3 Sauerstoff- oder Wasserstoffkorrosion? 148  
        5.1.4 Sauerstoffkorrosion 148  
        5.1.5 Wasserstoffkorrosion 149  
        5.1.6 Sonderfall Passivierung 149  
        5.1.7 Flächenregel 150  
     5.2 Erscheinungsformen der Korrosion in der Praxis 151  
        5.2.1 Gleichmäßige Flächenkorrosion 151  
        5.2.2 Kontaktkorrosion und selektive Korrosion 152  
        5.2.3 Interkristalline Korrosion 153  
        5.2.4 Lochfraßkorrosion 154  
        5.2.5 Rostfreier Edelstahl: Lochfraßpotential und PREN-Nummer 156  
        5.2.6 Spaltkorrosion und Belüftungselement 160  
        5.2.7 Spannungsrisskorrosion 162  
        5.2.8 Korrosionsrisiko Umformmartensit im austenitischen rostfreien Edelstahl 163  
     5.3 Korrosionsschutz 164  
        5.3.1 Passiver Korrosionsschutz 164  
        5.3.2 Aktiver Korrosionsschutz 164  
     5.4 Mess- und Prüfverfahren für Korrosion 165  
        5.4.1 Salzsprühtest 165  
        5.4.2 Test auf interkristalline Korrosionsanfälligkeit (IK-Test) 166  
        5.4.3 Stromdichte-Potentialkurven (Lochfraßpotentialmessungen) 166  
        5.4.4 Chemische Analyse der Korrosionsprodukte 168  
     5.5 Aufgaben 168  
     Zusammenfassung 169  
  6 Oberflächentechnik 171  
     6.1 Grundlagen der Tribologie 171  
        6.1.1 Reibung 171  
        6.1.2 Schmierung 172  
        6.1.3 Verschleiß 174  
     6.2 Oberflächenbehandlungen 175  
        6.2.1 Mechanische Verfahren 175  
        6.2.2 Thermische Randschichtverfahren 176  
        6.2.3 Reinigen und Entfetten 176  
        6.2.4 Oberflächenaktivierung 177  
        6.2.5 Haftvermittler 177  
     6.3 Chemische Umwandlungsschichten 179  
        6.3.1 Beizen und Passivieren von rostfreiem Edelstahl 179  
        6.3.2 Phosphatieren von Stahl 180  
        6.3.3 Brünieren von Stahl 180  
        6.3.4 Chromatieren von Aluminium, Magnesium und Zink 181  
        6.3.5 Anodisieren von Aluminium 182  
        6.3.6 Anodisieren von Titan 185  
     6.4 Oberflächenbeschichtungen 185  
        6.4.1 Lackieren 185  
        6.4.2 Galvanisieren 188  
        6.4.3 Chemisch Nickel oder chemisch Kupfer 192  
        6.4.4 Metallisieren von Kunststoffen 193  
        6.4.5 Feuerbeschichtungen, Lamellenbeschichtung und Plattieren 194  
        6.4.6 Thermisches Spritzen 194  
        6.4.7 Emaillieren 197  
        6.4.8 Sol-Gel-Technologie 199  
        6.4.9 Dünnschichttechnologien PVD und CVD 200  
     6.5 Aufgaben 202  
     Zusammenfassung 203  
  7 Stahl: Technologie und Wärmebehandlung 205  
     7.1 Stahltechnologie 206  
        7.1.1 Hochofenprozess und Linz-Donawitz-Verfahren 206  
        7.1.2 Direktreduktionsprozess und Elektrostahlverfahren 207  
        7.1.3 Sekundärmetallurgie und Weiterverarbeitung des Stahls 209  
        7.1.4 Stahlerzeugnisse 211  
     7.2 Wärmebehandlung: Glühen von Stahl 215  
        7.2.1 Homogenisierungsglühen, Lösungsglühen, Blankglühen 216  
        7.2.2 Grobkornglühen 217  
        7.2.3 Normalglühen 217  
        7.2.4 Weichglühen 218  
        7.2.5 Rekristallisationsglühen 218  
        7.2.6 Spannungsarmglühen 220  
     7.3 Wärmebehandlung: Härten und Vergüten von Stahl 220  
        7.3.1 Martensitisches Härten 220  
        7.3.2 Anlassvergüten 222  
        7.3.3 Bainitisches Vergüten 224  
