Materialwissenschaften und Werkstofftechnik (eBook)

Eine Einführung

Michael Scheffler (Herausgeber)

William D. Callister, David G. Rethwisch (Autoren)

eBook Download: EPUB

2020 | 1. Auflage
XXV, 906 Seiten
Wiley-VCH (Verlag)
978-3-527-83322-1 (ISBN)

Infos

Der 'Callister' bietet den gesamten Stoff der Materialwissenschaften und Werkstofftechnik für Studium und Prüfungsvorbereitung. Hervorragend aufbereitet und in klarer, prägnanter Sprache wird das gesamte Fachgebiet anschaulich dargestellt. Das erprobte didaktische
Konzept zielt ab auf 'Verständnis vor Formalismus' und unterstützt den Lernprozess der Studierenden:

* ausformulierte Lernziele
* regelmäßig eingestreute Verständnisfragen zum gerade vermittelten Stoff
* Kapitelzusammenfassungen mit Lernstoff, Gleichungen, Schlüsselwörtern und Querverweisen auf andere Kapitel
* durchgerechnete Beispiele, Fragen und Antworten sowie Aufgaben und Lösungen
* Exkurse in die industrielle Anwendung
* an den deutschen Sprachraum angepasste Einheiten und Werkstoffbezeichnungen
* durchgehend vierfarbig illustriert
* Verweise auf elektronisches Zusatzmaterial

Der 'Callister' ist ein Muss für angehende Materialwissenschaftler und Werkstofftechniker an Universitäten und Fachhochschulen - und ideal geeignet für Studierende aus Physik, Chemie, Maschinenbau und Bauingenieurwesen, die sich mit den Grundlagen des Fachs vertraut machen möchten.

Michael Scheffler ist Inhaber des Lehrstuhls für Materialwissenschaften an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Er lehrt Materialwissenschaften für Hauptfachstudenten sowie für Nebenfachstudenten. Darüber hinaus organisiert er regelmäßige Karriereworkshops für Nachwuchswissenschaftler.

Inhalt

Einführung
Aufbau des Atoms und interatomare Bindung
Strukturen idealer kristalliner Festkörper
Defekte in realen Festkörpern
Diffusion
Mechanische Eigenschaften von Metallen
Versetzungen und Härtungsmechanismen
Materialversagen
Phasendiagramme
Phasenübergänge in Metallen: Mikrostrukturentwicklung und veränderte mechanische Eigenschaften
Anwendung und Verarbeitung von Metalllegierungen
Strukturen und Eigenschaften keramischer Werkstoffe
Anwendung und Verarbeitung keramischer Werkstoffe
Polymerstrukturen
Eigenschaften, Anwendung und Verarbeitung von Polymeren
Verbundwerkstoffe
Materialkorrosion und -zersetzung
Elektrische Eigenschaften
Thermische Eigenschaften
Magnetische Eigenschaften
Optische Eigenschaften
Materialauswahl und Entwurf
Wirtschafts-, Umwelt- und Gesellschaftsaspekte
Anhang A: SI-Einheiten
Anhang B: Eigenschaften ausgewählter Werkstoffe
Anhang C: Kosten ausgewählter Werkstoffe
Anhang D: Grundstrukturen ausgewählter Polymere
Anhang E: Glasübergangstemperaturen und Schmelzpunkte ausgewählter Polymermaterialien
Glossar
Lösungen ausgewählter Aufgaben
Register
EINFÜHRUNG
Historische Aspekte
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Warum beschäftigen wir uns mit Materialwissenschaft und Werkstofftechnik?
Klassifizierung von Werkstoffen
Hochleistungswerkstoffe/innovative Werkstoffe
Der Bedarf an neuen Werkstoffen
Die Beziehung zwischen Herstellung, Struktur, Eigenschaften und Anwendung

ATOMBAU UND CHEMISCHE BINDUNG
Einführung
Grundlagen
Elektronen im Atom
Das Periodensystem der Elemente
Bindungskräfte und Energie
Hauptvalenzbindungen
Nebenvalenzbindungen, Van-der-Waals-Bindungen
Moleküle

