Grundlagen der Konstruktionswerkstoffe für Studium und Praxis

Janko Auerswald ist Professor für Werkstoffkunde an der Hochschule Luzern. Parallel dazu entwickelte er am CSEM, bei TRUMPF Schweiz und bei V-ZUG in leitenden Positionen neue Technologien und Produkte in den Bereichen Mikrofabrikation, Lasermaterialbearbeitung, Oberflächentechnik und nachhaltige Haushaltsgeräte. Er ist Autor von Publikationen in Fachbüchern, Fachzeitschriften und Tagungsbänden sowie diverser Patentanmeldungen. Pius Portmann unterrichtete von 1997–2021 an der Hochschule Luzern Werkstoffkunde im Departement Technik & Architektur mit Schwerpunkt Leichtbauwerkstoffe und Oberflächentechnik. Er leitete das Werkstoffprüflabor für interne und externe Dienstleistungen. Vorher war er in leitenden Positionen in den Bereichen Werkstoffprüfung und Process Engineering beim Eidgenössischen Flugzeugwerk Emmen und den Pilatus Flugzeugwerken in Stans tätig.

• Vorwort xvDanksagung xvii1 Metallkunde 11.1 Wichtige Kristallstrukturen von Metallen 21.1.1 Miller’sche Indizes: Bezeichnung von Richtungen und Ebenen 31.1.2 Packungsdichte und dicht gepackte Ebenen in Metallen 61.1.3 Polymorphie: Die Vielgestalt einiger Metalle 81.2 Kristallbaudefekte in realen Metallstrukturen 91.2.1 0D: punktförmige Defekte 101.2.2 1D: Versetzungen 111.2.3 2D: Korngrenzen und andere Flächendefekte 121.2.4 3D: Ausscheidungen 131.3 Tropie: Die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften 141.4 Linear-elastische Verformung 161.4.1 Linear-elastische Verformung isotroper Werkstoffe 161.4.2 Vertiefung: linear-elastische Tensoren für isotrope Werkstoffe 191.4.3 Vertiefung: linear-elastische Tensoren und Anisotropiefaktor für kubische Einkristalle 221.5 Plastische Verformung der Metalle 231.5.1 Vereinfachte Betrachtung der plastischen Verformung 231.5.2 Vertiefende Betrachtung der plastischen Verformung 241.5.3 Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und plastischer Verformbarkeit 311.6 Verfestigung von Metallen durch Kristallbaudefekte 311.6.1 0D: Mischkristallverfestigung 311.6.2 1D: Kaltverfestigung 331.6.3 2D: Feinkornverfestigung 341.6.4 3D: Ausscheidungshärtung 341.7 Aufgaben 35Zusammenfassung 362 Legierungskunde 392.1 Erstarrungsverhalten von Metallschmelzen 392.2 Homogene oder heterogene Gefüge 412.3 Legierungen 422.3.1 Homogene Legierungen aus Mischkristallen 422.3.2 Heterogene Legierungen aus Kristallgemischen 432.3.3 Legierungen mit intermetallischen oder intermediären Phasen 442.4 Zweistoffsysteme (Auswahl) 452.4.1 Zweistoffsystem mit vollständiger Löslichkeit 452.4.2 Eutektisches Zweistoffsystem mit begrenzter Löslichkeit 482.4.3 Eutektisches Zweistoffsystem Aluminium-Silizium 552.4.4 Zweistoffsysteme mit intermetallischen Phasen 572.5 Aufgaben 58Zusammenfassung 603 Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (metastabiles EKD) 613.1 Das metastabile Zweistoffsystem Eisen-Kohlenstoff 613.2 Hebelgesetz und Gefügeentstehung im metastabilen EKD 643.3 Ausblick auf die Kapitel Stahl und Eisengusswerkstoffe (Kap. 7 bis 10) 683.4 Aufgaben 68Zusammenfassung 694 