Werkstoff Wissenschaften und Fertigungstechnik

Transkript

1 B. Ilschner R. F. Singer Werkstoff Wissenschaften und Fertigungstechnik Eigenschaften, Vorgänge, Technologien 5., neu bearbeitete Auflage Mit 235 Abbildungen und 31 Tabellen fyj Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einordnung in allgemeine Zusammenhänge Werkstoffe im Stoffkreislauf Rohstoffversorgung Verfolgung von Stoffflüssen. Substitution bei Mangel, Pufferfunktion von Lagern, Verlust durch Dissipation Recycling und Wiederverwendung Werkstoffe und Energie Umweltbelastung durch Werkstoffherstellung Was kosten Werkstoffe? Werkstoffe und Kulturgeschichte 14 2 Werkstoffgruppen und Werkstoffeigenschaften Werkstoffgruppen Werkstoffeigenschaften 22 3 Das Mikrogefüge und seine Merkmale Zielsetzung und Definition Probenvorbereitung für Lichtmikroskopie Das Lichtmikroskop Das Elektronenmikroskop Der Elektronenstrahl in der Analyse Quantitative Bildanalyse Einteilung und Natur der mikroskopisch nachweisbaren Gefügebestandteile Körner Die dritte Dimension der Gefüge Poren Einschlüsse Ausscheidungen und Dispersoide Eutektische Gefüge Martensit 42

3 x Inhaltsverzeichnis Versetzungen Zwillinge Ergänzende mikroskopische Verfahren Akustische Mikroskopie Tunneleffekt-Rastermikroskopie Atomare Kraftmikroskopie 46 4 Gleichgewichte Zustände und Phasen. Gew.-% und At.-% Stabilität von Zuständen Kinetik der Umwandlungen Thermodynamische Messgrößen Wärmeinhalt und Enthalpie Bildungswärme Thermodynamisches Potenzial und Entropie Messverfahren Kalorimeter, thermische Analyse, DTA Dampfdruckmessung Temperaturmessung Zustandsdiagramme metallischer und keramischer Mehrstoffsysteme Vorbemerkung Wie liest man ein Zustandsdiagramm? Das Zustandsdiagramm Fe-C Zustandsdiagramme ternärer Systeme Ellingham-Richardson-Diagramme 77 5 Atomare Bindung und Struktur der Materie Gase Bindungskräfte in kondensierten Phasen Schmelzen und Gläser Kristalle Raumgitter und Elementarzellen Wichtige Gittertypen Gitterfehlstellen Thermische Ausdehnung Experimentelle Untersuchung von Gitterstrukturen Lösungen und Mischkristalle Hochpolymere Werkstoffe Molekulare Grundstrukturen Entwicklungsprinzipien makromolekularer Werkstoffe Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere Diffusion. Atomare Platzwechsel Diffusionsvorgänge Definition Mathematische Beschreibung 112

4 Inhaltsverzeichnis xi Lösungen der Diffusionsgleichung Schichtaufbau durch Diffusion Abhängigkeit des Diffusionskoeffizienten. Thermische Aktivierung Diffusionsmechanismen Andere Triebkräfte Ionenleitung Wärmeleitung Zustandsänderungen und Phasenumwandlungen Systematik der Umwandlungen Keimbildung (homogen und heterogen) Verdampfung und Kondensation Schmelzen und Erstarren Wärmetransport Umverteilung von Legierungselementen. Seigerungen Instabilität der Wachstumsfront. Dendriten Ausbildung der Kornstruktur. Einkristalle, Stängelkristalle, Polykristalle Eutektische Erstarrung Glasige Erstarrung Diffusionsgesteuerte Umwandlung im festen Zustand Schichtwachstum (ebener Fall) Ausscheidung aus übersättigten Mischkristallen Ausscheidung in aushärtbaren Aluminiumlegierungen Ausscheidung von Ferrit aus Austenit in Stählen. Eutektoider Zerfall Spinodale Entmischung Diffusionslose Umwandlung im festen Zustand. Martensit Vorgänge an Grenzflächen Grenzflächenenergie Adsorption Wachstumsformen Benetzung. Kapillarität Sintern. Konsolidieren von Pulvern Treibende Kraft Festphasensintern Flüssigphasensintern Kornwachstum Ostwald-Reifung Korrosion und Korrosionsschutz Beispiele für Werkstoffschädigung. Definition Korrosion durch wässrige Lösungen Elektrolyte Elektroden 181

