1 Grundlagen der Metall- und Legierungskunde (H.-J. Bargel, G. Schulze) 1

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1 IX 1 Grundlagen der Metall- und Legierungskunde (H.-J. Bargel, G. Schulze) Aufbau kristalliner Stoffe Bindungsformen anorganischer Stoffe Gitteraufbau des Idealkristalls Realkristalle, Gitterbaufehler, Energie von Fehlstellen Punktförmige Gitterbaufehler Versetzungen Zweidimensionale Gitterbaufehler Einkristall, Vielkristall Korngröße Kornformen Eigenschaften der Metalle Elektrische und thermische Eigenschaften Elektrische Leitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit Magnetismus Mechanische Eigenschaften Elastische und plastische Verformung Mechanismen der plastischen Verformung Verformbarkeit, Gleitsysteme Verfestigung Fließkurve Phasenumwandlungen Primärkristallisation bei reinen Metallen Keimbildung Kristallwachstum Primärkristallisation bei Legierungen Einfluss der Korngrenzen Umwandlungen im festen Zustand Martensitbildung Martensit in Fe-C-Legierungen Formgedächtnislegierungen Thermisch aktivierte Vorgänge Diffusion FICKsches Gesetz, Diffusionskoeffizient Platzwechselmechanismen Technische Anwendungen Erholung und Rekristallisation Kriechvorgänge und Spannungsrelaxation Grundlagen der Legierungsbildung Mischkristalle Substitutionsmischkristalle (SMK) Einlagerungsmischkristalle (EMK) Intermediäre Kristalle 36

2 X 1.6 Zustandsschaubilder Grundlagen, Begriffe, Definitionen Phasengesetz Aufstellen der Zustandsschaubilder Zustandsschaubilder von Zweistofflegierungen Vollkommene Unlöslichkeit im flüssigen und festen Zustand Vollkommene Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, vollkommene Unlöslichkeit im festen Zustand Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, begrenzte Löslichkeit im festen Zustand Eutektische Systeme Peritektische Systeme Zustandsschaubilder mit intermediären Phasen Zustandsschaubilder mit Umwandlungen im festen Zustand Nichtgleichgewichtszustände Kristallseigerung Unterkühlungserscheinungen in eutektischen Systemen Entartetes Eutektikum Eigenschaften technischer Legierungen Anwendungen der Zustandsschaubilder Eigenschaften von Legierungen aus Kristallgemengen Eigenschaften von Legierungen aus Mischkristallen Eigenschaften von Legierungen mit Umwandlungen im festen Zustand Legierungen mit Überstrukturen und intermediären Phasen Legierungen, die Segregate bilden Aushärten Korrosion Elektrochemische Grundlagen Elektrolyt Lösungstension, elektrochemische Spannungsreihe Korrosionselement Wasserstoffkorrosion Sauerstoffkorrosion Korrosionsformen Korrosionsarten Korrosion ohne mechanische Beanspruchung Korrosion mit zusätzlicher mechanischer Beanspruchung Korrosionsverhalten der Werkstoffe Korrosionsschutz Korrosionsprüfungen 65 2 Einwirkung von Herstellung und Weiterverarbeitung auf die Eigenschaften von Metallen (H.-J. Bargel, G. Schulze) Metallgewinnung, Verhüttung Erze, Anreicherungsverfahren Verhüttung, Reduktion Raffination Nichtmetallische Verunreinigungen Gase im Metall 69

