Praktikum in Werkstoffkunde: 100 ausführliche Versuche aus wichtigen Gebieten der Werkstofftechnik

791 Pages·2019·24.716 MB·German

by  Eckard Macherauch, Hans-Werner Zoch

Eckard Macherauch
Hans-Werner Zoch
Praktikum in
Werkstoffkunde
100 ausführliche Versuche aus wichtigen
Gebieten der Werkstofftechnik
13. Auflage
Praktikum in Werkstoffkunde
DIE EXPERTEN FÜR
· Rost-, säure- und
hitzebeständigen Stahl
· Werkzeugstahl
· Edelbaustahl
Tradition trifft Innovation. Mit mehr als 160 Jahren Erfahrung sind die Deutschen Edelstahlwerke einer der welt-
weit führenden Hersteller von Edelstahl-Langprodukten. An vier Standorten in Deutschland produzieren wir ein
weltweit einzigartiges Lieferspektrum. Dieses umfasst Werkzeugstähle, rost-, säure- und hitzebeständige Stähle,
Edelbaustähle sowie Sonderwerkstoffe. Unser Stahl kommt in den verschiedensten Branchen zum Einsatz, z. B.
in der Kunststoff- und Automobilindustrie, im Maschinen- und Anlagenbau, in der Luftfahrt sowie in der Energie-
branche.
Erfahren Sie mehr unter www.dew-stahl.com
Eckard Macherauch (cid:2) Hans-Werner Zoch
Praktikum in
Werkstoffkunde
100 ausführliche Versuche aus wichtigen
Gebieten der Werkstofftechnik
13., überarbeitete und erweiterte Auflage
EckardMacherauch Hans-WernerZoch
Karlsruhe,Deutschland Leibniz-InstitutfürWerkstofforientierteTechno-
logien
Bremen,Deutschland
ISBN978-3-658-25373-8 ISBN978-3-658-25374-5(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-25374-5
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Aus dem Vorwort zur 3. Auflage
Das„PraktikuminWerkstoffkunde“warlängereZeitvergriffen.Meinestarkeberufliche
Belastung verzögerte leider eine frühere Fertigstellung der hiermit vorgelegten 3. Auf-
lage. Aus vielen Gründen erschien mir eine einfache Überarbeitung und Ergänzungdes
ursprünglichen Textes nicht mehr vertretbar. Vor allem die mehrfach geäußerten Wün-
sche,dasBuchfreivonderinKarlsruhefürPraktikumszweckezurVerfügungstehenden
SachausrüstungzugestaltenundweitereVersucheaufzunehmen,legteneinevollständige
NeukonzipierungundNeubearbeitungnahe.
Für die getroffene Auswahl der Versuche waren fachliche und didaktische Ge-
sichtspunkte maßgebend. Angestrebt wurde eine Versuchsfolge, die fortschreitend ein
vertieftes Eindringen in grundlegende werkstoffkundliche Methoden und Zusammen-
hänge ermöglicht. Dabei wurden viele Erfahrungen berücksichtigt, die sich bei dem
KarlsruherwerkstoffkundlichenAusbildungskonzeptfürIngenieureergaben.Einbeson-
deresAnliegenwares,denLernendendurcheinfacheVersuchediefaszinierendeWeltdes
Werkstoffaufbaus und des Werkstoffverhaltens unter den verschiedenartigsten Randbe-
dingungennahezubringen,wiesieWerkstoffherstellung,Werkstoffver-und-bearbeitung
sowie Werkstoffprüfung und -verwendung bieten. Daneben sollten aber auch die phy-
sikalischen, die chemischen, die makromechanischen sowie die strukturmechanischen
Grundlagenaufgezeigtwerden,diedieunerlässlicheBasisjedesWerkstoffverständnisses
sind.Soentstandein„PraktikuminWerkstoffkunde“,das–wieichhoffe–dieeinführen-
denundvertiefendenwerkstoffkundlichenVorlesungeninausgewogenerWeiseergänzen
kann.
Ichhoffe,dassdashinsichtlichForm,InhaltundUmfangveränderteBuchnichtnurden
Studenten bei der Beschäftigung mit der Werkstoffkunde, sondern darüber hinaus auch
überalldortvonNutzenseinwird,woinLehreundPraxiswerkstoffkundlicheProbleme
behandeltwerden.
Karlsruhe E.Macherauch
imSommer1981
V
Vorwort zur 13. Auflage
Das „Praktikum in Werkstoffkunde“ stellt seit seiner ersten Auflage im Jahr 1970 die
wichtigstenVersuchederWerkstoff-undBauteilprüfungzusammen.InzahlreichenNeu-
auflagenwurdeseitdemständigderInhaltaktualisiert,denverändertenNormenangepasst
und auch um neue Aufgabenstellungen erweitert. Bis zur 11. Auflage war Herr Mache-
rauch alleiniger Autor und hat sich in dieser Funktion um die Ausbildung unzähliger
IngenieureundNaturwissenschaftler höchsteVerdiensteerworben.DieFortführungdie-
ses Standardwerkes unter seinem Namen, inzwischen in der 13. Auflage, ist uns eine
selbstverständlicheVerpflichtungundsolldiesembedeutendenWerkstoffforschergleich-
zeitigeinehrendesAndenkenbewahren.
VölligneueWerkstoffkonzeptewiez.B.dieHighEntropyAlloysoderneueProdukti-
onsverfahrenwiedieadditiveFertigungmitihrenspeziellenEigenschaftenzeigen,welch
hohes Innovationspotenzial die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik immer noch
bieten. Ihnen allen gemeinsam ist es, dass das Verhalten der neuen bzw. neu gefertig-
ten Werkstoffe und Bauteile untersucht, charakterisiert und bewertet werden muss, um
GrenzenmöglicherAnwendungsbereiche,späteresVersagenimBetriebodereineweitere
Leistungssteigerung auch wirklich beschreiben zu können. Hierfür sind die klassischen
