Schatt Werkstoffwissenschaft

Herausgegeben von: Hartmut Worch war Inhaber der Professur für Werkstoffwissenschaft und Biomaterialien an der TU Dresden und langjähriger Mitherausgeber des Lehrbuchs ”Werkstoffwissenschaft“. Wolfgang Pompe war Professor für Materialwissenschaft und Nanotechnik am Institut für Werkstoffwissenschaft der TU Dresden. Christoph Leyens ist seit November 2009 Inhaber der Professur für Werkstofftechnik und seit dem Jahr 2011 Direktor des Instituts für Werkstoffwissenschaft an der TU Dresden. Von 2009 bis 2016 war er Prodekan der Fakultät Maschinenwesen. Darüber hinaus leitet er seit Oktober 2018 das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden. Werner Schatt studierte und promovierte an der Technischen Hochschule Dresden und habilitierte sich 1966 an der Technischen Hochschule in Magdeburg. Er begründete 1972 das Lehrbuch ”Werkstoffwissenschaft“ in der ersten Auflage.

1 Einleitung

2 Zustände des festen Körpers
2.1 Kristalliner Zustand
2.1.1 Raumgitter und Kristallsysteme
2.1.2 Bravais-Gitter und Kristallstruktu
2.1.3 Analytische Beschreibung des Raumgitters
2.1.4 Polkugel und stereographische Projektion
2.1.5 Bindung im Festkörper
2.1.5.1 Aufbau und Energieniveaus der Atomhülle
2.1.5.2 Ionenbindung
2.1.5.3 Kovalente Bindung (Atombindung)
2.1.5.4 Metallbindung
2.1.5.5 Nebenvalenzbindung
2.1.5.6 Mischbindung
2.1.6 Koordination
2.1.7 Elementstrukturen
2.1.7.1 Krz Struktur (Wolfram-Typ)
2.1.7.2 Kfz Struktur (Kupfer-Typ)
2.1.7.3 Hexagonal dichteste Struktur (Magnesium-Typ)
2.1.8 Legierungsstrukturen
2.1.8.1 Austauschmischkristalle
2.1.8.2 Überstrukturen
2.1.8.3 Einlagerungsmischkristalle
2.1.8.4 Intermetallische Phasen
2.1.9 Ionenstrukturen
2.1.10 Molekülstrukturen
2.1.10.1 Atombindung in Polymeren
2.1.10.2 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen in Polymeren
2.1.10.3 Aufbauprinzip und Infrastruktur von Makromolekülen
2.1.10.3.1 Konstitution von Makromolekülen
2.1.10.3.2 Konfiguration von Makromolekülen
2.1.10.3.3 Konformation von Makromolekülen
2.1.10.4 Kristallstruktur von Polymeren
2.1.10.5 Modifizierung von Polymeren
2.1.11 Realstruktur
2.1.11.1 Nulldimensionale Gitterstörungen
2.1.11.2 Eindimensionale Gitterstörungen
2.1.11.3 Zweidimensionale Gitterstörungen
2.1.11.3.1 Stapelfehler
2.1.11.3.2 Antiphasengrenzen
2.1.11.3.3 Grenzflächen
2.1.11.3.4 Grenzflächen in nanokristallinen Materialien
2.1.11.4 Dreidimensionale Gitterstörungen und Defektwechselwirkungen
2.2 Zustand unterkühlter Schmelzen und Glaszustand
2.2.1 Charakteristik des Zustandes unterkühlter Schmelzen und des Glaszustandes
2.2.2 Strukturmodelle silicatischer Gläser
2.2.3 Struktur amorpher Polymere
2.2.4 Strukturmodelle amorpher Metalle
Literaturhinweise

3 Übergänge in den festen Zustand
3.1 Übergang vom flüssigen in den kristallinen Zustand
3.1.1 Keimbildung und -wachstum bei Metall- und Ionenkristallen
3.1.1.1 Erstarrung von Schmelzen
3.1.1.2 Kristallisation aus Lösungsmitteln
3.1.1.3 Kristallisation von unterkühlten Glasschmelzen (Entglasung)
3.1.2 Kristallisation von Polymeren
3.1.2.1 Einfluss der Molekülstruktur auf die Kristallisation
3.1.2.2 Keimbildung und Kristallwachstum
3.1.3 Abscheidung aus kolloidalen Lösungen
3.2 Übergang in den Zustand der unterkühlten Schmelze und in den Glaszustand
3.2.1 Änderung der Viskosität bei der amorphen Erstarrung
3.2.2 Phasentrennung im Zustand der unterkühlten Schmelze
3.2.3 Amorphe Erstarrung von Metallen und Legierungen
3.3 Übergang aus dem gasförmigen in den kristallinen Zustand
Literaturhinweise

