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2015 | Book

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Werkstoffkunde für Ingenieure

Grundlagen, Anwendung, Prüfung

Authors: Eberhard Roos, Karl Maile

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Book Series : Springer-Lehrbuch

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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About this book

Der Inhalt

Nach einer Einführung in die Grundlagen der Werkstoffwissenschaft werden die Anwendungsaspekte behandelt. Insbesondere die Gesetzmäßigkeiten der mechanischen Eigenschaften und das Verhalten von Werkstoffgruppen unter unterschiedlichen Umgebungs- und Belastungsbedingungen werden erläutert. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Darstellung der technischen Gebrauchseigenschaften der Werkstoffe. Für die gebräuchlichsten Werkstoffe werden die elastischen Konstanten und Festigkeitskennwerte angegeben.

Angesprochen werden die Möglichkeiten der Werkstoffprüfung, wobei die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung einbezogen wurde.
Behandelt werden Stähle, Stahllegierungen für besondere Anwendungen, Leichtmetalle, Nichteisenmetalle, Kunststoffe, Keramiken und Verbundwerkstoffe im Hinblick auf den gesamten Bereich der technischen Anwendung. Die Schädigung der unterschiedlichen Werkstoffgruppen durch Korrosion und Verschleiß wird diskutiert. Verständnisfragen zu jedem Kapitel runden das Buch ab.

Die Zielgruppen

Das Buch wurde für Studierende der Fächer Maschinenbau, Fahrzeug- und Motorentechnik sowie artverwandte Ingenieursstudiengänge konzipiert. Aufgrund seines leicht verständlichen Aufbaus bietet es aber auch Studierenden aus den Natur- und Wirtschaftswissenschaften die Möglichkeit sich mit werkstoffkundlichen Fragestellungen auseinanderzusetzen. Es eignet sich ebenso als berufsbegleitendes Nachschlagewerk.

Die Autoren

Prof. Dr.-Ing. habil. Eberhard Roos wurde, nach verschiedenen Stationen in der Industrie, 1995 zum Direktor der Materialprüfungsanstalt (MPA) der Universität Stuttgart berufen. Die Schwerpunkte in der Lehre waren Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre.

Prof. Dr.-Ing. habil. Karl Maile ist seit 1998 stellvertretender Direktor der Materialprüfungsanstalt (MPA) der Universität Stuttgart. Die Schwerpunkte in Forschung und Lehre liegen in Werkstofftechnik, Bauteilbewertung und Qualitätssicherung.