3 XI 2.2 Schmelzen und Erstarren Ausgewählte Erstarrungsvorgänge Seigerungen Lunker Einfluss des Gießverfahrens Umformen Warmformgebung Umformtemperatur Einfluss des Gefüges Warmformgebungsverfahren Kaltformgebung Einfluss des Gefüges Kaltformgebungsverfahren Sintern (Pulvermetallurgie) Pulverherstellung, Sintervorgang Möglichkeiten und Eigenschaften von Sinterwerkstoffen Schweißen und Löten Thermische Wirkung Schweißeigenspannungen Aufbau und Eigenschaften der thermisch beeinflussten Bereiche Werkstoffbedingte Besonderheiten und Schwierigkeiten beim Schweißen Probleme während des Erwärmens Probleme während des Erstarrens Verbindungsschweißen unterschiedlicher Werkstoffe Werkstoffbedingte Probleme beim Löten Eigenspannungen Eigenspannungen infolge Kaltverformung Eigenspannungen infolge schneller Abkühlung Nachweis und Abbau von Eigenspannungen 94 3 Werkstoffprüfung (H.-J. Bargel) Statische Festigkeits- und Verformungskennwerte Spannung Verformung Verlauf Elastische Kennwerte Kennwerte des Zugversuchs Kennwerte des Druckversuchs Biegeversuch und Verdrehversuch Zeitstandversuch Einflussfaktoren Versuchsbedingte Einflüsse Werkstoffbedingte Einflüsse Vergleich verschiedener Werkstoffe Besonderheiten einzelner Werkstoffgruppen Festigkeits- und Verformungskennwerte bei schwingender Beanspruchung Definitionen 106

4 XII Kennzeichnung schwingender Beanspruchung Einstufige Beanspruchung Mehrstufige Beanspruchung Prüfverfahren Einflüsse auf die Schwingfestigkeit Spannungsverhältnis, Dauerfestigkeitsschaubild Spannungsgradient Oberfläche Prüfbedingungen Statische Festigkeit Werkstoffverhalten bei schwingender Beanspruchung Verfestigung, Entfestigung Gefügeänderungen Rissbildung, Rissfortschritt Schwingungsbruch (Dauerbruch) Härtekennwerte Begriffe Statische Härteprüfverfahren Messung der Eindruckfläche Messung der Eindringtiefe Vergleich von Härteangaben Dynamische Härteprüfverfahren Einflüsse auf die Härtewerte Kennwerte des Bruchverhaltens Bruchformen Bruchkriterien, Grundlagen der Bruchmechanik Verfahren zur Prüfung des Zähigkeitsverhalten Kerbschlagbiegeversuch nach CHARPY Kompakt-Zugversuch Weitere Prüfverfahren Einflüsse auf das Bruchverhalten Anwendungsgrenzen von Bruchversuchen Technologische Prüfverfahren Prüfung der Umformeigenschaften Prüfung der Gießeigenschaften Weitere technologische Prüfungen Zerstörungsfreie Prüfung Kapillarverfahren Magnetische und induktive Verfahren Schallverfahren Strahlenverfahren Metallografische Untersuchungsverfahren Makroskopische Verfahren Mikroskopische Verfahren Lichtmikroskopie Raster-Elektronenmikroskopie Durchstrahlungs-Elektronenmikroskopie 137

5 XIII 3.8 Physikalische Analyseverfahren Spektralanalyse Lichtemissionsspektroskopie Röntgenspektroskopie Röntgenfeinstrukturuntersuchung Eisenwerkstoffe (G. Schulze, H.-J. Bargel) Eisen-Kohlenstoff-Schaubild (EKS) Metallkundliche Grundlagen Phasenänderungen im Eisen-Kohlenstoff-Schaubild Einteilung der Eisenwerkstoffe Stahlherstellung Hochofenerzeugnisse Erschmelzungsverfahren Allgemeine Grundlagen THOMAS-Verfahren (T) SIEMENS-MARTIN-Verfahren (M) Sauerstoff-Aufblas-Verfahren (Y) Elektrostahl-Verfahren (E) Sekundärmetallurgie (Pfannenmetallurgie) Desoxidieren von Stahl Vergießen von Stahl Erstarren von Stahl Weitere Verarbeitung von Stahl Wirkung der Eisenbegleiter Mangan Silicium Phosphor Schwefel Stickstoff Wasserstoff Sauerstoff Nichtmetallische Einschlüsse Wärmebehandlung der Stähle Ziel der Wärmebehandlung Temperaturführung Glühbehandlungen (gleichgewichtsnahe Zustände) Diffusionsglühen (Homogenisieren) Grobkornglühen Spannungsarmglühen Rekristallisationsglühen Weichglühen Normalglühen (Normalisieren) Härten (Nichtgleichgewichtszustände) Einfluss der beschleunigten Abkühlung Umwandlung in der Perlitstufe 166

