Materialwissenschaften und Werkstofftechnik - Eine Einführung
von: William D. Callister, David G. Rethwisch, Michael Scheffler
Wiley-VCH, 2020
ISBN: 9783527833238
Sprache: Deutsch
906 Seiten, Download: 106933 KB
Format: Online-Lesen, PDF
geeignet für:
Startseite | 1 | ||
Titelblatt | 7 | ||
Copyright-Seite | 8 | ||
Inhaltsverzeichnis | 9 | ||
Vorwort | 17 | ||
Danksagung | 23 | ||
Symbolverzeichnis | 25 | ||
Kapitel 1 Einführung | 31 | ||
1.1 Historische Aspekte | 32 | ||
1.2 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik | 33 | ||
1.3 Warum beschäftigen wir uns mit Materialwissenschaft und Werkstofftechnik? | 34 | ||
1.4 Klassifizierung von Werkstoffen | 35 | ||
1.4.1 Metallische Werkstoffe | 35 | ||
1.4.2 Keramiken | 37 | ||
1.4.3 Polymere | 38 | ||
1.4.4 Verbundwerkstoffe | 39 | ||
1.5 Hochleistungswerkstoffe/innovative Werkstoffe | 40 | ||
1.5.1 Halbleiter | 40 | ||
1.5.2 Biomaterialien | 41 | ||
1.5.3 Intelligente Werkstoffe | 41 | ||
1.5.4 Nanomaterialien | 41 | ||
1.6 Der Bedarf an neuen Werkstoffen | 42 | ||
1.7 Die Beziehung zwischen Herstellung, Struktur, Eigenschaften und Anwendung | 43 | ||
Zusammenfassung | 45 | ||
Literatur | 46 | ||
Fragen und Aufgaben | 46 | ||
Kapitel 2 Atombau und chemische Bindung | 47 | ||
2.1 Einführung | 48 | ||
2.2 Grundlagen | 48 | ||
2.3 Elektronen im Atom | 49 | ||
2.3.1 Atommodelle | 49 | ||
2.3.2 Quantenzahlen | 51 | ||
2.3.3 Elektronenkonfigurationen | 52 | ||
2.4 Das Periodensystem der Elemente | 54 | ||
2.5 Bindungskräfte und Energie | 55 | ||
2.6 Hauptvalenzbindungen | 57 | ||
2.6.1 Die ionische Bindung | 57 | ||
2.6.2 Kovalente Bindung | 59 | ||
2.6.3 Metallbindung | 60 | ||
2.7 Nebenvalenzbindungen, Van-der-Waals-Bindungen | 61 | ||
2.7.1 Bindungen zwischen induzierten Dipolen | 62 | ||
2.7.2 Bindungen zwischen polaren Molekülen und induzierten Dipolen | 62 | ||
2.7.3 Permanente Dipolbindungen | 63 | ||
2.8 Moleküle | 64 | ||
Zusammenfassung | 64 | ||
Literatur | 66 | ||
Fragen und Aufgaben | 67 | ||
Kapitel 3 Die Struktur kristalliner Festkörper | 69 | ||
3.1 Einführung | 70 | ||
3.2 Grundlagen | 70 | ||
3.3 Elementarzellen | 71 | ||
3.4 Kristallstrukturen von Metallen | 72 | ||
3.4.1 Die kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur | 72 | ||
3.4.2 Die kubisch raumzentrierte Kristallstruktur | 73 | ||
3.4.3 Die hexagonal dichteste Kugelpackung | 74 | ||
3.5 Berechnung der Dichte | 75 | ||
3.6 Polymorphie und Allotropie | 76 | ||
3.7 Kristallsysteme | 76 | ||
3.8 Punktkoordinaten | 79 | ||
3.9 Kristallografische Richtungen | 81 | ||
3.9.1 Hexagonale Kristalle | 83 | ||
3.10 Kristallografische Ebenen | 86 | ||
3.10.1 Anordnungen von Atomen | 89 | ||
3.10.2 Hexagonale Kristalle | 90 | ||
3.11 Lineare und planare Dichte | 91 | ||
3.12 Dichtest gepackte Kristallstrukturen | 92 | ||
3.13 Einkristalle | 94 | ||
3.14 Polykristalline Werkstoffe | 94 | ||
3.15 Anisotropie | 94 | ||
3.16 Die Bestimmung von Kristallstrukturen mit Röntgenstrahlung | 96 | ||
3.16.1 Beugungserscheinungen | 96 | ||
3.16.2 Röntgenbeugung und das Bragg’sche Gesetz | 97 | ||
3.16.3 Beugungsverfahren | 99 | ||
3.17 Nichtkristalline Festkörper | 100 | ||
Zusammenfassung | 101 | ||
Literatur | 105 | ||
Fragen und Aufgaben | 105 | ||
Kapitel 4 Fehlstellen in Festkörpern | 111 | ||
4.1 Einleitung | 112 | ||
4.2 Leerstellen und Zwischengitteratome | 112 | ||
4.3 Fremdatome in Feststoffen | 114 | ||
4.3.1 Mischkristalle | 114 | ||
