Werkstoffwissenschaft

Hartmut Worch ist Inhaber der Professur für Werkstoffwissenschaft und Biomaterialien an der Technischen Universität Dresden und langjähriger Mitherausgeber des Lehrbuchs "Werkstoffwissenschaft". Wolfgang Pompe ist Professor für Materialwissenschaft und Nanotechnik am Institut für Werkstoffwissenschaft der Technischen Universität Dresden. Werner Schatt studierte und promovierte an der Technischen Hochschule Dresden und habilitierte sich 1966 an der Technischen Hochschule in Magdeburg. Er begründete 1972 das Lehrbuch "Werkstoffwissenschaft" in der ersten Auflage.

"Der in der Einleitung beschriebenen Komplexität des Wissensgebietes wird [...] entsprechend Rechnung getragen. [...] Das Buch eignet sich für den wissenschaftlich und den in der Praxis mit werkstoffkundlichen Fragen konfrontierten Ingenieur gleichermaßen. Für Studenten der Werkstofftechnik und der Werkstoffwissenschaften stellt es eine unverzichtbare Begleitung durch das Studium und die anschließende Praxis dar. Für Studenten des Maschinenbaus ist das Werk zur erweiternden Lektüre im Grundstudium sicherlich sehr hilfreich."Der Wärmebehandlungsmarkt (1/2012) "Das Buch "Werkstoffwissenschaft" von Worch, Pompe und Schatt ist ein umfassendes Lehrbuch für den Bereich Werkstoffwissenschaft. Es ist v.a. als Einführung und Übersicht über die grundlegenden Themen unseres Studiengangs geeignet."Erstsemester Informationsheft Universität Stuttgart (Oktober 2011) "Das Buch ist insbesondere für Studenten des Maschinenbaus zur erweiternden Lektüre im Grundstudium sehr hilfreich. Für Studenten der Werkstofftechnik und der Werkstoffwissenschaften dürfte das Werk eine unverzichtbare Begleitung durch das gesamte Studium darstellen. Als Nachschlagewerk eignet es sich für den wissenschaftlich und den in der Praxis mit werkstoffkundlichen Fragen konfrontierten Ingenieur gleichermaßen." MP Materialprüfung 9/2004 "Fazit: Eines der besten am Markt verfügbaren Lehrbücher zur Werkstoffwissenschaft. ... Für die Ausarbeitungen zu den verschiedenen Gebieten wurden ausgewiesene Experten herangezogen. Damit wurde der in der Einleitung beschriebenen Komplexität des Wissensgebietes entsprechend Rechnung getragen. Das führt zu einem Gesamtwerk, welches auf allen Gebieten durch seine fundierten Fachkenntnisse besticht und damit ein hervorragendes Lehrbuch darstellt." A. Burkert, Materials and Corrosion - Werkstoffeund Korrosion, Vol. 55, No. 11, 2004

• vorwort Zur 10. Auflage v1 Einleitung 12 Zustände des festen Körpers 52.1 Kristalliner Zustand 72.1.1 Raumgitter und Kristallsysteme 82.1.2 Bravais-Gitter und Kristallstruktur 92.1.3 Analytische Beschreibung des Raumgitters 122.1.4 Polkugel und stereographische Projektion 182.1.5 Bindung im Festkörper 212.1.5.1 Aufbau und Energieniveaus der Atomhülle 252.1.5.2 Ionenbindung 302.1.5.3 Kovalente Bindung (Atombindung) 322.1.5.4 Metallbindung 342.1.5.5 Nebenvalenzbindung 352.1.5.6 Mischbindung 372.1.6 Koordination 382.1.7 Elementstrukturen 402.1.7.1 Krz Struktur (Wolfram-Typ) 402.1.7.2 Kfz Struktur (Kupfer-Typ) 422.1.7.3 Hexagonal dichteste Struktur (Magnesium-Typ) 432.1.8 Legierungsstrukturen 432.1.8.1 Austauschmischkristalle 442.1.8.2 Überstrukturen 