Table of Contents

Frontmatter
1. Überblick
Zusammenfassung
Der moderne Ingenieur steht vor der Herausforderung, technisch-wissenschaftliches Wissen in den Disziplinen Konstruktion, Berechnung und Auslegung sowie betriebliche Überwachung mit einem ausreichend vertieften Werkstoffwissen zu verknüpfen, um optimale Produkte herzustellen. In der Einleitung werden die Zusammenhänge sowie die Verknüpfung der Werkstoffkunde mit der Werkstoffwissenschaft, der Werkstofftechnik, der Werkstoffherstellung und der Werkstoffanwendung in diesem Kontext dargestellt. Dabei wird neben den Prüfverfahren zur Werkstoffcharakterisierung auch auf die Normung verwiesen, die in der Technik unabdingbar ist. Abgerundet wird das Kapitel mit einem Rückblick und Ausblick der Werkstoffentwicklung.
Eberhard Roos, Karl Maile
2. Atomarer Aufbau kristalliner Stoffe
Zusammenfassung
Das Verständnis über die Eigenschaften eines Werkstoffs beruht auf der Kenntnis seines Aufbaus. Der atomare Aufbau von kristallinen Stoffen wird unter Berücksichtigung besonderer Stoffarten erläutert. Es wird auf die wirkenden Bindungskräfte zwischen den Atomen, ihre Anordnung in Form von Kristallsystemen und deren maßgebenden Eigenschaften eingegangen. Vom Aufbau eines idealen Festkörpers (Idealkristall) wird übergegangen zu den Gitterfehlern, welche die Eigenschaften eines realen Werkstoffs prägen. Die unterschiedlichen Gitterfehler, geordnet nach ihrer geometrischen Erscheinungsform, werden vorgestellt und charakterisiert.
Eberhard Roos, Karl Maile
3. Legierungsbildung
Zusammenfassung
Die Grundlagen der Legierungsbildung von der flüssigen bis zur festen Phase werden erläutert. Mischkristalle, wesentliche Elemente einer Legierung, werden dargestellt und deren Bildung und Zusammensetzung anhand der Zustandsdiagramme aufgezeigt. Die Grundsysteme der Zustandsdiagramme werden in Bezug zur Legierungsbildung detailliert erläutert und die entstehenden Phasen und Phänomene im Zuge der Abkühlung beschrieben. Methoden zur quantitativen Bestimmung der Phasen und Anteile werden vermittelt
Eberhard Roos, Karl Maile
4. Thermisch aktivierte Vorgänge
Zusammenfassung
Thermisch aktivierte Vorgänge laufen unter Zufuhr von Energie als Folge thermischer Anregung im Kristallgitter der Werkstoffe ab. Die wichtigsten Prozesse wie Diffusion von Atomen, Kristallerholung, Rekristallisation, Kornwachstum und Sintervorgänge werden erklärt sowie ihre technische Bedeutung herausgestellt.
Eberhard Roos, Karl Maile
5. Mechanische Eigenschaften
Zusammenfassung
Beschrieben werden die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe wie Festigkeit und Verformbarkeit auch in zeitlicher Abhängigkeit sowie die elastischen Konstanten wie E-Modul und Querkontraktionszahl. Die Abhängigkeit von der kristallographischen Orientierung und der Legierungszusammensetzung wird dargestellt. Außerdem werden die Mechanismen zur Festigkeitssteigerung infolge mikrostruktureller und mechanischer Maßnahmen beschrieben. Die Verfahren zur Ermittlung der mechanisch-technologischen Werkstoffkennwerte werden detailliert erläutert. Hierzu zählen auch zeitabhängige Kennwerte der Schwing- und Kriechfestigkeit. Ergänzt wird das Kapitel durch die Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte. Eingegangen wird auf die Entstehung und den Abbau von Eigenspannungen. Erläutert werden die wesentlichen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, deren physikalischen Grundlagen, Anwendungsgebiete und Anwendungsgrenzen.
Eberhard Roos, Karl Maile
6. Eisenwerkstoffe
Zusammenfassung
Die Herstellung von Eisen und die unterschiedlichen Prozesse der Stahlherstellung werden vorgestellt. Anhand des Eisen-Kohlenstoffdiagramms wird dargestellt, unter welchen Bedingungen sich die unterschiedlichen Gefügephasen von Stahl bilden. Der Einfluss von Legierungs- sowie Spurenelementen auf die Gefügeausbildung wird erläutert und im Schaefflerdiagramm zusammengeführt. Das Bezeichnungssystem der Stähle und deren Sorteneinteilung wird diskutiert. Die gebräuchlichsten technischen Wärmebehandlungsverfahren von Stahl werden zusammen mit der technischen Bedeutung vorgestellt. Der Ablauf der Wärmebehandlung wird anhand von besonderen Zustandsschaubildern dargestellt. Die Abhängigkeit von Abkühlgeschwindigkeit und Haltedauer werden über Zeit-Temperatur-Umwandlungschaubilder bzw. Zeit-Temperatur-Austenitiserungsschaubilder erklärt. Mit eingeschlossen sind die Verfahren der Stahlhärtung. Dem schließt sich die Aufzählung von Stählen, geordnet nach dem Kriterium ihres Einsatzes wie z.B. für den Kraftwerks- und Anlagenbau oder für den Automobilbau an. Die sich aus dem technischen Einsatz ergebenden Versprödungsmechanismen von Stählen, wie z.B. die Anlassversprödung werden behandelt und Möglichkeiten der Abhilfe vorgestellt. Die Einteilung von Eisengusswerkstoffen und ihre besonderen Eigenschaften werden nachfolgend beschrieben. Zum Abschluss wird auf die Besonderheiten beim Schweißen von Stählen eingegangen.
