Materialwissensehaften

Transkript

1 Donald R. Askeland Materialwissensehaften Grundlagen. Übungen. Lösungen Aus dem Amerikanischen von Wolfgang Fahland und Wilfried Holzhäuser Mit 586 Abbildungen

2 Inhalt Teil I Aufbau, Anordnung und Bewegung von Atomen 1 Allgemeines über Werkstoffe Einleitung Werkstoffarten Zusammenhang zwischen Struktur, Eigenschaften und Verarbeitungstechnologie Einflüsse der Umgebung auf das Materialverhalten Entwicklung und Auswahl von Werkstoffen Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben 15 2 Struktur der Atome Einleitung Atomaufbau Elektronenstruktur der Atome Bindungsarten Bindungsenergie und zwischenatomarer Abstand Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben 33 3 AtomarerAufbau von Festkörpern Einleitung Nah- und Fernordnung Elementarzellen Allotrope oder polymorphe Übergänge Kristallographische Punkte, Richtungen und Ebenen Zwischengitterplätze Ionenkristalle Kovalente Strukturen Röntgenstrahlenbeugung Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben 68 4 Störungendes atomaren Aufbaus von Festkörpern Einleitung Versetzungen Bedeutung von Versetzungen Gesetz von Schmid 79

3 X Inhalt 4.5 Einfluß der Kristallstruktur 4.6 Punktdefekte 4.7 Flächendefekte 4.8 Technologische Beeinflussung des Gleitverhaltens 4.9 Zusammenfassung 4.10 Glossar 4.11 Übungsaufgaben 5 Diffusion von Atomen in Festkörpern 5.1 Einleitung 5.2 Platzwechsel von Atomen 5.3 Diffusionsmechanismen 5.4 Aktivierungsenergien bei Diffusionsprozessen 5.5 Diffusionsstrom (Erstes Ficksches Gesetz) 5.6 Konzentrationsprofil (Zweites Ficksches Gesetz) 5.7 Diffusion und Materialbearbeitung 5.8 Zusammenfassung 5.9 Glossar 5.10 Übungsaufgaben Teil 11 Steuerung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften von Materialien 6 Mechanische Prüfverfahren und Eigenschaften Einleitung Zugversuch: Anwendung der Spannungs-Dehnungs-Kurve Materialeigenschaften. die sich aus dem Zugversuch ergeben Biegeversuch für spröde Materialien Wahre Spannung. wahre Dehnung Härteprüfverfahren: Prinzip und Anwendung Schlagprüfung Ableitbare Eigenschaften aus Schlagversuchen Bruchzähigkeit Bedeutung der Bruchmechanik Schwingversuch Aussagen des Schwingversuchs Anwendungen des Schwingversuchs Kriechversuch Anwendungvon Kriechergebnissen Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben Kaltverfestigung und Entspannung Einleitung Zusammenhang zwischen Kaltverformung und Spannungs- Dehnungs-Kurve Mechanismen der Kaltverfestigung 165

4 Inhalt XI 7.4 Materialeigenschaften in Abhängigkeit vom Kaltverformungsgrad 7.5 Mikrostruktur und innere Spannung 7.6 Merkmale der Kaltverformung 7.7 Drei Stufen der Entspannung 7.8 Steuerung der Entspannung 7.9 Entspannungsverhalten und Prozeßgestaltung 7.10 Warmverformung 7.11 Superplastizität 7.12 Zusammenfassung 7.13 Glossar 7.14 Übungsaufgaben 8 Grundlagen der Erstarrung 8.1 Einleitung 8.2 Keimbildung 8.3 Wachstum 8.4 Erstarrungszeit und Dendritengröße 8.5 Abkühlungskurven 8.6 Guß- oder Blockstruktur 8.7 Erstarrung von Polymeren 8.8 Erstarrungsfehler 8.9 Gießverfahren 8.10 Erstarren von Schweißverbindungen 8.11 Zusammenfassung 8.12 Glossar 8.13 Übungsaufgaben 9 Mischkristallverfestigung und Phasengleichgewicht 9.1 Einleitung 9.2 Phasen und das Einstoff-Phasendiagramm 9.3 Löslichkeit und Lösungen 9.4 Bedingungen für unbegrenzte Löslichkeit im festen Zustand 9.5 Mischkristallverfestigung 9.6 Isomorphe Zustandsdiagramme 9.7 Zusammenhang zwischen Materialeigenschaften und Zustandsdiagramm 9.8 Erstarren bei vollständiger Mischbarkeit der Komponenten 9.9 Nichtgleichgewichtserstarren und Seigerung 9.10 Zusammenfassung 9.11 Glossar 9.12 Übungsaufgaben 10 Ausscheidungshärtung beim Erstarren 10.1 Einleitung 10.2 Grundlagen der Ausscheidungshärtung 10.3 Intermetallische Verbindungen 10.4 Zustandsdiagramme mit Dreiphasenreaktionen 10.5 Eutektisches Zustandsdiagramm