DIE STRUKTUR KRISTALLINER FESTKÖRPER
Einführung
Grundlagen
Elementarzellen
Kristallstrukturen von Metallen
Berechnung der Dichte
Polymorphie und Allotropie
Kristallsysteme
Punktkoordinaten
Kristallografische Richtungen
Kristallografische Ebenen
Lineare und planare Dichte
Dichtest gepackte Kristallstrukturen
Einkristalle
Polykristalline Werkstoffe
Anisotropie
Die Bestimmung von Kristallstrukturen mit Röntgenstrahlung
Nichtkristalline Festkörper

FEHLSTELLEN IN FESTKÖRPERN
Einleitung
Leerstellen und Zwischengitteratome
Fremdatome in Feststoffen
Angabe der Zusammensetzung
Versetzungen - Liniendefekte
Flächendefekte
Volumendefekte
Atomschwingungen
Grundlagen der Mikroskopie
Mikroskopische Untersuchungsmethoden
Korngrößenbestimmung

DIFFUSION
Einführung
Diffusionsmechanismen
Stationäre Diffusion
Nichtstationäre Diffusion
Faktoren, die den Diffusionsprozess beeinflussen
Diffusion in Halbleiterwerkstoffen
Andere Diffusionswege

MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN METALLISCHER WERKSTOFFE
Einleitung
Spannung und Dehnung
Spannungs-Dehnungs-Verhalten
Anelastizität
Elastische Eigenschaften von Werkstoffen
Verhalten unter Zugbelastung
Wahre Spannung und wahre Dehnung
Elastische Erholung nach plastischer Verformung
Druck-, Scher- und Torsionsverformungen
Härte
Streuung von Werkstoffeigenschaften
Auslegungs- und Sicherheitsaspekte

VERSETZUNGEN UND VERFESTIGUNGSMECHANISMEN
Einleitung
Grundlagen
Eigenschaften von Versetzungen
Gleitsysteme
Gleiten in Einkristallen
Plastische Verformung von polykristallinen Werkstoffen
Verformung durch Zwillingsbildung
Verfestigung durch Verringerung der Korngröße
Mischkristallverfestigung
Kaltverfestigung
Erholung
Rekristallisation
Kornwachstum

WERKSTOFFVERSAGEN
Einführung
Grundlagen
Duktiler Bruch
Sprödbruch
Grundzüge der Bruchmechanik
Prüfung der Bruchzähigkeit
Zyklische Beanspruchung
Die Wöhler-(S-N-)Kurve
Risseinleitung und -ausbreitung
Ermüdungsbeständigkeit - Einflussfaktoren
Umgebungseinflüsse
Allgemeine Beschreibung des Kriechverhaltens
Auswirkungen von Spannung und Temperatur
Extrapolationsverfahren für Daten zur Beschreibung des Kriechverhaltens
Legierungen für den Einsatz bei hohen Temperaturen

PHASENDIAGRAMME
Einleitung
Löslichkeitsgrenze
Phasen
Mikrostruktur
Phasengleichgewicht
Einkomponenten-Phasendiagramme
Binäre isomorphe Systeme
Interpretation von Phasendiagrammen
Entstehung der Mikrostruktur in isomorphen Legierungen
Mechanische Eigenschaften isomorpher Legierungen
Binäre eutektische Systeme
Entstehung der Mikrostruktur in eutektischen Legierungen
Gleichgewichtsdiagramme mit intermediären Phasen oder Verbindungen
Eutektoide und peritektische Reaktionen
Kongruente Phasenumwandlungen
Phasendiagramme für Keramiken, ternäre Phasendiagramme
Die Gibbs'sche Phasenregel
Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm
Enstehung der Mikrostruktur von Stählen
Der Einfluss weiterer Legierungselemente

PHASENÜBERGÄNGE: BILDUNG VON MIKROSTRUKTUREN UND DIE ÄNDERUNG MECHANISCHER EIGENSCHAFTEN
Einführung
Grundlagen
Kinetik der Phasenumwandlungen
Metastabile Zustände - Gleichgewichtszustände
Isotherme Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme (ZTU-Diagramme)
ZTU-Diagramme für kontinuierliche Abkühlung
Mechanische Eigenschaften von Stählen
Anlassgefüge
Überblick über die Phasenumwandlungen und mechanischen Eigenschaften von unlegierten Stählen

