Werkstofftechnik HANSER. Wolfgang Bergmann. Teil 1: Grundlagen. 6., aktualisierte Auflage. Mit 309 Abbildungen<iirfäf4/*Tabellen

Transkript

1 Wolfgang Bergmann 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Werkstofftechnik Teil 1: Grundlagen 6., aktualisierte Auflage Mit 309 Abbildungen<iirfäf4/*Tabellen I HANSER

2 , Inhaltsverzeichnis A Struktureller Aufbau von Werkstoffen 1 Atomare Struktur Atomaufbau und Periodensystem der Elemente Atomare Elementarteilchen Aufbau der Elektronenhülle Periodensystem der Elemente Interatomare Bindungen Primärbindungen Ionische Bindung Kovalente Bindung Metallische Bindung Sekundärbindungen Zwischenmolekulare Bindungen Grenzflächen- und Oberflächenbindungen Bindung und Temperatur Aggregatzustände 35 2 Struktur des Festkörpers Kristalline und amorphe Strukturen Ideale Kristallstruktur ' Strukturprinzipien ' Atomare Nah- und Fernordnung Reale Kristallstruktur Nulldimensionale Gitterfehler Eindimensionale Gitterfehler Zweidimensionale Gitterfehler Korngrenzen / Grenzflächen innerhalb eines Korns ' Phasengrenzen Stapelfehler Anisotropie, Quasiisotropie, Textur 55 B Metallische Werkstoffe ' 1 Strukturaufbau metallischer Werkstoffe Metallische Gitterstrukturen..' Legierungsbildung Allgemeine Ziele der Legierungsbildung Legierungsphasen Lösungsphasen Intermetallische Verbindungen 66

3 Inhaltsverzeichnis 1.3 Thermodynamisches Phasengleichgewicht Gleichgewichtsbedingungen Diffusion << Diffusionsmechanismen.< Einflussfaktoren Phasenumwandlungen Umwandlung einer flüssigen in eine feste Phase Phasenumwandlungen im festen Zustand Phasengleichgewichtsdiagramme Einstoffsysteme Zweistoffsysteme Dreistoffsysteme Ausbildung realer Gefüge 98 2 Mechanische Eigenschaften Verformungsverhalten Elastisches Verhalten von Metallen Verformungsmechanismus Linear-Elastizität (Hookesches Gesetz) Anelastizität Elastische Hysterese, mechanische Dämpfung Plastisches Verhalten von Metallen 108 /.1.2/1 Verformungsmechanismus 108 A' Gleitebenen, Gleitsysteme Mikroskopische Schubspannungen bei makroskopischen Normalspannungen Versetzungsbewegungen Versetzungsreaktionen Spannung-Dehnung-Verhalten J Verformung von Einkristallen /., Verformung von Vielkristallen Wahre Spannung-Öehnung-Kurve Verformungsverhalten bei hohen Temperaturen.., Verformungsmechamsmen Entfestigungsvorgänge" Kriechverhalten'''' Möglichkeiten zur Festigkeitssteigerung j statisch beanspruchter Metalle Allgemeines Prinzip der Festigkeitssteigerung Verfestigung durch Verformung Verfestigung durch Korngrenzen Verfestigung durch Mischkristallbildung 144

4 Inhaltsverzeichnis Verfestigung durch Teilchen Struktureller Aufbau hochfester Metalle Bruchverhalten / Bruchformen / Duktiles und sprödes Bruch verhalten Duktilbruch Energiearmer Duktilbruch Interkristalliner Sprödbruch Transkristalliner Sprödbruch Struktureller Aufbau sprödbruchunempfindlicher Werkstoffe Dauerbruchverhalten Ermüdungsverfestigung Rissbildung Rissausbreitung Einflussfaktoren Maßnahmen zur Steigerung der Schwingfestigkeit Kriechbruchverhalten Prüfung der mechanischen Eigenschaften Prüfung des Verformungsverhaltens Zügige Beanspruchung Statische Langzeitbeanspruchung , Prüfung des Bruch Verhaltens jd Duktiles und sprödes Verhalten Einfluss der Beanspruchungsbedingungen Sprödbruchprüfung Ermüdungsprüfung Mechanische Kennwerte und deren Bedeutung für die Werkstoffanwendung. ' Festigkeitskennwerte / Verformungskennwerte Übertragbarkeit von Kennwerten Korrosionsverhalten Korrosionsvorgänge ' Die elektrolytische Auflösung von Metallen Korrosionsreaktionen-ih wässrigen Lösungen Anodische und kathodische Teilreaktionen. t ; Säurekorrosion, Wasserstoffkorrosion Sauerstoffkorrosion Korrosionselemente Passivität Stromdichte-Potenzial-Kurven 212

5 10 Inhaltsverzeichnis 3.2 Erscheinungsformen der Korrosion Gleichmäßige Korrosion Lokalisierter Korrosionsangriff _/ Kontaktkorrosion '.' Selektive Korrosion Interkristalline Korrosion Spaltkorrosion Lochfraßkorrosion Mechanisch-korrosiver Angriff Einnussfaktoren ph-wert Sauerstoffgehalt Temperatur Bewegungszustand Salzgehalt Korrosionsmedien Korrosionsschutz (Grundsätzliche Möglichkeiten) Technisch wichtige Metalle Werkstoffe auf Fe-Basis Phasenausbildungen /.1.1, Allotropie von Eisen 240 4*1.1.2 Lösungsphasen Verbindungsphasen Metastabile und stabile Phasenzustände Legierungen Fe-C, metastabil (unlegierte Stähle) Gleichgewichtsnahe Gefüge (metastabil) Ungleichgewichtige Gefüge (metastabil)..../ Legierungen Fe-C-X (niedriglegierte Stähle-) Ziele der Legierung von Eisen Im Eisengitter lösliche Legierungselemente Verbindungen bildende Legierungselemente Einfluss von Legierungselementen auf die Umwandlung von Austenit Einfluss von Legierungselementen auf die Umwandlung von Martensit./ Einfluss von Legierungselementen auf die mechanischen Eigenschaften von Stählen Legierungen Fe-X (hochlegierte Stähle) Legierungen Fe-Ni 273 4AA.1 Ixg\ei\mgenFe-Ci Legierungen Fe-Cr-Ni 277

