Description
(Text)
Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung sind für viele Studierenden eher Pflicht als Leidenschaft. Rainer Schwab zeigt Ihnen, dass es auch anders sein kann: Mit Humor und Präzision, mit einfachen Erklärungen und passenden Beispielen erklärt er Ihnen die Werkstoffkunde so spannend es nur geht. Er beginnt mit den Atombindungen und Kristallen, erläutert dann die wichtigsten Eigenschaften von Werkstoffen und führt Sie in die berühmt-berüchtigten Zustandsdiagramme ein. Anschließend lernen Sie die Methoden der Werkstoffprüfung kennen und tauchen in die faszinierende Welt des Stahls und der Eisengusswerkstoffe ein. Auch Nichteisenmetalle, Hochleistungskeramiken und Kunststoffe kommen nicht zu kurz. So ist dieses Buch perfekt für jeden, der sich mit Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung beschäftigt. Passgenau abgestimmt bietet der Autor zusätzlich noch das "Übungsbuch Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies" sowie Filme zur Werkstoffprüfung auf YouTube an.
(Author portrait)
Rainer Schwab ist Professor für Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung an der Hochschule Karlsruhe. Er hat in Stuttgart und Birmingham Metallkunde studiert und arbeitete neun Jahre als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Materialprüfungsanstalt Stuttgart. Im Jahr 2006 erhielt er den Landeslehrpreis des Landes Baden-Württemberg.
Contents
Einleitung 23 Uber dieses Buch 23 Konventionen in diesem Buch 24 Was Sie nicht lesen mussen 24 Torichte Annahmen uber den Leser 24 Wie dieses Buch aufgebaut ist 24 Teil I: Ausgewahlte Grundlagen als Basis 25 Teil II: Die wichtigsten Methoden der Werkstoffprufung 25 Teil III: Eisen und Stahl, noch lange kein Alteisen 25 Teil IV: Was es ausser den Eisenwerkstoffen noch Hochinteressantes gibt 25 Teil V: Der Top-Ten-Teil 25 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 25 Filme, die es zu diesem Buch gibt 26 Ein Buch, das es zu diesem Buch gibt 26 Wie es weitergeht 26 Teil I Ausgewahlte Grundlagen als Basis 27 Kapitel 1 Von Atomen, Bindungen und Kristallen: Werkstoffe sind wunderschon 29 Bindungen zwischen den Atomen, fast wie bei den Menschen 29 Atome im Werkstoff 30 Die Bindungskrafte 30 Das Besondere 32 Und das sind die Auswirkungen in der Praxis 33 Alles eine Frage der Ordnung: Die wichtigsten Atomanordnungen 33 Regellose Anordnung der Atome es lebe das Chaos 33 Regelmassige Anordnung der Atome es lebe die Ordnung 34 Polymorphie bei Kristallen, die unglaublichen Vorgange im Inneren 37 Kristallbaufehler: Nichts ist perfekt 40 Nulldimensionale (punktformige) Kristallbaufehler 41 Eindimensionale (linienformige) Kristallbaufehler 43 Zweidimensionale (flachenformige) Kristallbaufehler 45 Einkristall und Vielkristall im Alltag 47 Kapitel 2 Einige Eigenschaften von Werkstoffen, die Sie kennen sollten 49 Warmeausdehnung, eine Frage der Temperatur 49 Schmieden Sie die Warmeausdehnungsgleichung 50 Der lineare Warmeausdehnungskoeffizient 51 Die Logik dahinter 52 Die Bedeutung in der Praxis 53 Elektrische Leitfahigkeit, eine Frage des Durchkommens 54 Schmieden Sie das ohmsche Gesetz 55 Die elektrische Leitfahigkeit der metallischen Werkstoffe 57 Die Logik dahinter 58 Blick in die Praxis 59 Warmeleitfahigkeit, auch eine Frage des Durchkommens 59 Mechanismus der Warmeleitung 60 Schmieden Sie die Warmeleitungsgleichung 61 Die Warmeleitfahigkeit der metallischen Werkstoffe 62 Die Logik dahinter 63 Blick in die Praxis 64 Elastische Verformung, eine Frage des Federns 65 Das hookesche Gesetz, uralt und doch modern 65 Der Elastizitatsmodul 67 Praktische Bedeutung 70 Plastische Verformung, eine Frage bleibender Formanderung 70 