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Über dieses Buch

Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik

Die Autoren geben einen Überblick über nahezu alle Ingenieurwerkstoffe, seien es metallische, nichtmetallische, Naturstoffe oder Kunststoffe. Beschrieben werden integrierende physikalische Phänomene, wie z. B. atomare Bindung und Struktur, Diffusion und atomare Platzwechsel, Zustandsänderung und Phasenumwandlung, Vorgänge an Grenzflächen, Korrosion und Korrosionsschutz, Festigkeit und Verformung, elektrische und magnetische Eigenschaften sowie die zerstörungsfreie Prüftechnik. Auch die Technologie der Herstellung von Werkstoffen und ihrer Weiterverarbeitung zu Bauteilen wird Materialklassen übergreifend dargestellt.

In der Neuauflage wurden die Kapitel, welche das Mikrogefüge und die Systematik der Umwandlungen beschreiben, völlig neu gefasst. Einen Schwerpunkt bilden dabei die Veränderungen der Mikrostruktur im Zuge des Erstarrens und bei anschließender Wärmebehandlung. Diese Vorgänge bilden eine wichtige Grundlage für den Einsatz des richtigen Werkstoffs in der Praxis genauso wie für die Fertigungstechnik. Außerdem wurden die einleitenden Abschnitte über Rohstoffversorgung, Umweltbelastung und Recycling aktualisiert.

Das Buch eignet sich für Studenten der Werkstoffwissenschaften und des Maschinenbaus genauso wie für den Ingenieur in der Praxis.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einordnung in allgemeine Zusammenhänge

Zusammenfassung
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.
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 2. Werkstoffgruppen und Werkstoffeigenschaften

Zusammenfassung
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.
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 3. Das Mikrogefüge und seine Merkmale

Zusammenfassung
Werkstoffe sind in der Regel uneinheitlich aufgebaut, wenn man mikroskopische Maßstäbe anlegt. Mit licht- und elektronenoptischen Geräten kann man das reale Gefüge und seine Bestandteile nicht nur sichtbar machen, sondern auch quantitativ vermessen und analysieren.
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 4. Gleichgewichte

Zusammenfassung
Ein vor uns liegender Werkstoff stellt sich in einem bestimmten Zustand dar. Wir kennen die „klassischen“ Aggregatzustände (fest – flüssig – gasförmig) elementarer Stoffe, die untergliedert werden können: Der feste Zustand kann kristallin oder amorph sein (vgl. Kap. 5); kolloidale Zustände (Dispersionen, Emulsionen) zeichnen sich durch charakteristische Eigenschaften aus. Technologisch gesehen können z. B. Metalle in „walzhartem“ oder „weichgeglühtem“ Zustand angeboten werden. In Kap. 3 haben wir unterschiedliche Gefügezustände kennengelernt (z. B. feinkörnig/grobkörnig). Derselbe Werkstoff kann sich – je nach Temperatur – im paramagnetischen oder im ferromagnetischen, im supraleitenden oder im normalleitenden Zustand befinden.
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 5. Atomare Bindung und Struktur der Materie

Zusammenfassung
Mikroskopische Untersuchungsverfahren erschließen uns den Gefügebau der Werkstoffe, und zwar in dem Sinn, dass Heterogenitäten – typisch in Größenordnungen von 1 bis 100 mm – sichtbar gemacht und nach Aussehen, Form und chemischer Zusammensetzung quantitativ bestimmt werden können (Kap. 3). Über den atomaren Aufbau der Stoffe – im Bereich von 0,1 bis 1 nm – machen diese Verfahren jedoch keine Aussage. Auch unser Schulwissen sagt meist nur, dass Materie aus Atomen besteht, kaum aber, wie diese angeordnet sind.
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 6. Diffusion. Atomare Platzwechsel

Zusammenfassung
Als Diffusion bezeichnet man den Stofftransport in Gasen, Flüssigkeiten, amorphen und kristallinen Festkörpern dann, wenn er durch Platztausch individueller Atome („Schritt für Schritt“) erfolgt. Im Gegensatz dazu ist Konvektion ein Stofftransport durch Fließbewegung größerer Volumenelemente, z. B. in einer gerührten Schmelze.
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 7. Zustandsänderungen und Phasenumwandlungen

Zusammenfassung
Im Zentrum von Kap. 4 stand der Begriff „Gleichgewicht“. Zu jedem Satz von Zustandsparametern (Temperatur, Druck, Zusammensetzung) findet ein System einen Zustand, der durch größtmögliche Stabilität gekennzeichnet ist (in Formelsprache: durch ein Minimum des thermodynamischen Potenzials G).
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 8. Vorgänge an Grenzflächen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel steht die Grenzflächenenergie im Vordergrund. Wir wollen Zustandsänderungen betrachten, die durch das Bestreben des Systems ausgelöst werden, die in Grenzfläche investierte Energie zu minimieren. Im vorausgehenden Kap. 7 wurden ebenfalls Zustandsänderungen untersucht, aber die Triebkraft rührte von der Änderung der Temperatur her oder einer chemischen Vernetzungsreaktion. Die Grenzflächenenergie spielte dabei zwar bereits eine wichtige Rolle, z. B. bei der Keimbildung, sie trat aber im Sinne einer Komplikation auf, nicht als ein auslösender Faktor. Wir werden die Grenzflächenenergie jetzt in einer neuen Bedeutung kennenlernen.
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 9. Korrosion und Korrosionsschutz

