Grundlagen der Konstruktionswerkstoffe für Studium und Praxis (eBook)

Janko Auerswald ist seit 2006 Dozent für Werkstoffkunde an der Hochschule Luzern. Parallel dazu entwickelte er am CSEM, bei TRUMPF Schweiz und bei V-ZUG in leitenden Positionen neue Technologien und Produkte in den Bereichen Mikrofabrikation, Lasermaterialbearbeitung, Oberflächentechnik und nachhaltige Haushaltsgeräte. Er ist Autor von Publikationen in Fachbüchern, Fachzeitschriften und Tagungsbänden sowie diverser Patentanmeldungen. Pius Portmann ist seit 1997 Professor für Werkstoffkunde und Leiter des Werkstoffprüflabors an der Hochschule Luzern. Nach seinem Diplom als Werkstoffingenieur der ETH Zürich war er in leitenden Positionen in den Bereichen Werkstoffprüfung und Process Engineering beim Eidgenössischen Flugzeugwerk Emmen und den Pilatus Flugzeugwerken in der Schweiz tätig sowie als selbständiger beratender Ingenieur in Prozess- und Werkstofffragen. Seine Spezialgebiete umfassen die Werkstoffprüfung, den Leichtbau, Füge- und Oberflächentechnologien sowie den Korrosionsschutz. Er ist Mitglied der Society for the Advancement of Materials and Process Engineering (SAMPE) und des Schweizerischen Verbands für Materialwissenschaft und Technologie (SVMT).

Cover 1
Titelseite 5
Impressum 6
Inhaltsverzeichnis 7
Vorwort 17
Danksagung 19
1 Metallkunde 21
1.1 Wichtige Kristallstrukturen von Metallen 22
1.1.1 Miller'sche Indizes: Bezeichnung von Richtungen und Ebenen 23
1.1.2 Packungsdichte und dicht gepackte Ebenen in Metallen 26
1.1.3 Polymorphie: Die Vielgestalt einiger Metalle 28
1.2 Kristallbaudefekte in realen Metallstrukturen 29
1.2.1 0D: punktförmige Defekte 30
1.2.2 1D: Versetzungen 31
1.2.3 2D: Korngrenzen und andere Flächendefekte 32
1.2.4 3D: Ausscheidungen 33
1.3 Tropie: Die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften 34
1.4 Linear-elastische Verformung 36
1.4.1 Linear-elastische Verformung isotroper Werkstoffe 36
1.4.2 Vertiefung: linear-elastische Tensoren für isotrope Werkstoffe 39
1.4.3 Vertiefung: linear-elastische Tensoren und Anisotropiefaktor für kubische Einkristalle 42
1.5 Plastische Verformung der Metalle 43
1.5.1 Vereinfachte Betrachtung der plastischen Verformung 43
1.5.2 Vertiefende Betrachtung der plastischen Verformung 44
1.5.3 Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und plastischer Verformbarkeit 51
1.6 Verfestigung von Metallen durch Kristallbaudefekte 51
1.6.1 0D: Mischkristallverfestigung 51
1.6.2 1D: Kaltverfestigung 53
1.6.3 2D: Feinkornverfestigung 54
1.6.4 3D: Ausscheidungshärtung 54
1.7 Aufgaben 55
Zusammenfassung 56
2 Legierungskunde 59
2.1 Erstarrungsverhalten von Metallschmelzen 59
2.2 Homogene oder heterogene Gefüge 61
2.3 Legierungen 62
2.3.1 Homogene Legierungen aus Mischkristallen 62
2.3.2 Heterogene Legierungen aus Kristallgemischen 63
2.3.3 Legierungen mit intermetallischen oder intermediären Phasen 64
2.4 Zweistoffsysteme (Auswahl) 65
2.4.1 Zweistoffsystem mit vollständiger Löslichkeit 65
2.4.2 Eutektisches Zweistoffsystem mit begrenzter Löslichkeit 68
2.4.3 Eutektisches Zweistoffsystem Aluminium-Silizium 75
2.4.4 Zweistoffsysteme mit intermetallischen Phasen 77
2.5 Aufgaben 78
Zusammenfassung 80
