nach oben

2014 | Buch

Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik

Physikalische Grundlagen

verfasst von: Günter Gottstein

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : Springer-Lehrbuch

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

Einloggen, um Zugang zu erhalten

Über dieses Buch

Die modernen Konzepte der physikalischen Metallkunde sind gleichermaßen grundlegend für das Verständnis auch aller nichtmetallischen Werkstoffe. Deswegen liegt es nahe, die klassisch nach den Werkstoffen Metall, Keramik, Glas und Kunststoff differenzierten Wissensgebiete unter der verbindenden Bezeichnung Materialwissenschaft und Werkstofftechnik gemeinsam abzuhandeln. Von dieser Feststellung ausgehend führt dieses Lehrbuch zwar zunächst in die Allgemeine Metallkunde ein, darüber hinaus legt es aber auch die Grundlagen für die gesamte Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Im Mittelpunkt steht dabei der naturwissenschaftliche Aspekt der Materialkunde, ohne dass ihr ingenieurwissenschaftlicher Anteil vernachlässigt wurde.

Dieses Konzept wird auch in der aktuellen 4. Auflage erfolgreich umgesetzt. Modernen Entwicklungen wurde vor allem durch Erweiterungen über neue Werkstoffe, wie z.B. dünne Filme, metallische Gläser oder Nanoröhrchen Rechnung getragen. Außerdem wurde jedes Kapitel durch Übungsaufgaben mit Lösungen erweitert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Gefüge und Mikrostruktur

Zusammenfassung

Bei einem fertigen Bauteil fällt zunächst nur seine Funktion oder äußere Erscheinungsform ins Auge, zum Beispiel ein Schmuckstück aus Edelmetall, der Motor eines PKW, das Seil einer Hängebrücke, der Draht eines elektrischen Kabels, die dunklen wärmedämmenden Scheiben eines modernen Bürogebäudes oder die dekorative Gebrauchskeramik und Metallarmatur eines modernen Bades.

Günter Gottstein

Kapitel 2. Der atomistische Aufbau der Festkörper

Zusammenfassung

Die Bausteine der festen Materie sind die Atome, die aus dem Atomkern und der Elektronenhülle bestehen. Die Eigenschaften der Festkörper werden dabei ganz überwiegend von der Elektronenhülle bestimmt. Nach dem Bohrschen Atommodell sind die Elektronen auf Schalen angeordnet (Abb. 2.1), deren Konfiguration, d. h. Elektronenbesetzung und räumliche Anordnung, sich nach den Gesetzen der Quantenmechanik bestimmt.

Günter Gottstein

Kapitel 3. Kristallbaufehler

Zusammenfassung

Kristalle sind niemals fehlerfrei. Das folgt ganz fundamental aus den thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten, was wir in Abschn. 3.3.2 zeigen werden. Realkristalle weichen allerdings in ihrer Fehlordnung weit vom thermodynamischen Gleichgewicht ab, weil es gewöhnlich an Mechanismen fehlt, das thermodynamische Gleichgewicht einzustellen.

Günter Gottstein

Kapitel 4. Legierungen

Zusammenfassung

Materie kann bekanntlich in drei verschiedenen Aggregatzuständen vorliegen, nämlich gasförmig, flüssig oder fest. Wir sind gewohnt, die Existenz dieser Aggregatzustände bestimmten, für das jeweilige Material spezifischen Temperaturbereichen zuzuordnen, wobei die Schmelztemperatur \(T_m\) den Fest-Flüssig-Bereich und die Siedetemperatur \(T_b\) den Flüssig-Gasförmigen Bereich trennt. Bei \(T_m\) und \(T_b\) sind zwei Aggregatzustände miteinander im Gleichgewicht.

Günter Gottstein

Kapitel 5. Diffusion

Zusammenfassung

Jedem ist die Erfahrung geläufig, daß ein Tropfen Tinte in Wasser oder Rauchschwaden in der Luft sich schnell gleichmäßig verteilen. Die Ursache hierfür ist die Bewegung der Gas- oder Flüssigkeitsmoleküle. Obwohl weniger offensichtlich sind durch die thermische Anregung auch Atome in einem Festkörper in der Lage, ihren Gitterplatz zu verlassen, um sich über andere geeignete Plätze durch den Kristall zu bewegen. All diese Vorgänge werden unter dem Begriff Festkörperdiffusion zusammengefaßt.

