Grundlagen der Funktionswerkstoffe für Studium und Praxis

1. Auflage 2021
ISBN: 978-3-527-34963-0
Verlag: Wiley-VCH GmbH

Buch, Deutsch, 334 Seiten, Format (B × H): 168 mm x 242 mm, Gewicht: 662 g

Das neue Lehrbuch zu Funktionswerkstoffen bietet angehenden Ingenieurinnen und Ingenieuren einen motivierenden Einstieg in die Werkstoffkunde dank der ausführlichen Darlegung der Grundlagen und einem starken Praxisbezug.

Autoren/Hrsg.

Auerswald, Janko

Portmann, Pius

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Technische Mechanik | Werkstoffkunde Statik, Dynamik, Kinetik, Kinematik
• Naturwissenschaften Physik Thermodynamik Festkörperphysik, Kondensierte Materie

Inhaltsverzeichnis

VORWORT
 
1. EINFÜHRUNG UND GRUNDLAGEN
Bindungsarten
Werkstoffklassen und Strukturmodelle
Nah- und Fernordnung
Die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften
Polymorphie: Die Vielgestalt von Werkstoffen
Phasen
Werkstoffe, Rohstoffe und Nachhaltigkeit
Zusammenfassung Einführung und Grundlagen
 
2. STRUKTUR UND GITTERFEHLER
Gittertypen der wichtigsten Metalle
Gitterfehler
Elastische Verformung
Plastische Verformung der Metalle
Vertiefende Betrachtung der plastischen Verformung
Zusammenhang zwischen Gitterstruktur und plastischer Verformbarkeit
Verfestigungsmechanismen in Metallen
Rekristallisation
Verformung von Keramiken und Kunststoffen
Zusammenfassung Struktur und Gitterfehler
 
3. WERKSTOFFPRÜFUNG
Zugversuch
Ein Zugversuch der ganz besonderen Art
Verfahren der Rissprüfung
Mikroskopische Mess- und Prüfverfahren
Analyse von Struktur und Gefüge
Analyse der chemischen Zusammensetzung
Zusammenfassung Werkstoffprüfung
 
4. LEGIERUNGSKUNDE
Erstarrungsverhalten von Metallschmelzen
Legierungen und Phasen
Mischkristalle und Kristallgemische
Zweistoffsystem mit vollständiger Löslichkeit
Eutektisches Zweistoffsystem mit begrenzter Löslichkeit
Eutektisches Zweistoffsystem mit vollkommener Unlöslichkeit im festen Zustand
Eutektisches Zweistoffsystem Al-Si
Erklärung der Ausscheidungshärtung
Zweistoffsysteme mit intermetallischen Phasen
Zusammenfassung Legierungskunde
 
5. KORROSION
Standardpotentiale und galvanische Zelle
Wasserstoff- und Sauerstoffkorrosion
Sonderfall Passivierung
Flächenregel
Arten der Korrosion und Fallbeispiele
Korrosionsschutz und Prüfverfahren
Zusammenfassung Korrosion
 
6. METALLISCHE LEITER, WIDERSTÄNDE UND KONTAKTE
Bändermodell
Elektrische Leitfähigkeit
Leiterwerkstoffe
Widerstandswerkstoffe
Elektrische Kontakte
Zusammenfassung Leiter, Widerstand, Kontakt
 
7. HALBLEITER
Eigenleitung und Störstellenleitung
Der p-n-Übergang und seine Anwendungen
Halbleitertechnologie
Graphen
Einige Bemerkungen zur Nanotechnologie
Zusammenfassung Halbleiter
 
8. POLYMERE (KUNSTSTOFFE)
Begriffe und Einteilung der Polymere
Struktur und Eigenschaften der Polymere
Polymere als Konstruktionswerkstoffe
Polymere als Leiterwerkstoffe
Biologisch abbaubare Polymere
Zusammenfassung Polymere
 
9. MAGNETWERKSTOFFE
Ursachen des Magnetismus
Arten des Magnetismus
Physikalische Grundlagen
Kollektiver Magnetismus (Ferromagnetismus)
Weichmagnete und Hartmagnete
Magnetspeicher
Supraleiter und Magnetismus
Zusammenfassung Magnetwerkstoffe
 
10. DIELEKTRIKA
Polarisationsmechanismen
Ferroelektrika und Piezoelektrika
Physikalische Grundlagen
Materialien für Isolierstoffe
Materialien für Kondensator-Dielektrika
Zusammenfassung Dielektrika
 
11. LICHTWELLENLEITER UND LASER
Brechungsgesetz und Totalreflexion
Lichtleiterfasern
Weitere optische Komponenten (Auswahl)
Zusammenfassung Lichtwellenleiter
Photonik: Faszination Ultrakurzpulslaser
 
12. TRANSDUCER
Einführung in die MEMS Reinraumtechnologien
Photolithographie
Subtraktive Ätzverfahren
Additive Beschichtungsverfahren und Lift-off
Electroforming, LIGA
Wandlereffekte und typische Anwendungen
Zusammenfassung Transducer
Schlusswort

