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Full Description
Der Klassiker der Werkstoffwissenschaft in elfter Auflage - unverzichtbar für Studierende der Werkstoffwissenschaft/Materialwissenschaft und des Maschinenbaues
Die moderne Werkstoffwissenschaft befasst sich mit der Darstellung und Erklärung der Eigenschaften von Werkstoffen wie Metallen, Keramiken und Polymeren auf Grundlage einer einheitlichen, naturwissenschaftlich geleiteten Betrachtungsweise. Damit geht dieses Wissensgebiet über die klassische Werkstoffkunde hinaus, die auf vorwiegend empirisch ermittelten Fakten ohne engen Verständniszusammenhang basiert. Die stark interdisziplinär geprägte Werkstoffwissenschaft bedient sich dabei der Erkenntnisse und Methoden der Festkörperphysik und -chemie, der Kristallographie und des Ingenieurwesens und ist als Kernfach in material- und ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen an Universitäten und Hochschulen verankert.
Ausgehend von den idealen und realen Strukturen von Metallen, Keramiken und Polymeren liefert dieses Standardlehrbuch eine Einführung in die grundlegenden Herstelltechniken von Werkstoffen, Phasenbildung und -umwandlung und die für praktische Anwendungen so wichtigen Zustandsdiagramme sowie die Entstehung und der Untersuchung des Gefüges von Werkstoffen mit qualitativen und quantitativen Charakterisierungsmethoden. Die folgenden Kapitel widmen sich der Beschreibung und Erklärung von thermisch aktivierten Vorgängen wie Diffusion, der Korrosion, den mechanischen Eigenschaften wie Plastizität und Bruch sowie den physikalischen Eigenschaften wie elektrische und thermische Leitfähigkeit, Supraleitung und der Wechselwirkung von Strahlung und Festkörpern.
Die 11. Auflage ergänzt die mechanischen Erscheinungen durch Ausführungen, mit deren Hilfe eine konsistente Einordnung der werkstoffwissenschaftlichen Betrachtungen in den Kontext der Technischen Mechanik möglich wird, und behandelt neu ausführlich die Werkstoffe Biopolymere im Speziellen und Biomaterialien im Allgemeinen. Die Herstelltechniken wurden ergänzt durch neue Abschnitte zur modernen additiven Fertigung.
Contents
Vorwort für die 11. Auflage xiii
Autorenverzeichnis xv
1 Einleitung 1
2 Zustände des festen Körpers 5
2.1 Kristalliner Zustand 7
2.1.1 Raumgitter und Kristallsysteme 7
2.1.2 Bravais-Gitter und Kristallstruktur 9
2.1.3 Analytische Beschreibung des Raumgitters 13
2.1.4 Polkugel und stereographische Projektion 17
2.1.5 Bindung im Festkörper 20
2.1.5.1 Aufbau und Energieniveaus der Atomhülle 23
2.1.5.2 Ionenbindung 29
2.1.5.3 Kovalente Bindung (Atombindung) 31
2.1.5.4 Metallbindung 33
2.1.5.5 Nebenvalenzbindung 34
2.1.5.6 Mischbindung 35
2.1.6 Koordination 36
2.1.7 Elementstrukturen 39
2.1.7.1 Kubisch raumzentrierte Metalle (Wolfram-Strukturtyp) 41
2.1.7.2 Kubisch flächenzentrierte Metalle (Kupfer-Strukturtyp) 41
2.1.7.3 Hexagonal dichtest gepackte (hdp) Metalle (Magnesium-Strukturtyp) 43
2.1.7.4 Kubisch flächenzentrierter Diamant-Strukturtyp 43
2.1.8 Legierungsstrukturen 44
2.1.8.1 Austauschmischkristalle 45
2.1.8.2 Überstrukturen 46
2.1.8.3 Einlagerungsmischkristalle 48
2.1.8.4 Intermetallische Phasen 48
2.1.9 Ionenstrukturen 52