6 XIV Umwandlung in der Bainitstufe Umwandlung in der Martensitstufe Austenitumwandlung ZTU-Schaubilder für kontinuierliche Abkühlung Isotherme ZTU-Schaubilder ZTA-Schaubilder Härteverfahren Grundlagen, Begriffe Abschrecken, Abschreckmittel Einfaches Härten, kontinuierliches Härten Gebrochenes Härten Warmbadhärten, isothermes Härten Härtespannungen Härtbarkeitsprüfung Vergüten Normales Vergüten (Anlassvergüten) Bainitisieren Patentieren Perlitisieren Verfahren zum Härten oberflächennaher Schichten Verfahren mit begrenztem Wärmeeinbringen Verfahren mit Änderung der chemischen Zusammensetzung Legierungselemente im Stahl Einteilung und allgemeine Wirkung Mischkristall- und Carbidbildner Verschiebung der Phasengrenzen im EKS Austenitumwandlung, Darstellung im ZTU-Schaubild Härtbarkeit und Härteverhalten legierter Stähle Normgerechte Bezeichnung der Eisenwerkstoffe Benennung nach DIN EN Kennzeichnung nach Verwendung und Eigenschaften Kennzeichnung nach der chemischen Zusammensetzung Kennzeichnung durch Werkstoff-Nummern (DIN EN ) Benennung nach DIN Stahlgruppen Einteilung der Stähle Baustähle Unlegierte Baustähle nach DIN EN Kaltgewalzte weiche Stähle zum Kaltumformen nach DIN EN 10130, DIN EN Hochfeste Baustähle Methoden zum Erhöhen der Festigkeit Hochfeste, nicht vergütete Feinkornbaustähle Hochfeste vergütete Feinkornbaustähle Härtbare Maschinenbaustähle Vergütungsstähle Stähle für das Randschichthärten Nitrierstähle Einsatzstähle Warmfeste und hitzebeständige Stähle 224

7 XV Kaltzähe Stähle Nichtrostende Stähle Perlitisch-martensitische Chromstähle Ferritische und halbferritische Chromstähle Austenitische Chrom-Nickel-Stähle Austenitisch-ferritische Stähle Druckwasserstoffbeständige Stähle Werkzeugstähle Anforderungen Unlegierte Werkzeugstähle Legierte Kaltarbeitsstähle Warmarbeitsstähle Schnellarbeitsstähle Eisengusswerkstoffe Begriff, Bedeutung, Einteilung Stahlguss Stahlgusssorten Schweißen von Stahlguss Gusseisen Übersicht Gusseisendiagramme Bezeichnung von Gusseisen Hartguss Graues Gusseisen Grafitformen Gusseisen mit Lamellengrafit Mechanische Eigenschaften Einfluss der Zusammensetzung Schweißen von Grauguss Gusseisen mit Kugelgrafit Schweißen von Gusseisen mit Kugelgrafit Gusseisen mit Vermiculargrafit Temperguss Weißer Temperguss Schwarzer Temperguss Nichteisenmetalle (H. Hilbrans) Normgerechte Bezeichnung der Nichteisenmetalle Kurzzeichen Werkstoff-Nummern Kupfer und Kupferlegierungen Kupferherstellung Unlegiertes Kupfer Legiertes Kupfer Messing und Neusilber Bronzen Kupfer-Nickel-Werkstoffe mit besonderen elektrischen Eigenschaften Korrosionsbeständige Kupfer-Nickel-Legierungen 281