        7.3.4 Patentieren 225  
        7.3.5 Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild (ZTU-Diagramm) 226  
     7.4 Wärmebehandlung: Ausscheidungshärtung von Spezialstählen 230  
        7.4.1 Kohärente Ausscheidungen in martensitaushärtenden Stählen (Maraging und PH-Stähle) 230  
        7.4.2 Sekundärhärtung durch Carbide und Nitride beim Anlassen 232  
     7.5 Wärmebehandlung: Härten der Oberfläche 232  
        7.5.1 Randschichthärten ohne thermochemische Diffusion 232  
        7.5.2 Verfahren mit thermochemischer Diffusion und martensitischer Randschichthärtung 235  
        7.5.3 Verfahren mit thermochemischer Diffusion ohne martensitische Randschichthärtung 237  
        7.5.4 Bestimmung der Einhärtetiefe (Härteverlaufskurve) 241  
     7.6 Wärmebehandlung: praktische Hinweise 242  
     7.7 Schweißeignung der Stähle 243  
     7.8 Aufgaben 244  
     Zusammenfassung 245  
  8 Stahl: Güteklassen, Kurznamen und Werkstoffnummern 247  
     8.1 Einteilung in Güteklassen 247  
     8.2 Kurznamen und Werkstoffnummern für Stahl 249  
        8.2.1 Kurznamen nach Verwendungszweck und mechanischen oder physikalischen Eigenschaften 249  
        8.2.2 Kurznamen nach chemischer Zusammensetzung 252  
        8.2.3 Internationale Werkstoffnummern 255  
     8.3 Aufgaben 259  
     Zusammenfassung 259  
  9 Stahl: Ausgewählte Sorten und Anwendungen 261  
     9.1 Stahlsorten für den Stahlbau 261  
        9.1.1 Unlegierte Baustähle und Maschinenbaustähle 261  
        9.1.2 Mikrolegierte Feinkornbaustähle mit erhöhter Festigkeit und Zähigkeit 263  
        9.1.3 Wetterfeste Baustähle 266  
        9.1.4 Flacherzeugnisse für das Kaltumformen 267  
        9.1.5 Flacherzeugnisse mit erhöhter Festigkeit für den Leichtbau von Automobilen 268  
     9.2 Spezielle Stahlsorten für den Maschinen- und Stahlbau 271  
        9.2.1 Kaltfließpressstähle (Kaltstauchstähle) 272  
        9.2.2 Automatenstähle für die spanende Bearbeitung 272  
        9.2.3 Einsatzstähle 274  
        9.2.4 Nitrierstähle 275  
        9.2.5 Vergütungsstähle 276  
        9.2.6 Federstähle 280  
        9.2.7 Verschleißfeste Wälzlagerstähle und Hartmanganstahl 283  
        9.2.8 Druckwasserstoffbeständige Stähle 285  
        9.2.9 Martensitaushärtende (Maraging-)Stähle mit höchster Festigkeit 285  
        9.2.10 Kaltzähe Stähle für tiefe Temperaturen 287  
        9.2.11 Warmfeste Stähle für hohe Temperaturen 288  
     9.3 Nichtrostende Stähle 291  
        9.3.1 Rostfreie ferritische Stähle 292  
        9.3.2 Rostfreie martensitische Stähle 293  
        9.3.3 Rostfreie nickelmartensitische und PH-Stähle 295  
        9.3.4 Rostfreie austenitische und superaustenitische Stähle 296  
        9.3.5 Rostfreie Duplex- und Superduplexstähle 298  
        9.3.6 Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und typische Anwendungen rostfreier Stähle 299  
     9.4 Nichtrostende hitzebeständige Stähle 301  
     9.5 Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften 303  
        9.5.1 Nichtrostende nichtmagnetisierbare Stähle 303  
        9.5.2 Elektrobleche 304  
     9.6 Stahlsorten für Werkzeuge 304  
        9.6.1 Unlegierte Werkzeugstähle 305  
        9.6.2 Legierte Kaltarbeitsstähle 305  
        9.6.3 Warmarbeitsstähle 308  
