Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies - Rainer Schwab

Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies (eBook)

Rainer Schwab (Autor)

eBook Download: EPUB

2024 | 4. Auflage
496 Seiten
Wiley-VCH (Verlag)
978-3-527-84890-4 (ISBN)

Drum prüfe, wer den Werkstoff findet

Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung sind für viele Studierende eher Pflicht als Leidenschaft. Rainer Schwab zeigt Ihnen, dass es auch anders geht: Mit Humor und Präzision, mit einfachen Erklärungen und passenden Beispielen erklärt er Ihnen in dieser aktualisierten Auflage die Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung so spannend es nur geht. Von den Grundlagen zieht sich der Bogen über die Prüfmethoden hin zu den wichtigen konkreten Werkstoffen und Wärmebehandlungen. So ist dieses Buch das Rundumwohlfühlpaket für jeden, der sich mit dem Thema beschäftigt.

Sie erfahren

Was die wichtigen Eigenschaften der Werkstoffe sind
Wie Sie Härteprüfungen, Zugversuche und Co. richtig durchführen
Warum Eisen und Stahl so vielfältig sind
Welche wichtigen Werkstoffe es gibt, die nicht aus Eisen sind

Rainer Schwab war Professor für Werkstoffkunde an der Hochschule Karlsruhe. Er hat in Stuttgart und Birmingham Metallkunde studiert und arbeitete neun Jahre als wissenschaftlicher Mitarbeiter der Materialprüfungsanstalt Stuttgart. 2006 erhielt er den Landeslehrpreis des Landes Baden-Württemberg.

Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies

Schummelseite

BINDUNGEN UND KRISTALLE

Bindung = stabiler Gleichgewichtszustand von anziehenden und abstoßenden Kräften zwischen benachbarten Atomen; Einfluss auf Eigenschaften eines Werkstoffs
Wichtigste Kristallgitter: kubisch-flächenzentriertes (Cu, Al, Ni …), kubisch-raumzentriertes (Fe, Cr …) und hexagonal dichtest gepacktes (Zn, Mg …)
Polymorphie = Abhängigkeit der Kristallstruktur von Temperatur und Druck, wichtigstes Beispiel ist Eisen
Kristallbaufehler gibt es punktförmig (Leerstellen, Zwischengitteratome, Substitutionsatome), linienförmig (Versetzungen), flächenförmig (Korngrenzen, Stapelfehler, Zwillingskorngrenzen)
Werkstoffe sind meist vielkristallin, manchmal amorph, selten einkristallin

EIGENSCHAFTEN

Wärmeausdehnung:
Wärmeleitung:
Elektrischer Stromfluss:
Hookesches Gesetz:

THERMISCH AKTIVIERTE VORGÄNGE

Die Geschwindigkeit thermisch aktivierter Vorgänge ist abhängig von der Aktivierungsenergie Q und der Temperatur T:
Diffusion ist thermische Bewegung von Atomen/Teilchen, in Kristallen gibt es den Zwischengittermechanismus und den Leerstellenmechanismus
Rekristallisation ist die völlige Gefügeneubildung durch Glühen nach vorheriger plastischer Verformung
Kriechen ist die zeitabhängige plastische Verformung eines Werkstoffs unter konstanter Kraft
Spannungsrelaxation ist die zeitabhängige Abnahme der Spannung bei konstant gehaltener Gesamtverformung

ZUSTANDSDIAGRAMME

Völlige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand tritt auf bei ähnlichem Atomdurchmesser, gleichem Kristallgitter und ähnlichen chemischen Eigenschaften; führt zum Linsendiagramm
Völlige Löslichkeit im flüssigen, teilweise Löslichkeit im festen Zustand tritt auf bei Unterschieden in Atomdurchmesser, Kristallgitter und chemischem Verhalten; führt zu Eutektikum
Hebelgesetz gibt Mengenverhältnisse von Phasen im Zweiphasengebiet an