Eberhard Roos, Karl Maile
7. Nichteisenmetalle
Zusammenfassung
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
8. Kunststoffe
Zusammenfassung
Als Kunststoffe werden makromolekulare Werkstoffe bezeichnet, die teilweise oder völlig durch Synthese („künstlich“) hergestellt werden. Die der technischen Kunststoffsynthese zugrundeliegenden Polymerisationsreaktionen werden zu Beginn des Kapitels diskutiert. Wichtige Formgebungsverfahren werden erläutert. Die Kunststoffgruppen Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste werden anhand des molekularen Aufbaus und ihrer Eigenschaften voneinander abgegrenzt. Die Eigenschaften der Kunststoffe hängen in sehr viel stärkerem Maße von den Umgebungsbedingungen ab die der metallischen Werkstoffe. Der Einfluss von Temperatur, Dehnrate und Feuchtigkeit auf das mechanische Verhalten der Kunststoffgruppen wird anhand von Beispielen erläutert.
Eberhard Roos, Karl Maile
9. Keramische Werkstoffe
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die keramischen Werkstoffe vorgestellt. Ausgehend von der Sorteneinteilung, der Herstellung über die Formgebung und den Vorgängen beim Brennen bzw. Sintern, werden die allgemeinen Eigenschaften von keramischen Werkstoffen wie z. B. das Versagensverhalten behandelt. Im Detail werden die Eigenschaften besonderer Keramikarten (oxidische und nichtoxidische Keramik) vorgestellt. Mit in das Kapitel eingeschlossen ist der besondere technische Anwendungsfall von Wärmedämmschichten.
Eberhard Roos, Karl Maile
10. Verbundwerkstoffe
Zusammenfassung
Nach der Einteilung der Verbundwerkstoffe werden deren wesentliche Eigenschaften, insbesondere die der Faserverbundwerkstoffe dargestellt. Angegeben werden Beziehungen zur Bestimmung der elastischen Konstanten in Abhängigkeit von Faserorientierung und Fasergehalt. Beschrieben werden die Eigenschaften verschiedener Matrix- und Faserwerkstoffe, wobei auch faserverstärkte Metalle und Keramiken in die Betrachtung einbezogen sind. Angesprochen wird auch die Beschichtungstechnik. Neben den galvanischen Verfahren werden die modernen Methoden der chemischen und der physikalischen Abscheidung aus der Gasphase sowie das thermische Spritzen beschrieben.
Eberhard Roos, Karl Maile
11. Physikalische Eigenschaften
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden besondere, technisch wichtige physikalische Eigenschaften von Werkstoffen wie Dämpfung, Wärmeleitfähigkeit, Thermoelektrizität, Halbleiter und Supraleitung vorgestellt.
Eberhard Roos, Karl Maile
12. Korrosion
Zusammenfassung
Beschrieben werden die Einflussfaktoren auf das Korrosionsverhalten von Werkstoffen. Die elektrochemischen Grundlagen der elektrolytischen Korrosion werden dargestellt und an zahlreichen Beispielen detailliert erläutert. Besprochen wird der Einfluss von Wasserstoff, die Korrosion in gasförmigen Medien sowie die Korrosion nichtmetallischer und hochpolymerer Werkstoffe. Auf der Basis der Grundlagen werden Maßnahmen zum aktiven und passiven Korrosionsschutz abgeleitet.
Eberhard Roos, Karl Maile
13. Recycling
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird am Beispiel von Stahl, Aluminium, Kupfer und Kunststoff auf die Wiederverwendung von Werkstoffen eingegangen. Hierbei werden die technischen Abläufe und die sich dabei einstellenden technischen Probleme vorgestellt und diskutiert.
Eberhard Roos, Karl Maile
14. Tribologische Beanspruchung
Zusammenfassung
Beschrieben werden die Grundlagen eines tribologischen Systems sowie die Verschleißarten und Verschleißmechanismen. Auf dieser Basis wird an Beispielen der Adhäsions- und der Abrasionsprozess dargestellt, der ein wesentlicher, technischer Verschleißmechanismus ist. Eingegangen wird auch auf die Besonderheiten des Verschleißes unter zeitlich veränderlicher Beanspruchung.
Eberhard Roos, Karl Maile
15. Kriterien zur Werkstoffauswahl
Zusammenfassung
Die Auswahl des Werkstoffes ist von entscheidender Bedeutung für Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit eines Bauteils. Die Gründe für die Werkstoffauswahl werden aufgelistet und in Zusammenhang mit dem Lastenheft, den Fertigungs-, Prüf-, Reparatur- und Kostenaspekten diskutiert.
Eberhard Roos, Karl Maile
16. Kriterien zur Schadensbewertung
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt den Ablauf einer Schadensanalyse, die das Ziel hat, die Schadensursachen festzustellen und die Wiederholung des Schadensfalls zu vermeiden.
Eberhard Roos, Karl Maile
Backmatter
Metadata
Title
Werkstoffkunde für Ingenieure
Authors
Eberhard Roos
Karl Maile
Copyright Year
2015
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-54989-2
Print ISBN
978-3-642-54988-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-54989-2

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