Vorwort ix

Danksagung xiii

1 Einführung und Grundlagen 1

1.1 Bindungsarten 1

1.2 Werkstoffklassen und Strukturmodelle 3

1.3 Nah- und Fernordnung 6

1.4 Die Richtungsabhangigkeit der Eigenschaften 7

1.5 Polymorphie: Die Vielgestalt vonWerkstoffen 10

1.6 Phasen 11

1.7 Werkstoffe, Rohstoffe und Nachhaltigkeit 12

1.8 Aufgaben 16

Zusammenfassung 18

2 Struktur und Gitterfehler 19

2.1 Gittertypen der wichtigsten Metalle 19

2.2 Kristallbaudefekte 22

2.3 Elastische Verformung 27

2.4 Plastische Verformung der Metalle 32

2.5 Vertiefende Betrachtung der plastischen Verformung 34

2.6 Zusammenhang zwischen Gitterstruktur und plastischer Verformbarkeit 41

2.7 Verfestigungsmechanismen in Metallen 41

2.8 Rekristallisation 45

2.9 Verformung von Keramiken und Kunststoffen 46

2.10 Aufgaben 48

Zusammenfassung 49

3 Werkstoffprüfung 51

3.1 MechanischeWerkstoffprufung 52

3.2 Verfahren der Rissprufung 66

3.3 MikroskopischeMess- und Prufverfahren 68

3.4 Analyse von Struktur und Gefuge 69

3.5 Analyse der chemischen Zusammensetzung 74

3.6 Aufgaben 79

Zusammenfassung 81

4 Legierungskunde 83

4.1 Erstarrungsverhalten von Metallschmelzen 83

4.2 Legierungen und Phasen 85

4.3 Zweistoffsystemmit vollstandiger Loslichkeit 88

4.4 Eutektisches Zweistoffsystem mit begrenzter Loslichkeit 91

4.5 Eutektisches Zweistoffsystem mit vollkommener Unloslichkeit im festen Zustand 98

4.6 Eutektisches Zweistoffsystem Al-Si 103

4.7 Erklarung der Ausscheidungshartung 104

4.8 Zweistoffsysteme mit intermetallischen Phasen 106

4.9 Aufgaben 109

Zusammenfassung 111

5 Korrosion 113

5.1 Standardpotentiale und galvanische Zelle 113

5.2 Wasserstoff- und Sauerstoffkorrosion 118

5.3 Sonderfall Passivierung 120

5.4 Flachenregel 121

5.5 Arten der Korrosion und Fallbeispiele 121

5.6 Korrosionsschutz und Prufverfahren 135

5.7 Aufgaben 142

Zusammenfassung 144

6 Metallische Leiter, Widerstände und Kontakte 145

6.1 Bandermodell 145

6.2 Elektrische Leitfahigkeit 147

6.3 Leiterwerkstoffe 151

6.4 Widerstandswerkstoffe 157

6.5 Elektrische Kontakte 160

6.6 Aufgaben 166

Zusammenfassung 168

7 Halbleiter 169

7.1 Eigenleitung und Storstellenleitung 170

7.2 Der p-n-Ubergang und seine Anwendungen 172

7.3 Halbleitertechnologie 179

7.4 Graphen 181

7.5 Einige Bemerkungen zur Nanotechnologie 184

7.6 Aufgaben 184

Zusammenfassung 185

8 Polymere (Kunststoffe) 187

8.1 Begriffe und Einteilung der Polymere 189

8.2 Struktur und Eigenschaften der Polymere 190

8.3 Polymere als Konstruktionswerkstoffe 195

8.4 Polymere als Leiterwerkstoffe 196

8.5 Biologisch abbaubare Polymere 201

8.6 Aufgaben 203

Zusammenfassung 204

9 Magnetwerkstoffe 207

9.1 Ursachen des Magnetismus 207

9.2 Arten des Magnetismus 210

9.3 Physikalische Grundlagen 211

9.4 Kollektiver Magnetismus 212

9.5 Weichmagnete und Hartmagnete 216

9.6 Magnetspeicher 221

9.7 Supraleiter und Magnetismus 223

9.8 Aufgaben 226

Zusammenfassung 227

10 Dielektrika 229

10.1 Polarisationsmechanismen 229

10.2 Physikalische Grundlagen 233

10.3 Materialien fur Isolierstoffe 236

10.4 Materialien fur Kondensator-Dielektrika 240

10.5 Ferroelektrika und Piezoelektrika 241

10.6 Aufgaben 244

Zusammenfassung 245

11 Lichtleiter und Photonik 247

11.1 Brechungsgesetz und Totalreflexion 248

11.2 Lichtleiterfasern 249

11.3 Weitere optische Komponenten (Auswahl) 251

11.4 Laserbearbeitung von Funktionswerkstoffen 253

11.5 Aufgaben 261

Zusammenfassung 262

12 Werkstoffe für Transducer 263

12.1 Einfuhrung in die MEMS-Reinraumtechnologien 263

12.2 Photolithographie 264

12.3 Subtraktive Atzverfahren 265

12.4 Additive Beschichtungsverfahren und Lift-off 266

12.5 Electroforming, LIGA 269

12.6 Wandlereffekte und typische Anwendungen 270

12.7 Aufgaben 288

Zusammenfassung 289

Schlusswort 291

Lösungen zu den Aufgaben 293

Literatur 319

Stichwortverzeichnis 323

Über Autor(innen)

Janko Auerswald ist seit 2006 Dozent 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.

Janko Auerswald ist seit 2006 Dozent 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.,/p>

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.