Werkstoffe: Aufbau und Eigenschaften

361 Pages·1973·14.709 MB·German

by  Professor Dr.-Ing. Erhard Hornbogen (auth.)

Erhard Hornbogen
WERKSTOFFE
Aufbau und Eigenschaften
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1973
Professor Dr.-Ing. Erhard Hornbogen
Ruhr-Universität, Bochum
Institut für Werkstoffe
Mit 247 Abbildungen
ISBN 978-3-540-05885-4 ISBN 978-3-662-10902-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-10902-1
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© by Springer-Y erlag Berlin Heidelberg 1973.
Ursprünglich erschienen bei Springer·Verlag Berlin Heidelberg New York 1973
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der Warenzeichen- und 3Iarkenschutz-Gesetzgebung als frei zu uetrachten wären und daher von
jedermann uenutzt werden dürfte11.
Vorwort
Die Bedeutung der Werkstoffe läßt sich daran erkennen, daß sie zur
Kennzeichnung der großen Entwicklungsperioden der Menschheit be
nutzt werden. Der Übergang Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit entspricht
einer technischen Entwicklung von natürlichen Werkstoffen zu künstlich
hergestellten Werkstoffen mit immer besseren mechanischen Eigen
schaften. Gegenwärtig schreiten Forschung und Entwicklung auf diesem
Gebiet besonders schnell fort. Es gibt dafür zwei Ursachen. Die Ergeb
nisse der Festkörperphysik haben dazu beigetragen, daß wir viele
Eigenschaften der bekannten Werkstoffe aus dem atomaren Aufbau
ableiten können. So kann mit Hilfe der Theorie der Versetzungen des
Kristallgitters die Festigkeit der Metalle vorhergesagt werden, oder
verstanden werden warum ein Werkstoff spröde bricht und ein anderer
erst nach vorangehender plastischer Verformung. Die zweite Anregung
stammt aus der Technik. Für deren neue Entwicklungen werden nicht
nur die Eigenschaften der vorhandenen Werkstoffe verbessert, es müssen
vielmehr Werkstoffe mit ganz neuen Eigenschaften entwickelt werden.
Beispiele dafür sind die Werkstoffe für Kernreaktoren, für Verwendung
bei sehr hohen Temperaturen und für die Mikroelektronik integrierter
Schaltungen.
Die Lehre über Werkstoffe kann sich nicht damit begnügen, den
heutigen Stand der Technik zu vermitteln. Es ist notwendig, daß dem
zukünftigen Ingenieur Grundlagen vermittelt werden, die es ihm er
lauben
a) die günstigste Auswahl aus den vorhandenen Werkstoffen zu treffen
und die Konstruktion den Werkstoffeigenschaften anzupassen,
b) die Grenzen und Möglichkeiten der einzelnen Werkstoffarten zu
beurteilen und die- gewiß rapide- Weiterentwicklung zu verfolgen,
c) sich an dieser Entwicklung unter Umständen selbst zu beteiligen.
Im Mittelpunkt der einführenden Behandlung des Gebietes der
Werkstoffe steht deshalb ein Überblick über die Beziehung zwischen
mikroskopischem Aufbau und den technisch wichtigen Eigenschaften,
wobei die mechanischen Eigenschaften größere Betonung fanden als die
für Werkstoffe der Elektrotechnik wichtigen elektrischen und magneti
schen Eigenschaften. Es erschien weder möglich noch sinnvoll, alle
IV Vorwort
speziellen Werkstoffe ausführlich zu behandeln. Für die Auswahl war
vielmehr entscheidend, ob die behandelten Werkstoffe bestimmte
kennzeichnende Eigenschaften besonders klar zeigen, oder ob sie von
großer technischer Bedeutung sind. Das Ziel war, ?ic Eigenschaften
aller vVerkstoffgruppen zu kennzeichnen und zu vergleichen. Aufbauend
darauf sind natürlich für die verschiedenen Ingenieurfachrichtungen
weitere Kenntnisse der speziellen Werkstoffe notwendig, z. B. Baustähle,
Werkzeugstähle, Werkstoffe für Kernreaktoren, Gleitlager, Magnete.
Diese werden am besten in Monographien behandelt, die auf den all
gemeinen Grundlagen aufbauen. Nicht behandelt wurden außerdem
Einzelheiten der Untersuchungs- und Prüfverfahren, die an den Hoch
schulen meist im Rahmen der Praktika gelehrt werden. Vorausgesetzt
werden die Kenntnisse, die bei einem ingenieurwissenschaftlichen
Studium in den Einführungsvorlesungen über Chemie, Physik, Thermo
dynamik und technische Mechanik in den ersten Semestern geboten
werden.
In der Werkstoffwissenschaft werden die makroskopischen Eigen
schaften der vVerkstoffe aus deren mikroskopischem Aufbau abgeleikt.
Die Werkstofftechnikumfaßt die Anwendung der Werkstoffwissenschaft
auf Gebieten wie Werkstoffentwicklung, Formgebungs- und Prüfver
fahren, bis zur werkstoffgerechten Konstruktion. Sie enthält dazu noch
viel technisches Erfahrungswissen. Das Gebiet, das Wissenschaft und
Technik umfaßt, wird als Werkstoffkunde bezeichnet.