4.4 Angabe der Zusammensetzung | 115 | ||
4.4.1 Umrechnung von Konzentrationsangaben | 116 | ||
4.5 Versetzungen – Liniendefekte | 118 | ||
4.6 Flächendefekte | 122 | ||
4.6.1 Oberflächen | 122 | ||
4.6.2 Korngrenzen | 122 | ||
4.6.3 Phasengrenzen | 123 | ||
4.6.4 Zwillingsgrenzen | 123 | ||
4.6.5 Weitere Grenzflächendefekte | 125 | ||
4.7 Volumendefekte | 125 | ||
4.8 Atomschwingungen | 125 | ||
4.9 Grundlagen der Mikroskopie | 125 | ||
4.10 Mikroskopische Untersuchungsmethoden | 127 | ||
4.10.1 Optische Mikroskopie | 127 | ||
4.10.2 Elektronenmikroskopie | 129 | ||
4.10.3 Rastersondenmikroskopie | 130 | ||
4.11 Korngrößenbestimmung | 131 | ||
Zusammenfassung | 132 | ||
Literatur | 135 | ||
Fragen und Aufgaben | 136 | ||
Kapitel 5 Diffusion | 139 | ||
5.1 Einführung | 140 | ||
5.2 Diffusionsmechanismen | 141 | ||
5.2.1 Leerstellendiffusion | 142 | ||
5.2.2 Interstitielle Diffusion | 142 | ||
5.3 Stationäre Diffusion | 143 | ||
5.4 Nichtstationäre Diffusion | 145 | ||
5.5 Faktoren, die den Diffusionsprozess beeinflussen | 148 | ||
5.5.1 Art des diffundierenden Stoffes | 148 | ||
5.5.2 Temperatur | 148 | ||
5.6 Diffusion in Halbleiterwerkstoffen | 153 | ||
5.7 Andere Diffusionswege | 157 | ||
Zusammenfassung | 157 | ||
Literatur | 159 | ||
Fragen und Aufgaben | 160 | ||
Kapitel 6 Mechanische Eigenschaften metallischer Werkstoffe | 165 | ||
6.1 Einleitung | 166 | ||
6.2 Spannung und Dehnung | 167 | ||
6.2.1 Zugversuch | 168 | ||
6.2.2 Druckversuch | 169 | ||
6.2.3 Scher- und Torsionsversuch | 169 | ||
6.2.4 Geometrische Betrachtungen zum Spannungszustand | 170 | ||
6.3 Spannungs-Dehnungs-Verhalten | 171 | ||
6.4 Anelastizität | 173 | ||
6.5 Elastische Eigenschaften von Werkstoffen | 174 | ||
6.6 Verhalten unter Zugbelastung | 177 | ||
6.6.1 Fließen und Streckgrenze | 177 | ||
6.6.2 Zugfestigkeit | 178 | ||
6.6.3 Duktilität | 180 | ||
6.6.4 Elastische Rückfederung | 182 | ||
6.6.5 Zähigkeit | 182 | ||
6.7 Wahre Spannung und wahre Dehnung | 183 | ||
6.8 Elastische Erholung nach plastischer Verformung | 185 | ||
6.9 Druck-, Scher- und Torsionsverformungen | 186 | ||
6.10 Härte | 186 | ||
6.10.1 Rockwell-Härteprüfung | 187 | ||
6.10.2 Härteprüfung nach Brinell | 189 | ||
6.10.3 Mikrohärtemessungen nach Knoop und nach Vickers | 190 | ||
6.10.4 Umwerten von Härtewerten | 190 | ||
6.10.5 Zusammenhang zwischen Härte und Zugfestigkeit | 191 | ||
6.11 Streuung von Werkstoffeigenschaften | 192 | ||
6.11.1 Berechnung des arithmetischen Mittelwerts und der Standardabweichung | 193 | ||
6.12 Auslegungs- und Sicherheitsaspekte | 194 | ||
Zusammenfassung | 196 | ||
Literatur | 200 | ||
Fragen und Aufgaben | 200 | ||
Kapitel 7 Versetzungen und Verfestigungsmechanismen | 207 | ||
7.1 Einleitung | 208 | ||
7.2 Grundlagen | 209 | ||
7.3 Eigenschaften von Versetzungen | 211 | ||
7.4 Gleitsysteme | 212 | ||
7.5 Gleiten in Einkristallen | 214 | ||
7.6 Plastische Verformung von polykristallinen Werkstoffen | 217 | ||
7.7 Verformung durch Zwillingsbildung | 218 | ||
7.8 Verfestigung durch Verringerung der Korngröße | 220 | ||
7.9 Mischkristallverfestigung | 221 | ||
7.10 Kaltverfestigung | 223 | ||
7.11 Erholung | 226 | ||
7.12 Rekristallisation | 226 | ||
7.13 Kornwachstum | 230 | ||
Zusammenfassung | 232 | ||
Literatur | 236 | ||
Fragen und Aufgaben | 236 | ||
Kapitel 8 Werkstoffversagen | 241 | ||
8.1 Einführung | 242 | ||
8.2 Grundlagen | 243 | ||
8.3 Duktiler Bruch | 244 | ||
8.3.1 Fraktographische Untersuchungen | 245 | ||
