Grundlagen der Metallkunde in anschaulicher Darstellung

160 Pages·1955·7.7 MB·German

by  Georg Masing (auth.)

Grundlagen der
Metallkunde
in anschaulicher Darstellung
von
Georg Masing
o. ö. Professor an der Universität Göttingen
Direktor des Instituts für allgemeine )Ietallkunde Göttingen
Vierte, verbesserte und erweiterte Auflage
Mit 140 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
1955
Alle Rechte,
Insbesondere das der übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten.
Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet,
dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege
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® 1940, 1941, 1951 and 1955 by Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Ursprünglich erschienen bei Springer·V erlag on G.,BerJin I Göttingen I Heidelberg 1955
ISBN 978-3-662-11919-8 ISBN 978-3-662-11918-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-11918-1
Vorwort zur vierten Auflage.
Obwohl die theoretische Metallkunde in schneller Entwicklung ist,
sind ihre Grundlagen im wesentlichen unverändert ge blie ben. Diesen
Grundlagen ist das vorliegende Werk gewidmet. Es brauchte dem
gemäß nicht weitgehend umgearbeitet zu werden. Einer Anregung
des Herrn Prof. F. C. THOMPSON folgend, dem ich die Übersetzung der
"Grundlagen" ins Englische verdanke, wurde in das Werk ein kurzes
Kapitel über den technischen Gießvorgang aufgenommen.
Ich danke Fräulein E. JANEOKE für die Durchsicht der Korrekturen
und für manchen textlichen Vorschlag.
Göttingen, Mai 1955.
G. Masing.
Vorwort zur ersten Auflage.
Die "Vorliegende Darstellung der Grundlagen der Metallkunde, die
aus Vorlesungen entstanden ist, unterscheidet sich von anderen Lehr
büchern auf diesem Gebiete neben ihrer Kürze durch ihre bewußte
Beschränkung auf das Grundsätzliche. Ihr Ziel ist nicht, ins Einzelne
gehende Kenntnisse, sondern das Verständnis der wichtigsten Grund
tatsachen zu "Vermitteln, lUld zwar so anschaulich wie nur irgend möglich.
Trotzdem wurde vielfach auf Beziehungen zu technischen Problemen
hingewiesen.
Damit wenden sich die "Grundlagen der Metallkunde" "Vor allem
an den Anfänger und an die großen technisch oder naturwissenschaft
lich interessierten Kreise, an die Metallprobleme so oder anders heran
treten. Wir leben in einem Zeitalter, in dem der Werkstoff und damit
unter anderem das Metall die Gestaltung des technischen Lebens mehr
bestimmt als jemals früher. Daher ist es aber auch notwendig, daß
lleutzutage jeder technisch oder naturwissenschaftlich interessierte
Mensch sich mit der Lehre von den Metallen etwas vertraut macht.
Für zahlreiche nützliche Ratschläge und für die Hilfe beim Lesen
der Korrekturen bin ich Frl. K. MIETHING zu großem Dank "Verpflichtflt.
Göttingen, Oktober 1940.
G. Masing.
IV Vorworte zur zweiten und dritten Auflage.
Vorwort zur zweiten Auflage.
Der Umstand, daß die erste Auflage etwa nach einem Dreiviertel
jahr vergriffen ist, beweist, daß die "Grundlagen der Metallkunde" in
der vorliegenden Form einem vorhandenen Bedürfnis entsprochen
haben. Deshalb konnte der Text bei der zweiten Auflage beinahe unver
ändert gelassen werden. Verschiedenen Fachgenossen bin ich für wert
volle Ratschläge dankhar. Auf Anregung von Herrn Prof. W. KÖSTER
ist das jetzige Kapitel VI über Wärmebehandlung aufgenommen worden,
was durch die Wichtigkeit des Gegenstandes zweifellos gerechtfertigt
ist und womit die Darstellung den Bedürfnissen des Praktikers noch
etwas mehr entgegenkommt.
