Werkstofftechnologie für Ingenieure

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Adrian Baumann
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2 James F. Shackelford Werkstofftechnologie für Ingenieure Grundlagen Prozesse Anwendungen 6., überarbeitete Auflage ein Imprint von Pearson Education München Boston San Francisco Harlow, England Don Mills, Ontario Sydney Mexico City Madrid Amsterdam

3 Inhaltsverzeichnis Vorwort zur deutschen Ausgabe 13 Inhalt und Aufbau Die Online-Inhalte der Companion Website (CWS) Die Lesergruppen Der Bearbeiter der deutschen Ausgabe Vorwort zur Originalausgabe 15 Änderungen in der sechsten Ausgabe Danksagungen Über den Autor Kapitel 1 Technische Werkstoffe Die Welt der Werkstoffe Werkstoffwissenschaft und -technik Arten von Werkstoffen Metalle Keramiken und Gläser Polymere Verbundwerkstoffe Halbleiter Von der Struktur zu den Eigenschaften Werkstoffverarbeitung Werkstoffauswahl Teil I Die Grundlagen 43 Kapitel 2 Atombindung Atomare Struktur Die Ionenbindung Die Koordinationszahl Die kovalente Bindung Die Metallbindung Die Sekundär- oder Van-der-Waals-Bindung Werkstoffe die Bindungsklassifikation

4 Kapitel 3 Kristalline Struktur der perfekte Kristall Sieben Systeme und 14 Gitter Metallstrukturen Keramikstrukturen Polymerstrukturen Halbleiterstrukturen Gitterpositionen, Gitterrichtungen und Gitterebenen Röntgenbeugung Kapitel 4 Gitterstörungen und die nichtkristalline Struktur strukturelle Fehler Lösung im festen Zustand Punktdefekte nulldimensionale Gitterdefekte Lineare Defekte oder Versetzungen eindimensionale Gitterdefekte Ebene Defekte zweidimensionale Gitterdefekte Nichtkristalline Festkörper dreidimensionale Gitterdefekte Mikroskopie Kapitel 5 Diffusion Thermisch aktivierte Prozesse Thermische Entstehung von Punktdefekten Punktdefekte und stationäre Diffusion Stationäre Diffusion Alternative Diffusionspfade Kapitel 6 Mechanisches Verhalten Spannung und Dehnung Metalle Keramiken und Gläser Polymere Elastische Verformung Plastische Verformung Härte Kriechen und Spannungsrelaxation Viskoelastische Verformung Anorganische Gläser Organische Polymere Elastomere Kapitel 7 Thermisches Verhalten Wärmekapazität Wärmeausdehnung Wärmeleitfähigkeit Thermoschock

5 Kapitel 8 Schadensanalyse und -prävention Kerbschlagarbeit Bruchzähigkeit Ermüdung Zerstörungsfreie Prüfung Röntgenprüfung Ultraschallprüfung Andere zerstörungsfreie Prüfungen Schadensanalyse und -prävention Kapitel 9 Phasendiagramme Mikrostrukturentwicklung im Gleichgewicht Die Phasenregel Das Phasendiagramm Vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand Eutektisches Diagramm ohne Löslichkeit im festen Zustand Eutektisches Diagramm mit begrenzter Löslichkeit im festen Zustand Eutektoides Diagramm Peritektisches Diagramm Allgemeine binäre Diagramme Das Hebelgesetz Gefügeausbildung bei langsamer Abkühlung Kapitel 10 Kinetik Wärmebehandlung Zeit die dritte Dimension Das ZTU-Diagramm Diffusionsgesteuerte Umwandlungen Diffusionslose (martensitische) Umwandlungen Wärmebehandlung von Stahl Härtbarkeit Ausscheidungshärtung Glühbehandlung Kaltverformung Erholung Rekristallisation Kornwachstum Kinetik der Phasenumwandlungen für Nichtmetalle

6 Teil II Die Konstruktionswerkstoffe 481 Kapitel 11 Metalle Eisenlegierungen Klassifizierung von Stählen Hoch legierte Stähle Gusseisen Schnell erstarrte Eisenlegierungen Nichteisenlegierungen Aluminiumlegierungen Magnesiumlegierungen Titanlegierungen Kupferlegierungen Nickellegierungen Zink-, Blei- und andere Legierungen Metallherstellung Kapitel 12 Keramiken und Gläser Keramiken kristalline Werkstoffe Gläser nichtkristalline Werkstoffe Glaskeramik Keramik- und Glasherstellung Kapitel 13 Polymerwerkstoffe Polymerisation Strukturelle Merkmale von Polymeren Thermoplastische Polymere Duroplastische Polymere Additive Herstellung von Polymerwerkstoffen Kapitel 14 Verbundwerkstoffe Faserverstärkte Verbundwerkstoffe Konventionelles Fiberglas Hochleistungsverbundwerkstoffe Holz ein natürlicher faserverstärkter Verbundwerkstoff Verbundwerkstoffe mit Zuschlägen Verbundeigenschaften Belastung parallel zu verstärkenden Fasern Isostrain Belastung senkrecht zur Verstärkungsfaser Isostress Belastung eines partikelverstärkten Verbundwerkstoffs mit gleichmäßiger Partikelverteilung Grenzflächenfestigkeit Mechanische Eigenschaften von Verbundwerkstoffen Verarbeitung von Verbundwerkstoffen