8 XVI 5.3 Nickel und Nickellegierungen Reinnickel Legiertes Nickel Nickel-Kupfer-Werkstoffe Zunderbeständige und warmfeste Nickellegierungen Korrosionsbeständige Nickellegierungen Nickelhaltige Magnetwerkstoffe Aluminium und Aluminiumlegierungen Unlegiertes Aluminium Legierungssysteme des Aluminiums Wärmebehandlung und Aushärten Aluminium-Knetlegierungen Aluminium-Gusslegierungen Verarbeitung von Aluminiumlegierungen Magnesium und Magnesiumlegierungen Reinmagnesium Magnesiumlegierungen Titan und Titanlegierungen Unlegiertes Titan Titanlegierungen Zirkonium und Reaktorwerkstoffe Zinn und Zinnlegierungen Reinzinn Zinnlegierungen Zink und Zinklegierungen Unlegiertes und niedriglegiertes Zink Zink-Überzüge Zink-Druckguss Blei und Bleilegierungen Weichblei Bleilegierungen Recycling metallischer Werkstoffe Anorganische nichtmetallische Werkstoffe (K.-H. Hübner) Einteilung, Definition, Bedeutung Glas Keramik Tonkeramische Werkstoffe Oxidkeramische Werkstoffe Ferroelektrische keramische Werkstoffe Magnetische keramische Werkstoffe 324

9 XVII 6.4 Kohlewerkstoffe Nichtoxidische Hartstoffe Nichtmetallische Hartstoffe Hartstoffe mit metallischen Eigenschaften Halbleiter Einteilung Bändermodell Eigenleitung Störstellenleitung p-n-übergang Transistor HALL-Generator Fotoelektrische Bauelemente Kunststoffe (O. Krüger) Einteilung und Aufbau der Kunststoffe Bezeichnungen, Begriffe Eingruppierung der Kunststoffe Vorprodukte, Formstoffe, Zusatzstoffe Normung Gemeinsame Eigenschaften, charakteristische Merkmale Äußere Merkmale Chemische und physikalische Eigenschaften Chemische Beständigkeit Dichte Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung Wärmebeständigkeit Mechanische Eigenschaften Festigkeit Formänderungseigenschaften Elektrische Eigenschaften Isolationswiderstand Durchschlagfestigkeit Kriechstromfestigkeit Dielektrische Eigenschaften Statische Aufladung Herstellung Chemische Grundlagen Grundbegriffe Kohlenstoffverbindungen Polymerbildung Polymerisation Chemische Verfahren Technische Prozesse Polymerisate Mischungen und Copolymerisate Polykondensation 366

10 XVIII Polykondensate Polyaddition Polyaddukte Aufbau und strukturelle Einflüsse Aufbauformen Strukturelle Einflüsse Strukturveränderungen Anwendungsmöglichkeiten und -grenzen Wärmeeinflüsse Formgebungsmöglichkeiten Verhalten im Gebrauchszustand Kunststoffsorten Duroplaste Thermoplaste Bestimmung von Kunststoffen Kunststoffprüfung Mechanische Eigenschaften Verhalten bei zügig gesteigerter Beanspruchung Festigkeits- und Verformungskenngrößen Elastizitätsmodul Beurteilung der Versuchsergebnisse Zeitstandverhalten Verhalten bei dynamischer Beanspruchung Härte Mechanisch-thermisches Verhalten Schubmodul und Dämpfung Formbeständigkeit in der Wärme Elektrische Eigenschaften Isoliereigenschaften Schadensanalyse (H.-J. Bargel) Schadensuntersuchungen Untersuchung von Oberflächenschäden Fraktografie Werkstoffuntersuchungen Beispiele von Schadenfällen Wasserschaden durch undichten Rohrentlüfter Bruch eines Auslassventils Bruch der Kurbelwelle eines Dieselmotors Lochkorrosion in einem Wärmeübertrager Bruch von Federringen infolge Wasserstoffversprödung Sachwortverzeichnis 425

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