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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch gibt Antwort auf die Frage: Welches mechanische Verhalten zeigen Werkstoffe bei Beanspruchungen, denen sie bei ihrem Einsatz im Maschinenbau ausgesetzt sind? Das Buch führt Kontinuumsmechanik und Werkstoffwissenschaften zusammen und geht auf alle Werkstoffgruppen (Metalle, Keramiken, Polymere und Verbundwerkstoffe) ein. Dabei werden die Mechanismen des Werkstoffverhaltens erklärt, und es wird die Frage beantwortet, warum und wie etwas im Werkstoff passiert. Es werden alle wesentlichen Verformungs- und Schädigungsmechanismen wie Elastizität, Plastizität, Ermüden, Kriechen und Bruchmechanik betrachtet. Besonderheiten im mechanischen Verhalten der verschiedenen Werkstoffgruppen werden gesondert untersucht und geeignete Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung entwickelt. Das Buch enthält 36 Aufgaben mit vollständig vorgerechneten Lösungen. Die vorliegende Auflage wurde aktualisiert und erweitert und enthält jetzt an ausgesuchten Stellen farbige Abbildungen zum besseren Informationstransport.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Aufbau der Werkstoffe

Zusammenfassung
Dieses Kapitel beginnt mit einer kurzen Erläuterung der Prinzipien des Atomaufbaus und der chemischen Bindung. Anschließend werden die drei großen Werkstoffgruppen behandelt, nämlich die Metalle, die Keramiken und die Polymere. Dabei werden die relevanten Details der jeweils vorliegenden atomaren Bindungen erläutert, und der mikroskopische Aufbau der einzelnen Klassen wird diskutiert.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

2. Elastisches Verhalten

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird zunächst erläutert, wie äußere Kräfte und die resultierende Verformung in Materialien beschrieben werden können. Anschließend wird das zeitunabhängige elastische Verhalten der Werkstoffe vorgestellt, das oft – nicht ganz korrekt – einfach als »das elastische Verhalten« bezeichnet wird.
Dazu wird, ausgehend von atomaren Wechselwirkungen, das hookesche Gesetz eingeführt (für ein- und mehrachsige Beanspruchungen und unterschiedliche Werkstoffisotropien).
Abschließend wird auf die Temperaturabhängigkeit der elastischen Eigenschaften eingegangen.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

3. Plastizität und Versagen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Grundzüge der Plastizität phänomenologisch diskutiert, ohne dabei auf mikroskopische Mechanismen des plastischen Fließens einzugehen. Da plastische Verformungen oft zu großen Dehnungen führen, müssen entsprechende Dehnungsmaße verwendet werden, die in diesem Kapitel eingeführt werden. Anschließend wird die Messung von Spannungs-Dehnungs-Kurven im einachsigen Zugversuch erläutert. Die mathematische Beschreibung der plastischen Verformung ist Gegenstand der Plastizitätstheorie, deren Grundlagen ebenfalls in diesem Kapitel präsentiert werden. Abgeschlossen wird das Kapitel durch die Beschreibung unterschiedlicher Versagensmechanismen im Zugversuch.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

4. Kerben

Zusammenfassung
Als Kerben wirken alle plötzlichen Querschnittsänderungen in Bauteilen. Häufig sind diese konstruktiv notwendig. Häufig können Kerben aber auch durch die Fertigung oder den Betrieb entstehen. Sie führen zu Spannungskonzentrationen und können deshalb vorzeitiges Versagen verursachen, sofern sie bei der Bauteilauslegung nicht berücksichtigt werden. Die Aufgabe der in diesem Abschnitt behandelten Theorien ist es, die Auswirkungen der Kerben auf die Beanspruchung des Werkstoffs abzuschätzen und so ein Werkzeug zur Auslegung von Bauteilen mit Kerben zur Verfügung zu stellen.
Zunächst wird die Kerbformzahl eingeführt. Anschließend werden die Neuberregel zur vereinfachten Auslegung kerbbehafteter Bauteile sowie die Auswirkungen von Kerben auf den Zugversuch diskutiert.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

5. Bruchmechanik

Zusammenfassung
Bauteile können aus verschiedenen Gründen Anrisse bzw. rissartige Defekte aufweisen. Mögliche Ursachen sind Bearbeitungsfehler, Anrissbildung durch zyklische oder korrosive Beanspruchung sowie herstellungsbedingte Fehler. Auch von Partikeln, wie z. B. Ausscheidungen, können Risse ausgehen. Versagen durch Rissfortschritt kann bereits bei deutlich geringerer Beanspruchung als der Dehngrenze auftreten. Die Bruchmechanik behandelt diese Problematik.
Der Hauptteil dieses Kapitels beschäftigt sich mit der linear-elastischen Bruchmechanik. Es werden die Belastung eines Risses, Materialkennwerte, das Werkstoffverhalten bei Rissfortschritt sowie die experimentelle Bestimmung der zugehörigen Kennwerte diskutiert. Anschließend wird die Fließbruchmechanik eingeführt.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

6. Mechanisches Verhalten der Metalle

Zusammenfassung
Metalle zeichnen sich durch ihre gute plastische Verformbarkeit aus, die eine große technische Bedeutung besitzt. Sie ermöglicht zum einen die Herstellung komplexer metallischer Bauteile durch Umformprozesse, zum anderen führt sie dazu, dass ein Bauteil bei Überschreiten der Fließgrenze meist nicht sofort durch Bruch versagt, sondern sich zunächst nur plastisch verformt. Dadurch wird Sicherheit gewonnen, da die Überlastung meist vor einem katastrophalen Bruch erkannt werden kann.
In diesem Kapitel werden die Mechanismen (insbesondere Versetzungen und Zwillingsbildung) erläutert, die der plastischen Verformung zugrunde liegen. Außerdem werden Möglichkeiten diskutiert, wie die zur plastischen Verformung notwendige Spannung, und somit die Festigkeit eines metallischen Werkstoffs, erhöht werden kann.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

