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Strukturwerkstoffe

weitere Buchkapitel

Kapitel 4. Verbundwerkstoffe im Kontext der Polymerchemie im 20. Jahrhundert

In diesem Kapitel wird die Entwicklung von Verbundwerkstoffen in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts bis zur Zäsur 1945 dargestellt. Ausgangspunkt bildet die Entwicklung von Bakelit. Thematisiert werden auch die bahnbrechende Entwicklung der Polymerchemie durch Hermann Staudinger und die sich rasch entwickelnde chemische Industrie weltweit. Dabei werden das Netzwerk von Hochschul- und außeruniversitärer Forschung, Industrie und Militär dargestellt sowie darin agierende Personen beleuchtet. Dabei wird auch die deutsche Faserforschung genauer betrachtet. Den Abschluss dieses Kapitels bildet ein Fallbeispiel, welches verdeutlichen soll, dass bereits zum damaligen Zeitpunkt eine innovative Umsetzung des werkstofftechnischen Potentials von Verbundwerkstoffen bei einem konstruktiv anspruchsvollen Produkt erfolgte. Dabei handelt es sich um die Darstellung und den Wirkungskreis der Entwickler von Nurflügel-Flugzeugen, die Gebrüder Reimar und Walter Horten.

Andreas T. Haka
Kapitel 6. Auswertung

In diesem Kapitel werden in zehn Abschnitten, welche von den methodischen Herausforderungen dieser Untersuchung über die Faserforschung als Basis des Faserverbundes bis hin zur Verbundwerkstoffentwicklung in der DDR reichen, die Ergebnisse der vorliegenden Forschungsarbeit zur Entwicklung von Verbundwerkstoffen zusammengefasst und Antworten auf die Eingangs eingebrachten Leitfragen präsentiert. In dem letzten Teil der Auswertung dieser diachronen Längsschnittstudie wird eine mögliche Periodisierung der Genese der Verbundwerkstoffe im 19. und 20. Jahrhundert vorgestellt.

Andreas T. Haka
Kapitel 5. Entwicklung hybrider Werkstoffsysteme in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts

Dieses Kapitel beleuchtet die Entwicklung von Verbundwerkstoffen in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Den Auftakt bildet hierbei die Verwertung von werkstofftechnischem Wissen aus der NS-Zeit und die Etablierung von glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) sowie die Einführung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) am Beispiel des Jagdflugzeuges vom Typ Alpha Jet. In einem weiteren Schwerpunkt wird in diesem Kapitel die werkstofftechnische Entwicklung von Verbundwerkstoffen in der DDR in den Blick genommen, insbesondere von faserverstärkten Kunststoffen. Die Darstellung der Entwicklung des Projektes SOFIA - Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy - stellt den Abschluss dieses Kapitels dar. Dabei wird der Stellenwert des Einsatzes von Verbundwerkstoffen bei werkstofftechnisch anspruchsvollen Projekten beleuchtet.

Andreas T. Haka
Kapitel 1. Systematisierung der Werkstoffe

Die Geschichte der Menschheit ist eng mit der Entwicklung und dem Einsatz von Werkstoffen verbunden. Diese prägten sogar verschiedene Zeitperioden wie die Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit. Es war ein mühsamer, langer Weg: vom Faustkeil aus Stein über die Nutzung bearbeiteter, gediegener Metalle wie Gold, Silber und Kupfer, die Entdeckung der ersten Legierung Bronze bis hin zur heutigen gezielten Werkstoffentwicklung. Metallurgische Verfahren und Anlagen, Verarbeitungstechnologien und Nutzungskonzepte mussten erarbeitet und umgesetzt werden. Die Triebkraft hierfür war der mit dem Fortschritt der Menschheit einhergehende, ständig zunehmende Bedarf an Werkstoffen.

Joachim Schlegel
14. Metalle

Die technisch wichtigen Metalle haben Kristallgitter mit hoher Regelmäßigkeit und dichter Packung (kubisch, hexagonal). Nur Zinn ist tetragonal. Neben der dichten Packung der Atome in Schichten ist die Metallbindung die Voraussetzung für die beiden wichtigen Metalleigenschaften:– Elektrische Leitfähigkeit durch freie Elektronen im Kristallgitter,– Plastische Verformbarkeit durch Platzwechsel der Metallionen im Gitter, wobei die freien Elektronen die metallische Bindung aufrecht erhalten.

Wolfgang Weißbach
13. Werkstoffliche Grundlagen

Alle Produkte der Technik – von Dienstleistungen abgesehen – bestehen aus Werkstoffen:Das Produkt muss mit seinen gewählten Werkstoffen die Anforderungen des Erwerbers oder Benutzers erfüllen:– zuverlässige Funktion über die Lebensdauer (Leistung, Traglasten, Geschwindigkeiten),– niedrige Betriebskosten (Schmierung, Korrosionsschutz, Wartung) oder– Regenerationsmöglichkeit bei großen Teilen.

Wolfgang Weißbach
Kapitel 4. Produktionsprozessplanung

Die ProduktionsprozessplanungProzessplanung beschäftigt sich mit der Frage, wie die Anforderungen eines Produktes an seine Erstellung produktionsprozesstechnisch umgesetzt werden können. Bei der Planung des Produktionsprozesses ist die Abfolge der notwendigen Teilverrichtungen zeitlich und räumlich aufeinander abzustimmen. Daher beschäftigt sich Kap. 4 zunächst mit der Festlegung der Ziele, nach denen die Gestaltung erfolgen soll. Diese Ziele lassen sich auf vier Merkmale herunterbrechen, die sich zum Teil gegensätzlich verhalten, sodass vorab eine strategische Ausrichtung erfolgen sollte. Dabei ist die Analyse der Produktionsaufgabe der erste Schritt und definiert die Anforderungen an die Produkterstellung. Auf dieser Basis werden dann die Prozesse in der Fertigung und Montage geplant. Eine abschließende Bewertung reflektiert die Zielerreichung und den Nutzen der betrachteten Zielgrößen.

Peter Burggräf, Günther Schuh, Matthias Dannapfel, Sascha Fuchs, Andreas Roderburg, Ralf Schlosser, Stefan Tönissen
31. Eigenschaften und Verwendung der Werkstoffe

Als Eisenwerkstoffe werden die für Bauteile und Werkzeuge anwendbaren Metalllegierungen bezeichnet, bei denen der mittlere Gewichtsanteil an Eisen höher als der jedes anderen Legierungselements ist. Sie werden in die Gruppe der Stähle und Gusseisenwerkstoffe aufgegliedert. Beide Gruppen unterscheiden sich vor allem im Kohlenstoffgehalt und weisen teilweise sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Während die Stähle Eisenwerkstoffe darstellen, die sich i. Allg. für die Warmumformung eignen, erfolgt die Formgebung der Gusseisenwerkstoffe durch Urformen (s. Bd. 2, Kap. 39). Abgesehen von einigen Cr‐reichen Stählen liegt der C‐Gehalt der Stähle unter rd. 2 %, der C‐Gehalt der Gusseisenwerkstoffe über 2 %. Während bei Stählen der Kohlenstoff im Eisengitter gelöst oder in chemisch gebundener Form als Karbid vorliegt, tritt er im Gusseisen teilweise als Graphit auf. Stahlguss, dessen Formgebung ebenfalls durch Urformen erfolgt, wird zur Gruppe der Stähle gerechnet.Im stabilen Eisen‐Kohlenstoff‐System tritt Kohlenstoff als Graphit in hexagonaler Gitterstruktur auf. Diese Gleichgewichtsphase stellt sich nur bei extrem langen Glühzeiten ein. Bei den üblichen Wärmebehandlungen der Stähle liegt Kohlenstoff in chemisch gebundener Form als Eisenkarbid Fe3C (Zementit) vor. Für technische Zwecke wird daher in der Regel statt des Systems Eisen‐Kohlenstoff das metastabile System Eisen‐Zementit betrachtet, wenn auch im Bereich des Gusseisens (C > rd: 2 %) eine teilweise Graphitbildung erfolgt, der reale Werkstoffzustand also zwischen dem des stabilen und des metastabilen Systems liegt.

Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner, Christina Berger, Karl-Heinz Kloos
Kapitel 1. Überblick

Dieses Kapitel vermittelt einen ersten Eindruck von Werkstoffen, die bestimmte technische Eigenschaften besitzen müssen, dabei einfach herstellbar sein sollen und die Forderung der Wirtschaftlichkeit erfüllen müssen. Wir diskutieren Werkstoffe in einfachen, allgemeinen und speziellen Zusammenhängen und lernen das Wissensgebiet Werkstoffkunde kennen, das die Werkstoffwissenschaft und die Werkstofftechnik umfasst. Wir verschaffen uns einen ersten Eindruck vom mikroskopischen Aufbau der vier Werkstoffgruppen Metalle, Gläser/Keramiken, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe. Wir lernen einige wichtige Werkstoffeigenschaften kennen. Es geht dann um zuverlässige Daten über Eigenschaften von Werkstoffen und in diesem Zusammenhang wird die Prüfung, die Normung und die Bezeichnung von Werkstoffen betrachtet. Schließlich befassen wir uns kurz mit der zeitlichen Entwicklung von Werkstoffen und führen den Begriff der Nachhaltigkeit ein.

Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner
Kapitel 13. Der Kreislauf der Werkstoffe

In diesem Kapitel diskutieren wir die Bedeutung von technisch nützlichen Werkstoffen vor dem Hintergrund der Knappheit von Ressourcen, der zunehmenden Umweltbelastung und der zunehmenden Bedeutung des Recyclings. Solche Zusammenhänge werden auf der Grundlage von Stoffkreisläufen und Energiebilanzen diskutiert. Heute ist nicht mehr die Menge an produzierten Werkstoffen das alleinige Maß für die Leistungsfähigkeit einer technischen Gesellschaft. Entscheidend ist vielmehr, dass man leistungs- und konkurrenzfähige Werkstoffe bereitstellen kann, die mit möglichst wenig Masse eine hohe Funktionsdichte bereitstellen. Wir machen uns klar, was technischer Nutzen bedeutet und dass es eine enge Verbindung zwischen Werkstoffen und Energie gibt. Wir besprechen Gesichtspunkte, die bei der Auswahl von Werkstoffen wichtig sind und machen uns Gedanken zum Verbrauch an Lebensdauer während der Nutzung eines Werkstoffs und schließlich über die begrenzte Lebensdauer von Werkstoffen und Werkstoffversagen. Diese Aspekte müssen bei der Werkstoffauswahl gegeneinander abgewogen werden, wobei in der Werkstofftechnik immer auch finanzielle Rahmenbedingungen berücksichtigt werden müssen. Wir besprechen, auf welche Arten man Werkstoffe verbessern kann und unter welchen Bedingungen neue Werkstoffe technisch erfolgreich sein können. Schließlich machen wir uns klar, dass man einfache thermodynamische Konzepte heranziehen kann, um Stoffkreisläufe zu bewerten. Wir streben Werkstoffe mit möglichst guten Gebrauchseigenschaften an, die hohe Produktlebensdauern ermöglichen und die bei der Herstellung und Entsorgung die Umwelt möglichst wenig belasten. Schließlich stellen wir einen Zusammenhang zwischen Nachhaltigkeit, technischem Nutzen, Werkstofflebensdauer und der Entropieänderung her, die mit dem Durchlaufen eines Werkstoffkreislaufes verbunden ist.

Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner
Kapitel 9. Metallische Werkstoffe

Ein großer Teil der chemischen Elemente sind Metalle. Diese weisen wegen der Natur der metallischen Bindung eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit auf und lassen sich meist einfach plastisch verformen. Reine Metalle sind in der Regel nicht direkt als Werkstoffe verwendbar, sie sind zu weich. Durch Legieren und geeignete mechanische und thermische Behandlungen kann man die Festigkeit metallischer Werkstoffe steigern. Dies gelingt über Mischkristallhärtung, Ausscheidungshärtung, Härtung durch Kaltverfestigung und Umwandlungshärtung. Festigkeitssteigerung in metallischen Werkstoffen erreicht man, wenn man die Bildung von Versetzungen erschwert bzw. deren Beweglichkeit behindert. Die Ausscheidungshärtung spielt zum Beispiel in Aluminiumlegierungen und Nickellegierungen eine Rolle. Umwandlungshärtung kennen wir vom Stahl (martensitische und bainitische Härtung), dem heute immer noch wichtigsten metallischen Werkstoff. Am Beispiel von Stahl lernen wir kennen, dass verschiedene Wärmebehandlungen zu verschiedenen Mikrostrukturen und damit bei gleicher chemischer Zusammensetzung zu unterschiedlichen Eigenschaften führen. Beim Erstarren metallischer Schmelzen entstehen meist kristalline Festkörper. Schmelzmetallurgisch lassen sich Ein- und Vielkristalle herstellen. Unter bestimmten Bedingungen kann es aber auch zur Bildung metallischer Gläser kommen, deren Atome keine regelmäßige Anordnung aufweisen. Metallische Bauteile können schmelz- und pulvermetallurgisch, in großen (Turbinenrotoren) und kleinen Abmessungen (medizinische Stents) hergestellt werden. Man kann ihre Oberfläche zum Beispiel durch Behandlung mit einem Laserstrahl härten oder verglasen. In diesem Kapitel lernen wir, warum metallische Werkstoffe sich besonders gut als Strukturwerkstoffe eignen.

Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner
Kapitel 3. Mechatronische Systeme

Mechatronische Systeme sind technische Systeme, die auf dem Zusammenwirken von Mechanik, Elektronik und Informatik basieren. Nach einer Übersicht über Aufbau und Modellbildung werden in knapper Form die Mechanik, die Elektronik und die Informatik in mechatronischen Systemen beschrieben. Die Darstellung der Elemente der Mechatronik wird ergänzt durch die systemtechnischen Gestaltungsgrundlagen und die interdisziplinäre Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme.

