Description
Book SynopsisGrundlagen der Konstruktionswerkstoffe für Studium und Praxis Der anwendungsorientierte Einstieg in die Welt der Konstruktionswerkstoffe für Studierende des Maschinenbaus und der Werkstoffwissenschaften!
Viele Studierende nehmen die Werkstoffkunde anfangs als sehr trockene Disziplin wahr. Dabei ist die Welt der Werkstoffe eine überaus faszinierende. Die profunde Kenntnis von Struktur und Eigenschaften der Werkstoffe öffnet Türen zum Einstieg in High-Tech-Branchen wie Maschinenbau, Lasertechnik und Photonik, Medizintechnik, erneuerbare Energien, Präzisionsmechanik, Luft- und Raumfahrt oder Mikro- und Nanotechnologie.
Mit seinem Fokus auf Konstruktionswerkstoffe richtet sich das Lehrbuch an angehende Ingenieurinnen und Ingenieure der Fachrichtungen Maschinenbau und Werkstoffwissenschaften. Dabei werden die Grundlagen ausführlich dargestellt und stets mit Bezügen zu Praxisanwendungen flankiert. Der Inhalt deckt alle fürs Studium relevanten Themen ab: Metallkunde, Legierungskunde, das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, Werkstoffprüfung, Korrosion, Oberflächentechnik und die Werkstoffe Stahl, Eisengusswerkstoffe, Aluminium und andere Nichteisenmetalle, Keramik und Glas sowie Polymere.
Anschaulich: mehr als 400 farbige Abbildungen und Illustrationen erhöhen die Übersichtlichkeit und den Spaß am Lernen
Hilft bei der Prüfungsvorbereitung: Kapitelzusammenfassungen und zahlreiche Aufgaben mit Lösungen im Anhang
Motivierend: der Praxisbezug zu modernen Anwendungen aus High-Tech-Industrien sorgt für Aha-Effekte und stärkt das Durchhaltevermögen bei der Durchdringung des Lernstoffs
Table of ContentsVorwort xv
Danksagung xvii
1 Metallkunde 1
1.1 Wichtige Kristallstrukturen von Metallen 2
1.1.1 Miller’sche Indizes: Bezeichnung von Richtungen und Ebenen 3
1.1.2 Packungsdichte und dicht gepackte Ebenen in Metallen 6
1.1.3 Polymorphie: Die Vielgestalt einiger Metalle 8
1.2 Kristallbaudefekte in realen Metallstrukturen 9
1.2.1 0D: punktförmige Defekte 10
1.2.2 1D: Versetzungen 11
1.2.3 2D: Korngrenzen und andere Flächendefekte 12
1.2.4 3D: Ausscheidungen 13
1.3 Tropie: Die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften 14
1.4 Linear-elastische Verformung 16
1.4.1 Linear-elastische Verformung isotroper Werkstoffe 16
1.4.2 Vertiefung: linear-elastische Tensoren für isotrope Werkstoffe 19
1.4.3 Vertiefung: linear-elastische Tensoren und Anisotropiefaktor für kubische Einkristalle 22
1.5 Plastische Verformung der Metalle 23
1.5.1 Vereinfachte Betrachtung der plastischen Verformung 23
1.5.2 Vertiefende Betrachtung der plastischen Verformung 24
1.5.3 Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und plastischer Verformbarkeit 31
1.6 Verfestigung von Metallen durch Kristallbaudefekte 31
1.6.1 0D: Mischkristallverfestigung 31
1.6.2 1D: Kaltverfestigung 33
1.6.3 2D: Feinkornverfestigung 34
1.6.4 3D: Ausscheidungshärtung 34
1.7 Aufgaben 35
Zusammenfassung 36
2 Legierungskunde 39
2.1 Erstarrungsverhalten von Metallschmelzen 39
2.2 Homogene oder heterogene Gefüge 41
2.3 Legierungen 42
2.3.1 Homogene Legierungen aus Mischkristallen 42
2.3.2 Heterogene Legierungen aus Kristallgemischen 43
2.3.3 Legierungen mit intermetallischen oder intermediären Phasen 44
2.4 Zweistoffsysteme (Auswahl) 45