Fr!. K. MIETHING bin ich für eine erneute sorgfältige Durchsicht
des Textes und für viele gute Verbesserungsvorschläge wieder zu be
sonderem Dank verpflichtet.
Göttingen, August 1941.
G. Masing.
V orwort zur dritten Auflage.
Dem Vorschlag meines Mitarbeiters, Dr. K. LÜCKE, folgend, ist die
Darstellung der Konstitutionslehre durch eine ganz kurze Erörterung
der atomistischen Struktur der Metalle und Legierungen in der zweiten
Vorlesung belebt worden. Der Text ist durchgesehen und mannigfach
verbessert worden. Da die Darstellung nur die elementaren Grundlagen
betrifft, brauchte der stürmischen Entwicklung der Lehre von den
Metallen in den letzten zehn Jahren nur durch einzelne Hinweise Rech
nung getragen zu werden. Ich danke Fr!. eH. BAATZ für die Durchsicht
der Korrekturen.
Göttingen, Mai 1951.
G. Masing.
Inhaltsverzeichnis.
Seite
I. überblick über das Gebiet der Metallkunde 1
Vorbemerkung S.1. - Probleme der chemischen Verwandtschaft
S. 2. - Schmelzen von Glas und Metall S. 3. - Krystallgefüge im
Ätzbild S. 5. - Eigenspannungen S. 8. - Zugversuch S. 9. - Re
krysta.llisation S. 11. - Physikalische Probleme der Metallkunde S. 12.
- Beziehungen der Meta.llkunde zur physikalischen Chemie S. 13.
II. Atomistische Struktur der Metalle und Legierungen .. , 13
Das Raumgitter S.14. - Struktur der reinen Metalle S. 15. - Misch
krystalle S. 17. - Intermetallische Verbindungen S. 20. - Anwendung
der Röntgenstrahlen S. 21.
m.
Aufbaulehre der Legierungen. Systeme ohne Mischkrystall
und Verbindungsbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Aufnahme einer Abkühlungskurve S. 24. - Abkühlungskurve einer
Zn-Cd-Legierung S. 26. - Ablauf der Ersts.rrung in Zn-Cd-Legierungen
S.27. - Gefüge der Zn-Cd-Legierungen S.30. - Eutektische Halte
zeiten S.32. - Verschiedene eutektische Systeme S.33.
IV. Aufbaulehre der Legierungen. Verbindungsbildung 36
Maximum bei der Zusammensetzung einer Verbindung S.37. - Zu
standsdiagramm bei offenem Maximum S. 38. - Kontrolle S. 39. -
Hebelbeziehung S. 39. - Beispiele S. 41. - Phasenregel S. 43. -
Eine Verbindung schmilzt unter Zersetzung (mit verdecktem Maxi
mum) S.47. - Abkühlungskurven im System mit verdecktem Maxi
mum S. 49. - Ni-Bi-Legierungen S. 50. - Umhüllungen S. 51.
Beispiele typischer Verbindungen S. 52.
V. Aufbaulehre der Legierungen. Mischkrystallbildung. Be
schränkte Mischbarkeit in der Schmelze. . . . . . . . . . 53
Änderung der Schmelztemperatur durch Zusätze bei Mischkrystall
bildung S. 54. - Erstarrungsverlauf bei Mischkrystallbildung S. 55. -
Diffusion S.57. - Abkühlungskurve eines Mischkrystalles S.58. -
Maxima. und Minima. S.58. - Verzeichnis ununterbrochener Misch
krystallreihen S.60. - Begrenzte Mischkrysta.11biIdung mit Eutekti
kum S. 60. - Mischkrystallgebiete und Mischungslücken S. 62. -
Mischkrystallbildung mit Peritektikum S. 63. - Umhüllungen S. 64. -
Temperaturabhängigkeit der Mischkrystallgrenzen S. 65. - Mischungs
lücke im flüssigen Zustand· S. 65. - KrystaIlisationsablauf S. 66. -
Emulsionen S. 67. -Automatenlegierungen S. 67. - Kurzer und langer
Span S.68.