Horst Czichos
1 Überblick

Das vorliegende Kapitel liefert Antworten in Hinblick auf Werkstoffe, die bestimmte technische Eigenschaften besitzen müssen, dabei einfach herstellbar sein sollen und die Forderung der Wirtschaftlichkeit erfüllen müssen. Mithilfe der weiteren Antworten kann man sich einen ersten Eindruck vom mikroskopischen Aufbau der vier Werkstoffgruppen (Metalle, Gläser/Keramiken, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe) verschaffen und man lernt einige wichtige Werkstoffeigenschaften kennen. Danach wird die Prüfung, die Normung und die Bezeichnung von Werkstoffen betrachtet. Schließlich befassen sich einige Antworten mit der zeitlichen Entwicklung von Werkstoffen und führen den Begriff der Nachhaltigkeit ein.

Ewald Werner, Erhard Hornbogen, Norbert Jost, Gunther Eggeler
4. Technologien – Ingenieurwissen – Technische Systeme: Die Welt der Technik

Technik bezeichnet die Gesamtheit der von Menschen geschaffenen, nutzorientierten Gegenstände und Systeme sowie die zugehörige Forschung, Entwicklung, Herstellung und Anwendung. Technologie ist die Wissenschaft von der Technik.

Horst Czichos
E3. Eigenschaften und Verwendung der Werkstoffe

Als Eisenwerkstoffe werden die für Bauteile und Werkzeuge anwendbaren Metalllegierungen bezeichnet, bei denen der mittlere Gewichtsanteil an Eisen höher als der jedes anderen Legierungselements ist. Sie werden in die Gruppe der Stähle und Gusseisenwerkstoffe aufgegliedert. Beide Gruppen unterscheiden sich vor allem im Kohlenstoffgehalt und weisen teilweise sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Während die Stähle Eisenwerkstoffe darstellen, die sich i. Allg. für die Warmumformung eignen, erfolgt die Formgebung der Gusseisenwerkstoffe durch Urformen (s. S2). Abgesehen von einigen Cr‐reichen Stählen liegt der C‐Gehalt der Stähle unter rd. 2 %, der C‐Gehalt der Gusseisenwerkstoffe über 2 %. Während bei Stählen der Kohlenstoff im Eisengitter gelöst oder in chemisch gebundener Form als Karbid vorliegt, tritt er im Gusseisen teilweise als Graphit auf. Stahlguss, dessen Formgebung ebenfalls durch Urformen erfolgt, wird zur Gruppe der Stähle gerechnet.Im stabilen Eisen‐Kohlenstoff‐System tritt Kohlenstoff als Graphit in hexagonaler Gitterstruktur auf. Diese Gleichgewichtsphase stellt sich nur bei extrem langen Glühzeiten ein. Bei den üblichen Wärmebehandlungen der Stähle liegt Kohlenstoff in chemisch gebundener Form als Eisenkarbid Fe3C (Zementit) vor. Für technische Zwecke wird daher in der Regel statt des Systems Eisen‐Kohlenstoff das metastabile System Eisen‐Zementit betrachtet, wenn auch im Bereich des Gusseisens (C > rd: 2 %) eine teilweise Graphitbildung erfolgt, der reale Werkstoffzustand also zwischen dem des stabilen und des metastabilen Systems liegt.

Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner, Prof. Dr.-Ing. Christina Berger, Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Kloos
6. Werkstoffeigenschaften
Technische und wirtschaftliche Beurteilung von Werkstoffen

Dieses Kapitel enthält grundlegende Fachinhalte aus der Werkstoffkunde, wobei die technische und auch wirtschaftliche Bedeutung behandelt wird. Der Schwerpunkt wird dabei auf die Einteilung der Werkstoffe und auf die Werkstoffeigenschaften gelegt. Als Vorbereitung auf den methodischen Teil werden auch grundlegende Inhalte zur Werkstoffauswahl und Werkstoffprüfung behandelt. Bei Verfügbarkeit eines gut ausgestatteten Prüflabors (z. B. Zugprüfmaschine, Härteprüfeinrichtungen etc.) wäre eine Vertiefung des technischen Stoffgebiets durch praktische Übungen sinnvoll. Im vorliegenden Kapitel werden Methoden und Übungen vorgestellt, die ohne kostenintensives Equipment durchgeführt werden können und zu einer Vertiefung des Verständnisses über Werkstoffe und deren Eigenschaften beitragen.

DI Dr. Wolfgang Waldhauser, BSc Eva Maria Neubauer
2. Metallische Werkstoffe

Metalle bilden unter den chemischen Elementen die größte Gruppe, es sind etwa 70 unter den 88 natürlich vorkommenden Elementen (Abschn. 1.4.1 Periodensystem).

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

Der Abschnitt zeigt dem Einsteiger in die Werkstoffkunde die Bedeutung und Verflechtung mit anderen Fachgebieten, weist auf Entwicklungsrichtungen hin und stellt die grundsätzliche Herangehensweise an den vielfältigen Stoff dar.Werkstoffe sind jener Teil der Materie, die der Mensch zur Herstellung von Gütern aller Art benutzt, um seine Bedürfnisse zu befriedigen. Dazu gehören auch die Maschinen zu ihrer Herstellung. Zu den Werkstoffen zählen alle Stoffe für Bauteile in Maschinen, Geräten und Anlagen, ebenso das Material für die Werkzeuge zu ihrer Fertigung.Das Buch beschränkt sich auf Werkstoffe, die in der Maschinentechnik, im Fahrzeugbau und in der Feingerätetechnik verwendet werden. Andere Bereiche sind z. B. Luftfahrtwerkstoffe, Werkstoffe der E-Technik und Elektronik, Baustoffe für Hoch- und Tiefbau, Werkstoffe für Textilien und Bekleidung, Dentalwerkstoffe.Werkstoffkunde ist der Name für ein Lehrfach, das die Erkenntnisse der Werkstoffwissenschaft benutzt, um Stoffeigenschaften und Vorgänge in Stoffen bei der Verarbeitung zu erklären. Mit Hilfe von Modellvorstellungen versucht sie, das Unsichtbare zu veranschaulichen.

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek
4. Chemie und Werkstoffkunde 1
Maria Steinmetz, Heiner Dintera
1. Überblick

Dieses Kapitel vermittelt einen ersten Eindruck von Werkstoffen, die bestimmte technische Eigenschaften besitzen müssen, dabei einfach herstellbar sein sollen und die Forderung der Wirtschaftlichkeit erfüllen müssen. Wir diskutieren Werkstoffe in einfachen, allgemeinen und speziellen Zusammenh ängen und lernen das Wissensgebiet Werkstoffkunde kennen, das die Werkstoffwissenschaft und die Werkstofftechnik umfasst. Wir verschaffen uns einen ersten Eindruck vom mikroskopischen Aufbau der vier Werkstoffgruppen Metalle, Gläser/Keramiken, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe. Wir lernen einige wichtige Werkstoffeigenschaften kennen. Es geht dann um zuverl ässige Daten über Eigenschaften von Werkstoffen und in diesem Zusammenhang wird die Prüfung, die Normung und die Bezeichnung von Werkstoffen betrachtet. Schließlich befassen wir uns kurz mit der zeitlichen Entwicklung von Werkstoffen und führen den Begriff der Nachhaltigkeit ein.

Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner
7. Nichteisenmetalle

Das Kapitel behandelt die technisch relevantesten Nichteisenmetalle Kupfer, Aluminium, Titan, Nickel, Magnesium und deren Legierungen. Nach den Verfahren zur Kupferherstellung werden die wesentlichen Kupferlegierungen anhand der Phasendiagramme besprochen und der Einfluss der Legierungselemente auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften dargestellt. Gleiches gilt für die Aluminiumlegierungen, die in Knet- und Gusslegierungen sowie in aushärtbare und nicht aushärtbare Legierungen unterteilt sind. Beschrieben werden Legierungen mit technischer Bedeutung und deren Eigenschaften in Abhängigkeit von den jeweiligen Legierungselementen. Bei Titan werden neben der komplexen Herstellung die Allotropie und daraus abgeleitet die Legierungselemente diskutiert, die die entsprechenden Phasenbereiche kontrollieren bzw. begrenzen. Dargestellt werden die daraus resultierenden, wesentlichen Legierungen und deren Eigenschaften. Von den Nickel- und Nickellegierungen werden die hervorstechendsten Eigenschaften in Abhängigkeit von den Legierungselementen und der damit verknüpften Mikrostruktur dargestellt. Dies sind beispielsweise die Formgedächtniseigenschaften der Nickel-Titan-Legierungen und die besonderen Hochtemperatureigenschaften der komplexen Nickel-, Chrom-, Kobalt- Eisenlegierungen. Beschrieben werden die Eigenschaften von Magnesium als eines der leichtesten Elemente in der technischen Anwendung sowie die relevantesten Magnesiumlegierungen und deren Eigenschaften.

Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
2. Einteilung und strukturelle Betrachtung von Werkstoffen

Werkstoffe sind Stoffe, die wir uns zunutze machen. Welche Stoffe können als Werkstoffe genutzt werden? Welche Gruppen von Werkstoffen werden unterschieden? In welcher Weise wird die Struktur von Werkstoffen betrachtet? Dies sind die Leitfragen dieses Kapitels. Die Einteilung von Werkstoffen nach verschiedenen Kriterien wird aufgezeigt. Jeder Werkstoff hat eine bestimmte chemische Zusammensetzung und eine Struktur, die oft veränderbar ist. Struktur ist der Schlüsselbegriff der Werkstofftechnik. Die Änderung der Struktur kann, bei gleich bleibender Zusammensetzung, Veränderung der Eigenschaften des Werkstoffs bewirken. Die Betrachtung der Struktur von Werkstoffen auf Ebenen verschiedener Dimensionen wird beschrieben und anschaulich dargestellt. Das Gefüge (Mikrostruktur) und die Feinstruktur (atomare Struktur) werden unterschieden. Die Betrachtung der Feinstruktur bezüglich ihres Zusammenhalts und räumlichen Ordnungszustandes wird dargestellt. Abschließend wird auf den Zusammenhang zwischen Technologie, Struktur und Eigenschaft hingewiesen.

Professorin Dr.-Ing. Bozena Arnold
4. Schleifbarkeit unterschiedlicher Werkstoffe

In dem vierten Kapitel werden der Aufbau, die Werkstoffeigenschaften und die Zerspanbarkeit unterschiedlicher Werkstoffe diskutiert. Dabei wird die Beeinflussung der Werkstoff- und somit auch Zerspaneigenschaften von Stahlwerkstoffen durch Kohlenstoffgehalt und Legierungselemente sowie verschiedene Wärmebehandlungen thematisiert. Im Rahmen dessen werden unterschiedliche Legierungselemente und Verfahren zur Wärmebehandlung vorgestellt. Des Weiteren stehen die Einflüsse verschiedener Gefügebestandteile bei Stählen auf die Zerspanbarkeit im Fokus des Kapitels. Neben einer Betrachtung von Stahlwerkstoffen werden außerdem der Aufbau und die Herausforderungen bei der Schleifbearbeitung von Titanwerkstoffen, Nickelbasiswerkstoffen, Keramiken, Glas und Silizium erläutert. Ein weiterer Schwerpunkt des Kapitels liegt somit im Unterschied des Zerspanverhaltens von duktilen und sprödharten Werkstoffen, bei denen die Zerspanung durch unterschiedliche Materialtrennmechanismen charakterisiert wird.

Fritz Klocke
4. Schleifbarkeit unterschiedlicher Werkstoffe

In dem vierten Kapitel werden der Aufbau, die Werkstoffeigenschaften und die Zerspanbarkeit unterschiedlicher Werkstoffe diskutiert. Dabei wird die Beeinflussung der Werkstoff- und somit auch Zerspaneigenschaften von Stahlwerkstoffen durch Kohlenstoffgehalt und Legierungselemente sowie verschiedene Wärmebehandlungen thematisiert. Im Rahmen dessen werden unterschiedliche Legierungselemente und Verfahren zur Wärmebehandlung vorgestellt. Des Weiteren stehen die Einflüsse verschiedener Gefügebestandteile bei Stählen auf die Zerspanbarkeit im Fokus des Kapitels. Neben einer Betrachtung von Stahlwerkstoffen werden außerdem der Aufbau und die Herausforderungen bei der Schleifbearbeitung von Titanwerkstoffen, Nickelbasiswerkstoffen, Keramiken, Glas und Silizium erläutert. Ein weiterer Schwerpunkt des Kapitels liegt somit im Unterschied des Zerspanverhaltens von duktilen und sprödharten Werkstoffen, bei denen die Zerspanung durch unterschiedliche Materialtrennmechanismen charakterisiert wird.

Fritz Klocke
7. Werkstoff- und Halbzeugtechnologien für Leichtbau-Anwendungen

Eine Einteilung der Fertigungsverfahren ist in der DIN 8580 allgemeingültig beschrieben. Fertigungsverfahren werden in sechs Hauptgruppen eingeteilt. Jede Hauptgruppe basiert auf spezifischen Merkmalen. Im Falle einer Änderung der Form wird der Stoffzusammenhalt beibehalten, vermindert oder vermehrt (vgl. Tab. 7.1). Die in folgenden Abschnitten beschriebenen Fertigungsverfahren finden sich zum Beispiel in den Hauptgruppen1 Urformen – 1.1 Urformen aus dem flüssigen Zustand – 1.1.2 Druckgießen1 Urformen – 1.2 Urformen aus dem plastischen Zustand – 1.1.4 Strangpressen (Extrudieren)beziehungsweise2 Umformen (DIN 8582) – 2.2 Zugdruckumformen (DIN 8581-1) – 2.2.2 Tiefziehen (DIN8584-3)2 Umformen (DIN 8582) – 2.4 Biegeumformen (DIN 8586) – 2.4.2 Biegen mit drehender Werkzeugbewegung – 2.4.2.1 – Walzbiegen – 2.4.2.1.4 WalzprofilierenAndere Verfahren wie z. B. wirkmedienbasierte Umformverfahren, Schmieden, Kaltfließpressen, Semi-Solid-Gussverfahren (Thixomolding), Thixoschmieden usw. können je nach Belastungs- bzw. Verfahrensweise eingeordnet werden.Das gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung flächiger Blechformteile ist das Tiefziehen. Der reale Umformvorgang ist aber in der Regel kein reines Tiefziehen, sondern eine Kombination mit Streckziehen und lokalen Biege- bzw. Stauchprozessen.Das Tiefziehen definiert sich als Prozess, in dem ein Blechzuschnitt zu einem Hohlkörper (Erstzug) oder ein Hohlkörper in einen anderen Hohlkörper mit geringerem Umfang (Weiterzug) umgeformt wird. Eine Veränderung der Blechdicke ist nicht beabsichtigt [1].

