Inhaltsverzeichnis. Vorwort. Danksagung. Symbolverzeichnis

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1 Inhaltsverzeichnis Vorwort XV Danksagung XXI Symbolverzeichnis XXIII 1 Einführung Historische Aspekte Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Warum beschäftigen wir uns mit Materialwissenschaft und Werkstofftechnik? Klassifizierung von Werkstoffen Hochleistungswerkstoffe/innovative Werkstoffe Der Bedarf an neuen Werkstoffen Die Beziehung zwischen Herstellung, Struktur, Eigenschaften und Anwendung 13 Zusammenfassung 15 Literatur 16 Fragen und Aufgaben 16 2 Atombau und chemische Bindung Einführung Grundlagen Elektronen im Atom Das Periodensystem der Elemente Bindungskräfte und Energie Hauptvalenzbindungen Nebenvalenzbindungen, Van-der-Waals-Bindungen Moleküle 34 Zusammenfassung 34 Literatur 36 Fragen und Aufgaben 37 3 Die Struktur kristalliner Festkörper Einführung Grundlagen Elementarzellen Kristallstrukturen von Metallen Berechnung der Dichte Polymorphie und Allotropie Kristallsysteme Punktkoordinaten Kristallografische Richtungen Kristallografische Ebenen 56 Materialwissenschaften und Werkstofftechnik, 1. Auflage. William D. Callister und David G. Rethwisch Übersetzungsherausgeber: Michael Scheffler 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Published 2013 by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

2 VIII Inhaltsverzeichnis 3.11 Lineare und planare Dichte Dichtest gepackte Kristallstrukturen Einkristalle Polykristalline Werkstoffe Anisotropie Die Bestimmung von Kristallstrukturen mit Röntgenstrahlung Nichtkristalline Festkörper 70 Zusammenfassung 71 Literatur 75 Fragen und Aufgaben 75 4 Fehlstellen in Festkörpern Einleitung Leerstellen und Zwischengitteratome Fremdatome in Feststoffen Angabe der Zusammensetzung Versetzungen Liniendefekte Flächendefekte Volumendefekte Atomschwingungen Grundlagen der Mikroskopie Mikroskopische Untersuchungsmethoden Korngrößenbestimmung 101 Zusammenfassung 102 Literatur 105 Fragen und Aufgaben Diffusion Einführung Diffusionsmechanismen Stationäre Diffusion Nichtstationäre Diffusion Faktoren, die den Diffusionsprozess beeinflussen Diffusion in Halbleiterwerkstoffen Andere Diffusionswege 127 Zusammenfassung 127 Literatur 129 Fragen und Aufgaben Mechanische Eigenschaften metallischer Werkstoffe Einleitung Spannung und Dehnung Spannungs-Dehnungs-Verhalten Anelastizität Elastische Eigenschaften von Werkstoffen Verhalten unter Zugbelastung Wahre Spannung und wahre Dehnung Elastische Erholung nach plastischer Verformung Druck-, Scher- und Torsionsverformungen Härte Streuung von Werkstoffeigenschaften Auslegungs- und Sicherheitsaspekte 164 Zusammenfassung 166 Literatur 170 Fragen und Aufgaben 170

3 Inhaltsverzeichnis IX 7 Versetzungen und Verfestigungsmechanismen Einleitung Grundlagen Eigenschaften von Versetzungen Gleitsysteme Gleiten in Einkristallen Plastische Verformung von polykristallinen Werkstoffen Verformung durch Zwillingsbildung Verfestigung durch Verringerung der Korngröße Mischkristallverfestigung Kaltverfestigung Erholung Rekristallisation Kornwachstum 200 Zusammenfassung 202 Literatur 206 Fragen und Aufgaben Werkstoffversagen Einführung Grundlagen Duktiler Bruch Sprödbruch Grundzüge der Bruchmechanik Prüfung der Bruchzähigkeit Zyklische Beanspruchung Die Wöhler-(S-N-)Kurve Risseinleitung und -ausbreitung Ermüdungsbeständigkeit Einflussfaktoren Umgebungseinflüsse Allgemeine Beschreibung des Kriechverhaltens Auswirkungen von Spannung und Temperatur Extrapolationsverfahren für Daten zur Beschreibung des Kriechverhaltens Legierungen für den Einsatz bei hohen Temperaturen 245 Zusammenfassung 246 Literatur 250 Fragen und Aufgaben Phasendiagramme Einleitung Löslichkeitsgrenze Phasen Mikrostruktur Phasengleichgewicht Einkomponenten-Phasendiagramme Binäre isomorphe Systeme Interpretation von Phasendiagrammen Entstehung der Mikrostruktur in isomorphen Legierungen Mechanische Eigenschaften isomorpher Legierungen Binäre eutektische Systeme Entstehung der Mikrostruktur in eutektischen Legierungen Gleichgewichtsdiagramme mit intermediären Phasen oder Verbindungen Eutektoide und peritektische Reaktionen Kongruente Phasenumwandlungen 288