VERARBEITUNG UND VERWENDUNG VON METALLISCHEN WERKSTO

Rezensionen

"Das Werk bietet eine sehr gute Einführung in die Werkstoffkunde. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Vermittlung übertragbaren Wissens und nicht auf der reinen Abhandlung verschiedener Werkstoffe. Unterstützt wird dieser Lernprozess durch viele und vielfältige Übungsaufgaben. Das Wissen wird m.E. aufgrund der klaren Sprache unterstützt durch ein reduziertes Layout sehr verständlich vermittelt. Detaillierte Anhänge zu Werkstoffkennwerten runden das Gesamtbild dieses Werks sehr gut ab."
Prof. Dr.-Ing. Jörg Kolbe, Fachhochschule Südwestfalen Standort Meschede

"Das Buch bietet eine sehr anschauliche Einführung in die Thematik und ist hervorragend illustriert. Sehr hilfreich für untere Semester sind auch die zahlreichen Beispiele und Übungsaufgaben, die Lernen und Verständnis unterstützen. Hilfreich sind auch die Lernziele am Anfang der Kapitel und die abschließenden Zusammenfassungen."
Prof. Dr. Jörg Meyer, Hochschule Hamm-Lippstadt (10/2013)

"Hervorragend aufbereitet und in klarer, prägnanter Sprache."
GIESSEREI Rundschau (3-4/2013, 04.04.2013)

"ein Lehrbuch auf der Höhe der Zeit [...], das den Spagat zwischen wissenschaftlicher Präzision und rasch fortschreitendem Praxiswissen gut bewältigt."
chemiereport.at (Nr. 1/2013, 04.02.2013)

"Zu diesem Werk kann man nur gratulieren."
Der Wärmebehandlungsmarkt (Nr. 1/2013)

"übersichtlich gestaltet[...] und gut illustriert"
ekz bibliotheksservice (Nr. 13/2013)

"Der dargebotene Stoff ist hervorragend aufbereitet"
F&S (Nr. 1/2013)

"ein Muss für angehende Materialwissenschaftler und Werkstofftechniker"
Journal of Heat Treatment and Materials (Nr. 1/2013)

"didaktisch ausgezeichnet[...]"
METALL (Nr. 1-2/2013, 10.01.2013)

"Die Vorzüge dieses Lehrbuchs: Es beschränkt sich nicht auf Teilaspekte, sondern bietet den Blick auf das große Ganze."
stahl und eisen (1/2013, 17.01.2013)

"das einzige deutschsprachige Buch, das den vereinheitlichten Lehrstoff nach der Umstellung auf Bachelor- und Masterabschlüsse vollständig abdeckt."
MaterialsViews.com (22.11.2012)

"Der 'Callister' schafft es, ein Themengebiet so verständlich und detailliert zu erklären, dass zusätzliche begleitende Literatur nicht nötig ist."
GIT-labor.de (13.11.2012)

"Der Callister ist eine 'Bibel' für die Materialwissenschaften und geht detailliert auf die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen und deren Messmethoden ein."
Prof. Iris Hermann-Geppert, Hochschule Mittweida

Textauszug

Eigenschaften ausgewählter chemischer Elemente

Element

Element-symbol

Ordnungszahl

Molare Masse (g mol–1)

Dichte (Feststoff, 20 °C) (g cm–3)

Kristallstruktur

Atomradius (nm)

Ionenradius (nm)

Schmelzpunkt (°C)

Aluminium

Al

13

26,98

2,71

kfz

0,143

0,053

660,4

Argon

Ar

18

39,95

–

–

–

–

–189,2

Barium

Ba

56

137,33

3,5

krz

0,217

0,136

725

Beryllium

Be

4

9,012

1,85

hdp

0,114

0,035

1278

Blei

Pb

82

207,2

11,35

kfz

0,175

0,120

327

Bor

B

5

10,81

2,34

rhomboed.

–

0,023

2300

Brom

Br

35

79,90

–

–

–

0,196

–7,2

Caesium

Cs

55

132,91

1,87

krz

0,265

0,170

28,4

Chlor

Cl

17

35,45

–

–

–

0,181

–101

Chrom

Cr

24

52,00

7,19

krz

0,125

0,063

1875

Eisen

Fe

26

55,85

7,87

krz

0,124

0,077

1538

Fluor

F

9

19,00

–

–

–

0,133

–220

Gallium

Ga

31

69,72

5,90

orthorhomb.

