Physikalische Grundlagen der Materialkunde

480 Pages·1998·20.22 MB·German

by  Professor Dr. rer. nat. Günter Gottstein (auth.)

Springer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Günter Gottstein
Physikalische Grundlagen
der Materialkunde
Mit 468 Abbildungen
, Springer
Professor Dr. rer. nato GÜNTER GOTT STEIN
RWTHAachen
Institut für Metallkunde und Metallphysik
Kopernikusstr. 14
52074 Aachen
e-mail: [email protected]
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Gottstein, Günter:
Physikalische Grundlagen der Materialkunde 1 Günter Gottstein.
(Springer-Lehrbuch)
ISBN 978-3-540-62670-1 ISBN 978-3-662-09331-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-09331-3
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heiddberg New York 1998
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Vorwort
Jede wissenschaftliche Disziplin und Epoche hat ihre Standardwerke, die das klas
sische Fundament des jeweiligen Fachgebiets gründen. Dazu gehören bspw. in der
Physik der "Pohl" (Experimentalphysik), die Feynman Lectures (Physikalische
Grundlagen) und der "Kittel" (Festkörperphysik). Das trifft ebenso auf die Mate
rial wissenschaften zu, deren wissenschaftliche Wurzel die Metallkunde ist. Das
Lehrbuch der Metallkunde von Georg Masing hat der deutschen Nachkriegsgene
ration die physikalischen Grundlagen der Werkstoffe vermittelt und die Konzep
tionen der Materialwissenschaft bis heute in seinen Fundamenten geprägt. Das
Buch war bereits in den 50er Jahren vergriffen, aber auf seiner Basis hat die
"Göttinger Schule" die Metallkunde in Deutschland weiter geprägt. Es hat auch
nicht an Versuchen gefehlt, den "Masing" neu aufzulegen, doch erst (der jüngst
verstorbene) Prof. Haasen (Nachfolger von Georg Masing, Schüler von Richard
Becker) hat in seinem Lehrbuch "Physikalische Metallkunde" die Tradition fortge
setzt. Obwohl Haasens Lehrbuch viele Liebhaber gefunden hat, eignet es sich aber
nur bedingt als Lehrbuch der Metallkunde speziell für Werkstoffingenieure, denn
es setzt die grundlegenden Kenntnisse der Metallkunde bereits voraus und ist an
spruchsvoll in der Darstellung. Damit kommt es für einführende Lehrveranstaltun
gen oder gar zum Selbststudium der Metallkunde praktisch nicht in Frage.
Das vorliegende Buch hat dagegen zum Ziel, die Grundlagen zum Verständnis
materialwissenschaftlicher Probleme zu vermitteln und zum Studium weiterfüh
render Literate zu befähigen. Andererseits will es sich deutlich von den vielen
Büchern über "Materials Science" abheben, in denen vorrangig die Phänomene
vorgestellt werden oder ein Verständnis auf rein phänomenologischer und daher
zwangsläufig oberflächlicher Basis geboten wird. Mit dem vorliegenden Lehrbuch
soll der Versuch unternommen werden, die Brücke von den atomistischen Mecha
nismen zu den Phänomenen und Eigenschaften der Werkstoffe zu schlagen. Das
Buch erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder umfassende Darstellung.
Als Lehrbuch muß es notgedrungen einen angemessenen Komprorniß zwischen
Vollständigkeit und Tiefe der Darstellung eingehen, wobei der gewählte Kompro
rniß eine Frage der persönlichen Einschätzung ist, der für jede Person anders aus
fallen mag. Das trifft speziell für das Kapitel "Physikalische Eigenschaften" zu,
das sich gezielt an Ingenieurstudenten richtet, die erfahrungsgemäß geringe Vor
kenntnisse der Festkörperphysik mitbringen.
Das Lehrbuch wurde zunächst als Vorlesungs manuskript zur Einführung in die
Materialkunde für Studenten sowohl der Metallurgie und Werkstofft echnik als
auch der Metallphysik konzipiert und über die Jahre entwickelt. Dem Trend zur
umfassenderen Behandlung der Werkstoffe über die Metalle hinaus wurde im
Rahmen der metallkundlichen Konzepte Rechnung getragen.