8.4 Sprödbruch | 246 | ||
8.5 Grundzüge der Bruchmechanik | 248 | ||
8.5.1 Die Spannungskonzentration | 249 | ||
8.5.2 Bruchzähigkeit | 250 | ||
8.5.3 Konstruktion und Auslegung mithilfe der Bruchmechanik | 252 | ||
8.6 Prüfung der Bruchzähigkeit | 256 | ||
8.6.1 Kerbschlagverfahren | 256 | ||
8.6.2 Der Übergang von duktilem zu sprödem Verhalten | 258 | ||
8.7 Zyklische Beanspruchung | 261 | ||
8.8 Die Wöhler-(S-N-)Kurve | 262 | ||
8.9 Risseinleitung und -ausbreitung | 265 | ||
8.10 Ermüdungsbeständigkeit – Einflussfaktoren | 267 | ||
8.10.1 Die mittlere Belastung | 267 | ||
8.10.2 Oberflächeneffekte | 267 | ||
8.11 Umgebungseinflüsse | 270 | ||
8.12 Allgemeine Beschreibung des Kriechverhaltens | 271 | ||
8.13 Auswirkungen von Spannung und Temperatur | 272 | ||
8.14 Extrapolationsverfahren für Daten zur Beschreibung des Kriechverhaltens | 274 | ||
8.15 Legierungen für den Einsatz bei hohen Temperaturen | 275 | ||
Zusammenfassung | 276 | ||
Literatur | 280 | ||
Fragen und Aufgaben | 281 | ||
Kapitel 9 Phasendiagramme | 287 | ||
9.1 Einleitung | 288 | ||
9.2 Löslichkeitsgrenze | 289 | ||
9.3 Phasen | 290 | ||
9.4 Mikrostruktur | 290 | ||
9.5 Phasengleichgewicht | 290 | ||
9.6 Einkomponenten-Phasendiagramme | 291 | ||
9.7 Binäre isomorphe Systeme | 293 | ||
9.8 Interpretation von Phasendiagrammen | 295 | ||
9.8.1 Art der Phasen | 295 | ||
9.8.2 Berechnung der Phasenzusammensetzung | 295 | ||
9.8.3 Berechnung der Mengenanteile der Phasen | 296 | ||
9.9 Entstehung der Mikrostruktur in isomorphen Legierungen | 298 | ||
9.9.1 Abkühlung unter Gleichgewichtsbedingungen | 298 | ||
9.9.2 Abkühlung unter Nichtgleichgewichtsbedingungen | 300 | ||
9.10 Mechanische Eigenschaften isomorpher Legierungen | 302 | ||
9.11 Binäre eutektische Systeme | 302 | ||
9.12 Entstehung der Mikrostruktur in eutektischen Legierungen | 308 | ||
9.13 Gleichgewichtsdiagramme mit intermediären Phasen oder Verbindungen | 314 | ||
9.14 Eutektoide und peritektische Reaktionen | 316 | ||
9.15 Kongruente Phasenumwandlungen | 318 | ||
9.16 Phasendiagramme für Keramiken, ternäre Phasendiagramme | 319 | ||
9.17 Die Gibbs’sche Phasenregel | 319 | ||
9.18 Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm | 321 | ||
9.19 Enstehung der Mikrostruktur von Stählen | 324 | ||
9.19.1 Untereutektoide Legierungen | 326 | ||
9.19.2 Übereutektoide Stähle | 328 | ||
9.19.3 Abkühlung unter Nichtgleichgewichtsbedingungen | 330 | ||
9.20 Der Einfluss weiterer Legierungselemente | 331 | ||
Zusammenfassung | 332 | ||
Literatur | 336 | ||
Fragen und Aufgaben | 336 | ||
Kapitel 10 Phasenübergänge: Bildung von Mikrostrukturen und die Änderung mechanischer Eigenschaften | 343 | ||
10.1 Einführung | 344 | ||
10.2 Grundlagen | 344 | ||
10.3 Kinetik der Phasenumwandlungen | 345 | ||
10.3.1 Keimbildung | 345 | ||
10.3.2 Keimwachstum | 351 | ||
10.3.3 Kinetische Betrachtungen von Phasenumwandlungen im festen Zustand | 353 | ||
10.4 Metastabile Zustände – Gleichgewichtszustände | 354 | ||
10.5 Isotherme Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme (ZTU-Diagramme) | 355 | ||
10.5.1 Perlit | 355 | ||
10.5.2 Bainit | 359 | ||
10.5.3 Kugeliger Zementit | 360 | ||
10.5.4 Martensit | 361 | ||
10.6 ZTU-Diagramme für kontinuierliche Abkühlung | 365 | ||
10.7 Mechanische Eigenschaften von Stählen | 369 | ||
10.7.1 Perlit | 369 | ||
10.7.2 Kugeliger Zementit | 370 | ||
10.7.3 Bainit | 371 | ||
10.7.4 Martensit | 372 | ||