2.4.1 Zweistoffsystem mit vollständiger Löslichkeit 45
2.4.2 Eutektisches Zweistoffsystem mit begrenzter Löslichkeit 48
2.4.3 Eutektisches Zweistoffsystem Aluminium-Silizium 55
2.4.4 Zweistoffsysteme mit intermetallischen Phasen 57
2.5 Aufgaben 58
Zusammenfassung 60
3 Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (metastabiles EKD) 61
3.1 Das metastabile Zweistoffsystem Eisen-Kohlenstoff 61
3.2 Hebelgesetz und Gefügeentstehung im metastabilen EKD 64
3.3 Ausblick auf die Kapitel Stahl und Eisengusswerkstoffe (Kap. 7 bis 10) 68
3.4 Aufgaben 68
Zusammenfassung 69
4 Werkstoffprüfung 71
4.1 Methoden der Werkstoffprüfung zur Ermittlung mechanischer Kennwerte 71
4.1.1 Technische Spannung und technische Dehnung 71
4.1.2 Zugversuch 73
4.1.3 Härteprüfung 83
4.1.4 Biegeversuch 86
4.1.5 Torsionsversuch 88
4.1.6 Dynamische Werkstoffprüfung – Dauerschwingversuch nach Wöhler 90
4.1.7 Kerbschlagbiegeversuch und Zähigkeit 95
4.1.8 Zeitstandversuch: Kriechen und Relaxation 99
4.1.9 Weitere technologische Versuche 102
4.2 Verfahren der Rissprüfung 102
4.2.1 Durchstrahlungsprüfung 103
4.2.2 Ultraschallrissprüfung 103
4.2.3 Magnetpulverprüfung 104
4.2.4 Wirbelstromprüfung 105
4.2.5 Farbeindringprüfung 105
4.3 Mikroskopische Mess- und Prüfverfahren 105
4.3.1 Stereomikroskop 105
4.3.2 Konfokale Lasermikroskopie 105
4.4 Methoden der Analyse von Struktur und Gefüge 106
4.4.1 Strukturanalyse durch Röntgenbeugung (XRD) 106
4.4.2 Metallographische Lichtmikroskopie 107
4.4.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 108
4.4.4 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 109
4.4.5 Computertomographie: der Röntgenblick ins Material 109
4.5 Analyse der chemischen Zusammensetzung 111
4.5.1 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) 111
4.5.2 EDX und WDX 113
4.5.3 Photoelektronenspektroskopie (XPS) 114
4.5.4 Auger-Elektronenspektroskopie 116
4.5.5 Funkenspektrometrie (OES, optische Emissionsspektrometrie) 116
4.5.6 Massenspektrometer 116
4.5.7 Nasschemische Analyse 117
4.5.8 Infrarotspektroskopie (FTIR) 117
4.6 Aufgaben 118
Zusammenfassung 120
5 Korrosion 123
5.1 Grundlagen der Korrosion 123
5.1.1 Elektrochemische Standardpotentiale 123
5.1.2 Galvanische Zelle 126
5.1.3 Sauerstoff- oder Wasserstoffkorrosion? 128
5.1.4 Sauerstoffkorrosion 128
5.1.5 Wasserstoffkorrosion 129
5.1.6 Sonderfall Passivierung 129
5.1.7 Flächenregel 130
5.2 Erscheinungsformen der Korrosion in der Praxis 131
5.2.1 Gleichmäßige Flächenkorrosion 131
5.2.2 Kontaktkorrosion und selektive Korrosion 132
5.2.3 Interkristalline Korrosion 133
5.2.4 Lochfraßkorrosion 134
5.2.5 Rostfreier Edelstahl: Lochfraßpotential und PREN-Nummer 136
5.2.6 Spaltkorrosion und Belüftungselement 140
5.2.7 Spannungsrisskorrosion 142
5.2.8 Korrosionsrisiko Umformmartensit im austenitischen rostfreien Edelstahl 143
5.3 Korrosionsschutz 144
5.3.1 Passiver Korrosionsschutz 144
5.3.2 Aktiver Korrosionsschutz 144
5.4 Mess- und Prüfverfahren für Korrosion 145
5.4.1 Salzsprühtest 145
5.4.2 Test auf interkristalline Korrosionsanfälligkeit (IK-Test) 146
5.4.3 Stromdichte-Potentialkurven (Lochfraßpotentialmessungen) 146
5.4.4 Chemische Analyse der Korrosionsprodukte 148
5.5 Aufgaben 148
Zusammenfassung 149
6 Oberflächentechnik 151
6.1 Grundlagen der Tribologie 151