Danksagung
Den Fachkollegen, die mich beraten und zu diesem Buch ermutigt haben, möchte
ich an dieser Stelle meinen Dank aussprechen. Der vorliegende Text ist nicht
zuletzt auch Produkt der vielen Kommentare, Bemerkungen und Kritiken meiner
Assistenten Ehrengard Weidmannn, Felicitas Schwarzer und Jörg Fischer-Bühner
sowie der Studenten in meiner Materialkundevorlesung. Wir haben wohl alle viel
dabei gelernt.
Mein besonderer Dank gilt Frau Irene Zeferer, die sich mit hohem persönlichem
Engagement um das schwierige Typoscript und Layout gekümmert hat. Herrn
Christoph Feig und Frau Barabara Eigelshoven ist die gelungene graphische
Überarbeitung und digitale Einbindung der Abbildungen zu verdanken.
Für das sorgfältige und umsichtige Lektorat bin ich meinem Assistenten Lothar
Löchte sehr zu Dank verpflichtet.
Schließlich sei allen anderen Mitarbeitern am Institut für Metallkunde und
Metallphysik der RWTH Aachen für ihre kleine und große Hilfe mit Rat und Tat
gedankt.
Einführung
"Die Entwicklung neuer Materialien wird international als Schlüsseltechnologie mit
Querschnittscharakter und Schrittmachterfunktion für viele industrielle Bereiche
eingestuft. Die Fähigkeit zur Herstellung, Verarbeitung und Anwendung leistungsfä
higer Materialien ist Voraussetzung für neue, international wettbewerbsfähige Pro
dukte und Verfahren und ein Schlüssel zu mehr Ressourceneffizienz und Umwelt
schutz," schrieb eine Gutachterkommission, die im Jahre 1996 die Materialforschung
in Nordrhein-Westfalen zu beurteilen hatte [0.1].
Die genannten Fertigkeiten setzen naturgemäß eine Kenntnis der physikalischen
Grundlagen als Schlüssel zum Verständnis der Eigenschaften von Materialien voraus.
Diese Grundlagen sind Gegenstand der Materialkunde, und ihnen ist dieses Lehrbuch
gewidmet. Der Begriff ,,Materialkunde" ist relativ jung und auch nur unpräzise defi
niert. Manchmal wird darunter eine Erweiterung der Metallkunde auf nichtmetalli
sche Werkstoffe verstanden. Speziell von den Naturwissenschaftlern werden die
Materialwissenschaften häufig ausschließlich in bezug auf neuartige oder gar exoti
sche Funktionswerkstoffe gesehen. Bezieht man diese Materialien aber ein in die
große Gruppe der technisch nutzbaren Stoffe, dann wird Materialkunde ein modemes
Synonym zur Werkstoffwissenschaft, in Anlehnung an den eindeutig besetzten engli
schen Begriff "Materials Science".
Die Materialkunde ist damit die Lehre vom Zusammenhang zwischen mikrosko
pischem Aufbau und makroskopischen Eigenschaften technisch nutzbarer Materia
lien. Sie führt das große Spektrum technologisch einsatzfähiger Festkörper von Me
tallen über Keramiken, Gläser und Kunststoffe bis hin zu den Verbundwerkstoffen
unter einem Dach zusammen.
Die technisch wohl bedeutendste Werkstoffgruppe, sowohl was gegenwärtige
Produktion und Verwendung als auch Tradition und systematische Entwicklung
betrifft, sind die Metalle. Ihre vorzügliche Kombination von Formbarkeit und Festig
keit empfiehlt sie als Konstruktionswerkstoffe und ihre gute elektrische Leitfähigkeit
macht sie für die Elektroindustrie unentbehrlich. Metalle haben daher über Jahrtau
sende hinweg - ganze geologische Zeiträume sind nach ihnen benannt - die Werk
stoffgeschichte und -entwicklung bestimmt. Im technologisch ausgerichteten
"industriellen Zeitalter" mit Bedarf für preisgünstige Massengüter und Bauteile für
extreme Anforderungen haben aber Hochleistungskeramik, Kunststoffe und schließ
lich Verbundwerkstoffe als Konstruktionswerkstoffe in steigendem Maße Verwen
dung gefunden.