Dr. Peter Furrer, Andreas Müller, T. Reier, Dr. Stefan Mütze, Uwe Eggers, Ansgar Geffert, Dr.-Ing. Gerhard Kopp, Prof. Dr. Rodolfo Schöneburg, Dr. Dietrich Scherzer, Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Vitalij Janzen, Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Dr.-Ing. Thomas Olfermann, Dr.-Ing. Sebastian Süllentrop, Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow, Prof. Dr. Lothar Gaul, Dr.-Ing. André Kröff, Klaus Decking, Thomas Eichenseer, Gerald Widegger
6. Die Leichtbauwerkstoffe für den Fahrzeugbau

Der Werkstoff Stahl hat sich bei der Konstruktion von Automobilen insbesondere aufgrund seiner hervorragenden Kombination von Festigkeit und Duktilität in Verbindung mit einer hohen Verfügbarkeit und relativ günstigen Herstellungskosten bewährt. Jedoch sind die Anforderungen an die Auslegung von Automobilen hinsichtlich Leichtbau, Sicherheit und Umweltschutz in den letzten Jahren stetig gestiegen, wovon auch der Werkstoff Stahl betroffen ist. Impulse hierfür gaben vor allem veränderte gesetzliche Rahmenbedingungen wie die Auflagen zur Reduzierung der CO2-Emissionen, erhöhte Energiekosten und damit eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs genauso wie die Erhöhung der Recyclingraten für einen nachhaltigen Ressourceneinsatz. Darüber hinaus stiegen die Komfortansprüche des Kunden genauso wie die Ansprüche an einen hohen Sicherheitsstandard. Diese zum Teil widersprüchlichen Anforderungen können nur über den Lösungsansatz Leichtbaukonzepte erfüllt werden. Eine zentrale Rolle für den wirtschaftlichen Automobilleichtbau spielen dabei insbesondere die höher- bis höchstfesten Stähle.Aus diesem Grund konzentrierte sich seit Mitte der 90er die Entwicklung auf neue Stahlgüten mit gesteigerter Festigkeit und verbesserter Umformbarkeit (Bake-Hardening-Stähle, höherfeste IF-Stähle, Mehrphasenstähle), welche inzwischen im Automobilbau etabliert sind. Andere Entwicklungen wie HSD®-Stähle (siehe Abschn. 6.1.9) stehen kurz vor dem Einsatz.

Dr. Thomas Evertz, Dr. Volker Flaxa, Zacharias Georgeou, Dr. Rudolf-Hermann Gronebaum, Norbert Kwiaton, Dr. Christian Lesch, Dr. Manuel Otto, Dr. Joachim Schöttler, Thomas Schulz, Dr. Bianca Springub, Dr. Peter Furrer, Andreas Müller, Gerald Widegger, Dr. Hajo Dieringa, Prof. Dr. Karl Ulrich Kainer, Prof. Dr. Christoph Leyens, Dr. Manfred Peters, Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow, Prof. Dr. Klaus Drechsler, Prof. Dr.-Ing. Gerhard Ziegmann
3. Die Leichtbaustrategien

Es wird der Unterschied zwischen Leichtbaustrategien, Leichtbauprinzipien und Leichtbauweisen erläutert und jede Kategorie anhand von Beispielen erklärt. Eine ganzheitliche Anwendungsstrategie wird vorgestellt.Die Leichtbaustrategien Stoffleichtbau, Fertigungsleichtbau, Formleichtbau, Konzeptleichtbau und Bedingungsleichtbau werden beschrieben und mit vielen Beispielen aus der Fahrzeugentwicklung verdeutlicht. Es wird beschrieben, warum die Integration der Leichtbauziele in dem Produktentstehungsprozess der Fahrzeughersteller wichtig ist und wie dieses gelingt. Anstatt einzelne Leichtbaummaßnahmen vorzunehmen, ist es zielführender, Leichtbauziele in die Unternehmens- und Markenstrategie zu verankern.In einem Fahrzeug gibt es Zonen, die für Leichtbaumaßnahmen interessanter sind als andere. Diese werden aufgezeigt und es wird auf die Technologieauswahl eingegangen. Der Unterschied zwischen taktischem und operativem Leichtbau und deren Einsatz in der Fahrzeugentwicklung wird beschrieben.Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und Untersuchungen zu Gesamtenergiebilanzen schließen das Kapitel ab.

Gunther Ellenrieder, Prof. Dr. Thomas Gänsicke, Julian Sandiano, Dr. Martin Goede, Prof. Dr. Hans Georg Herrmann
18. Grundlagen

Alle Produkte der Technik – von Dienstleistungen abgesehen – bestehen aus Werkstoffen: Das Produkt muss mit seinen gewählten Werkstoffen die Anforderungen des Erwerbers oder Benutzers erfüllen:zuverlässige Funktion über die Lebensdauer (Leistung, Traglasten, Geschwindigkeiten),niedrige Betriebskosten (Schmierung, Korrosionsschutz, Wartung) oderRegenerationsmöglichkeit bei großen Teilen.Daraus ergeben sich die Anforderungen an das Bauteil, das Anforderungsprofil mit seinen Bereichen (s. Tab. 18.1):Diesen Anforderungen muss der Werkstoff mit seinen Eigenschaften im Bauteil standhalten, sein Eigenschaftsprofil d. h. die Summe aller Eigenschaften muss mit dem Anforderungsprofil im Gleichgewicht stehen (Tab. 18.2). Meist ist eine Sicherheit gegen Bruch oder Verformung notwendig, sodass die Eigenschaften über den Anforderungen liegen müssen.Die Fertigung stellt zusätzliche Anforderungen an die technologischen Eigenschaften des Werkstoffs:Dadurch hat der Fertigungsweg einen starken Einfluss auf die Wahl des günstigsten Werkstoffes für ein Bauteil. Seine Profile müssen um die technologischen Eigenschaften erweitert werden (Tab. 18.3): Die Zahl der anwendbaren Fertigungsverfahren wird dadurch eingeschränkt, ebenso sind Größe, Gestalt und Stückzahl des Bauteils auf den günstigsten Fertigungsweg von Einfluss.Häufig ist eine Einteilung nach der Verwendungsart:Strukturwerkstoffe geben dem Bauteil die geometrische Form und Steifigkeit gegenüber angreifenden Kräften, z. B.: Stähle, Al- und Ti-Legierungen.

Wolfgang Weißbach
19. Metallkundliche Grundlagen

Die technisch wichtigen Metalle (Tab. 19.1) haben Kristallgitter mit hoher Regelmäßigkeit und dichter Packung (kubisch, hexagonal). Nur Zinn ist tetragonal. Neben der dichten Packung der Atome in Schichten ist die Metallbindung die Voraussetzung für die beiden wichtigen Metalleigenschaften:Tab. 19.2 und 19.3 zeigen die Elementarzellen (kleinster, regelmäßiger Volumenteil, der sich in Richtung der Kristallachsen periodisch wiederholt). Kristalle (nur in Lunkern freiwachsend) sind ungeordnet zusammengewachsen, auch Kristallite oder Körner genannt. Sie bilden mit ihren Korngrenzen, evtl. Texturen und Verunreinigungen, das Gefüge des Metalls. Es kann im Schliffbild mikroskopisch vergrößert sichtbar gemacht werden (Lichtmikroskop 0,5 $${\upmu}$$m, Rasterelektronenmikroskop bis 0,5 nm auflösbare Teilchengröße).Durch räumliches Aneinanderreihen der E-Zellen ergibt sich ein fehlerloses Kristallgitter, der Idealkristall. Die Kristalle wirklicher metallischer Werkstoffe besitzen Störungen im Gitteraufbau infolge der Wärmebewegung der Teilchen und schneller Kristallisation (Tab. 19.4).

Wolfgang Weißbach
1. Einordnung in allgemeine Zusammenhänge

In den letzten Jahrzehnten wurden in zunehmendem Maße Überlegungen darüber angestellt, welche Folgen für die menschliche Gesellschaft aus der Begrenztheit der Weltvorräte an Rohstoffen und Energieträgern entstehen und wie die Herstellung, Verarbeitung und Anwendung der Werkstoffe die natürliche und soziale Umwelt des Menschen beeinflusst. Das Aufstellen von Stoff- und Energiebilanzen und das Verfolgen von Stoffflüssen ermöglicht hier wichtige Aussagen. Die Produktion und Weiterverarbeitung von Werkstoffen verursacht 30 % des Energieverbrauchs einer Volkswirtschaft, d.h. die Frage nach der Rohstoffbasis der Materialien ist mit der Frage nach der Verfügbarkeit von Energieträgern unlösbar verknüpft. Mit dem hohen Energiebedarf und anderen Faktoren in der Erzeugung von Werkstoffen ist eine entsprechend hohe Umweltbelastung verbunden.

Bernhard Ilschner, Robert F. Singer
2. Werkstoffgruppen und Werkstoffeigenschaften

Das Gebiet der Werkstoffe lässt sich schematisch in zwei Richtungen gliedern:Werkstoffgruppen unterscheiden sich nach stofflicher Zusammensetzung und kristallinem Aufbau.Werkstoffeigenschaften sind messbare (in der Regel mit Maßeinheiten versehene) Stoffdaten, welche das Verhalten der unterschiedlichen Werkstoffe gegenüber unterschiedlichen Beanspruchungen angeben.In dieser kurzen Einführung werden die wichtigsten Begrifflichkeiten erläutert.

Bernhard Ilschner, Robert F. Singer
Chapter 5. Applikationen Strategischer Metalle

Von der Vielzahl der Industrie-Keramiken werden nachfolgend nur die Metalloxidkeramiken abgehandelt. Sie finden sowohl als Struktur- als auch als Funktionswerkstoffe in Form von Ein- und Mehrstoffoxiden technische Anwendung. Als Funktionswerkstoffe werden die Keramiken vor allem als Isolatoren, also Nichtleiter, aber auch als Heizleiter genutzt.

Bernhard Adler
1 Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

11.Strukturwerkstoffe; geben Form, Festigkeit und Steifigkeit; Stahl für einen Kran.2.Funktionswerkstoffe; haben besondere chemisch-physikalische Eigenschaften; Keramik als elektrischer oder thermischer Isolator.2Metallische Werkstoffe, Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe, Organische Werkstoffe, Verbundwerkstoffe, Stahl, Porzellan, Polyethylen, Glasfaserverstärktes Epoxidharz.3Werkstoffeigenschaften verbessern, Werkstoffkennwerte bereitstellen, neue Werkstoffe entwickeln, Fertigungsverfahren entwickeln und optimieren.

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms
2 Metallische Werkstoffe

1Nennen Sie häufige technische Anforderungen an metallische Werkstoffe.2Nennen Sie technische Faktoren, die den Preis eines Metalles bestimmen.3Welche beiden Metalle sind am häufigsten in der Erdrinde anzutreffen?

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms
0. Überlick
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

Der Abschnitt will dem Einsteiger in das Gebiet Bedeutung und Verflechtung mit anderen Fachgebieten aufzeigen und auf Entwicklungsrichtungen hinweisen.

2. Metallische Werkstoffe

Metalle bilden unter den chemischen Elementen die größte Gruppe, es sind etwa 70 unter den 88 natürlich vorkommenden Elementen.

1. Grundlagen

Alle Produkte der Technik — von Dienstleistungen abgesehen — bestehen aus Werkstoffen: Das Produkt muss mit seinem gewählten Werkstoff(en) die Anforderungen des Erwerbers oder Benutzers erfüllen:

zuverlässige Funktion über die Lebensdauer (Leistung, Traglasten, Geschwindigkeiten),

niedrige Betriebskosten (Schmierung, Korrosionschutz, Wartung) oder

Regenerationsmöglichkeit bei groβen Teilen.

Wolfgang Weiβbach
2. Metallkundliche Grundlagen

Die technisch wichtigen Metalle (Tabelle 1) haben Kristallgitter mit hoher Regelmäßigkeit und dichter Packung (kubisch, hexagonal). Nur Zinn ist tetragonal. Neben der dichten Packung der Atome in Schichten ist die Metallbindung die Voraussetzung für die beiden wichtigen Metalleigenschaften:

Elektrische Leitfähigkeit durch freie Elektronen im Kristallgitter,

Plastische Verformbarkeit durch Platzwechsel der Metallionen im Gitter, wobei die freien Elektronen die metallische Bindung aufrecht erhalten.

2. Metallische Werkstoffe
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge
Nanotechnologie — Wissenschaftliche Basis und Gesellschaftliche Folgen

Nanotechnologie gilt als Forschungsfeld mit revolutionären Möglichkeiten der Innovation in verschiedensten Anwendungsfeldern. Zunächst wird erläutert, wodurch sich Nanotechnologie auszeichnet und worin ihre wissenschaftliche Basis besteht. Vielfältige Potenziale der Innovation werden vor allem in den Bereichen neuer Materialien, in der Informations und Kommunikationstechnik und im medizinischen Bereich gesehen, jeweils mit einer Fülle von Anwendungsfeldern. Neben den erheblichen Potenzialen sind jedoch auch Risikofelder zu beachten. Vor allem Gesundheits und Umweltfolgen künstlich hergestellter Nanopartikel, aber auch Fragen der Verteilungsgerechtigkeit und Sorgen vor einem möglichen Kontrollverlust des Menschen über die Technik begleiten die Nanotechnologie.