6.1.1 Reibung 151
6.1.2 Schmierung 152
6.1.3 Verschleiß 154
6.2 Oberflächenbehandlungen 155
6.2.1 Mechanische Verfahren 155
6.2.2 Thermische Randschichtverfahren 156
6.2.3 Reinigen und Entfetten 156
6.2.4 Oberflächenaktivierung 157
6.2.5 Haftvermittler 157
6.3 Chemische Umwandlungsschichten 159
6.3.1 Beizen und Passivieren von rostfreiem Edelstahl 159
6.3.2 Phosphatieren von Stahl 160
6.3.3 Brünieren von Stahl 160
6.3.4 Chromatieren von Aluminium, Magnesium und Zink 161
6.3.5 Anodisieren von Aluminium 162
6.3.6 Anodisieren von Titan 165
6.4 Oberflächenbeschichtungen 165
6.4.1 Lackieren 165
6.4.2 Galvanisieren 168
6.4.3 Chemisch Nickel oder chemisch Kupfer 172
6.4.4 Metallisieren von Kunststoffen 173
6.4.5 Feuerbeschichtungen, Lamellenbeschichtung und Plattieren 174
6.4.6 Thermisches Spritzen 174
6.4.7 Emaillieren 177
6.4.8 Sol-Gel-Technologie 179
6.4.9 Dünnschichttechnologien PVD und CVD 180
6.5 Aufgaben 182
Zusammenfassung 183
7 Stahl: Technologie und Wärmebehandlung 185
7.1 Stahltechnologie 186
7.1.1 Hochofenprozess und Linz-Donawitz-Verfahren 186
7.1.2 Direktreduktionsprozess und Elektrostahlverfahren 187
7.1.3 Sekundärmetallurgie und Weiterverarbeitung des Stahls 189
7.1.4 Stahlerzeugnisse 191
7.2 Wärmebehandlung: Glühen von Stahl 195
7.2.1 Homogenisierungsglühen, Lösungsglühen, Blankglühen 196
7.2.2 Grobkornglühen 197
7.2.3 Normalglühen 197
7.2.4 Weichglühen 198
7.2.5 Rekristallisationsglühen 198
7.2.6 Spannungsarmglühen 200
7.3 Wärmebehandlung: Härten und Vergüten von Stahl 200
7.3.1 Martensitisches Härten 200
7.3.2 Anlassvergüten 202
7.3.3 Bainitisches Vergüten 204
7.3.4 Patentieren 205
7.3.5 Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild (ZTU-Diagramm) 206
7.4 Wärmebehandlung: Ausscheidungshärtung von Spezialstählen 210
7.4.1 Kohärente Ausscheidungen in martensitaushärtenden Stählen (Maraging und PH-Stähle) 210
7.4.2 Sekundärhärtung durch Carbide und Nitride beim Anlassen 212
7.5 Wärmebehandlung: Härten der Oberfläche 212
7.5.1 Randschichthärten ohne thermochemische Diffusion 212
7.5.2 Verfahren mit thermochemischer Diffusion und martensitischer Randschichthärtung 215
7.5.3 Verfahren mit thermochemischer Diffusion ohne martensitische Randschichthärtung 217
7.5.4 Bestimmung der Einhärtetiefe (Härteverlaufskurve) 221
7.6 Wärmebehandlung: praktische Hinweise 222
7.7 Schweißeignung der Stähle 223
7.8 Aufgaben 224
Zusammenfassung 225
8 Stahl: Güteklassen, Kurznamen und Werkstoffnummern 227
8.1 Einteilung in Güteklassen 227
8.2 Kurznamen und Werkstoffnummern für Stahl 229
8.2.1 Kurznamen nach Verwendungszweck und mechanischen oder physikalischen Eigenschaften 229
8.2.2 Kurznamen nach chemischer Zusammensetzung 232
8.2.3 Internationale Werkstoffnummern 235
8.3 Aufgaben 239
Zusammenfassung 239
9 Stahl: Ausgewählte Sorten und Anwendungen 241
9.1 Stahlsorten für den Stahlbau 241
9.1.1 Unlegierte Baustähle und Maschinenbaustähle 241
9.1.2 Mikrolegierte Feinkornbaustähle mit erhöhter Festigkeit und Zähigkeit 243
9.1.3 Wetterfeste Baustähle 246
9.1.4 Flacherzeugnisse für das Kaltumformen 247
9.1.5 Flacherzeugnisse mit erhöhter Festigkeit für den Leichtbau von Automobilen 248
9.2 Spezielle Stahlsorten für den Maschinen- und Stahlbau 252
9.2.1 Kaltfließpressstähle (Kaltstauchstähle) 252
9.2.2 Automatenstähle für die spanende Bearbeitung 252
