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2002 | Book | 7. edition

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Werkstoffe

Aufbau und Eigenschaften von Keramik-, Metall-, Polymer- und Verbundwerkstoffen

Author: Dr.-Ing. Dr. h. c. Erhard Hornbogen

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Book Series : Springer-Lehrbuch

Included in: Professional Book Archive

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About this book

Dieses Standardwerk zur Werkstoffkunde erscheint nun in der 7. Auflage. Es vermittelt das Wissen über Werkstoffe, das von den Studenten der Ingenieurwissenschaften erwartet wird. Ausgehend von einer einheitlichen werkstoffwissenschaftlichen Darstellung der Mikrostrukturen von Werkstoffen, ihren Bildungsbedingungen und den sich daraus ergebenden Stoffeigenschaften, werden die vier Werkstoffgruppen (keramische, metallische, Polymer- und Verbundwerkstoffe) besonders praxisnah behandelt. Dabei werden neue Entwicklungen berücksichtigt, wie z. B. Moleküle, Biopolymere, Gefüge, Supraleiter, Formgedächtnis und Piezoelektrika. Der Autor geht auch auf Stoffkreisläufe und das Thema Nachhaltigkeit ein. Das Buch bietet für Studenten an Universitäten und Fachhochschulen eine knappe, systematische Darstellung auf neuestem Stand.

Table of Contents

Frontmatter

Überblick

0. Überblick
Zusammenfassung
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).
Erhard Hornbogen

Aufbau der Werkstoffe

Frontmatter
1. Aufbau fester Phasen
Zusammenfassung
Beim Studium des Aufbaus der Werkstoffe können verschiedene strukturelle Ebenen unterschieden werden (Tab. 1.1). Den Makrostrukturen der Technik stehen die Mikrostrukturen der Werkstoffe gegenüber.
Erhard Hornbogen
2. Aufbau mehrphasiger Stoffe
Zusammenfassung
Die Werkstoffe sind aus Atomen aufgebaut, die entweder in einer Kristall- oder in einer Glasstruktur angeordnet sind. Insbesondere in den Polymeren sind die Atome zu Molekülen verbunden, die dann als die eigentlichen Grundbausteine des Werkstoffes angesehen werden können. Kristalline Werkstoffe können wiederum aus einem einzigen Kristall bestehen oder aus einem Haufwerk von Kristallen, sog. Körnern, die durch Korngrenzen getrennt sind. Sehr viele Werkstoffe sind nicht nur aus einer einzigen Kristallart, sondern aus zwei oder mehreren Kristallarten zusammengesetzt. Ein Bereich mit konstanter Struktur (Geometrie der Atompositionen) und chemischer (Art der Atome) Zusammensetzung, der durch Grenzflächen von seiner Umgebung getrennt ist, wird als Phase bezeichnet.
Erhard Hornbogen
3. Grundlagen der Wärmebehandlung
Zusammenfassung
Die Zustandsdiagramme geben denjenigen Zustand an, den der Stoff abhängig von der Temperatur im Gleichgewicht anstrebt. Viele wichtige Werkstoffeigenschaften werden aber durch Zustände erzielt, die auf dem Wege zum Gleichgewicht entstehen, aber noch nicht dem endgültigen Gleichgewichtszustand entsprechen. Wesentliches Element einer solchen Behandlung des Werkstoffs ist eine kontrollierte Erwärmung. Oft werden diese Wärmebehandlungen nach dem technischen Ziel benannt: Härten, Aushärten, Weichglühen, Spannungsfreiglühen. Ziel der Wärmebehandlung kann auch sein, eine bestimmte Korngröße oder Textur herzustellen. Beim Nitrierhärten oder Einsatzhärten (Aufkohlen) von Stahl dringen während der Erwärmung Atome aus der Umgebung in den Werkstoff ein. In einigen Fällen wird auch durch eine Kältebehandlung, zum Beispiel durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff, die Eigenschaft eines Werkstoffs — meist in Zusammenhang mit martensitischer Umwandlung, verbessert. Der Verlauf von Wärmebehandlungen wird in Temperatur-Zeit-Diagrammen dargestellt (Bild 3.1 a-d). Die Temperaturen T folgen aus den Zustandsdiagrammen. Glühdauer, Aufheiz-und Abkühlgeschwindigkeiten werden durch Diffusionsvorgänge bestimmt. Dadurch erhalten wir die Zeit t als neue Variable (\(\dot{T} = {{{dT}} \left/ {{dt}} \right.}\) Aufheiz-, Abkühlgeschwindigkeit). Wärmebehandlungen werden oft kombiniert mit anderen Einflüssen auf den Werkstoff:
  • thermomechanische (Kap. 3.5),
  • thermochemische (Kap. 8.5 Einsatzhärten) und
  • thermomagnetische (Kap. 5.4 Magnetfeldglühung)
Behandlung.
Erhard Hornbogen