Kapitel 3 Manche mogen s heiss: Thermisch aktivierte Vorgange 73 Werkstoffe, die wechselwarmen Tiere 73 So "denkt" die Natur 73 Die Sache mit der Aktivierungsenergie und der Temperatur 75 Ein bisschen Physik und Mathe 76 Freud und Leid 76 Diffusion: Und sie bewegen sich doch 76 Mechanismen der Diffusion gewusst wie 77 Die praktische Bedeutung 78 Erholung und Rekristallisation: Der Werkstoff lebt 79 Vorgange im Inneren 79 Etwas Wissenschaft muss sein 82 Warum es die Werkstoffe tun 82 Notwendige Bedingungen 83 Entscheidend ist, was hinten rauskommt 85 Praktische Bedeutung 87 Kriechen und Spannungsrelaxation: Nichts ist fur die Ewigkeit 87 Jetzt geht s ans Kriechen 88 Spannungsrelaxation, die Entspannung naht 93 Kapitel 4 Legierungsbildung und Zustandsdiagramme: Beruhmt, beruchtigt, gefurchtet 95 Grundbegriffe: Die mussen sein 95 Der Begriff Legierung 95 Der Begriff chemische Zusammensetzung oder Konzentration 96 Der Begriff Phase 97 Der Begriff Mischkristall 98 Der Begriff Zustandsdiagramm 99 Das eine Extrem: Unloslichkeit im flussigen und festen Zustand 101 Ein konkretes Zustandsdiagramm als Beispiel 101 Eine ausgewahlte Legierung 103 Hinweise fur die Cracks 103 Die Anwendung ist hier selten 103 Das andere Extrem: Vollige Loslichkeit im flussigen und festen Zustand 103 Wieder ein konkretes Zustandsdiagramm als Beispiel 104 Munzfalscher 106 Der Unterschied macht s 107 Ausbalanciert 108 Bis die Atome sichtbar werden 109 Praktische Bedeutung 112 Der Kompromiss: Vollige Loslichkeit im flussigen, teilweise Loslichkeit im festen Zustand 112 Von Bekanntem zu Neuem 113 Wieder ein konkretes Zustandsdiagramm als Beispiel 115 Wie es weitergeht 120 Die Faszination und Anwendung der eutektischen Legierungen 121 Mut zur Lucke 121 Die Praxis: Beispiele von Zustandsdiagrammen 121 Ausblick 124 Kapitel 5 Legierungssystem Eisen-Kohlenstoff, Basis fur alle Eisenwerkstoffe 125 Erst einmal reines Eisen 125 So kommt die Kohle ins Eisen 127 Die Lucken im krz-Gitter 127 Die Lucken im kfz-Gitter 128 Und das sind die Folgen 128 Und jetzt das beruhmte Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm 128 Stabiles Legierungssystem 129 Metastabiles Legierungssystem 135 Teil II Die wichtigsten Methoden der Werkstoffprufung 147 Kapitel 6 Anspruchsvoller, als viele glauben: Der Zugversuch 149 So wird s gemacht 150 Schafft jeden Werkstoff: Die Prufmaschine 150 Nicht ganz harmlos: Die Zugproben 151 Kraft-Verlangerungs-Diagramm und Spannungs-Dehnungs-Diagramm: Das Resultat 153 Die Kennwerte des Zugversuchs im Uberblick 160 Starke zahlt: Die Festigkeitskennwerte 160 Formbarkeit zahlt: Die Zahigkeitskennwerte 162 Elastizitat zahlt: Die elastischen Kennwerte 163 Ausblick und Schlusswort 163 Kapitel 7 Hart, aber fair: Die Harteprufung 165 Ein paar Uberlegungen vorweg 165 So funktioniert ein modernes Harteprufgerat 166 Harteprufung nach Brinell 167 So prufen Sie 167 Der richtige Kugeldurchmesser 168 Die richtige Prufkraft 168 Und so ermitteln Sie den Hartewert 170 Sechs Tipps zum Hartewert 171 Ein interessanter Zusammenhang 172 Harteprufung nach Vickers 172 So prufen Sie 173 Und so ermitteln Sie den Hartewert 173 Wieder ein paar Tipps zum Hartewert 174 Fazit 174 Harteprufung nach Rockwell 175 So prufen Sie 176 Und so erhalten Sie die Rockwellharte 176 Noch ein paar Anmerkungen 177 Die Harteprufverfahren im Vergleich 178 Kapitel 8 Das unbekannte Wesen: Die Kerbschlagbiegeprufung 181 Die Philosophie dahinter 181 Zah heisst sicher 181 Einflusse auf die Zahigkeit 183 Und jetzt der Schwenk zum Kerbschlagbiegeversuch 188 So sieht die Kerbschlagbiegeprobe aus 188 Versuchseinrichtung und -durchfuhrung 189 So wirken sich Werkstoff und Temperatur auf die