        9.6.4 Schnellarbeitsstähle 309  
     9.7 Aufgaben 312  
     Zusammenfassung 313  
  10 Eisengusswerkstoffe 315  
     10.1 Stahlguss 317  
     10.2 Herstellung von Gusseisen 319  
     10.3 Entstehung des Gefüges von Gusseisen 319  
        10.3.1 Eutektische Reaktion: Graues und weißes Gusseisen 319  
        10.3.2 Eutektoide Reaktion: Perlitische oder ferritische Matrix 320  
        10.3.3 Ferritische Matrix durch Perlitzerfall 320  
     10.4 Graues Gusseisen: Wichtigster Eisengusswerkstoff 322  
        10.4.1 Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) 322  
        10.4.2 Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) 325  
        10.4.3 Gusseisen mit Vermikulargraphit (GJV) 328  
        10.4.4 Sondergusseisen: korrosionsbeständiger austenitischer Grauguss (GJLA und GJSA) 328  
        10.4.5 Sondergusseisen: GJS-SiMo für hohe Temperaturen 329  
        10.4.6 Sondergusseisen: Ausferritisch vergütetes („bainitisches“) Gusseisen 329  
     10.5 Weißes Gusseisen 330  
        10.5.1 Perlitischer Hartguss (GJN) 330  
        10.5.2 Temperguss (GJMW und GJMB) 331  
        10.5.3 Sondergusseisen – verschleißfester perlitischer Hartguss 331  
     10.6 Kennzeichnung und Anwendungen von Gusseisen 331  
     10.7 Aufgaben 335  
     Zusammenfassung 336  
  11 Aluminium 337  
     11.1 Gewinnung von Aluminium 337  
     11.2 Nachhaltiges Aluminiumrecycling 339  
     11.3 Kennzeichnung und Einteilung der Aluminiumwerkstoffe 339  
     11.4 Verfestigungsmechanismen in Aluminiumlegierungen 342  
     11.5 Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen 343  
        11.5.1 Ausgewählte Glühbehandlungen 343  
        11.5.2 Ausscheidungshärten hochfester Aluminiumlegierungen 343  
     11.6 Anwendungen von Aluminium und seinen Legierungen 352  
        11.6.1 Reinaluminium und seine Anwendungen 352  
        11.6.2 Aluminiumknetlegierungen und ihre Anwendungen 354  
        11.6.3 Aluminiumgusslegierungen und ihre Anwendungen 358  
     11.7 Oberflächenbehandlungen 364  
     11.8 Aufgaben 364  
     Zusammenfassung 366  
  12 Andere Nichteisenmetalle 367  
     12.1 Titan 367  
        12.1.1 Arten und Anwendungen von Titanlegierungen 367  
        12.1.2 Fallstudie Anwendungen Titan in der Luftfahrt: Kampfjet 371  
        12.1.3 Fallstudie Anwendungen Titan in der Medizintechnik: Dentalimplantate 372  
     12.2 Magnesium 374  
     12.3 Nickel 375  
        12.3.1 Korrosionsbeständige Monellegierungen 375  
        12.3.2 Hochtemperaturfeste Nickelbasissuperlegierungen 376  
        12.3.3 Fallstudie einkristalline Turbinenschaufel 378  
        12.3.4 Heizleiter 379  
        12.3.5 Formgedächtnislegierungen 379  
        12.3.6 Weichmagnetische Nickellegierungen 379  
     12.4 Cobalt 380  
     12.5 Kupfer 380  
        12.5.1 Herstellung von Kupfer 380  
        12.5.2 Anwendungen von reinem und niedriglegiertem Kupfer 381  
        12.5.3 Anwendungen ausgewählter Kupferlegierungen 384  
     12.6 Zink 387  
     12.7 Zinn 387  
     12.8 Refraktärmetalle: Wolfram, Molybdän, Tantal und Niob 388  
     12.9 Edelmetalle 391  
     12.10 Aufgaben 392  
     Zusammenfassung 393  
  13 Keramik und Glas 395  
     13.1 Keramik: Herstellung und Konstruktionsregeln 396  
     13.2 Umgang mit dem Sprödbruchverhalten von Keramiken 398  