VI Inhaltsverzeichnis.
Srite
VI. Der Vorgang der Krys tallisation ... 68
Typisches Getüge eines Gußstückes. S. 69. - Säulenförmige Zone
S. 70. - Innere Keimbildungszone S. 70. - Komplikltionen S. 71. -
Dendritenbildung S. 72. - Erstarrungskontraktion und Lunkerbildung
S. 73. - Makroskopische Seigerung S.74.
VII. Vorgänge im festen Zustande. Aufbau der Eisen-Kohlen
stoff-, der Zink-Kupfer- und der Zink-Aluminium-Legie
rungen als Beispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
r-~-Umwandlung des Fe S_ 75. - Zinnpest S.75. - Diagramme mit
Umwandlungen S.76. - Eutektoid S.77. - Krystallisation der
Fe-C-Legierungen S. 79. - Umwandlungen in Fe-C-Legierungen S. 8I.
- Weitere Zusätze in technischem Stahl S. 83. - Doppeldiagramm der
Fe-C-Legierungen S. 85. - Graphitsystem S. 85. - Gußeisen S. 85. -
+
Cu-Zn-Legierungen S. 85. - ~- und oc ß-Messinge S. 86. - Al-Zn
Legierungen S.88.
VIII. Thermische Behandlung. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
Überschreitung der Perlitlinie S. 91. - Abschreckbehandlung des Stahls
S. 92. - Anlassen des abgeschreckten Stahls S. 95. - Sonderstähle
S.96. - Aushärtung S.97. - Beseitigung der Übersättigung S.99.
IX. Plastische Verformung ................... 100
Zerreißversuch S.I00. - Festigkeitswerte S.102. - Atomistik der
Verformung beim amorphen und beim krystallinen Körper S. 103. -
Gleitung, Translation S. 105. - Quantitative Behandlung der Trans
lation S. 109. - Mechanische Zwillingsbildung S. 110. - Elastische Ver
biegung bei der plastischen Verformung S. U3. - Verfestigung S. U5.
X. Eigenspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... U6
Elastische Biegung S. 117. - Plastische Biegung S.118. - Eigen
spannungen durch plastische Biegung S. 12J. - Aufreißen von Messing
S. 123. - Messung und Beseitigung von Eigenspannungen S.124.
XI. Rekrystallisa tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Festigkeitsänderungen bei der Rekrystallisation S. 126. - Neubil
dung des Kornes S. 127. - Gleitung in hartem Metall S. 128. - Re
krystallisation einer Legierung mit 80% Cu, 20% Ni als Beispiel
S. 128. - Keimbildung S.129. - Kornwachstum S.130. - Rekry
stallisationszwillinge S. 130. - Rekrystallisationsdiagramm S. 132. -
Technische Folgen der Grobkornbildung S. 133. - Rekrystallisations
schwelle S. 135.
XII. Chemisches Verhalten der Metalle nichtmetallischen Ap.·
griffsmitteln gegenüber ................... 136
Elektrochemisches Element S. 137. - Wasserstoffelektrode S. 140. -
Spannungsreihe S.140. - Sauerstoffelektrode S.141. - ~lektro­
chemischer Ablauf der Korrosion S. 142. - Lochfraß S. 142. - Passivi-
tät S. 143. - Entzinkung des Messings S. 144. - Schutzmittel gegen
Korrosion S.145. - Angriff der Metalle in Gasen S.146.
Anhang. Bemerkung über die Legierungen mit drei und mehr Bestandteilen 148
Sach verzeichnis. . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . ... 150
J. überblick über das Gebiet der Metallkunde.
l.
