Praktikum in Werkstoffkunde: Skriptum für Ingenieure, Metall- und Werkstoffkundler, Werkstoffwissenschaftler, Eisenhüttenleute, Fertigungs- und Umformtechniker PDF
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Eckard Macherauch Praktikum in Werkstoffkunde Aus dem Programm Werkstoffkunde Lehrbücher: Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, von W. Weißbach Werkstoffkunde für Ingenieure, von R. Laska und Ch. Felsch Werkstoffkunde der Elektrotechnik, von E. Döring Werkstoffkunde für die Elektrotechnik, von P. Guillery, R. Hezel und 8. Reppich Technologie der Werkstoffe, von J. Ruge Elastizitäts- und Plastizitätslehre, von J. Betten Praktikum: Praktikum in Werkstoffkunde, von E. Macherauch Handbuch: Handbuch Technische Oberflächen, von H. von Weingraber und M. Abou-Aiy Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH ---------- Eckard Macherauch Praktikum in Werkstoffkunde Skriptum fUr lngenieure, Metall- und Werkstoffkundler, Werkstoffwissenschaftler, EisenhUttenleute, Fertigungs- und Umformtechniker 9. Auflage Mit 508 Bildern Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1. Auflage 1970 2. Auflage 1972 3., vollstăndig neu bearbeitete Auflage 1981 4., iiberarbeitete und verbesserte Auflage 1983 5., durchgesehene und ergănzte Auflage 1984 6., iiberarbeitete und ergănzte Auflage 1985 7., durchgesehene Auflage 1987 8., verbesserte Auflage 1989 9. Auflage 1990 Alle Rechte vorbehalten © Springer Fachmedien Wiesbaden 1990 Ursprlinglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1990 Das Werk einschlieJlJ!ich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auJlJerhalb der engen Grenzen des Urheberrechts gesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulăssig und strafbar. Das gilt insbesondere ftir Vervielfăltigungen, Ubersetzungen, Mikrover filmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. ISBN 978-3-528-83306-0 ISBN 978-3-663-14841-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-14841-8 Aus dem Vorwort zur 3. Auflage Das "Praktikum in Werkstoffkunde" war längere Zeit vergriffen. Meine starke berufliche Belastung verzagerte leider eine frühere Fertigstel lung der hiermit vorgelegten 3. Auflage. Aus vielen Gründen erschien mir eine einfache Überarbeitung und Ergänzung des ursprünglichen Textes nicht mehr vertretbar. Vor allem die mehrfach geäußerten Wünsche, das Buch frei von der in Kerlsruhe für Praktikumszwecke zur VerfUgung ste henden Sechausrüstung zu gestalten und weitere Versuche aufzunehmen, legten eine vollständige Neukonzipierung und Neubearbeitung nahe. Für die getroffene Auswahl der Versuche waren fachliche und didak tische Gesichtspunkte maßgebend. Angestrebt wurde eine Versuchsfolge, die fortschreitend ein vertieftes Eindringen in grundlegende werkstoff kundliche Methoden und Zusammenhänge ermaglicht. Dabei wurden viele Er fahrungen berücksichtigt, die sich bei dem Karlsruher werkstoffkundli ehen Ausbildungskonzept für Ingenieure ergaben. Ein besonderes Anlie gen war es, den Lernenden durch einfache Versuche die faszinierende Welt des Werkstoffaufbaus und des Werkstoffverhaltens unter den ver schiedenartigsten Randbedingungen nahezubringen, wie sie Werkstoffher stellung, Werkstoffver-und-bearbeitungsowie Werkstoffprüfung und -Ver wendung bieten. Daneben sollten aber auch die physikalischen, die che mischen, die makromechanischen sowie die strukturmechanischen Grundla gen aufgezeigt werden, die die unerläßliche Basis jedes Werkstoffver ständnisses sind. So entstand ein "Praktikum in Werkstoffkunde", das - wie ich hoffe - die einführenden und vertiefenden werkstoffkundliehen Vorlesungen in ausgewogener Weise ergänzen kann. Ich hoffe, daß das