Werkstoffprüfung 714.1 Methoden der Werkstoffprüfung zur Ermittlung mechanischer Kennwerte 714.1.1 Technische Spannung und technische Dehnung 714.1.2 Zugversuch 734.1.3 Härteprüfung 834.1.4 Biegeversuch 864.1.5 Torsionsversuch 884.1.6 Dynamische Werkstoffprüfung – Dauerschwingversuch nach Wöhler 904.1.7 Kerbschlagbiegeversuch und Zähigkeit 954.1.8 Zeitstandversuch: Kriechen und Relaxation 994.1.9 Weitere technologische Versuche 1024.2 Verfahren der Rissprüfung 1024.2.1 Durchstrahlungsprüfung 1034.2.2 Ultraschallrissprüfung 1034.2.3 Magnetpulverprüfung 1044.2.4 Wirbelstromprüfung 1054.2.5 Farbeindringprüfung 1054.3 Mikroskopische Mess- und Prüfverfahren 1054.3.1 Stereomikroskop 1054.3.2 Konfokale Lasermikroskopie 1054.4 Methoden der Analyse von Struktur und Gefüge 1064.4.1 Strukturanalyse durch Röntgenbeugung (XRD) 1064.4.2 Metallographische Lichtmikroskopie 1074.4.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 1084.4.4 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 1094.4.5 Computertomographie: der Röntgenblick ins Material 1094.5 Analyse der chemischen Zusammensetzung 1114.5.1 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) 1114.5.2 EDX und WDX 1134.5.3 Photoelektronenspektroskopie (XPS) 1144.5.4 Auger-Elektronenspektroskopie 1164.5.5 Funkenspektrometrie (OES, optische Emissionsspektrometrie) 1164.5.6 Massenspektrometer 1164.5.7 Nasschemische Analyse 1174.5.8 Infrarotspektroskopie (FTIR) 1174.6 Aufgaben 118Zusammenfassung 1205 Korrosion 1235.1 Grundlagen der Korrosion 1235.1.1 Elektrochemische Standardpotentiale 1235.1.2 Galvanische Zelle 1265.1.3 Sauerstoff- oder Wasserstoffkorrosion? 1285.1.4 Sauerstoffkorrosion 1285.1.5 Wasserstoffkorrosion 1295.1.6 Sonderfall Passivierung 1295.1.7 Flächenregel 1305.2 Erscheinungsformen der Korrosion in der Praxis 1315.2.1 Gleichmäßige Flächenkorrosion 1315.2.2 Kontaktkorrosion und selektive Korrosion 1325.2.3 Interkristalline Korrosion 1335.2.4 Lochfraßkorrosion 1345.2.5 Rostfreier Edelstahl: Lochfraßpotential und PREN-Nummer 1365.2.6 Spaltkorrosion und Belüftungselement 1405.2.7 Spannungsrisskorrosion 1425.2.8 Korrosionsrisiko Umformmartensit im austenitischen rostfreien Edelstahl 1435.3 Korrosionsschutz 1445.3.1 Passiver Korrosionsschutz 1445.3.2 Aktiver Korrosionsschutz 1445.4 Mess- und Prüfverfahren für Korrosion 1455.4.1 Salzsprühtest 1455.4.2 Test auf interkristalline Korrosionsanfälligkeit (IK-Test) 1465.4.3 Stromdichte-Potentialkurven (Lochfraßpotentialmessungen) 1465.4.4 Chemische Analyse der Korrosionsprodukte 1485.5 Aufgaben 148Zusammenfassung 1496 Oberflächentechnik 1516.1 Grundlagen der Tribologie 1516.1.1 Reibung 1516.1.2 Schmierung 1526.1.3 Verschleiß 1546.2 Oberflächenbehandlungen 1556.2.1 Mechanische Verfahren 1556.2.2 Thermische Randschichtverfahren 1566.2.3 Reinigen und Entfetten 1566.2.4 Oberflächenaktivierung 1576.2.5 Haftvermittler 1576.3 Chemische Umwandlungsschichten 1596.3.1 Beizen und Passivieren von rostfreiem Edelstahl 1596.3.2 Phosphatieren von Stahl 1606.3.3 Brünieren von Stahl 1606.3.4 Chromatieren von Aluminium, Magnesium und Zink 1616.3.5 