Metallkunde ist die Lehre von den Metallen. Die Metalle stellen
eine wichtige Gruppe der chemischen Elemente dar. So könnte man
meinen, daß die Metallkunde lediglich ein Kapitel der anorganischen
Chemie ist, und man mag fragen: Was für eine Veranlassung hat man
denn, daraus eine selbständige Disziplin zu machen 1
Zwischen der Metallkunde und der Chemie besteht jedoch ein sehr
wesentlicher Unterschied. Die Chemie ist die Lehre von den chemischen
Elementen und ihren Verbindungen miteinander. Die Chemie operiert
mit dem Atom des Elementes; was sie interessiert, ist zunächst das Mole
kül einer Verbindung, ihr Gebiet ist die Reaktion zwischen Molekülen,
wie sie uns in der Reaktionsgleichung begegnet. Die Lehre von Metall
atomen ist nicht Gegenstand der Metallkunde; die Metallkunde ist die
Lehre von den Atom-Aggregationen, wie sie im festen, weniger im
flüssigen Metall vorliegen. In technischer Formulierung kann man
sagen, daß die Metallkunde die Lehre vom metallischen Werkstoff ist,
während das Metallatom als solches sie weniger interessiert. Das Pro
blem, was ein Atom zu einem Metallatom macht, ist nicht metallo
graphischen, sondern physikalischen oder chemischen Charakters. In
dieser Beziehung hat die Metallkunde Ähnlichkeit mit der Krystallo
graphie, die ebenfalls eine Lehre nicht Von den Atomen oder Molekülen,
sondern von ihren Aggregationen ist, wie sie im Krystall vorliegen.
Aus der angegebenen Eigenart der Metallkunde ergeben sich viele Pro
bleme, die gänzlich außer halb des Rahmens der Chemie liegen. Unsere
erste Aufgabe wird sein, die Mannigfaltigkeit der metallischen Probleme,
ihre enge Verbindung mit einer Reihe von anderen Wissensgebieten,
und damit die Vielseitigkeit ihres Inhalts zu zeigen.
2.
In einem wichtigen Fragenkomplex kann die Metallkunde allerdings
durchaus als ein Teilgebiet der anorganischen oder besser physikalischen
Chemie bezeichnet werden. Dieses Gebiet umfaßt die Verwandtschafts
lehre der Metalle, die Lehre v~n ihren chemischen Beziehungen unter
einander. Sie umfaßt also das Problem der Legierung, die Frage, welche
Verbindungen etwa die Metalle untereinander bilden und wie der atomare
oder molekulare Zustand der metallischen Bestandteile in der Legierung
ist. Wie groß die chemische Verwandtschaft zwischen 2 Metallen sein
Maslng. Grundlagen der Metallkunde. 4.Aufl. 1
2 Überblick über das Gebiet der Metallkunde.
kann, wollen wir an einem Experiment zeigen, indem wir Quecksilber
mit Natrium reagieren lassen.
In eine Glasflasche, die mit Quecksilber gefüllt ist, werfen wir ein
frisch abgeschnittenes Stückchen metallisches Natrium hinein und
schütteln die Flasche um. Man sieht, daß nach kurzer Zeit eine Reaktion
zwischen den beiden Metallen unter Feuererscheinung eintritt. Es hat
sich eine Natrium-Quecksilber-Verbindung gebildet. Die anfängliche Ver
zögerung der Reaktion ist darauf zurückzuführen, daß das Natrium un
vermeidlich mit einer Oxydhaut bedeckt war und deshalb nicht sofort
eine molekulare Berührung zwischen Quecksilber und Natrium zustande
kommen konnte, die natürlich eine Voraussetzung für die Reaktion ist.
Man sieht, in ihrer Heftigkeit steht diese Reaktion nicht zurück etwa
hinter der Bildung von Eisensulfid beim Erhitzen von Eisen und Schwefel,
die in der chemischen Vorlesung gezeigt wird. Bringt man auf einmal zu
viel Natrium auf das Quecksilber, so kann die Flasche gesprengt werden.
