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Funktionswerkstoffe

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Kapitel 11. Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe stellt man her, indem man verschiedene Werkstoffe (wie Glasfasern und Kunststoff oder Aluminiumlegierungen mit Aluminiumoxidfasern) kombiniert. Man kann maßgeschneiderte Eigenschaften einstellen, die die Werkstoffe, aus denen der Verbundwerkstoff aufgebaut ist, alleine nicht aufweisen. Oft werden auch zwei- und mehrphasige Gefüge zu den Verbundwerkstoffen gerechnet (Ausscheidungsteilchen und Matrix). Will man die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen verstehen, muss man zunächst die räumliche Anordnung der verschiedenen Bestandteile des Verbundwerkstoffs im Gefüge betrachten. Kugeln, Fasern, Stäbe und Platten einer Phase (bzw. eines Werkstoffs) können in verschiedenen Volumenbruchteilen in unterschiedlicher Homogenität und Ausrichtung im Gefüge des Verbundwerkstoffs verteilt sein. Die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs können aus den Eigenschaften seiner Einzelbestandteile über geeignete Mischungsregeln abgeschätzt werden. Faserverstärkte Werkstoffe haben in der Werkstofftechnik besonderes Interesse gefunden, weil sie erlauben, Werkstoffe in bestimmten Richtungen gezielt zu verstärken. Der Stahlbeton stellt einen im Bauwesen wichtigen Spezialfall eines Verbundwerkstoffs dar. Hier sorgen Stahlstäbe unter Zugspannung dafür, dass auch Zugbelastungen ertragen werden können. Am Beispiel von Stahlbeton lernen wir verstehen, warum die Ausdehnungskoeffizienten der beiden Elementarwerkstoffe möglichst ähnlich sein sollen, dass eine gute Haftung zwischen Faser und Matrix vorliegen soll und dass der Beton die Stahlstäbe vor Korrosion schützen muss. Hartmetalle (wie zum Beispiel Wolframkarbid/Kobalt) oder Cermets, wie man sie häufig bezeichnet (ceramics, metals), stellen ein Gemisch aus einem höheren Anteil keramischer und einem meist kleineren Anteil metallischer Phase dar. Zu den Verbundwerkstoffen zählen wir auch Systeme, wo auf die Oberfläche eines Werkstoffs eine Schicht aus einem zweiten Werkstoff aufgebracht wird. Im Falle von Verbundwerkstoffen spielt das Wissen um deren Herstellung eine besondere Rolle. Das Verständnis der Eigenschaften der Verbundwerkstoffe verlangt ein gutes Verständnis ihres Aufbaus und der chemischen, physikalischen, mechanischen Wechselwirkung ihrer Komponenten.

Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner

Kapitel 8. Keramische Werkstoffe

Zu den keramischen Werkstoffen zählen wir eine große Zahl nichtmetallischer und anorganischer Werkstoffe, bei denen der elektrische Widerstand (im Gegensatz zu den Metallen) mit steigender Temperatur abnimmt. Keramiken zeichnen sich in der Regel durch hohe Druckfestigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit aus. Keramiken können kristallin und amorph (als Glas) vorliegen. Es gibt einatomare keramische Stoffe, wie Graphit oder Diamant. Zu den nichtoxidischen keramischen Stoffen gehören Hartstoffe wie SiC oder Si $$_3$$ N $$_4$$ (Karbide und Nitride). Oxidkeramiken, und insbesondere keramische Werkstoffe, die sich vom Dreistoffsystem SiO $$_2$$ -CaO-Al $$_2$$ O $$_3$$ ableiten, spielen als feuerfeste Werkstoffe eine wichtige Rolle. Gläser entstehen durch schnelles Abkühlen von SiO $$_2$$ -Schmelzen. Das Fensterglas besteht aus einem unregelmäßigen Netzwerk von [SiO $$_{4}$$ ] $$^{4-}$$ -Tetraedern, in welches Na $$^{+}$$ -Ionen eingelagert sind. Wir diskutieren in diesem Kapitel die besonderen mechanischen Eigenschaften von Gläsern, insbesondere ihre stark temperaturabhängige Viskosität. Abschließend besprechen wir diejenigen Keramiken, die als Baustoffe zum Einsatz kommen, insbesondere Zement und Beton.

Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner

Kapitel 6. Physikalische Eigenschaften

In diesem Kapitel behandeln wir eine Reihe von Eigenschaften, die nicht mechanischer und nicht chemischer Natur sind und die wir deshalb unter dem Oberbegriff physikalische Eigenschaften zusammenfassen. Die hier genannten Eigenschaften spielen für so genannte FunktionswerkstoffeFunktionswerkstoff eine Rolle, die Strom, Licht und Wärme leiten, als Speicher für Energie und Information dienen oder Sensor- und Aktoraufgaben erfüllen. Wir beginnen mit kernphysikalischen Eigenschaften und diskutieren Reaktionen in Kernreaktoren und Zustandsdiagramme von KernbrennstoffenKernbrennstoff. Dabei lernen wir auch Strahlenschäden kennen, die für Werkstoffe in der Kerntechnik eine Rolle spielen. Dann besprechen wir elektrische Eigenschaften von Werkstoffen und diskutieren die Temperatur- und Gefügeabhängigkeit des spezifischen Widerstandes verschiedener Werkstoffe. Wir lernen den Aufbau einer Solarzelle, eines Bleiakkumulators und einer Brennstoffzelle kennen. Dann besprechen wir die Wärmeleitfähigkeit von Festkörpern. Es folgt eine Betrachtung des Magnetismus und die Einteilung ferromagnetischer Festkörper in weich- und hartmagnetische Werkstoffe. Daran anschließend behandeln wir die Supraleitung und die thermische Ausdehnung. Abschließend werden die Phänomene Formgedächtnis und Magnetostriktion besprochen.

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

1 Überblick

Die Fragen dieses Kapitels dienen der Vorstellung von Werkstoffen, die bestimmte technische Eigenschaften besitzen müssen, dabei einfach herstellbar sein sollen und die Forderung der Wirtschaftlichkeit erfüllen müssen. Mit den weiteren Aufgaben 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 Aufgaben 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

Kapitel 16. Nanomagnetismus im Röntgenlicht

Magnetische Systeme spielen eine bedeutende Rolle in innovativen Techniken wie der Datenspeicherung, Sensorik, Motorik und Energieumwandlung. Moderne Technologien erlauben es, künstliche Funktionswerkstoffe und Materialsysteme auch auf atomarer Skala maßzuschneidern und diese Strukturen sichtbar zu machen, um ein grundlegendes Verständnis und eine gezielte Optimierung zu erreichen. Der zirkulare magnetische Röntgendichroismus und die darauf basierende Röntgentransmissionsmikroskopie bieten hier einzigartige Möglichkeiten. Mit höchster Präzision werden hier atomare magnetische Momente getrennt nach Spin- und Bahnanteil ermittelt. Mit hochbrillianter, polarisierter und gepulster Synchrotronstrahlung kann sogar die Dynamik fundamentaler magnetischer Prozesse und Anregungen gefilmt werden.

Gisela Schütz

1. Allgemeiner Überblick

Dieses Kapitel behandelt das Vorkommen, die Geschichte der Verwendung und die Eigenschaften der Metalle und beschreibt die Aufgaben der Metallkunde.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

18. Werkstoffe im Vergleich und Verbund

In diesem Kapitel werden die wesentlichen Grundlagen der Werkstoffgruppen Keramik und Polymere vorgestellt. Zusammen mit den Metallen können daraus Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde hergestellt werden. Ein Verbundwerkstoff besteht aus einer Matrix, in die viele Teilchen, Fasern etc. regellos oder orientiert eingebettet werden. Zu einem Werkstoffverbund werden zwei Stoffe mit verschiedenen Eigenschaften zusammengefügt. Als Werkstoffe mit besonderen Eigenschaften werden schließlich in diesem Kapitel metallische und keramische Supraleiter, metallische Gläser und Legierungen mit Formgedächtnis ausführlich besprochen.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

16. Magnetische Werkstoffe

In diesem Kapitel werden die ferromagnetischen Werkstoffe, kurz als Magnetwerkstoffe bezeichnet, vorgestellt. Die Ursache des Ferromagnetismus wird behandelt und das magnetische Werkstoffverhalten erläutert. Wichtige weichmagnetische und hartmagnetische Werkstoffe werden besprochen. Magnetische Anomalien verursachen besonderes Werkstoffverhalten wie den Invar-Effekt oder die magneto-mechanische Dämpfung.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

2. Werkstofftechnik

Kapitel 1.1 Werkstofftechnik Werkstoffe sind für die Konstruktion nützliche, feste Stoffe. Man kann sie in folgendermaßen einteilen [4], [12]:- Metalle als gute elektrische Leiter, auch bei tiefen Temperaturen plastisch verformbar, chemisch nicht immer sehr beständig,- Keramische Werkstoffe als schlechte elektrische Leiter, nicht plastisch verformbar, chemisch sehr beständig,- Kunststoffe als schlechte elektrische Leiter, bei erhöhter Temperatur plastisch verformbar, chemisch an Luft bei Raumtemperatur beständig, geringe Dichte, nicht sehr hitzebeständig,- Sonstige Werkstoffe: Gläser, Holz, Papier, Leder, Baustoffe,- Als weitere Werkstoffgruppe kommen die Verbundwerkstoffe hinzu, die sich aus der Kombination von mindestens zwei Werkstoffen mit verschiedenen Eigenschaften zusammensetzen. Kapitel 1.2 Wärmebehandlungstechnik Die Wärmebehandlung und die damit verbundenen Phasenumwandlungen beeinflussen die Verwendbarkeit der Werkstoffe erheblich. Dabei wird das Gefüge der Bauteile verändert durch z.B. Diffusion und Platzwechselmechanismen. Kennzeichnend sind diesbezüglich die Umwandlungsdiagramme, wie z.B. das Eisen-Kohlenstoff Diagramm oder ZTA ZTU-Schaubilder. Letztlich wird die gewünschte Wärmebehandlung gesteuert durch die Wärmebehandlungseinrichtungen.

Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Schiebold

2. Mechanische Prüfverfahren

Kapitel 1.1 Mechanische Prüfverfahren Mechanische Prüfungen, wie der Zugversuch, der Druckversuch, der Biege-, Verdreh- und Scherversuch sowie der Kerbschlagbiegeversuch, Zeitstand- und Dauerschwingversuch sind für Konstruktionen als Grundlagenversuche zu werten. Eine besondere Bedeutung haben in diesem Zusammenhang die Härteprüfung und ihre gerätetechnische Ausstattung. Die Proben werden üblicherweise aus dem Erzeugnis oder einem gepressten oder gegossenen Rohteil herausgearbeitet. Erzeugnisse mit gleichbleibendem Querschnitt (Profile, Stäbe, Drähte) sowie gegossene Probestücke (z.B.) Gusseisen, NE-Legierungen) dürfen ohne Bearbeitung geprüft werden. Kapitel 1.2 Technologische Prüfverfahren Technologische Prüfungen haben ähnliche Grundlagen, dienen jedoch weniger der Ermittlung von Werkstoffeigenschaften, sondern mehr der Eignung eines Werkstoffes für ein bestimmtes Fertigungsverfahren oder einen bestimmten Verwendungszweck.

Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Schiebold

22. Energie- und Ressourceneffizienz durch Mehrfachnutzung hochwertiger Rohstoffe

Die puren gmbh aus Überlingen zählt zu den Pionieren der Polyurethan-(PUR)-Hartschaumtechnologie. Das Unternehmen produziert für unterschiedliche Branchen und Anwendungsbereiche Konstruktionsdämmstoffe und Funktionswerkstoffe aus PUR-Hartschaum und Polyisocyanurat-Hartschaum (PIR).

Mario Schmidt, Christian Haubach, Marlene Preiß, Hannes Spieth, Joa Bauer

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

3. Funktionswerkstoffe

Dieses Kapitel zeigt zunächst die Grundprinzipien der Funktionswerkstoffe, die energiewandelnde Eigenschaften haben, auf. Es leitet die grundlegenden Kenngrößen von Funktionswerkstoffen her. Die Vorstellung zweier inzwischen weit verbreiteter Klassen von Funktionswerkstoffen, elektromechanische Wandler und thermomechanische Wandler konkretisiert diese grundlegenden Eigenschaften. Das Kapitel stellt ausführlich die phänomenologischen Eigenschaften der Energiewandlung vor und präsentiert einfache Modelle für die komplexen Wandlungsvorgänge. Eine abschließende Übersicht gibt Auskunft über weitere, zum Teil in der Forschung befindliche Funktionswerkstoffe. Ein Beispiel aus der aktuellen Forschung zu Funktionswerkstoffen ergänzt diese Übersicht.

Johannes Michael Sinapius, Sebastian Geier

9. Integrierte Bauteilüberwachung

Das letzte, eher kürzere Kapitel geht auf einen ergänzenden Bereich der Anwendung aktiver Funktionswerkstoffe und Nutzung elasto-mechanischer Eigenschaften ein, dem Zielfeld der integrierten Bauteilüberwachung. Es stellt Methoden vor, die stehende Wellen und deren Änderung durch Schäden analysieren, und solche, die die Änderung der Wellenausbreitung von Ultraschallwellen auswerten, um auf mögliche, insbesondere verdeckte Schäden zu detektieren. Vor allen letztere sind Gegenstand aktueller, internationaler Forschung.

Johannes Michael Sinapius, Florian Raddatz

1. Einführung

Seit etwa Mitte der achtziger Jahre forschen Wissenschaftler international an adaptiven Strukturen. Insbesondere in Amerika, Japan und Deutschland widmen sich renommierte Arbeitsgruppen der Frage nach selbstanpassungsfähigen Strukturen des Maschinenbaus. Im englischen Sprachgebrauch wurden dafür u.a. die Begriffe Smart materials, smart structures, smart systems eingeführt. Dieses erste Kapitel des Lehrbuchs gibt eine Literaturübersicht über die zu diesem Thema erschienen Monografien.

Johannes Michael Sinapius

2. Prinzipe der Adaptronik

Dieses Kapitel zeigt zunächst an Hand einführender Beispiele grundlegende Prinzipe adaptronischer Systeme auf. Die Elemente des integralen Entwicklungsprozesses adaptronischer Systeme sind an Hand systemtheoretischer Betrachtungen erläutert. Das Kapitel stellt die grundlegenden Varianten adaptronischer Systeme dar. Die wichtigsten Bausteine adaptronischer Systeme und die Integrationsvarianten sensorischer und aktorischer Elemente in den Lastpfad zeigen den roten Faden durch das Buch auf.

Johannes Michael Sinapius

4. Adaptronische Funktionselemente

Dieses Kapitel zeigt unterschiedliche Bauweisen aktiver Funktionselemente auf. Zwei Abschnitte gehen dazu zunächst auf Piezokomposite ein. Der zweite Abschnitt stellt stellwegvergrößernde Wandler vor. Anschließend werden Bauweisen für Sensorik und Aktorik aus den weiteren im vorangegangenen Kapitel beschriebenen Funktionswerkstoffen vorgestellt. Abschließend geben Arbeiten zu radial-sensorischen PVDF-Fasern einen Einblick in aktuelle Forschung für adaptronische Funktionselemente.

Johannes Michael Sinapius, Thomas Gries

5. Aktive Formkontrolle

Ausgehend von der Beschreibung der Ziele der aktiven Formkontrolle legt dieses Kapitel an Hand einfacher analytischer Betrachtungen an Balkenmodellen die Grundlage zur Modellierung integrierter kontinuierlicher Aktorik. Dabei werden zunächst isotrope Werkstoffe betrachtet. Die Sichtweisen werden anschließend auf anisotrope Werkstoffe an Hand der Betrachtung ebener Platten aus aktivierbaren Faserverbunden erweitert, um die Möglichkeiten der Nutzung der Verformungskopplung aufzuzeigen. Abschließend wird ein Einblick in aktuelle Forschung für aktive Formkontrolle gegeben.

Johannes Michael Sinapius, Christian Hühne, Hossein Sadri, Johannes Riemenschneider

3. Thermophysikalische Eigenschaften der Materie

Die Leitung und die Speicherung von Wärme in einem Stoff wird massgeblich durch seine thermophysikalischen Eigenschaften beeinflusst. Zu diesen Eigenschaften gehören die Dichte, Wärmekapazität und der Wärmeleitungskoeffizient. Bestimmte Stoffgruppen zeigen typische Eigenschaften, wobei der strukturelle und konstruktive Aufbau des Bau- resp. Werkstoffes oder der Baugruppe diese Werte beeinflusst. Ausserdem zeigen Umwelteinflüsse, wie die Temperatur oder der Wassergehalt (Feuchtigkeit) einen starken Einfluss.

Nikolaus Hannoschöck

15. Werkstoffe – Leistungspotenziale erkennen und nutzen

Die Verfügbarkeit von Werkstoffen bestimmte die Menschheitsgeschichte und die aktuelle technische Entwicklung. Ihr Einsatz sowie ihre Herstellung und Entsorgung beeinflussen unsere Lebensweise, aber auch die Natur wesentlich.Maschinen müssen bestimmte Anforderungsprofile erfüllen, die die Werkstoffauswahl für deren Bauteile festlegen. Dafür soll der Konstrukteur das Angebot an Werkstoffen und deren Eigenschaftsprofile kennen. Im Maschinenbau ist die mechanische Belastbarkeit der Konstruktionswerkstoffe am wichtigsten, wobei meist auch die thermo-physikalischen Eigenschaften eine Rolle spielen. Wegen der Vielfalt der Werkstoffe ist es hilfreich, wenn man die Ursachen der wichtigsten Eigenschaften sowie ihre Veränderlichkeit bei der Verarbeitung und im Gebrauch versteht. Die Schädigungsmechanismen, die in den Werkstoffen ablaufen können, schränken die Belastbarkeit der Bauteile ein. Die Funktionstüchtigkeit eines Maschinenteiles wird durch die Werkstoffeigenschaften im gefertigten Zustand gewährleistet, den der Hersteller am besten kennt und auf den sich auch die vom Konstrukteur herangezogenen Datenblätter beziehen sollen.

H. Peter Degischer

14. Die Welt der Werkstoffe – der Grundbaukasten des Maschinenbaus

Heute kennen wir mehr als 100.000 Konstruktions- und Funktionswerkstoffe, und fast täglich werden neue entdeckt oder patentiert. Dazu gehören vor allem die gängigen metallischen Werkstoffe, wie Stahl, Aluminium, Magnesium aber auch die ganze Bandbreite der Polymere und der technischen Keramiken. AndereWerkstoffe, wie Holz, Beton oder Stein sind als Naturmaterialien für den Maschinenbau weniger wichtig – im Bereich des Bauingenieurwesens jedoch nicht wegzudenken. Gleichzeitig basieren auch heute noch viele Innovationen auf neuenWerkstoffen. Trotz dieser Vielfalt ist die Welt derWerkstoffe von einer strengen Systematik geprägt: Es sind zum einen die verschiedenen Bindungsarten, die es ermöglichen dieWerkstoffe in verschiedene Gruppen – dieWerkstoffhauptgruppen – einzuteilen. Zum anderen ist die innere Struktur, das Gefüge, für die Materialeigenschaften wesentlich verantwortlich. Dieses Gefüge lässt sich durch verschiedene Methoden gezielt beeinflussen, womit die Eigenschaften von Werkstoffen auch an bestimmte Anforderungen angepasst werden können. Umgekehrt sind die Ingenieurswerkstoffe heute wachsenden Ansprüchen ausgesetzt. GeeigneteWerkstoffe zu entwickeln, das Verhalten vonWerkstoffen zu verstehen undWerkstoffe für bestimmte Anwendungen richtig auszuwählen, gehört zu den Kernkompetenzen von Maschinenbauingenieuren.

Alexander Wanner, Kay André Weidenmann

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

7. Transversal isotrope Probleme

Ein transversal isotropes Medium ist ein Medium, welches eine bevorzugte Richtung hat und in der Ebene senkrecht zu dieser Richtung isotrop ist. Unter kristallinen Körpern gehören zu dieser Klasse alle Körper des hexagonalen Kristallsystems: In der Ebene senkrecht zu der hexagonalen Achse sind sie elastisch isotrop. Auch ein Faserverbund mit der Anordnung von Fasern parallel zu einer Richtung stellt ein transversal isotropes Medium dar, welches in der Ebene senkrecht zum Verlauf der Fasern isotrop ist. Weitere Beispiele liefern außerdem viele biologische Medien. Ein lineares transversal isotropes Medium wird durch 5 elastische Konstanten vollständig bestimmt. Die Fundamentallösung für transversal isotrope Medien wurde von Michell (1900) gefunden. Er hat gezeigt, dass die Normalverschiebung der Oberfläche eines transversal isotropen elastischen Halbraums unter der Wirkung einer im Koordinatenursprung wirkenden Kraft durch dieselbe Gleichung gegeben wird wie bei einem isotropen elastischen Kontinuum; es muss lediglich eine geänderte Definition des effektiven elastischen Moduls benutzt werden. Es besteht daher keine Notwendigkeit, alle Normalkontaktprobleme für transversal isotrope Medien gesondert zu betrachten. Es wird hier lediglich auf die Ergebnisse der Kapitel 2 bis 4 hingewiesen: Diese sind auch für transversal isotrope Medien unmittelbar gültig.