EISEN-KOHLENSTOFF-ZUSTANDSDIAGRAMM

Ferrit kann nur wenig Kohlenstoff lösen, Austenit viel
Zementit: Verbindung Fe3C, 6,7 % C, silbrig, hart, spröde
Im stabilen Legierungssystem Eisen-Kohlenstoff liegt der nicht gelöste Kohlenstoff in Form von Grafit vor, im metastabilen in Form von Zementit
Das Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff besteht aus Linsendiagramm, Peritektikum, Eutektikum und Eutektoid
Typische Gefüge nach langsamer Abkühlung: Ferrit bei 0 % C, Perlit (Ferrit und Zementit) bei 0,8 % C

ZUGVERSUCH

Kurzer Proportionalstab: L0 = 5 · d0 bei Rundprobe; auch Flachprobe sinnvoll
Streckgrenze ReH: größte elastisch ertragbare Spannung
Dehngrenze Rp0,2: Spannung, die 0,2 % bleibende Dehnung bewirkt
Zugfestigkeit Rm: größte Spannung im Zugversuch
Gleichmaßdehnung Ag: größtmögliche plastische Dehnung ohne lokale Einschnürung
Bruchdehnung A5: plastische Dehnung beim Bruch am kurzen Proportionalstab
Brucheinschnürung Z: prozentuale Querschnittsverringerung an der Bruchstelle gegenüber der ursprünglichen Querschnittsfläche

HÄRTEPRÜFUNG

Nach Brinell mit Hartmetallkugel, Durchmesser des Eindrucks gemessen, HBW = F/A
Nach Vickers mit vierseitiger Diamantpyramide, Diagonalen des Eindrucks gemessen, HV = F/A
Nach Rockwell mit Diamantkegel oder Hartmetallkugel, Eindringtiefe gemessen, HRC = (0,2–e) 500, e in mm

KERBSCHLAGBIEGEVERSUCH

Zäher Werkstoff sicher wegen Warnung vor Bruch, hoher Energieaufnahme, keinen scharfkantigen Einzelbruchstücken
Einflüsse auf die Zähigkeit: Werkstoff, Temperatur, Spannungszustand, Beanspruchungsgeschwindigkeit; Kerbschlagbiegeversuch prüft Zähigkeit unter ungünstigsten Bedingungen
Werkstoffe mit krz-Struktur haben Zäh-spröd-Übergang, solche mit kfz-Struktur nicht

SCHWINGFESTIGKEITSPRÜFUNG

Schwingbeanspruchung (Vorsicht mit dem Begriff) tut dem Werkstoff meist mehr »weh« als ruhende/statische Beanspruchung
Oberspannung, Unterspannung, Mittelspannung, Spannungsausschlag und Lastspiel sind wichtige Größen
Wöhlerkurve: Spannungsausschlag vorgegeben und nach oben aufgetragen, Bruchlastspielzahl nach rechts
Übliche Baustähle mit krz-Gitter haben »echte« Dauerfestigkeit, Aluminium mit kfz-Gitter hat keine

METALLOGRAFIE

Makroskopische Verfahren über große Bereiche, Ätzen macht Schweißnähte oder gehärtete Zonen sichtbar
Mikroskopische Verfahren: besonders gute Präparation nötig, Ätzen (Korngrenzen, Kornflächen) macht den Gefügeaufbau sichtbar, Lichtmikroskop begrenzt durch Wellenlänge des Lichts
Elektronenmikroskopie erlaubt höhere Vergrößerungen und chemische Analyse

ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG

Farbeindringprüfung nutzt Kapillareffekt; für alle Werkstoffe, aber nur für Fehler, die an Oberfläche grenzen
Magnetpulverprüfung nutzt Streufelder an Fehlern in Oberflächennähe bei magnetisierten Proben, sichtbar gemacht mit Magnetpulveraufschlämmung; Werkstoff muss ferromagnetisch sein, Magnetisierungsrichtung wichtig
Wirbelstromprüfung nutzt elektromagnetische Induktion und Wirbelströme; Stromrichtung/Fehlerlage wichtig
Ultraschallprüfung nutzt Ultraschallwellen, piezoelektrisch erzeugt und registriert; Durchschallungs- und Impuls-Echo-Verfahren, Einschallrichtung/Fehlerlage wichtig
Röntgen- und Gammastrahlenprüfung nutzen die Absorption elektromagnetischer Strahlen durch Werkstoff; Einstrahlrichtung/Fehlerlage wichtig