Zusammenfassung
„Schädigung“ eines Werkstoffs ist eine Verminderung seiner Gebrauchsfähigkeit, eine Verkürzung seiner Lebensdauer durch äußere Einflüsse. Beispiele: Langanhaltende Belastung bei hoher Temperatur führt zur Zeitstandschädigung und damit zum Kriechbruch. Langanhaltende Wechselbelastung führt auch bei Raumtemperatur zum Ermüdungsbruch. UV- und Röntgenlicht schädigen hochpolymere Kunststoffe. Teilchen- und g-Strahlung, wie sie in kerntechnischen Anlagen oder im Weltraum auftreten, führen auch bei Metallen zu Schädigung (Strahlungsversprödung, Schwellen).
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 10. Festigkeit – Verformung – Bruch

Zusammenfassung
In diesem Abschnitt wird das Werkstoffverhalten unter mechanischer Beanspruchung behandelt. Der Werkstoff liegt als Probe oder als Bauteil, also mit vorgegebener Form vor. Wie verhält er sich beim Aufbringen einer Belastung?
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 11. Elektrische Eigenschaften

Zusammenfassung
Die elektrischen Eigenschaften von Werkstoffen beschreiben das Verhalten dieser Festkörper in statischen oder wechselnden elektrischen Feldern bzw. zwischen den Polen einer Spannungsquelle.
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 12. Magnetismus und Magnetwerkstoffe

Zusammenfassung
Elektrische Felder erstrecken sich zwischen elektrischen Ladungen, z. B. solchen, welche die gegenüberliegenden Platten eines Plattenkondensators belegen. Magnetische Felder erstrecken sich zwischen magnetischen Polen (Nordpol/Südpol), z. B. eines ringförmig gebogenen Magneten (Abb. 12.1).
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 13. Herstellungs- und verarbeitungstechnische Verfahren

Zusammenfassung
Die Rohstoffe zur Metallherstellung sind die Erze. Sie werden überwiegend im Tagebau (Eisenerz in Schweden, Steiermark), selten im Untertagebau (Silber und Kupfer seit dem Mittelalter), in Zukunft vielleicht auch vom Meeresboden gefördert (Tiefsee-Manganknollen). Die Technologie der Abbau- und Förderprozesse gehört in den Bereich der Bergbautechnik.
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 14. Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

Zusammenfassung
Zuverlässigkeit ist in jüngster Zeit mehr und mehr zum Wertmaßstab technischer Produkte aller Art – von der Haushaltsmaschine bis zur Kraftwerksturbine, vom Personenkraftwagen bis zum Großraum-Passagierflugzeug – geworden. Die Forderung nach Zuverlässigkeit richtet sich an verschiedenartige Träger von Verantwortung:
  • den Konstrukteur: verantwortlich für einwandfreien Entwurf, z. B. richtige Berechnung einer Brücke;
  • den Fertigungsingenieur: verantwortlich für fehlerfreie Ausführung der Konstruktion, insbesondere der Schweißarbeiten;
  • den Werkstoffingenieur: verantwortlich für die Einhaltung zugesagter Festigkeitswerte und anderer Materialkenngrößen;
  • den Betreiber: verantwortlich für sachgerechten und vorschriftsmäßigen Betrieb der fertigen Anlage, Vermeidung von Überschreitungen der Soll-Belastungen, und einwandfreie Wartung, gegebenenfalls gemeinsam mit dem Hersteller.
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

Kapitel 15. Ausgewählte Werkstoffsysteme mit besonderer Bedeutung für den Anwender

Zusammenfassung
In den vorausgegangenen Kapiteln stand das grundlegende Verständnis von Materialien im Vordergrund. Es ging dabei um das allgemeine und verbindende, das werkstoffklassenübergreifende. Im folgenden Kapitel wollen wir einige konkrete Werkstoffsorten und Legierungen herausgreifen und an Beispielen die jeweilige Mikrostruktur, das sich daraus ergebende Eigenschafts- und Anwendungspotenzial und die zugehörige Prozesstechnik diskutieren. Die ausgewählten Werkstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie heute von besonderer Bedeutung für den Anwender sind oder dass sie über ein besonders großes Entwicklungspotential verfügen. Die Diskussion der Einzelbeispiele soll einerseits als erste Orientierungshilfe für die Aufgabe dienen, den geeigneten Werkstoff für eine bestimmte technische Anforderung auszuwählen. Andrerseits soll dieses Kapitel die Verbindung zwischen den Grundlagen und der Anwendung herstellen. Es soll gezeigt werden, wie Grundlagenwissen bei der Anwendung und der Weiterentwicklung von Werkstoffen genutzt werden kann.
Bernhard Ilschner, Robert F. Singer

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