9.2.3 Einsatzstähle 254
9.2.4 Nitrierstähle 255
9.2.5 Vergütungsstähle 256
9.2.6 Federstähle 260
9.2.7 Verschleißfeste Wälzlagerstähle und Hartmanganstahl 263
9.2.8 Druckwasserstoffbeständige Stähle 265
9.2.9 Martensitaushärtende (Maraging-)Stähle mit höchster Festigkeit 265
9.2.10 Kaltzähe Stähle für tiefe Temperaturen 267
9.2.11 Warmfeste Stähle für hohe Temperaturen 268
9.3 Nichtrostende Stähle 271
9.3.1 Rostfreie ferritische Stähle 272
9.3.2 Rostfreie martensitische Stähle 273
9.3.3 Rostfreie nickelmartensitische und PH-Stähle 275
9.3.4 Rostfreie austenitische und superaustenitische Stähle 276
9.3.5 Rostfreie Duplex-undSuperduplexstähle 278
9.3.6 Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und typische Anwendungen rostfreier Stähle 279
9.4 Nichtrostende hitzebeständige Stähle 281
9.5 Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften 283
9.5.1 Nichtrostende nichtmagnetisierbare Stähle 283
9.5.2 Elektrobleche 284
9.6 Stahlsorten für Werkzeuge 284
9.6.1 Unlegierte Werkzeugstähle 285
9.6.2 Legierte Kaltarbeitsstähle 285
9.6.3 Warmarbeitsstähle 288
9.6.4 Schnellarbeitsstähle 289
9.7 Aufgaben 292
Zusammenfassung 293
10 Eisengusswerkstoffe 295
10.1 Stahlguss 297
10.2 Herstellung von Gusseisen 299
10.3 Entstehung des Gefüges von Gusseisen 299
10.3.1 Eutektische Reaktion: Graues und weißes Gusseisen 299
10.3.2 Eutektoide Reaktion: Perlitische oder ferritische Matrix 300
10.3.3 Ferritische Matrix durch Perlitzerfall 300
10.4 Graues Gusseisen: Wichtigster Eisengusswerkstoff 302
10.4.1 Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) 302
10.4.2 Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) 305
10.4.3 Gusseisen mit Vermikulargraphit (GJV) 308
10.4.4 Sondergusseisen: korrosionsbeständiger austenitischer Grauguss (GJLA und GJSA) 308
10.4.5 Sondergusseisen: GJS-SiMo für hohe Temperaturen 309
10.4.6 Sondergusseisen: Ausferritisch vergütetes („bainitisches“) Gusseisen 309
10.5 Weißes Gusseisen 310
10.5.1 Perlitischer Hartguss (GJN) 310
10.5.2 Temperguss (GJMW und GJMB) 311
10.5.3 Sondergusseisen – verschleißfester perlitischer Hartguss 311
10.6 Kennzeichnung und Anwendungen von Gusseisen 311
10.7 Aufgaben 315
Zusammenfassung 316
11 Aluminium 317
11.1 Gewinnung von Aluminium 317
11.2 Nachhaltiges Aluminiumrecycling 319
11.3 Kennzeichnung und Einteilung der Aluminiumwerkstoffe 319
11.4 Verfestigungsmechanismen in Aluminiumlegierungen 322
11.5 Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen 323
11.5.1 Ausgewählte Glühbehandlungen 323
11.5.2 Ausscheidungshärten hochfester Aluminiumlegierungen 323
11.6 Anwendungen von Aluminium und seinen Legierungen 332
11.6.1 Reinaluminium und seine Anwendungen 332
11.6.2 Aluminiumknetlegierungen und ihre Anwendungen 334
11.6.3 Aluminiumgusslegierungen und ihre Anwendungen 338
11.7 Oberflächenbehandlungen 344
11.8 Aufgaben 344
Zusammenfassung 346
12 Andere Nichteisenmetalle 347
12.1 Titan 347
12.1.1 Arten und Anwendungen von Titanlegierungen 347
12.1.2 Fallstudie Anwendungen Titan in der Luftfahrt: Kampfjet 351
12.1.3 Fallstudie Anwendungen Titan in der Medizintechnik: Dentalimplantate 352
12.2 Magnesium 354
12.3 Nickel 355
12.3.1 Korrosionsbeständige Monellegierungen 355
12.3.2 Hochtemperaturfeste Nickelbasissuperlegierungen 356