3 Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (metastabiles EKD) 81
3.1 Das metastabile Zweistoffsystem Eisen-Kohlenstoff 81
3.2 Hebelgesetz und Gefügeentstehung im metastabilen EKD 84
3.3 Ausblick auf die Kapitel Stahl und Eisengusswerkstoffe (Kap. c07 bis c10) 88
3.4 Aufgaben 88
Zusammenfassung 89
4 Werkstoffprüfung 91
4.1 Methoden der Werkstoffprüfung zur Ermittlung mechanischer Kennwerte 91
4.1.1 Technische Spannung und technische Dehnung 91
4.1.2 Zugversuch 93
4.1.3 Härteprüfung 103
4.1.4 Biegeversuch 106
4.1.5 Torsionsversuch 108
4.1.6 Dynamische Werkstoffprüfung – Dauerschwingversuch nach Wöhler 110
4.1.7 Kerbschlagbiegeversuch und Zähigkeit 115
4.1.8 Zeitstandversuch: Kriechen und Relaxation 119
4.1.9 Weitere technologische Versuche 122
4.2 Verfahren der Rissprüfung 122
4.2.1 Durchstrahlungsprüfung 123
4.2.2 Ultraschallrissprüfung 123
4.2.3 Magnetpulverprüfung 124
4.2.4 Wirbelstromprüfung 125
4.2.5 Farbeindringprüfung 125
4.3 Mikroskopische Mess- und Prüfverfahren 125
4.3.1 Stereomikroskop 125
4.3.2 Konfokale Lasermikroskopie 125
4.4 Methoden der Analyse von Struktur und Gefüge 126
4.4.1 Strukturanalyse durch Röntgenbeugung (XRD) 126
4.4.2 Metallographische Lichtmikroskopie 127
4.4.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 128
4.4.4 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 129
4.4.5 Computertomographie: der Röntgenblick ins Material 129
4.5 Analyse der chemischen Zusammensetzung 131
4.5.1 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) 131
4.5.2 EDX und WDX 133
4.5.3 Photoelektronenspektroskopie (XPS) 134
4.5.4 Auger-Elektronenspektroskopie 136
4.5.5 Funkenspektrometrie (OES, optische Emissionsspektrometrie) 136
4.5.6 Massenspektrometer 136
4.5.7 Nasschemische Analyse 137
4.5.8 Infrarotspektroskopie (FTIR) 137
4.6 Aufgaben 138
Zusammenfassung 140
5 Korrosion 143
5.1 Grundlagen der Korrosion 143
5.1.1 Elektrochemische Standardpotentiale 143
5.1.2 Galvanische Zelle 146
5.1.3 Sauerstoff- oder Wasserstoffkorrosion? 148
5.1.4 Sauerstoffkorrosion 148
5.1.5 Wasserstoffkorrosion 149
5.1.6 Sonderfall Passivierung 149
5.1.7 Flächenregel 150
5.2 Erscheinungsformen der Korrosion in der Praxis 151
5.2.1 Gleichmäßige Flächenkorrosion 151
5.2.2 Kontaktkorrosion und selektive Korrosion 152
5.2.3 Interkristalline Korrosion 153
5.2.4 Lochfraßkorrosion 154
5.2.5 Rostfreier Edelstahl: Lochfraßpotential und PREN-Nummer 156
5.2.6 Spaltkorrosion und Belüftungselement 160
5.2.7 Spannungsrisskorrosion 162
5.2.8 Korrosionsrisiko Umformmartensit im austenitischen rostfreien Edelstahl 163
5.3 Korrosionsschutz 164
5.3.1 Passiver Korrosionsschutz 164
5.3.2 Aktiver Korrosionsschutz 164
5.4 Mess- und Prüfverfahren für Korrosion 165
5.4.1 Salzsprühtest 165
5.4.2 Test auf interkristalline Korrosionsanfälligkeit (IK-Test) 166
5.4.3 Stromdichte-Potentialkurven (Lochfraßpotentialmessungen) 166
5.4.4 Chemische Analyse der Korrosionsprodukte 168
5.5 Aufgaben 168
Zusammenfassung 169
6 Oberflächentechnik 171
6.1 Grundlagen der Tribologie 171
6.1.1 Reibung 171
6.1.2 Schmierung 172
6.1.3 Verschleiß 174
6.2 Oberflächenbehandlungen 175
6.2.1 Mechanische Verfahren 175
6.2.2 Thermische Randschichtverfahren 176
6.2.3 Reinigen und Entfetten 176