0,122

0,062

29,8

Germanium

Ge

32

72,61

5,32

Diamant/kub.

0,122

0,053

937

Gold

Au

79

196,97

19,32

kfz

0,144

0,037

1064

Helium

He

2

4,003

–

–

–

inert

-272 (26 bar)

Iod

I

53

126,90

4,93

orthorhomb.

0,136

0,220

114

Kadmium

Cd

48

112,41

8,65

hdp

0,149

0,095

321

Kalium

K

19

39,10

0,862

krz

0,231

0,138

63

Kalzium

Ca

20

40,08

1,55

kfz

0,197

0,100

839

Kobalt

Co

27

58,93

8,9

hdp

0,125

0,072

1495

Kohlenstoff

C

6

12,011

2,25

hexagonal

0,071

~0,016

3367 (sublimiert)

Kupfer

Cu

29

63,55

8,94

kfz

0,128

0,096

1085

Lithium

Li

3

6,94

0,534

krz

0,152

0,068

181

Magnesium

Mg

12

24,31

1,74

hdp

0,160

0,072

649

Mangan

Mn

25

54,94

7,44

kubisch

0,122

0,067

1244

Molybdän

Mo

42

95,94

10,22

krz

0,136

0,070

2617

Natrium

Na

11

22,99

0,971

krz

0,186

0,102

98

Neon

Ne

10

20,18

–

–

–

inert

–248,7

Nickel

Ni

28

58,70

8,90

kfz

0,125

0,069

1455

Niob

Nb

41

92,91

8,57

krz

0,143

0,069

2468

Phosphor

P

15

30,97

1,82

orthorhomb.

0,109

0,035

44,1

Platin

Pt

78

195,08

21,45

kfz

0,139

0,080

1772

Quecksilber

Hg

80

200,59

–

–

–

0,110

–38,8

Sauerstoff

O

8

16,00

–

–

–

0,140

–218,4

Schwefel

S

16

32,07

2,07

orthorhomb.

0,106

0,184

113

Silber

Ag

47

107,87

10,49

kfz

0,144

0,126

962

Silizium

Si

14

28,09

2,33

Diamant/ kubisch

0,188

0,040

1410

Stickstoff

N

7

14,007

–

–

–

0,01–0,02

–209,9

Titan

Ti

22

47,88

4,51

hdp

0,145

0,068

1668

Vanadium

V

23

50,94

6,1

krz

0,132

0,059

1890

Wasserstoff

H

1

1,008

–

–

–

0,154

–259

Wolfram

W

74

183,84

19,3

krz

0,137

0,070

3410

Zink

Zn

30

65,38

7,13

hdp

0,133

0,074

420

Zinn

Sn

50

118,71

7,27

tetragonal

0,151

0,071

232

Zirkonium

Zr

40

91,22

6,51

hdp

0,159

0,079

1852

Allgemeine Daten und Fundamentalkonstanten

Größe

Symbol

Zahlenwert

Zehnerpotenz

Einheiten

Lichtgeschwindigkeit

c

2.997 925 58*

108

ms–1

Elementarladung

e

1 602 176

10–19

C

Faraday-Konstante

F = NAe

9.64853

104

Cmol–1

Boltzmann-Konstante

k

1.380 65

10–23

JK–1

Gaskonstant

R = NAk

8.314 47

JK–1 mol–1

8.314 47

10–2

dm3 bar K–1 mol–1

8.205 74

10–2

dm3 atm K–1 mol–1

6.236 37

10

dm3 Torr K–1 mol–1

Planck-Konstante

h

6.626 08

10–34

J s

ħ = h/2π

1.05457

10–34

J s

Avogadro-Konstante

NA

6.022 14

1023

mol–1

Atomare Masseneinheit

u

1.66054

10–27

kg

Masse

Elektron

me

9.10938

10–31

kg

Proton

mp

1.672 62

10–27

kg

Neutron

mn

1.674...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 2.10.2020
• Übersetzer: Franziska Scheffler, Manja Krüger, Hans-Jörg Möhring
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Chemie
• Schlagworte: Bauingenieur- u. Bauwesen • Maschinenbau • Materialwissenschaften • Physik • Werkstofftechnik
• ISBN-10: 3-527-83322-6 / 3527833226
• ISBN-13: 978-3-527-83322-1 / 9783527833221