6 a Inhaltsverzeichnis Legierungen Fe-C, stabil (Gusseisen) Gefügeausbildung Technische Gusseisensorten /' Werkstoffe auf Al-Basis.' Aushärtung Al-Legierungen Nicht aushärtbare Legierungen vom Typ AlMg Aushärtbare Legierungen Gusslegierungen vom Typ AISi Werkstoffe auf Cu-Basis Kupfer-Zink-Legierungen Kupfer-Zinn-Legierungen Kupfer-Aluminium-Legierungen Kupfer-Beryllium-Legierungen Kupfer-Nickel-Legierungen Werkstoffe auf Ni-Basis Nickel-Chrom-Legierungen ' Nickel-Kupfer-Legierungen Werkstoffe auf Ti-Basis Titan technischer Reinheit Titanlegierungen Titanlegierungen mit a-gefüge Tjtanlegierangen mit ß-Gefüge Titanlegierungen mit (a + ß)-Gefüge 311 C Polymerwerkstoffe 1 Strukturaufbau Unvernetzte und vernetzte Polymere (Kunststoffe) Struktureller Aufbau und räumliche Anordnung von Kettenmolekülen / Konstitution Konfiguration Konformation Molekülanordnungen im Schmelzzustand Kristalline Molekülanordnungen Amorphe Molekülanprdnungen Orientierte Molekülzustände Struktureller Aufbau von Netzwerken Mechanische Eigenschaften Verformungsverhalten Verformungsmechanismen Energie-Elastizität 329

7 12 Inhaltsverzeichnis Entropie-Elastizität Plastizität Viskosität / Visko-Elastizität / Spannung-Dehnung-Verhalten Prüfung des Verformungsverhaltens Torsionsschwingversuch Zugversuch Langzeitprüfung, isochrone Spannung-Dehnung-Linien Bruchverhalten Duktil-, Sprödbruch Dauerbruch Möglichkeiten zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften Copolymerisation Weichmachung Polymermischungen Füll- und Verstärkungsmittel Sonstige Möglichkeiten Korrosionsverhalten Verhalten unter Witterungseinfluss (Alterung) Verhalten gegenüber flüssigen Medien Thermische Zersetzung von Kunststoffen 362 $ ' Technisch wichtige Kunststoffe 363 '4.1 Thermoplaste Massenkunststoffe Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Polyvinylchlorid (PVC) y Polystyrol (PS)./ Thermoplastische Konstruktions-Kunststoffe ' Polyamid (PA) Polyoximethylen (POM) Polyethylen- und -butylenterephthalat (PETB, PBTP) Thermoplastische Kunststoffe mit speziellen Eigenschaften Polymethylmethacjylat (PMMA) Polycarbonat (PC)' Polytetrafluorethylen (PTFE) ' Thermoplaste mit erhöhter Temperaturbeständigkeit Duroplaste Phenol- und Aminoharze (PF, UF, MF) Ungesättigte Polyesterharze (UP) Epoxidharze (EP) 387

8 Inhaltsverzeichnis Elastomere Dien-Elastomere normaler Beständigkeit Dien-Elastomere erhöhter Beständigkeit./f Dienfreie Spezial-Elastomere.< 392 D Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe 1 Struktureller Aufbau Keramik Reine Nichtmetalle und nichtoxidische Verbindungen Reine Oxide und oxidische Verbindungen Ionische Gitterstrukturen Siliciumdioxid SiO Aluminiumoxid A1 2 O Titandioxid TiO Eisenoxide Hochschmelzende Oxide > Oxidische Verbindungen Oxide mit Perowskit-Struktur Oxide mit Spinell-Struktur Silikate Entstehung keramischer Gefüge / Sintern fester Phasen 412 WA^l Sintern mit flüssiger Phase Reaktionssintern Gläser Glaskeramik Metallische Gläser Mechanische Eigenschaften / Verformungsverhalten Verformungsverhalten bei tiefen Temperaturen Keramik Glas Verformungsverhalten bei hohen Temperaturen Keramik ^...? Glas /* Bruchverhalten ' Keramik Glas Möglichkeiten zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften Keramik Glas 430

9 14 Inhaltsverzeichnis 3 Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe Keramische Werkstoffe Silikatkeramische Werkstoffe / Oxidkeramik -.' Aluminiumoxid AI2O Zirkoniumdioxid ZrO Nichtoxidkeramik Kohlenstoff Feuerfeste Werkstoffe (Steine) Gläser Technisch wichtige Glassorten Kalknatron-Gläser Borosilikat-Gläser Gläser mit speziellen optischen Eigenschaften Kristallglas Optische Gläser Gläser mit veränderter Strahlungsdurchlässigkeit Phototrope Gläser 452 Quellenverzeichnis und weiterführende Literatur 454 Sachwortverzeichnis 458