A. Grunwald, T. Fleischer
4. Werkstoffe

Die Prozesse und Produkte der Technik erfordern zu ihrer Realisierung eine geeignete materielle Basis.

Material

ist die zusammenfassende Bezeichnung für alle natürlichen und synthetischen Stoffe, Materialforschung, Materialwissenschaft und Materialtechnik sind die sich mit den Stoffen befassenden Gebiete der Forschung, Wissenschaft und Technik.

Horst Czichos, Birgit Skrotzki, Franz-Georg Simon
E. Werkstofftechnik
C. Berger, A. Burr, M. Gugau, K. -H. Habig, G. Harsch, K. H. Kloos, B. Pyttel, H. Speckhardt
0. Überblick
12. Der Kreislauf der Werkstoffe
2. Werkstoffgruppen und Werkstoffeigenschaften
4. Schleifbarkeit unterschiedlicher Werkstoffe
3. Properties and Application of Materials
C. Berger, K.H. Kloos
4. Vorstoß der Werkstoffwissenschaft in die Nano-Welt

Der Weg in die Nanotechnologie wurde bereits vor über 50 Jahren vorhergesagt. Realität wurde sie gegen Ende des vorigen Jahrhunderts als man Kohlenstoffteilchen entdeckte und herstellte, die nur wenige Nanometer groß sind: Fullerene und Nanoröhrchen. Es wurden Geräte entwickelt, mit denen Werkstoffforscher bis in diese Dimension vorgedrungen sind und sogar einzelne Atome damit nicht nur sehen, sondern sogar manipulieren konnten: Elektronen- und andere Mikroskope. Es ist fraglich, ob bei der Wärdigung ihrer Entwicklung jeder zu Ehren gekommen, dem sie gebührt. Die praktische Nutzung von Fullerenen, steht noch immer ziemlich am Anfang. Nanoröhrchen werden bereits auf vielfältige Weise eingesetzt. Von weit praktischerer Bedeutung sind andere Nanopartikel: Pulver aus verschiedenen Materialien. Die kleinsten bekannten Nanopartikel bestehen aus nur etwa 104 Atomen, sogenannte Quantenpunkte. Damit hofft man, extrem leistungsfähige Computer herstellen zu können. Die Nanotechnologie hat Chancen eröffnet, aber auch Bedenken geweckt, denen Wissenschaftler nachgehen. Nanopartikel können im Körper Zellmembranen und die Barriere durchdringen, die das Gehirn vor Krankheitserregern schützt. Materialien sind hierarchisch aufgebaut. Werkstoffforscher arbeiten nun daran, Materialstrukturen über alle Dimensionsebenen hinweg quantitativ zu modellieren und ihr Verhalten zu simulieren, um Werkstoffe mit neuen Eigenschaften vorhersagen zu können. Das ist eine neue methodische Säule der Werkstoffforschung: Die Computational Materials Science. Sie kann auch der kombinatorischen Materialforschung zum Durchbruch verhelfen, die bekannte Ausgangsstoffe miteinander kombiniert und schnell Kombinationen selektiert, aus denen ein Material mit definierten Eigenschaften entwickelt werden kann.

Klaus Urban
2. Metallische Werkstoffe

Metalle bilden unter den chemischen Elementen die größte Gruppe, es sind etwa 70 unter den 88 natürlich vorkommenden Elementen (Abschn.

1.3.1

Periodensystem).

Wolfgang Weißbach, Prof. Dr.-Ing. Michael Dahms, Prof. Dr. Christoph Jaroschek
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

Der Abschnitt zeigt dem Einsteiger in die Werkstoffkunde die Bedeutung und Verflechtung mit anderen Fachgebieten, weist auf Entwicklungsrichtungen hin und stellt die grundsätzliche Herangehensweise an den vielfältigen Stoff dar.

Werkstoffe

sind jener Teil der Materie, die der Mensch zur Herstellung von Gütern aller Art benutzt, um seine Bedürfnisse zu befriedigen. Dazu gehören auch die Maschinen zu ihrer Herstellung. Zu den Werkstoffen zählen alle Stoffe für Bauteile in Maschinen, Geräten und Anlagen, ebenso das Material für die Werkzeuge zu ihrer Fertigung.

Das Buch beschränkt sich auf Werkstoffe, die in der Maschinentechnik, im Fahrzeugbau und in der Feingerätetechnik verwendet werden. Andere Bereiche sind z. B. Luftfahrtwerkstoffe, Werkstoffe der E-Technik und Elektronik, Baustoffe für Hoch- und Tiefbau, Werkstoffe für Textilien und Bekleidung, Dentalwerkstoffe.

Werkstoffkunde

ist der Name für ein Lehrfach, das die Erkenntnisse der Werkstoffwissenschaft benutzt, um Stoffeigenschaften und Vorgänge in Stoffen bei der Verarbeitung zu erklären. Mit Hilfe von Modellvorstellungen versucht sie, das Unsichtbare zu veranschaulichen.

Wolfgang Weißbach, Prof. Dr.-Ing. Michael Dahms, Prof. Dr. Christoph Jaroschek
3. Mechatronische Systeme

Mechatronische Systeme sind technische Systeme, die auf dem Zusammenwirken von Mechanik, Elektronik und Informatik basieren. Nach einer Übersicht über Aufbau und Modellbildung werden in knapper Form die Mechanik, die Elektronik und die Informatik in mechatronischen Systemen beschrieben. Die Darstellung der Elemente der Mechatronik wird ergänzt durch die systemtechnischen Gestaltungsgrundlagen und die interdisziplinäre Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme.

Horst Czichos
E. Werkstofftechnik

Alle Produkte der Technik – von Dienstleistungen abgesehen – bestehen aus Werkstoffen: Das Produkt muss mit seinen gewählten Werkstoffen die Anforderungen des Erwerbers oder Benutzers erfüllen:

• zuverlässige Funktion über die Lebensdauer (Leistung, Traglasten, Geschwindigkeiten),

• niedrige Betriebskosten (Schmierung, Korrosionschutz, Wartung) oder

• Regenerationsmöglichkeit bei großen Teilen.

Wolfgang Weißbach
4. Chemie und Werkstoffkunde 1
Maria Steinmetz, Heiner Dintera
E3. Eigenschaften und Verwendung der Werkstoffe
Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner, Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Kloos, Prof. Dr.-Ing. Christina Berger
6. Werkstoffe

Für die Realisierung des in der Produktentwicklung entstandenen Produkts in der Fertigung steht heutzutage eine Vielzahl moderner Werkstoffe zur Verfügung. Ein Werkstoff ist ein Stoff, der mit der Absicht einer technischen Verwendung hergestellt wird. Werkstoffe sind feste Stoffe und grenzen sich von flüssigen Stoffen wie beispielsweise Treibstoffen und Schmierstoffen ab. Eine Einteilung der Werkstoffe in verschiedene Gruppen kann auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise nach dem Einsatzgebiet, der Art der chemischen Bindung oder dem inneren Aufbau.

Prof. Dr. Michael Scheffler, Prof. Dr. Thorsten Halle, Jun.-Prof. Dr.-Ing. Manja Krüger, Prof. Dr. Andreas Heyn
Werkstoffe
Horst Czichos, Birgit Skrotzki, Franz-Georg Simon
Kapitel 7. Werkstoff- und Halbzeugtechnologien für Leichtbau-Anwendungen

Eine Einteilung der Fertigungsverfahren ist in der DIN 8580 allgemeingültig beschrieben. Fertigungsverfahren werden in sechs Hauptgruppen eingeteilt. Jede Hauptgruppe basiert auf spezifischen Merkmalen.

Uwe Eggers, Peter Furrer, Rainer Gadow, Lothar Gaul, Ansgar Geffert, Ortwin Hahn, Vitalij Janzen, Gerhard Kopp, André Kröff, Gerson Meschut, Andreas Müller, Stefan Mütze, Thomas Olfermann, Dietrich Scherzer, Rodolfo Schöneburg, Sebastian Süllentrop
Kapitel 6. Die Leichtbauwerkstoffe für den Fahrzeugbau

Der Werkstoff Stahl hat sich bei der Konstruktion von Automobilen insbesondere aufgrund seiner hervorragenden Kombination von Festigkeit und Duktilität in Verbindung mit einer hohen Verfügbarkeit und relativ günstigen Herstellungskosten bewährt. Jedoch sind die Anforderungen an die Auslegung von Automobilen hinsichtlich Leichtbau, Sicherheit und Umweltschutz in den letzten Jahren stetig gestiegen, wovon auch der Werkstoff Stahl betroffen ist. Impulse hierfür gaben vor allem veränderte gesetzliche Rahmenbedingungen wie die Auflagen zur Reduzierung der CO

2

-Emissionen, erhöhte Energiekosten und damit eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs genauso wie die Erhöhung der Recyclingraten für einen nachhaltigen Ressourceneinsatz. Darüber hinaus stiegen die Komfortansprüche des Kunden genauso wie die Ansprüche an einen hohen Sicherheitsstandard. Diese zum Teil widersprüchlichen Anforderungen können nur über den Lösungsansatz Leichtbaukonzepte erfüllt werden. Eine zentrale Rolle für den wirtschaftlichen Automobilleichtbau spielen dabei insbesondere die höher- bis höchstfesten Stähle.

Hajo Dieringa, Klaus Drechsler, Thomas Evertz, Volker Flaxa, Peter Furrer, Rainer Gadow, Zacharias Georgeou, Rudolf-Hermann Gronebaum, Karl Ulrich Kainer, Norbert Kwiaton, Christian Lesch, Christoph Leyens, Andreas Müller, Manuel Otto, Manfred Peters, Joachim Schöttler, Thomas Schulz, Bianca Springub, Gerhard Ziegmann
Chapter 3. Die Leichtbaustrategien

Der normale Entwicklungsprozess von Personenkraftfahrzeugen dauert heute üblicherweise zwischen 36 und 48 Monaten. In diesem Zeitraum werden alle neuen Anforderungen infolge neuer Gesetze, gestiegener Sicherheitsanforderungen und ebenso Kundenwünsche wie Komfortverbesserungen technisch umgesetzt. Dabei nimmt das projektierte Fahrzeug stets an Gewicht zu. Die dabei angewendeten bekannten und bereits erfolgreich eingesetzten Lösungen zur Gewichtsminimierung reichen oft nicht aus, um das im Lastenheft formulierte Gewichtsziel zu erreichen.

Gunther Ellenrieder, Thomas Gänsicke, Martin Goede, Hans Georg Herrmann
1. Einleitung

Werkstoffe sind Materialien, aus denen sich technisch relevante Bauteile herstellen lassen. Ihre Eigenschaften sind dabei von der chemischen Zusammensetzung, dem mikroskopischen Aufbau, dem Herstellungsprozess, der konstruktiven Gestaltung des Werkstoffs und von der Betriebsbeanspruchung des jeweiligen Bauteils abhängig.

Marc-Denis Weitze, Christina Berger
5. Werkstoffe für Mobilität

Vom Schuh bis zum Passagierflugzeug: Werkstoffe ermöglichen Bewegung. Ausgehend von Naturstoffen wie Leder und Holz wurden im Laufe der Jahrhunderte neue Materialien ersonnen, mit denen Mobilität immer komfortabler, sicherer und umweltschonender wird.

Marc-Denis Weitze, Christina Berger
4. Technologische Innovationen
Die Welt der Technik

Die moderne Technik ist hervorgegangen aus der Verbindung von handwerklichem Können und naturwissenschaftlicher Methode. Ganz allgemein gesehen handelt es sich bei der Technik um Objekte und Prozesse der physischen Welt, die durch arbeitsteiliges gesellschaftliches Handeln zustande kommen. Es können Produkte hergestellt und Verfahrensweisen angewendet werden, die früher völlig unbekannt waren und es gibt kaum einen Lebensbereich, der nicht durch die moderne Technik geprägt ist

(Friedrich Rapp).

Die Dimensionen der heutigen Technik umfassen die Makrotechnik, die Mikrotechnik und die Nanotechnik. Betrachtet werden der Produktionszyklus, die Basistechnologien

Energie – Material – Information

und technische Systeme bis hin zur Medizintechnik. Zusammen mit den Grundlagen der Ingenieurwissenschaften werden die Innovationen der Technik im 21. Jahrhundert dargestellt.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Horst Czichos
3. Eigenschaften und Verwendung der Werkstoffe Werkstoffe

Als Eisenwerkstoffe werden die für Bauteile und Werkzeuge anwendbaren Metalllegierungen bezeichnet, bei denen der mittlere Gewichtsanteil an Eisen höher als der jedes anderen Legierungselements ist. Sie werden in die Gruppe der Stähle und Gusseisenwerkstoffe aufgegliedert. Beide Gruppen unterscheiden sich vor allem im Kohlenstoffgehalt und weisen teilweise sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Während die Stähle Eisenwerkstoffe darstellen, die sich i. Allg. für die Warmumformung eignen, erfolgt die Formgebung der Gusseisenwerkstoffe durch Urformen (s. S 2). Abgesehen von einigen Cr-reichen Stählen liegt der C‑Gehalt der Stähle unter rd. 2 %, der C‑Gehalt der Gusseisenwerkstoffe über 2 %. Während bei Stählen der Kohlenstoff im Eisengitter gelöst oder in chemisch gebundener Form vorliegt, tritt er im Gusseisen teilweise als Graphit auf. Stahlguss, dessen Formgebung ebenfalls durch Urformen erfolgt, wird zur Gruppe der Stähle gerechnet.