Obwohl bei den meisten der heutigen technischen Entwicklungen
Werkstofffragen eine entscheidende Rolle spielen (z. B. Gasturbinen,
Kernreaktoren, supraleitende Kabel, integrierte Schaltungen), bestehen
Schwierigkeiten bei der Profilierung eines einheitlichen Lehrgebietes
das entsprechend seiner Bedeutung an den Hochschulen vertreten ist.
Die Werkstoffkunde liegt nicht nur zwischen den verschiedenen etablier
ten Richtungen der Natur- und Ingenieurwissenschaften, die verschie
denen werkstofferzeugenden Industrien haben auch ganz verschiedenen
Ursprung. Aus diesen Gründen sind Lehrbücher, die alle Werkstoff
gruppen umfassen, selten. Es ist hier noch darauf verzichtet worden, für
wichtige Größen, wie Kraft, mechanische Spannung, Energie, einheit
liche Einheiten zu verwenden. Vielmehr sind die in den jeweiligen Teil
gebieten von Naturwissenschaft und Technik üblichen Einheiten ver
wendet worden. Größere Einheitlichkeit ist aber in naher Zukunft zu
erwarten, wodurch unser Lehrgebiet an Geschlossenheit gewinnen wird.
Beim Erarbeiten des Konzeptes zu diesem Buch waren Diskussionen
mit Fachkollegen aus Hochschulen und Industrie, mit Studenten der
Ingenieurwissenschaften und besonders mit den wissenschaftlichen
Mitarbeitern des Bochumer Instituts von großem Nutzen. Der größte
Teil der Daten über Kunststoffe stammt aus Angaben der BASF in
Vorwort V
Ludwigshafen, die Ergebnisse bruchmechanischer Messungen aus dem
Laboratorium der BBC in Baden. Ich bedanke mich bei allen, die durch
Anregungen, Diskussionen, durch Forschungsergebnisse und bei der
Herstellung des Manuskriptes zum Entstehen dieses Buches beigetragen
haben. Mein Dank gilt auch dem Springer-Verlag für die sorgfältige
Ausstattung des Buches.
Bochum, im Dezember 1972
Erhard Hornbogen
Inhaltsverzeichnis
0. Überblick . . . . . . . . . . 1
0.1 Der Begriff "Werkstoff" . 1
0.2 Die vier Werkstoffgruppen 2
0.3 Aufbau der Werkstoffe . . 3
0.4 Mechanische Eigenschaften 7
0.5 Prüfung, Normung, Bezeichnung der Werkstoffe 10
0.6 Historische und wirtschaftliche Entwicklung 12
1. Aufbau fester Stoffe 17
1.1 Atome .... 17
1.2 Bindung der Atome 22
1.3 Kristalle . 33
1.4 Baufehler . 40
1.5 Gläser .. 50
2. Phasengemische 52
2.1 Mischphasen und Phasengemische 52
2.2 Heterogene Gleichgewichte 56
2.3 Keimbildung . . . . 69
2.4 Metastabile Zustände 73
2.5 Phasen-Grenzflächen . 75
2.6 Anwendung der Zustandsdiagramme 78
3. Thermisch aktivierte Reaktionen . . 79
3.1 Diffusion ......... . 79
3.2 Erholung und Rekristallisation 87
3.3 Umwandlung und Ausscheidung . 93
3.4 Thermische Stabilität metastabiler Zustände 98
3.5 Sintern . . . 101
3.6 Verzundern ..... 103
4. Mechanische Eigenschaften 105
4.1 Elastizität . . . . . 105
4.2a Kristallplastizität und Zugversuch . 110
4.2b Kriechen und Ermüden kristalliner Werkstoffe 119
4.3 Bruch ..... . 126
4.4 Innere Spannungen 133
4.5 Gummielastizität 135
4.6 Viskosität 136
4.7 Viskoelastizität . . 139
4.8 Makroskopische und mikroskopische Plastizität 143
4.9 Technologische Prüfverfahren 146
4.10 Martensitische Umwandlung ....... . 150
Inhaltsverzeichnis VII
5. Physikalische und chemische Eigenschaften 153
5.1 Kernphysikalische Eigenschaften. 153
5.2 Elektrische Eigenschaften 159
5.3 Ferromagnetische Eigenschaften . 171
5.4 Optische Eigenschaften 179
5.5 Chemische Eigenschaften 182
5.6 Thermische Ausdehnung 190
6. Keramische Werkstoffe ... 193
6.1 Allgemeine Kennzeichnung 193
6.2 Kohlenstoffkeramik . 194
6.3 Hochtemperatursteine 197
6.4 Glas ....... . 200
6.5 Zement und Beton 205
6.6 Porzellan und glaskeramische Werkstoffe 212
7. Metallische Werkstoffe 215
7.1 Allgemeine Kennzeichnung 215
7.2 Reine Metalle . . . . . . 217
7.3 Mischkristall-Legierungen 219
7.4 Ausscheidungshärtbare Legierungen 227
7.5 Umwandlungshärtbare Legierungen-Stähle- 236
7.6 Gußlegierungen ..... . 253
8. Polymere Werkstoffe (Kunststoffe) 256