Die werkstoffwissenschaftliche Behandlung von Keramiken und Kunststoffen ist
verhältnismäßig jung im Vergleich zur Metallkunde. In den grundsätzlichen Zusam
menhängen lassen sich aber Metalle, Keramiken und Kunststoffe überwiegend in
einem einheitlichen Rahmen beschreiben, der sich im wesentlichen aus den Grundla-
X Einführung
gen der Metallkunde ableitet. Die Metallkunde ist in dieser Hinsicht die Mutter der
Werkstoffwissenschaften, was sich aus der umfangreichen Beschäftigung vieler
Forschergenerationen mit dieser Werkstoffgruppe erklärt. Die Metallkunde selbst ist
aber trotz der sehr langen Tradition metallischer Werkstoffe keine klassische Wissen
schaftsdisziplin. Die Gewinnung und Verarbeitung von Metallen galt lange Zeit als
geschätztes Geheimnis und wurde durch mündliche Überlieferung und praktische
Aneignung von Generation zu Generation vererbt. Erst im Mittelalter hat ein
Gelehrter namens Bauer (ins Lateinische übersetzt als "Agricola" bezeichnet) die
Rezepte der Metallverarbeitung aufgeschrieben, in seinem Werk "De Re Metallica"
[0.2]. Das Buch liest sich wie eine mystische Anleitung zur Metallverarbeitung, von
Stierblut und klaren Mondnächten ist u.a. die Rede, Kobolde und Nickel treiben ihr
Unwesen (daher die Bezeichnung Kobalt und Nickel), was alles seine praktische
Bewandtnis hat und heute eine wissenschaftliche Erklärung findet. Tatsächlich war
die Metallkunde im Mittelalter eine Richtung der Alchemie, die mit einer Mischung
aus empirischen Rezepten und Aberglauben ihre Kunst betrieb. Mit der immer stär
ker werdenden wissenschaftlichen Orientierung in der Neuzeit wurde die Metall
kunde eine Richtung der Chemie, wo sie auch heute noch an vielen Universitäten
beheimatet ist. Die rasche Entwicklung im Verständnis der Eigenschaften, insbeson
dere durch die Entdeckung der Röntgenstrahlen und ihre Anwendung für die Kristall
strukturanalyse, zeigte bald, daß im Gegensatz zur damals herrschenden Auffassung
die Eigenschaften der Metalle nicht nur durch die chemische Zusammensetzung
bestimmt waren. Damit wurde die Metallkunde nun in der physikalischen Chemie
angesiedelt. Die Entwicklung der atomistischen Grundlagen für das Verständnis der
mechanischen und elektronischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe im Rahmen
der Versetzungstheorie bzw. der Elektronentheorie der Metalle hat den Schwerpunkt
der Metallkunde zu Anfang dieses Jahrhunderts immer stärker zur Physik verschoben
und schließlich zur Disziplin der Metallphysik geführt, die die wissenschaftliche
Entwicklung der Metallkunde in den letzten 50 Jahren entscheidend geprägt hat.
Unser heutiges tieferes Verständnis metallischer Werkstoffe auf der Basis atomisti
scher Modelle ist im wesentlichen in den vergangenen 50 Jahren metallphysikalischer
Forschung entwickelt worden. Ziel dieser Forschung war und ist eine Beschreibung
der Werkstoffeigenschaften auf der Basis atomistischer physikalischer Modelle, die
sich in Zustandsgleichungen formulieren läßt, somit eine Prognose des Werkstoffver
haltens auf theoretischer Basis zuläßt und damit die aufwendigen Experimentierpha
sen der Werkstoffentwicklung verkürzt oder im Idealfall überflüssig macht.