5 XII Inhalt 10.6 Festigkeit eutektischer Legierungen Anwendungsbeispiele für eutektische Materialien Nichtgleichgewichts-Erstarrung von eutektischen Systemen Ternäre Zustandsdiagramme Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben Ausscheidungshärtung durch Phasenumwandlung und Wärmebehandlung Einleitung Keimbildung und Wachstum bei Phasenumwandlungen im festen Zustand Verfestigung von Legierungen durch Überschreiten der Löslichkeitsgrenze Aushärten Einfluß von Auslagerungstemperatur und -zeit Bedingungen für Aushärtung Einsatz ausgehärteter Legierungen bei hohen Temperaturen Eutektoide Reaktion Steuerung eutektoider Reaktionen Martensitische Reaktion und Anlassen Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben 309 Teil III Technische Werkstoffe 12 Eisenlegierungen Einleitung Bezeichnung von Stählen Wärmebehandlung von Stählen Isotherme Wärmebehandlungen Abschrecken und Anlassen Einfluß von Legierungselementen Härtbarkeit Spezialstähle Oberflächenbehandlungen Schweißbarkeit von Stählen Nichtrostende Stähle Phasenumwandlungen in Gußeisen Eigenschaften und Herstellungsverfahren von Gußeisen Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben 358

6 Inhalt XIII 13 Nichteisenmetalle 13.1 Einleitung 13.2 Aluminium 13.3 Magnesium 13.4 BerylIium 13.5 Kupfer 13.6 Nickel und Cobalt 13.7 Titan 13.8 Hochschmelzende Metalle 13.9 Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben Keramische Stoffe Einleitung Struktur kristalliner keramischer Stoffe Struktur kristalliner Silikate Störungen kristalliner Keramikstrukturen Struktur keramischer Gläser Mechanische Fehler keramischer Stoffe Verformung keramischer Stoffe bei hohen Temperaturen Technologie und Anwendungen von Gläsern Technologie und Anwendungen von Glaskeramik Technologie und Anwendungen von Tonprodukten Technologie und Anwendungen neu entwickelter keramischer Stoffe Feuerfeste keramische Stoffe Weitere keramische Stoffe und ihre Anwendungen Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben Polymere 15.1 Einleitung 15.2 Klassifizierung der Polymere 15.3 Kettenbildung durch Additionspolymerisation 15.4 Kettenbildung durch Kondensation 15.5 Polymerisationsgrad 15.6 Kettenanordnung in Thermoplasten 15.7 Verformung und Bruch thermoplastischer Polymere 15.8 Beeinflussung von Struktur und Eigenschaften thermoplastischer Polymere 15.9 Elastomere (Gummi- oder Kautschukstoffe) Duroplaste Klebstoffe Polymerzusätze Formgebungsverfahren Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben 44S