10.8 Anlassgefüge | 373 | ||
10.8.1 Anlassversprödung | 375 | ||
10.9 Überblick über die Phasenumwandlungen und mechanischen Eigenschaften von unlegierten Stählen | 376 | ||
Zusammenfassung | 379 | ||
Literatur | 383 | ||
Fragen und Aufgaben | 383 | ||
Kapitel 11 Verarbeitung und Verwendung von metallischen Werkstoffen | 389 | ||
11.1 Einleitung | 390 | ||
11.2 Eisenwerkstoffe | 391 | ||
11.2.1 Stähle | 391 | ||
11.2.2 Gusseisen | 396 | ||
11.3 Nichteisenlegierungen | 402 | ||
11.3.1 Kupfer und Kupferlegierungen | 402 | ||
11.3.2 Aluminium und Aluminiumlegierungen | 404 | ||
11.3.3 Magnesium und Magnesiumlegierungen | 405 | ||
11.3.4 Titan und Titanlegierungen | 407 | ||
11.3.5 Werkstoffe aus Refraktärmetallen | 408 | ||
11.3.6 Superlegierungen | 408 | ||
11.3.7 Edelmetall-Legierungen | 409 | ||
11.3.8 Sonstige Nichteisenlegierungen | 410 | ||
11.4 Formgebung durch Gießverfahren | 411 | ||
11.4.1 Sandguss | 412 | ||
11.4.2 Druckguss | 412 | ||
11.4.3 Feinguss | 412 | ||
11.4.4 Lost-foam-Gießen | 412 | ||
11.4.5 Strangguss | 413 | ||
11.5 Formgebung durch Umformverfahren | 413 | ||
11.5.1 Schmieden | 414 | ||
11.5.2 Walzen | 414 | ||
11.5.3 Strangpressen | 415 | ||
11.5.4 Ziehen | 415 | ||
11.6 Weitere Fertigungsmethoden | 415 | ||
11.6.1 Pulvermetallurgie | 415 | ||
11.6.2 Schweißen | 415 | ||
11.7 Glühverfahren | 417 | ||
11.7.1 Zwischenglühen | 417 | ||
11.7.2 Spannungsarmglühen | 418 | ||
11.7.3 Glühen von Stählen | 418 | ||
11.8 Härten von Stählen | 420 | ||
11.8.1 Härtbarkeit | 420 | ||
11.8.2 Einfluss des Abschreckmediums, der Probengröße und der Geometrie | 424 | ||
11.9 Ausscheidungshärtung | 430 | ||
11.9.1 Der Verlauf von Wärmebehandlungsprozessen | 430 | ||
11.9.2 Härtungsmechanismen | 432 | ||
11.9.3 Verschiedenes | 434 | ||
Zusammenfassung | 435 | ||
Literatur | 440 | ||
Fragen und Aufgaben | 441 | ||
Kapitel 12 Struktur und Eigenschaften von Keramiken | 445 | ||
12.1 Einführung | 446 | ||
12.2 Kristallstrukturen | 447 | ||
12.2.1 Kristallstrukturen vom Typ AX | 449 | ||
12.2.2 Kristallstrukturen vom Typ AmXp | 451 | ||
12.2.3 Kristallstrukturen vom Typ AmBnXp | 451 | ||
12.2.4 Kristallstrukturenmit dichtester Kugelpackung der Anionen | 452 | ||
12.2.5 Berechnung der Dichte von Keramiken | 454 | ||
12.3 Silikatkeramiken | 455 | ||
12.3.1 Siliziumdioxid | 456 | ||
12.3.2 Silikatische Gläser | 456 | ||
12.3.3 Silikate | 457 | ||
12.4 Kohlenstoff | 459 | ||
12.4.1 Diamant | 459 | ||
12.4.2 Graphit | 460 | ||
12.4.3 Fullerene | 461 | ||
12.5 Fehlordnungen in Keramiken | 462 | ||
12.5.1 Atomare Punktdefekte | 462 | ||
12.5.2 Verunreinigungen in Keramiken | 465 | ||
12.6 Diffusion in ionischen Werkstoffen | 466 | ||
12.7 Phasendiagramme keramischer Systeme | 466 | ||
12.7.1 Das System Al2O3-Cr2O3 | 467 | ||
12.7.2 Das System MgO-Al2O3 | 467 | ||
12.7.3 Das System ZrO2-CaO | 468 | ||
12.7.4 Das System SiO2-Al2O3 | 469 | ||
12.8 Sprödbruch | 470 | ||
12.8.1 Fraktographie von Keramiken und Gläsern | 472 | ||
12.9 Spannungs-Dehnungs-Verhalten | 474 | ||
12.9.1 Biegefestigkeit | 474 | ||
12.9.2 Elastisches Verhalten | 476 | ||
12.10 Mechanismus der plastischen Verformung | 476 | ||
12.10.1 Keramiken | 476 | ||
12.10.2 Gläser | 477 | ||
12.11 Sonstige mechanische Aspekte | 478 | ||
12.11.1 Porosität | 478 | ||
12.11.2 Härte | 479 | ||
12.11.3 Kriechen | 480 | ||
Zusammenfassung | 480 | ||
Literatur | 483 | ||
Fragen und Aufgaben | 483 | ||