2.1.10 Molekülstrukturen 58
2.1.10.1 Atombindung in Polymeren 58
2.1.10.2 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen in Polymeren 60
2.1.10.3 Aufbauprinzip und Infrastruktur von Makromolekülen 60
2.1.10.3.1 Konstitution von Makromolekülen 63
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 78
2.1.11.1 Nulldimensionale Gitterstörungen 79
2.1.11.2 Eindimensionale Gitterstörungen 82
2.1.11.3 Zweidimensionale Gitterstörungen 90
2.1.11.3.1 Stapelfehler 90
2.1.11.3.2 Antiphasengrenzen 92
2.1.11.3.3 Grenzflächen 92
2.1.11.3.4 Grenzflächen in nanokristallinen Materialien 99
2.1.11.4 Dreidimensionale Gitterstörungen und Defektwechselwirkungen 102
2.2 Zustand unterkühlter Schmelzen und Glaszustand 104
2.2.1 Charakteristik des Zustandes unterkühlter Schmelzen und des Glaszustandes 104
2.2.2 Strukturmodelle silicatischer Gläser 105
2.2.3 Struktur amorpher Polymere 109
2.2.4 Strukturmodelle amorpher Metalle 111
2.2.4.1 Strukturmodelle von schnellerstarrten amorphen Metallen 111
2.2.4.2 Strukturmodelle von metallischen Nanogläsern 112
3 Übergänge in den festen Zustand 121
3.1 Übergang vom flüssigen in den kristallinen Zustand 125
3.1.1 Keimbildung und -wachstum bei Metall- und lonenkristallen 126
3.1.1.1 Erstarrung von Schmelzen 132
3.1.1.2 Kristallisation aus Lösungsmitteln 136
3.1.1.3 Kristallisation von unterkühlten Glasschmelzen (Entglasung) 140
3.1.2 Kristallisation von Polymeren 142
3.1.2.1 Einfluss der Molekülstruktur auf die Kristallisation 142
3.1.2.2 Keimbildung und Kristallwachstum 143
3.1.3 Abscheidung aus kolloidalen Lösungen 146
3.2 Übergang in den Zustand der unterkühlten Schmelze und in den Glaszustand 149
3.2.1 Änderung der Viskosität bei der amorphen Erstarrung 154
3.2.2 Phasentrennung im Zustand der unterkühlten Schmelze 155
3.2.3 Amorphe Erstarrung von Metallen und Legierungen 158
3.3 Übergang aus dem gasförmigen in den kristallinen Zustand 161
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 γ-α-Umwandlung des Eisens 174
4.1.3 Martensitische Umwandlungen 175
4.1.4 Massivumwandlung 178
4.1.5 Umwandlungsbesonderheiten bei Polymeren 178
4.2 Umwandlungen mit Änderung der Konzentration 180
4.3 Umwandlungen mit Änderung der Konzentration und der Struktur 183
4.3.1 Ausscheidungsumwandlung 184
4.3.2 Eutektoider Zerfall 185
4.4 Ordnungsumwandlungen 187
4.5 Nichtkonventionelle Phasenbildung 189
4.5.1 Metastabile Phasenbildung in dünnen Schichten 191
4.5.2 Mechanisches Legieren von Pulvern 194
5 Zustandsdiagramme 197
5.1 Thermodynamische Grundlagen 197
5.2 Experimentelle Methoden zur Aufstellung von Zustandsdiagrammen 205
5.3 Grundtypen der Zustandsdiagramme von Zweistoffsystemen 211
5.3.1 Zustandsdiagramm eines Systems mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im festen und flüssigen Zustand 211
5.3.2 Zustandsdiagramm eines Systems mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen und vollständiger Unmischbarkeit im festen Zustand 213
5.3.3 Zustandsdiagramm von Systemen mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen und teilweiser Mischbarkeit im festen Zustand 215
5.3.4 Zustandsdiagramme von Systemen mit intermetallischen Phasen 218
5.3.5 Weitere Umwandlungen im festen Zustand 219
5.4 Einführung in Mehrstoffsysteme 220