        13.2.1 Weibull-Festigkeitsverteilung von Keramiken 398  
        13.2.2 Bruchzähigkeit von Keramiken 399  
     13.3 Silikatkeramik 401  
     13.4 Feuerfeste Keramik 402  
     13.5 Hochleistungskeramik 404  
        13.5.1 Aluminiumoxid 404  
        13.5.2 Zirkoniumoxid 406  
        13.5.3 Siliziumcarbid 409  
        13.5.4 Siliziumnitrid 410  
     13.6 Schneidkeramik für die spanende Bearbeitung 411  
     13.7 Funktionskeramik 414  
        13.7.1 Piezoelektrische Keramiken 414  
        13.7.2 Vertiefung piezoelektrische Keramik: Fallstudie hochpräzise Positioniersysteme 417  
        13.7.3 Ferrimagnetische Keramiken 420  
        13.7.4 Supraleitende Keramiken 422  
        13.7.5 Optische Keramiken 422  
     13.8 Glaskeramik 424  
     13.9 Glas 425  
        13.9.1 Herstellung von Glas 426  
        13.9.2 Quarzglas 427  
        13.9.3 Kalk-Natron-Glas 428  
        13.9.4 Borosilikatglas 428  
        13.9.5 Thermisch und chemisch gehärtete Gläser 428  
        13.9.6 Verbund- und Sicherheitsgläser 430  
        13.9.7 Gefärbte Gläser und Überfanggläser 430  
        13.9.8 Gläser mit Bleioxid 430  
     13.10 Aufgaben 431  
     Zusammenfassung 432  
  14 Kunststoffe 433  
     14.1 Einteilung der Kunststoffe nach Vernetzungsgrad: Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste 435  
     14.2 Struktur und Eigenschaften thermoplastischer Kunststoffe 435  
        14.2.1 Monomere als chemische Grundbausteine 435  
        14.2.2 Entstehung kettenartiger Makromoleküle 436  
        14.2.3 Primärbindungen in den Molekülketten 436  
        14.2.4 Sekundärbindungen zwischen den Molekülketten 437  
        14.2.5 Amorphe und kristalline Bereiche in Kunststoffen 438  
        14.2.6 Kristalline Bereiche in Flüssigkristallpolymeren 439  
        14.2.7 Viskoelastisches Verhalten von amorphen und teilkristallinen Kunststoffen 439  
        14.2.8 Anisotropie beim Strecken der Makromoleküle 441  
        14.2.9 Lineare und verzweigte Ketten 442  
        14.2.10 Copolymere zum gezielten Einstellen von Eigenschaften 442  
        14.2.11 Zusatzstoffe (Additive) und Einfluss auf die Eigenschaften 443  
     14.3 Thermoplaste und ihre Anwendungen 443  
        14.3.1 Thermoplastische Massenkunststoffe 444  
        14.3.2 Thermoplastische Ingenieurkunststoffe 447  
        14.3.3 Thermoplastische Hochleistungskunststoffe 451  
     14.4 Elastomere und ihre Anwendungen 453  
        14.4.1 R-Kautschuke mit ungesättigten Hauptketten 453  
        14.4.2 M-Kautschuke mit gesättigten Hauptketten 455  
        14.4.3 Q-Kautschuke (Silikone) 456  
        14.4.4 U-Kautschuke (Polyurethane) 457  
        14.4.5 O- und T-Kautschuke 458  
        14.4.6 Spritzgießbare thermoplastische Elastomere 458  
     14.5 Duroplaste und ihre Anwendungen 459  
     14.6 Biokunststoffe 459  
     14.7 Aufgaben 462  
     Zusammenfassung 463  
  15 Werkstoffe, Rohstoffe und Nachhaltigkeit: persönliches Schlusswort 465  
     15.1 Ressourcenverbrauch und Kreislaufwirtschaft 465  
     15.2 Rohstoffabbau und Nachhaltigkeit 467  
     15.3 Verantwortung ist immer persönlich 469  
     Lösungen 471  
  Literatur 493  
  Stichwortverzeichnis 503  
  EULA 516  

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