Kapitel 13 Herstellung, Verarbeitung und Verwendung von Keramiken und von Gläsern | 489 | ||
13.1 Einführung | 490 | ||
13.2 Gläser | 490 | ||
13.3 Glaskeramiken | 491 | ||
13.3.1 Eigenschaften und Anwendung von Glaskeramiken | 492 | ||
13.4 Tonwerkstoffe | 492 | ||
13.5 Feuerfestwerkstoffe | 493 | ||
13.5.1 Schamotte/Feuerfestwerkstoffe | 493 | ||
13.5.2 Silikatische Feuerfestwerkstoffe | 494 | ||
13.5.3 Basische Feuerfestwerkstoffe | 494 | ||
13.5.4 Spezielle Feuerfestwerkstoffe | 494 | ||
13.6 Schleifmittel | 495 | ||
13.7 Zemente und Betone | 495 | ||
13.8 Technische Keramiken (Hochleistungskeramiken) | 496 | ||
13.8.1 Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) | 497 | ||
13.8.2 Optische Fasern | 498 | ||
13.8.3 Keramische Kugellager | 498 | ||
13.9 Herstellung und Verarbeitung von Gläsern und Glaskeramiken | 500 | ||
13.9.1 Eigenschaften von Gläsern | 500 | ||
13.9.2 Formgebung | 501 | ||
13.9.3 Wärmebehandlung von Glas | 503 | ||
13.9.4 Herstellung von Glaskeramiken durch Wärmebehandlung von Gläsern | 504 | ||
13.10 Herstellung und Verarbeitung von Tonprodukten | 505 | ||
13.10.1 Eigenschaften von Ton | 505 | ||
13.10.2 Zusammensetzung von Tonprodukten | 505 | ||
13.10.3 Herstellungsverfahren | 505 | ||
13.10.4 Trocknen und Brennen | 507 | ||
13.11 Pulverpressen | 509 | ||
13.12 Foliengießen | 511 | ||
13.13 Sonstiges | 512 | ||
Zusammenfassung | 512 | ||
Literatur | 516 | ||
Fragen und Aufgaben | 516 | ||
Kapitel 14 Polymerstrukturen | 519 | ||
14.1 Einführung | 520 | ||
14.2 Kohlenwasserstoffe | 520 | ||
14.3 Polymermoleküle | 523 | ||
14.4 Die Chemie der Polymermoleküle | 523 | ||
14.5 Die Molmasse | 527 | ||
14.6 Die Molekülform | 529 | ||
14.7 Die Molekülstruktur | 530 | ||
14.7.1 Unverzweigte (lineare) Polymere | 530 | ||
14.7.2 Verzweigte Polymere | 531 | ||
14.7.3 Polymere mit geringer Vernetzungsdichte – Elastomere | 531 | ||
14.7.4 Polymere mit hoher Vernetzungsdichte – Duroplaste | 532 | ||
14.8 Die Molekülkonfiguration | 532 | ||
14.8.1 Stereoisomerie | 532 | ||
14.8.2 Geometrische (cis-trans-)Isomerie | 533 | ||
14.9 Thermoplaste und Duroplaste | 535 | ||
14.10 Copolymere | 536 | ||
14.11 Kristallinität von Polymeren | 537 | ||
14.12 Polymerkristalle | 540 | ||
14.13 Fehlstellen in Polymeren | 542 | ||
14.14 Diffusion in Polymeren | 542 | ||
Zusammenfassung | 544 | ||
Literatur | 548 | ||
Fragen und Aufgaben | 548 | ||
Kapitel 15 Polymere: Eigenschaften, Verarbeitung und Verwendung | 553 | ||
15.1 Einführung | 554 | ||
15.2 Spannungs-Dehnungs-Verhalten | 554 | ||
15.3 Makroskopische Deformation | 556 | ||
15.4 Viskoelastische Deformation | 557 | ||
15.4.1 Viskoelastischer Relaxationsmodul | 558 | ||
15.4.2 Viskoelastisches Kriechen | 561 | ||
15.5 Bruchverhalten von Polymeren | 561 | ||
15.6 Weitere mechanische Eigenschaften | 563 | ||
15.6.1 Schlagfestigkeit | 563 | ||
15.6.2 Ermüdung | 563 | ||
15.6.3 Reißfestigkeit und Härte | 564 | ||
15.7 Deformation teilkristalliner Polymere | 564 | ||
15.7.1 Mechanismus der elastischen Deformation | 565 | ||
15.7.2 Mechanismus der plastischen Deformation | 565 | ||
15.8 Faktoren, die die mechanischen Eigenschaften teilkristalliner Polymere beein flussen | 567 | ||
15.8.1 Molmasse | 567 | ||
15.8.2 Kristallinitätsgrad | 568 | ||
15.8.3 Vorverformung durch Strecken | 568 | ||
15.8.4 Wärmebehandlung | 569 | ||
15.9 Deformation von Elastomeren | 570 | ||
15.9.1 Vulkanisation | 571 | ||
15.10 Kristallisation | 573 | ||
15.11 Schmelzen | 574 | ||