Kerbschlagarbeit aus 191 Bedeutung, Anwendung, Praxis 194 Kapitel 9 Unermudlich: Die Schwingfestigkeitsprufung 195 Schon mit der Uberschrift beginnt der Arger 195 Das Phanomen 195 Das Problemmit dem Namen 197 Das passiert innen drin im Werkstoff 198 Die wichtigsten Grundbegriffe 200 Wohlerkurve und Dauerfestigkeit 202 Was da noch zu beachten ware 206 Kapitel 10 Blick ins Innerste: Die Metallografie 209 Zuerst der Begriff 209 Furs Grobe: Makroskopische Verfahren 210 So gehen Sie vor 210 Und das konnen Sie an geschliffenen Proben sehen 211 Das sehen Sie an polierten Proben 212 Richtig interessant wird es durch Atzen 212 Die Lichtmikroskopie, faszinierend wie eh und je 214 Ohne gute Probenpraparation lauft gar nichts 214 So funktioniert das Lichtmikroskop 215 Und das erkennen Sie im Lichtmikroskop 216 Kann suchtig machen: Die Elektronenmikroskopie 220 So funktioniert ein Rasterelektronenmikroskop 220 Atome enttarnen: Die chemische Analyse 224 Kapitel 11 Macht nichts kaputt: Die zerstorungsfreie Prufung 227 Die Gedanken sind frei 227 Sicher ist sicher 228 Das soll die zerstorungsfreie Prufung konnen 230 Die Kapillarverfahren 231 So funktioniert die Farbeindringprufung 231 Die Vor- und Nachteile im Uberblick 233 Die magnetischen Verfahren 233 So funktioniert die Magnetpulverprufung 233 Ein paar Anmerkungen dazu 234 Richtig magnetisiert ist halb gepruft die Magnetisierungsmethoden in der Praxis 235 Die induktiven Verfahren 236 So funktioniert die Wirbelstromprufung 236 Ein Blick in die Praxis 238 Die Schallverfahren 239 Ausgewahlte Grundlagen der Ultraschallprufung 239 Die Praxis der Ultraschallprufung 247 Die Strahlenverfahren 249 So erzeugen Sie Rontgen- und Gammastrahlen 249 Und so prufen Sie Werkstucke grundsatzlich 251 Teil III Eisen und Stahl, noch lange kein Alteisen 255 Kapitel 12 Stahlherstellung der Weg vom Erz zum Stahl 257 Das Ziel im Blick 257 Der erste Schritt: Vom Erz zum Roheisen 258 Die richtigen Zutaten 258 Rein in den Ofen 258 Die chemischen Reaktionen 259 Grosstechnisch umgesetzt 260 Und so wird aus Roheisen Stahl der zweite Schritt 260 Die Grundidee 261 Das Sauerstoffaufblasverfahren 261 Das Elektrostahlverfahren 262 Die Nachbehandlung 263 Das Finale 263 Kapitel 13 Nomen est omen: Die normgerechte Bezeichnung der Eisenwerkstoffe 265 Die Philosophie und Systematik dahinter 265 Kennzeichnung mit Kurznamen, die personliche Methode 267 Wenn der Kurzname einen Hinweis auf Verwendung und Eigenschaften enthalten soll 267 Wenn der Kurzname einen Hinweis auf die chemische Zusammensetzung enthalten soll 270 Kennzeichnung mit Werkstoffnummern, die sichere Methode 273 Testen Sie sich 273 Kapitel 14 Von heissen Ofen und kuhlen Badern: Die Warmebehandlung der Stahle 275 Ziel der Warmebehandlung oder warum die Werkstoffleute das tun 275 Temperaturfuhrung, gezieltes Auf und Ab 276 Die beruhmten Gluhbehandlungen 277 Das Normalgluhen 279 Das Weichgluhen 282 Das Spannungsarmgluhen 284 Weitere Gluhbehandlungen 286 Noch ein Tipp 286 Alles, was hart macht: Das Harten 287 Einfluss der Abkuhlgeschwindigkeit 287 Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm, nicht ganz einfach 290 Die Harteverfahren 305 Verguten in den guten Zustand bringen 309 Harte Schale, weicher Kern: Das Randschichtharten 311 Kapitel 15 Stahlgruppen, die unendliche Vielfalt 317 Kohlenstoff und Legierungselemente, die Gewurze und Zutaten im Stahl, wie sie schmecken und was sie so anrichten 317 Die Eigenschaften der unlegierten Stahle 317 Der Reiz der niedriglegierten Stahle 321 Das Gefuge der hochlegierten Stahle 322 Die Grundgerichte: Unlegierte Baustahle 328 Die Wunschliste bei den Baustahlen 328 Und das sind ihre Eigenschaften 329 Haute Cuisine: Schweissgeeignete Feinkornbaustahle 332 Der Reiz der Festigkeit 332 Das Geheimnis der feinen Korner 333 Die konkreten Feinkornbaustahle 334 Einige Fragen und Anmerkungen dazu 335 Ein Blick auf die Anwendung 336 Gezielter Ofeneinsatz: Vergutungsstahle 336 Brennen nicht so schnell an: Warmfeste und hitzebestandige Stahle 340 Warmfeste Stahle 340 Hitzebestandige Stahle 345 Schmecken auch kalt: Kaltzahe Stahle 347 Halten sich lang: Nichtrostende Stahle 348 Die ferritischen Stahle 351 Die martensitischen Stahle 352 Austenitische Stahle 354 Austenitisch-ferritische Stahle 356 Korrosionsarten, die es eigentlich gar nicht geben durfte 358 Ein paar abschliessende Bemerkungen zu den rostbestandigen Stahlen 362 Messer und Gabel: Werkzeugstahle 362 Die Wunschliste bei den Werkzeugstahlen 362 Anlassbestandigkeit und Einteilung der Werkzeugstahle 363 Fur massvolle Temperaturen: Die Kaltarbeitsstahle 365 Wenn's heiss hergeht: Die Warmarbeitsstahle 366 Wenn's schnell gehen muss: Die Schnellarbeitsstahle 366 Stahle, von denen ich Ihnen nichts erzahle 368 Kapitel 16 Eisengusswerkstoffe, genauso vielfaltig wie die Stahle 369 Worin sich Stahl, Stahlguss und Gusseisen unterscheiden 369 Stahlguss, in Formen gegossener Stahl 371 Gusseisen, der landlaufige "Guss" 372 Gefugeausbildung oder was innen drin ist 372 Hart und verschleissfest: Hartguss 376 Der Klassiker: Gusseisen mit Lamellengrafit 377 Ganz schon zah: Gusseisen mit Kugelgrafit 382 Der Kompromiss: Gusseisen mit Vermiculargrafit 384 Der Besondere: Temperguss 385 Teil IV Was es ausser den Eisenwerkstoffen noch Hochinteressantes gibt 387 Kapitel 17 Nichteisenmetalle 389 Auch Nichteisenmetalle werden sinnvoll bezeichnet 389 Ein Beispiel fur einen Kurznamen 390 Und so ist die Werkstoffnummer aufgebaut 391 Der edel aussehende Werkstoff: Aluminium und Aluminiumlegierungen 392 Die Herstellung ist gar nicht so einfach 392 Einige typische Eigenschaften 392 Warum das reine Aluminium so weich ist 394 Wie Sie das Aluminium fest bekommen 395 Die Aluminiumlegierungen in der Praxis 401 Der bunte Werkstoff: Kupfer und Kupferlegierungen 406 Herstellung mit langer Tradition 406 Einige charaktervolle Eigenschaften 407 Reinkupfersorten, charmant und variantenreich 408 Kupferlegierungen in der Praxis 412 Weitere Nichteisenmetalle und -legierungen, da ist noch Musik drin 412 Kapitel 18 Anorganische nichtmetallische Werkstoffe und was sich dahinter verbirgt 415 Glas, klar doch 415 Ein bisschen Grundlegendes 416 Ein paar Eigenschaften 418 Keramiken, traditionell bis hochmodern 419 Herstellung mehr als Topfern 419 Der Charakter der Keramiken 424 Die konkreten Keramiken 425 Weitere anorganische nichtmetallische Werkstoffe 432 Kapitel 19 Nicht mehr wegzudenken: Die Kunststoffe 433 Um was es sich bei den Kunststoffen uberhaupt handelt 433 Viele Wege zum Ziel: Die Herstellung der Kunststoffe 434 Die Additionspolymerisation 435 Die Kondensationspolymerisation 439 Die Eigenschaften der Kunststoffe ganz pauschal 440 Wie es innen aussieht: Der Aufbau der Kunststoffe 442 Die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe 443 Wie sich die Thermoplaste verhalten 444 Wie sich die Elastomere verhalten 447 Wie sich die Duroplaste verhalten 448 Frage und Antwort 449 In Form gebracht: Die Verarbeitung 450 Teil V Der Top-Ten-Teil 453 Kapitel 20 Zehn Tipps fur ein erfolgreiches Studium 455 Das Studium ernst nehmen 455 Ausgeruht und punktlich antreten 455 Aktiv in Vorlesungen, Ubungen und im Labor mitarbeiten 456 Sofort nachhaken 456 Vor- und nacharbeiten 456 Uben, uben, uben 456 Ein Buch lesen 457 Miteinander reden 457 Niemals aufschieben 457 Das Leben ist nicht nur Studium 458 Glossar 459 Stichwortverzeichnis 483