Valentin L. Popov, Markus Heß, Emanuel Willert

3. Fundamentale Treiber in einer humanen-humanoiden Gesellschaft

Der Begriff Anthropozän sagt überdeutlich und unmissverständlich, dass Menschen, als evolutionäre biologische Lebewesen, die sich der Erde und deren Schätze in einem Ausmaß ohne nachhaltiges Augenmaß bemächtigt haben und bemächtigen, zu einem geologischen Faktor geworden sind. Der niederländische Meteorologe Paul J. Crutzen hat gemeinsam mit dem Biologen Eugene F. Störmer den Anthropozän-Begriff im Jahr 2000, in der Zeitschrift Global Change Newsletter, vorgeschlagen. Sie haben damit einen Begriff für eine neue geologische Periode geprägt, die im Fachkreisen intensiv diskutiert und erforscht wird. Wann hat dieser Prozess der erdgeschichtlichen Umgestaltung durch die Menschen begonnen, sodass auf der geologischen Zeitskala die neue Periode des Anthropozäns Platz findet? Menschen sind zu einem geologischen Faktor geworden!Was bedeutet das für den Fortbestand des Lebens? Welche Rolle könnten Humanoide in diesem erdweiten unumkehrbaren Prozess spielen?

E. W. Udo Küppers

12. Keramische Werkstoffe und Glas

Keramische Werkstoffe sind die ältesten Werkstoffe der Menschheit. Heute können durch ihren Einsatz maßgeschneiderte Produkte hergestellt werden, die neue Wege eröffnen. Am Anfang des Kapitels wird die Einteilung keramischer Werkstoffe nach verschiedenen Kriterien vorgestellt. Folgend wird die sintertechnische Herstellung von Keramiken beschrieben. Dabei wird auf die Möglichkeiten der Sintertechnik eingegangen. Im nächsten Abschnitt werden die Struktur und die Eigenschaften von Keramik besprochen und mit einem Vergleich von Keramik mit Metallen ergänzt. In den weiteren Teilen des Kapitels werden wichtige Arten keramischer Werkstoffe in Silicat-, Oxid- und Nichtoxidkeramik eingeteilt und vorgestellt. Dabei wird jeweils auf ihre Eigenschaften und Anwendungen eingegangen. Abgerundet wird die Beschreibung durch ein Einsatzbeispiel von Grafit im Stirnradschneckengetriebe. Danach werden Produktion und Kosten sowie Recycling keramischer Werkstoffe angesprochen. Gläser gehören wie Keramiken zur Gruppe der nichtmetallischen anorganischen Werkstoffe. Deswegen werden sie hier auch behandelt. Nach der Einteilung von Gläsern wird Struktur und Herstellung von Glas beschrieben. Abschließend wird Anwendung und Recycling von Gläsern. kurz dargestellt.

Professorin Dr.-Ing. Bozena Arnold

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

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

6. Anwendungsorientierte Funktionswerkstoffe mittels Walzplattieren

Obwohl walzplattierte Werkstoffe in der allgemeinen Öffentlichkeit nur wenig beachtet und behandelt werden, besitzen sie bereits heute eine hohe Bedeutung, um unterschiedliche Güter des täglichen Bedarfs realisieren und produzieren zu können. Durch eine hohe Produktivität und ein umfangreiches technologisches Wissen lassen sich bereits heute sehr anspruchsvolle und aufwändige Funktionswerkstoffe mittels Plattierverfahren herstellen, die maßgeschneiderte Produkteigenschaften für viele Halbzeuge und Fertigprodukte garantieren. Bedingt durch die konstruktiven Trends im Bereich von Automotive, Luft- und Raumfahrt sowie dem allgemeinen konstruktiven und materiellem Leichtbau ist davon auszugehen, dass die Bedeutung maßgeschneiderter Funktionswerkstoffe für spezifische Anwendungsfelder in naher Zukunft weiter wachsen und die Bedeutung einzelner Plattierverfahren für eine wirtschaftliche Produktionskette verschiedener Produkte wachsen wird.

Dipl.-Ing. Stephan Reichelt, J.-F. Schmidt, M. Neubauer, A. Schade, G. Andler, G. Buerkle, H. Hansen, L. Hofmann, J. Stiehler, S.D. Janisch

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

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

Chapter 10. Substitutionen Kritischer Elemente

Die Geschichte der Technologieentwicklung kann auch als ein fortlaufender Prozess von technischen Substitutionen angesehen werden. Das Produkt mit den besseren Eigenschaften, einer energiesparenderen oder ökonomisch billigeren Herstellung verdrängt(e) das Vorläuferprodukt. Ein Tabu kennt die Wirtschaft in allen Zeiten nicht.

Bernhard Adler

Chapter 12. Anhang

Physikalisch-chemische Eigenschaften von Metallen (ohne SE).

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

0. Überlick

3. Evolution und Selektion in der Technik

In der Natur findet über Jahrmillionen ein Evolutionsprozess statt, der durch Auslese zu den heutigen Gegebenheiten führte. In der Technik findet unter Einbeziehung systematischer Schadens- und Versagensanalyse ein vergleichbarer Prozess statt, bei dem in der Eignung unterlegene Lösungswege ausgeschieden werden. In Beispielen, die zu dem heutigen Stand der Technik führten, wird dies anschaulich.

em. o. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karlheinz G. Schmitt-Thomas

16. Magnetische Werkstoffe

Die ferromagnetischen Werkstoffe, kurz als Magnetwerkstoffe bezeichnet, sind eine wichtige Gruppe der Funktionswerkstoffe. Bei ihnen ist eine besonders anspruchsvolle simultane Optimierung der Beziehungen zwischen Kristalleigenschaften, Gefüge und makroskopischen technischen Eigenschaften erforderlich.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

18. Werkstoffe im Vergleich und Verbund

Metallische Werkstoffe, die über ihr gesamtes Volumen einheitliche Mikrostruktur und Eigenschaften besitzen, werden als „monolithisch“ bezeichnet. Davon sind Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde zu unterscheiden. Beide haben gemeinsam, daß zwei oder mehrere Bestandteile z. B. durch Sintern (Kap. 13), Tränken (Kap. 12) oder Koevaporieren (Kap. 2) zusammengefügt werden. Diese Bestandteile stehen meist nicht im thermodynamischen Gleichgewicht (Kap. 4). Ein Verbundwerkstoff besteht aus einer Matrix, in die viele Teilchen, Fasern etc. unorientiert oder orientiert eingebettet werden.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

1. Allgemeiner Überblick

Die Metalle, ihr Vorkommen, ihre Eigenschaften, ihre Anwendung und ihre technische Bedeutung werden kurz charakteristert. Die Aufgaben der Metallkunde werden dargestellt.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

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

5. Metallische Werkstoffe Kennzeichnung, bdspezifische Eigenschaften, typische Anwendungen

Die systematische Kennzeichnung der Werkstoffe erfolgt durch symbolische Buchstaben und Zahlen (DIN EN 10 027-1:05 bei Stählen, DIN EN 1560:97 bei Eisen-Gusswerkstoffen, DIN EN 573-2:94 bei Aluminium-Legierungen) oder allein durch Zahlen (DIN EN 10 027-2:92 Stähle, DIN 17 007-4:63 Nichteisenmetalle, DIN EN 573-1:04 Aluminium-Legierungen) [5.1].

6. Nichtmetallische Werkstoffe

Man unterscheidet zwischen Naturstoffen, abgewandelten Naturstoffen und synthetischen Werkstoffen auf nichtmetallisch-anorganischer (Keramik) oder organischer Basis (Polymerwerkstoffe).

1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

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

1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

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

Werkstoffe und Bauweisen ermöglichen neue Fahrzeugkonzepte

Werkstoffe undWerkstofftechniken sind eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklungsgeschichte der Menschheit. Dabei haben schon „frühe Ingenieure“ mit den damals verfügbaren/gewinnbaren Materialien kluge Konstruktionen bzw. Bauweisen realisiert. Beispiele dafür sind im WachsausschmelzverfahrenhergestellteBronzenoder ausPergamentblätterngefügte Mumiensärge (siehe Abb. 1).

Horst E. Friedrich, Peter Treffinger, Gundolf Kopp, Harald Knäbel

1. Festigkeit und Verformung der Metalle

Aus der Festigkeitslehre ist bekannt, dass die mechanisch belasteten Konstruktionswerkstoffe (Gegensatz: Funktionswerkstoffe, wie z.B. Beschichtungen) für den Betriebseinsatz in erster Linie eine hohe

Streckgrenze

besitzen sollten. Zyklisch beanspruchte Bauteile müssen eine ausreichende

Dauerschwingfestigkeit

aufweisen. Im Bereich hoher Temperaturen, wenn sich die Kriechverformung bemerkbar macht, kommen als entscheidende Kennwerte die

Zeitdehngrenze

z.B. die

1%-Zeitdehngrenze

, und die

Zeitstandfestigkeit

hinzu. Für rissbehaftete Bauteile ist außerdem die

Riss- oder Bruchzähigkeit

des Werkstoffes maßgeblich, in die neben der Festigkeit auch das Verformungsvermögen, die Duktilität, eingeht.

Ralf Bürgel

2. Die Struktur von Festkörpern

Gehen Atome eine chemische Verbindung ein, so ergeben sich wohldefinierte Gleichgewichtsabstände, die durch das Minimum der Gesamtenergie charakterisiert sind. Bei einem Festkörper, gebildet aus gleichen Atomen, kann deshalb das Energieminimum nur dann erreicht werden, wenn von jedem Atom aus betrachtet die Umgebung gleich ist. Die Anordnung der Atome ist deshalb dreidimensional periodisch. Man bezeichnet diesen Zustand der Materie als kristallin. Entsprechendes gilt auch für Festkörper, die aus mehreren Elementen gebildet werden: Dort wiederholen sich bestimmte Baugruppen in periodischen Abständen. An die Periodizität knüpfen sich entscheidende festkörperphysikalische Eigenschaften und Untersuchungsmethoden. Im Hinblick auf die theoretische Beschreibung und das Verständnis ist die Periodizität eine außerordentliche Vereinfachung. Obgleich der reale Festkörper niemals exakt dreidimensional periodisch ist, benutzt man gerne den periodischen Festkörper als Modell für die Beschreibung und behandelt Abweichungen von der Periodizität als Störung. Dreidimensional periodische Anordnungen von Atomen, bzw. Baugruppen von Atomen, lassen sich auf sehr verschiedene Weise realisieren. Damit beschäftigen sich die Unterabschnitte 2.1–2.5.

