Metallkunde: Aufbau und Eigenschaften von Metallen und Legierungen

369 Pages·1991·11.687 MB·German

by  Dr.-Ing. Erhard Hornbogen, Dr. rer. nat. Hans Warlimont (auth.)

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:
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag 1991
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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