Werkstoffkunde. Springer

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1 Werkstoffkunde Prof. Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bargel Prof. Dr.-Ing. Peter Cardinal Dr.-Ing. Hermann Hilbrans Prof. Dr. phil. nat. Karl-Heinz Hübner Dr.-Ing. Oswald Krüger Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze Herausgegeben von Prof. Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bargel Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze Achte, überarbeitete Auflage Mit 435 Abbildungen und 204 Tabellen Springer

2 IX 1 Grundlagen der Metall- und Legierungskunde (H.-J. Bargel, G. Schulze) Auftau kristalliner Stoffe I.1 Bindungsformen anorganischer Stoffe 1.2 Gitteraufbau des Idealkristalls 2.3 Realkristalle, Gitterbaufehler, Energie von Fehlstellen Punktförmige Gitterbaufehler Versetzungen Zweidimensionale Gitterbaufehler 7.4 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

3 < 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 ,.1 Kristallseigerung ,.2 Unterkühlungserscheinungen in eutektischen Systemen Entartetes Eutektikum Eigenschaften ;erischy 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 ,.2 Legierungen, die Segregate bilden - Aushärten 52 Korrosion Elektrochemische Grundlagen 56 Elektrolyt 56 Lösungstension, elektrochemische Spannungsreihe 57 Korrosionselement 58 Wasserstoffkorrosion 59 Sauerstoffkorrosion 59 Korrosionsformen 60 Korrosionsarten 61 Korrosion ohne mechanische Beanspruchung 61 Korrosion mit zusätzlicher mechanischer Beanspruchung 62 Korrosionsverhalten der Werkstoffe 63 Korrosionsschutz 64 Korrosionsprüfungen 65 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

4 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

5 XU 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 Gefügeveränderungen 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

6 XIII 3.8 Physikalische Analyseverfahren Spektralanalyse Lichtemissionsspektroskopie Röntgenspektroskopie Röntgenfeinstrukturuntersuchung Eisenwerkstoffe (G. Schulze, P. Cardinal) Eisen-Kohlenstoff-Schaubild (EKS) Metallkundliche Grundlagen Phasenänderungen im Eisen-Kohlenstoff-Schaubild Einteilung der Füsenwerkstoffe Stahlherstellung Hochofenerzeugnisse Erschmelzungsverfahren Allgemeine Grundlagen THOMAS-Verfahren (T) SII-MF.NS-MARTIN-Verfahren (M) Sauerstoff-Blas-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 Spannungsannglühen Rekristallisationsglühen Weichglühen Normalglühen (Normalisieren) Härten (Nichtgleichgewichtszustände) Einfluß der beschleunigten Abkühlung Umwandlung in der Perlitstufe 166

7 XIV Umwandlung in der Bainitstufe Umwandlung in der Martensitstufe Austenit-Umwandlung 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 DIN EN Hochfeste Baustähle Methoden zum Erhöhen der Festigkeit Hochfeste, nicht vergütete Feinkornbaustähle Hochfeste vergütete Feinkombaustähle Härtbare Maschinenbaustähle Vergütungsstähle Stähle für das Randschichthärten Nitrierstähle Einsatzstähle Warmfeste und hitzebeständige Stähle 224

8 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 4.9 Eisengußwerkstoffe Begriff, Bedeutung, Einteilung Stahlguß Gußeisen Gußeisendiagramme Hartguß Gußeisen mit Lamellengrafit Gußeisen mit Kugelgrafit Temperguß Weißer Temperguß Schwarzer Temperguß Nichteisenmetalle (H. Hilbrans) 5.1 Normgerechte Bezeichnung der Nichteisenmetalle Kurzzeichen Werkstoff-Nummern 5.2 Kupfer und Kupferlegierungen Kupferherstellung Unlegiertes Kupfer Legiertes Kupfer Messing und Neusilber Bronzen Kupfer-Nickel-Werkstoffe mit besonderen elektrischen Eigenschaften Korrosionsbeständige Kupfer-Nickel-Legierungen 5.3 Nickel und Nickellegierungen Reinnickel Legiertes Nickel Nickel-Kupfer-Werkstoffe Zunderbeständige und wannfeste Nickellegierungen Korrosionsbeständige Nickellegierungen Nickelhaltige Magnetwerkstoffe 5.4 Aluminium und Aluminiumlegierungen Unlegiertes Aluminium

9 XVI 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 Kohlewerkstoffe Nichtoxidische Hartstoffe Nichtmetallische Hartstoffe Hartstoffe mit metallischen Eigenschaften Halbleiter Einteilung 323

10 Bändermodell Eigenleitung Störstellenleitung p-n-übergang Transistor HALL-Generator Fotoelektrische Bauelemente XVII Kunststoffe (O. Krüger) Einführung und Aufbau der Kunststoffe Bezeichnungen, Begriffe Eingruppierung der Kunstoffe 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 Polymerenbildung Polymerisation Chemische Verfahren Technische Prozesse Polymerisate Misch- und Copolymerisate Polykondensation Polykondensate Polyaddition Polyaddukte Aufbau und strukturelle Einflüsse Aufbauformen Strukturelle Einflüsse 367

11 XVIII 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 413 Sachwortverzeichnis 415