4 Phasenumwandlungen im festen Zustand
4.1 Umwandlungen mit Änderung der Struktur
4.1.1 Allotrope Umwandlungen des SiO2
4.1.2 Die - -Umwandlung des Eisens
4.1.3 Martensitische Umwandlungen
4.1.4 Massivumwandlung
4.1.5 Umwandlungsbesonderheiten bei Polymeren
4.2 Umwandlungen mit Änderung der Konzentration
4.3 Umwandlungen mit Änderung der Konzentration und der Struktur
4.3.1 Ausscheidungsumwandlung
4.3.2 Eutektoider Zerfall
4.4 Ordnungsumwandlungen
4.5 Nichtkonventionelle Phasenbildung
4.5.1 Metastabile Phasenbildung in dünnen Schichten
4.5.2 Mechanisches Legieren von Pulvern
Literaturhinweise

5 Zustandsdiagramme
5.1 Thermodynamische Grundlagen
5.2 Experimentelle Methoden zur Aufstellung von Zustandsdiagrammen
5.3 Grundtypen der Zustandsdiagramme von Zweistoffsystemen
5.3.1 Zustandsdiagramm eines Systems mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im festen und flüssigen Zustand
5.3.2 Zustandsdiagramm eines Systems mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen und vollständiger Unmischbarkeit im festen Zustand
5.3.3 Zustandsdiagramm von Systemen mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen und teilweiser Mischbarkeit im festen Zustand
5.3.4 Zustandsdiagramme von Systemen mit intermetallischen Phasen
5.3.5 Weitere Umwandlungen im festen Zustand
5.4 Einführung in Mehrstoffsysteme
5.5 Realdiagramme
5.5.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
5.5.2 Zustandsdiagramm des Systems Kupfer?Zinn
5.5.3 Zustandsdiagramm des Systems SiO2? -Al2O3
5.5.4 Zustandsdiagramme von Polymermischungen
5.6 Ungleichgewichtsdiagramme
5.6.1 Ausbildung von Ungleichgewichtsgefügen
5.6.2 Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramme
5.6.3 Zeit-Temperatur-Auflösungs-Diagramme
5.6.4 ZTR-Diagramme bei Kopplung von Umwandlungs- und Umformvorgängen
Literaturhinweise

6 Gefüge der Werkstoffe
6.1 Gefüge
6.2 Oberfläche
6.3 Herstellung der Schlifffläche
6.4 Entwicklung des Gefüges
6.4.1 Ätzen in Lösungen
6.4.2 Gefügeentwicklung bei hohen Temperaturen
6.4.3 Entwicklung des Gefüges durch Ionenätzen
6.5 Sichtbarmachen des Gefüges
6.5.1 Lichtmikroskopische Gefügebetrachtung
6.5.2 Gefügebetrachtung mithilfe des akustischen Reflexionsrastermikroskopes
6.5.3 Elektronenmikroskopische Gefügebetrachtung
6.5.4 Untersuchung mit der Elektronenstrahlmikrosonde (ESMA)
6.6 Quantitative Gefügeanalyse
6.6.1 Flächenanalyse
6.6.2 Linearanalyse
6.6.3 Charakterisierung der Form und Orientierung der Gefügebestandteile
6.6.4 Punktanalyse
6.7 Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen
6.7.1 Einphasige Gefüge
6.7.2 Mehrphasige Gefüge
Literaturhinweise

7 Thermisch aktivierte Vorgänge
7.1 Diffusion
7.1.1 Platzwechselmechanismen
7.1.2 Diffusionsgesetze
7.1.3 Bildung von Diffusionsschichten
7.1.4 Diffusionsgesteuerte Vorgänge
7.1.4.1 Diffusionskriechen
7.1.4.2 Versetzungskriechen
7.1.4.3 Sintern
7.2 Kristallerholung und Rekristallisation
7.2.1 Kristallerholung
7.2.2 Rekristallisation
7.2.3 Kornwachstum
7.2.4 Rekristallisationstexturen
Literaturhinweise

