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Full Description
Vor dem Hintergrund einer in den wesentlichen Zügen einheitlichen Betrachtungsweise sowie unter dem Gesichtspunkt zunehmender Wissensverflechtung werden die Zustände fester Körper, die Zustandsänderungen und das daraus resultierende Verhalten metallischer, anorganisch-nichtmetallischer und organisch-nichtmetallischer Werkstoffe in einer Theorie und technische Aspekte gleichermaßen einschließenden Weise erörtert.
Ausgehend von den idealen und realen Strukturen aller Stoffgruppen folgen in acht weiteren Kapiteln die Beschreibung der Übergänge in den festen Zustand, der Phasenbildung und -umwandlung, der Zustandsdiagramme, des Werkstoffgefüges, von thermisch aktivierten Vorgängen sowie von korrosiven. mechanischen und physikalischen Erscheinungen und dementsprechenden Eigenschaften der Werkstoffe.
Contents
vorwort Zur 10. Auflage v
1 Einleitung 1
2 Zustände des festen Körpers 5
2.1 Kristalliner Zustand 7
2.1.1 Raumgitter und Kristallsysteme 8
2.1.2 Bravais-Gitter und Kristallstruktur 9
2.1.3 Analytische Beschreibung des Raumgitters 12
2.1.4 Polkugel und stereographische Projektion 18
2.1.5 Bindung im Festkörper 21
2.1.5.1 Aufbau und Energieniveaus der Atomhülle 25
2.1.5.2 Ionenbindung 30
2.1.5.3 Kovalente Bindung (Atombindung) 32
2.1.5.4 Metallbindung 34
2.1.5.5 Nebenvalenzbindung 35
2.1.5.6 Mischbindung 37
2.1.6 Koordination 38
2.1.7 Elementstrukturen 40
2.1.7.1 Krz Struktur (Wolfram-Typ) 40
2.1.7.2 Kfz Struktur (Kupfer-Typ) 42
2.1.7.3 Hexagonal dichteste Struktur (Magnesium-Typ) 43
2.1.8 Legierungsstrukturen 43
2.1.8.1 Austauschmischkristalle 44
2.1.8.2 Überstrukturen 45
2.1.8.3 Einlagerungsmischkristalle 46
2.1.8.4 Intermetallische Phasen 47
2.1.9 Ionenstrukturen 51
2.1.10 Molekülstrukturen 57
2.1.10.1 Atombindung in Polymeren 57
2.1.10.2 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen in Polymeren 59
2.1.10.3 Aufbauprinzip und Infrastruktur von Makromolekülen 61
2.1.10.3.1 Konstitution von Makromolekülen 61
2.1.10.3.2 Konfiguration von Makromolekülen 64
2.1.10.3.3 Konformation von Makromolekülen 65
2.1.10.4 Kristallstruktur von Polymeren 68
2.1.10.5 Modifizierung von Polymeren 74
2.1.11 Realstruktur 79
2.1.11.1 Nulldimensionale Gitterstörungen 79
2.1.11.2 Eindimensionale Gitterstörungen 82
2.1.11.3 Zweidimensionale Gitterstörungen 92
2.1.11.3.1 Stapelfehler 92
2.1.11.3.2 Antiphasengrenzen 94
2.1.11.3.3 Grenzflächen 94
2.1.11.3.4 Grenzflächen in nanokristallinen Materialien 101
2.1.11.4 Dreidimensionale Gitterstörungen und Defektwechselwirkungen 104
2.2 Zustand unterkühlter Schmelzen und Glaszustand 107
2.2.1 Charakteristik des Zustandes unterkühlter Schmelzen und des Glaszustandes 107
2.2.2 Strukturmodelle silicatischer Gläser 108
2.2.3 Struktur amorpher Polymere 113
2.2.4 Strukturmodelle amorpher Metalle 115
Literaturhinweise 116
3 Übergänge in den festen Zustand 119
3.1 Übergang vom flüssigen in den kristallinen Zustand 123
3.1.1 Keimbildung und -wachstum bei Metall- und Ionenkristallen 125
3.1.1.1 Erstarrung von Schmelzen 131
3.1.1.2 Kristallisation aus Lösungsmitteln 134
3.1.1.3 Kristallisation von unterkühlten Glasschmelzen (Entglasung) 139
3.1.2 Kristallisation von Polymeren 140
3.1.2.1 Einfluss der Molekülstruktur auf die Kristallisation 141
3.1.2.2 Keimbildung und Kristallwachstum 141
3.1.3 Abscheidung aus kolloidalen Lösungen 146
3.2 Übergang in den Zustand der unterkühlten Schmelze und in den Glaszustand 148
3.2.1 Änderung der Viskosität bei der amorphen Erstarrung 153
3.2.2 Phasentrennung im Zustand der unterkühlten Schmelze 155
3.2.3 Amorphe Erstarrung von Metallen und Legierungen 157
3.3 Übergang aus dem gasförmigen in den kristallinen Zustand 161
Literaturhinweise 165
4 Phasenumwandlungen im festen Zustand 167
4.1 Umwandlungen mit Änderung der Struktur 171