5.5 Realdiagramme 224
5.5.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm 225
5.5.2 Zustandsdiagramm des Systems Kupfer-Zinn 228
5.5.3 Zustandsdiagramm des Systems SiO 2 - α-Al 2 O 3 230
5.5.4 Zustandsdiagramme von Polymermischungen 231
5.6 Ungleichgewichtsdiagramme 233
5.6.1 Ausbildung von Ungleichgewichtsgefügen 233
5.6.2 Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramme 236
5.6.3 Zeit-Temperatur-Auflösungs-Diagramme 239
5.6.4 ZTR-Diagramme bei Kopplung von Umwandlungs- und Umformvorgängen 241
6 Gefüge der Werkstoffe 247
6.1 Gefüge 248
6.2 Oberfläche 252
6.3 Herstellung der Schlifffläche 257
6.4 Entwicklung des Gefüges 260
6.4.1 Ätzen in Lösungen 261
6.4.2 Gefügeentwicklung bei hohen Temperaturen 267
6.4.3 Entwicklung des Gefüges durch lonenätzen 269
6.5 Mikroskopische Gefügeuntersuchung 270
6.5.1 Lichtmikroskopische Gefügebetrachtung 270
6.5.2 Gefügebetrachtung mithilfe des akustischen Reflexionsrastermikroskops 273
6.5.3 Elektronenmikroskopische Gefügeuntersuchung 273
6.5.3.1 Gefügebetrachtung 273
6.5.3.2 Weiterführende Untersuchungsverfahren 275
6.6 Quantitative Gefügeanalyse 277
6.6.1 Punktanalyse 279
6.6.2 Linearanalyse 279
6.6.3 Flächenanalyse 282
6.6.4 Charakterisierung der Form und Orientierung von Gefügebestandteilen 283
6.7 Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen 285
6.7.1 Einphasige Gefüge 287
6.7.2 Mehrphasige Gefüge 289
7 Thermisch aktivierte Vorgänge 297
7.1 Diffusion 299
7.1.1 Platzwechselmechanismen 301
7.1.2 Diffusionsgesetze 305
7.1.3 Bildung von Diffusionsschichten 309
7.1.4 Diffusionsgesteuerte Vorgänge 310
7.1.4.1 Diffusionskriechen 311
7.1.4.2 Versetzungskriechen 312
7.1.4.3 Sintern 313
7.1.5 Additive Fertigung 317
7.2 Kristallerholung und Rekristallisation 320
7.2.1 Kristallerholung 320
7.2.2 Rekristallisation 322
7.2.3 Kornwachstum 327
7.2.4 Rekristallisationstexturen 333
8 Korrosion 335
8.1 Korrosion der Metalle in wässrigen Medien 341
8.1.1 Grundlagen der elektrochemischen Korrosion 341
8.1.1.1 Elektrochemische Spannungsreihe und Korrosionsvorgänge 344
8.1.1.2 Geschwindigkeit elektrochemischer Reaktionen 348
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 379
8.4 Korrosion in Schmelzen 380
8.4.1 Korrosion von Metallen in durch Ablagerungen gebildeten Schmelzen 381
8.4.2 Korrosion feuerfester Baustoffe in Schmelzen 383
8.5 Korrosion der Metalle in heißen Gasen 384
8.5.1 Oxidation (Zundern) von Eisen 385
8.5.2 Oxidation von Legierungen 387
8.5.3 Schädigung von Stahl durch Druckwasserstoff 388
8.5.4 Aufkohlung und Metal Dusting 389
8.6 Korrosion feuerfester Werkstoffe in heißen Gasen 389
8.7 Korrosionsschutz 390
8.7.1 Passiver Korrosionsschutz 391
8.7.2 Aktiver Korrosionsschutz 392
9 Mechanische Erscheinungen 395
9.1 Reversible Verformung 398
9.1.1 Linear-elastische Verformung 398
9.1.2 Energie- und entropieelastische Verformung 400
9.1.3 Elastische Nachwirkung 401
9.1.4 Pseudoelastische Verformung 402
9.2 Plastische Verformung 403
9.2.1 Geometrie der plastischen Verformung von Einkristallen 404
9.2.2 Mechanismus der plastischen Verformung 407
9.2.2.1 Theoretische Festigkeit 407
9.2.2.2 Entstehen und Wechselwirkung von Versetzungen 409