hinsichtlich Form, Inhalt und Umfang veränderte Buch nicht nur den Studenten bei der Beschäftigung mit der Werkstoff kunde, sondern darüberhinaus auch überall dort von Nutzen sein wird, wo in Lehre und Praxis werkstoffkundliehe Probleme behandelt werden. Karlsruhe, im Sommer 1981 E. MACHERAUCH Aus dem Vorwort zur 4. Auflage Die vollständig-neubearbeitete 3. Auflage des "Praktikum in Werk stoffkunde" war wenige Monate nach Erscheinen vergriffen. Das kann wohl als Beweis dafür angesehen werden, daß die mit dem Buche ver folgte Absicht gelang. Einerseits sollte dem Lernenden eine aktuelle, vorlesungsergänzende Informationsquelle und eine Anleitung zur Durch führung und zum Kennenlernen wichtiger Untersuchungsmethoden in der Werkstoffkunde, andererseits dem Praktiker ein Hilfsmittel und Nach schlagewerk für die Bewältigung werkstoffkundlicher Fragestellungen und Probleme geboten werden. Viele zustimmende Kommentare von Fach kollegen zu Form und Inhalt des "Praktikum in Werkstoffkunde", für die ich bestens danke, unterstützen diese Auffassung. VI Bei der Überarbeitung der hiermit vorgelegten 4. Auflage dieses Buches habe ich der Versuchung widerstanden, neue Versuche durch Aus tausch bisheriger oder durch Umfangsvergrößerung aufzunehmen. Ich habe mich vielmehr darauf beschr§nkt, ••••• Textpassagen dort zu §n dern, zu ergänzen oder neu einzufügen, wo mir dies auf Grund von Dis kussionen mit Lernenden oder auf Grund einer eigenen kritischen Bewer tung der bisherigen Formulierungen notwendig und sinnvoll erschien. Ich habe ferner - zugunsten der Lernenden - nunmehr auch bei den Ver suchen zur Schwingfestigkeit und an anderen Stellen den Begriff des Werkstoffwiderstandes konsequent benutzt und dabei Sumbole eingeführt, die zwar nicht mit den gängigen übereinstimmen, dafür aber - unter Berücksichtigung der bei quasistatischen Werkstoffkenngrößen verfügten Bezeichnungen - insgesamt ein vernünftiges und in sich einigermaßen geschlossenes Bezeichnungssvstem ergeben. Karlsruhe, im Juli 1982 E. MACHERAUCH Vorwort zur 5. Auflage Die positive Aufnahme, die die vollständig neu bearbeitete 3. Auf lage dieses Buches nach ihrem Erscheinen bei werkstoffkundlieh Inter essierten fand, hielt auch für die 4. Auflage an. Nach knapp einem Jahr war diese ebenfalls wieder vergriffen. Bei der hiermit vorgeleg ten 5. Auflage wurden einige Berichtigungen und Aktualisierungen vor genommen sowie einige Teile aus didaktischen und sachlichen Gründen neu verfaßt. Für die engagierte Mithilfe bei diesen Arbeiten bin ich Herrn Dipl.-Ing. R. Schäfer und Frau R. Dobler zu besonderem Dank ver pflichtet. Karlsruhe, im Dezember 1983 E. MACHERAUCH Vorwort zur 6. Auflage Die Akzeptanz dieses Buches durch Studenten und offenbar auch durch in der Praxis stehende Ingenieurehielt auch in den letzten anderthalb Jahren an. Die Notwendigkeit einer weiteren Auflage gab Gelegenheit zum Ausmerzen einiger Fehler, zur Vornahme einiger Ergänzungen, zum Austausch und zur Neuaufnahme einiger Bilder sowie zur Umformulierung einiger mißverständlicher und zur Neuformulierung einiger ergänzender Textteile. Bei diesen Arbeiten haben mir Frau D. Frank und Frau Dipl. Ing. L. Joachimi in dankenswerter Weise sehr geholfen. Karlsruhe, im Juni 1985 E. MACHERAUCH Vorwort zur 8. Auflage Unter Beibehaltung der bisherigen Form des "Praktikum in Werkstoff kunde" wurden bei dieser Neuauflage lediglich einige Korrekturen und Ergänzungen vorgenommen. Karlsruhe, im Januar 1989 E. MACHERAUCH Inhaltsverzeichnis Seite V 1 Strukturelle Beschreibung reiner Metalle 1 V 2 Gitterstrukturbestimmung mit Rantgenstrahlen 6 V 3 Gitteretarungen 13 V 4 Schmelzen und Erstarren von Metallen und Legierungen 21 V 5 