Werkstoffkunde für Ingenieure

Der moderne Ingenieur steht vor der Herausforderung, technisch-wissenschaftliches Wissen in den Disziplinen Konstruktion, Berechnung und Auslegung sowie betriebliche Überwachung mit einem ausreichend vertieften Werkstoffwissen zu verknüpfen, um optimale Produkte herzustellen. In der Einleitung werden die Zusammenhänge sowie die Verknüpfung der Werkstoffkunde mit der Werkstoffwissenschaft, der Werkstofftechnik, der Werkstoffherstellung und der Werkstoffanwendung in diesem Kontext dargestellt. Dabei wird neben den Prüfverfahren zur Werkstoffcharakterisierung auch auf die Normung verwiesen, die in der Technik unabdingbar ist. Abgerundet wird das Kapitel mit einem Rückblick und Ausblick der Werkstoffentwicklung.

Das Verständnis über die Eigenschaften eines Werkstoffs beruht auf der Kenntnis seines Aufbaus. Der atomare Aufbau von kristallinen Stoffen wird unter Berücksichtigung besonderer Stoffarten erläutert. Es wird auf die wirkenden Bindungskräfte zwischen den Atomen, ihre Anordnung in Form von Kristallsystemen und deren maßgebenden Eigenschaften eingegangen. Vom Aufbau eines idealen Festkörpers (Idealkristall) wird übergegangen zu den Gitterfehlern, welche die Eigenschaften eines realen Werkstoffs prägen. Die unterschiedlichen Gitterfehler, geordnet nach ihrer geometrischen Erscheinungsform, werden vorgestellt und charakterisiert.

Die Grundlagen der Legierungsbildung von der flüssigen bis zur festen Phase werden erläutert. Mischkristalle, wesentliche Elemente einer Legierung, werden dargestellt und deren Bildung und Zusammensetzung anhand der Zustandsdiagramme aufgezeigt. Die Grundsysteme der Zustandsdiagramme werden in Bezug zur Legierungsbildung detailliert erläutert und die entstehenden Phasen und Phänomene im Zuge der Abkühlung beschrieben. Methoden zur quantitativen Bestimmung der Phasen und Anteile werden vermittelt.

Thermisch aktivierte Vorgänge laufen unter Zufuhr von Energie als Folge thermischer Anregung im Kristallgitter der Werkstoffe ab. Die wichtigsten Prozesse wie Diffusion von Atomen, Kristallerholung, Rekristallisation, Kornwachstum und Sintervorgänge werden erklärt sowie ihre technische Bedeutung herausgestellt.

Beschrieben werden die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe wie Festigkeit und Verformbarkeit auch in zeitlicher Abhängigkeit sowie die elastischen Konstanten wie E-Modul und Querkontraktionszahl. Die Abhängigkeit von der kristallographischen Orientierung und der Legierungszusammensetzung wird dargestellt. Außerdem werden die Mechanismen zur Festigkeitssteigerung infolge mikrostruktureller und mechanischer Maßnahmen beschrieben. Die Verfahren zur Ermittlung der mechanisch-technologischen Werkstoffkennwerte werden detailliert erläutert. Hierzu zählen auch zeitabhängige Kennwerte der Schwing- und Kriechfestigkeit. Ergänzt wird das Kapitel durch die Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte. Eingegangen wird auf die Entstehung und den Abbau von Eigenspannungen. Erläutert werden die wesentlichen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, deren physikalischen Grundlagen, Anwendungsgebiete und Anwendungsgrenzen.

Die Herstellung von Eisen und die unterschiedlichen Prozesse der Stahlherstellung werden vorgestellt. Anhand des Eisen-Kohlenstoffdiagramms wird dargestellt, unter welchen Bedingungen sich die unterschiedlichen Gefügephasen von Stahl bilden. Der Einfluss von Legierungs- sowie Spurenelementen auf die Gefügeausbildung wird erläutert und im Schaefflerdiagramm zusammengeführt. Das Bezeichnungssystem der Stähle und deren Sorteneinteilung werden diskutiert. Die gebräuchlichsten technischen Wärmebehandlungsverfahren von Stahl werden zusammen mit der technischen Bedeutung vorgestellt. Der Ablauf der Wärmebehandlung wird anhand von besonderen Zustandsschaubildern dargestellt. Die Abhängigkeit von Abkühlgeschwindigkeit und Haltedauer werden über Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder bzw. Zeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubilder erklärt. Mit eingeschlossen sind die Verfahren der Stahlhärtung. Dem schließt sich die Aufzählung von Stählen, geordnet nach dem Kriterium ihres Einsatzes wie z.B. für den Kraftwerks- und Anlagenbau oder für den Automobilbau an. Die sich aus dem technischen Einsatz ergebenden Versprödungsmechanismen von Stählen, wie z.B. die Anlassversprödung werden behandelt und Möglichkeiten der Abhilfe vorgestellt. Die Einteilung von Eisengusswerkstoffen und ihre besonderen Eigenschaften werden beschrieben. Zum Abschluss wird auf die Besonderheiten beim Schweißen von Stählen eingegangen.

