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Metallkunde: Aufbau und Eigenschaften von Metallen und Legierungen PDF

369 Pages·1991·11.687 MB·German
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Springer-Lehrbuch E. Hornbogen, H. Warlimont Metallkunde Aufbau und Eigenschaften von Metallen und Legierungen Mit einem Beitrag von Th. Ricker Zweite, völlig neubearbeitete und erweiterte Auflage Mit 281 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Dr .-Ing. Erhard Hornbogen Universitätsprofessor, Lehrstuhl Werkstoffwissenschaft Ruhr-Universität, Bochum Dr. rer. nat. Hans Warlimont Apl. Professor, Technische Hochschule Darmstadt Metallgesellschaft AG, Frankfurt/Main ISBN 978-3-540-52890-6 CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Hombogen, Erhard: Metallkunde: Aufbau und Eigenschaften von Metallen und LegierungenjE. Hombogen; H. Warlimont.-2., völlig neubearb. und erw. Auft. (Springer-Lehrbuch) ISBN 978-3-540-52890-6 ISBN 978-3-662-22155-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-22155-6 NE: Warlimont, Hans: Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesonde re die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestim mungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspftichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberred sgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag 1991 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw, in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtli nien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Macmillan India Ltd., Bangalore. 62/3020/543210-Gedruckt auf säurefreiem Papier Vorwort zur zweiten Auftage Da das Buch seit vielen Jahren vergriffen ist und ähnliche deutschsprachige Einführungen nicht erschienen sind, haben sich Autoren und Verlag zu einer Neuauflage entschlossen. Wir waren uns darüber einig, daß der Versuchung zu einer starken Erweiterung des Umfanges widerstanden werden sollte. Eine wichtige Eigenschaft des Buches, seine Kürze, sollte beibehalten werden. Deshalb erschien es sinnvoll, Form und Inhalt der ersten Auflage, soweit möglich, zu übernehmen. Natürlich mußten wichtige neue Erkenntnisse und Entwicklungen berücksichtigt werden. Auch erwies es sich als notwendig, die Kapitel der ersten Buchhälfte neu zu ordnen und einige Kapitel weitgehend zu ergänzen oder neu zu schreiben (Kap. 7, 8, 11, 13, 16, 18, 20). Bei dieser Gelegenheit bedanken wir uns bei vielen Fachkollegen für hilfreiche Hinweise auf Fehler und Anregungen zu Ergänzungen. Dieses Buch hat in seiner ersten Auflage eine sehr positive Aufnahme gefunden. Aus dem geringen Umfang ließ sich nicht der Anspruch eines umfassenden Lehr buchs der Metallkunde ableiten. Wir hatten uns nur das Ziel gesetzt, Studenten verschiedener Natur- und Ingenieurwissenschaften und denjenigen, die erst später im Beruf mit metallischen Werkstoffen zu tun haben, einen ersten kurzen, übersichtlichen Einblick in dieses Teilgebiet der Werkstoffwissenschaft anzubieten. Professor Werner Köster hatte uns vor vielen Jahren als junge Metallkundler am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart zum Schreiben dieses klei nen Buches ermutigt. Fast sieben Jahrzehnte lang, bis zu seinem Tode am 30. März 1989, hat er die deutsche Metallforschung wesentlich geprägt. Vielleicht regt dieses Buch dazu an, daß auch in Zukunft wichtige Beiträge zu Wissenschaft und Technik der Werkstoffe aus unserem Lande kommen. Wir widmen es dem Andenken an Werner Köster. Schließlich möchten wir E. Exner, Darmstadt, G. Gottstein, K. Lücke, Aachen, F. Haessner, Braunschweig, G. Inden, W. Pitsch, Düsseldorf, R. Wagner, Geesthacht, P. Wincierzt, Frankfurt/Main für Anregungen, die Überlassung wichtiger Daten oder kritische Durchsichten danken. Ebenso bedanken wir uns bei G. Reppel, Hanau und K. Schemme, Bochum sowie Gerlinde Erbe, Hanau und Gerlinde Fries, Bochum für ihre Hilfe bei der Durchsicht und Erstellung des Manuskriptes. Bochum/Freigericht Juli 1991 Erhard Hornbogen Hans W arlimont Aus dem Vorwort zur ersten Auftage Die Metallkunde ist die Lehre von Aufbau und Eigenschaften der Metalle und Legierungen. Die allgemeine Metallkunde ist im Kern ein Teilgebiet der auge wandten Physik mit tiefen Wurzeln in Teilen der physikalischen Chemie-nämlich der Lehre von den Phasengleichgewichten, der Reaktionskinetik und der Elektro chemie. In der angewandten Metallkunde werden die Erkenntnisse der allgemeinen Metallkunde aufWerkstoffkunde, Umformtechnik, Gießereitechnik, Oberflächen veredlung und andere Verfahren, Metalle zu bearbeiten, angewandt. Von der Metallkunde ist die Metallhüttenkunde zu unterscheiden, in der die Chemie und Technik der Metallgewinnung behandelt werden. Seit die allgemeine Metallkunde als festumrissenes Forschungsgebiet vor allem von Gustav Tarnmann (1903-1937 in Göttingen) eingeführt wurde, hat sie sich zu einem umfangreichen Zweig naturwissenschaftlicher Forschung entwickelt. Dieses kleine Buch kann deshalb nicht einen vollständigen Überbiick über alle bisher in Metallen und Legierungen