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2022 | Buch

Werkstoffkunde für Ingenieure

Grundlagen, Anwendung, Prüfung

verfasst von: Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Nach einer Einführung in die Grundlagen der Werkstoffwissenschaft werden in diesem gut eingeführten Lehrbuch die Anwendungsaspekte der Werkstoffe behandelt. Insbesondere die mechanischen Eigenschaften und das Verhalten von Werkstoffgruppen unter unterschiedlichen Umgebungs- und Belastungsbedingungen werden erläutert. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Darstellung der technischen Gebrauchseigenschaften der Werkstoffe. So werden für ausgewählte Werkstoffe die Materialkonstanten und Festigkeitskennwerte angegeben. Behandelt werden Stähle und Stahllegierungen für besondere Anwendungen, Leichtmetalle, Nichteisenmetalle, Kunststoffe, Keramiken und Verbundwerkstoffe.

Weitere Aspekte des Buches sind die Darstellungen der Möglichkeiten der zerstörenden und zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Eingegangen wird auf die spezifischen Schädigungsmechanismen der unterschiedlichen Werkstoffgruppen und deren Gesetzmäßigkeiten. Dabei bilden Korrosion und Verschleiß einen besonderen Schwerpunkt. Verständnisfragen zu jedem Kapitel runden das Buch ab.