oder neu entwickelte Verfahren der Werkstoffprüfung unerlässlich, die das vorliegende
Buch als Arbeitsunterlage für Praktika an Hochschulen, aber auch als Nachschlagewerk
fürdieberuflichePraxis,bereitstellenmöchte.
Das bewährte Konzept, die wichtigsten Versuche der Werkstoff- und Bauteilprüfung
in einzelnen, unabhängigen Kapiteln zu beschreiben, zu denen die wissenschaftlichen
Grundlagen bereitgestellt und Aufgabenstellungenformuliertwerden, haben wir beibe-
halten.DieservonHerrnMacherauchursprünglichgewählteAufbauerfährtnachwievor
vielZustimmungundermöglichtesauchleicht,neueThemenindasBuchaufzunehmen.
So wurden in diese 13. Auflage sechs neue Versuchsbeschreibungen aufgenommen.
SiewidmensichdemSchwerpunktmetallischerundkeramischerPulverwerkstoffe,deren
Charakterisierungund VerarbeitungdurchPressverfahren und den darausresultierenden
Werkstoff-undBauteileigenschaften.DieVorgängebeimSinternwerdenebensobeschrie-
ben wie die Ermittlung geeigneter Parameter für das Selektive Laserschmelzen im sog.
Pulverbettverfahren, einem inzwischen weit verbreiteten Verfahren des Additive Layer
VII
VIII Vorwortzur13.Auflage
Manufacturing(ALM).DieseVerarbeitungswegeweisenBesonderheitenindenspäteren
Werkstoffeigenschaftenauf,dieeigenePrüfmethodenerfordern.
WieinjederÜberarbeitungwurdenvonaufmerksamenLeserngegebeneHinweiseauf
KorrekturenzurvorangehendenAuflagegernaufgegriffenundumgesetzt.
Für die Erstellung der neuen Versuchsbeschreibungen sind wir zahlreichen Experten
undFachkollegenzuDankverpflichtet.DieVersuche„Dichtebestimmunginporösenke-
ramischen Werkstoffen“sowie „Festigkeit und Bruchzähigkeit keramischer Werkstoffe“
verdankenwirProf.Dr.-Ing.KuroschRezwan,ProfessorofAdvancedCeramics,Univer-
sitätBremenundseinenMitarbeiterinnenundMitarbeitern,M.HoogAntinkundK.Tush-
tev.FürdieVersuche„MetallpulverfürSinterwerkstoffe“,„FormgebungvonSinterbautei-
len“und„Sintern“dankenwirHerrnProf.Dr.-Ing.ChristophBroeckmann,LeiterdesIn-
stitutsfürWerkstoffanwendungenimMaschinenbau(IWM)derRheinisch-Westfälischen
Technischen Hochschule Aachen, sowie seinem Vorgänger, Herrn Prof. Dr.-Ing. Paul
Beiss sehr herzlich. Frau M. Sc. Lena Heemann aus der Abteilung Leichtbauwerkstoffe
des Leibniz-Instituts für Werkstofforientierte Technologien gebührt unser Dank für die
Beschreibungder„ParameterbestimmungfürdasselektiveLaserschmelzen“.
Qualitative Verbesserungen beim Bildmaterial wurden auch in dieser Auflage vorge-
nommen.FürdiegrafischeÜberarbeitungkonntenwiraufdiebewährteZusammenarbeit
mitHerrnDr.WolfgangZettlmeierbauen.HerrnJensStalkopfdankenwirfürneueFotos
derPrüfmaschinederFa.Instron®.
EingroßerDankgebührtHerrnDr.-Ing.RainerTinscher,Oberingenieurundstellver-
tretender Leiter der Hauptabteilung Werkstofftechnik des Leibniz-IWT, für die erneute
umfassendeUnterstützungbeiderErarbeitungdieser13.Auflage.
Die Betreuung durch den Springer Vieweg Verlag war wieder sehr professionell und
angenehm.DemLektordesBuches,HerrnThomasZipsnersowieFrauImkeZandersei
hierfürherzlichgedankt.
DenStudierenden,ForschernundPraktikerninIndustrieundWissenschaftmögeauch
dieseAuflagedes„PraktikuminWerkstoffkunde“alsHilfeundAnleitungfürdasStudium
undWissensquellefürdietäglichePraxisdienen.FürKommentareundKritiksowieAn-
regungenzurVerbesserungundWeiterentwicklungdiesesWerkeseinenherzlichenDank
imVoraus.
Bremen Hans-WernerZoch
imJanuar2019
Er hat wieder nichts
als Zukunft im Kopf
Zukunftsgestalter, Möglichmacher und Innovationstreiber arbeiten
bei uns im Verbund mit der GMH Gruppe zusammen, um die Märkte
und Branchen von morgen mitzugestalten. Dafür bündeln wir unser
Know-how, unser Können und unsere Ideen rund um Stahl, um
immer wieder neue Lösungen zu fi nden.
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Inhaltsverzeichnis
1 V1StrukturelleBeschreibungreinerMetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Symbole,Abkürzungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
WeiterführendeLiteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 V2Gitterstörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Symbole,Abkürzungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
WeiterführendeLiteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 V3SchmelzenundErstarrenvonMetallenundLegierungen. . . . . . . . . 21
3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 Symbole,Abkürzungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4 V4OptischeMetallspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 Symbole,Abkürzungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5 V5Röntgenfluoreszenzanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2 Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
XI