Optische Metallspektroskopie 26 V 6 Rantgenfluoreszenzanalyse 32 V 7 Thermische Analyse 37 V 8 Lichtmikroskopie von Werkstoffgefügen 41 V 9 Härtemessung 49 V 10 Kaltumformen durch Walzen 54 V 11 Werkstofftexturen 58 V 12 KorngraBenermittlung 61 V 13 Erholung und Rekristallisation 65 V 14 Elektrische Leitfähigkeit 70 V 15 Metallographie unlegierter Stähle 73 V 16 Martensitische Umwandlung 80 V 17 Phasenanalyse mit Rantgenstrahlen 85 V 18 Gefüge von Gußeisenwerkstoffen 89 V 19 Quantitative Gefügeanalyse 94 V 20 Transmissionselektronenmikroskopie von Werkstoffgefügen 99 V 21 Gefügebewertung 104 V 22 Topographie von Werkstoffoberflächen 107 V 23 Kraftkontrolle und Nachgiebigkeit einer Zugprüfmaschine 111 V 24 Messung elastischer Dehnung 115 V 25 Grundtypen von Zugverfestigungskurven 119 V 26 Temperatureinfluß auf die Streckgrenze 127 V 27 Interferenzmikroskopie verformter Werkstoffoberflächen 134 V 28 Statische Reckalterung 138 V 29 Dynamische Reckalterung 141 V 30 Bauschingereffekt 145 V 31 Gußeisen unter Zug- und Druckbeanspruchung 147 V 32 Dilatometrie 148 V 33 Wärmespannungen und Abkühleigenspannungen 151 V 34 Wärmebehandlung von Stählen 155 V 35 ZTU-Schaubilder 159 V 36 Härtbarkelt von Stählen 164 V 37 StahlvergütungundVergütungsschaubilder 168 V 38 Härte und Zugfestigkeit von Stählen 172 V 39 Einsatzhärten 173 V 40 Nitrieren 179 V 41 Wärmebehandlung von Schnellarbeitsstählen 182 V 42 Thermo-mechanische Stahlbehandlung 185 V 43 Aushärtung einer AlCu-Legierung 187 V 44 Formzahlbestimmung 191 V 45 Zugverformungsverhalten von Kerbstäben 194 V 46 Biegeverformung 198 V 47 Spannungsoptik 202 V 48 Kerbschlagbiegezähigkeit 207 V 49 Rasterelektronenmikroskopie 212 V 50 Torsionsverformung 218 V 51 Schubmodulbestimmung aus Torsionsschwingungen 222 V 52 Elastische Moduln und Eigenfrequenzen 224 V 53 Anslastische Dehnung und Dämpfung 229 V 54 Rißzähigkeit 235 V 55 Compliance angerissener Proben 244 V 56 Kriechen 247 VIII Seite V 57 Schwingfestigkeit 252 V 58 Statistische Auswertung von Dauerschwingversuchen 255 V 59 Dauerfestigkeitsschaubilder 261 V 60 Kerbwirkung bei Schw'ingbeanspruchung 264 V 61 Wechselverformung unlegierter Stähle 267 V 62 Zyklisches Kriechen 270 V 63 Verformung und Verfestigung bei Wechselbiegung 273 V 64 Dehnungswöhlerkurven 275 V 65 Strukturelle Zustandsänderung bei Schwingbeanspruchung 278 V 66 Ausbreitung von Ermüdungsrissen 283 V 67 Ermüdungsbruchflächen 288 V 68 Verzunderung 292 V 69 Elektrochemisches Verhalten unlegierter Stähle 296 V 70 Stromdichte-Potential-Kurven 300 V 71 Spannungsrißkorrosion 305 V 72 Wasserstoffschädigung in Stahl 310 V 73 Tiefziehfähigkeit von Stahlblechen 315 V 74 r- und n-Werte von Feinblechen 318 V 75 Ultraschallprüfung 324 V 76 Magnetische und magnetinduktive Werkstoffprüfung 328 V77 Röntgenographische Eigenspannungsbestimmung 331 V 78 Mechanische Eigenspannungsbestimmung 341 V 79 Kugelstrahlen von Werkstoffoberflächen 345 V 80 Grobstrukturuntersuchung mit Röntgenstrahlen 350 V 81 Metallographische und mechanische Untersuchung von Schweißverbindungen 356 V 82 Schweißnahtprüfung mit Röntgen- und y-Strahlen 365 V 83 Schadensfalluntersuchung 369 V 84 Aufbau und Struktur von Polymerwerkstoffen 372 V 85 Viskoses Verhalten von Polymerwerkstoffen 383 V 86 Zugverformungsverhalten von Polymerwerkstoffen 387 V 87 Zeitabhängiges Deformationsverhalten von Polymer werkstoffen 392 V BB Schlagzähigkeit von Polymerwerkstoffen 395 V 89 Glasfaserverstärkte Polymerwerkstoffe 398 V 90 Wärmeleitvermögen von Schaumstoffen 404 V 91 Dämpfung metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe 408 V 92 Kornanalyse eines Quarzsandes 411 V 93 Kenngrößen bentonitgebundener Formstoffe 413 V 