In diesem Versuch hat es sich um die Reaktion eines festen Körpers
mit einer Flüssigkeit gehandelt. Sehr häufig - und das sind die sowohl
theoretisch als auch technisch wichtigsten Fälle - reagieren die Metalle
auch im festen Zustande miteinander. Auch diese Reaktionen können
mit erheblichen Wärmetönungen verbunden sein. Das kann an einer
Legierung von Zink mit Aluminium als Beispiel experimentell gezeigt
werden.
In einem Ofen werden einige Stücke der Legierung mit etwa 67 At.-%
Zn und 33 At.-% Aluminium auf 3500 erhitzt. Wir lassen diese Legierung
aus dem Ofen in Wasser fallen und holen die Stücke nach Abkühlung
auf Zimmertemperatur wieder heraus. Wenn man sie in der Hand hält,
überzeugt man sich sehr bald, daß die Legierung nicht nur durch Wärme
leitung Handwärme annimmt, sondern auch weiterhin selbst Wärme
entwickelt, und dabei so heiß wird, daß sie nicht mehr in der Hand
gehalten werden kann. In dieser Legierung spielt sich eine chemi8che
Reaktion ab. Durch Abschrecken in Wasser haben wir zunächst ihren
Eintritt verhindert; sie setzt jetzt bei Zimmertemperatur ein.
Systematische Untersuchungen haben gezeigt, daß das Maximum der
Wärmeentwicklung etwa in der Nähe der Zusammensetzung der Formel
Zn~l liegt. Es lag deshalb nahe, sie mit der Bildung oder dem Zerfall
einer solchen Verbindung zu erklären, und in der Tat hat die Metall
kunde jahrzehntelang geglaubt, daß diese Wärmeentwicklung auf den
Zerfall dieser nur bei höherer Temperatur beständigen Verbindung
zurückzuführen sei. Wie wir heute aus dem Zustandsdiagramm der
Zink-Aluminium-Legierungen wissen - mit den Zustandsdiagrammen
und mit dieser Frage werden wir uns in den nächsten Vorlesungen be
fassen, vgl. insbesondere S. 88 -, liegen die Verhältnisse in Wirklichkeit
ganz anders. Das ist ein lehrreiches Beispiel für die Unzulässigkeit der
Schmelzen von Glas und Metall. 3
einfachen Übertragung von Gedankenansätzen, wie sie in der anorga
nischen Chemie üblich sind, auf die Metalle.
In den Metallen und Legierungen oder, wie wir uns auszudrücken
pflegen, in metallischen Systemen finden also des öfteren chemische
Reaktionen sowohl im flüssigen als auch im festen Zustande statt. Die
erste Aufgabe der Metallkunde ist deshalb, den Aufbau der Metalle und
Legierungen zu erforschen in ähnlicher Weise, wie es sonst die anorga
nische Chemie tut. Ganz unabhängig davon, was ein Fachmann nachher
mit den Metallen anstellen will oder in welcher Richtung er sie unter
suchen will, ist es zunächst seine Pflicht, sich über ihre chemische Natur
zu unterrichten.
Die festen Metalle und Legierungen sind alle krystallinisch. Früher
wurde darauf auf indirektem Wege geschlossen. Bekanntlich hat z. B. ein
amorpher Körper, etwa das Glas, keinen
definierten Schmelzpunkt; die Zähigkeit des
Glases wird mit steigender Temperatur kon
tinuierlich geringer, bis es als schmelzflüssig
zu bezeichnen ist. Auf der Abkühlungskurve
des Glases ist deshalb kein Haltepunkt wahr
zunehmen, wie wir einen solchen z. B. beim
Zink kennenlernen werden (S. 25), und es
tritt kein Sprung in den Eigenschaften auf.