4.1.1 Allotrope Umwandlungen des SiO 2 171
4.1.2 Die c-a-Umwandlung des Eisens 175
4.1.3 Martensitische Umwandlungen 176
4.1.4 Massivumwandlung 178
4.1.5 Umwandlungsbesonderheiten bei Polymeren 179
4.2 Umwandlungen mit Änderung der Konzentration 180
4.3 Umwandlungen mit Änderung der Konzentration und der Struktur 184
4.3.1 Ausscheidungsumwandlung 184
4.3.2 Eutektoider Zerfall 186
4.4 Ordnungsumwandlungen 188
4.5 Nichtkonventionelle Phasenbildung 191
4.5.1 Metastabile Phasenbildung in dünnen Schichten 192
4.5.2 Mechanisches Legieren von Pulvern 195
Literaturhinweise 198
5 Zustandsdiagramme 199
5.1 Thermodynamische Grundlagen 199
5.2 Experimentelle Methoden zur Aufstellung von Zustandsdiagrammen 207
5.3 Grundtypen der Zustandsdiagramme von Zweistoffsystemen 213
5.3.1 Zustandsdiagramm eines Systems mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im festen und flüssigen Zustand 213
5.3.2 Zustandsdiagramm eines Systems mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen und vollständiger Unmischbarkeit im festen Zustand 215
5.3.3 Zustandsdiagramm von Systemen mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen und teilweiser Mischbarkeit im festen Zustand 218
5.3.4 Zustandsdiagramme von Systemen mit intermetallischen Phasen 221
5.3.5 Weitere Umwandlungen im festen Zustand 222
5.4 Einführung in Mehrstoffsysteme 223
5.5 Realdiagramme 227
5.5.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm 227
5.5.2 Zustandsdiagramm des Systems Kupfer-Zinn 231
5.5.3 Zustandsdiagramm des Systems SiO 2 -a-Al 2 O 3 233
5.5.4 Zustandsdiagramme von Polymermischungen 234
5.6 Ungleichgewichtsdiagramme 236
5.6.1 Ausbildung von Ungleichgewichtsgefügen 236
5.6.2 Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramme 240
5.6.3 Zeit-Temperatur-Auflösungs-Diagramme 243
5.6.4 ZTR-Diagramme bei Kopplung von Umwandlungs- und Umformvorgängen 244
Literaturhinweise 248
6 Gefüge der Werkstoffe 249
6.1 Gefüge 250
6.2 Oberfläche 254
6.3 Herstellung der Schlifffläche 259
6.4 Entwicklung des Gefüges 262
6.4.1 Ätzen in Lösungen 263
6.4.2 Gefügeentwicklung bei hohen Temperaturen 269
6.4.3 Entwicklung des Gefüges durch Ionenätzen 271
6.5 Sichtbarmachen des Gefüges 272
6.5.1 Lichtmikroskopische Gefügebetrachtung 272
6.5.2 Gefügebetrachtung mithilfe des akustischen Reflexionsrastermikroskopes 275
6.5.3 Elektronenmikroskopische Gefügebetrachtung 275
6.5.4 Untersuchung mit der Elektronenstrahlmikrosonde (ESMA) 276
6.6 Quantitative Gefügeanalyse 278
6.6.1 Flächenanalyse 279
6.6.2 Linearanalyse 280
6.6.3 Charakterisierung der Form und Orientierung der Gefügebestandteile 282
6.6.4 Punktanalyse 284
6.7 Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen 284
6.7.1 Einphasige Gefüge 287
6.7.2 Mehrphasige Gefüge 288
Literaturhinweise 295
7 Thermisch aktivierte Vorgänge 297
7.1 Diffusion 299
7.1.1 Platzwechselmechanismen 301
7.1.2 Diffusionsgesetze 306
7.1.3 Bildung von Diffusionsschichten 310
7.1.4 Diffusionsgesteuerte Vorgänge 312
7.1.4.1 Diffusionskriechen 312
7.1.4.2 Versetzungskriechen 313
7.1.4.3 Sintern 315
7.2 Kristallerholung und Rekristallisation 319
7.2.1 Kristallerholung 319
7.2.2 Rekristallisation 321
7.2.3 Kornwachstum 326
7.2.4 Rekristallisationstexturen 333
Literaturhinweise 333
8 Korrosion 335
8.1 Korrosion der Metalle in wässrigen Medien 341
8.1.1 Grundlagen der elektrochemischen Korrosion 342
8.1.1.1 Elektrochemische Spannungsreihe und Korrosionsvorgänge 345
8.1.1.2 Geschwindigkeit elektrochemischer Reaktionen 349
8.1.2 Gleichförmige Korrosion 351
8.1.3 Passivität und Inhibition 355
8.1.4 Korrosionselemente 360
8.1.5 Lochkorrosion 364
8.1.6 Selektive und interkristalline Korrosion 367
8.1.7 Spannungsrisskorrosion 369
8.1.8 Schwingungsrisskorrosion 371
8.2 Korrosion anorganisch-nichtmetallischer Werkstoffe in wässrigen Medien 372
8.3 Korrosion von Polymeren in flüssigen Medien 375