Dr.-Ing., Prof. C. Berger, K. H. Kloos
5. Sonderverfahren

Gewindedrehen ist ein Schraubdrehen zur Erzeugung eines Gewindes mit einem einprofiligen Meißel.

R. Bähr, Dr.-Ing., Prof. C. Brecher, Dr. rer. nat., Prof., S. Büttgenbach, Dr.-Ing., Prof. B. Denkena, J. Hemmelmann, B. Kempa, J. Ladwig, Dr.-Ing., Prof. G. Seliger, Dr.-Ing. Dr. h.c., Prof. K. Siegert, Dr. h.c. mult. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h., Prof. G. Spur, H. K. Tönshoff, Dr.-Ing., Prof. E. Uhlmann, Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult., Prof. E. Westkämper
2. Einteilung und strukturelle Betrachtung von Werkstoffen

Werkstoffe sind Stoffe, die wir uns zunutze machen. Welche Stoffe können als Werkstoffe genutzt werden? Welche Gruppen von Werkstoffen werden unterschieden? In welcher Weise wird die Struktur von Werkstoffen betrachtet? Dies sind die Leitfragen dieses Kapitels. Die Einteilung von Werkstoffen nach verschiedenen Kriterien wird aufgezeigt. Jeder Werkstoff hat eine bestimmte chemische Zusammensetzung und eine Struktur, die oft veränderbar ist. Struktur ist der Schlüsselbegriff der Werkstofftechnik. Die Änderung der Struktur kann, bei gleich bleibender Zusammensetzung, Veränderung der Eigenschaften des Werkstoffs bewirken. Die Betrachtung der Struktur von Werkstoffen auf Ebenen verschiedener Dimensionen wird beschrieben und anschaulich dargestellt. Das Gefüge (Mikrostruktur) und die Feinstruktur (atomare Struktur) werden unterschieden. Die Betrachtung der Feinstruktur bezüglich ihres Zusammenhalts und räumlichen Ordnungszustandes wird dargestellt. Abschließend wird auf den Zusammenhang zwischen Technologie, Struktur und Eigenschaft hingewiesen.

Prof. em. Dr.-Ing. Bozena Arnold
5. Metallische Werkstoffe

Aufgeführt sind zunächst die Normen anhand derer verschiedenartige Stähle, Gusseisensorten und Nichteisen-Metalle durch Kurzzeichen benannt und unterschieden werden. Es ist im Detail erläutert, welche Hinweise auf Gebrauchseigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten den kennzeichnenden Kurzzeichen zu entnehmen sind.

Im Folgenden sind die wichtigsten Stahlsorten in einer Reihenfolge nach verschiedenen Anwendungszwecken jeweils unter Angabe des entscheidend wichtigen Kohlenstoffgehalts und wichtiger Kennwerte in ihrer Unterschiedlichkeit beschrieben. Bei den daraufhin genannten Gusseisensorten stellen die den Anwendungszweck bestimmenden Gefügezustände das Ordnungsprinzip dar. Den Abschnitten Nichteisen- und Schwermetalle sind jeweils kurze Angaben zu ihrer Herstellung vorangestellt ehe die einzelnen, zum Teil durchWärmebehandlungen in ihren Eigenschaften stark veränderbaren Sorten beschrieben und Anwendungen aufgezeigt werden.

Ziel ist es, den Leser in die Lage zu versetzen, bei vorgegebenem Anforderungskatalog für ein Bauteil geeignete metallischeWerkstoffe oderWerkstoffzustände auszuwählen, deren Einsatzmöglichkeit dann noch anhand der Ver- und Bearbeitungsmöglichkeiten geprüft werden muss.

Prof. em. Dr.-Ing. Jürgen Ruge, Prof. em. Dr.-Ing. Helmut Wohlfahrt
1. Produkte der Pulvermetallurgie

Man ist geneigt, unter dem Begriff Pulvermetallurgie die Herstellung und Verarbeitung von metallischen Pulvern zu verstehen. Bedingt durch die Entwicklung der großen überregionalen Fachverbände und ihren prägenden Einfluss gibt es jedoch keine allgemein akzeptierte Definition, die Abgrenzungen zu anderen Fertigungstechniken sind inkonsistent und pragmatisch festgelegt sowie ständigem Wandel unterworfen. Pulvermetallurgie bezeichnet deshalb eine unübersichtliche Vielfalt völlig verschiedener Methoden oder Verarbeitungsschritte für jedes betrachtete Material. Die Grenzen zur Verarbeitung keramischer Stoffe sind fließend.

Paul Beiss
Kapitel 13. Werkstoff- und Integritätskonzept für druckführende Komponenten

Der Betrieb eines Kernkraftwerkes erfordert die dauerhafte Gewährleistung der Anlagensicherheit zum Ausschluss katastrophaler Unfallfolgen. Wichtige Eigenschaftsmerkmale für den Betreiber sind darüber hinaus Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeitsgesichtspunkte. Bereits in der Planungs- und Errichtungsphase von nuklearen Kraftwerksanlagen werden maßgebliche Entscheidungen für die vorgesehene Lebensdauer einer Komponente oder der Gesamtanlage getroffen.

Albert Ziegler, Hans-Josef Allelein
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge
Wolfgang Weißbach, Prof. Dr.-Ing. Michael Dahms
2. Metallische Werkstoffe
Wolfgang Weißbach, Prof. Dr.-Ing. Michael Dahms
D Werkstoffe
Horst Czichos, Dr.-Ing. Birgit Skrotzki, Dr. rer.,nat. Franz-Georg Simon
5. E Werkstofftechnik

Alle Produkte der Technik – von Dienstleistungen abgesehen – bestehen aus Werkstoffen: Das Produkt muss mit seinen gewählten Werkstoffen die Anforderungen des Erwerbers oder Benutzers erfüllen: - zuverlässige Funktion über die Lebensdauer (Leistung, Traglasten, Geschwindigkeiten), - niedrige Betriebskosten (Schmierung, Korrosionschutz, Wartung) oder - Regenerationsmöglichkeit bei großen Teilen.

Alfred Böge
B.8. Funktionswerkstoffe

Die bisher behandelten Eisenlegierungen sind als Strukturwerkstoffe im Einsatz, d. h. als kraftübertragende Bauteile, bei denen es neben den tribologischen und chemischen auch auf die mechanischen Eigenschaften ankommt. Im folgenden werden Eisenwerkstoffe und verwandte Legierungen behandelt, bei denen aufgrund besonderer physikalischer Effekte bestimmte Funktionen im Vordergrund stehen.

Professor Dr.-Ing. Hans Berns, Professor Dr.-Ing. Werner Theisen
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

Der Abschnitt will dem Einsteiger in das Gebiet die Bedeutung und Verflechtung mit anderen Fachgebieten aufzeigen, auf Entwicklungsrichtungen hinweisen und die grundsätzliche Herangehensweise an den vielfältigen Stoff vorführen.

Wolfgang Weißbach
2. Metallische Werkstoffe

Metalle bilden unter den chemischen Elementen die græßte Gruppe, es sind etwa 70 unter den 88 natürlich vorkommenden Elementen.

Wolfgang Weißbach
Teil B. Darstellung der Ausgangssituation

Für die weitere Analyse ist eine genaue Beschreibung des Marktes nötig. Der universell verwendete Begriff „Markt“ ist aber inhaltlich mitunter nicht genau bestimmbar. Daher ist es notwendig den „Markt“ nach der jeweiligen Problemstellung abzugrenzen (vgl. Kruse 1985, S. 14–18), der in der vorliegenden Arbeit als relevanter Logistikmarkt bezeichnet sein soll.

Mirko Titze
Kapitel 1. Überblick

Lernziel: Dieses Kapitel vermittelt einen ersten Eindruck von Werkstoffen, die bestimmte technische Eigenschaften besitzen müssen, dabei einfach herstellbar sein sollen und die Forderung der Wirtschaftlichkeit erfüllen müssen. Wir diskutieren Werkstoffe in einfachen, allgemeinen und speziellen Zusammenh ängen und lernen das Wissensgebiet Werkstoffkunde kennen, das die Werkstoffwissenschaft und die Werkstofftechnik umfasst. Wir verschaffen uns einen ersten Eindruck vom mikroskopischen Aufbau der vier Werkstoffgruppen Metalle, Gläser/Keramiken, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe. Wir lernen einige wichtige Werkstoffeigenschaften kennen. Es geht dann um zuverl ässige Daten über Eigenschaften von Werkstoffen und in diesem Zusammenhang wird die Prüfung, die Normung und die Bezeichnung von Werkstoffen betrachtet. Schließlich befassen wir uns kurz mit der zeitlichen Entwicklung von Werkstoffen und führen den Begriff der Nachhaltigkeit ein.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Erhard Hornbogen, Prof. Dr.-Ing. Gunther Eggeler, Prof. Dr. mont. Dr. h.c. Ewald Werner
6. Bauweisen

Unter Bauweisen versteht man die Gestaltung eines Bauteils, einer Baugruppe oder gar einer kompletten Struktur. Der Begriff „Bauweisen“ umfaßt also ganz allgemein das optimierte Zusammenwirken aller erforderlichen Fachdisziplinen wie: Werkstoffe, WerkstoffverbundeVorentwicklungKonstruktion, Berechnung und AuslegungFertigungsverfahrenUmweltaspektenatürlich unter Kosten/Nutzenaspekten betrachtet [1.1, 2.7, 2.9, 6.2].

Prof. Dr.-Ing. E.h. Dr.-Ing. Manfred Flemming, Dr.-Ing. Gerhard Ziegmann, Siegfried Roth
E. Werkstofftechnik

Diesen Anforderungen muss der Werkstoff mit seinen Eigenschaften

im

Bauteil standhalten, sein

Eigenschaftsprofil

d. h. die Summe aller Eigenschaften muss mit dem Anforderungsprofil im Gleichgewicht stehen. Meist ist eine

Sicherheit

gegen Bruch oder Verformung notwendig, sodass die Eigenschaften über den Anforderungen liegen müssen.

Wolfgang Weißbach
2. Metallische Werkstoffe
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms
Kapitel 2. Werkstoffgruppen und Werkstoffeigenschaften

Das Gebiet der Werkstoffe lässt sich schematisch in zwei Richtungen gliedern:

Werkstoffgruppen

unterscheiden sich nach stofflicher Zusammensetzung und kristallinem Aufbau.

Werkstoffeigenschaften

sind messbare (in der Regel mit Maßeinheiten versehene) Stoffdaten, welche das Verhalten der unterschiedlichen Werkstoffe gegenüber unterschiedlichen Beanspruchungen angeben.

Professor Dr. Dr.-Ing E.h. Bernhard Ilschner, Professor Dr.-Ing. Robert F. Singer
Kapitel 1. Einordnung in allgemeine Zusammenhänge

In den letzten Jahrzehnten wurden in zunehmendem Maße Überlegungen darüber angestellt, welche Folgen für die menschliche Gesellschaft aus der

Begrenztheit der Weltvorräte

an Rohstoffen und Energieträgern entstehen und wie die Herstellung, Verarbeitung und Anwendung der Werkstoffe die natürliche und soziale

Umwelt

des Menschen

beeinflusst

. Die Diskussion dieser Zusammenhänge wird durch das Aufstellen von Stoff- und Energiebilanzen und das Verfolgen von Stoffflüssen erleichtert. Die ursprünglich mehr qualitativen Überlegungen haben – nicht zuletzt durch den Einsatz numerischer Verfahren – einen hohen Grad der Verfeinerung erreicht, der auch quantitative Vorhersagen ermöglicht.

Professor Dr. Dr.-Ing E.h. Bernhard Ilschner, Professor Dr.-Ing. Robert F. Singer
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

Der Abschnitt will dem Einsteiger in das Gebiet die Bedeutung und Verflechtung mit anderen Fachgebieten aufzeigen, auf Entwicklungsrichtungen hinweisen und die grundsätzliche Herangehensweise an den vielfältigen Stoff vorführen.

Wolfgang Weißbach
2. Metallische Werkstoffe

Metalle bilden unter den chemischen Elementen die größte Gruppe, es sind etwa 70 unter den 88 natürlich vorkommenden Elementen.

Wolfgang Weißbach
1. Grundlagen

Alle Produkte der Technik — von Dienstleistungen abgesehen — bestehen aus Werkstoffen: Das Produkt muss mit seinen gewählten Werkstoffen die Anforderungen des Erwerbers oder Benutzers erfüllen:

zuverlässige Funktion über die Lebensdauer (Leistung, Traglasten, Geschwindigkeiten),

niedrige Betriebskosten (Schmierung, Korrosionschutz, Wartung) oder

Regenerationsmöglichkeit bei großen Teilen.

2. Metallkundliche Grundlagen

Die technisch wichtigen Metalle (Tabelle 1) haben Kristallgitter mit hoher Regelmäßigkeit und dichter Packung (kubisch, hexagonal). Nur Zinn ist tetragonal. Neben der dichten Packung der Atome in Schichten ist die Metallbindung die Voraussetzung für die beiden wichtigen Metalleigenschaften:

Elektrische Leitfähigkeit durch freie Elektronen im Kristallgitter,

Plastische Verformbarkeit durch Platzwechsel der Metallionen im Gitter, wobei die freien Elektronen die metallische Bindung aufrecht erhalten.