STAHLHERSTELLUNG

Erz (enthält Eisen), Koks (Reduktionsmittel) und Zuschläge (für Schlacke) sind die wichtigsten Ausgangsstoffe beim Hochofen; Roheisen entsteht
Unerwünschte Elemente im Roheisen werden mit Sauerstoff oxidiert und entfernt; das Sauerstoffaufblasverfahren nutzt vorwiegend flüssiges Roheisen, das Elektrostahlverfahren vorwiegend Schrott/Eisenschwamm
Nachbehandlungen verbessern Stahlqualität, wichtig ist das Beruhigen (Entfernen von Sauerstoff und Stickstoff), wirkt gegen das Altern

BEZEICHNUNG DER EISENWERKSTOFFE

Kurznamen enthalten Hinweise auf Verwendung und Eigenschaften oder chemische Zusammensetzung, Namen unterschiedlich aufgebaut
Werkstoffnummern immer gleich, kurz, knackig, aber man sieht ihnen nicht viel an

WÄRMEBEHANDLUNG DER STÄHLE

Glühbehandlungen: Normalglühen versetzt den Stahl in seinen »normalen«, feinkörnigen, guten Zustand zurück; Weichglühen verringert die Härte durch kugelige Karbide; Spannungsarmglühen reduziert die Eigenspannungen
Härten durch Austenitisieren und ausreichend schnelles Abkühlen; unlegierte Stähle müssen schnell abgeschreckt werden, bei legierten Stählen genügt langsamere Abkühlung
Vergüten ist Härten mit nachfolgendem Anlassen (Wiedererwärmen); führt zu optimaler Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit
Randschichthärten nutzt günstige Verschleißeigenschaften und gute Festigkeit der Randschicht in Verbindung mit zähem Kern

STAHLGRUPPEN

Unlegierte Baustähle: einfach, weitgehend problemlos, kostengünstig, meist nicht so superfest
Feinkornbaustähle sind aufgrund des feinen Korns fester und/oder zäher als normale Baustähle, überwiegend gut schweißgeeignet
Vergütungsstähle sind gehärtet und angelassen, hochfest bei guter Zähigkeit
Warmfeste Stähle haben verbesserte Festigkeit bei hohen Temperaturen
Hitzebeständige Stähle: gute Oxidationsbeständigkeit durch Cr, Al, Si
Kaltzähe Stähle haben bei tiefen Temperaturen eine verbesserte Zähigkeit, insbesondere Kerbschlagarbeit
Rostbeständige Stähle enthalten mindestens 12 % Cr und noch andere Elemente; ferritische Stähle haben krz-Gitter, preisgünstig, nicht so gute Zähigkeit; martensitische Stähle sind gehärtet; austenitische Stähle haben kfz-Gitter durch hohen Ni-Gehalt, sehr zäh; austenitisch-ferritische Sorten weisen krz- und kfz-Kristalle nebeneinander auf; bei allen Stählen spezifische Korrosionsarten beachten
Werkzeugstähle unterscheiden sich in Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit; werden eingeteilt in Kalt-, Warm- und Schnellarbeitsstähle

EISENGUSSWERKSTOFFE

Stahlguss ist in Formen gegossener Stahl, der nicht mehr umgeformt...

Erscheint lt. Verlag	29.5.2024
Sprache	deutsch
Themenwelt	Naturwissenschaften ► Chemie
ISBN-10	3-527-84890-8 / 3527848908
ISBN-13	978-3-527-84890-4 / 9783527848904

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