Günter Gottstein

Kapitel 6. Mechanische Eigenschaften

Zusammenfassung

Anders als Gase oder Flüssigkeiten setzen Festkörper einer äußeren Krafteinwirkung einen Formänderungswiderstand entgegen; der Festkörper bleibt zusammenhängend, er zerfällt nicht. Der angelegten Kraft wird im Innern des Festkörpers eine Reaktion, eine innere Spannung, entgegengesetzt (Abb. 6.1). Ziehen wir bspw. an einem Festkörper, so würde er in zwei Teile zerfallen, wenn wir ihn in der Mitte auftrennen. Die Kräfte, die wir aufbringen müssen, um die zwei Teile zusammenzuhalten, entsprechen den inneren Kräften, die in dem belasteten Festkörper herrschen. Modellmäßig kann man sich den Festkörper aus Kugeln aufgebaut denken, die durch Federn verbunden sind (Abb. 6.2).

Günter Gottstein

Kapitel 7. Erholung, Rekristallisation, Kornvergrößerung

Zusammenfassung

Die Eigenschaftsänderungen durch Wärmebehandlung machen metallische Werkstoffe häufig erst zu brauchbaren Konstruktionswerkstoffen. Durch eine Wärmebehandlung im Anschluß an plastische Verformung werden insbesondere die mechanischen Eigenschaften und die Mikrostruktur beeinflußt, weniger dagegen die physikalischen Eigenschaften (elektrischer Widerstand) (Abb. 7.1).

Günter Gottstein

Kapitel 8. Erstarrung von Schmelzen

Zusammenfassung

Zum Schmelzen eines metallischen Festkörpers muß eine gewisse Wärmemenge aufgebracht werden, die Schmelzwärme. Die verschiedenen Metalle schmelzen bei sehr unterschiedlichen Temperaturen.

Günter Gottstein

Kapitel 9. Umwandlungen im festen Zustand

Zusammenfassung

Die Kristallstruktur eines Metalls muß nicht notwendigerweise bei allen Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes stabil sein. Das rührt daher, daß ein Metall diejenige Kristallstruktur einnimmt, die der geringsten freien Enthalpie entspricht, auch wenn andere Kristallstrukturen nur eine geringfügig höhere Energie besitzen. Letzteres ist sogar fast immer der Fall: die Bindungsenergie \(E_0\) eines Metalls wird nur sehr wenig von seiner Atomanordnung bestimmt.

Günter Gottstein

Kapitel 10. Physikalische Eigenschaften

Zusammenfassung

Die Eigenschaften eines Festkörpers sind grundsätzlich Eigenschaften der Elektronenstruktur seiner Bauteile, nämlich der Atome. Die Existenz des festen Zustandes als stabiler Tieftemperaturaggregatzustand macht deutlich, daß es zwischen den Atomen eines Elementes eine Anziehungskraft gibt. Bei weiter Entfernung zweier Atome voneinander ist diese Anziehungskraft sehr klein und rührt von dem Dipolmoment der Elektronenstruktur her. Dieses Dipolmoment stammt, vereinfacht ausgedrückt, daher, daß die Schwerpunkte der positiven Ladung (Atomkern) und der negativen Ladung (Atomhülle) nie völlig gleich, sondern aufgrund von Fluktuationen immer etwas verschieden sind. Diese Dipolwechselwirkung führt zur Anziehung und daher zur Annäherung der Atome (Abb. 10.1.)

Günter Gottstein

Kapitel 11. Aufgaben und Lösungen

Zusammenfassung

Bestimmen Sie für ein kubisch-raumzentriertes (krz), ein kubisch-flächenzentriertes (kfz), sowie ein hexagonal dichtest gepacktes (hdp) Gitte

Günter Gottstein

Backmatter

Titel: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
verfasst von: Günter Gottstein
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-36603-1
Print ISBN: 978-3-642-36602-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-36603-1

Premium Partner

Marktübersichten

Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.

Zur Marktübersicht