Anodisieren von Aluminium 1626.3.6 Anodisieren von Titan 1656.4 Oberflächenbeschichtungen 1656.4.1 Lackieren 1656.4.2 Galvanisieren 1686.4.3 Chemisch Nickel oder chemisch Kupfer 1726.4.4 Metallisieren von Kunststoffen 1736.4.5 Feuerbeschichtungen, Lamellenbeschichtung und Plattieren 1746.4.6 Thermisches Spritzen 1746.4.7 Emaillieren 1776.4.8 Sol-Gel-Technologie 1796.4.9 Dünnschichttechnologien PVD und CVD 1806.5 Aufgaben 182Zusammenfassung 1837 Stahl: Technologie und Wärmebehandlung 1857.1 Stahltechnologie 1867.1.1 Hochofenprozess und Linz-Donawitz-Verfahren 1867.1.2 Direktreduktionsprozess und Elektrostahlverfahren 1877.1.3 Sekundärmetallurgie und Weiterverarbeitung des Stahls 1897.1.4 Stahlerzeugnisse 1917.2 Wärmebehandlung: Glühen von Stahl 1957.2.1 Homogenisierungsglühen, Lösungsglühen, Blankglühen 1967.2.2 Grobkornglühen 1977.2.3 Normalglühen 1977.2.4 Weichglühen 1987.2.5 Rekristallisationsglühen 1987.2.6 Spannungsarmglühen 2007.3 Wärmebehandlung: Härten und Vergüten von Stahl 2007.3.1 Martensitisches Härten 2007.3.2 Anlassvergüten 2027.3.3 Bainitisches Vergüten 2047.3.4 Patentieren 2057.3.5 Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild (ZTU-Diagramm) 2067.4 Wärmebehandlung: Ausscheidungshärtung von Spezialstählen 2107.4.1 Kohärente Ausscheidungen in martensitaushärtenden Stählen (Maraging und PH-Stähle) 2107.4.2 Sekundärhärtung durch Carbide und Nitride beim Anlassen 2127.5 Wärmebehandlung: Härten der Oberfläche 2127.5.1 Randschichthärten ohne thermochemische Diffusion 2127.5.2 Verfahren mit thermochemischer Diffusion und martensitischer Randschichthärtung 2157.5.3 Verfahren mit thermochemischer Diffusion ohne martensitische Randschichthärtung 2177.5.4 Bestimmung der Einhärtetiefe (Härteverlaufskurve) 2217.6 Wärmebehandlung: praktische Hinweise 2227.7 Schweißeignung der Stähle 2237.8 Aufgaben 224Zusammenfassung 2258 Stahl: Güteklassen, Kurznamen und Werkstoffnummern 2278.1 Einteilung in Güteklassen 2278.2 Kurznamen und Werkstoffnummern für Stahl 2298.2.1 Kurznamen nach Verwendungszweck und mechanischen oder physikalischen Eigenschaften 2298.2.2 Kurznamen nach chemischer Zusammensetzung 2328.2.3 Internationale Werkstoffnummern 2358.3 Aufgaben 239Zusammenfassung 2399 Stahl: Ausgewählte Sorten und Anwendungen 2419.1 Stahlsorten für den Stahlbau 2419.1.1 Unlegierte Baustähle und Maschinenbaustähle 2419.1.2 Mikrolegierte Feinkornbaustähle mit erhöhter Festigkeit und Zähigkeit 2439.1.3 Wetterfeste Baustähle 2469.1.4 Flacherzeugnisse für das Kaltumformen 2479.1.5 Flacherzeugnisse mit erhöhter Festigkeit für den Leichtbau von Automobilen 2489.2 Spezielle Stahlsorten für den Maschinen- und Stahlbau 2529.2.1 Kaltfließpressstähle (Kaltstauchstähle) 2529.2.2 Automatenstähle für die spanende Bearbeitung 2529.2.3 Einsatzstähle 2549.2.4 Nitrierstähle 2559.2.5 Vergütungsstähle 2569.2.6 Federstähle 2609.2.7 Verschleißfeste Wälzlagerstähle und Hartmanganstahl 2639.2.8 Druckwasserstoffbeständige Stähle 2659.2.9 Martensitaushärtende (Maraging-)Stähle mit höchster Festigkeit 2659.2.10 Kaltzähe Stähle für tiefe Temperaturen 2679.2.11 