16. Pulver- und Sintermagnete

3. Aufbereitung der Pulver

1. Einführung in Polymer Engineering

Kunststoffe sind hoch molekulare organische Verbindungen, die entweder durch Abwandeln hochmolekularer Naturstoffe oder durch chemische Aneinanderlagerungen niedermolekularer Grundbausteine, sog. Monomere, durch verschiedenartige chemische Reaktionen entstehen. Demgemäß unterscheidet man zwischen abgewandelten Naturstoffen und synthetischen Kunststoffen. Die synthetischen Kunststoffe sind verbreiteter und vielfältiger. Die Vielfalt erklärt sich aus der großen Zahl von Möglichkeiten bei der Auswahl monomerer Bausteine und den verschiedenen Arten ihrer Aneinanderlagerung zu hochmolekularen Ketten (linear, verzweigt, vernetzt). Forschung und Technik erschließen vereinzelt noch neue synthetische Kunststoffe, die Zahl der chemischen Modifikationen bestehender Kunststoffe durch Copolymerisationen oder Mischen (blending) überwiegt jedoch zwischenzeitlich bei weitem.

Peter Eyerer

3. Evolution und Selektion in der Technik

1. Einordnung in allgemeine Zusammenhänge

2. Werkstoffgruppen und Werkstoffeigenschaften

0. Überblick

10. Verbundwerkstoffe

5. Physikalische Eigenschaften

7. Keramische Werkstoffe

Chapter 1. IBAD Template Films for HTS Coated Conductors

Paul N. Arendt

Kapitel 16. Magnetische Werkstoffe

Kapitel 1. Allgemeiner Überblick

Kapitel 18. Werkstoffe im Vergleich und Verbund

2. Der Weite Weg Zur Werkstoffwissenschaft

Es gibt ziemlich sichere Hinweise darauf, dass sich schon unsere Vorväter in der Steinzeit rasiert haben. Vermutlich haben dabei bessere Erfolgschancen beim weiblichen Geschlecht eine Rolle gespielt. Warum sonst sollte ein Mann bereit sein, Höllenqualen zu erleiden, wenn er sich seinen Bart mit behauenen und abgeschliffenen Steinen oder Vulkanglas abschabt? Eine der Spuren der Steine, aus denen unsere Altvorderen Werkzeuge und Waffen hergestellt haben, führt zu Hightech-Kreationen der modernen Werkstoffforschung, den Keramiken. Steine und Obsidian haben bald eine Konkurrenz von Werkstoffen bekommen, der sie nicht standhalten konnten. Ihre Vorzüge preist schon die Bibel: Bronze und Eisen. Ausschlaggebend dafür war die innere Struktur der Metalle, durch die sie völlig andere Eigenschaften haben als ihre Vorgänger. Sie haben nicht nur neue Anwendungsgebiete erschlossen, sondern auch eine „Massenproduktion“ ermöglicht, die gravierende gesellschaftliche Folgen hatte. Der Siegeszug des Eisens mündete in die industrielle Revolution und der enorm steigende Bedarf an Stahl gebar Methoden und Verfahren der Prüfung und Charakterisierung von Werkstoffen. Gestützt auf Erkenntnisse der aufkommenden Naturwissenschaften war das die Initialzündung für die Werkstoffwissenschaft. Sie beobachtete und verstand immer besser, worauf die Eigenschaften von Materialien beruhen und wie man sie beeinflussen kann. So konnte sie immer neue und verbesserte Werkstoffe und Herstellungsverfahren entwickeln. Ein Höhepunkt sind Halbleiter, auf deren Grundlage eine neue Industrie entstand, die letztlich auf Sand gebaut ist, der aus Steinen entsteht.

Klaus Urban

3. Werkstofffachleute – Die Hightech-Macher

Ein Flugzeugtriebwerk wird beim Start innerhalb von nur zwei Sekunden auf 1200°C erhitzt, erreicht eine Betriebstemperatur von 1800°C und soll 30.000 Starts und Landungen durchhalten. Die Werkstoffe, aus denen es besteht, sind wahrhaft „heiße Typen“. Ursprünglich baute man sie aus Stahl, dann hielten Superlegierungen auf der Basis von Nickel, Titanlegierungen sowie Keramik- und Polymerverbundwerkstoffe Einzug in den Triebwerksbau. Wie im Himmel das Flugzeug, macht auf der Erde das Auto mobil. Es soll umweltverträglicher und deshalb leichter werden. Bei der Entwicklung der dafür benötigten Werkstoffe hat die Konkurrenz durch Aluminium- und Magnesiumlegierungen sowie durch kohlefaserverstärkte Kunststoffe die Entwicklung hochfester Stähle forciert. In jüngster Zeit ist die Werkstoffforschung zur Natur zurückgekehrt. Sie hat ihr naturwissenschaftliches Fundament verbreitert und sich mit der Biologie verbandelt. Werkstoffforscher fahnden nach Prinzipien und Strukturen der belebten Natur, um sie technisch nachzuahmen. Sogar Mikroorganismen nimmt man dazu zum Vorbild. „Biomimetische“ oder „biologisch inspirierte Werkstoffe“ dienen beispielsweise der Herstellung von Prothesen und der Beseitigung von Umweltschadstoffen. In den letzten Jahrzehnten haben Werkstofffachleute sogar intelligente Werkstoffe entwickelt und hergestellt, die selbstständig auf veränderte Umgebungsbedingungen reagieren. Beispielsweise Formgedächtnislegierungen und -polymere für medizinische Stents und chirurgisches Nahtmaterial und Piezokeramiken zur Erzeugung von Ultraschall und zur Schwingungsdämpfung von Bauteilen. Ohne die Leistungen von Werkstofffachleuten wäre HighTech lediglich eine Idee geblieben, die niemals gezündet hätte.

Klaus Urban

6. Hochtemperaturlegierungen

Zu den Hochtemperaturwerkstoffen werden alle Materialien gezählt, die oberhalb von rund 500 °C dauerhaft für Bauteile eingesetzt werden können und damit langzeitig ausreichende mechanische Eigenschaften und Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit aufweisen müssen. Dafür kommen metallische und keramische Werkstoffe infrage sowie intermetallische Phasen, welche eine Stellung zwischen den Metallen und den Keramiken einnehmen.

Die Anwendungen der Hochtemperaturwerkstoffe erstrecken sich im Wesentlichen auf folgende Bereiche:

Energietechnik

Dampf- und Gasturbinen, Dampfkessel, Hochtemperatur-Reaktorbau (Kernreaktoren mit Betriebsmitteltemperaturen oberhalb etwa 500 °C), Wärmetauscher und Hochtemperaturrohrleitungen, Ofenbau und Heiztechnik, Beleuchtungstechnik

Antriebstechnik

Flugtriebwerksbau und Motorenbau

Chemische Industrie

Hochtemperaturverfahren zur Herstellung chemischer Produkte (z. B. die Ammoniak-Synthese), Hochtemperaturpyrolyse (thermische Zersetzung chemischer Verbindungen, wie z. B. in der Petrolchemie das Spalten von C-H-Verbindungen oder die Müllverbrennung), Kohleveredlungstechniken, Wasserstofferzeugung und Synthesegasherstellung durch Sonnenenergie

Hüttentechnik und Maschinenbau

Prozesse der Metallurgie und des Glasschmelzens sowie anderer Verfahren zur Rohstoffgewinnung und -verarbeitung, Hochtemperatur-Werkzeugbau.

Ralf Bürgel, Hans Jürgen Maier, Thomas Niendorf

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

16. Vakuumtribologie

Vakuumbedingungen stellen an die Tribologie besondere Anforderungen. Normalerweise haben unter atmosphärischen Bedingungen tribologisch beanspruchter Bauteile bei der Festkörperreibung im „Trockenlauf“ die Möglichkeit, durch chemische Reaktionen mit dem gasförmigen Umgebungsmedium reibungs- und verschleißmindernde Deckschichten zu bilden. Dies ist im Vakuum jedoch nicht möglich. Beispielsweise steigt die in Luftatmosphäre zeitstabile Gleitreibungszahl

f

 ≈ 0,5 im Vakuum innerhalb weniger Minuten auf einen zehnfach höheren Wert. Da konventionelle Tribomaterialien für Vakuumbedingungen nicht geeignet sind, wurden neue Werkstoffe, Prüftechniken und Technologien entwickelt. Nach einer kurzen Übersicht über Tribosysteme für Vakuumbedingungen werden tribologische Problemlösungen, die Vakuumtribometrie und geeignete Werkstoffe für die Erfordernisse der Vakuumtechnik dargestellt.

Dr. rer. nat. Thomas Gradt

15. Werkstoffe - Leistungspotenziale erkennen und nutzen

Welche Rolle spielen Werkstoffe für Innovationen?

Mit welchen Werkstoffen werden Maschinen gebaut?

Wie werden Werkstoffe ausgewählt?

Welche Werkstoffkennwerte sind wichtig?

Die Verfügbarkeit von Werkstoffen bestimmte die Menschheitsgeschichte und die aktuelle technische Entwicklung. Ihr Einsatz sowie ihre Herstellung und Entsorgung beeinflussen unsere Lebensweise, aber auch die Natur wesentlich.

Maschinen müssen bestimmte Anforderungsprofile erfüllen, die die Werkstoffauswahl für deren Bauteile festlegen. Dafür soll der Konstrukteur das Angebot an Werkstoffen und deren Eigenschaftsprofile kennen. Im 20. Jahrhundert erhöhte sich die Werkstoffvielfalt enorm und mit ihr die Innovationsrate.

Im Maschinenbau ist die mechanische Belastbarkeit der Konstruktionswerkstoffe am wichtigsten, wobei meist die thermo‐physikalischen Eigenschaften eine Rolle spielen. Wegen der Vielfalt der Werkstoffe ist es hilfreich, wenn man die Ursachen der wichtigsten Eigenschaften sowie ihre Veränderlichkeit bei der Verarbeitung und im Gebrauch versteht. Die Schädigungsmechanismen, die in den Werkstoffen ablaufen können, schränken die Belastbarkeit der Bauteile ein. Die Funktionstüchtigkeit eines Maschinenteiles wird durch die Werkstoffeigenschaften im gefertigten Zustand gewährleistet, den der Hersteller am besten kennt und auf den sich auch die vom Konstrukteur herangezogenen Datenblätter beziehen sollen.

Hans-Peter Degischer

13. Leitprojekt „Go Beyond 4.0“

Individualisierte Massenfertigung

Der Bedarf der Industrie an neuen Technologien zur Differenzierung und Effizienzsteigerung der Produktion treibt die Fraunhofer-Gesellschaft an, Kompetenzen zu bündeln, um erfolgsbesichernde Technologien bereitzustellen. Besonders digitale Fertigungstechnologien wie Inkjet-Druckverfahren und Laser-Verfahren werden die bis dato starre Massenfertigung beflügeln. Durch die Integration digitaler Fertigungstechnologien in beliebige Massenproduktionsumgebungen wird es gelingen, eine individualisierte Produktion mit der Rüstzeit null bei leicht verlängerter Taktzeit zu ermöglichen.