5 xii Inhaltsverzeichnis Elektrochemische Elemente Lokalelemente Säurekorrosion, Sauerstoffkorrosion, Rost Passivität Maßnahmen zum Korrosionsschutz Vermeidung kondensierter Feuchtigkeit Wasseraufbereitung und -entlüftung Korrosionsbeständige Legierungen Überzüge und Beschichtungen Kathodischer Schutz Alternative Werkstoffgruppen Zusammenwirken von korrosiver und mechanischer Beanspruchung Korrosion in Luft und Gasen bei hoher Temperatur Grundmechanismen (Deckschichtbildung, lonenreaktion) Schutzmaßnahmen gegen Hochtemperaturkorrosion Festkörperelektrolyte, Brennstoffzellen Festigkeit - Verformung - Bruch Definitionen und Maßeinheiten Elastische Formänderung Anelastisches Verhalten, Dämpfung Duktiles und sprödes Verhalten als Grenzfälle Zugversuch, Spannungs-Dehnungs-Kurve Härteprüfung Bruchvorgänge, Zäher (duktiler) Bruch Sprödbruch Anrisse, Grundzüge der Bruchmechanik Kerbschlagzähigkeit Kristallplastizität. Versetzungen Festigkeit und Verformung bei hoher Temperatur Erholung und Rekristallisation Kriechen und Zeitstandfestigkeit. Spannungsrelaxation Wechselfestigkeit und Ermüdung Viskoses Fließen. Viskoelasdsches Verhalten Vorbemerkung und Beispiele Grundmechanismus. Viskositätsdefinition Viskoelastische Modelle Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung Steigerung der elastischen Steifigkeit Steigerung des Widerstands der Legierungen gegen plastische Formänderung Steigerung der Bruchfestigkeit und Duktilität Härtung durch kombinierte Maßnahmen 266

6 Inhaltsverzeichnis xiii Festigkeitssteigerung durch Fasern (Verbundwerkstoffe) Steigerung der Warmfestigkeit Elektrische Eigenschaften Vorbemerkung über Werkstoffe der Elektrotechnik Stromtransport in metallischen Leitern Definitionen und Maßeinheiten Angaben zu wichtigen Metallen und Legierungen Temperaturabhängigkeit und Legierungseinflüsse Einflüsse durch elastische und plastische Verformung Supraleitung Nichtleiter, Isolierstoffe Technische Isolierstoffe Elektrische Polarisation Halbleiter Definition, Kennzeichen, Werkstoffgruppen Leitungsmechanismus Dotierung, Bändermodell Ionenleiter Magnetismus und Magnetwerkstoffe Magnetische Felder, Definitionen Dia- und Paramagnetismus Ferromagnetismus Physikalische Ursachen des Ferromagnetismus Antiferro- und Ferrimagnetismus Magnetostriktion Magnetisierungskurve. Hysterese Ummagnetisierungsverluste Technische Magnetwerkstoffe Allgemeine Einteilung Weichmagnetische Werkstoffe Hartmagnetische Werkstoffe Herstellungs- und verarbeitungstechnische Verfahren Vom Rohstoff zum Werkstoff Aufbereitung der Erze und Reduktion zu Metallen Stahlherstellung, Reinheitssteigerung der Metalle Herstellung keramischer Werkstoffe Herstellung von Glas Vom Werkstoff zum Werkstück (Formgebung) Fertigungsverfahren im Überblick Urformen zu Vorprodukten durch Gießen Urformen zu Endprodukten durch Gießen Urformen durch Pulvermetallurgie 351

7 xiv Inhaltsverzeichnis Umformen Formgebung von Keramik Formgebung von Glas Formgebung von Kunststoffen Spanen und Abtragen Verbinden von Werkstücken Schweißen Löten Kleben Beschichten von Werkstücken Stoffeigenschaft ändern Verbesserung der Volumeneigenschaften von Werkstücken Verbesserung der Randschichteigenschaften von Werkstücken Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung Definition. Zuverlässigkeit und Sicherheit Flüssigkeitseindringverfahren Magnetpulververfahren Wirbelstromverfahren Durchleuchtung mit Röntgen- und Gammastrahlen Ultraschallprüfung Schallemissionsanalyse Optische Holographie Ausgewählte Werkstoffsysteme mit besonderer Bedeutung für den Anwender 431 L5.I Stähle Baustahl - nicht zur Wärmebehandlung bestimmt Baustahl - zur Wärmebehandlung bestimmt Nichtrostende Stähle Warmfeste Stähle Werkzeugstähle Gusseisen Aluminium und Aluminiumlegierungen Aluminium-Knetlegierungen Aluminium-Gusslegierungen Magnesium und Magnesiumlegierungen Titan und Titanlegierungen Nickel und Nickellegierungen Kupfer und Kupferlegierungen Keramische Werkstoffe und Gläser 464

8 Inhaltsverzeichnis xv 15.9 Kunststoffe Thermoplastische Standardkunststoffe Faserverstärkte Kunststoffe Kunststoffschäume 469 Anhang 471 A.l Weiterführende und ergänzende Lehr- und Handbücher 471 A.2 Fachzeitschriften 474 A.3 Wichtige Werkstoffkenngrößen metallischer Elemente 475 A.4 Kurzbezeichnungen für Werkstoffe 479 A.4.1. Werkstoffnummern 479 A.4.2 Kurznamen für Stähle 479 A.4.3 Kurznamen für Gusseisen 481 A.4.4 Kurznamen für Nichteisenmetalle 481 Sachverzeichnis 483