7 Teil III Die elektronischen, optischen und magnetischen Werkstoffe 649 Kapitel 15 Elektrisches Verhalten Ladungsträger und Leitung Energieniveaus und Energiebänder Leiter Thermoelemente Supraleiter Isolatoren Ferroelektrika Piezoelektrika Halbleiter Verbundwerkstoffe Elektrische Klassifikation von Werkstoffen Kapitel 16 Optisches Verhalten Sichtbares Licht Optische Eigenschaften Brechungsindex Reflexionskoeffizient Transparenz, Transluzenz und Opazität Farbe Lumineszenz Reflexionsvermögen und Opazität von Metallen Optische Systeme und Geräte Laser Optische Fasern Flüssigkristallanzeigen Photohalbleiter Kapitel 17 Halbleiterwerkstoffe Elementare Eigenhalbleiter Elementare Störstellenhalbleiter n-halbleiter p-halbleiter Halbleitende Verbindungen Amorphe Halbleiter Herstellung von Halbleitern Halbleiterbauelemente

8 Kapitel 18 Magnetische Werkstoffe Magnetismus Ferromagnetismus Ferrimagnetismus Metallische Magnete Weichmagnetische Werkstoffe Hartmagnetische Werkstoffe Supraleitende Magnete Keramische Magnete Magnete mit geringer Leitfähigkeit Supraleitende Magnete Teil IV Werkstoffe im technischen Entwurf 821 Kapitel 19 Umgebungsbedingter Materialverlust Oxidation direkter atmosphärischer Angriff Wässrige Korrosion elektrochemischer Angriff Galvanische Korrosion Korrosion durch Gasreduktion Wirkung von mechanischer Spannung auf Korrosion Methoden des Korrosionsschutzes Polarisationskurven Chemische Zersetzung von Keramiken und Polymeren Strahlenschäden Verschleiß Oberflächenanalyse Kapitel 20 Werkstoffauswahl Werkstoffeigenschaften als Konstruktionsparameter Auswahl von Konstruktionswerkstoffen Fallstudien Werkstoffe für Surfbrettmasten Ersatz von Metallen durch Polymere Ersatz von Metallen durch Verbundwerkstoffe Wabenstruktur Werkstoffe für Hüftgelenkendoprothesen Auswahl elektronischer, optischer und magnetischer Werkstoffe Fallstudien Amorphe Metalle für Stromverteilung Ersatz eines duroplastischen Polymers durch ein Thermoplast Metallische Lotwerkstoffe für die Flip-Chip-Technologie Leuchtdioden (LEDs) Polymere als elektrische Leiter

9 Anhang A Physikalische und chemische Daten für die Elemente 915 Anhang B Atom- und Ionenradien der Elemente 921 Anhang C Konstanten und Umrechnungsfaktoren 927 C.1 Tabelle Konstanten C.2 Tabelle Vorsätze für SI-Einheiten C.3 Tabelle Umrechnungsfaktoren Anhang D Eigenschaften der Konstruktionswerkstoffe 931 D.1 Tabelle Physikalische Eigenschaften ausgewählter Werkstoffe D.2 Tabelle Daten für Zug- und Biegeversuche von ausgewählten technischen Werkstoffen D.3 Tabelle Verschiedene mechanische Eigenschaften von ausgewählten technischen Werkstoffen D.4 Tabelle Thermische Eigenschaften von ausgewählten Werkstoffe Anhang E Eigenschaften von elektronischen, optischen und magnetischen Werkstoffen 945 E.1 Tabelle Elektrische Leitfähigkeiten ausgewählter Werkstoffe bei Raumtemperatur E.2 Tabelle Eigenschaften von Halbleitern bei Raumtemperatur E.3 Tabelle Dielektrizitätskonstante und Durchschlagsfestigkeit für verschiedene Isolatoren E.4 Tabelle Brechungsindices für ausgewählte optische Werkstoffe E.5 Tabelle Magnetische Eigenschaften für ausgewählte Werkstoffe Anhang F Antworten zu den Übungen und Aufgaben 951 Anhang G Wegweiser zur Werkstoffauswahl 975 Anhang H Glossar 977 Literatur- und Quellenverzeichnis 1021 Literatur Quellen Register

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