Prof. Dr. Thomas Otto

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

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

4. Optische Werkstoffe (Gläser)

Gläser besitzen eine Vielzahl von Anwendungen – von so offensichtlichen Gebrauchsgegenständen des täglichen Lebens wie Fenstern oder Brillen hin zu komplizierten optischen Systemen in Teleskopen, Mikroskopen oder Kameras. Der entscheidende Anwendungsaspekt ist dabei natürlich die Durchsichtigkeit und die damit verbundene Brechkraft des Glases, also die Fähigkeit des Glases, unter einem Winkel auftreffende Lichtstrahlen abzulenken. Auch andere durchsichtige Werkstoffe, beispielsweise Polymere wie Polymethylmethacrylat (PMMA, »Plexiglas«), werden in der Optik häufig eingesetzt. In diesem Kapitel wollen wir uns mit der Frage beschäftigen, warum einige Materialien eigentlich durchsichtig sind und andere nicht, und wie sich Licht in durchsichtigen Medien ausbreitet.

Martin Bäker

8. Materialien für Lichtquellen

Lichtquellen haben eine Vielzahl von Funktionen: Zunächst dienen sie natürlich dem Sehen bei Dunkelheit, doch sie können auch für Anzeigegeräte (beispielsweise Monitore) verwendet werden, zur Signalübermittlung (etwa in Glasfaserkabeln), zum Schreiben von Signalen (in einem

cd

-Rekorder) oder zum Schneiden oder Schweißen. Um Licht einer bestimmten Wellenlänge erzeugen zu können, muss ein System von einem Zustand mit hoher in einen Zustand mit niedrigerer Energie übergehen können, wobei Licht ausgesendet wird. Das System kann den Zustand hoher Energie dabei auf unterschiedliche Weisen erreichen, beispielsweise durch Wärmezufuhr, durch atomare Stoßprozesse oder durch angelegte elektrische Felder. Entsprechend gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Lichtquellen.

Martin Bäker

3. Piezoelektrika

Ähnlich wie Formgedächtnislegierungen zählen auch die Piezoelektrika zu den

smart materials

. Sie ändern ihre Form allerdings nicht bei einer Temperaturänderung, sondern bei Anlegen elektrischer Felder. Umgekehrt können sie auch elektrische Felder erzeugen, wenn sie verformt werden. Dadurch eignen sie sich für den Bau sowohl von Sensoren als auch von Aktoren. Diese besondere Eigenschaft verdanken die Piezoelektrika ihrer Kristallstruktur, bei der elektrische Ladungen geeignet angeordnet sind.

Martin Bäker

9. Supraleiter

Bei vielen Metallen beobachtet man etwas Erstaunliches, wenn man sie auf sehr niedrige Temperaturen abkühlt: Ihr elektrischer Widerstand nimmt schlagartig ab und ist praktisch nicht mehr messbar, so dass sie sich wie perfekte elektrische Leiter verhalten. Wie es möglich ist, dass sich Elektronen in manchen Materialien bei niedrigen Temperaturen vollkommen ungestört bewegen können, wird in diesem Kapitel untersucht.

Martin Bäker

5. Farbstoffe

Außer nachts, wenn alle Katzen grau sind, ist unsere optische Wahrnehmung durch Farben gekennzeichnet. Wir verwenden Farben zum Schmuck, zur Kenntlichmachung und Markierung, aber auch beispielsweise beim aus der Chemie bekannten Lackmustest, zur Detektion. Stoffe erscheinen farbig, wenn sie Licht bestimmter Wellenlängen absorbieren. Damit dies möglich ist, müssen Farbstoffe geeignete Energieniveaus besitzen. Wie diese Niveaus in unterschiedlichen Systemen zu Stande kommen, ist Gegenstand dieses Kapitels.

Martin Bäker

1. Flüssigkristalle

Flüssigkristalle vereinen die mechanischen Eigenschaften von Flüssigkeiten mit den optischen Eigenschaften von Festkörpern. Die Moleküle eines Flüssigkristalls sind zwar – wie in einer Flüssigkeit – frei beweglich, besitzen jedoch eine Vorzugsorientierung. Die orientierten Moleküle können mit Lichtwellen in Wechselwirkung treten, so dass sich die Lichtdurchlässigkeit eines Flüssigkristalls steuern lässt. Dadurch eignen sich Flüssigkristalle zum Einsatz von Anzeigegeräten.

Martin Bäker

6. Elektrische Leiter

Unsere moderne Technik beruht zu einem großen Teil auf der Fähigkeit, elektrischen Strom nahezu perfekt manipulieren zu können. Dies ist nur deshalb möglich, da elektrischer Strom leicht und ohne große Verluste transportiert werden kann. Metalle sind hervorragende elektrische Leiter, da sich Elektronen in ihnen mit nur geringem Widerstand nahezu frei bewegen können. Wie genau der Widerstand von Metallen zu Stande kommt, erweist sich bei genauer Betrachtung allerdings als erstaunlich komplex.

Martin Bäker

10. Magnetische Werkstoffe

Magnetische Felder sind die Grundlage vieler technischer Anwendungen, beispielsweise der Datenspeicherung in Festplatten. Entsprechend ist es technisch von großer Bedeutung, das Verhalten von Werkstoffen in Magnetfeldern zu verstehen. Einige Materialien schwächen äußere Magnetfelder ab, andere verstärken sie, wieder andere sind in der Lage, Magnetfelder spontan zu erzeugen. Die stark unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften der Materie beruhen auf dem Verhalten der Elektronen und ihren Bindungen und Wechselwirkungen.

Martin Bäker

11. Lösungen zu den Übungsaufgaben

Martin Bäker

2. Formgedächtnislegierungen

Formgedächtnislegierungen gehören zur Klasse der so genannten

smart materials

. Darunter versteht man Werkstoffe, die auf ein Signal hin eine

aktive

Reaktion zeigen. Formgedächtnislegierungen verformen sich bei Temperaturerhöhung, weil sich die Kristallstruktur des Materials ändert. Dabei können große Verformungen erreicht werden, die diese Werkstoffe für viele Anwendungen attraktiv machen.

Martin Bäker

7. Halbleiter

Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit sich in weiten Bereichen steuern lässt. Anders als bei Metallen, die immer gute elektrische Leiter sind, können Halbleiterstrukturen so gebaut werden, dass sie auf einen elektrischen Impuls hin ihre Leitfähigkeit stark ändern. Darüber hinaus besitzen Halbleiter auch interessante optische Eigenschaften und können als Lichtsensoren oder auch als Lichtquellen eingesetzt werden. Woher Halbleiter diese Eigenschaften beziehen, ist Thema dieses Kapitels.

Martin Bäker

Werkstoffe

Horst Czichos, Birgit Skrotzki, Franz-Georg Simon

4. Sichtweisen von Formgedächtnisaktoren

Das Wort Mechatronik ist ein Kunstwort, das aus den drei Bezeichnungen der beteiligten Fachdisziplinen der Mechanik, Elektronik und Informatik abgeleitet werden kann. In [4-1] wird beschrieben, dass in einem mechatronischen System die Problemlösung sowohl durch mechanische, als auch durch digital-elektronische Komponenten realisiert wird. Die mechatronischen Systeme, die in der VDI-Richtlinie 2206 beschrieben werden, stellen den Ansatz der mechanischen Grundstruktur in den Vordergrund, die von Elektronik und Informationstechnik in synergetischer Art und Weise beeinflusst wird. Somit besitzen mechatronische Systeme ein Grundsystem, das über Energie-, Signal- oder Stoffflüsse über die Systemgrenzen hinweg mit seiner Umgebung in Beziehung steht. Dieses Grundsystem kann ein mechanisches, thermisches, optisches oder sonstiges System sein, dass durch Aktoren manipuliert und durch Sensoren erfasst werden kann.

Sven Langbein, Alexander Czechowicz

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

2. Strukturen und Eigenschaften

Die Vielfalt an Stoffklassen und Eigenschaften der Werkstoffe ergibt sich aus ihrem strukturellen Aufbau. Einer von mehreren Bestimmungsfaktoren ist die chemische Zusammensetzung. Daneben bestimmen beispielsweise auch der Gefügeaufbau oder Gefügebesonderheiten wie z.B. Porenstrukturen die Eigenschaften und damit mögliche Anwendungen. Schließlich beeinflusst auch noch der Prozess der Herstellung der Werkstoffe und Bauteile deren Eigenschaften.

Marc-Denis Weitze, Christina Berger

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

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

12. Keramische Werkstoffe

Keramische Werkstoffe sind die ältesten Werkstoffe der Menschheit. Heute können durch ihren Einsatz maßgeschneiderte Produkte hergestellt werden, die neue Wege eröffnen. Am Anfang des Kapitels wird die Einteilung keramischer Werkstoffe nach verschiedenen Kriterien vorgestellt. Folgend wird die sintertechnische Herstellung von Keramiken beschrieben. Dabei wird auf die Möglichkeiten der Sintertechnik eingegangen. Im nächsten Abschnitt werden die Struktur und die Eigenschaften von Keramik besprochen und mit einem Vergleich von Keramik mit Metallen ergänzt. In den weiteren Teilen des Kapitels werden wichtige Arten keramischer Werkstoffe in Silicat-, Oxid- und Nichtoxidkeramik eingeteilt und vorgestellt. Dabei wird jeweils auf ihre Eigenschaften und Anwendungen eingegangen. Abgerundet wird die Beschreibung durch ein Einsatzbeispiel von Graphit im Stirnradschneckengetriebe. Am Ende des Kapitels werden Produktion und Kosten sowie Recycling keramischer Werkstoffe angesprochen.

Prof. em. Dr.-Ing. Bozena Arnold

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

6. Nichtmetallische Werkstoffe

Hinweisen auf Naturstoffe folgen Angaben zur Herstellung von synthetischen Stoffen auf nichtmetallisch-anorganischer Basis, den keramische Werkstoffen. Ausführungen zu den typischen Eigenschaften verschiedener Sorten zeigen die speziellen Einsatzgebiete wieHochtemperatur-, Verschleiß-, Temperaturwechsel- oder korrosive Beanspruchungen oder alsWärmedämmschichten, bei denen sie metallischenWerkstoffen überlegen sind.