6.2.4 Oberflächenaktivierung 177
6.2.5 Haftvermittler 177
6.3 Chemische Umwandlungsschichten 179
6.3.1 Beizen und Passivieren von rostfreiem Edelstahl 179
6.3.2 Phosphatieren von Stahl 180
6.3.3 Brünieren von Stahl 180
6.3.4 Chromatieren von Aluminium, Magnesium und Zink 181
6.3.5 Anodisieren von Aluminium 182
6.3.6 Anodisieren von Titan 185
6.4 Oberflächenbeschichtungen 185
6.4.1 Lackieren 185
6.4.2 Galvanisieren 188
6.4.3 Chemisch Nickel oder chemisch Kupfer 192
6.4.4 Metallisieren von Kunststoffen 193
6.4.5 Feuerbeschichtungen, Lamellenbeschichtung und Plattieren 194
6.4.6 Thermisches Spritzen 194
6.4.7 Emaillieren 197
6.4.8 Sol-Gel-Technologie 199
6.4.9 Dünnschichttechnologien PVD und CVD 200
6.5 Aufgaben 202
Zusammenfassung 203
7 Stahl: Technologie und Wärmebehandlung 205
7.1 Stahltechnologie 206
7.1.1 Hochofenprozess und Linz-Donawitz-Verfahren 206
7.1.2 Direktreduktionsprozess und Elektrostahlverfahren 207
7.1.3 Sekundärmetallurgie und Weiterverarbeitung des Stahls 209
7.1.4 Stahlerzeugnisse 211
7.2 Wärmebehandlung: Glühen von Stahl 215
7.2.1 Homogenisierungsglühen, Lösungsglühen, Blankglühen 216
7.2.2 Grobkornglühen 217
7.2.3 Normalglühen 217
7.2.4 Weichglühen 218
7.2.5 Rekristallisationsglühen 218
7.2.6 Spannungsarmglühen 220
7.3 Wärmebehandlung: Härten und Vergüten von Stahl 220
7.3.1 Martensitisches Härten 220
7.3.2 Anlassvergüten 222
7.3.3 Bainitisches Vergüten 224
7.3.4 Patentieren 225
7.3.5 Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild (ZTU-Diagramm) 226
7.4 Wärmebehandlung: Ausscheidungshärtung von Spezialstählen 230
7.4.1 Kohärente Ausscheidungen in martensitaushärtenden Stählen (Maraging und PH-Stähle) 230
7.4.2 Sekundärhärtung durch Carbide und Nitride beim Anlassen 232
7.5 Wärmebehandlung: Härten der Oberfläche 232
7.5.1 Randschichthärten ohne thermochemische Diffusion 232
7.5.2 Verfahren mit thermochemischer Diffusion und martensitischer Randschichthärtung 235
7.5.3 Verfahren mit thermochemischer Diffusion ohne martensitische Randschichthärtung 237
7.5.4 Bestimmung der Einhärtetiefe (Härteverlaufskurve) 241
7.6 Wärmebehandlung: praktische Hinweise 242
7.7 Schweißeignung der Stähle 243
7.8 Aufgaben 244
Zusammenfassung 245
8 Stahl: Güteklassen, Kurznamen und Werkstoffnummern 247
8.1 Einteilung in Güteklassen 247
8.2 Kurznamen und Werkstoffnummern für Stahl 249
8.2.1 Kurznamen nach Verwendungszweck und mechanischen oder physikalischen Eigenschaften 249
8.2.2 Kurznamen nach chemischer Zusammensetzung 252
8.2.3 Internationale Werkstoffnummern 255
8.3 Aufgaben 259
Zusammenfassung 259
9 Stahl: Ausgewählte Sorten und Anwendungen 261
9.1 Stahlsorten für den Stahlbau 261
9.1.1 Unlegierte Baustähle und Maschinenbaustähle 261
9.1.2 Mikrolegierte Feinkornbaustähle mit erhöhter Festigkeit und Zähigkeit 263
9.1.3 Wetterfeste Baustähle 266
9.1.4 Flacherzeugnisse für das Kaltumformen 267
9.1.5 Flacherzeugnisse mit erhöhter Festigkeit für den Leichtbau von Automobilen 268
9.2 Spezielle Stahlsorten für den Maschinen- und Stahlbau 271
9.2.1 Kaltfließpressstähle (Kaltstauchstähle) 272
9.2.2 Automatenstähle für die spanende Bearbeitung 272
9.2.3 Einsatzstähle 274
9.2.4 Nitrierstähle 275
9.2.5 Vergütungsstähle 276
9.2.6 Federstähle 280