452.1.8.3 Einlagerungsmischkristalle 462.1.8.4 Intermetallische Phasen 472.1.9 Ionenstrukturen 512.1.10 Molekülstrukturen 572.1.10.1 Atombindung in Polymeren 572.1.10.2 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen in Polymeren 592.1.10.3 Aufbauprinzip und Infrastruktur von Makromolekülen 612.1.10.3.1 Konstitution von Makromolekülen 612.1.10.3.2 Konfiguration von Makromolekülen 642.1.10.3.3 Konformation von Makromolekülen 652.1.10.4 Kristallstruktur von Polymeren 682.1.10.5 Modifizierung von Polymeren 742.1.11 Realstruktur 792.1.11.1 Nulldimensionale Gitterstörungen 792.1.11.2 Eindimensionale Gitterstörungen 822.1.11.3 Zweidimensionale Gitterstörungen 922.1.11.3.1 Stapelfehler 922.1.11.3.2 Antiphasengrenzen 942.1.11.3.3 Grenzflächen 942.1.11.3.4 Grenzflächen in nanokristallinen Materialien 1012.1.11.4 Dreidimensionale Gitterstörungen und Defektwechselwirkungen 1042.2 Zustand unterkühlter Schmelzen und Glaszustand 1072.2.1 Charakteristik des Zustandes unterkühlter Schmelzen und des Glaszustandes 1072.2.2 Strukturmodelle silicatischer Gläser 1082.2.3 Struktur amorpher Polymere 1132.2.4 Strukturmodelle amorpher Metalle 115Literaturhinweise 1163 Übergänge in den festen Zustand 1193.1 Übergang vom flüssigen in den kristallinen Zustand 1233.1.1 Keimbildung und -wachstum bei Metall- und Ionenkristallen 1253.1.1.1 Erstarrung von Schmelzen 1313.1.1.2 Kristallisation aus Lösungsmitteln 1343.1.1.3 Kristallisation von unterkühlten Glasschmelzen (Entglasung) 1393.1.2 Kristallisation von Polymeren 1403.1.2.1 Einfluss der Molekülstruktur auf die Kristallisation 1413.1.2.2 Keimbildung und Kristallwachstum 1413.1.3 Abscheidung aus kolloidalen Lösungen 1463.2 Übergang in den Zustand der unterkühlten Schmelze und in den Glaszustand 1483.2.1 Änderung der Viskosität bei der amorphen Erstarrung 1533.2.2 Phasentrennung im Zustand der unterkühlten Schmelze 1553.2.3 Amorphe Erstarrung von Metallen und Legierungen 1573.3 Übergang aus dem gasförmigen in den kristallinen Zustand 161Literaturhinweise 1654 Phasenumwandlungen im festen Zustand 1674.1 Umwandlungen mit Änderung der Struktur 1714.1.1 Allotrope Umwandlungen des SiO 2 1714.1.2 Die c-a-Umwandlung des Eisens 1754.1.3 Martensitische Umwandlungen 1764.1.4 Massivumwandlung 1784.1.5 Umwandlungsbesonderheiten bei Polymeren 1794.2 Umwandlungen mit Änderung der Konzentration 1804.3 Umwandlungen mit Änderung der Konzentration und der Struktur 1844.3.1 Ausscheidungsumwandlung 1844.3.2 Eutektoider Zerfall 1864.4 Ordnungsumwandlungen 1884.5 Nichtkonventionelle Phasenbildung 1914.5.1 Metastabile Phasenbildung in dünnen Schichten 1924.5.2 Mechanisches Legieren von Pulvern 195Literaturhinweise 1985 Zustandsdiagramme 1995.1 Thermodynamische Grundlagen 1995.2 Experimentelle Methoden zur Aufstellung von Zustandsdiagrammen 2075.3 Grundtypen der Zustandsdiagramme von Zweistoffsystemen 2135.3.1 Zustandsdiagramm eines Systems mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im festen und flüssigen Zustand 2135.3.2 Zustandsdiagramm eines Systems mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen und vollständiger Unmischbarkeit im festen Zustand 2155.3.3 Zustandsdiagramm von Systemen mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen und teilweiser Mischbarkeit im festen Zustand 2185.3.4 Zustandsdiagramme von Systemen mit intermetallischen Phasen 2215.3.5 Weitere Umwandlungen im festen Zustand 2225.4 Einführung in Mehrstoffsysteme 2235.5 Realdiagramme 2275.5.