Warmfeste Stähle für hohe Temperaturen 2689.3 Nichtrostende Stähle 2719.3.1 Rostfreie ferritische Stähle 2729.3.2 Rostfreie martensitische Stähle 2739.3.3 Rostfreie nickelmartensitische und PH-Stähle 2759.3.4 Rostfreie austenitische und superaustenitische Stähle 2769.3.5 Rostfreie Duplex-undSuperduplexstähle 2789.3.6 Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und typische Anwendungen rostfreier Stähle 2799.4 Nichtrostende hitzebeständige Stähle 2819.5 Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften 2839.5.1 Nichtrostende nichtmagnetisierbare Stähle 2839.5.2 Elektrobleche 2849.6 Stahlsorten für Werkzeuge 2849.6.1 Unlegierte Werkzeugstähle 2859.6.2 Legierte Kaltarbeitsstähle 2859.6.3 Warmarbeitsstähle 2889.6.4 Schnellarbeitsstähle 2899.7 Aufgaben 292Zusammenfassung 29310 Eisengusswerkstoffe 29510.1 Stahlguss 29710.2 Herstellung von Gusseisen 29910.3 Entstehung des Gefüges von Gusseisen 29910.3.1 Eutektische Reaktion: Graues und weißes Gusseisen 29910.3.2 Eutektoide Reaktion: Perlitische oder ferritische Matrix 30010.3.3 Ferritische Matrix durch Perlitzerfall 30010.4 Graues Gusseisen: Wichtigster Eisengusswerkstoff 30210.4.1 Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) 30210.4.2 Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) 30510.4.3 Gusseisen mit Vermikulargraphit (GJV) 30810.4.4 Sondergusseisen: korrosionsbeständiger austenitischer Grauguss (GJLA und GJSA) 30810.4.5 Sondergusseisen: GJS-SiMo für hohe Temperaturen 30910.4.6 Sondergusseisen: Ausferritisch vergütetes („bainitisches“) Gusseisen 30910.5 Weißes Gusseisen 31010.5.1 Perlitischer Hartguss (GJN) 31010.5.2 Temperguss (GJMW und GJMB) 31110.5.3 Sondergusseisen – verschleißfester perlitischer Hartguss 31110.6 Kennzeichnung und Anwendungen von Gusseisen 31110.7 Aufgaben 315Zusammenfassung 31611 Aluminium 31711.1 Gewinnung von Aluminium 31711.2 Nachhaltiges Aluminiumrecycling 31911.3 Kennzeichnung und Einteilung der Aluminiumwerkstoffe 31911.4 Verfestigungsmechanismen in Aluminiumlegierungen 32211.5 Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen 32311.5.1 Ausgewählte Glühbehandlungen 32311.5.2 Ausscheidungshärten hochfester Aluminiumlegierungen 32311.6 Anwendungen von Aluminium und seinen Legierungen 33211.6.1 Reinaluminium und seine Anwendungen 33211.6.2 Aluminiumknetlegierungen und ihre Anwendungen 33411.6.3 Aluminiumgusslegierungen und ihre Anwendungen 33811.7 Oberflächenbehandlungen 34411.8 Aufgaben 344Zusammenfassung 34612 Andere Nichteisenmetalle 34712.1 Titan 34712.1.1 Arten und Anwendungen von Titanlegierungen 34712.1.2 Fallstudie Anwendungen Titan in der Luftfahrt: Kampfjet 35112.1.3 Fallstudie Anwendungen Titan in der Medizintechnik: Dentalimplantate 35212.2 Magnesium 35412.3 Nickel 35512.3.1 Korrosionsbeständige Monellegierungen 35512.3.2 Hochtemperaturfeste Nickelbasissuperlegierungen 35612.3.3 Fallstudie einkristalline Turbinenschaufel 35812.3.4 Heizleiter 35912.3.5 Formgedächtnislegierungen 35912.3.6 Weichmagnetische Nickellegierungen 35912.4 Cobalt 36012.5 Kupfer 36012.5.1 Herstellung von Kupfer 36012.5.2 Anwendungen