Bei den Polymerwerkstoffen wird neben den Herstellungsverfahren Polymerisation, Polykondensation, Polyaddition der typischeAufbau auf organischer Basis beschrieben, beideminden linearenoder ringförmigenKetten vonKohlenstoff- undWasserstoffatomen andere Atomarten, z. B. Chlor oder Fluor, eingebaut sein können. Im Zusammenhang mit den verschiedenen Bindungskräften innerhalb und zwischen Molekülketten werden Unterschiede im temperaturabhängigen Formänderungs- und Festigkeitsverhalten amorpher und teilkristalliner Thermoplaste und Duroplaste erläutert. Die Beschreibung der Vielzahl verschiedener Kunststoffsorten nennt typische Erzeugnisformen und Anwendungsfälle und für die mit Glas- oder Kohlenstofffasern verstärkten Verbunde ihre hohen Festigkeitswerte. Lehrziel ist Verständnis der durch den spezifischen Aufbau bedingten, speziellen Eigenschaften der Kunststoffe und damit ihrer besondere Anwendungsmöglichkeiten. Die Auswahl bestimmter Kunststoffsorten für Bauteile muss den starken Temperatureinfluss auf ihre Eigenschaften berücksichtigen.

Prof. em. Dr.-Ing. Jürgen Ruge, Prof. em. Dr.-Ing. Helmut Wohlfahrt

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

Kapitel 1. Einführung in Polymer Engineering

Kunststoffe sind hoch molekulare organische Verbindungen, die entweder durch Abwandeln hochmolekularer Naturstoffe oder durch chemische Aneinanderlagerungen niedermolekularer Grundbausteine, sog. Monomere, durch verschiedenartige chemische Reaktionen entstehen. Die Vielfalt der Kunststoffe erklärt sich aus der großen Zahl von Möglichkeiten bei der Auswahl monomerer Bausteine und den verschiedenen Arten ihrer Aneinanderlagerung zu hochmolekularen Ketten (linear, verzweigt, vernetzt). Forschung und Technik erschließen vereinzelt noch neue synthetische, vermehrt natürliche, Kunststoffe, die Zahl der chemischen Modifikationen bestehender Kunststoffe durch Copolymerisationen oder Mischen (blending) überwiegt jedoch bei weitem.

Peter Eyerer, Marc-Andree Wolf

1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

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

10. Werkstoffe und Fertigungsverfahren

Die Werkstoffe und Technologien, die in den Automobilen zum Einsatz kommen, spiegeln den jeweils vorhandenen Stand der Technik wider. Der für die gegebenen Anforderungen bestgeeignete Werkstoff bzw. das bestgeeignete Fertigungsverfahren kommt zum Einsatz. Somit ist ein Exkurs in die Werkstoffe der frühen Automobile zugleich ein Blick zurück in die Werkstofftechnik der damaligen Zeit, siehe auch

Tabellen 10.1–1

und

10.1–2

.

Prof. Dr.-Ing., Dr.-Ing. E.h. Hans-Hermann Braess, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert

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

6. Hochtemperaturlegierungen

Zu den Hochtemperaturwerkstoffen werden alle Materialien gezählt, die oberhalb von rund 500 °C dauerhaft für Bauteile eingesetzt werden können und damit langzeitig ausreichende mechanische Eigenschaften und Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit aufweisen müssen. Dafür kommen metallische und keramische Werkstoffe infrage sowie intermetallische Phasen, welche eine Stellung zwischen den Metallen und den Keramiken einnehmen.

Ralf Bürgel, Hans Jürgen Maier, Thomas Niendorf

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

1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

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

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

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

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.

1. Einleitung

Es muss gelernt werden, die ganze Aufmerksamkeit auf das tatsächliche Geschehnis zu richten und die innere Spannung zu koordinieren mit einer sinnvollen Beherrschung der schwierigen Aquarellmalerei, die man nicht korrigieren kann.

Professor Dr. techn. Klaus Janschek

Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

Michael Dahms

2. Problemstruktur des Leichtbaus

Wie bereits angedeutet, kann Leichtbau kein Selbstzweck nur des Fortschritts halber sein. Aufwand und Nutzen müssen stets in einem interessanten Verhältnis zueinander stehen, sodass Leichtbaumaßnahmen lohnend erscheinen. Diesbezüglich gilt es, alle über das übliche Maß hinausgehenden Anstrengungen auch unter Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten zu bewerten. Hilfreich ist hier vielfach die Erstellung eines Gewichts- und Kostenmodells, welches parameterielle Abhängigkeiten zwischen dem Strukturgewicht, den Herstellkosten und dem wirtschaftlichen Nutzwert darzustellen vermag. Optimallösungen können jedoch nur mit einem holistischen Ansatz erreicht werden.

Bernd Klein

2. Aufbau der Werkstoffe

1. Übersicht

3. Metallische Werkstoffe

5. Organische Stoffe; Polymerwerkstoffe

3. Technische Grundlagen

1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

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. Werkstoffe und technologische Grundlagen

Schließt man Gehäuse ein, so werden in der Mikrosystemtechnik alle geläufigen Werkstoffe (Stähle, Kunststoffe, Keramiken usw.) eingesetzt. Im eigentlichen Mikrosystem spielen als Funktions- und Konstruktionswerkstoffe insbesondere dünne amorphe oder polykristalline Schichten (Dicke etwa 1 μm) eine wichtige Rolle. So werden z.B. dünne Schichten aus SiO2 und Si3N4 als Funktions- und Konstruktionswerkstoffe (Isolation, Passivierung, Ätzmaskierung) eingesetzt. Andere Schichten werden ausschließlich den Funktionswerkstoffen zugerechnet und z.B. zur Signalwandlung benötigt (etwa ZnO2 und AIN als piezoelektrische Schichten, SnO2 als sensitive Schicht gegenüber O2 und CO2 in Metalloxid-Halbleiter-Gassensoren, poly-Si als Material für eine mechanisch verschieb- oder verformbare Kondensatorplatte in einem Beschleunigungssensor, Ni-Ti-Legierungen für Formgedächtnis-Aktoren). Diese Schichten werden mit Hilfe sogenannter Dünnschichtverfahren (z.B. Aufdampfen, Sputtem, s. Abschn. 2.4.1) auf Träger aufgebracht, die zumeist einkristalline Halbleiter sind (Si, GaAs, LiNbO3).

Ulrich Mescheder

15. Aktive Funktionswerkstoffe und -bauweisen

Da Faserverbundbauweisen Schichtstrukturen darstellen, ergibt sich die Möglichkeit, neben den optimalen Gestaltungsmöglichkeiten zwischen oder in die Schichten andere Werkstoffe oder Mikrostrukturen zu integrieren, z. B. aktive Werkstoffe bzw. Elemente, mit denen zusätzliche Funktionen wie beispielsweise Verformungen oder Bewegungen, erzeugt werden können. Dieses Gebiet wird auch mit „Struktronik“ bezeichnet. In [15.1] wird von Eispass, W. und Flemming, M. das Gebiet ausführlich einschliesslich vieler weiterer Literatur erläutert, so dass wir uns hier im vorliegenden Buch sehr kurz fassen können und darüber hinaus jeweils auf [15.1] verweisen.

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

0. Überblick

Prof. Dr.-Ing. Erhard Hornbogen, Prof. Dr.-Ing., Dipl.-Wirt.-Ing. Norbert Jost

1. Einordnung in allgemeine Zusammenhänge

Seit etwa 1970 werden 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 Energie-Bilanzen 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.

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

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

5. Physikalische Eigenschaften

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.

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

7. Keramische Werkstoffe

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.

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

10. Verbundwerkstoffe

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).

Dr.-Ing. Dr. h. c. 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. 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

Kapitel 18. Werkstoffe im Vergleich und Verbund

Metallische Werkstoffe, die über ihr gesamtes Volumen einheitliche Mikrostruktur und Eigenschaften besitzen, werden als „monolithisch“ bezeichnet. Davon sind Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde zu unterscheiden. Beide haben gemeinsam, daß zwei oder mehrere Bestandteile z.B. durch Sintern (Kap. 13), Tränken (Kap. 12) oder Koevaporieren (Kap. 2) zusammengefügt werden. Diese Bestandteile stehen meist nicht im thermodynamischen Gleichgewicht (Kap. 4). Ein Verbundwerkstoff besteht aus einer Matrix, in die viele Teilchen, Fasern etc. unorientiert oder orientiert eingebettet werden. Zu einem Werkstoffverbund werden zwei Stoffe mit verschiedenen Eigenschaften zusammengefügt (z. B. Beschichtung, Kap. 17.5, Bimetalle, Kap. 18.2). Eine entsprechend der örtlichen Beanspruchung variable Struktur im Bauteil besitzen „maßgeschneiderte” Werkstoffe. Dieses Ziel kann am besten über den Verbund verschiedener Werkstoffe in geeigneten geometrischen Anordnungen erreicht werden. Die daraus folgenden Möglichkeiten sind durch Extreme wie den Stahlbeton und die leitenden oder halbleitenden Strukturen von in Siliziumkristallen integrierten Schaltkreisen gekennzeichnet. Für einen Verbund kommen grundsätzlich alle Werkstoffgruppen in Frage (Abb. 1.8): a)Metall,b)Keramik,c)Hochpolymer.

Prof. Dr. Erhard Hornbogen, Prof. Dr. Hans Warlimont

Kapitel 16. Magnetische Werkstoffe

Die magnetischen Werkstoffe sind eine wichtige Gruppe der Funktionswerkstoffe. Bei ihnen ist eine besonders anspruchsvolle simultane Optimierung der Beziehungen zwischen Kristalleigenschaften, Gefüge und makroskopischen technischen Eigenschaften erforderlich. Deshalb werden zunächst die physikalischen Grundlagen der magnetischen Eigenschaften (Kap. 16.1), ihre makroskopische Beschreibung und die Gefügeeinflüsse (Kap. 16.2) behandelt. Darauf folgt die Behandlung der beiden Gruppen weichmagnetischer (Kap. 16.3) und hartmagnetischer (Kap. 16.4) Werkstoffe. Schließlich beruhen auch einige Eigenschaften, die mechanische Bedeutung haben, wie die verschwindende thermische Ausdehnung (Invar-Effekt), der temperaturunabhängige Elastizitätsmodul (Elinvar-Effekt) und weitere auf magnetisch bedingten Anomalien des Kristallverhaltens. Sie werden in Kap. 16.5 behandelt. Kapitel 16.6 zeigt schließlich das zeitliche Fortschreiten technisch realisierter Eigenschaften an zwei Beispielen aus dem Bereich der Magnetwerkstoffe.