Die vorliegende Auflage wurde umfassend überarbeitet, die Inhalte wurden an den fortgeschrittenen Stand der Technik und des Wissens angepasst. Die zitierten Normen wurden an den aktuellen Stand mit den z. Zt. gültigen Werkstoffdaten und -bezeichnungen angepasst. Werkstofftechnische Entwicklungen mit einem besonderen Zusammenhang wurden mit aktuellen technischen Problemstellungen vertieft, besonders hervorgehoben oder erweitert, z. B. der Einfluss von Wasserstoff auf das Werkstoffverhalten von Stählen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Überblick
Zusammenfassung
Der moderne Ingenieur steht vor der Herausforderung, technisch-wissenschaftliches Wissen in den Disziplinen Konstruktion, Berechnung und Auslegung sowie betriebliche Überwachung mit einem ausreichend vertieften Werkstoffwissen zu verknüpfen, um optimale Produkte herzustellen. Die Zusammenhänge sowie die Verknüpfung der Werkstoffkunde mit der Werkstoffwissenschaft, der Werkstofftechnik, der Werkstoffherstellung und der Werkstoffanwendung in diesem Kontext werden dargestellt. Abgerundet wird das Kapitel mit einem Rückblick und Ausblick der Werkstoffentwicklung.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
2. Atomarer Aufbau kristalliner Stoffe
Zusammenfassung
Das Verständnis über die Eigenschaften eines Werkstoffs beruht auf der Kenntnis seines Aufbaus. Der atomare Aufbau von kristallinen Stoffen wird unter Berücksichtigung besonderer Stoffarten erläutert. Es wird auf die wirkenden Bindungskräfte zwischen den Atomen, ihre Anordnung in Form von Kristallsystemen und deren maßgebenden Eigenschaften eingegangen. Vom Aufbau eines idealen Festkörpers (Idealkristall) wird übergegangen zu den Gitterfehlern, welche die Eigenschaften eines realen Werkstoffs prägen. Die unterschiedlichen Gitterfehler, geordnet nach ihrer geometrischen Erscheinungsform, werden vorgestellt und charakterisiert.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
3. Legierungsbildung
Zusammenfassung
Die Eigenschaften von technischen Werkstoffen werden besonders durch ihre chemische Zusammensetzung bestimmt. Die Kenntnis der Vorgänge bei der Legierungsbildung von der flüssigen bis zur festen Phase stellt die Basis für das Verständnis der Struktur des Werkstoffs dar. Die Bildung von unterschiedlichen Kristallen in Abhängigkeit von der Temperatur und Zusammensetzung wird mittels Zustandsdiagrammen beschrieben. Diese lassen sich auf verschiedene Grundsysteme zurückgeführen, mit denen die Legierungsbildung aller wichtigen technischen Legierungen erläutert werden kann.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
4. Thermisch aktivierte Vorgänge
Zusammenfassung
Thermisch aktivierte Vorgänge laufen unter Zufuhr von Energie als Folge thermischer Anregung im Kristallgitter der Werkstoffe ab. Die wichtigsten Prozesse wie Diffusion von Atomen, Kristallerholung, Rekristallisation, Kornwachstum und Sintervorgänge sowie ihre Bedeutung für die Erzeugung beanspruchungsgerechter Werkstoffe werden erklärt und herausgestellt.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
5. Mechanische Eigenschaften
Zusammenfassung
Beschrieben werden die wichtigsten mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe wie Festigkeit und Verformbarkeit sowie die elastischen Konstanten wie E-Modul und Querkontraktionszahl. Die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der kristallografischen Orientierung und der Legierungszusammensetzung wird dargestellt. Außerdem werden die Mechanismen zur Festigkeitssteigerung infolge mikrostruktureller und mechanischer Maßnahmen beschrieben. Die Verfahren zur Ermittlung der mechanisch-technologischen Werkstoffkennwerte werden detailliert erläutert. Hierzu zählen auch zeitabhängige Kennwerte der Schwing- und Kriechfestigkeit. Ergänzt wird das Kapitel durch eine Einführung in die Bruchmechanik. Eingegangen wird auf die Entstehung und den Abbau von Eigenspannungen. Erläutert werden die wesentlichen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, deren physikalischen Grundlagen, Anwendungsgebiete und Anwendungsgrenzen.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
6. Eisenwerkstoffe
Zusammenfassung
Eisenwerkstoffe sind die wichtigsten und meist genutzten metallischen Strukturwerkstoffe der Menschheit. Sie zeigen vielfältige Eigenschaften, die über verschiedenste Techniken der Herstellung und Verarbeitung gezielt auf den besonderen technischen Einsatz angepasst werden können. Sie können in zwei Kategorien aufgeteilt werden: Stahl mit Kohlenstoffgehalten unter 2 % und Gusseisen mit Kohlenstoffgehalten >2 bis rd. 4,5 %.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
7. Nichteisenmetalle
Zusammenfassung
Die Nichteisenmetalle Kupfer, Aluminium, Titan, Nickel, Magnesium und deren Legierungen sind technisch besonders relevante Werkstoffe. Für die ökologische und effiziente Verwendung sind Kenntnisse über ihre Herstellung und die daraus resultierenden Eigenschaften von Bedeutung. Kupfer- und Aluminiumlegierungen weisen eine große Vielfalt mit besonderen Eigenschaften auf, die sich über die zugehörigen Phasendiagramme und Wärmebehandlungen erklären lassen. Die besondere Struktur des Leichtbauwerkstoffs Titan wird durch die Zugabe von Legierungselementen erzeugt. Nickellegierungen spielen als Strukturwerkstoffe wegen ihrer besonderen Eigenschaften, wie z. B. extreme Korrosions- und Hitzebeständigkeit, in vielen technischen Bereichen eine wichtige Rolle. Magnesium ist eines der leichtesten Elemente, seine Legierungen zeichnen sich durch unterschiedliche Eigenschaften aus.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
8. Kunststoffe
Zusammenfassung
Als Kunststoffe werden makromolekulare Werkstoffe bezeichnet, die teilweise oder völlig durch Synthese („künstlich“) hergestellt werden. Die der technischen Kunststoffsynthese zugrundeliegenden Polymerisationsreaktionen werden zu Beginn des Kapitels diskutiert. Wichtige Formgebungsverfahren werden erläutert. Die Kunststoffgruppen Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste werden anhand des molekularen Aufbaus und ihrer Eigenschaften voneinander abgegrenzt. Die Eigenschaften der Kunststoffe hängen in sehr viel stärkerem Maße von den Umgebungsbedingungen ab als die der metallischen Werkstoffe. Der Einfluss von Temperatur, Dehnrate und Feuchtigkeit auf das mechanische Verhalten der Kunststoffgruppen wird anhand von Beispielen erläutert.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
9. Keramische Werkstoffe
Zusammenfassung
Die Keramik ist wohl einer der ältesten Werkstoffe der Menschheit. Er wurde schon vor vielen tausend Jahren zur Herstellung von Gefäßen und Kunstgegenständen verwendet, aber auch als Baumaterial. Ton wurde zu Formen verarbeitet und gebrannt. Grundsätzlich ist dies auch heute noch das Herstellungsverfahren. Bei der Weiterentwicklung wurden auch andere -Verfahren eingesetzt. So gelten heute Keramiken als Hochleistungswerkstoffe, die extremen thermischen, mechanischen, chemischen und elektrischen Beanspruchungen ausgesetzt werden können.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
10. Verbundwerkstoffe
Zusammenfassung
Verbundwerkstoffe werden in allen Bereichen der Technik – besonders im Leichtbau – eingesetzt. Gegenüber Einzelwerkstoffen können (zusätzliche) Eigenschaften – angepasst an die Anforderung des Bauteils – erzeugt werden. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die Herstellung, der Aufbau und die Zusammensetzung.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
11. Korrosion
Zusammenfassung
Korrosion ist definiert als die Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebung, die die Eigenschaften eines Werkstoffes negativ beeinflusst und bis zur Zerstörung des Werkstoffes führen kann. In der Regel sind dies chemische bzw. elektrochemische Reaktionen mit der Umgebung aber auch physikalische Vorgänge sind an der Korrosion beteiligt. Die Korrosion ist somit ein Vorgang, der erhebliche wirtschaftliche Verluste, Risiken für Sicherheit des Bauteils sowie ökologische Schäden mit sich bringt. Die Prävention von Korrosion ist daher eine wichtige technische Aufgabe. Für deren Vermeidung ist die Kenntnis der Zusammenhänge und Abläufe im komplexen Gesamtprozess und der jeweiligen Schadensmechanismen entscheidend.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
12. Tribologische Beanspruchung
Zusammenfassung
Tribologische Beanspruchungen treten in allen technischen Bereichen auf. Sie verursachen spezifische Schädigungen in den miteinander in Kontakt befindlichen Werkstoffoberflächen. Der Werkstoffeinsatz muss daher auf die Beanspruchung und die Eigenschaften der beteiligten Materialien angepasst werden. Grundlage hierfür bildet das Verständnis über die gängigen tribologischen Systeme und Mechanismen.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
13. Recycling
Zusammenfassung
Unter Recyclingfähigkeit bzw. Wiederverwertbarkeit versteht man die Rückführung von kompletten Produkten bzw. von Teilen diesen in vorhandene Stoffkreisläufe. Damit können Rohstoffe eingespart werden. Ein wichtiges Kriterium bei diesem Vorgang ist auch die mögliche Energieeinsparung und Reduktion von Emissionen. Beim Recyclen treten oftmals technische Probleme auf, die am Beispiel der Wiederverwendung von Stahl Kupfer und Kunststoff geschildert werden.
Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß
Backmatter
Metadaten
Titel
Werkstoffkunde für Ingenieure
verfasst von
Eberhard Roos
Karl Maile
Michael Seidenfuß
Copyright-Jahr
2022
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-64732-5
Print ISBN
978-3-662-64731-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-64732-5

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