gefundenen Erscheinungen geben -es ist kein Lehrbuch der Metallkunde. Vielmehr soll es als erste Einführung sowohl in die allgemeine als auch in die angewandte Metallkunde dienen. Für den Leserkreis haben wir an alle diejenigen gedacht, die wissen möchten, womit sich die Metallkunde beschäftigt, an Metallkundler im Betrieb, deren Hochschulausbildung längere Zeit zurückliegt, an Festkörperphysiker, die sich in der rauben Luft industrieller Laboratorien mit den komplexen Erscheinungen in metallischen Werkstoffen beschäftigen müssen, an Werkstoffingenieure, die etwas über physikalische Ursachen der Eigenschaften von Werkstoffen erfahren möchten, und an Studenten der Natur- und Ingenieurwissenschaften, die sich überlegen, ob sie einen Teil ihres Studiums der Metallkunde widmen sollen. Das Verständnis des Buches wird durch naturwissenschaftliche Kenntnisse, die etwa den Erfordernissen eines Vordiploms entsprechen, erleichtert. Die einzelnen Abschnitte sind möglichst so verfaßt worden, daß sie getrennt gelesen werden können. Begriffe, die in vorangehenden Kapiteln erläutert wurden, werden aller dings vorausgesetzt. Jedem Kapitel folgt eine Liste von Büchern, die das darin behandelte Teilgebiet ausführlicher darstellen. Die Auswahl und Anordnung des Stoffes in dieser kurzen Form war nicht leicht. Sicher wird man meinen, daß das eine order andere Teilgebiet zu knapp behandelt ist. Wir hoffen, daß in absehbarer Zeit wieder ausführlichere Lehrbücher der Metallkunde in deutscher Sprache erscheinen werden. Die Autoren sind für Kritik im Hinblick auf die Auswahl und Darstellung des Stoffes dankbar. Im Herbst 1966 E. Hornbogen H. Warlimont Inhalt 1 Allgemeiner Überblick . . . 1 1.1 Natur der Metalle ................... . 1 1.2 Geschichte der Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Metalle als Werkstoffe ................. . 5 1.4 Aufgaben der Metallkunde . . . . . . . . . . . . . . . 7 Literatur ............................ . 8 2 Übergang in den festen Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 Aggregatzustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 Übergang gasförmig zu kristallin . . . . . . . . . . . 10 2.3 Übergang flüssig zu kristallin . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 Keimbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... . 12 2.5 Heterogene Keimbildung . . . . . . . . . . . . . .. . 15 2.6 Stabile und instabile Grenzflächen . . . . . .... . 15 2.7 Erstarrung in einer Form ..... . 17 2.8 Einkristalle . . . . . . . . . . . . . . 18 Literatur .................. . 19 3 Kristallstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1 Bindung und Koordination .............. . 20 3.2 Punkte, Richtungen und Ebenen . . . . . . . . . . . 23 3.3 Stereographische Projektion . . . . . . . . . . . . . . 27 3.4 Intermetallische Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5 Anisotropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6 Quasikristalline Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Literatur ............................ . 35 4 Konstitution von Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1 Grundlagen der heterogenen Gleichgewichte . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2 Mischkristalle, geordnete Atomverteilung, intermetallische Phasen . 39 4.3 Zweistoffsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.4 Mehrstoffsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 X Inhalt 5 Gitterbaufehler 53 5.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.2 Leerstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.3 Versetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.4 Stapelfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.5 Korngrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6 Elektronen in Metallen . . . . 66 6.1 Modell freier Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.2 Bändermodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.3 Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.4 Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.5 Ferromagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 7 Physikalische Eigenschaften . . . . 79 7.1 Gitterschwingungen und spezifische Wärme .............. . 79 7.2 Wärmeausdehnung. ............................ . 82 7.3 Elastische Eigenschaften ......................... . 84 7.4 Elektrische und Wärmeleitfähigkeit .............. ~ .... . 87 7.5 Physikalische Eigenschaften von Vielkristallen und Phasengemischen 90 Literatur ...................................... . 92 8 Plastizität und Bruch . . . . . . . . . . . . 93 8.1 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 8.2 Strukturabhängigkeit der plastischen Verformung .......... . 96 8.3 Verformung von Ein- und Vielkristallen ............ . 100 8.4 Zwillingsbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.5 Verformungstextur ......................... . 107 8.6 Kriechen, Superplastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8.7 Bruch .................................... . 111 8.8 Wechselverformung, Ermüdung ..................... . 