Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung Lehr- und Übungsbuch für Dummies (eBook)

Rainer Schwab (Autor)

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2025
1224 Seiten
Wiley-VCH (Verlag)
978-3-527-84889-8 (ISBN)

Infos

Lernen und üben - so macht Werkstoffkunde Spaß

Mit Humor und Präzision, mit einfachen Erklärungen und passenden Beispielen erklärt Ihnen Rainer Schwab in diesem Buch die Werkstoffkunde. Er beginnt mit den Atombindungen, erläutert dann die wichtigsten Eigenschaften von Werkstoffen. Anschließend lernen Sie die Werkstoffprüfung kennen und tauchen in die Welt des Stahls und der Eisengusswerkstoffe ein. Auch Nichteisenmetalle, Hochleistungskeramiken und Kunststoffe kommen nicht zu kurz. Passgenau abgestimmt zu den Erläuterungen befinden sich zahlreiche Übungsaufgaben in diesem vollfarbigen Buch und zu Ihrer Unterstützung finden Sie auch Filme auf YouTube.

Sie erfahren

• Was es mit Zustandsdiagrammen auf sich hat
• Was Sie über Kristallstrukturen wissen sollten
• Wie Zugversuche und zerstörungsfreie Prüfungen vonstatten gehen
• Wie die Wärmebehandlung von Stahl funktioniert

Rainer Schwab war Professor für Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung an der Hochschule Karlsruhe. Er hat in Stuttgart und Birmingham Metallkunde studiert. Im Jahr 2006 erhielt er den Landeslehrpreis des Landes Baden-Württemberg.

Textauszug

Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung Lehr- und Übungsbuch 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:

Elektrischer Stromfluss:

Wärmeleitung:

Hookesches Gesetz:

THERMISCH AKTIVIERTE VORGÄNGE

• Die Geschwindigkeit thermisch aktivierter Vorgänge ist abhängig von der Aktivierungsenergie Q und der Temperatur T:
• Diffusion ist die 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 mit teilweiser Löslichkeit im festen Zustand tritt auf bei Unterschieden in Atomdurchmesser, Kristallgitter und chemischem Verhalten; führt zum 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 die 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 haben 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...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 12.3.2025
• Reihe/Serie: Für Dummies
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Chemie
• Schlagworte: Ingenieure • Lehrbuch • Maschinenbau • Materialkunde • Materialwissenschaften • Metall • Stahl • Studium • Werkstoff
• ISBN-10: 3-527-84889-4 / 3527848894
• ISBN-13: 978-3-527-84889-8 / 9783527848898