94 Temperatureinfluß auf die Druckfestigkeit von Form stoffen 416 V 95 Festigkeitseigenschaften von Kernsanden 419 V 96 Fehler bei Sandguß 421 A 1 Charakteristische Kenngrößen einiger reiner Metalle 424 Literaturverzeichnis 425 Quellennachweis 431 Sachverzeichnis 432 - 1 - Strukturelle Beschreibung reiner Metalle Vl Grundlagen Ordnet man alle natürlichen und alle künstlich erzeugten Elemente nach steigender relativer Atommasse Ar so an, daß chemisch verwandte Elemente untereinander stehen, so ergibt sich das in Bild 1 wiederge gebene sog. Kurzperiodens~stem der Elemente. Man erhält sieben waage rechte Zeilen (Perioden) und acht senkrechte mit römischen Ziffern be zeichnete Spalten (Gruppen), die ihrerseits die Hauptgruppenelemente (A) und die Nebengruppenelemente (B) umfassen. Die Reihenfolge der Elemente wird durch die Ordnungszahl Z festgelegt. Sie ist identisch mit der Zahl der Protonen und der Zahl der Elektronen der Elementato me. Das periodische S~stem der Elemente spiegelt die Periodizität im Aufbau der Elektronenhülle der Elementatome wieder. Man gelangt zu die~ ser Ordnung nur, wenn die eingangs erwähnte Reihenfolge der relativen Atommassen bei Ar/K mit Z = 18/19, bei Co/Ni mit Z = 27/28 und Te/J mit Z = 52/53 unterbrochen wird. Ferner ist nach Z = 57 (La) und nach Z = 89 (Ac) jeweils 14 Elementen, den Lanthaniden und den Aktiniden, ein einziger Platz zuzuweisen. A I B A II B B III A B IV A B V A B VI A B VII A B VIII A 1 1 H 2He 1,008 4,003 2 3Li 4Be SB 6C 7N 80 9F 10Ne 6,941 9,012 10,810 12,011 14,007 15,999 189911 20179 3 11No 12Mg 13Al 14Si 15 p 16 s 17 Cl 18Ar 22 990 24 31 26 98 28 09 3097 32 06 35 45 39,95 19K 20Cn 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26 Fe 27Co 28 Ni 4 39,10 40,08 44,96 47,90 50,94 52,00 54,94 55,85 58,93 58,10 29Cu 30Zn 31 Go 32 Ge 33As 34Se 35 Br 36Kr 4 63,55 65,38 69,72 72,59 74,92 78,96 79,91 83,80 S 37Rb 38Sr 39Y 40Zr 41 Nb 42Mo 43Tc 44Ru 45Rh 46Pd 85,47 87,62 88,91 91,22 92,91 95,94 99,91 101 07 102 91 106,40 5 47Ag 48Cd 491n SO Sn 51 Sb 52 Te 53J 54 Xe 107,87 112,41 114,82 118,69 121,75 127,60 126,90 131,30 6 ~5 Cs ~6Bo 57 Ln~ ~2Hf 73To 74W 75 Re 760s 771r 78Pt 132,91 137,33 138,91 SB- 178,49 180,95 183,85 186,21 190 20 192,22 195,09 6 79Au 80Hg 81 Tl 82 Pb 83Bi 84 Po 85 At 86 Rr 196,97 200,59 204,37 207,19 2011,98 208,98 209,99 222,02 7 87 Fr 88Ro 89 Ac ~0_10j 04Ku 05Ns ~06 ~07 108 109 223,02 226,03 227,03 261 262 263 262 266 6 ls&-711 58 Ce 59 Pr 60Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Oy 67 Ho 68 Er 69Tm 70 Yb 71Lu 140,12 140,91 144,24 144,91 150,40 151,96 157,25 158,93 162,50 164,93 167,26 168,93 173,04 174,97 7 l90-1oj 90Th 91 Pa 92 u 93 Np 94 Pu 95 Aln 96Cm 97Bk 98 Cf 99 Es 100Fm 101 Mll 102 No 103 Lr 232,04 231,04 238,03 237,05 244,06 243.06 245,07 247,07 251,08 254,09 255 09 25609 257 256 Bild 1: Kurzperiodenaustern der Elemente. Die einzelnen Plätze sind gekennzeichnet durch Ordnungszahl, Elementsvmbol und rel. Atommasse In der Werkstoffkunde wird bevorzugt das sog. Langperiodens~stem der Elemente benutzt. Man erhält es aus Bild 1 durch Herausschieben der Elementgruppen IB und IIB sowie IIIA bis VIIIA nach rechts und An fügen an die Elementgruppe VIIIB. Wie Bild 2 zeigt, gibt diese Art der Darstellung unmittelbar den Aufbau der den einzelnen Elementen zugehörigen Elektronenhüllen wieder. Aus den angegebenen Bezeichnun gen der Elektronenzustände ersieht man, daß die Auffüllung der Elek tronenniveaus bis Ar in der Sequenz 1s, 2s, 2p, 3s und 3p erfolgt. Dann werden bei K und Ca die 4s-Niveaus besetzt, und erst danach er folgt ab Sc bis Zn der Einbau von 3d-E1ektronen. Daran schließt
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