114 8.9 Mischkristallhärtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Literatur .................................... . 118 9 Thermisch aktivierte Reaktionen . 119 9.1 Aktivierungsenergie . . . . . . . . . . . . . . ...... . 120 9.2 Diffusion ................................... . 122 9.3 Erholung .................................. . 126 9.4 Spannungsrelaxation ............................ . 128 9.5 Rekristallisation ............................ . 129 Literatur ................ . 133 Inhalt XI 10 Strukturelle Phasenumwandlungen. . . . . . . . . . . . . . . . . 134 10.1 Umwandlungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 10.2 Thermodynamische Grundlagen und Triebkräfte . . . . . . . . . . 135 10.3 Teilvorgänge der Umwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 10.4 Umwandlungstypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 10.4.1 Diskontinuierliche Umwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 10.4.2 Entmischungsreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 10.4.3 Allgemeine Umwandlung und Ausscheidung . . . . . . . . . . . 150 10.4.4 Ordnungsreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 10.4.5 Martensitische Umwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 10.4.6 Bainitische Umwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 11 Untersuchungsmethoden der Mikrostruktur ....... . 162 11.1 Mikroskopische Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 11.1.1 Lichtmikroskopie (LM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 11.1.2 Rasterelektronenmikroskopie (REM) . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 11.1.3 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) . . . . . . . . . . . . . 167 11.1.4 Feldionenmikroskopie (FIM) und Atomsondenspektroskopie . . . 169 11.1.5 Beugung von Röntgenstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 11.1.6 Elektronenbeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 11.1.7 Chemische Analyse der Gefügebestandteile . . . . . . . . . . . . . . 174 11.1.8 Raster-Tunnel-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 11.2 Makroskopische Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 11.2.1 Physikalsehe Analyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 11.2.2 Thermochemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 12 Erstarrung flüssiger Legierungen - Gußwerkstoffe . . 183 12.1 Metallschmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 12.2 Bildung von Mischkristallen . 185 12.3 Eutektische Erstarrung . . . . . 189 12.4 Seigerung ............ . 191 12.5 Gußlegierungen . . . . . . . . . 192 12.6 Gießtechnik . . . . . . . . . . . 198 Literatur ................................ . 201 13 Umformung und Werkstoffprüfung . ............. . 202 13.1 Einfluß von Gefüge, Temperatur und Verformungsgeschwindigkeit 202 13.2 Mechanik der Umformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 13.3 Umformverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 207 13.4 Werkstoffprüfverfahren ......................... . 212 13.5 Kaltverfestigte Werkstoffe ........................ . 216 Literatur ...................................... . 218 XII Inhalt 14 Aufbau, Umwandlungen und Eigenschaften der Stähle. 219 14.1 Legierungsgruppen und Gleichgewichtssysteme . . . 219 14.2 Umwandlungen, Gefüge, mechanische Eigenschaften . 222 14.3 Stahlsorten . 228 Literatur ............... . 233 15 Teilchengehärtete Legierungen 234 15.1 Gefügeabhängige Eigenschaften 234 15.2 Härtungsmechanismen ..... . 236 15.3 Wechselwirkung von Versetzungen mit Teilchen . 236 15.4 Ausscheidungsgefüge ................. . 241 15.5 Aushärtbare Aluminiumlegierungen ........ . 243 15.6 Weitere aushärtende Nichteisenmetall-Legierungen . 245 15.7 Besonderheiten der Eisenlegierungen und Stähle . 246 15.8 Dispersionshärtung ... 248 15.9 Warmfeste Legierungen 248 Literatur ............ . 252 16 Oberflächen, Korrosion und Verschleiß . 253 16.1 Oberflächenenergie, Adsorption und Adhäsion 253 16.2 Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 16.3 Chemisch beständige Stähle Korrosionsschutz, . 260 16.4 Verzunderung . . . . . . . . 262 16.5 Reibung and Verschleiß . 264 Literatur ............. . 267 17 Pulvermetallurgie 268 17.1 Umgehung des flüssigen Zustands . 268 17.2 Pulvermetallurgische Verfahren . . 269 17.3 Sintertheorie . . . . . . . . . . . . . . 272 17.4 Anwendungen der Pulvermetallurgie 275 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . 280 18 Magnetische Werkstoffe 281 18.1 Ferromagnetische Phasen . 281 18.2 Magnetische Kenngrößen . 282 18.3 Physikalische und metallkundliehe Grundlagen . 284 18.4 Weichmagnetische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . 292 18.5 Hartmagnetische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . 297 18.6 Besondere Werkstoffeigenschaften durch magnetische Anomalien . 304 18.7 Eigenschaftsverbesserungen bei Magnetwerkstoffen . 306 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

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