Strukturen, Eigenschaften, Prüfung. 16., überarbeitete Auflage. Mit 287 Abbildungen und 245 Tabellen. Unter Mitarbeit von Michael Dahms
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1 Wolfgang Weißbach We r kstoff ku n d e Strukturen, Eigenschaften, Prüfung 16., überarbeitete Auflage Mit 287 Abbildungen und 245 Tabellen Unter Mitarbeit von Michael Dahms Viewegs Fachbücher der Technik 3 vieweg
2 Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge Gegenstand und Bedeutung der Werkstoffkunde Das Fachgebiet Werkstoffe Stellung und Bedeutung der Werkstoffkunde in der Technik Entwicklungsrichtungen der Werkstofftechnik Leichtbau zur Reduktion des Werkstoff- und Energieverbrauches Oberflächenbehandlungen, Nanotechnologie Energieeinsparung und bessere Nutzung Innovative Werkstoffanwendung Wie lassen sich die unterschiedlichen Eigenschaften der Werkstoffe erklären? Was bedeutet Struktur der Werkstoffe? Unterteilung der Struktur und Einflussmöglichkeiten zur Veränderung Atombau (Atommodelle nach Bohr u.a.) Kristallgitter und Bindungsart Einflussnahme auf das Kristallgitter Gefüge und Änderungsmöglichkeiten Auswahlprinzip für Werkstoffe Anforderungsprofil Eigenschaftsprofil Auswahlgrundsatz Maßnahmen zur Verbesserung nichtausreichender Eigenschaftsprofile Überlegungen zur Werkstoffwahl Eine komplexe Optimierungsaufgabe Vereinfachte Direktwahl Allgemeine, indirekte Wahl Einfluss des Fertigungsweges auf die Werkstoffwahl Integral- oder Differenzialbauweise Einfluss der Bauteilmerkmale auf den Fertigungsweg Vergleich einiger Fertigungsverfahren Übersicht, Einteilung der Fertigungsverfahren DIN 8580/03 25 Metallische Werkstoffe Metallkunde Vorkommen Metallische Bindung Metalleigenschaften Die Kristallstrakturen der Metalle (Idealkristalle) Entstehung des Gefüges und seine Ausrichtungen Verformung am Idealkristall (Modellvorstellung) Struktur und Verformung der Realkristalle Kristallfehler 49
3 VII Verformung der Realkristalle und Veränderung der Eigenschaften Verfestigungsmechanismen Kaltverfestigung (auch Verformungs- oder Versetzungsverfestigung) Mischkristallverfestigung Korngrenzenverfestigung (Feinkorn) Teilchenverfestigung Vorgänge im Metallgitter bei höheren Temperaturen Allgemeines Kristallerholung und Rekristallisation Kornvergröberung (-Wachstum) Warmumformung Diffusion Werkstoffverhalten bei höheren Temperaturen unter Beanspruchung Legierungen Begriffe Zustandsdiagramme, Allgemeines Zustandsdiagramm mit vollkommener Mischbarkeit der Komponenten Allgemeine Eigenschaften der Mischkristall-Legierungen Eutektische Legierungssysteme (Grundtyp II) Allgemeine Eigenschaften der eutektischen Legierungen Ausscheidungen aus übersättigten Mischkristallen Zustandsdiagramm mit intermetallischen Phasen Übung: Auswertung eines Zustandsdiagrammes, Abkühlverlauf einer Cu-Zn-Legierung (64,5 % Cu) Vergleich von homogenen und heterogenen Legierungen Übersicht über Phasenumwandlungen im festen Zustand 83 Die Legierung Eisen-Kohlenstoff Abkühlkurve und Kristallarten des Reineisens Erstarrungsformen Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) Erstarrungsvorgänge Die Umwandlungen im festen Zustand Einfluss des Kohlenstoffs auf die Legierungseigenschaften Mechanische Eigenschaften Technologische Eigenschaften Einfluss von Legierungselementen auf das EKD Elemente, die das Austenitgebiet erweitern Elemente, die das Austenitgebiet verkleinern Wirkung mehrerer Elemente Stahlerzeugung Allgemeines Die Wirkung der Eisenbegleiter auf Gefüge und Eigenschaften der Stähle Rohstahlerzeugung Sekundärmetallurgie Vergießen und Erstarren des Stahles 105