Eigenschaften der Werkstoffe

Frontmatter
4. Mechanische Eigenschaften
Zusammenfassung
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).
Erhard Hornbogen
5. Physikalische Eigenschaften
Zusammenfassung
In diesem Abschnitt ist von Funktionswerkstoffen die Rede. Wie bereits erwähnt, sollen sie nicht-mechanische Funktionen erfüllen: sie leiten elektrischen Strom, Wärme, Licht, dienen als Speicher für Energie (Batterien) und Information (Disketten, Tonbänder) oder als Sensoren in der Meß- und Regelungstechnik.
Erhard Hornbogen
6. Chemische und tribologische Eigenschaften
Zusammenfassung
Werkstoffe können mechanisch, thermisch, tribologisch und chemisch beansprucht werden. Daraus folgen vier Hauptgruppen von Vorgängen, die zum Versagen von Werkstoffen führen können: Bruch (B), Verschleiß (V) und Korrosion (K) (Bild 6.1) und Schmelzen, das in Kapitel 2 bereits erörtert wurde. Ihre systematische Darstellung zeigt, daß es Kombinationen aus diesen Vorgängen gibt, z. B. Spannungsrißkorrosion (BK), tribochemische Reaktion (VK), Verschleiß durch Mikrobrechen (VB) oder Reibungsermüdungskorrosion (VBK). Bruchvorgänge werden in Kapitel 4.4 behandelt. Sie spielen auch bei den Mechanismen des Verschleiß und der Korrosion eine wichtige Rolle. Grundsätzlich betrachtet ist der Bruch ein Vorgang, bei dem durch Trennung der Bindung zwischen Atomen oder Molekülen zwei neue Oberflächen entstehen. Diese Trennung kann durch chemische Einwirkung erleichtert oder auch allein herbeigeführt werden. Gelegentlich können derartige Reaktionen auch erwünscht sein. Beispiel: die tribochemische Reaktion beim Anzünden mit Streichhölzern. Verschleiß und Korrrosion sind Vorgänge in vorhandenen Oberflächen des Werkstoffes; Oberflächen finden wir an allen Proben oder Bauteilen.
Erhard Hornbogen

Die vier Werkstoffgruppen

Frontmatter
7. Keramische Werkstoffe
Zusammenfassung
Zu dieser großen Gruppe gehören alle nichtmetallischen und anorganischen Werkstoffe. Die Grenze zwischen keramischen und metallischen Werkstoffen wird präzise mit Hilfe des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands definiert (Kap. 5.2), der in Metallen ein positives, in keramischen Stoffen ein negatives Vorzeichen hat. Die Grenze der keramischen Werkstoffe zu den hochpolymeren Stoffen muß von der molekularen Struktur her festgelegt werden. Die Kunststoffe besitzen diskrete Moleküle, nämlich Ketten, in denen die Kohlenstoffatome kovalent miteinander verbunden sind. Diese Moleküle sind im Kunststoff durch schwache Van-der-Waalssche Bindung oder Brücken verbunden. Im keramischen Werkstoff gibt es keine diskreten Moleküle, sondern räumliche Anordnungen einer oder mehrerer Atomarten, entweder geordnet als Kristallgitter oder regellos als Glas.
Erhard Hornbogen
8. Metallische Werkstoffe
Zusammenfassung
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.
Erhard Hornbogen
9. Polymerwerkstoffe
Zusammenfassung
Die Verwendung organischer Stoffe als Werkstoffe ist nicht neu. Natürliche Werkstoffe wie Holz, Leder, Kautschuk und pflanzliche (Baumwolle, Sisal, Hanf) oder tierische Fasern (Wolle, Seide) werden ganz sicher schon länger verwendet als Metalle. Neu ist nur die künstliche Herstellung organischer Werkstoffe mit dem Ziel, die Eigenschaften der natürlichen Werkstoffe zu übertreffen, andere Werkstoffe zu ersetzen und neue technische Eigenschaften zu erreichen. So ist auch der Name Kunststoffe für diese Werkstoffgruppe entstanden. Beispiele für neue Eigenschaften sind die besonderen tribologischen Eigenschaften des Polytetrafluoräthylen (PTFE) (Kap. 9.6), die dielektrischen Eigenschaften des Polyäthylens (PE) oder die piezoelektrischen des PVDF (Abschn. 5.2).
Erhard Hornbogen
10. Verbundwerkstoffe
Zusammenfassung
Die Kombination von zwei verschiedenen Phasen oder Werkstoffen mit dem Ziel, einen Werkstoff mit neuen, besseren Eigenschaften zu erhalten, ist nicht neu. So besteht der Damaszenerstahl aus dünnen Schichten von härtbarem Stahl, eingebettet in weichem, kohlenstoffarmen Eisen (Abschn. 8.5). Auf diese Weise entsteht ein Werkstoff, der hohe Festigkeit der Schneide mit geringer Neigung zu Bruchbildung verbindet. Die Bereiche des weichen Stahls hindern die in den harten Zonen entstehenden Risse durch plastische Verformung am Weiterwachsen (Abschn. 4.4). Noch weiter zurück liegt die »Erfindung« der organischen Verbundwerkstoffe. Das Holz besteht im wesentlichen aus festen Zellulosefasern, die durch Lignin verbunden werden. Es entsteht ein Werkstoff mit einem ausgezeichneten Verhältnis von Zugfestigkeit (in der Faserrichtung) zur Dichte, der auch durch die neuesten Entwicklungen künstlich hergestellter Verbundstoffe kaum übertroffen wird. Die geringe Zugfestigkeit keramischer Stoffe wie Beton und Fensterglas kann verbessert werden, wenn sie mit Metallen kombiniert werden. Das führt mit dem Stahlbeton und dem metalldrahtverstärkten Glas zu Verbundwerkstoffen, die auch Zugspannungen.ausgesetzt werden können. Die Bimetalle sind Verbundwerkstoffe mit Eigenschaften, die ihre Komponenten nicht zeigen. Zwei Metalle mit möglichst unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten α (Abschn. 5.6) werden als Bänder miteinander verschweißt. Bei Temperaturänderungen biegen sie sich. Für temperaturabhängige Regelungsprozesse sind sie deshalb sehr nützlich (Funktionswerkstoffe, Sensor + Stellglied).
Erhard Hornbogen