Das Kapitel behandelt die technisch relevantesten Nichteisenmetalle Kupfer, Aluminium, Titan, Nickel, Magnesium und deren Legierungen. Nach den Verfahren zur Kupferherstellung werden die wesentlichen Kupferlegierungen anhand der Phasendiagramme besprochen und der Einfluss der Legierungselemente auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften dargestellt. Gleiches gilt für die Aluminiumlegierungen, die in Knet- und Gusslegierungen sowie in aushärtbare und nicht aushärtbare Legierungen unterteilt sind. Beschrieben werden Legierungen mit technischer Bedeutung und deren Eigenschaften in Abhängigkeit von den jeweiligen Legierungselementen. Bei Titan werden neben der komplexen Herstellung die Allotropie und daraus abgeleitet die Legierungselemente diskutiert, die die entsprechenden Phasenbereiche kontrollieren bzw. begrenzen. Dargestellt werden die daraus resultierenden, wesentlichen Legierungen und deren Eigenschaften. Von den Nickel- und Nickellegierungen werden die hervorstechendsten Eigenschaften in Abhängigkeit von den Legierungselementen und der damit verknüpften Mikrostruktur dargestellt. Dies sind beispielsweise die Formgedächtniseigenschaften der Nickel-Titan-Legierungen und die besonderen Hochtemperatureigenschaften der komplexen Nickel-, Chrom-, Kobalt- Eisenlegierungen. Beschrieben werden die Eigenschaften von Magnesium als eines der leichtesten Elemente in der technischen Anwendung sowie die relevantesten Magnesiumlegierungen und deren Eigenschaften.

Als Kunststoffe werden makromolekulare Werkstoffe bezeichnet, die teilweise oder völlig durch Synthese („künstlich“) hergestellt werden. Die der technischen Kunststoffsynthese zugrundeliegenden Polymerisationsreaktionen werden zu Beginn des Kapitels diskutiert. Wichtige Formgebungsverfahren werden erläutert. Die Kunststoffgruppen Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste werden anhand des molekularen Aufbaus und ihrer Eigenschaften voneinander abgegrenzt. Die Eigenschaften der Kunststoffe hängen in sehr viel stärkerem Maße von den Umgebungsbedingungen ab als die der metallischen Werkstoffe. Der Einfluss von Temperatur, Dehnrate und Feuchtigkeit auf das mechanische Verhalten der Kunststoffgruppen wird anhand von Beispielen erläutert.

In diesem Kapitel werden die keramischen Werkstoffe vorgestellt. Ausgehend von der Sorteneinteilung, der Herstellung über die Formgebung und den Vorgängen beim Brennen bzw. Sintern, werden die allgemeinen Eigenschaften von keramischen Werkstoffen wie z. B. das Versagensverhalten behandelt. Im Detail werden die Eigenschaften besonderer Keramikarten (oxidische und nichtoxidische Keramik) vorgestellt. Mit in das Kapitel eingeschlossen ist der besondere technische Anwendungsfall von Wärmedämmschichten.

Nach der Einteilung der Verbundwerkstoffe werden deren wesentliche Eigenschaften, insbesondere die der Faserverbundwerkstoffe dargestellt. Angegeben werden Beziehungen zur Bestimmung der elastischen Konstanten in Abhängigkeit von Faserorientierung und Fasergehalt. Beschrieben werden die Eigenschaften verschiedener Matrix- und Faserwerkstoffe, wobei auch faserverstärkte Metalle und Keramiken in die Betrachtung einbezogen sind. Angesprochen wird auch die Beschichtungstechnik. Neben den galvanischen Verfahren werden die modernen Methoden der chemischen und der physikalischen Abscheidung aus der Gasphase sowie das thermische Spritzen beschrieben.

In diesem Kapitel werden besondere, technisch wichtige physikalische Eigenschaften von Werkstoffen wie Dämpfung, Wärmeleitfähigkeit, Thermoelektrizität, Halbleiter und Supraleitung vorgestellt.

Beschrieben werden die Einflussfaktoren auf das Korrosionsverhalten von Werkstoffen. Die elektrochemischen Grundlagen der elektrolytischen Korrosion werden dargestellt und an zahlreichen Beispielen detailliert erläutert. Besprochen wird der Einfluss von Wasserstoff, die Korrosion in gasförmigen Medien sowie die Korrosion nichtmetallischer und hochpolymerer Werkstoffe. Auf der Basis der Grundlagen werden Maßnahmen zum aktiven und passiven Korrosionsschutz abgeleitet.

Beschrieben werden die Grundlagen eines tribologischen Systems sowie die Verschleißarten und Verschleißmechanismen. Auf dieser Basis wird an Beispielen der Adhäsions- und der Abrasionsprozess dargestellt, der ein wesentlicher, technischer Verschleißmechanismus ist. Eingegangen wird auch auf die Besonderheiten des Verschleißes unter zeitlich veränderlicher Beanspruchung.

In diesem Kapitel wird am Beispiel von Stahl, Aluminium, Kupfer und Kunststoff auf die Wiederverwendung von Werkstoffen eingegangen. Hierbei werden die technischen Abläufe und die sich dabei einstellenden technischen Probleme vorgestellt und diskutiert.

Die Auswahl des Werkstoffes ist von entscheidender Bedeutung für Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit eines Bauteils. Die Gründe für die Werkstoffauswahl werden aufgelistet und in Zusammenhang mit dem Lastenheft, den Fertigungs-, Prüf-, Reparatur- und Kostenaspekten diskutiert.

Dieses Kapitel beschreibt den Ablauf einer Schadensanalyse, die das Ziel hat, die Schadensursachen festzustellen und die Wiederholung des Schadensfalls zu vermeiden.