4 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Stahlsorten - Normen und Verwendungsgruppen Der Werkstoff Stahl Begriffe und Einteilung Einfluss der Legierungselemente auf das Gefüge Stähle für allgemeine Verwendung Anforderungsprofil Baustähle nach DIN EN Baustähle höherer Festigkeit Die Erhöhung der Festigkeit Schweißgeeignete Feinkornbaustähle, nicht vergütet Vergütete schweißgeeignete Feinkornbaustähle Stähle mit besonderen Eigenschaften Wetterfeste Baustähle Kaltzähe Stähle Austenitische Stähle Ferritische Stähle Stähle für Einsatz bei hohen Temperaturen Stähle für bestimmte Fertigungsverfahren Automatenstähle Stähle zum Kaltumformen Weitere Stahlsorten für bestimmte Fertigungsverfahren Stähle für bestimmte Bauteile Wälzlagerstähle Federstähle Werkzeugstähle Allgemeines Kaltarbeitstähle Warmarbeitsstähle Kunststoff-Formenstähle Schnellarbeitsstähle (HS-Stähle) Stahlguss Allgemeines Stahlguss für allgemeine Verwendung Weitere Stahlgusswerkstoffe, Übersicht Stoffeigenschaft ändern Allgemeines Einteilung der Verfahren Zeit-Temperatur-Folgen Austenitisierung (ZTA-Schaubilder) Glühverfahren Normalglühen Glühen auf beste Verarbeitungseigenschaften Spannungarmglühen Diffusionsglühen Rekristallisationsglühen Härten und Vergüten 145
5 IX Allgemeines Austenitzerfall Martensit, Struktur und Bedingungen für die Enstehung Härtbarkeit der Stähle Verfahrenstechnik Härteverzug und Gegenmaßnahmen Zeit-Temperatur-Umwandlung-Schaubilder (ZTU-Diagramme) Vergüten Aushärten Allgemeines Innere Vorgänge Verfahren Bedeutung und Anwendung der Aushärtung Unterschied zum Härten und Vergüten Thermomechanische Verfahren Allgemeines Austenitformhärten Thermomechanische Behandlung TM Verfahren der Oberflächenhärtung Überblick Randschichthärten Einsatzhärten Nitrieren, Nitrocarburieren Weitere Verfahren (Auswahl) Mechanische Verfahren Eisen-Gusswerkstoffe Übersicht und Einteilung Vorteile der Gusskonstruktionen Einteilung der Gusswerkstoffe Allgemeines über die Gefüge- und Graphitausbildung bei Gusseisen Gefügeausbildung Graphitausbildung Gusseisen mit Lamellengraphit Gusseisen mit Kugelgraphit Temperguss Gusseisen mit Vermiculargraphit Sonderguss Nichteisenmetalle Allgemeines Bezeichnung von NE-Metallen und -Legierungen Übersicht Werkstoff Zustandsbezeichnungen Knetlegierungen Gusslegierungen 205
6 7.3 Aluminium Vorkommen und Gewinnung Einteilung der Al-Knetwerkstoffe Unlegiertes Aluminium, Reihe Nicht aushärtbare Legierungen Aushärtbare Legierungen Aluminium-Gusslegierungen Aushärten der Aluminium-Legierungen Neuentwicklungen Kupfer Unlegiertes Kupfer Eigenschaften, Verwendung Normen für Kupfer und Kupferlegierungen Niedriglegiertes Kupfer Allgemeines zu den Kupfer-Legierungen Kupfer-Zink-Legierungen Kupfer-Zinn-Legierungen Kupfer-Aluminium-Legierungen Kupfer-Nickel-Legierungen Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen Magnesium Vorkommen und Gewinnung Eigenschaften von Magnesium Titan Metallgewinnung Eigenschaften und Anwendung Titanlegierungen (DIN /90) Nickel (DIN 17743) Druckgusswerkstoffe 232 Anorganisch - nichtmetallische Werkstoffe Einteilung und Abgrenzung Struktur und Eigenschaften keramischer Stoffe Bearbeitung der Werkstoffe Werkstoffsorten Oxidische Werkstoffe Nichtoxidische Werkstoffe Neue Verfahren zur Herstellung der Pulver-Ausgangsstoffe Vergleich einiger nichtmetallisch anorganischer Werkstoffe 245 Kunststoffe (Polymere) Allgemeines Entwicklung und Bedeutung Begriffe und Einteilung der Polymere Polymereigenschaften und ihre Prüfung Monomere Stoffe und Entstehung der Polymere Kohlenstoffatome 250
7 XI Kettenförmige Kohlenwasserstoffe (Aliphaten oder aliphatische KW) Ringförmige Kohlenwasserstoffe Herstellung synthetischer Makromoleküle, Übersicht Polykondensation Polymerisation Polyaddition Systematische Benennung der Polymere Strukturen der Makromoleküle Bindungskräfte Einfluss der Molekülmasse (Kettenlänge) Gestalt der Makromoleküle Kristallisation Gefügeveränderungen bei Polymeren Polymergemische, Polyblends Zusatzstoffe und Einfluss auf die Eigenschaften Faserverstärkung Duroplaste Allgemeines Formmassetypen Duroplastverarbeitung Thermoplaste Thermisches Verhalten Langzeiteigenschaften der Kunststoffe Thermoplastverarbeitung Übersicht über die wichtigsten Thermoplaste Elastomere Statistische Daten und Eigenschaftsvergleiche Verbundstrukturen und Verbundwerkstoffe Begriffsklärung Verbundkonstruktionen Werkstoffverbunde Verbundwerkstoffe Struktur und Einteilung der Verbundwerkstoffe Schichtverbundwerkstoffe Faserverbundwerkstoffe (FVW) Faserwerkstoffe und Eigenschaften Faserverstärkte Polymere Teilchenverbundwerkstoffe Durchdringungsverbundwerkstoffe Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe MMC Allgemeines Metallmatrix-Faserverbunde Metallmatrix-Teilchenverbunde Metallmatrix-Durchdringungsverbunde Metallschäume Keramik-Matrix-Verbunde CMC 296
