Werkstoffe und ihre Anwendungen

612 Pages·2018·13.413 MB·German

by  Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

Wolfgang Weißbach
Michael Dahms
Christoph Jaroschek
Werkstoffe und ihre
Anwendungen
Metalle, Kunststoffe und mehr
20. Auflage
Werkstoffe und ihre Anwendungen
(cid:2) (cid:2)
Wolfgang Weißbach Michael Dahms
Christoph Jaroschek
Werkstoffe und ihre
Anwendungen
Metalle, Kunststoffe und mehr
20., überarbeitete Auflage
WolfgangWeißbach ChristophJaroschek
Braunschweig,Deutschland FHBielefeld
Bielefeld,Deutschland
MichaelDahms
HochschuleFlensburg
Flensburg,Deutschland
ISBN978-3-658-19891-6 ISBN978-3-658-19892-3(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-19892-3
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lageunterdemTitelWerkstoffkunde.
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Vorwort
AmLebenslaufeinestechnischenErzeugnissesvonderEntwicklungüberseineFertigung
mitQualitätssicherung,derspäterenNutzungmitWartungundevtl.Regenerationbishin
zumRecycling,wirddiezentraleStellungdesWerkstoffesdeutlich.InalldiesenPhasen
müssenBeteiligteihreMaßnahmenaufdieEigenartderverwendetenWerkstoffeabstim-
men.
EineinführendesLehrbuchüberWerkstoffesollteeineÜbersichtschaffen,über:
(cid:2) dentheoretischenHintergrund,denndasVerhaltenderWerkstoffelässtsichbeeinflus-
senundverändern,z.B.durchdieAnwendungvonTemperaturen.
(cid:2) die Eigenschaften, denn in Konstruktion, Fertigung und Instandhaltung sind für die
Auswahl von Werkstoffen und für die Dimensionierung Kennwerte zur Berechnung
notwendig,z.B.Steifigkeit,Härtbarkeit,Korrosionsbeständigkeitetc.
(cid:2) Werkstoffarten, weil es unterschiedlichste Anforderungen an ein zu entwickelndes
Bauteilbzw.Systemgibt,z.B.Dichte/Gewicht,Festigkeit,etc.
(cid:2) dieWerkstoffanwendungen,dennerstdieAnwendungmachtamEndeeinenFestkör-
perzumWerkstoff.
DasvorliegendeLehrbuchvertrittdieseRichtung,dieimerstenAbschnittalsEinführung
undMotivationdargelegtwird.EswirddasPrinzip„EigenschaftensindeineFunktionder
Struktur“ erläutert und Überlegungen zur optimalen Werkstoffwahl vorgestellt. Bereits
hierwerdendiebeidenwichtigenWerkstoffgruppenderMetalleundderKunststoffemit
ihremsehrunterschiedlichenAufbaugegenübergestellt.
DasBuchistmitseinerStoffauswahlundsprachlichenGestaltungfürStudienanfänger
der Fach- und Fachhochschulen angelegt und für alle Fachrichtungen, bei denen Werk-
stoffeigenschaften und Werkstoffverhalten bei technologischen Prozessen eine wichtige
Rollespielen.
Inder20.Auflagewurden–teilweise aufAnregungenausdemLeserkreis–Umstel-
lungen vorgenommen, Fehler berichtigt und Normen aktualisiert. Insbesondere wurden
alleVerweisenocheinmalaufihreRichtigkeitüberprüft.WesentlicheÄnderungensind:
(cid:2) DasKap.13„ÜberlegungenzurMaterialauswahl“wurdeneugeschrieben.
(cid:2) EinAbschnittzurDauergebrauchstemperaturwurdeaufgenommen.
V
VI Vorwort
DieAutorendankenFrauImkeZanderundHerrnThomasZipsnervomLektoratMaschi-
nenbaufürdiefruchtbareZusammenarbeit.
Autoren und Verlag danken Firmen und Instituten für Unterlagen und den Benutzern
fürkonstruktiveAnmerkungenundVorschläge.Wirsindauchweiterhinbestrebt,diesezu
realisieren.