Wir können das an einem sehr einfachen
Versuch anschaulich zeigen (Abb. 1). Wir
erhitzen einen Glasstab in der Flamme eines
Bunsenbrenners. Man sieht, ,wie der Stab Abb.1. Schema des Schmelz-
II hl h h vorganges beim Glas (links)
a mä ic weic wird, sich durchzubiegen und beim Zinn (rechts).
beginnt, durchhängt und wie schließlich an
ihm eine schwere Glasträne hängt und abfällt. Hierbei ist nicht nur
etwa der heißeste Teil des Glases, der abge,tropft ist, geflossen, auch
die Umgebung, in der die Temperatur, von der heißesten Stelle aus
gehend, langsam niedriger wird, hat am Fließen teilgenommen, wenn
auch in geringerem Umfange: Das Fließen setzt mit steigender Tempe
ratur eben schleichend stetig ein. Als Gegenstück erhitzen wir in der
selben Flamme eine Stange Zinn. Man sieht, die Stange behält un
verändert ihre Form, bis an ihrem erhitzten Ende unvermittelt ein
Tropfen flüssiges Metall abfällt. Aus einem richtigen festen Körper ist
beim Schmelzpunkt unvermittelt und unstetig eine leichtflüssige
Schmelze geworden.
Nach dem Vorgang von G. TAMM.ANN betrachten wir die Schmelze
und das Glas oder den amorphen Körper als wesensgleich, der letztere
ist also eine unterkühlte Flüssigkeit. Dagegen gehen die Krystalle, wie
wir gesehen haben, diskontinuierlich in den Schmelzzustand über. Das
1*
4 Überblick über das Gebiet der Metallkunde.
äußert sich in der Existenz eines definierten Schmelzpunktes, wobei
das System aus zwei verschiedenen Teilen besteht, sowie in der beim
Schmelzen auftretenden Wärmeaufnahme. Es ist auch schwer einzu
sehen, wieso ein Krystall, in dem die Atome in einem Raumgitter
angeordnet sind, wie das etwa für das Beispiel des Eisens in Abb. 2 a u. b
wiedergegeben ist, stetig in die vorwiegend regellose Anordnung einer
Flüssigkeit übergehen soll.
Heute können wir das Raumgitter eines aus der Schmelze erstarrten
Metalls im Röntgenbild unmittelbar sehen (vgt Ir, S. 21).
In der anorganischen Chemie pflegen wir im einfachsten Falle eine
Verbindung festzustellen, indem wir sie etwa aus einer Lösung ausfällen.
a b
Abb. 2. Raumgitter des Eisens.
a) «-Eisen, raumzentriert. b) ,,·Eisen, flächenzentriert.
Wenn wir eine Lösung von Bariumchlorid mit einer solchen von Glauber
salz Na SO, vermischen, so fällt das unlösliche Bariumsulfat aus. Der
2
Umstand, daß das Bariumsulfat eine bestimmte Zusammensetzung BaSO,
mit einfachen Proportionen und eine typische Krystallform hat, wird zu
nächst als ein ausreichender Beweis dafür betrachtet, daß das Barium
sulfat eine chemische Verbindung ist. Ähnlich finden wir in Legierungen
besondere Arten von Krystallen, die beide Bestandteile enthalten und
deren Zusammensetzung wir nach Verfahren, die wir später besprechen
wollen, bestimmen können. Mit dem Nachweis dieser Krystallarten und
der Bestimmung ihrer Zusammensetzungen ist auch der Überblick über
eine Verbindungsbildung oder, vorsichtiger formuliert, über eine Affini
tätsbetätigung zwischen den Metallen erreicht. Damit ist die erste Auf
gabe erfüllt.
Andererseits entsteht jedoch die tiefere Frage nach dem molekularen
Aufbau der in den Legierungen auftretenden Krystallarten, also eine
Frage, die für das Kochsalz einen Aufbau aus positiven Na-Ionen und
negativen Cl-Ionen ergibt. Auf diese Frage werden wir in der II. Vor
lesung kurz eingehen, um dem Leser von Anfang an eine konkrete Vor
stellung von den Stoffen, die wir behandeln werden, zu geben.
Der Aufbau der Legierungen im Sinne der ersten Aufgabe aus be
stimmten Krystallarten mit den Fragen ihrer Zusammensetzungen, der