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm 2275.5.2 Zustandsdiagramm des Systems Kupfer–Zinn 2315.5.3 Zustandsdiagramm des Systems SiO 2 –a-Al 2 O 3 2335.5.4 Zustandsdiagramme von Polymermischungen 2345.6 Ungleichgewichtsdiagramme 2365.6.1 Ausbildung von Ungleichgewichtsgefügen 2365.6.2 Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramme 2405.6.3 Zeit-Temperatur-Auflösungs-Diagramme 2435.6.4 ZTR-Diagramme bei Kopplung von Umwandlungs- und Umformvorgängen 244Literaturhinweise 2486 Gefüge der Werkstoffe 2496.1 Gefüge 2506.2 Oberfläche 2546.3 Herstellung der Schlifffläche 2596.4 Entwicklung des Gefüges 2626.4.1 Ätzen in Lösungen 2636.4.2 Gefügeentwicklung bei hohen Temperaturen 2696.4.3 Entwicklung des Gefüges durch Ionenätzen 2716.5 Sichtbarmachen des Gefüges 2726.5.1 Lichtmikroskopische Gefügebetrachtung 2726.5.2 Gefügebetrachtung mithilfe des akustischen Reflexionsrastermikroskopes 2756.5.3 Elektronenmikroskopische Gefügebetrachtung 2756.5.4 Untersuchung mit der Elektronenstrahlmikrosonde (ESMA) 2766.6 Quantitative Gefügeanalyse 2786.6.1 Flächenanalyse 2796.6.2 Linearanalyse 2806.6.3 Charakterisierung der Form und Orientierung der Gefügebestandteile 2826.6.4 Punktanalyse 2846.7 Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen 2846.7.1 Einphasige Gefüge 2876.7.2 Mehrphasige Gefüge 288Literaturhinweise 2957 Thermisch aktivierte Vorgänge 2977.1 Diffusion 2997.1.1 Platzwechselmechanismen 3017.1.2 Diffusionsgesetze 3067.1.3 Bildung von Diffusionsschichten 3107.1.4 Diffusionsgesteuerte Vorgänge 3127.1.4.1 Diffusionskriechen 3127.1.4.2 Versetzungskriechen 3137.1.4.3 Sintern 3157.2 Kristallerholung und Rekristallisation 3197.2.1 Kristallerholung 3197.2.2 Rekristallisation 3217.2.3 Kornwachstum 3267.2.4 Rekristallisationstexturen 333Literaturhinweise 3338 Korrosion 3358.1 Korrosion der Metalle in wässrigen Medien 3418.1.1 Grundlagen der elektrochemischen Korrosion 3428.1.1.1 Elektrochemische Spannungsreihe und Korrosionsvorgänge 3458.1.1.2 Geschwindigkeit elektrochemischer Reaktionen 3498.1.2 Gleichförmige Korrosion 3518.1.3 Passivität und Inhibition 3558.1.4 Korrosionselemente 3608.1.5 Lochkorrosion 3648.1.6 Selektive und interkristalline Korrosion 3678.1.7 Spannungsrisskorrosion 3698.1.8 Schwingungsrisskorrosion 3718.2 Korrosion anorganisch-nichtmetallischer Werkstoffe in wässrigen Medien 3728.3 Korrosion von Polymeren in flüssigen Medien 3758.3.1 Begrenzte und unbegrenzte Quellung 3778.3.2 Schädigung durch chemische Reaktionen 3798.3.3 Spannungsrisskorrosion von Polymeren 3808.4 Korrosion in Schmelzen 3818.4.1 Korrosion von Metallen in durch Ablagerungen gebildeten Schmelzen 3828.4.2 Korrosion feuerfester Baustoffe in Schmelzen 3848.5 Korrosion der Metalle in heißen Gasen 3858.5.1 Oxidation (Zundern) von Eisen 3868.5.2 Oxidation von Legierungen 3898.5.3 Schädigung von Stahl durch Druckwasserstoff 3908.5.4 Aufkohlung und Metal Dusting 3908.6 Korrosion