9.2.7 Verschleißfeste Wälzlagerstähle und Hartmanganstahl 283
9.2.8 Druckwasserstoffbeständige Stähle 285
9.2.9 Martensitaushärtende (Maraging-)Stähle mit höchster Festigkeit 285
9.2.10 Kaltzähe Stähle für tiefe Temperaturen 287
9.2.11 Warmfeste Stähle für hohe Temperaturen 288
9.3 Nichtrostende Stähle 291
9.3.1 Rostfreie ferritische Stähle 292
9.3.2 Rostfreie martensitische Stähle 293
9.3.3 Rostfreie nickelmartensitische und PH-Stähle 295
9.3.4 Rostfreie austenitische und superaustenitische Stähle 296
9.3.5 Rostfreie Duplex- und Superduplexstähle 298
9.3.6 Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und typische Anwendungen rostfreier Stähle 299
9.4 Nichtrostende hitzebeständige Stähle 301
9.5 Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften 303
9.5.1 Nichtrostende nichtmagnetisierbare Stähle 303
9.5.2 Elektrobleche 304
9.6 Stahlsorten für Werkzeuge 304
9.6.1 Unlegierte Werkzeugstähle 305
9.6.2 Legierte Kaltarbeitsstähle 305
9.6.3 Warmarbeitsstähle 308
9.6.4 Schnellarbeitsstähle 309
9.7 Aufgaben 312
Zusammenfassung 313
10 Eisengusswerkstoffe 315
10.1 Stahlguss 317
10.2 Herstellung von Gusseisen 319
10.3 Entstehung des Gefüges von Gusseisen 319
10.3.1 Eutektische Reaktion: Graues und weißes Gusseisen 319
10.3.2 Eutektoide Reaktion: Perlitische oder ferritische Matrix 320
10.3.3 Ferritische Matrix durch Perlitzerfall 320
10.4 Graues Gusseisen: Wichtigster Eisengusswerkstoff 322
10.4.1 Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) 322
10.4.2 Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) 325
10.4.3 Gusseisen mit Vermikulargraphit (GJV) 328
10.4.4 Sondergusseisen: korrosionsbeständiger austenitischer Grauguss (GJLA und GJSA) 328
10.4.5 Sondergusseisen: GJS-SiMo für hohe Temperaturen 329
10.4.6 Sondergusseisen: Ausferritisch vergütetes („bainitisches“) Gusseisen 329
10.5 Weißes Gusseisen 330
10.5.1 Perlitischer Hartguss (GJN) 330
10.5.2 Temperguss (GJMW und GJMB) 331
10.5.3 Sondergusseisen – verschleißfester perlitischer Hartguss 331
10.6 Kennzeichnung und Anwendungen von Gusseisen 331
10.7 Aufgaben 335
Zusammenfassung 336
11 Aluminium 337
11.1 Gewinnung von Aluminium 337
11.2 Nachhaltiges Aluminiumrecycling 339
11.3 Kennzeichnung und Einteilung der Aluminiumwerkstoffe 339
11.4 Verfestigungsmechanismen in Aluminiumlegierungen 342
11.5 Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen 343
11.5.1 Ausgewählte Glühbehandlungen 343
11.5.2 Ausscheidungshärten hochfester Aluminiumlegierungen 343
11.6 Anwendungen von Aluminium und seinen Legierungen 352
11.6.1 Reinaluminium und seine Anwendungen 352
11.6.2 Aluminiumknetlegierungen und ihre Anwendungen 354
11.6.3 Aluminiumgusslegierungen und ihre Anwendungen 358
11.7 Oberflächenbehandlungen 364
11.8 Aufgaben 364
Zusammenfassung 366
12 Andere Nichteisenmetalle 367
12.1 Titan 367
12.1.1 Arten und Anwendungen von Titanlegierungen 367
12.1.2 Fallstudie Anwendungen Titan in der Luftfahrt: Kampfjet 371
12.1.3 Fallstudie Anwendungen Titan in der Medizintechnik: Dentalimplantate 372
12.2 Magnesium 374
12.3 Nickel 375
12.3.1 Korrosionsbeständige Monellegierungen 375
12.3.2 Hochtemperaturfeste Nickelbasissuperlegierungen 376
12.3.3 Fallstudie einkristalline Turbinenschaufel 378
12.3.4 Heizleiter 379