Kapitel 1. Überblick

Lernziel:

Dieses Kapitel vermittelt einen ersten Eindruck von Werkstoffen, die bestimmte technische Eigenschaften besitzen müssen, dabei einfach herstellbar sein sollen und die Forderung der Wirtschaftlichkeit erfüllen müssen. Wir diskutieren Werkstoffe in einfachen, allgemeinen und speziellen Zusammenhängen und lernen das Wissensgebiet Werkstoffkunde kennen, das die Werkstoffwissenschaft und die Werkstofftechnik umfasst. Wir verschaffen uns einen ersten Eindruck vom mikroskopischen Aufbau der vier Werkstoffgruppen Metalle, Gläser/Keramiken, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe. Wir lernen einige wichtige Werkstoffeigenschaften kennen. Es geht dann um zuverl ässige Datenüber Eigenschaften von Werkstoffen und in diesem Zusammenhang wird die Prüfung, die Normung und die Bezeichnung von Werkstoffen betrachtet. Schließlich befassen wir uns kurz mit der zeitlichen Entwicklung von Werkstoffen und führen den Begriff der Nachhaltigkeit ein.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Erhard Hornbogen, Prof. Dr.-Ing. Gunther Eggeler, Prof. Dr. mont. Ewald Werner
2. Metallische Werkstoffe
Michael Dahms
Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge
Michael Dahms
2. Aufbau der Werkstoffe
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

Der Abschnitt will dem Einsteiger in das Gebiet Bedeutung und Verflechtung mit anderen Fachgebieten aufzeigen und auf Entwicklungsrichtungen hinweisen.

Wolfgang Weißbach
2. Metallische Werkstoffe

Metalle bilden unter den chemischen Elementen die größte Gruppe, es sind etwa 70 unter den 88 natürlich vorkommenden Elementen.

Wolfgang Weißbach
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms
5. Vertiefungsthema: Anwendungen der Nanotechnologie in ausgewählten Industriebranchen
1. Ergebnisübersicht
4. Überblick über wichtige Anwendungsfelder der Nanotechnologie
18. Weitere Kriterien und Einsatzmöglichkeiten bei verwendung von faserverstärkten Kunststoffen

Nachfolgend werden noch einige bisher in diesem Buch nicht behandelte unterschiedliche Eigenschaften von Faserverbunden und deren Auswirkungen auf verschiedenste Gebieten erklärt.

Prof. em.Dr.-Ing. E.h. Dr.-Ing. Manfred Flemming, Dipl.-Ing. (FH) Siegfried Roth
14. Recycling von Faserverbundwerkstoffen und -bauteilen [14.1] [14.7]

Die Recyclingverfahren von Faserverbundwerkstoffen werden hauptsächlich von deren Komponenten Faser und Matrix bestimmt. Die wichtigsten Faserverbunde (Strukturwerkstoffe) sind: Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK)Aramidfaserverstärkte Kunststoffe und Synthese faserverstärkte Kunststoffe (SFK)Kohlenstoffaserverstärkte Kunststoffe (CFK)

Prof. em.Dr.-Ing. E.h. Dr.-Ing. Manfred Flemming, Dipl.-Ing. (FH) Siegfried Roth
12. Schadenstoleranz von Faserverbund- Werkstoffen und -Bauteilen [12.1]

Das Schadensverhalten metallischer Werkstoffe, die im Strukturbereich Anwendung finden, ist seit einigen Jahrzehnten ausführlich untersucht und weitgehend bekannt. Entsprechend diesem Werkstoffverhalten sind z. B. Inspektionsintervalle für schadensgefährdete Bereiche festgelegt, um sowohl die Schadensentstehung, als auch den Schadensfortschritt beobachten zu können. So gelten bei Metallen - in der Luftfahrt im wesentlichen hochfeste Aluminium-Legierungen in erster Linie Kerben durch Bohrungen oder konstruktionsbedingte Steifigkeitssprünge usw. als kritische Stellen.

Prof. em.Dr.-Ing. E.h. Dr.-Ing. Manfred Flemming, Dipl.-Ing. (FH) Siegfried Roth
2. Werkstoffgruppen und Werkstoffeigenschaften

Das Gebiet der Werkstoffe lässt sich in ein zweidimensionales Schema gliedern Werkstoffgruppen: sie werden unterschieden nach stofflicher Zusammensetzung und mikroskopischem bzw. atomarem Aufbau.Werkstoffeigenschaften: Hier handelt es sich um Beobachtungen und Messdaten zum Verhalten gegenüber unterschiedlichen Beanspruchungen. Auf dieses Schema, welches einen Werkstoff für einen bestimmten Zeitpunkt charakterisiert, baut sich eine dritte Dimension auf:Vorgänge in und an Werkstoffen: Veränderungen, die sich mit der Zeit unter Einwirkung äußerer Einflussgrößen oder innerer Ungleichgewichte abspielen.

Prof. Dr. Dr.-Ing. E. h. Bernhard Ilschner, Prof. Robert F. Singer
4. Mechanische Eigenschaften

Die Qualität der Strukturwerkstoffe hängt vor allem von ihren mechanischen Eigenschaften ab. Durch genormte Prüfverfahren erhält der Konstrukteur Zahlenangaben über Elastizitätsmodul, Zug-, Schwing- und Zeitstandfestigkeit oder Dehnung beim Bruch (Abschn. 0.5; Literatur zu Kap. 0). Diese Prüfverfahren allein geben aber noch keinen Hinweis auf die Möglichkeit zur Verbesserung der Eigenschaften und auf die Ursachen von Fehlerscheinungen. Dazu sind Kenntnisse über die mikroskopischen Ursachen der mechanischen Eigenschaften notwendig. Folgende Forderungen werden im Allgemeinen an einen Strukturwerkstoff gestellt: Festigkeit (hohe Belastbarkeit ohne plastische Verformung),Sicherheit (hohe Bruchzähigkeit),Leichtigkeit (geringes spezifisches Gewicht),chemische Beständigkeit (Kap. 6).

Dr.-Ing. Dr. h. c. Erhard Hornbogen
8. Metallische Werkstoffe

Die metallischen Werkstoffe bilden die wichtigste Gruppe der Strukturwerkstoffe, d. h. der Werkstoffe, bei denen es vor allem auf die mechanischen Eigenschaften (Kap. 4) ankommt. Kennzeichnend für Metalle ist, daß sich ein Teil ihrer Elektronen unabhängig von den Atomrümpfen bewegen können. Die Folge davon ist die hohe Reflektionsfähigkeit für Licht, elektrische und thermische Leitfähigkeit und ihre Neigung, in dichtesten Kugelpackungen zu kristallisieren. Diese dichtest gepackten Kristalle können auch bei tiefen Temperaturen plastisch verformt werden. Metalle sind deshalb die einzige Werkstoffgruppe, die zwischen OK und der Schmelztemperatur plastisch und bruchzäh sein kann. Demgegenüber sind keramische Kristalle nur dicht unterhalb der Schmelztemperatur geringfügig plastisch. Anorganische und organische Glasstrukturen sind ebenfalls nur bei erhöhten Temperaturen durch viskoses Fließen plastisch zu verformen.

Dr.-Ing. Dr. h. c. Erhard Hornbogen
12. Der Kreislauf der Werkstoffe

Das vergangene Jahrhundert war gekennzeichnet durch große Erfolge der wissenschaftlichen Beschäftigung mit Werkstoffen. Gezielt — aus Kenntnis des Zusammenhangs zwischen mikroskopischem Aufbau und Eigenschaften — wurden viele neue Werkstoffe gefunden, mehr noch die Eigenschaften von bereits bekannten, früher empirisch entwickelten, stark verbessert. Beispiele fir neue Werkstoffe sind Halbleiter, Supraleiter und Legierungen mit Formgedächtnis. Aber auch die Eigenschaften vieler Strukturwerkstoffe, besonders der Stähle, der Legierungen des Aluminiums, auch der Gußeisen zeigten eine stetige Aufwärtsentwicklung. Gleiches gilt für die Hochtemperatur-Werkstoffe. Ihr Fortschritt macht auch die Bedeutung der Werkstoffe für die Energietechnik deutlich (Bild 4.13b).

Dr.-Ing. Dr. h. c. Erhard Hornbogen
0. Überblick
Prof. Dr.-Ing. Erhard Hornbogen, Prof. Dr.-Ing., Dipl.-Wirt.-Ing. Norbert Jost
1. Einführung in die werkstofftechnische Modellierung

Für die Entwicklung von Konstruktionswerkstoffen unter Berücksichtigung der Herstell- und Verarbeitungstechnologien spielt das mathematische Modellieren der eigenschaftsbestimmenden Vorgänge eine besondere Rolle. Basierend auf mechanismengerechten Ansätzen können die Gefügeentwicklung und die resultierenden Eigenschaften unter Berücksichtigung der Verarbeitungseinflüsse beschrieben werden. Im Folgenden werden die Grundprinzipien und das enorme Potenzial dieser Methode für die Praxis näher beschrieben.

Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. mont. Bruno Buchmayr
0. Überblick

Alle Werkstoffe sind feste Stoffe, die den Menschen für den Bau von Maschinen, Gebäuden, aber auch zum Ersatz von Körperteilen als Implantate, oder zur Realisierung künstlerischer Visionen nützlich sind. Die Festkörperphysik, die physikalische Chemie und einige in diesen Wissenschaften enthaltenen Sondergebiete — wie die Kristallographie — haben die Aufgabe, die Bildung, den Aufbau und die Eigenschaften dieser Stoffe zu untersuchen. Die technische Ausnutzung der Eigenschaften steht bei ihnen nicht im Vordergrund, sondern die Vermehrung unserer Kenntnisse über deren Ursachen. Derartige physikalische Eigenschaften sind z. B. die elektrische und die thermische Leitfähigkeit, die Dichte, die Schmelztemperatur, das chemische Reaktionsvermögen, die Elastizität und die plastische Verformbarkeit. In den genannten. Bereichen der Naturwissenschaften wird versucht, diese Eigenschaften auf mikroskopische Ursachen zurückzuführen, d. h. auf Art und räumliche Anordnung der Atome im Festkörper (Bild 0.1 a).Bild 0.1a.Die Welt der Werkstoffe im Überblick

Dr.-Ing. Dr. h. c. Erhard Hornbogen
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms
2. Metalle und Legierungen
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

Der Abschnitt will dem Einsteiger in das Gebiet Bedeutung und Verflechtung mit anderen Fachgebieten aufzeigen und auf Entwicklungsrichtungen hinweisen.

Wolfgang Weißbach
2. Metalle und Legierungen

Einige Metalle haben einen beachtlichen Anteil an der Erdmaterie (Wasser, Luft und Erdmantel) Bild 2.1. Die wichtigen Strukturwerkstoffe Eisen, Aluminium und Magnesium sind dabei vertreten. Metalle bilden unter den chemischen Elementen die größte Gruppe, es sind etwa 70 unter den 88 natürlich vorkommenden Elementen.

Wolfgang Weißbach
D. Werkstoffe

Die Prozesse und Produkte der Technik erfordern zu ihrer Realisierung eine geeignete materielle Basis. Material ist die zusammenfassende Bezeichnung für alle natürlichen und synthetischen Stoffe, Materialforschung, Materialwissenschaft und Materialtechnik sind die sich mit den Stoffen befassenden Gebiete der Forschung, Wissenschaft und Technik

H. Czichos
5. Bewertung von Technologiegebieten

Für das formulierte Bewertungsmodell sind die Gewichtungsfaktoren g j und die Teilnutzenwerte n ij zu ermitteln. Die Teilnutzenwerte ergeben sich aus Kriterien, deren Ausprägungen in Skalenwerten ausgedrückt werden können. Diese Ausprägungen müssen identifiziert werden.

Michael Brandkamp
Werkstofftechnik

Bauteile für Maschinen und Geräte müssen so entworfen,wirtschaftlich gefertigt und in Funktion unterhalten werden, daß sie eine hohe Lebensdauer erreichen. Dabei ist die Auswahl des Werkstoffes und die Verarbeitung mit Rücksicht auf seine Eigenschaften von größter Bedeutung.

Wolfgang Weißbach
1. Gegenstand, Zielsetzungen und Methodik

Stets haben Menschen die in der Natur vorkommenden Materialien wie Leder, Knochen, Lehm und Holz verarbeitet. Zum Einsatz gelangten die Materialien in der Frühzeit der menschlichen Entwicklung so, wie sie in der Natur vorgefunden wurden. Oft führte der Zufall zu Erkenntnissen, daß Materialien verschiedene Eigenschaften besitzen und diese veränderbar sind. Archäologische Fluide dokumentieren diese experimentellen Anfänge der Materialforschung.

Professor. Dr.-Ing. Helmuth Harig, Dr.-Ing. Christian J. Langenbach
3. Stand und Entwicklung ausgewählter Materialklassen

Nach der Darstellung der gesellschaftlichen Bedeutung von Materialentwicklungen und der Beurteilung ihrer Auswirkungen sollen im dritten Kapitel die aktuellen Entwicklungen ausgewählter, wesentlicher Materialien dargestellt werden. Spekulativen Prognosen über exotische Materialien wird dabei kein Raum gegeben. Im Vordergrund stehen bis auf wenige Ausnahmen Werkstoffe für strukturelle Anwendungen in der Technik.

Professor. Dr.-Ing. Helmuth Harig, Dr.-Ing. Christian J. Langenbach
2. Technikfolgenbeurteilung und Materialwissenschaften

In den vergangenen Jahren sind mehrere Studien zu gesellschaftlichen Bedingungen und Folgen von Materialforschung und -entwicklung und zur Situation der Materialwissenschaften erschienen (vgl. dazu Abschn. 2.3). Das Gebiet der Materialforschung und -entwicklung scheint als Gegenstand von Technikfolgenbeurteilung etabliert zu sein (Socher 1997). Das politische und gesellschaftliche Interesse an Technikfolgenbeurteilungen in diesem Feld ist wohl vor allem den Sorgen um die Innovationsfähigkeit von gesellschaftlichen Bereichen geschuldet, weniger dem Interesse an einer „Frühwarnung vor technikbedingten Gefahren“, wie dies in der älteren TA-Diskussion in der Regel der Fall war. In diesem „Prozeß“ wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Reflexion stellt das vorliegende Memorandum eine Stellungnahme aus den Materialwissenschaften selbst dar.