feuerfester Werkstoffe in heißen Gasen 3918.7 Korrosionsschutz 3928.7.1 Passiver Korrosionsschutz 3938.7.2 Aktiver Korrosionsschutz 394Literaturhinweise 3959 Mechanische Erscheinungen 3979.1 Reversible Verformung 3989.1.1 Linearelastische Verformung 3999.1.2 Energie- und entropieelastische Verformung 4019.1.3 Anelastische Verformung 4029.1.4 Pseudoelastische Verformung 4039.2 Plastische Verformung 4049.2.1 Geometrie der plastischen Verformung von Einkristallen 4059.2.2 Mechanismus der plastischen Verformung 4089.2.2.1 Theoretische Festigkeit 4089.2.2.2 Entstehen und Wechselwirkung von Versetzungen 4109.2.2.3 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Fremdatomen 4129.2.2.4 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Teilchen 4149.2.3 Plastische Verformung polykristalliner Werkstoffe (Vielkristallplastizität) 4189.2.3.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm 4189.2.3.2 Orientierungseinfluss 4199.2.3.3 Korngrenzeneinfluss 4209.2.3.4 Streckgrenzenerscheinung 4229.2.3.5 Verformungsgefüge und Textur 4249.2.4 Plastische Wechselverformung 4259.2.5 Besondere Erscheinungen der Plastizität 4279.2.5.1 Superplastizität 4279.2.5.2 Umwandlungsplastizität 4299.3 Viskose und viskoelastische Verformung 4309.4 Kriechen 4339.5 Bruch 4359.5.1 Makroskopische und mikroskopische Bruchmerkmale 4369.5.2 Rissbildung 4379.5.3 Rissausbreitung 4419.5.4 Bruchmechanik 4449.5.4.1 Linearelastische Bruchmechanik 4449.5.4.2 Fließbruchmechanik 4479.6 Eigenspannungen 4499.7 Festigkeitssteigerung und Schadenstoleranz 4529.7.1 Kombinierte Mechanismen zur Festigkeitssteigerung metallischer Werkstoffe 4529.7.2 Festigkeitssteigerung durch Druckeigenspannungen in der Randschicht 4549.7.3 Festigkeitssteigerung durch Verstrecken und Vernetzen 4559.7.4 Festigkeitssteigerung durch Faserverstärkung 4579.7.5 Steigerung von Festigkeit und Bruchzähigkeit durch Energiedissipation 4629.8 Härte und Verschleiß 464Literaturhinweise 46710 Physikalische Erscheinungen 46910.1 Elektrische Leitfähigkeit 46910.1.1 Elektrische Leitfähigkeit in Metallen 48110.1.2 Elektrische Leitfähigkeit in Halbleitern 48610.1.2.1 Eigenhalbleitung 48710.1.2.2 Störstellenhalbleitung 48710.1.2.3 Sperrschichthalbleitung 49010.2 Supraleitung 49210.2.1 Supraleitung in Metallen und intermetallischen Verbindungen 49210.2.2 Supraleitende Oxidkeramiken mit hoher Sprungtemperatur 49810.2.3 Supraleitung in Boriden, Carbiden und Nitriden 50210.2.4 Supraleitung in Eisenverbindungen 50310.3 Thermoelektrizität 50410.4 Wärmeleitfähigkeit 50710.5 Dielektrizität 51010.6 Magnetismus 51510.6.1 Erscheinungsformen des Magnetismus 51510.6.2 Technische Magnetisierung 52010.6.3 Weichmagnetisches Verhalten 52510.6.4 Hartmagnetisches Verhalten 52910.6.5 Ferrimagnetisches Verhalten 53110.7 Thermische Ausdehnung 53310.8 Temperaturunabhängiges elastisches Verhalten 53910.9 Dämpfung 54110.10 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Festkörpern 54510.10.1 Wechselwirkung mit energiearmer Strahlung 54710.10.2 Wechselwirkung mit energiereicher Strahlung 55110.10.2.1 Elastische Streuung von ionisierenden Strahlen 55210.10.2.2 Veränderungen in Festkörpern durch Strahlung 556Literaturhinweise 562Register 565