8 Korrosion
8.1 Korrosion der Metalle in wässrigen Medien
8.1.1 Grundlagen der elektrochemischen Korrosion
8.1.1.1 Elektrochemische Spannungsreihe und Korrosionsvorgänge
8.1.1.2 Geschwindigkeit elektrochemischer Reaktionen
8.1.2 Gleichförmige Korrosion
8.1.3 Passivität und Inhibition
8.1.4 Korrosionselemente
8.1.5 Lochkorrosion
8.1.6 Selektive und interkristalline Korrosion
8.1.7 Spannungsrisskorrosion
8.1.8 Schwingungsrisskorrosion
8.2 Korrosion anorganisch-nichtmetallischer Werkstoffe in wässrigen Medien
8.3 Korrosion von Polymeren in flüssigen Medien
8.3.1 Begrenzte und unbegrenzte Quellung
8.3.2 Schädigung durch chemische Reaktionen
8.3.3 Spannungsrisskorrosion von Polymeren
8.4 Korrosion in Schmelzen
8.4.1 Korrosion von Metallen in durch Ablagerungen gebildeten Schmelzen
8.4.2 Korrosion feuerfester Baustoffe in Schmelzen
8.5 Korrosion der Metalle in heißen Gasen
8.5.1 Oxidation (Zundern) von Eisen
8.5.2 Oxidation von Legierungen
8.5.3 Schädigung von Stahl durch Druckwasserstoff
8.5.4 Aufkohlung und Metal Dusting
8.6 Korrosion feuerfester Werkstoffe in heißen Gasen
8.7 Korrosionsschutz
8.7.1 Passiver Korrosionsschutz
8.7.2 Aktiver Korrosionsschutz
Literaturhinweise

9 Mechanische Erscheinungen
9.1 Reversible Verformung
9.1.1 Linearelastische Verformung
9.1.2 Energie- und entropieelastische Verformung
9.1.3 Anelastische Verformung
9.1.4 Pseudoelastische Verformung
9.2 Plastische Verformung
9.2.1 Geometrie der plastischen Verformung von Einkristallen
9.2.2 Mechanismus der plastischen Verformung
9.2.2.1 Theoretische Festigkeit
9.2.2.2 Entstehen und Wechselwirkung von Versetzungen
9.2.2.3 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Fremdatomen
9.2.2.4 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Teilchen
9.2.3 Plastische Verformung polykristalliner Werkstoffe (Vielkristallplastizität)
9.2.3.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm
9.2.3.2 Orientierungseinfluss
9.2.3.3 Korngrenzeneinfluss
9.2.3.4 Streckgrenzenerscheinung
9.2.3.5 Verformungsgefüge und Textur
9.2.4 Plastische Wechselverformung
9.2.5 Besondere Erscheinungen der Plastizität
9.2.5.1 Superplastizität
9.2.5.2 Umwandlungsplastizität
9.3 Viskose und viskoelastische Verformung
9.4 Kriechen
9.5 Bruch
9.5.1 Makroskopische und mikroskopische Bruchmerkmale
9.5.2 Rissbildung
9.5.3 Rissausbreitung
9.5.4 Bruchmechanik
9.5.4.1 Linearelastische Bruchmechanik
9.5.4.2 Fließbruchmechanik
9.6 Eigenspannungen
9.7 Festigkeitssteigerung und Schadenstoleranz
9.7.1 Kombinierte Mechanismen zur Festigkeitssteigerung metallischer Werkstoffe
9.7.2 Festigkeitssteigerung durch Druckeigenspannungen in der Randschicht
9.7.3 Festigkeitssteigerung durch Verstrecken und Vernetzen
9.7.4 Festigkeitssteigerung durch Faserverstärkung
9.7.5 Steigerung von Festigkeit und Bruchzähigkeit durch Energiedissipation
9.8 Härte und Verschleiß
Literaturhinweise

10 Physikalische Erscheinungen
10.1 Elektrische Leitfähigkeit
10.1.1 Elektrische Leitfähigkeit in Metallen
10.1.2 Elektrische Leitfähigkeit in Halbleitern
10.1.2.1 Eigenhalbleitung
10.1.2.2 Störstellenhalbleitung
10.1.2.3 Sperrschichthalbleitung
10.2 Supraleitung
10.2.1 Supraleitung in Metallen und intermetallischen Verbindungen
10.2.2 Supraleitende Oxidkeramiken mit hoher Sprungtemperatur
10.2.3 Supraleitung in Boriden, Carbiden und Nitriden
10.2.4 Supraleitung in Eisenverbindungen
10.3 Thermoelektrizität
10.4 Wärmeleitfähigkeit
10.5 Dielektrizität
10.6 Magnetismus
10.6.1 Erscheinungsformen des Magnetismus
10.6.2 Technische Magnetisierung
10.6.3 Weichmagnetisches Verhalten
10.6.4 Hartmagnetisches Verhalten
10.6.5 Ferrimagnetisches Verhalten
10.7 Thermische Ausdehnung
10.8 Temperaturunabhängiges elastisches Verhalten
10.9 Dämpfung
10.10 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Festkörpern
10.10.1 Wechselwirkung mit energiearmer Strahlung
10.10.2 Wechselwirkung mit energiereicher Strahlung
10.10.2.1 Elastische Streuung von ionisierenden Strahlen
10.10.2.2 Veränderungen in Festkörpern durch Strahlung
Literaturhinweise