Werkstofftechnik

Frontmatter
11. Werkstoff und Fertigung
Zusammenfassung
Die Werkstoffe werden nicht in den einfachen Formen der Proben (Kap.4.2 und 4.4) verwendet, sondern als Halbzeug oder Bauteil. Das Halbzeug ist eine Form »auf halbem Wege« zum endgültigen Teil: ein Blech, bevor es durch Tiefziehen zum Topf wird. Halbzeuge sind Bleche, Bänder, Stangen mit vielerlei Profilen: Kreis, Quadrat, Rechteck, Winkel, U-, T- und Doppel T-Profile bis zu komplizierten, meist durch Strangpressen (Extrudieren) hergestellten Formen, wie sie für Fenster und Fassadenteile in der Architektur verwendet werden (Bild 11.1). Diese Formen und deren Abmessungen sind genormt (A.5). In der Nomenklatur spielen die Abmessungen oft eine Rolle. So wird zwischen Grob- (d > 6 mm), Mittel- (6 > d < 3), und Feinblechen (d < 3 mm) unterschieden. Teile sind Lagerschale und Welle, Kolben und Zylinder, Schraube und Mutter, Spule und Spulenkern und Halbleiterchip und Speicherplatte. Sie werden meist zu Systemen höherer Ordnung zusammengefügt (Tab. 1.1). Die Teile werden entweder durch Umformen eines Rohmaterials oder Weiterverarbeiten eines Halbzeugs hergestellt. Bild 11.2 zeigt die beiden Möglichkeiten für eine Automobilkurbelwelle. Die Form eines Teiles ergibt sich aus der Beanspruchung und den fertigungstechnischen Möglichkeiten. Ein gegossenes und ein geschmiedetes Teil unterscheiden sich in der Regel etwas in ihrer Form. Die wichtigere Forderung ist aber, daß ein Teil im Gebrauch seine Funktion erfüllt: der Hebel überträgt ein Moment ohne zu brechen, eine Halbleiterdiode liefert eine ausreichende Gleichstromdichte.
Kurzzeichen
I
h
mm
b
mm
s
mm
t
mm
80
80
42
3,9
5,9
100
100
50
4,5
6,8
120
120
25
5,1
7,7
140
140
66
5,7
8,6
160
160
74
6,3
9,5
180
180
82
6,9
10,4
200
200
90
7,5
11,3
220
220
98
8,1
12,2
240
240
106
8,7
13,1
260
260
113
9,4
14,1
280
280
119
10,1
15,2
300
300
125
10,8
16,2
320
320
131
11,5
17,3
340
340
137
12,2
18,3
360
360
143
13,0
19,5
380
380
149
13,7
20,5
400
400
155
14,4
21,6
425
425
163
15,3
23,0
450
450
170
16,2
24,3
475
475
178
17,1
25,6
500
500
185
18,0
27,0
550
550
200
19,0
30,0
600
600
215
21,6
32,4
Erhard Hornbogen
12. Der Kreislauf der Werkstoffe
Zusammenfassung
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).
Erhard Hornbogen
Backmatter
Metadata
Title
Werkstoffe
Author
Dr.-Ing. Dr. h. c. Erhard Hornbogen
Copyright Year
2002
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-10893-2
Print ISBN
978-3-540-43801-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-10893-2