von reinem und niedriglegiertem Kupfer 36112.5.3 Anwendungen ausgewählter Kupferlegierungen 36412.6 Zink 36712.7 Zinn 36712.8 Refraktärmetalle: Wolfram, Molybdän, Tantal und Niob 36812.9 Edelmetalle 37112.10 Aufgaben 372Zusammenfassung 37313 Keramik und Glas 37513.1 Keramik: Herstellung und Konstruktionsregeln 37613.2 Umgang mit dem Sprödbruchverhalten von Keramiken 37813.2.1 Weibull-Festigkeitsverteilung von Keramiken 37813.2.2 Bruchzähigkeit von Keramiken 37913.3 Silikatkeramik 38113.4 Feuerfeste Keramik 38213.5 Hochleistungskeramik 38413.5.1 Aluminiumoxid 38413.5.2 Zirkoniumoxid 38613.5.3 Siliziumcarbid 38913.5.4 Siliziumnitrid 39013.6 Schneidkeramik für die spanende Bearbeitung 39113.7 Funktionskeramik 39413.7.1 Piezoelektrische Keramiken 39413.7.2 Vertiefung piezoelektrische Keramik: Fallstudie hochpräzise Positioniersysteme 39713.7.3 Ferrimagnetische Keramiken 40013.7.4 Supraleitende Keramiken 40213.7.5 Optische Keramiken 40213.8 Glaskeramik 40413.9 Glas 40513.9.1 Herstellung von Glas 40613.9.2 Quarzglas 40713.9.3 Kalk-Natron-Glas 40813.9.4 Borosilikatglas 40813.9.5 Thermisch und chemisch gehärtete Gläser 40813.9.6 Verbund- und Sicherheitsgläser 41013.9.7 Gefärbte Gläser und Überfanggläser 41013.9.8 Gläser mit Bleioxid 41013.10 Aufgaben 411Zusammenfassung 41214 Kunststoffe 41314.1 Einteilung der Kunststoffe nach Vernetzungsgrad: Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste 41514.2 Struktur und Eigenschaften thermoplastischer Kunststoffe 41514.2.1 Monomere als chemische Grundbausteine 41514.2.2 Entstehung kettenartiger Makromoleküle 41614.2.3 Primärbindungen in den Molekülketten 41614.2.4 Sekundärbindungen zwischen den Molekülketten 41714.2.5 Amorphe und kristalline Bereiche in Kunststoffen 41814.2.6 Kristalline Bereiche in Flüssigkristallpolymeren 41914.2.7 Viskoelastisches Verhalten von amorphen und teilkristallinen Kunststoffen 41914.2.8 Anisotropie beim Strecken der Makromoleküle 42114.2.9 Lineare und verzweigte Ketten 42214.2.10 Copolymere zum gezielten Einstellen von Eigenschaften 42214.2.11 Zusatzstoffe (Additive) und Einfluss auf die Eigenschaften 42314.3 Thermoplaste und ihre Anwendungen 42314.3.1 Thermoplastische Massenkunststoffe 42414.3.2 Thermoplastische Ingenieurkunststoffe 42714.3.3 Thermoplastische Hochleistungskunststoffe 43114.4 Elastomere und ihre Anwendungen 43314.4.1 R-Kautschuke mit ungesättigten Hauptketten 43314.4.2 M-Kautschuke mit gesättigten Hauptketten 43514.4.3 Q-Kautschuke (Silikone) 43614.4.4 U-Kautschuke (Polyurethane) 43714.4.5 O- und T-Kautschuke 43814.4.6 Spritzgießbare thermoplastische Elastomere 43814.5 Duroplaste und ihre Anwendungen 43914.6 Biokunststoffe 43914.7 Aufgaben 442Zusammenfassung 44315 Werkstoffe, Rohstoffe und Nachhaltigkeit: persönliches Schlusswort 44515.1 Ressourcenverbrauch und Kreislaufwirtschaft 44515.2 Rohstoffabbau und Nachhaltigkeit 44715.3 Verantwortung ist immer persönlich 449Lösungen 451Literatur 473Stichwortverzeichnis 483

Vermittelt sehr gut die Grundlagen der Werkstoffkunde, ideal für den Einstieg.LiTec, Ing. MMag. Andreas Rakuscek, Linz (2024)