7. Mechanisches Verhalten der Keramiken

Zusammenfassung
Keramiken zeichnen sich durch große elastische Steifigkeit, hohe Festigkeit, insbesondere unter Druckbelastung, gute chemische Beständigkeit sowie hohe Temperaturbeständigkeit aus. Neben diesen positiven Eigenschaften haben Keramiken allerdings auch einen entscheidenden Nachteil: Keramiken versagen demnach meist durch Sprödbruch, so dass ihre Festigkeit durch im Material vorhandene Anrisse bestimmt wird. Deshalb wird in diesem Kapitel zunächst kurz auf die Herstellung von Keramiken eingegangen, da diese die Anrissgröße festlegt. Anschließend wird diskutiert, welche Mechanismen die Rissausbreitung in Keramiken beeinflussen und so die Festigkeit bestimmen. Die aufgrund der stochastisch verteilten Größe der im Material vorhandenen Anrisse notwendige statistische Analyse der Festigkeit wird erläutert. Anschließend wird erläutert, mit welchen Methoden die Festigkeit von Keramiken erhöht werden kann.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

8. Mechanisches Verhalten der Polymere

Zusammenfassung
Polymere existieren in großer Vielfalt und mit stark unterschiedlichen Eigenschaften, da sie aus organischen Kettenmolekülen zusammengesetzt sind, deren Aufbau sich in weiten Grenzen beeinflussen lässt. Die mechanischen Eigenschaften von Polymeren werden im Wesentlichen durch die schwächeren Bindungen zwischen den Ketten und der Geometrie der Ketten bestimmt. In diesem Kapitel werden entsprechend zunächst die physikalischen Eigenschaften der Polymere beschrieben, die sich hieraus ergeben. Anschließend wird erläutert, wie die meist zeitabhängige Verformung der Polymere phänomenologisch beschrieben werden kann. Die elastischen und plastischen Eigenschaften der Polymere werden im Folgenden erläutert, wobei auch auf mikroskopische Mechanismen bei der Verformung eingegangen und erläutert wird, wie sich hieraus Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung ergeben. Abschließend wird kurz auf die Empfindlichkeit von Polymeren gegen Umwelteinflüsse eingegangen.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

9. Mechanisches Verhalten der Faserverbundwerkstoffe

Zusammenfassung
Faserverbundwerkstoffe bestehen aus einem Werkstoff in Form länglicher Fasern, die von einer Matrix eines anderen Werkstoffs umgeben sind. Ziel eines solchen Verbundes ist die Kombination günstiger Materialeigenschaften. In diesem Kapitel werden zunächst unterschiedliche Strukturen und Werkstoffkombinationen erläutert, die in Faserverbundwerkstoffen eingesetzt werden können. Anschließend wird das elastische und plastische Verhalten der Faserverbunde diskutiert. Das Kapitel schließt mit Beispielen zu Faserverbundwerkstoffen aus Technik und Biologie.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

10. Werkstoffermüdung

Zusammenfassung
Im realen Betrieb von Bauteilen treten oft zyklische Belastungen auf, bei denen sich die Last periodisch zeitlich ändert. Bei solchen Belastungen versagen Werkstoffe häufig schon bei deutlich geringeren Lasten als im statischen Fall, was als Ermüdung bezeichnet wird. In diesem Kapitel werden zunächst die physikalischen Mechanismen des Ermüdungsversagens am Beispiel der Metalle diskutiert. Anschließend wird auf die Ermüdung der anderen Werkstoffgruppen eingegangen. Weiterhin werden phänomenologische Beschreibungen des Ermüdungsverhaltens von Werkstoffen (z. B. Rissfortschrittskurven, Wöhlerdiagramm, Schadensakkumulation) ausführlich erläutert und abschließend der Einfluss von Kerben diskutiert.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

11. Kriechen

Zusammenfassung
Als Kriechen bezeichnet man die zeitabhängige, plastische Verformung eines Werkstoffs unter Last (also viskoplastische Vorgänge). In diesem Kapitel soll das Kriechverhalten von Metallen und Keramiken diskutiert werden (Polymere werden im Kapitel 8 (Polymere) behandelt). Kriechvorgänge treten im Allgemeinen bei erhöhter Temperatur auf.
In diesem Kapitel wird untersucht, welche Mechanismen die Festigkeit von Werkstoffen unter Kriechbelastung (Kriechfestigkeit oder Kriechbeständigkeit) bestimmen und wie sich die Kriechfestigkeit erhöhen lässt.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

12. Aufgaben

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden Aufgaben zum Verständnis und weiterführende Fragen zu den im Buch vorgestellten Themen gestellt. Auf einfache Wiederholungsaufgaben, die durch Nachschlagen im Buch beantwortet werden können, wird weitgehend verzichtet. Die zugehörigen Lösungen können in Kapitel 13 (Lösungen) nachgelesen werden.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

13. Lösungen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Lösungen zu den Aufgaben aus Kapitel 12 (Aufgaben) nachgelesen werden. Sie werden einzeln vorgerechnet, so dass auch der Lösungsweg deutlich wird.
Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker

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