15.12 Der Glasübergang | 574 | ||
15.13 Schmelz- und Glasübergangstemperatur | 575 | ||
15.14 Schmelz- und Glasübergangstemperatur beeinflussende Faktoren | 576 | ||
15.14.1 Glasübergangstemperatur | 577 | ||
15.15 Plaste (Plastomere und Duromere) | 578 | ||
15.16 Elaste (Elastomere) | 581 | ||
15.17 Fasern | 582 | ||
15.18 Sonstige Anwendungen | 583 | ||
15.18.1 Beschichtungen | 583 | ||
15.18.2 Klebstoffe | 583 | ||
15.18.3 Filme/Folien | 584 | ||
15.18.4 Schäume | 584 | ||
15.19 Besondere Polymerwerkstoffe | 584 | ||
15.19.1 Ultrahochmolekulares Polyethylen | 585 | ||
15.19.2 Polymere Flüssigkristalle | 585 | ||
15.19.3 Thermoplastische Elastomere | 586 | ||
15.20 Polymerisation | 588 | ||
15.20.1 Polymerisation durch Addition | 588 | ||
15.20.2 Polymerisation durch Kondensation | 590 | ||
15.21 Polymeradditive | 591 | ||
15.21.1 Füllstoffe | 591 | ||
15.21.2 Weichmacher | 591 | ||
15.21.3 Stabilisatoren | 591 | ||
15.21.4 Farbstoffe | 592 | ||
15.21.5 Flammschutzmittel | 592 | ||
15.22 Formgebungstechnologien für Polymere | 592 | ||
15.22.1 Kompressions- und Transferformung | 593 | ||
15.22.2 Spritzguss | 594 | ||
15.22.3 Extrudieren | 594 | ||
15.22.4 Blasformen | 595 | ||
15.22.5 Gießen | 595 | ||
15.23 Verarbeitung von Elastomeren | 595 | ||
15.24 Herstellung von Fasern und Folien | 595 | ||
15.24.1 Fasern | 595 | ||
15.24.2 Folien | 596 | ||
Zusammenfassung | 597 | ||
Literatur | 602 | ||
Fragen und Aufgaben | 602 | ||
Kapitel 16 Verbundwerkstoffe | 607 | ||
16.1 Einführung | 608 | ||
16.2 Verbundwerkstoffe mit großen Partikeln (Teilchenverbunde) | 610 | ||
16.2.1 Beton | 612 | ||
16.3 Dispersionsverstärkte Komposite | 614 | ||
16.4 Einfluss der Faserlänge | 615 | ||
16.5 Einfluss der Orientierung und des Volumenanteils der Fasern | 616 | ||
16.5.1 Langfaserverbundwerkstoffe mit orientierter Faserausrichtung | 617 | ||
16.5.2 Verbundwerkstoffe mit orientierten Kurzfasern | 622 | ||
16.5.3 Kurzfaser-Verbundwerkstoffe mit statistisch angeordneten Fasern | 622 | ||
16.6 Fasern – Die Verstärkungsphase | 624 | ||
16.7 Die Matrixphase | 624 | ||
16.8 Verbundwerkstoffe mit Polymermatrix | 625 | ||
16.8.1 Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) | 625 | ||
16.8.2 Kohlefaserverstärkte Polymere | 626 | ||
16.8.3 Aramidfaserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe | 627 | ||
16.8.4 Andere Verstärkungsfasern | 628 | ||
16.8.5 Matrixpolymere | 628 | ||
16.9 Metallmatrix-Verbundwerkstoffe | 630 | ||
16.10 Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix | 631 | ||
16.11 Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe | 633 | ||
16.12 Hybride Verbundwerkstoffe | 634 | ||
16.13 Verarbeitung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen | 634 | ||
16.13.1 Strangziehen | 634 | ||
16.13.2 Prozesse zur Herstellung von Prepregs | 635 | ||
16.13.3 Filamentwickeln | 636 | ||
16.14 Schichtverbundwerkstoffe | 637 | ||
16.15 Sandwich-Strukturen | 637 | ||
Zusammenfassung | 640 | ||
Literatur | 643 | ||
Fragen und Aufgaben | 643 | ||
Kapitel 17 Korrosion und Degradation von Werkstoffen | 649 | ||
17.1 Einführung | 650 | ||
17.2 Elektrochemische Betrachtungen | 651 | ||
17.2.1 Das Elektrodenpotential | 653 | ||
17.2.2 Die elektrochemische Spannungsreihe | 654 | ||
17.2.3 Einfluss von Konzentration und Temperatur auf das Zellpotential | 656 | ||
17.2.4 Die praktische Spannungsreihe | 657 | ||
17.3 Korrosionsgeschwindigkeiten | 658 | ||