8.3.1 Begrenzte und unbegrenzte Quellung 377
8.3.2 Schädigung durch chemische Reaktionen 379
8.3.3 Spannungsrisskorrosion von Polymeren 380
8.4 Korrosion in Schmelzen 381
8.4.1 Korrosion von Metallen in durch Ablagerungen gebildeten Schmelzen 382
8.4.2 Korrosion feuerfester Baustoffe in Schmelzen 384
8.5 Korrosion der Metalle in heißen Gasen 385
8.5.1 Oxidation (Zundern) von Eisen 386
8.5.2 Oxidation von Legierungen 389
8.5.3 Schädigung von Stahl durch Druckwasserstoff 390
8.5.4 Aufkohlung und Metal Dusting 390
8.6 Korrosion feuerfester Werkstoffe in heißen Gasen 391
8.7 Korrosionsschutz 392
8.7.1 Passiver Korrosionsschutz 393
8.7.2 Aktiver Korrosionsschutz 394
Literaturhinweise 395
9 Mechanische Erscheinungen 397
9.1 Reversible Verformung 398
9.1.1 Linearelastische Verformung 399
9.1.2 Energie- und entropieelastische Verformung 401
9.1.3 Anelastische Verformung 402
9.1.4 Pseudoelastische Verformung 403
9.2 Plastische Verformung 404
9.2.1 Geometrie der plastischen Verformung von Einkristallen 405
9.2.2 Mechanismus der plastischen Verformung 408
9.2.2.1 Theoretische Festigkeit 408
9.2.2.2 Entstehen und Wechselwirkung von Versetzungen 410
9.2.2.3 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Fremdatomen 412
9.2.2.4 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Teilchen 414
9.2.3 Plastische Verformung polykristalliner Werkstoffe (Vielkristallplastizität) 418
9.2.3.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm 418
9.2.3.2 Orientierungseinfluss 419
9.2.3.3 Korngrenzeneinfluss 420
9.2.3.4 Streckgrenzenerscheinung 422
9.2.3.5 Verformungsgefüge und Textur 424
9.2.4 Plastische Wechselverformung 425
9.2.5 Besondere Erscheinungen der Plastizität 427
9.2.5.1 Superplastizität 427
9.2.5.2 Umwandlungsplastizität 429
9.3 Viskose und viskoelastische Verformung 430
9.4 Kriechen 433
9.5 Bruch 435
9.5.1 Makroskopische und mikroskopische Bruchmerkmale 436
9.5.2 Rissbildung 437
9.5.3 Rissausbreitung 441
9.5.4 Bruchmechanik 444
9.5.4.1 Linearelastische Bruchmechanik 444
9.5.4.2 Fließbruchmechanik 447
9.6 Eigenspannungen 449
9.7 Festigkeitssteigerung und Schadenstoleranz 452
9.7.1 Kombinierte Mechanismen zur Festigkeitssteigerung metallischer Werkstoffe 452
9.7.2 Festigkeitssteigerung durch Druckeigenspannungen in der Randschicht 454
9.7.3 Festigkeitssteigerung durch Verstrecken und Vernetzen 455
9.7.4 Festigkeitssteigerung durch Faserverstärkung 457
9.7.5 Steigerung von Festigkeit und Bruchzähigkeit durch Energiedissipation 462
9.8 Härte und Verschleiß 464
Literaturhinweise 467
10 Physikalische Erscheinungen 469
10.1 Elektrische Leitfähigkeit 469
10.1.1 Elektrische Leitfähigkeit in Metallen 481
10.1.2 Elektrische Leitfähigkeit in Halbleitern 486
10.1.2.1 Eigenhalbleitung 487
10.1.2.2 Störstellenhalbleitung 487
10.1.2.3 Sperrschichthalbleitung 490
10.2 Supraleitung 492
10.2.1 Supraleitung in Metallen und intermetallischen Verbindungen 492
10.2.2 Supraleitende Oxidkeramiken mit hoher Sprungtemperatur 498
10.2.3 Supraleitung in Boriden, Carbiden und Nitriden 502
10.2.4 Supraleitung in Eisenverbindungen 503
10.3 Thermoelektrizität 504
10.4 Wärmeleitfähigkeit 507
10.5 Dielektrizität 510
10.6 Magnetismus 515
10.6.1 Erscheinungsformen des Magnetismus 515
10.6.2 Technische Magnetisierung 520
10.6.3 Weichmagnetisches Verhalten 525
10.6.4 Hartmagnetisches Verhalten 529
10.6.5 Ferrimagnetisches Verhalten 531
10.7 Thermische Ausdehnung 533
10.8 Temperaturunabhängiges elastisches Verhalten 539
10.9 Dämpfung 541
10.10 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Festkörpern 545
10.10.1 Wechselwirkung mit energiearmer Strahlung 547
10.10.2 Wechselwirkung mit energiereicher Strahlung 551
10.10.2.1 Elastische Streuung von ionisierenden Strahlen 552
10.10.2.2 Veränderungen in Festkörpern durch Strahlung 556
Literaturhinweise 562
Register 565