8 XII Inhaltsverzeichnis Allgemeines Faserverbundkeramik Durchdringungsverbundkeramik Werkstoffe besonderer Herstellung oder Eigenschaften Pulvermetallurgie, Sintermetalle Überblick und Einordnung Herstellung der Pulver Formgebung und Verdichten Sintern Nachbehandlung der Sinterteile Werkstoffe Klassifizierung, Normung Sprühkompaktieren (Spray Forming) Schichtwerkstoffe und Schichtherstellung Begriffe, Abgrenzung Verfahrensübersicht Thermisches Spritzen Auftragschweißen und -löten Abscheiden aus der Gasphase Beschichten aus dem ionisierten Zustand Lager- und Gleitwerkstoffe Allgemeines Lagermetalle Weitere Lagerwerkstoffe Werkstoffe für Lötungen Allgemeines Weichlote Hartlote Werkstoffe mit steuerbaren Eigenschaftsänderungen Begriffe Piezokeramik Formgedächtnis-Legierungen (FGL) Flüssigkeiten mit steuerbarer Viskosität Korrosionsbeanspruchung und Korrosionsschutz Einführung Chemische Reaktion Grundlagen der elektrochemischen Korrosion Die Entstehung von Ionen Ursache der Ionenleitfähigkeit von H Lösungsdruck: Galvanische Spannungsreihe Galvanisches Element Korrosionselemente Korrosionsarten Korrosionsprodukte 337
9 XIII Korrosionsarten und -erscheinungen Korrosionsarten mit zusätzlichen Beanspruchungen Korrosion und Festigkeitsbeanspruchung Korrosion unter Tribo-Beanspruchung Korrosion und thermische Beanspruchung Korrosionsschutz Trennung von Metall und Korrosionsmittel durch Schutzschichten Korrosionsschutz durch Werkstoffwahl oder Eigenschaftsänderung Änderung der Reaktionsbedingungen Tribologische Beanspruchung und werkstofftechnische Maßnahmen Allgemeines Begriffsklärung Das tribologische System Der Bereich der Tribologie Reibung und Reibungszustände Reibkraft und Reibungszustände Reibungszustände Stribeck-Kurve Schmierstoffe Allgemeines Eigenschaften und Kenngrößen Öle Fette Festschmierstoffe Verschleiß Verschleißmechanismen Verschleißarten Verschleißmessung und -kenngrößen Verschleißschutz Werkstoffprüfung Aufgaben, Abgrenzung Prüfung von Werkstoffkennwerten Messung der Härte Härteprüfung nach Brinell Härteprüfung nach Vickers Härteprüfung nach Rockwell Vergleich der Härtewerte Dynamische Härteprüfung nach Shore Prüfung der Festigkeit bei statischer Belastung Der Zugversuch Allgemeines Bruchverhalten Zeitfestigkeiten Prüfung der Festigkeit bei dynamischer Belastung Allgemeines Verhalten Dynamische Belastung 384
10 Dauerschwingfestigkeiten Dauerschwingversuche Dauerfestigkeitsschaubild Dauerfestigkeit und Einflussgrößen Prüfung der Zähigkeit Spannungszustände Kerbschlagbiegeversuch Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurve Prüfung von Verarbeitungseigenschaften Untersuchung des Gefüges Mikroskopische Untersuchungen Makroskopische Untersuchungen Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und Qualitätskontrolle Allgemeines Eindringverfahren Magnetische Prüfungen Magnetinduktive Prüfung Ultraschallprüfung Röntgen-/Gamma-Strahlen-Prüfung 400 Anhang A: Die systematische Bezeichnung der Werkstoffe 403 A.l Kennzeichnung der Stähle 403 A.l.l Bezeichnungssystem für Stähle 403 A.1.2 Aufbau des Kurznamens DIN EN A.1.3 Stähle für den Stahlbau 404 A.1.4 Stähle für Druckbehälter 404 A.l.5 Stähle für den Maschinenbau 404 A.1.6 Flacherzeugnisse (kaltgewalzt) aus höherfesten Stählen zum Kaltumformen 405 A. 1.7 Flacherzeugnisse (kaltgewalzt) aus weichen Stählen zum Kaltumformen 405 A.l.8 Nach der chemischen Zusammensetzung bezeichnete Stähle 405 A Unlegierte Stähle mit mittlerem Mn-Gehalt < 1 % 405 A.l.8.2 Niedriglegierte Stähle (mittlerer Gehalt der LE < 5 %) 405 A.l.8.3 Hochlegierte Stähle 406 A.l.8.4 Schnellarbeitsstähle 406 A. 1.9 Nach der chemischen Zusammensetzung bezeichnete Stähle 407 A.2 Bezeichnung der Eisen-Guss-Werkstoffe 409 A.3 Bezeichnung der NE-Metalle 410 A.3.1 Allgemeines 410 A.4 Bezeichnung der Kunststoffe 412 Bildquellenverzeichnis 414 Sachwortverzeichnis 415
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