17.4 Vorhersage von Korrosionsraten | 659 | ||
17.4.1 Polarisation | 659 | ||
17.4.2 Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeit aus Polarisationsdaten | 662 | ||
17.5 Passivierung | 665 | ||
17.6 Umgebungseinflüsse | 667 | ||
17.7 Formen der Korrosion | 667 | ||
17.7.1 Gleichförmige Korrosion | 667 | ||
17.7.2 Bimetallkorrosion | 667 | ||
17.7.3 Spaltkorrosion | 669 | ||
17.7.4 Lochkorrosion | 670 | ||
17.7.5 Interkristalline Korrosion | 671 | ||
17.7.6 Selektive Korrosion | 672 | ||
17.7.7 Verschleißkorrosion | 672 | ||
17.7.8 Spannungsrisskorrosion | 673 | ||
17.7.9 Wasserstoffversprödung | 674 | ||
17.8 Korrosive Umgebungen | 675 | ||
17.9 Korrosionsschutz | 675 | ||
17.9.1 Kathodischer Schutz | 676 | ||
17.10 Oxidation | 677 | ||
17.10.1 Mechanismen | 677 | ||
17.10.2 Arten von Oxidschichten | 678 | ||
17.10.3 Kinetik | 679 | ||
17.11 Quellen und Auflösen von Polymeren | 681 | ||
17.12 Bindungsbruch | 682 | ||
17.12.1 Bindungsspaltung durch Strahlung | 682 | ||
17.12.2 Bindungsspaltung durch chemische Reaktionen | 683 | ||
17.12.3 Bindungsspaltung bei hoher Temperatur | 683 | ||
17.13 Verwitterung | 684 | ||
Zusammenfassung | 684 | ||
Literatur | 688 | ||
Fragen und Aufgaben | 688 | ||
Kapitel 18 Elektrische Eigenschaften | 693 | ||
18.1 Einführung | 694 | ||
18.2 Das Ohm’sche Gesetz | 694 | ||
18.3 Die elektrische Leitfähigkeit | 695 | ||
18.4 Elektronen- und Ionenleitung | 696 | ||
18.5 Die Bänderstruktur der Energieniveaus in Festkörpern | 696 | ||
18.6 Leitungsvorgänge aus der Sicht des Bändermodells und der Atombindung | 698 | ||
18.6.1 Metalle | 699 | ||
18.6.2 Isolatoren und Halbleiter | 699 | ||
18.7 Elektronenmobilität | 700 | ||
18.8 Der spezifische Widerstand von Metallen | 701 | ||
18.8.1 Einfluss der Temperatur | 702 | ||
18.8.2 Einfluss von Verunreinigungen und Fremdatomen | 703 | ||
18.8.3 Einfluss plastischer Verformungen | 703 | ||
18.9 Elektrische Eigenschaften von Legierungen für den industriellen Einsatz | 704 | ||
18.10 Eigenhalbleitung | 706 | ||
18.10.1 Löcher (Defektelektronen) | 707 | ||
18.10.2 Eigenleitung | 708 | ||
18.11 Störstellenhalbleitung | 708 | ||
18.11.1 n-Leitung | 709 | ||
18.11.2 p-Leitung | 710 | ||
18.12 Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerdichte | 712 | ||
18.13 Beeinflussung der Ladungsträgermobilität | 714 | ||
18.13.1 Einfluss der Konzentration des Dotierstoffs | 714 | ||
18.13.2 Einfluss der Temperatur | 714 | ||
18.14 Der Hall-Effekt | 717 | ||
18.15 Halbleiterbauelemente | 719 | ||
18.15.1 Der pn-Gleichrichterübergang | 719 | ||
18.15.2 Der Transistor | 721 | ||
18.15.3 Flash-Speicher (Festkörperlaufwerke) | 724 | ||
18.15.4 Integrierte mikroelektronische Schaltungen | 724 | ||
18.16 Leitungsvorgänge in ionischen Werkstoffen | 726 | ||
18.17 Elektrische Eigenschaften von Polymeren | 727 | ||
18.17.1 Leitende Polymere | 727 | ||
18.18 Die Kapazität | 728 | ||
18.19 Feldvektoren und Polarisation | 729 | ||
18.20 Arten der Polarisation | 733 | ||
18.20.1 Elektronenpolarisation | 733 | ||
18.20.2 Ionenpolarisation | 733 | ||
18.20.3 Orientierungspolarisation | 734 | ||
18.21 Die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätszahl | 734 | ||
18.22 Dielektrische Festigkeit | 735 | ||
18.23 Dielektrische Werkstoffe | 735 | ||
18.24 Ferroelektrizität | 736 | ||
18.25 Piezoelektrizität | 737 | ||
Zusammenfassung | 738 | ||
Literatur | 744 | ||
Fragen und Aufgaben | 744 | ||
Kapitel 19 Thermische Eigenschaften | 751 | ||