4 X Inhaltsverzeichnis 9.16 Phasendiagramme für Keramiken, ternäre Phasendiagramme Die Gibbs sche Phasenregel Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm Enstehung der Mikrostruktur von Stählen Der Einfluss weiterer Legierungselemente 301 Zusammenfassung 302 Literatur 306 Fragen und Aufgaben Phasenübergänge: Bildung von Mikrostrukturen und die Änderung mechanischer Eigenschaften Einführung Grundlagen Kinetik der Phasenumwandlungen Metastabile Zustände Gleichgewichtszustände Isotherme Zeit-Temperatur- Umwandlungsdiagramme (ZTU-Diagramme) ZTU-Diagramme für kontinuierliche Abkühlung Mechanische Eigenschaften von Stählen Anlassgefüge Überblick über die Phasenumwandlungen und mechanischen Eigenschaften von unlegierten Stählen 346 Zusammenfassung 349 Literatur 353 Fragen und Aufgaben Verarbeitung und Verwendung von metallischen Werkstoffen Einleitung Eisenwerkstoffe Nichteisenlegierungen Formgebung durch Gießverfahren Formgebung durch Umformverfahren Weitere Fertigungsmethoden Glühverfahren Härten von Stählen Ausscheidungshärtung 400 Zusammenfassung 405 Literatur 410 Fragen und Aufgaben Struktur und Eigenschaften von Keramiken Einführung Kristallstrukturen Silikatkeramiken Kohlenstoff Fehlordnungen in Keramiken Diffusion in ionischen Werkstoffen Phasendiagramme keramischer Systeme Sprödbruch Spannungs-Dehnungs-Verhalten Mechanismus der plastischen Verformung Sonstige mechanische Aspekte 448

5 Inhaltsverzeichnis XI Zusammenfassung 450 Literatur 453 Fragen und Aufgaben Herstellung, Verarbeitung und Verwendung von Keramiken und von Gläsern Einführung Gläser Glaskeramiken Tonwerkstoffe Feuerfestwerkstoffe Schleifmittel Zemente und Betone Technische Keramiken (Hochleistungskeramiken) Herstellung und Verarbeitung von Gläsern und Glaskeramiken Herstellung und Verarbeitung von Tonprodukten Pulverpressen Foliengießen Sonstiges 482 Zusammenfassung 482 Literatur 486 Fragen und Aufgaben Polymerstrukturen Einführung Kohlenwasserstoffe Polymermoleküle Die Chemie der Polymermoleküle Die Molmasse Die Molekülform Die Molekülstruktur Die Molekülkonfiguration Thermoplaste und Duroplaste Copolymere Kristallinität von Polymeren Polymerkristalle Fehlstellen in Polymeren Diffusion in Polymeren 512 Zusammenfassung 514 Literatur 518 Fragen und Aufgaben Polymere: Eigenschaften, Verarbeitung und Verwendung Einführung Spannungs-Dehnungs-Verhalten Makroskopische Deformation Viskoelastische Deformation Bruchverhalten von Polymeren Weitere mechanische Eigenschaften Deformation teilkristalliner Polymere Faktoren, die die mechanischen Eigenschaften teilkristalliner Polymere beeinflussen Deformation von Elastomeren Kristallisation Schmelzen Der Glasübergang Schmelz- und Glasübergangstemperatur 545