12.3.3 Fallstudie einkristalline Turbinenschaufel 358
12.3.4 Heizleiter 359
12.3.5 Formgedächtnislegierungen 359
12.3.6 Weichmagnetische Nickellegierungen 359
12.4 Cobalt 360
12.5 Kupfer 360
12.5.1 Herstellung von Kupfer 360
12.5.2 Anwendungen von reinem und niedriglegiertem Kupfer 361
12.5.3 Anwendungen ausgewählter Kupferlegierungen 364
12.6 Zink 367
12.7 Zinn 367
12.8 Refraktärmetalle: Wolfram, Molybdän, Tantal und Niob 368
12.9 Edelmetalle 371
12.10 Aufgaben 372
Zusammenfassung 373
13 Keramik und Glas 375
13.1 Keramik: Herstellung und Konstruktionsregeln 376
13.2 Umgang mit dem Sprödbruchverhalten von Keramiken 378
13.2.1 Weibull-Festigkeitsverteilung von Keramiken 378
13.2.2 Bruchzähigkeit von Keramiken 379
13.3 Silikatkeramik 381
13.4 Feuerfeste Keramik 382
13.5 Hochleistungskeramik 384
13.5.1 Aluminiumoxid 384
13.5.2 Zirkoniumoxid 386
13.5.3 Siliziumcarbid 389
13.5.4 Siliziumnitrid 390
13.6 Schneidkeramik für die spanende Bearbeitung 391
13.7 Funktionskeramik 394
13.7.1 Piezoelektrische Keramiken 394
13.7.2 Vertiefung piezoelektrische Keramik: Fallstudie hochpräzise Positioniersysteme 397
13.7.3 Ferrimagnetische Keramiken 400
13.7.4 Supraleitende Keramiken 402
13.7.5 Optische Keramiken 402
13.8 Glaskeramik 404
13.9 Glas 405
13.9.1 Herstellung von Glas 406
13.9.2 Quarzglas 407
13.9.3 Kalk-Natron-Glas 408
13.9.4 Borosilikatglas 408
13.9.5 Thermisch und chemisch gehärtete Gläser 408
13.9.6 Verbund- und Sicherheitsgläser 410
13.9.7 Gefärbte Gläser und Überfanggläser 410
13.9.8 Gläser mit Bleioxid 410
13.10 Aufgaben 411
Zusammenfassung 412
14 Kunststoffe 413
14.1 Einteilung der Kunststoffe nach Vernetzungsgrad: Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste 415
14.2 Struktur und Eigenschaften thermoplastischer Kunststoffe 415
14.2.1 Monomere als chemische Grundbausteine 415
14.2.2 Entstehung kettenartiger Makromoleküle 416
14.2.3 Primärbindungen in den Molekülketten 416
14.2.4 Sekundärbindungen zwischen den Molekülketten 417
14.2.5 Amorphe und kristalline Bereiche in Kunststoffen 418
14.2.6 Kristalline Bereiche in Flüssigkristallpolymeren 419
14.2.7 Viskoelastisches Verhalten von amorphen und teilkristallinen Kunststoffen 419
14.2.8 Anisotropie beim Strecken der Makromoleküle 421
14.2.9 Lineare und verzweigte Ketten 422
14.2.10 Copolymere zum gezielten Einstellen von Eigenschaften 422
14.2.11 Zusatzstoffe (Additive) und Einfluss auf die Eigenschaften 423
14.3 Thermoplaste und ihre Anwendungen 423
14.3.1 Thermoplastische Massenkunststoffe 424
14.3.2 Thermoplastische Ingenieurkunststoffe 427
14.3.3 Thermoplastische Hochleistungskunststoffe 431
14.4 Elastomere und ihre Anwendungen 433
14.4.1 R-Kautschuke mit ungesättigten Hauptketten 433
14.4.2 M-Kautschuke mit gesättigten Hauptketten 435
14.4.3 Q-Kautschuke (Silikone) 436
14.4.4 U-Kautschuke (Polyurethane) 437
14.4.5 O- und T-Kautschuke 438
14.4.6 Spritzgießbare thermoplastische Elastomere 438
14.5 Duroplaste und ihre Anwendungen 439
14.6 Biokunststoffe 439
14.7 Aufgaben 442
Zusammenfassung 443
15 Werkstoffe, Rohstoffe und Nachhaltigkeit: persönliches Schlusswort 445
15.1 Ressourcenverbrauch und Kreislaufwirtschaft 445
15.2 Rohstoffabbau und Nachhaltigkeit 447
15.3 Verantwortung ist immer persönlich 449
Lösungen 451
Literatur 473
Stichwortverzeichnis 483