7 XIV Inhalt 16 Verbundwerkstoffe 16.1 Einleitung 16.2 Dispersionsgehärtete Verbundstoffe 16.3 Teilchenverbunde 16.4 Faserverstärkte Verbunde 16.5 Charakteristische Kenngrößen von Faserverbunden 16.6 Herstellung von Faserverbunden 16.7 Faserverbundsysteme und ihre Anwendungen 16.8 Schichtverbunde 16.9 Beispiele und Anwendungen von Schichtverbunden Sandwich-Strukturen Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben 17 Baustoffe 17.1 Einleitung 17.2 Strukturvon Holz 17.3 Feuchtigkeitsgehalt und Dichte von Holz 17.4 Mechanische Eigenschaften von Holz 17.5 Dehnung und Kontraktion von Holz 17.6 Sperrholz 17.7 Beton 17.8 Eigenschaften von Beton 17.9 Stahl- und Spannbeton Asphalt Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben Teil IV Physikalische Eigenschaften von Werkstoffen 18 Elektrische Eigenschaften von Stoffen 18.1 Einleitung 18.2 Ohmsches Gesetz und elektrische Leitfähigkeit 18.3 Bändertheorie 18.4 Methoden zur Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit 18.5 Supraleitung 18.6 Leitfähigkeit anderer Stoffe 18.7 Eigenhalbleiter 18.8 Störstellenhalbleiter 18.9 Halbleiterbauelemente Herstellungstechnologie von Halbleiterbauelementen Isolatoren und dielektrische Eigenschaften Dipole und Polarisation Dielektrische Eigenschaften Dielektrische Eigenschaften und Kondensatoren Dielektrische Eigenschaften von Isolierstoffen

8 Inhalt XV Piezoelektrizität und Elektrostriktion Ferroelektrizität Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben 19 Magnetische Eigenschaften von Stoffen 19.1 Einleitung 19.2 Magnetische Dipole und magnetische Momente 19.3 Magnetisierung und Permeabilität 19.4 Wechselwirkungen zwischen magnetischen Dipolen und Magnetfeld 19.5 Domänenstruktur und Hystereseschleife 19.6 Anwendungen der Magnetisierungskurve 19.7 Curie temperatur 19.8 Magnetwerkstoffe 19.9 Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben 20 Optische Eigenschaften von Stoffen 20.1 Einleitung 20.2 Das elektromagnetische Spektrum 20.3 Emission elektromagnetischer Strahlung 20.4 Wechselwirkung zwischen Photonen und Festkörpern 20.5 Lichtleitsysteme und Werkstoffe für Lichtleiter 20.6 Zusammenfassung 20.7 Glossar 20.8 Übungsaufgaben 21 Thermische Eigenschaften von Stoffen 21.1 Einleitung 21.2 Molwärme und spezifische Wärme 21.3 Thermische Ausdehnung 21.4 Wärmeleitung 21.5 Temperaturschockfestigkeit 21.6 Zusammenfassung 21.7 Glossar 21.8 Übungsaufgaben Teil V Schutzmaßnahmen gegen Materialversagen 22 Korrosion und Verschleiß 22.1 Einleitung 22.2 Chemische Korrosion 22.3 Elektrochemische Korrosion 22.4 Elektrodenpotentiale in elektrochemischen Elementen 22.5 Korrosionstrom und Polarisation

9 XVI Inhalt Formen elektrochemischer Korrosion Schutzmaßnahmen gegen elektrochemische Korrosion Biokorrosion und biologisch abbaubare Polymere Oxydation und Reaktionen mit anderen Gasen Verschleiß und Erosion Zusammenfassung Glossar Übungsaufgaben Materialversagen. Ursachen, Nachweis und Vorbeugung 23.1 Einleitung 23.2 Bruchmechanismen in Metallen 23.3 Bruch in Nichtmetallen 23.4 Versagen von Metallen. Ursachen und Vorbeugung 23.5 Zerstörungsfreie Materialprüfverfahren 23.6 Zusammenfassung 23.7 Glossar 23.8 Übungsaufgaben Lösungen der Übungsaufgaben Anhang A Physikalische Eigenschaften von Metallen Anhang B Atom- und Ionenradien Anhang C Elektronenkonfiguration der Elemente Sachverzeichnis