19.1 Einführung | 752 | ||
19.2 Wärmekapazität | 752 | ||
19.2.1 Der Beitrag von Gitterschwingungen zur Wärmekapazität | 752 | ||
19.2.2 Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität | 753 | ||
19.2.3 Andere Beiträge zur Wärmekapazität | 754 | ||
19.3 Thermische Ausdehnung | 755 | ||
19.3.1 Metalle | 756 | ||
19.3.2 Keramiken | 756 | ||
19.3.3 Polymere | 758 | ||
19.4 Wärmeleitfähigkeit | 758 | ||
19.4.1 Mechanismen der Wärmeleitung | 758 | ||
19.4.2 Metalle | 759 | ||
19.4.3 Keramiken | 760 | ||
19.4.4 Polymere | 761 | ||
19.5 Thermische Spannungen | 761 | ||
19.5.1 Mechanische Spannungen als Folge eingeschränkter thermischer Ausdehnung und Schwindung | 762 | ||
19.5.2 Mechanische Spannungen als Folge von Temperatur gradienten | 762 | ||
19.5.3 Thermoschock in spröden Werkstoffen | 763 | ||
Zusammenfassung | 763 | ||
Literatur | 765 | ||
Fragen und Aufgaben | 766 | ||
Kapitel 20 Magnetische Eigenschaften | 769 | ||
20.1 Einführung | 770 | ||
20.2 Grundlagen des Magnetismus | 770 | ||
20.2.1 Magnetische Dipole | 770 | ||
20.2.2 Magnetische Feldvektoren | 771 | ||
20.2.3 Die Quellen magnetischer Momente | 773 | ||
20.3 Diamagnetismus und Paramagnetismus | 774 | ||
20.4 Ferromagnetismus | 776 | ||
20.5 Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus | 777 | ||
20.5.1 Antiferromagnetismus | 777 | ||
20.5.2 Ferrimagnetismus | 777 | ||
20.5.3 Spinelle/inverse Spinelle | 778 | ||
20.6 Einfluss der Temperatur auf das magnetische Verhalten | 780 | ||
20.7 Domänen und Hysterese | 781 | ||
20.8 Magnetische Anisotropie | 785 | ||
20.9 Weichmagnetische Werkstoffe | 786 | ||
20.10 Hartmagnetische Werkstoffe | 789 | ||
20.10.1 Konventionelle hartmagnetische Werkstoffe | 790 | ||
20.10.2 Hochenergie-Magnetwerkstoffe | 790 | ||
20.11 Magnetspeicher | 792 | ||
20.11.1 Festplattenlaufwerke | 792 | ||
20.11.2 Magnetbänder | 794 | ||
20.12 Supraleitung | 795 | ||
Zusammenfassung | 798 | ||
Literatur | 801 | ||
Fragen und Aufgaben | 801 | ||
Kapitel 21 Optische Eigenschaften | 805 | ||
21.1 Einführung | 806 | ||
21.2 Elektromagnetische Strahlung | 806 | ||
21.3 Die Wechselwirkung von Licht mit Festkörpern | 808 | ||
21.4 Wechselwirkungen mit Atomen und Elektronen | 809 | ||
21.4.1 Elektronenpolarisation | 809 | ||
21.4.2 Elektronenübergänge | 809 | ||
21.5 Brechung | 811 | ||
21.6 Reflexion | 813 | ||
21.7 Absorption | 813 | ||
21.8 Transmission | 816 | ||
21.9 Farbe | 817 | ||
21.10 Opazität und Transluzenz von Isolatoren | 818 | ||
21.11 Lumineszenz | 819 | ||
21.12 Fotoleitung | 822 | ||
21.13 Laser | 822 | ||
21.14 Lichtwellenleiter in der Kommunikationstechnik | 826 | ||
Zusammenfassung | 829 | ||
Literatur | 833 | ||
Fragen und Aufgaben | 833 | ||
Kapitel 22 Ökonomische, ökologische und gesellschaftliche Aspekte von Materialwissenschaft und Werkstofftechnik | 837 | ||
22.1 Einführung | 838 | ||
22.2 Bauteilauslegung | 839 | ||
22.3 Werkstoffe | 839 | ||
22.4 Herstellungsverfahren | 839 | ||
22.5 Überlegungen zum Recycling in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik | 843 | ||
22.5.1 Metallische Werkstoffe | 843 | ||
22.5.2 Glas | 844 | ||
22.5.3 Kunststoffe | 844 | ||
22.5.4 Verbundwerkstoffe | 848 | ||
Zusammenfassung | 849 | ||
Literatur | 850 | ||
Fragen und Aufgaben | 850 | ||
Anhang A | 851 | ||
Anhang B | 853 | ||
Anhang C | 877 | ||
Anhang D | 881 | ||
Glossar | 883 | ||
Lösungsteil | 897 | ||
Register | 903 | ||
EULA | 917 |