6 XII Inhaltsverzeichnis Schmelz- und Glasübergangstemperatur beeinflussende Faktoren Plaste (Plastomere und Duromere) Elaste (Elastomere) Fasern Sonstige Anwendungen Besondere Polymerwerkstoffe Polymerisation Polymeradditive Formgebungstechnologien für Polymere Verarbeitung von Elastomeren Herstellung von Fasern und Folien 565 Zusammenfassung 567 Literatur 572 Fragen und Aufgaben Verbundwerkstoffe Einführung Verbundwerkstoffe mit großen Partikeln (Teilchenverbunde) Dispersionsverstärkte Komposite Einfluss der Faserlänge Einfluss der Orientierung und des Volumenanteils der Fasern Fasern Die Verstärkungsphase Die Matrixphase Verbundwerkstoffe mit Polymermatrix Metallmatrix-Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe Hybride Verbundwerkstoffe Verarbeitung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen Schichtverbundwerkstoffe Sandwich-Strukturen 607 Zusammenfassung 610 Literatur 613 Fragen und Aufgaben Korrosion und Degradation von Werkstoffen Einführung Elektrochemische Betrachtungen Korrosionsgeschwindigkeiten Vorhersage von Korrosionsraten Passivierung Umgebungseinflüsse Formen der Korrosion Korrosive Umgebungen Korrosionsschutz Oxidation Quellen und Auflösen von Polymeren Bindungsbruch Verwitterung 654 Zusammenfassung 654 Literatur 658 Fragen und Aufgaben Elektrische Eigenschaften Einführung Das Ohm sche Gesetz 664

7 Inhaltsverzeichnis XIII 18.3 Die elektrische Leitfähigkeit Elektronen- und Ionenleitung Die Bänderstruktur der Energieniveaus in Festkörpern Leitungsvorgänge aus der Sicht des Bändermodells und der Atombindung Elektronenmobilität Der spezifische Widerstand von Metallen Elektrische Eigenschaften von Legierungen für den industriellen Einsatz Eigenhalbleitung Störstellenhalbleitung Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerdichte Beeinflussung der Ladungsträgermobilität Der Hall-Effekt Halbleiterbauelemente Leitungsvorgänge in ionischen Werkstoffen Elektrische Eigenschaften von Polymeren Die Kapazität Feldvektoren und Polarisation Arten der Polarisation Die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätszahl Dielektrische Festigkeit Dielektrische Werkstoffe Ferroelektrizität Piezoelektrizität 707 Zusammenfassung 708 Literatur 714 Fragen und Aufgaben Thermische Eigenschaften Einführung Wärmekapazität Thermische Ausdehnung Wärmeleitfähigkeit Thermische Spannungen 731 Zusammenfassung 733 Literatur 735 Fragen und Aufgaben Magnetische Eigenschaften Einführung Grundlagen des Magnetismus Diamagnetismus und Paramagnetismus Ferromagnetismus Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus Einfluss der Temperatur auf das magnetische Verhalten Domänen und Hysterese Magnetische Anisotropie Weichmagnetische Werkstoffe Hartmagnetische Werkstoffe Magnetspeicher Supraleitung 765 Zusammenfassung 768 Literatur 771 Fragen und Aufgaben Optische Eigenschaften Einführung Elektromagnetische Strahlung 776

8 XIV Inhaltsverzeichnis 21.3 Die Wechselwirkung von Licht mit Festkörpern Wechselwirkungen mit Atomen und Elektronen Brechung Reflexion Absorption Transmission Farbe Opazität und Transluzenz von Isolatoren Lumineszenz Fotoleitung Laser Lichtwellenleiter in der Kommunikationstechnik 796 Zusammenfassung 799 Literatur 803 Fragen und Aufgaben Ökonomische, ökologische und gesellschaftliche Aspekte von Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 22.1 Einführung Bauteilauslegung Werkstoffe Herstellungsverfahren Überlegungen zum Recycling in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 813 Zusammenfassung 819 Literatur 820 Fragen und Aufgaben 820 Anhang A 821 Anhang B 823 Anhang C 847 Anhang D 851 Glossar 853 Lösungsteil 867 Register 873