Prof. Dr. Erhard Hornbogen, Prof. Dr. Hans Warlimont

Kapitel 1. Allgemeiner Überblick

In der Natur sind Metalle recht selten (Gold, Meteoriteisen). Ein Blick auf das Periodische System (Anhang Al) lehrt jedoch, daß der größte Teil der Elemente zu den Metallen gehört. Sie sind in der oxidierenden Atmosphäre der Erde nicht stabil, liegen deshalb meist als Oxide vor und müssen zur Gewinnung reduziert und im Gebrauch meist vor Reoxidation geschützt werden.

Prof. Dr. Erhard Hornbogen, Prof. Dr. Hans Warlimont

Macroscale production of microsystems

Much effort has been exerted by many researchers in the development of techniques for the production of microsystems and components. The current array of micromachining techniques has largely been developed from the semiconductor industry. For example etching techniques such as electron beam etching, wet chemical etching, focused ion beam machining and constructive techniques such as LIGA.

M. Schreiber, C. M. Hagg, U. Schubert, A. H. Whitehead

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

7. Festkörperelektrochemie: Messtechniken und Anwendungen

Unter Elektrochemie verstehen wir hier das Studium des Verhaltens der Ladungsträger in bezug auf elektrische Effekte bei gleichzeitiger Beachtung von Zusammensetzungsänderungen1. Über weite Strecken haben uns elektrochemische Betrachtungen, insbesondere Leitfähigkeitseffekte, im Hinblick auf die durch Fehler bedingte elektrische Funktion untrennbar vom Kontext begleitet. In diesem abschließenden Kapitel wollen wir speziell auf elektrochemische Systeme eingehen, die einem äußeren Stromkreis eingegliedert sind (auch wenn es sich u. U. nur um sehr kleine Messströme handeln mag). Es interessiert uns vor allem die gegenseitige Umwandlung chemischer und elektrischer Signale, die ja mit dem Auftreten geladener Fehler inhärent verbunden ist. Insofern ist dieses elektrochemische Kapitel nicht nur ein spezielles Kapitel über Techniken und Anwendungen, sondern bildet den logischen Abschluss unserer Betrachtungen.

Prof. Dr. rer. nat. Joachim Maier

B11. Entwicklung und Einsatz von Werkstoffen in der Elektrotechnik und Informationstechnik

Die moderne Elektrotechnik und Informationstechnik verwendet eine Vielzahl von metallischen, anorganisch-nichtmetallischen und poly-meren Werkstoffen mit charakteristischen elektrischen, magnetischen oder optischen Eigenschaften, die einzeln oder in geeigneten Kombinationen z.B. in integrierten Schaltungen als Normalleiter, Halbleiter, Supraleiter, Lichtleiter, Isolator Werkstoffe, Kontaktwerkstoffe, Dielektrika, Paraelektrika, Fer roelektrika, Widerstandswerkstoffe, Magnetwerkstoffe u.a.m. eingesetzt werden. Man bezeichnet diese Werkstoffe auch als Funktionswerkstoffe und grenzt sie dadurch von den Konstruktionswerkstoffen ab,bei denen die mechanischen Eigenschaften von dominierendem Interesse sind.

E. Ivers-Tiffée, W. Jutzi, E. Macherauch

2. Die Struktur von Festkörpern

Gehen Atome eine chemische Verbindung ein, so ergeben sich wohldefinierte Gleichgewichtsabstände, die durch das Minimum der Gesamtenergie charakterisiert sind. Bei einem Festkörper, gebildet aus gleichen Atomen, kann deshalb das Energieminimum nur dann erreicht werden, wenn von jedem Atom aus betrachtet die Umgebung gleich ist. Die Anordnung der Atome ist deshalb dreidimensional periodisch. Man bezeichnet diesen Zustand der Materie als kristallin. Entsprechendes gilt auch für Festkörper, die aus mehreren Elementen gebildet werden: Dort wiederholen sich bestimmte Baugruppen in periodischen Abständen. An die Periodizität knüpfen sich entscheidende festkörperphysikalische Eigenschaften und Untersuchungsmethoden. Im Hinblick auf die theoretische Beschreibung und das Verständnis ist die Periodizität eine außerordentliche Vereinfachung. Obgleich der reale Festkörper niemals exakt dreidimensional periodisch ist, benutzt man gerne den periodischen Festkörper als Modell für die Beschreibung und behandelt Abweichungen von der Periodizität als Störung. Dreidimensional periodische Anordnungen von Atomen, bzw. Baugruppen von Atomen, lassen sich auf sehr verschiedene Weise realisieren. Damit beschäftigen sich die Unterabschnitte 2.1–2.5.

Professor Dr. Harald Ibach, Professor Dr. Hans Lüth

3. Evolution und Selektion in der Technik

Die vielfachen Wechselbeziehungen zwischen physikalischen Grundlagen und den Möglichkeiten ihrer Umsetzung werden im Wandel technischer Ausführungsformen deutlich. Der Prozeß einer laufenden Modifizierung und Anpassung ist dabei unabhängig davon, ob eine technische Lösung einer Aufgabe nach dem Vorbild der Natur oder durch eigenständige Ideen des Menschen erfolgte.

Professor Dr.-Ing. Karlheinz G. Schmitt-Thomas

5. Fasernaßwickeltechnik

Das zu den Urformverfahren gehörige Faserwickelverfahren zählt zu den ersten Herstellungsverfahren, welche zur industriellen Verarbeitung von Composites entwickelt wurden. Abb. 5.1 zeigt die Einordnung des Faserwickelverfahrens innerhalb der Fertigungsverfahren zur Herstellung von kontinuierlich faserverstärkten Bauteilen.

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

13. Phasengrenzen

Phasengrenzen sind ebenso wie Korngrenzen innere Grenzflächen eines Festkörpers. Anders als Korngrenzen, die den Festkörper in Bereiche gleicher Kristallstruktur, aber unterschiedlicher Orientierung unterteilen, trennen Phasengrenzen Bereiche unterschiedlicher Kristallstruktur und/oder chemischer Zusammensetzung. Damit besitzt die Phasengrenze eine hohe Anzahl von Beschreibungselementen, die zu ihrer Festlegung berücksichtigt werden müssen, denn neben der Angabe von Drehwinkel, Drehachse und Grenzflächennormalen müssen auch Informationen über die beiden beteiligten Kristallgitter verarbeitet werden.

Prof. Dr. rer. nat. Günter Gottstein, Dipl.-Physiker Jörn Verhasselt

7. Technikfolgenbeurteilung und Materialentwicklung — ein Ausblick

Das vorliegende Memorandum hat Konsequenzen für die Durchführung weiterer Studien zu gesellschaftlichen Aspekten und Folgen der Materialforschung und -entwicklung; darüber hinaus erlaubt es Schlußfolgerungen für die Konzeption von Technikfolgenbeurteilung. Diese seien im folgenden kurz angesprochen.

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

4. Ausblick

Das vorliegende Memorandum hat Konsequenzen für die Durchführung weiterer Studien zu gesellschaftlichen Aspekten und Folgen der Materialforschung und -entwicklung; darüber hinaus erlaubt es Schlußfolgerungen für die Konzeption von Technikfolgenbeurteilung. Diese seien im folgenden kurz angesprochen.

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

Kapitel 5. Materialien

In diesem Kapitel sollen die für den Aufbau von Sensoren wichtigen Werkstoffparameter zusammengestellt werden. Der physikalische Effekt bzw. seine Auswertung ist meist an eine bestimmte Materialeigenschaft gebunden. In Tabelle 5–1 sind einige Werkstoffe, Beispiele und Anwendungen zusammengestellt. Insbesondere die Halbleiter haben für ein weites Feld der Sensorik interessante Eigenschaften (s. Tabelle 5–2). Der Werkstoff allein macht jedoch noch lange keinen technisch realisierten Sensor aus. Dazu gehören mit unterschiedlichem Gewicht über den Wandlerwerkstoff hinaus die Fragen der Kontaktierung, der Isolierung, des zu verwendenden Substratmaterials und des Gehäuses. Viele Einflüsse wie die Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten und das Problem der Passivierung z.B. bei Drucksensoren oder die Auswahl geeigneter Fenster für optische Sensoren, um nur zwei Beispiele zu nennen, müssen sehr sorgfältig durchdacht werden. Um aus einem grundlegenden Effekt, wie etwa dem piezoresistiven beim Silizium, einen gebrauchsfähigen und vor allem über lange Zeit zuverlässigen Sensor herzustellen, sind jahrelange Erfahrung und genaue Kenntnis des Zusammenspiels aller Einzelteile erforderlich. Dazu wird heute sehr ausgiebig und unverzichtbar von der EDV gestützten Simulation Gebrauch gemacht. Die dafür benötigten Daten der eingesetzten Materialien sind oftmals für Volumenmaterial bereits bekannt.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hans-Rolf Tränkler, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ernst Obermeier

6. Hochtemperaturlegierungen

Zu den Hochtemperaturwerkstoffen werden alle Materialien gezählt, die oberhalb rund 500 °C dauerhaft für Bauteile eingesetzt werden können und damit langzeitig ausreichende mechanische Eigenschaften und Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit aufweisen müssen. Dafür kommen metallische und keramische Werkstoffe in Frage sowie intermetallische Phasen, welche eine Stellung zwischen den Metallen und den Keramiken einnehmen.

Ralf Bürgel

YBaCuO-Coated High-Jc Conductors

YBaCuO thick films possess the potential to become HTS conductors of the second generation. Technical polycrystalline substrates, which can be metallic or nonmetallic, were used in the form of tapes, tubes or cylinders. Ion-beam-assisted deposition (IBAD) was employed to grow biaxially textured buffer films of yttria-stabilized Zr02 (YSZ) which serve as a template for the YBaCuO and as a diffusion barrier. High-quality (thick) YBaCuO films were deposited on the moving planar or curved substrates by pulsed laser ablation. The growth of the YSZ and the YBaCuO films was observed with cross-sectional TEM. Critical current densities Jc (77K, self field) up to 2.0 × 106 A/cm2 were reached on Ni substrates and of 1.2 × 106 A/cm2 on YSZ substrates, both with intermediate biaxially textured YSZ buffer layers. The strain sensitivity of the YBaCuO films seems to be favorable for technical applications of YBaCuO-coated conductors.

H. C. Freyhardt, J. Dzick, K. Heinemann, A. Isaev, J. Hoffmann, F. Garcia-Moreno, S. Sievers, A. Usoskin, J. Wiesmann

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.. Aktive Werkstoffe für Funktionsbauweisen

Einige zum Teil neue oder für die Anwendung im Maschinenbau unübliche Werkstoffe eröffnen neue Möglichkeiten im Bereich der Bauweisentechnik. Diese Werkstoffe, von denen einige in anderen technischen Bereichen wie beispielsweise der Elektrotechnik eine breite Anwendung finden, können aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften zu Strukturen mit neuen Anwendungsprofilen führen. Die Aufgabe der Werkstoffe besteht darin, als (beeinflussende) Aktuatoren oder (erfassende) Sensoren zu wirken. Die Charakteristiken und Wirkprinzipe dieser Werkstoffe sollen in diesem Kapitel erläutert werden.