9.2.2.3 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Fremdatomen 412
9.2.2.4 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Teilchen 413
9.2.3 Plastische Verformung polykristalliner Werkstoffe (Vielkristallplastizität) 417
9.2.3.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm 417
9.2.3.2 Orientierungseinfluss 419
9.2.3.3 Korngrenzeneinfluss 419
9.2.3.4 Streckgrenzenerscheinung 422
9.2.3.5 Verformungsgefüge und Textur 423
9.2.4 Plastische Wechselverformung 425
9.2.5 Besondere Erscheinungen der Plastizität 426
9.2.5.1 Superplastizität 426
9.2.5.2 Umwandlungsplastizität 428
9.3 Viskose und viskoelastische Verformung 429
9.4 Kriechen 433
9.5 Bruch 435
9.5.1 Makroskopische und mikroskopische Bruchmerkmale 435
9.5.2 Rissbildung 437
9.5.3 Rissausbreitung 440
9.5.4 Bruchmechanik 443
9.5.4.1 Linearelastische Bruchmechanik 444
9.5.4.2 Fließbruchmechanik 446
9.6 Eigenspannungen 448
9.7 Festigkeitssteigerung und Schadenstoleranz 451
9.7.1 Kombinierte Mechanismen zur Festigkeitssteigerung metallischer Werkstoffe 451
9.7.2 Festigkeitssteigerung durch Druckeigenspannungen in der Randschicht 453
9.7.3 Festigkeitssteigerung durch Verstrecken und Vernetzen 454
9.7.4 Festigkeitssteigerung durch Faserverstärkung 456
9.7.5 Steigerung von Festigkeit und Bruchzähigkeit durch Energiedissipation 461
9.8 Härte und Verschleiß 462
10 Physikalische Erscheinungen 467
10.1 Elektrische Leitfähigkeit 467
10.1.1 Elektrische Leitfähigkeit in Metallen 479
10.1.2 Elektrische Leitfähigkeit in Halbleitern 484
10.1.2.1 Eigenhalbleitung 484
10.1.2.2 Störstellenhalbleitung 485
10.1.2.3 Sperrschichthalbleitung 488
10.2 Supraleitung 490
10.2.1 Supraleitung in Metallen und intermetallischen Verbindungen 490
10.2.2 Supraleitende Oxidkeramiken mit hoher Sprungtemperatur 496
10.2.3 Supraleitung in Boriden, Carbiden und Nitriden 499
10.2.4 Supraleitung in Eisenverbindungen 500
10.3 Thermoelektrizität 501
10.4 Wärmeleitfähigkeit 504
10.5 Dielektrizität 508
10.6 Magnetismus 512
10.6.1 Erscheinungsformen des Magnetismus 512
10.6.2 Technische Magnetisierung 517
10.6.3 Weichmagnetisches Verhalten 521
10.6.4 Hartmagnetisches Verhalten 525
10.6.5 Ferrimagnetisches Verhalten 528
10.7 Thermische Ausdehnung 530
10.8 Temperaturunabhängiges elastisches Verhalten 535
10.9 Dämpfung 537
10.10 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Festkörpern 540
10.10.1 Wechselwirkung mit energiearmer Strahlung 542
10.10.2 Wechselwirkung mit energiereicher Strahlung 547
10.10.2.1 Elastische Streuung von ionisierenden Strahlen 547
10.10.2.2 Veränderungen in Festkörpern durch Strahlung 551
11 Bioinspirierte Materialien 559
11.1 Nucleinsäuren 560
11.1.1 Struktur der Nucleinsäuren 560
11.1.2 Anwendungen in der Nanotechnik 565
11.2 Proteine 570
11.2.1 Aufbau und Infrastruktur der Proteine 572
11.2.1.1 Aufbau der Proteine 572
11.2.2 Proteine der Zellmembran (Membranproteine) 578
11.2.2.1 Integrine 579
11.3 Bioengineering mit Proteinen für medizinischen Materialien 580
11.3.1 Tissue Engineering 581
11.3.2 Kollagen als Biomaterial 582
11.4 Bioinspirierte metallische Legierungen mit modifizierten Oberflächen 591
11.5 Kohlenhydrate 594
11.5.1 Strukturmodelle 594
11.5.2 Anwendungen in der Medizintechnik 595
Sachregister 599