12.3.5 Formgedächtnislegierungen 379
12.3.6 Weichmagnetische Nickellegierungen 379
12.4 Cobalt 380
12.5 Kupfer 380
12.5.1 Herstellung von Kupfer 380
12.5.2 Anwendungen von reinem und niedriglegiertem Kupfer 381
12.5.3 Anwendungen ausgewählter Kupferlegierungen 384
12.6 Zink 387
12.7 Zinn 387
12.8 Refraktärmetalle: Wolfram, Molybdän, Tantal und Niob 388
12.9 Edelmetalle 391
12.10 Aufgaben 392
Zusammenfassung 393
13 Keramik und Glas 395
13.1 Keramik: Herstellung und Konstruktionsregeln 396
13.2 Umgang mit dem Sprödbruchverhalten von Keramiken 398
13.2.1 Weibull-Festigkeitsverteilung von Keramiken 398
13.2.2 Bruchzähigkeit von Keramiken 399
13.3 Silikatkeramik 401
13.4 Feuerfeste Keramik 402
13.5 Hochleistungskeramik 404
13.5.1 Aluminiumoxid 404
13.5.2 Zirkoniumoxid 406
13.5.3 Siliziumcarbid 409
13.5.4 Siliziumnitrid 410
13.6 Schneidkeramik für die spanende Bearbeitung 411
13.7 Funktionskeramik 414
13.7.1 Piezoelektrische Keramiken 414
13.7.2 Vertiefung piezoelektrische Keramik: Fallstudie hochpräzise Positioniersysteme 417
13.7.3 Ferrimagnetische Keramiken 420
13.7.4 Supraleitende Keramiken 422
13.7.5 Optische Keramiken 422
13.8 Glaskeramik 424
13.9 Glas 425
13.9.1 Herstellung von Glas 426
13.9.2 Quarzglas 427
13.9.3 Kalk-Natron-Glas 428
13.9.4 Borosilikatglas 428
13.9.5 Thermisch und chemisch gehärtete Gläser 428
13.9.6 Verbund- und Sicherheitsgläser 430
13.9.7 Gefärbte Gläser und Überfanggläser 430
13.9.8 Gläser mit Bleioxid 430
13.10 Aufgaben 431
Zusammenfassung 432
14 Kunststoffe 433
14.1 Einteilung der Kunststoffe nach Vernetzungsgrad: Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste 435
14.2 Struktur und Eigenschaften thermoplastischer Kunststoffe 435
14.2.1 Monomere als chemische Grundbausteine 435
14.2.2 Entstehung kettenartiger Makromoleküle 436
14.2.3 Primärbindungen in den Molekülketten 436
14.2.4 Sekundärbindungen zwischen den Molekülketten 437
14.2.5 Amorphe und kristalline Bereiche in Kunststoffen 438
14.2.6 Kristalline Bereiche in Flüssigkristallpolymeren 439
14.2.7 Viskoelastisches Verhalten von amorphen und teilkristallinen Kunststoffen 439
14.2.8 Anisotropie beim Strecken der Makromoleküle 441
14.2.9 Lineare und verzweigte Ketten 442
14.2.10 Copolymere zum gezielten Einstellen von Eigenschaften 442
14.2.11 Zusatzstoffe (Additive) und Einfluss auf die Eigenschaften 443
14.3 Thermoplaste und ihre Anwendungen 443
14.3.1 Thermoplastische Massenkunststoffe 444
14.3.2 Thermoplastische Ingenieurkunststoffe 447
14.3.3 Thermoplastische Hochleistungskunststoffe 451
14.4 Elastomere und ihre Anwendungen 453
14.4.1 R-Kautschuke mit ungesättigten Hauptketten 453
14.4.2 M-Kautschuke mit gesättigten Hauptketten 455
14.4.3 Q-Kautschuke (Silikone) 456
14.4.4 U-Kautschuke (Polyurethane) 457
14.4.5 O- und T-Kautschuke 458
14.4.6 Spritzgießbare thermoplastische Elastomere 458
14.5 Duroplaste und ihre Anwendungen 459
14.6 Biokunststoffe 459
14.7 Aufgaben 462
Zusammenfassung 463
15 Werkstoffe, Rohstoffe und Nachhaltigkeit: persönliches Schlusswort 465
15.1 Ressourcenverbrauch und Kreislaufwirtschaft 465
15.2 Rohstoffabbau und Nachhaltigkeit 467
15.3 Verantwortung ist immer persönlich 469
Lösungen 471
Literatur 493
Stichwortverzeichnis 503
EULA 516