Flensburg,BielefeldimFrühjahr2018 MichaelDahms
ChristophJaroschek
Vorwort der 19. Auflage
„Der Weißbach“ ist seit seiner 1. Auflage ein erfolgreiches Lehrbuch für die Werkstoff-
kunde. Es zeichnet sich aus durch seinen Anwendungsbezug und die vielen Beispiele.
EinganzbesondererDankgiltandieserStelleHerrnWolfgangWeißbach,derüberJahr-
zehntehinwegmitvielEngagementdasBuchinhaltlichaberauchlayouttechnischimmer
weiter entwickelt hat, jetzt aber aus persönlichen Gründen leider nicht mehr für eine
Überarbeitung des Buches zur Verfügungsteht. Nur weil das Lehrbuch auch permanent
normenaktuellgehaltenwurde,konnteeserfolgreichinsovieleAuflagegeführtwerden.
MitdernunvorliegendenAuflageübernehmenMichaelDahmsundChristophJaroschek
dienotwendigenAktualisierungenundErgänzungen.Das bisherigezweispaltigeLayout
wirdaufgelöst,weilBücherheuteauchüberelektronischeSystemegelesenwerden.
SämtlicheKapitelsindgrundlegendüberarbeitetundaktualisiertworden.Wesentliche
Veränderungensind:
(cid:2) DieKap.9KunststoffeundKap.14Werkstoffprüfungwurdenvollständigüberarbeitet
underweitert
(cid:2) KapitelTribologischeBeanspruchungwurdegestrichen
Die Erweiterungen betreffenbesonders die Bereiche der Kunststoffe. Hier ist besonders
das Kap. 14zu beachten, dennes stellt das Bindegliedzwischen den sehr unterschiedli-
chenWerkstoffgruppenderMetalleundderKunststoffedar.
EinbesondererDankgiltFrauAnkeWolfram,dieUnschätzbaresbeiderRealisierung
des neuenUmbruchesund beider Verweis-Verfolgunggeleistet hat. Weiterhin gilt auch
unser Dank Herrn Thomas Zipsner, der als Lektor des Verlags ebenfalls in Fragen des
LayoutsvielArbeithatte.
EineBitterichtetsichnunanSiealsLeser:solltenSieInhaltenichtverständlichfinden
oderinsgesamtvermissen,scheuenSiesichbittenicht,IhreAnmerkungenandenVerlag
zu senden.Wirhoffen,dass bereitsdie19.AuflagedenErfolgdes„Weißbach“fortsetzt
undwirwerdenallesdaransetzen,dienachfolgendenAuflageninweiterhinverständlicher
Formzugestalten.
Bielefeld,Flensburg,imJuli2015 ChristophJaroschek
MichaelDahms
VII
Inhaltsverzeichnis
1 GrundlegendeBegriffeundZusammenhänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 GegenstandundBedeutungderWerkstoffkunde. . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 DasFachgebietWerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 StellungundBedeutungderWerkstoffkundeinderTechnik . . . . . . 3
1.3 EntwicklungsrichtungenderWerkstofftechnik . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 BessereNutzungvonWerkstoffundEnergie
(Material-undEnergieeffizienz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Oberflächenbehandlungen,Nanotechnologie . . . . . . . . . . 7
1.4 WielassensichdieunterschiedlichenEigenschaftenderWerkstoffe
erklären? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 AtombauundPeriodensystem(PSE) . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.2 Bindungsart. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.3 Materialaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.4 Werkstoffeigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 AnforderungenanWerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.1 Anforderungsprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.2 Eigenschaftsprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2 MetallischeWerkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1 Metallkunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.1 Vorkommen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.2 Metallbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.3 Metalleigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.4 DieKristallstrukturenderMetalle(Idealkristalle) . . . . . . . 31
2.1.5 EntstehungdesGefüges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.6 VerformungamIdealkristall(Modellvorstellung). . . . . . . . 46
2.2 StrukturundVerformungderRealkristalle . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.1 Kristallfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.2 VerformungderRealkristalleundVeränderung
derEigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
IX
X Inhaltsverzeichnis
2.3 Verfestigungsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.1 Mischkristallverfestigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.3.2 Kaltverfestigung(Verformungsverfestigung) . . . . . . . . . . 60
2.3.3 Feinkornverfestigung(Korngrenzenverfestigung). . . . . . . . 63
2.3.4 Dispersionsverfestigung(Teilchen-,Ausscheidungs-) . . . . . 64
2.3.5 Verfestigungsmechanismenkombiniert . . . . . . . . . . . . . . 69
2.4 VorgängeimMetallgitterbeihöherenTemperaturen
(ThermischaktivierteProzesse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.4.2 KristallerholungundRekristallisation . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.4.3 Kornvergröberung(-wachstum). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.4.4 Warmumformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.4.5 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.4.6 WerkstoffverhaltenbeihöherenTemperaturen
unterBeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.5 Legierungen(Zweistofflegierungen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.5.1 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.5.2 Zustandsdiagramme,Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.5.3 ZustandsdiagrammmitvollkommenerMischbarkeit
derKomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.5.4 AllgemeineEigenschaftenderMischkristalllegierungen . . . 97
2.5.5 EutektischeLegierungssysteme(GrundtypII) . . . . . . . . . . 98
2.5.6 AllgemeineEigenschaftendereutektischenLegierungen . . . 100
2.5.7 AusscheidungenausübersättigtenMischkristallen . . . . . . . 104
2.5.8 ZustandsdiagrammmitIntermetallischenPhasen . . . . . . . . 106
2.5.9 Übung:AuswertungeinesZustandsdiagrammes,
AbkühlverlaufeinerCu-Zn-Legierung(64,5%Cu) . . . . . . 107
2.5.10 VergleichvonhomogenenundheterogenenLegierungen . . . 108
2.5.11 ÜbersichtüberPhasenumwandlungenimfestenZustand . . . 109
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3 DieLegierungEisen-Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.1 AbkühlkurveundkristallinePhasendesReineisens. . . . . . . . . . . . 112
3.2 Erstarrungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.3 DasEisen-Kohlenstoff-Diagramm(EKD). . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.3.1 Erstarrungsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.3.2 DieUmwandlungenimfestenZustand . . . . . . . . . . . . . . 121
3.4 EinflussdesKohlenstoffsaufdieLegierungseigenschaften . . . . . . . 128
3.4.1 MechanischeEigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.4.2 TechnologischeEigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Inhaltsverzeichnis XI
4 Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1 ErzeugungundKlassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.2 AusgangsstoffeundAufgabenderStahlerzeugung . . . . . . . 134
4.1.3 Rohstahlerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.1.4 Sekundärmetallurgie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.1.5 VergießenundErstarrendesStahles . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.1.6 EisenbegleiterundihreWirkungaufGefüge
undStahleigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.1.7 EinflussderLegierungselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.1.8 EinteilungderStähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.2 StählefürallgemeineVerwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.2.1 Anforderungsprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.2.2 BaustählenachDINEN10025/05 . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.3 BaustählehöhererFestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.3.1 DieErhöhungderFestigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.3.2 NichtvergüteteschweißgeeigneteFeinkornbaustähle . . . . . 156
4.3.3 VergüteteschweißgeeigneteFeinkornbaustähle,
DINEN10025-6/09 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.4 StählemitbesonderenEigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.4.1 KaltzäheStähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.4.2 WetterfesteBaustähleDINEN10025-5/05 . . . . . . . . . . . 159
4.4.3 AustenitischeStähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.4.4 FerritischeStähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.4.5 StählefürEinsatzbeihohenTemperaturen. . . . . . . . . . . . 162
4.5 StählefürbestimmteFertigungsverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.5.1 Automatenstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.5.2 StählezumKaltumformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.6 StählefürbestimmteBauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.6.1 Wälzlagerstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.6.2 Federstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.7 Werkzeugstähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.7.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.7.2 Kaltarbeitsstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.7.3 Warmarbeitsstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4.7.4 Kunststoffformenstähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.7.5 Schnellarbeitsstähle(HS-Stähle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.8 Stahlguss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
4.8.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
4.8.2 StahlgussfürallgemeineVerwendung. . . . . . . . . . . . . . . 185
4.8.3 WeitereStahlgusswerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188