Professor. Dr.-Ing. Helmuth Harig, Dr.-Ing. Christian J. Langenbach
1. Einführung

Die Materialwissenschaft mit ihren Ideen zu Neuen Materialien1,2 und zur Erweiterung des Einsatzspektrums von vorhandenen traditionellen Materialien ist eines der technischen Gebiete für die Sicherung von Innovationen im 21. Jahrhundert. Die gesellschaftliche und finanzielle Förderung dieses Gebietes muß auch zukünftig zu den wichtigen Förderschwerpunkten zählen, und das nicht nur aufgrund der herausgehobenen Stellung in praktisch allen Produktionsbereichen. Die Erfolge in der Halbleitertechnik beispielsweise basieren nicht unwesentlich auf den innovativen Forschungsergebnissen der Materialwissenschaften und zeigen, daß dem Nutzer im allgemeinen nicht klar ist, wie maßgeblich die Materialforschung an den Erfolgen beteiligt ist.

Professor. Dr.-Ing. Helmuth Harig, Dr.-Ing. Christian J. Langenbach
2. Neue Materialien — Trends und Entwicklungen

Standen konventionelle Materialien wie Stein, Bronze und Eisen Pate für die Bezeichnung ganzer Epochen, so treten heute die Ergebnisse der Weiterentwicklung traditioneller Materialien und das Potential Neuer Materialien in den Systemhintergrund und werden damit trotz ihrer grundlegenden Bedeutung für technische Innovationen zu einer eher unsichtbaren Dimension. Neue Materialien haben finden technischen und wirtschaftlichen Fortschritt zwar eine herausgehobene Bedeutung, aber oft keine selbständige Rolle mehr. Besondere Betonung erfahren in jüngster Zeit einerseits die traditionellen Werkstoffe aus pflanzlichen Substanzen, die zukünftig aus vielerlei Gründen vermehrte Anwendung finden werden, wenn ihre Erzeugung ökologisch vertretbar erfolgt, andererseits die nanostrukturierten Werkstoffe, deren Entwicklung zum Teil erst den Bereich der Grundlagenforschung verlassen hat. Daneben sind ohne künftige Arbeiten in den Gebieten der hochauflösenden Materialcharakterisierungen sowie der Modellierung und Simulation nicht nur von Bauteilen, sondern auch von Materialstrukturen bis herunter in submikroskopische Größenordnungen, wesentliche Teile der Materialentwicklung nicht mehr denkbar.

Professor. Dr.-Ing. Helmuth Harig, Dr.-Ing. Christian J. Langenbach
11. Produktionstechnologie

Kosten und Qualität von Produkten hängen maßgeblich von den angewendeten Fertigungstechnologien ab. Der folgende Überblick über die in der industriellen Praxis wichtigsten Fertigungsverfahren soll es dem Betriebspraktiker ermöglichen, für konkrete Fertigungsaufgaben die anwendbaren Fertigungsverfahren zu identifizieren, miteinander zu vergleichen und eine Vorauswahl günstiger Verfahren zu treffen.

Prof. Dr. Günter Spur, Prof. Dr. Walter Eversheim, Prof. Dr. Peter R. Sahm, Prof. Dr. Walter Michaeli, Prof. Dr. Horst R. Maier, Prof. Dr. Eckart Doege, Prof. Dr. Klaus Siegert, Prof. Dr. Dieter Schmoeckel, Prof. Dr. Wilfried König, Prof. Dr. Fritz Klocke, Prof. Dr. Lutz Dorn, Prof. Dr. H.-D. Steffens, Prof. Dr. Eckard Macherauch, Prof. Dr. Hermann Müller, Dr.-Ing.Dipl.-Wirt.-Ing. Alexander Pollack, Dipl.-Ing. Peter Merz, Dr.-Ing. Markus Philipp, Dr.-Ing. Achim Grefenstein, Dipl.-Ing. Wilfrid Polley, Dipl.-Ing. Bernd Stein, Dipl.-Ing. Edgar Fries, Dipl.-Ing.Dipl.-Kfm. Gösta Krieg, Dipl.-Ing. Michael Sparrer
1. Einleitung

Nach [1.1, 1.2] werden frühere Epochen der Menschheit nicht zufällig durch den jeweils bevorzugt verwendeten Werkstoff benannt. Werkstoffe bilden somit einen Gradmesser für das technische Niveau und den Fortschritt. Nach wie vor ist nach [1.3] Stahl der wichtigste Konstruktionswerkstoff schlechthin, was Abb. 1.1 nachhaltig unterstreicht. Danach werden pro Jahr weltweit 700 Mio. Tonnen Rohstahl produziert. Diese Menge ist seit 20 Jahren konstant geblieben. Die westdeutsche Produktion beträgt seit 1964 rund 40 Mio. Tonnen pro Jahr. Dieser Tatbestand könnte als eine Sättigung der Stahlproduktion gewertet und damit als nahes Ende des Stahls gesehen werden. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß das Innovationspotential von Stahl bei weitem nicht erschöpft ist. Nach [1.4] werden in modernen Stählen mehr als ein Dutzend Legierungselemente eingesetzt. Wegen der daraus resultierenden Komplexität ist eine große Zahl möglicher Stahllegierungen auf Eisenbasis überhaupt noch nicht erprobt. Die seit 20 Jahren konstante Stahlproduktion ist deshalb mit Sicherheit kein Anzeichen für ein jähes Ende des Konstruktionswerkstoffes Stahl, sondern erklärt sich nach [1.4] dadurch, daß die Verweilzeiten von Stahlsorten sehr kurz sind, weshalb derzeit die Hälfte der genormten Stähle noch keine 5 Jahre erhältlich sind.

em. Professor Dr E.h. Dr.-Ing. Manfred Flemming, Professor Dr.-Ing Gerhard Ziegmann, Dipl.-Ing (FH) Siegfried Roth
Das Entwicklungspotential von Stählen

Die Stähle sind nach wie vor mit großem Abstand die wichtigsten Konstruktionswerkstoffe der Technik. Das Produktionsvolumen von Rohstahl in den alten Bundesländern ist seit 30 Jahren konstant, wenn man von den konjunkturell bedingten Schwankungen von ±15 % absieht.

Peter Neumann
4. Ableitung eines Untersuchungsmodells

Ein wesentlicher Kritikpunkt an den Konzeptionen existierender Studien, die mögliche Wirkungen von Unternehmensakquisitionen auf die internen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der betroffenen Unternehmen analysieren, besteht in der Behandlung des Untersuchungsgegenstandes “Unternehmensakquisition” als binäre Variable. So wird in den vorliegenden Studien unterstellt, daß jede Unternehmensakquisition unabhängig von ihren spezifischen Merkmalsausprägungen die gleichen Wirkungen auf die internen FuE-Aktivitäten eines Akquisitionssubjektes aufweist. Diese Annahme wird im folgenden Kapitel aufgehoben. Es wird argumentiert, daß Unternehmensakquisitionen und interne FuE nicht nur um die Verwendung knapper finanzieller Ressourcen konkurrieren, sondern auch Alternativen des Erwerbs von technologischem Wissen darstellen können. Jedoch sind nicht alle Akquisitionsobjekte zum technologischen Wissenserwerb geeignet. Man kann sich vielmehr vorstellen, daß die Eignung davon abhängt, ob ein Akquisitionsobjekt selbst interne Forschung und Entwicklung betreibt und somit ein technologischer Wissenstransfer zwischen den Akquisitionsunternehmen überhaupt möglich ist. Falls ein Akquisitionsobjekt über technologisches Wissen verfügt, so wird das Ausmaß eines potentiellen Transfers im wesentlichen von der Beziehung zum technologischen Wissen des jeweiligen Akquisitionssubjektes sowie von der Menge des transferierbaren Wissens determiniert. Der erstgenannte Einflußfaktor wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit unter dem Begriff der “technologischen Verwandtschaft” diskutiert, während der zweite als “relatives Technologiepotential” eines Akquisitionsobjektes bezeichnet wird.

Ute Pieper
B.2. Mechanische Eigenschaften

Hartlegierungen und -Verbundwerkstoffe werden zwar vorwiegend aus Gründen des Verschleißschutzes eingesetzt, doch müssen Bauteile aus diesen Werkstoffen häufig auch mechanische Lasten aufnehmen, ohne durch Bruch oder unzulässige plastische Verformung zu versagen. Deshalb sind neben den tribologischen auch die mechanischen Eigenschaften von Bedeutung. Für das mechanische Werkstoffverhalten ist es unerheblich, ob der Werkstoff schmelzmetallurgisch oder durch Zusammenfügen von festen Bestandteilen hergestellt wurde. Wichtig ist das durch einen bestimmten Fertigungsprozeß festgelegte Werk-stoffgefüge, also der Volumengehalt, die Art, Größe und Verteilung der Hartphasen, sowie die Härte der Matrix. Deshalb wird in diesem Kapitel die Unterscheidung zwischen Hartlegierung und Hartverbunden teilweise aufgegeben und generell von Verbundwerkstoffen gesprochen.

Christoph Broeckmann
1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

Der Abschnitt will dem Einsteiger in das Gebiet Bedeutung und Verflechtung mit anderen Fachgebieten aufzeigen und auf Entwicklungsrichtungen hinweisen.

Wolfgang Weißbach
1.. Die Technologie der aktiven Strukturen

Die Technologie der aktiven Strukturen verfolgt das Ziel, Konstruktionen mit anpassbaren Struktureigenschaften zu realisieren [1.1], [1.7]. Solche Eigenschaften umfassen die Steifigkeit, Festigkeit oder allgemein den Energiezustand der Struktur. Die Auswirkungen können sich im Verformungs-, Stabilitäts- und Schwin-gungsverhalten oder in der Änderung der geometrischen Dimensionen niederschlagen. In der zu beeinflussenden Struktur wird eine Infrastruktur erforderlich, die mit Hilfe eines Regelsystems über integrierte Aktuatoren und Sensoren das Systemverhalten verändern soll. Die klassische passive Struktur wird im Grunde lediglich mit den Komponenten Transducer (Aktuator und Sensor) und Elektronik erweitert. Diese Kombination von Struktur und Elektronik kann sehr treffend als Struktronik bezeichnet werden [1.10], [1.11].

PD Dr.-Ing. habil. Dr. sc. techn. Wilfried J. Elspass, em. Professor Dr. E.h. Dr.-Ing. Manfred Flemming
E. Werkstofftechnik

Eine funktionsgerechte Werkstoffauswahl basiert auf einer umfassenden rechnerischen und experimentellen Analyse der Beanspruchung (s. C2 bis 9) und einem Vergleich dieser Beanspruchung mit geeigneten Werkstoffkennwerten, die häufig unter idealisierten Bedingungen ermittelt werden. Die in der Praxis auftretenden Betriebsbeanspruchungen umfassen mechanische, mechanisch-thermische, mechanisch-chemische sowie tribologische Beanspruchungen, die entweder einzeln oder kombiniert auftreten können.

C. Berger, A. Burr, K.-H. Habig, G. Harsch, K. H. Kloos, H. Speckhardt
4. Halbzeuge und Formen von Verstärkungsfasern

Abgesehen vom Roving, also dem endlosen Faserstrang, sind die heute gängigen Halbzeuge für die Fasertechnik von flächiger Art. In jüngster Zeit kommen allerdings vermehrt dreidimensionale Faserhalbzeuge auf den Markt, die in naher Zukunft eine erhebliche Ausweitung der Faserverbundwerkstoffe versprechen. Diese neuartigen textilen Halbzeuge werden in diesem Abschnitt entsprechend berücksichtigt. Nach [1.1] besteht ein grundsätzliches Merkmal der Faserverbundwerkstoffe darin, daß die zu fertigenden Bauteile — von einigen Beispielen abgesehen — immer schichtweise aufgebaut sind, und nicht, wie bei metallischen Fertigungsverfahren üblich, durch Abtragen hergestellt werden. Ein weiterer gravierender Unterschied zu den metallischen Werkstoffen besteht, abgesehen von Metallgußteilen, darin, daß bei der Verarbeitung der Werkstoff und das Bauteil gleichzeitig entstehen. Diese Tatsache bietet eine große Vielfalt an Fertigungstechnologien zur Herstellung von industriell gefertigten Halbzeugen und Zwischenprodukten sowie deren Weiterverarbeitung zum Endprodukt. Die wichtigsten flächigen Halbzeuge sind Gewebe, Gelege, Geflechte, Gestricke und Matten. Die schematische Darstellung der Prozesse zur Herstellung von Geweben, Gestricken und Geflechten zeigt Abb. 4.1 .

Prof. Dr.-Ing. E.h. Dr.-Ing. Manfred Flemming, Dr.-Ing. Gerhard Ziegmann, Siegfried Roth
2. Neue Entwicklungen in konventionellen Werkstoffklassen

Unter allen technischen Werkstoffen werden Metalle auch weiterhin eine herausragende Rolle spielen, vor allem im Bereich der Strukturwerkstoffe. Dazu tragen nicht zuletzt moderne Prozeßtechnologien bei, die eine gezielte Beeinflussung des Mikrogefüges erlauben. Im Bereich der klassischen Schmelzmetallurgie ist dabei insbesondere an die Prozesse der gerichteten sowie der raschen Erstarrung zu denken. Dazu kommen in weiter zunehmendem Maße pulvermetallurgische Verfahrensvarianten.

Dr. rer. nat. Thomas Kretschmer, Dipl.-Phys. Jürgen Kohlhoff
3. Neue innovative Werkstoffkonzepte

Gradientenwerkstoffe bestehen aus verschiedenen, stufenlos ineinander überge-henden Zonen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Im Idealfall können sie gleichzeitig Vertreter aller konventionellen Werkstoffklassen in kontinuierlichen Dichteoder Korngrößenverteilungen enthalten. Sie verfügen dann an jeder Stelle ihrer Oberfläche oder ihres Volumens genau über die Merkmale, die an diesem Punkt gefragt sind, Damit sind sie sehr bauteilnah und optimal an die beabsichtigte Anwendung angepaßt. Unnötiger Aufwand, der mit der durchgängigen Implementierung nicht überall benötigter Eigenschaften verbunden wäre, erübrigt sich. Die Vermeidung von abrupten Übergängen zwischen den zugrundeliegenden Basismaterialien führt gleichzeitig zur Minimierung von Schwachstellen im Bauteilvolumen.