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

20. Ausgewählte Spezialgebiete der Metallkunde

Metallische Werkstoffe, die über ihr gesamtes Volumen einheitliche Mikrostruktur und Eigenschaften besitzen, werden als „monolithisch“ bezeichnet. Eine entsprechend der örtlichen Beanspruchung variable Struktur im Bauteil besitzen „maßgeschneiderte“ Werkstoffe. Dieses Ziel kann am besten über den Verbund verschiedener Werkstoffe in geeigneten geometrischen Anordnungen erreicht werden. Die daraus folgenden Möglichkeiten sind durch Extreme wie den Stahlbeton und die leitenden oder halbleitenden Strukturen von in Siliziumkristallen integrierten Schaltkreisen gekennzeichnet. Für einen Verbund kommen grundsätzlich alle Werkstoffgruppen in Frage: a)Metallb)Keramikc)Hochpolymer.

Dr.-Ing. Erhard Hornbogen, Dr. rer. nat. Hans Warlimont

1. Allgemeiner Überblick

Als Metall wird im täglichen Leben ein Stoff bezeichnet, der folgende Eigenschaften hat: Reflexionsfähigkeit für Lichthohe elektrische und thermische Leitfähigkeitplastische Verformbarkeit unter Zug, Druck und auch bei tiefer Temperaturin einigen Fällen Ferromagnetismus oder Supraleitung.

Dr.-Ing. Erhard Hornbogen, Dr. rer. nat. Hans Warlimont

3. Zur Anwendung von kombinierten Fügeverbindungen

Kombinierte Fügeverbindungen werden in der Regel auf der Grundlage üblicher Schrauben-, Preß-, Schweißverbindungen usw. erarbeitet. Sie ergänzen diese traditionellen elementaren Fügeverbindungen durch ihre neuartigen Eigenschaften. Bis heute sind die kombinierten Fügeverbindungen in den bekannten und z. T. auch genormten Klassifikationen, Systematiken und Einteilungen kaum berücksichtigt.

Prof. Dr. sc. techn. Klaus Wittke, Prof. Dr.-Ing. habil. Uwe Füssel

0. Überblick

Prof. Dr.-Ing. Erhard Hornbogen, Prof. Dr.-Ing. Holger Haddenhorst, Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Norbert Jost

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

1. Neue Werkstoffe — Übergeordnete Aspekte

Im frühesten Stadium ihrer teehnischen Nutzung wurden Werkstoffe in einer sehr rohstoffnahen Form eingesetzt. Nur auf verfugbare Materialien abgestmmte Anwendungen konnten auch tatsächlich realisiert werden. Im Vergleich dazu ist die jüngere Werkstof fgeschichte gekennzeichnet lurch die zunehmende Fähigkeit zur zielgerichteten Optimierung der vorhandenen Materialien.

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

III. Lineare und nicht-lineare Widerstände

In der Regel ist die elektronische Leitfähigkeit in Festkörpern wie z.B. Keramiken keine Materialkonstante, sondern in einem mehr oder weniger hohen Maße von intensiven Zustandsgrößen wie der Temperatur, dem elektrischen Feld und dem Druck abhängig. Zur Herstellung von linearen (ohmschen) Widerständen muß das Material dergestalt ausgelegt werden, daß diese Abhängigkeiten besonders klein ausfallen und bestimmte, von Normungsgremien (IEC, DIN, usw.) aufgestellte Toleranzen nicht überschreiten. Zur Herstellung nicht-linearer Widerstände werden spezifische Abhängigkeiten der Leitfähigkeit in ausgewählten elektronischen Keramiken bewußt gezüchtet. Zu den nichtlinearen Widerständen zählt man spannungsabhängige Widerstände (Varistoren) und temperaturabhängige Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten (Kaltleiter, PTC-Widerstände) bzw. mit negativem Temperaturkoeffizienten (Heißleiter, NTC-Widerstände). Tabelle 1.1 gibt eine Übersicht über die Widerstandstypen und die physikalischen Effekte, die für das elektrische Verhalten verantwortlich sind.

Rainer Waser

10. Verbundwerkstoffe

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).

Dr.-Ing. Erhard Hornbogen

7. Keramische Werkstoffe

Zu dieser großen Gruppe gehören alle nichtmetallischen und anorganischen Werkstoffe. Die Grenze zwischen keramischen und metallischen Wirkstoffen wird präzise mit Hilfe des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands definiert, der in Metallen ein positives, in keramischen Stoffen ein negatives Vorzeichen hat. Die Grenze der keramischen Werkstoffe zu den hochpolymeren Kunststoffen 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.

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

12. Zukunftsmodelle

Die Bereitstellung neuer und verbesserter Werkstoffe wird als Schlüsseltechnologie für den weiteren evolutionären Fortschritt auf vielen Gebieten der Technik angesehen. So ist die Lösung wichtiger Fragen auf dem Gebiet der Energie- und Umwelttechnik eng mit Durchbrüchen auf dem Werkstoffsektor verknüpft, wobei insbesondere neuartige Funktionswerkstoffe eine Rolle spielen. Allerdings dürfen hierbei nicht nur die angestrebten Fertigungs- und Gebrauchseigenschaften im Mittelpunkt stehen, Werkstoffauswahl und Bauteilgestaltung müssen auch unter dem Gesichtspunkt der Recyclingfähigkeit, der möglichen Umweltbelastung und der Ressourcenschonung betrachtet werden.

Petra Donner

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. Allgemeiner Überblick

Als Metall wird im täglichen Leben ein Stoff bezeichnet, der folgende Eigenschaften hat: Reflexionsfähigkeit für Licht,hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit,plastische Verformbarkeit unter Zug, Druck und auch bei tiefer Temperatur,in einigen Fällen Ferromagnetismus oder Supraleitung.

Dr.-Ing. Erhard Hornbogen, Dr. rer. nat. Hans Warlimont

20. Ausgewählte Spezialgebiete der Metallkunde

Metallische Werkstoffe, die über ihr gesamtes Volumen einheitliche Mikrostruktur und Eigenschaften besitzen, werden als „monolithisch“ bezeichnet. Eine entsprechend der örtlichen Beanspruchung variable Struktur im Bauteil besitzen „maßgeschneiderte” Werkstoffe. Dieses Ziel kann am besten über den Verbund verschiedener Werkstoffe in geeigneten geometrischen Anordnungen erreicht werden. Die daraus folgenden Möglichkeiten sind durch Extreme wie den Stahlbeton und die leitenden oder halbleitenden Strukturen von in Siliziumkristallen integrierten Schaltkreisen gekennzeichnet. Für einen Verbund kommen grundsätzlich alle Werkstoffgruppen in Frage: a)Metallb)Keramikc)Hochpolymer.

Dr.-Ing. Erhard Hornbogen, Dr. rer. nat. Hans Warlimont

1. Einführung

Wenn ein Lehrbuch über Metallkunde sich speziell an den Ingenieur des Maschinenbaus wenden soll, ist es sinnvoll, einige Überlegungen anzustellen, wie die Lehre von den Werkstoffen, im besonderen von den Metallen, im Maschinenwesen angesiedelt ist. Dazu ist zunächst die Art und Zielsetzung der Ingenieurausbildung zu betrachten, die gegenüber anderen naturwissenschaftlichen Fächern ihr besonderes Profil besitzt. Aufgabe des Ingenieurs ist es, naturwissenschaftliche Erkenntnisse so umzusetzen, daß diese technisch nutzbar werden, also zu wirtschaftlichem, gesellschaftlichem und zivilisatorischem Fortschritt führen. Dazu hat sich der Ingenieur mit naturwissenschaftlichen und mathematischen Grundlagen zu beschäftigen, die ihn in die Lage versetzen, Funktionsweise, Verfahrensabläufe, Reaktionen und Folgen analytisch zu verstehen. Mit Hilfe dieser analytischen Fähigkeiten sind dann die schöpferischen Aufgaben zu bewältigen, die darin bestehen, durch geeignete konstruktive Synthesen technische Einrichtungen, Maschinen und Anlagen zu schaffen, mit deren Hilfe die Grundlagenerkenntnisse zu praktisch nutzbarer Technik werden.

Dr.-Ing. Karlheinz G. Schmitt-Thomas

4. Hochtemperaturzellen der Karbonatschmelzen und oxidkeramischen Technik

Karbonatschmelzenbrennstoffzellen sind in den 60er Jahren von Ketelaar und Broers zum ersten Mal erprobt worden. Ihre Entwicklung wurde aber erst in den späten 70er/frühen 80er Jahren zunächst in den USA, seit rund acht Jahren auch in Japan wieder aufgenommen Der Elektrolyt ist eine Mischschmelze aus Li2CO3 und K2CO3 bzw. Li2CO3 und Na2CO3. Die Arbeitstemperatur wird mit 620 bis 660°C angegeben.

H. Wendt, E. Barendrecht, W. Dönitz, E. Erdle, R. Streicher, W. Drenckhahn, L. G. J. de Haart, Y. S. Lin, K. J. de Vries, A. J. Burggraaf, W. Drenckhahn

1. Einführung

Wenn ein Lehrbuch über Metallkunde sich speziell an den Ingenieur des Maschinenbaus wenden soll, ist es sinnvoll, einige Überlegungen anzustellen, wie die Lehre von den Werkstoffen, im besonderen von den Metallen, im Maschinenwesen angesiedelt ist. Dazu ist zunächst die Art und Zielsetzung der Ingenieurausbildung zu betrachten, die gegenüber anderen naturwissenschaftlichen Fächern ihr besonderes Profil besitzt. Aufgabe des Ingenieurs ist es, naturwissenschaftliche Erkenntnisse so umzusetzen, daß diese technisch nutzbar werden, also zu wirtschaftlichem, gesellschaftlichem und zivilisatorischem Fortschritt führen. Dazu hat sich der Ingenieur mit naturwissenschaftlichen und mathematischen Grundlagen zu beschäftigen, die ihn in die Lage versetzen, Funktionsweise, Verfahrensabläufe, Reaktionen und Folgen analytisch zu verstehen. Mit Hilfe dieser analytischen Fähigkeiten sind dann die schöpferischen Aufgaben zu bewältigen, die darin bestehen, durch geeignete konstruktive Synthesen technische Einrichtungen, Maschinen und Anlagen zu schaffen, mit deren Hilfe die Grundlagenerkenntnisse zu praktisch nutzbarer Technik werden.

Dr.-Ing. Karlheinz G. Schmitt-Thomas
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