In den sechziger und siebziger Jahren unseres Jahrhunderts wurde immer deutli
cher, daß der dringende Bedarf nach Werkstoffen für eine Vielfalt von teilweise
extremen Anwendungen und wettbewerbsfähigen Massengütern auch die Entwick
lung nichtmetallischer Werkstoffe einschließen muß, beispielsweise Keramiken für
Hochtemperaturbauteile und Kunststoffe zur Gewichtsersparnis in Automobilen und
Flugzeugen. Die werkstoffphysikalische Forschung machte aber bald deutlich, daß
die grundlegenden Konzepte der physikalischen Metallkunde unter Berücksichtigung
gewisser Einschränkungen relativ einfach auf andere Werkstoffe, insbesondere die
kristallinen Festkörper, zu übertragen waren. Kristallographie, Konstitutionslehre,
Diffusion, Phasenumwandlungen, Physikalische Eigenschaften etc. sind die Grundla
gen, die zum Verständnis der technologisch anwendbaren Materialien aller Art, also
der Werkstoffe insgesamt, notwendig sind.
Einführung XI
Natürlich gibt es auch spezifische Unterschiede. Zum Beispiel die zum Verständ
nis der plastischen Verformung von Metallen so wichtige Versetzungstheorie hat bei
den spröden Keramiken wenig Bedeutung, aber sie macht den Grund für die Sprö
digkeit klar und öffnet damit Perspektiven für ihre Handhabung. Für die zumeist
nichtkristallinen Polymere ist ein geeignetes Versetzungskonzept oft noch zu kompli
ziert und die Beschreibung der Verformung von Kunststoffen muß daher vorläufig
auf phänomenologische Modelle beschränkt bleiben.
Die Möglichkeit zu einer umfassenden Beschreibung der verschiedenen Werk
stoffklassen und die zunehmende Kombination verschiedener Werkstoffe zu Werk
stoffverbunden und schließlich Verbundwerkstoffen hat zu dem weltweiten Trend
geführt, die klassischen selbständigen Gebiete der Metallkunde, Keramik und Kunst
stoffe zur Werkstoffwissenschaft oder Materialkunde zu vereinigen. Im angelsächsi
schen Sprachraum wird die neue Disziplin vielleicht etwas präsizer als ,,Materials
Science and Engineering" bezeichnet, was sowohl den naturwissenschaftlichen als
auch den ingenieurwissenschaftlichen Aspekt umfaßt.
Inhaltsverzeichnis
1 Gefüge und Mikrostruktur ........... ...... ................... ............................. ...... 1
2 Der atomistische Aufbau der Festkörper................................................. 10
2.1 Atomare Bindung................................................................................ 10
2.2 Kristallstruktur.................................................................................... 17
2.2.1 Kristallsysteme und Raumgitter................................................. 17
2.2.2 Kristallstruktur von Metallen..................................................... 20
2.2.3 Kristallstruktur keramischer Werkstoffe.................................... 27
2.2.4 Kristallstruktur polymerer Werkstoffe....................................... 29
2.3 Indizierung kristallographischer Ebenen und Richtungen ............... .... 29
2.4 Darstellung von Orientierungen: Stereographische Projektion............ 36
2.5 Experimentelle Verfahren zur kristallographischen Struktur-
und Orientierungsbestimmung . .............. .... ........... ...... ......... ...... .... ..... 41
2.5.1 Das Braggsche Gesetz ............................................................... 41
2.5.2 Röntgenmethoden...................................................................... 44
2.5.3 Elektronenmikroskopie.............................................................. 49
2.5.4 Kristallographische Texturen..................................................... 51
3 Kristallbaufehler ........................................................................................ 57
3.1 Überblick............................................................................................. 57
3.2 Punktfehler .......................................................................................... 57
3.2.1 Typen von Punktfehlern ............................................................ 57
3.2.2 Thermodynamik der Punktdefekte ............................................ 58
3.2.3 Experimenteller Nachweis von Punktdefekten ......................... 61
3.3 Versetzungen ...................................................................................... 65
3.3.1 Geometrie der Versetzungen .................................................... 65
3.3.2 Nachweis von Versetzungen ..................................................... 71
3.4 Korngrenzen ....................................................................................... 73
3.4.1 Grundbegriffe und Definitionen ................................................ 73
3.4.2 Struktur der Korngrenzen ......................................................... 73
3.5 Phasengrenzflächen ............................................................................ 78
3.5.1 Klassifizierung der Phasengrenzen ........................................... 92
3.5.2 Phänomenologische Beschreibung der Phasengrenzfläche ....... 93