Dr. rer. nat. Thomas Kretschmer, Dipl.-Phys. Jürgen Kohlhoff
2. Faserarten

Die Kohlenstoffasern gehören wegen der zweidimensionalen kovalenten Bindungen strukturmäßig zu den Schichtwerkstoffen [2.1]. Ein hoher Orientierungsgrad der Graphitkristalle und 100% Parakristallinität sowie die 2D-Struktur bestimmen das herausragende Eigenschaftsbild der Kohlenstoffasern in Abb. 2.1.1. Sie sind aus heutiger Sicht die interessantesten Verstärkungsfasern für Verbundwerkstoffe.

Professor Dr. Manfred Flemming, Dr. Gerhard Ziegmann, Dipl.-Ing. FH Siegfried Roth
1. Einführung

Im Wort „Werkzeugmaschine“ sind die Begriffe Werkzeug und Maschine enthalten. Statt unmittelbarer manueller Anwendung eines Werkzeugs wird also hier das Werkzeug in einer Maschine geführt und angetrieben, um ein Werkstück geometrisch bestimmter Gestalt zu fertigen. Die begriffliche Nähe zum „Fertigen“ wird deutlich: „Fertigen ist das Herstellen von Werkstücken geometrisch bestimmter Gestalt“ (O. Kienzle, später DIN 8580) /TON81/. Gemeinsame kennzeichnende Merkmale für Werkzeugmaschinen sind: 1.Werkzeugmaschinen wird Energie zugeführt, da die Fertigungsvorgänge, die in ihnen stattfinden, unter Energieaufwand ablaufen. Meist werden Werkzeugmaschinen mit elektrischer Energie betrieben; sie verwenden auch hydraulische oder pneumatische Energie.2.Werkzeugmaschinen dienen der Herstellung von Werkstücken. Sie wenden damit Fertigungsverfahren wie das Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaftändern an. Allerdings ist eine Fertigungsanlage dann nicht eine Werkzeugmaschine, wenn andere hier genannte Merkmale fehlen.3.Werkzeugmaschinen verwenden Werkzeuge zur Herstellung von Werkstücken. Dies können Werkzeuge aus festem Stoff sein, es können auch andere Wirkmedien wie Wasserstrahlen, Laserstrahlen oder die Flamme eines Brenners angewandt werden.4.Werkzeug und Werkstück müssen gegenseitig geführt werden. Diese Führung des Werkzeuges gegenüber dem Werkstück bestimmt den Fertigungsvorgang und die Gestalt des Werkstückes, soweit die Form nicht im Werkzeug gespeichert ist.

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Hans Kurt Tönshoff
0. Überblick
Prof. Dr.-Ing. Erhard Hornbogen, Prof. Dr.-Ing. Holger Haddenhorst, Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Norbert Jost
12. Der Kreislauf der Werkstoffe

Die Werkstoffe sind mit den drei Grundphänomenen Materie,Energie,Information eng verknüpft. Zu ihrer Herstellung werden Rohstoffe benötigt, die Atomarten enthalten, aus denen die Werkstoffe aufgebaut werden sollen. Eine wesentliche und erfreuliche Folge moderner technischer Entwicklung ist, daß pro technischem Nutzen immer weniger Werkstoff gebraucht wird (Bild 12.1), also die Rohstoffvorräte geschont werden. Dies ist, neben verbesserten Konstruktionsmethoden, insbesondere auf neue sowie in ihren Eigenschaften verbesserte und genauer charakterisierte Werkstoffe, also auf verbesserte Informationen zurückzuführen.

Dr.-Ing. Erhard Hornbogen
8. Metallische Werkstoffe

Die metallischen Werkstoffe bilden die wichtigste Gruppe der Strukturwerkstoffe, d. h. der Werkstoffe, bei denen es vor allem auf die mechanischen Eigenschaften (Kap. 4) ankommt. Kennzeichnend für Metalle ist, daß sich ein Teil ihrer Elektronen unabhängig von den Atomrümpfen bewegen können. Die Folge davon ist die hohe Reflektionsfähigkeit für Licht, elektrische und thermische Leitfähigkeit und ihre Neigung, in dichtesten Kugelpackungen zu kristallisieren. Diese dichtest gepackten Kristalle können auch bei tiefen Temperaturen plastisch verformt werden. Metalle sind deshalb die einzige Werkstoffgruppe, die zwischen 0K und der Schmelztemperatur plastisch und bruchzäh sein kann. Demgegenüber sind keramische Kristalle nur dicht unterhalb der Schmelztemperatur geringfügig plastisch. Anorganische und organische Glasstrukturen sind ebenfalls nur bei erhöhten Temperaturen durch viskoses Fließen plastisch zu verformen.

Dr.-Ing. Erhard Hornbogen
4. Mechanische Eigenschaften

Die Qualität der Strukturwerkstoffe hängt vor allem von ihren mechanischen Eigenschaften ab. Durch genormte Prüfverfahren erhält der Konstrukteur Zahlenangaben über Elastizitätsmodul, Zug-, Schwing- und Zeitstandfestigkeit oder Dehnung beim Bruch (Abschn.0.5; Literatur zu Kap.0). Diese Prüfverfahren allein geben aber noch keinen Hinweis auf die Möglichkeit zur Verbesserung der Eigenschaften und auf die Ursachen von Fehlerscheinungen. Dazu sind Kenntnisse über die mikroskopischen Ursachen der mechanischen Eigenschaften notwendig. Folgende Forderungen werden im Allgemeinen an einen Strukturwerkstoff gestellt: Festigkeit (hohe Belastbarkeit ohne plastische Verformung),Sicherheit (hohe Bruchzähigkeit),Leichtigkeit (geringes spezifisches Gewicht),chemische Beständigkeit (Kap. 6).

Dr.-Ing. Erhard Hornbogen
0. Überblick

Alle Werkstoffe sind feste Stoffe, die den Menschen für den Bau von Maschinen, Gebäuden, aber auch zum Ersatz von Körperteilen als Implantate, oder zur Realisierung künstlerischer Visionen nützlich sind. Die Festkörperphysik, die physikalische Chemie und einige in diesen Wissenschaften enthaltenen Sondergebiete — wie die Kristallographie — haben die Aufgabe, die Bildung, den Aufbau und die Eigenschaften dieser Stoffe zu untersuchen. Die technische Ausnutzung der Eigenschaften steht bei ihnen nicht im Vordergrund, sondern die Vermehrung unserer Kenntnisse über deren Ursachen. Derartige physikalische Eigenschaften sind z. B. die elektrische und die thermische Leitfähigkeit, die Dichte, die Schmelztemperatur, das chemische Reaktionsvermögen, die Elastizität und die plastische Verformbarkeit.

Dr.-Ing. Erhard Hornbogen
2. Kreislauf der Werkstoffe — Rohstoffe und Werkstoffe

Die in einem Ökosystem ablaufenden Prozesse sind Kreislaufprozesse. Die lebensnotwendigen Stoffe werden in der Gemeinschaft von Konsumenten und Produzenten durch Aufbau- und Zersetzungsmechanismen untereinander ausgetauscht.

Carl-Ernst Bauermann, Knut Escher
8. Kunststoffe

Unter dem Begriff Kunststoffe versteht man künstlich hergestellte organische Werkstoffe mit hohem Molekulargewicht, die sich aus vielen Einzelmolekülen (Monomeren) zusammensetzen (→ Polymere, Makromoleküle). Die Herstellung erfolgt in der chemischen Industrie, im allgemeinen aus Erdöl oder anderen Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen. Deshalb nennt man Kunststoffe auch Chemiewerkstoffe oder nach einer ihrer typischen Eigenschaft Plaste (Plastik).

Reinhold Laska, Christian Felsch
Creep Behaviour and Creep Mechanisms in Ordered Intermetallics

In the first section of this overview the creep behaviour of single-phase intermetallic alloys is discussed with respect to stress dependence, temperature dependence and effects of composition. The second section refers to two-phase intermetallic alloys, and both particulate and non-particulate alloys are regarded. Data are presented for single-phase and two-phase NiAl-base alloys, and the prospects for materials developments for application temperatures above those of the superalloys are briefly discussed.

G. Sauthoff
Fracture Mechanisms in Intermetallics

Models on cleavage fracture, interfacial fracture, and on the brittle-to-ductile transition are overviewed for intermetallics and compared with recent experimental results on the rate and temperature dependences of the fracture toughness of intermetallics. The influence of grain size, phase distribution, temperature and environment on the fracture toughness of NiAl and TiAl based alloys was measured and discussed. It was found that the brittle-to-ductile transition temperature in single phase NiAl alloys cannot be lowered below the transition temperature of suitably oriented single crystals by grain refinement. But the toughness of two-phase alloys is improved when the ductile phase completely surrounds the brittle phase in sufficient thickness. The fracture toughness of many intermetallic alloys was found to be extremely rate sensitive. For NiAl (B2) single crystals the influence of orientation, strain rate and temperature was measured and discussed in view of recently developed dynamic models of the brittle-to-ductile transition.

H. Vehoff
Research and Development of Titanium Aluminides in Germany

A survey of recent and current research on lightweight intermetallic titanium aluminides in Germany is presented. The main activities are centered around γ-TiAl based alloys and multi-phase alloys based on Ti3Al and Ti5Si3 with Nb additions. The focus is on the interrelation between microstructure and mechanical properties.

A. Bartels, H. Mecking
9. Funktionswerkstoffe

Die bisher behandelten Stähle sind als Strukturwerkstoffe im Einsatz, d.h. als kraftübertragende Bauteile, bei denen es neben den tribologischen und chemischen auch auf die mechanischen Eigenschaften ankommt. Im folgenden werden Stähle und verwandte Legierungen behandelt, bei denen aufgrund besonderer physikalischer Effekte bestimmte Funktionen im Vordergrund stehen.

o. Prof. Dr.-Ing. Hans Berns
D. Werkstoffe

Werkstoffe sind Stoffe mit technisch nutzbaren Eigenschaften. Sie werden nach geeigneter Herstellung und Formgebung als „Konstruktion- und Funktionsmaterialien“ bezeichnet und bilden die stoffliche Basis der gesamten Technik. Der Weg der Werkstoffe vom Rohstoff zum technischen Produkt wird nach dem in Bild 1–1 vereinfacht dargestellten „Materialkreislauf“ [1] im wesentlichen durch folgende Technologien geprägt: Rohstofftechnologien: Gewinnung von Rohstoffen aus den Bodenschätzen und Vorräten der Erde.Werkstofftechnologien: Umwandlung von Rohstoffen in Werkstoffe und Halbzeuge.Konstruktion- und Fertigungstechnologien: Entwicklung und Fabrikation von Bauteilen und technischen Produkten.

H. Czichos
1. Übersicht und grundlegende Eigenschaften

Keramische Werkstoffe besitzen gegenüber metallischen Werkstoffen und Kunststoffen einige Eigenschaften, die sie für bestimmte Anwendungsfälle besonders auszeichnen. Es sind dies: geringe elektrische Leitfähigkeit,geringe thermische Leitfähigkeit,günstige optische Eigenschaften: Durchlässigkeit für elektromagnetische Wellen, Lichtleitung,magnetische Eigenschaften,geringe Dichte,gute Festigkeit bei hohen Temperaturen,Verschleißwiderstand,Korrosionsbeständigkeit.

Dr. rer. nat. Dietrich Munz, Dr.-Ing. Theo Fett
4. Sicherheit und Umwelt

In der Literatur der letzten Jahre war die Beurteilung der Sicherheit von Fusionskraftwerken sowie der Auswirkungen ihres Betriebs auf die Umwelt manchem Wandel unterworfen. Ursprüngliche Hoffnungen auf die Fusion als “sichere” und “saubere” Energiequelle führten teilweise zu einem übertriebenen Optimismus. Er gründete sich auf die Überzeugung, daß es eines Tages gelingen werde, Reaktionen zu nutzen, bei denen auf Tritium als Brennstoff verzichtet werden kann und keine Neutronen als Reaktionsprodukte entstehen. In der Tat gibt es derartige Fusionsreaktionen (s. Abschnitt 1.1); die geringen erzielbaren Leistungsdichten lassen jedoch daran zweifeln, daß sie in Reaktoren zur Energieerzeugung nutzbar gemacht werden können. Nachdem feststand, daß in absehbarer Zeit nur die DT-Reaktion zwischen Deuterium und Tritium Aussicht auf Erfolg haben wird, schlug der Optimismus teilweise in Pessimismus um. Die Notwendigkeit, einen radioaktiven Brennstoff — nämlich Tritium — verwenden zu müssen, sowie die Unabwendbarkeit der Erzeugung weiterer radioaktiver Substanzen durch die Fusionsneutronen veran-laßte Kritiker, der Fusion schlechthin die Attribute “sicher” und “sauber” abzuerkennen. Dies geschah in einer Zeit, als die Kontroverse um die Kernenergie im allgemeinen und die Vorbehalte gegenüber dem Schnellen Brüter im besonderen auf ihrem Höhepunkt angelangt waren. Damals wurden Fusionsreaktoren und Schnelle Brüter hinsichtlich ihres Risikos auf eine Stufe gestellt /4.1–1/, obgleich in der Fachliteratur jener Zeit /4.1–2/ die spezifischen Unterschiede bereits deutlich zu Tage traten.

Priv.-Doz. Dr.-Ing. Jürgen Raeder, Dr. rer. nat. Kurt Borraß, Dr.-Ing. Rolf Bünde, Dr.-Ing. Wolfgang Dänner, Prof. Dr. phil. Rolf Klingelhöfer, Dr. phil. Lajos Lengyel, Dr.-Ing. Fritz Leuterer, Dr. rer. nat. Matthias Söll

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