8.1 Allgemeine Kennzeichnung 256
8.2 Thermoplaste 263
8.3 Duroplaste . . . . . 271
8.4 Elastomere . . . . . 263
8.5 Besondere Kunststoffe 275
9. Verbundwerkstoffe .... 280
9.1 Eigenschaften von Phasengemischen 280
9.2 Faserverstärkte Werkstoffe . 285
9.3 Stahlbeton und Spannbeton 293
9.4 Hartmetalle und Cermets . 296
9.5 Oberflächenbehandlung 300
9.6 Holz ......... . 304
10. Gießen, Umformen und Verbinden 307
10.1 Metallguß . . . . . . . . 307
10.2 Umformtechnik von Metallen 314
10.3 Umformtechnik von Kunststoffen 320
10.4 Zersparren . . . . . . . 323
10.5 Schweißen, Löten, Kleben 323
A. Anhang .. 330
Sachverzeichnis 345
0. Überblick
0.1 Der Begriff "Werkstoff"
Alle Werkstoffe sind feste Stoffe. Die Festkörperphysik, die physika
lische Chemie, die Kristallographie und einige weitere Gebiete der
Naturwissenschaften haben die Aufgabe, die Bildung, den Aufbau und
die Eigenschaften dieser Stoffe zu untersuchen. Die technische Anwen
dung der Eigenschaften steht nicht im Vordergrund, sondern die Ver
mehrung unserer Kenntnisseüber deren Ursachen. Derartigephysikalische
Eigenschaften sind z. B. die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit,
spezifisches Gewicht, Schmelztemperatur, das chemische Reaktions
vermögen, die Elastizität und die plastische Verformbarkeit. In den
eben genannten Naturwissenschaften wird versucht, diese Eigenschaften
auf mikroskopische Ursachen zurückzuführen, d. h. auf Art und räumliche
Anordnung der Atome im Festkörper. Werkstoffe sind für die Konstruktion
nützliche feste Stoffe. In manchen Fällen macht eine besondere physika
lische Eigenschaft einen Feststoff zum Werkstoff - z. B. bestimmt die
hohe elektrische Leitfähigkeit von reinem Kupfer mehr als 50% des
Verbrauchs dieses Elementes. In den meisten Fällen müssen aber mehrere
Eigenschaften zu einem Optimum vereint werden: Für Konstruktionen,
die auf dem Erdboden ruhen, ist infolge seiner hohen Druckfestigkeit
Beton der günstigste Werkstoff. Treten Zugspannungen auf, ist Stahl
wegen seiner hohen Zugfestigkeit besser geeignet. Bei der Konstruktion
von Flugzeuggehäusen wird jedoch das Verhältnis von Festigkeit
zu Dichte zur bestimmenden Werkstoffeigenschaft, und die geringere
Dichte von Aluminium entscheidet für diesen Werkstoff. Sollen die
Flugzeuge mit erhöhter Geschwindigkeit fliegen (>3 Mach), so führt
die Luftreibung zu Erwärmung auf Temperaturen über 300 °C. Alu
oc
miniumlegierungen besitzen aber nur bis zu etwa 200 eine nennens
werte Festigkeit. Die Voraussetzung für die Konstruktion derartiger
Flugzeuge war deswegen die Entwicklung von Titanlegierungen. Sie
weisen brauchbare Festigkeit bei geringem spezifischem Gewicht bis zu
oc
Temperaturen von etwa 400 auf. Wir nennen diese Kombination von
günstigen physikalischen Eigenschaften technische Eigenschaften.
Ein Stoff, der technische Eigenschaften besitzt, muß aber noch zwei
Voraussetzungen erfüllen, um als Werkstoff verwendet zu werden. Es
muß möglich sein, den Stoff leicht in eine gewünschte Form zu bringen,
1 Hornbogen, Werkstoffe
2 0. Überblick
z. B. durch plastisches Verformen, Gießen, Pressen und Sintern oder
Zerspanen. Darüber hinaus ist es günstig, wenn einzelne Teile durch
geeignete Verfahren, wie Schweißen, Löten, Kleben, miteinander ver
bunden werden können. Die zweite Forderung lautet also: gute Ver
arbeitbarkeit. Die dritte heißt Wirtschaftlichkeit. Ein Stoff kann gute
technische Eigenschaften haben und kommt trotzdem ab Werkstoff
nicht in Frage, wenn er zu teuer ist.
0.2 Die vier Werkstoffgruppen
Es ist sinnvoll, die Werkstoffe in drei große Gruppen mit jeweils
charakteristischen Eigenschaften einzuteilen: Metalle, keramische Stoffe,
polymere Kunststoffe. Als vierte Gruppe kommen die Verbundwerk
stoffe hinzu, die durch Kombination von jeweils mindestens zwei
Grundwerkstoffen mit unterschiedliehen Eigenschaften entstehen. Man
erhält, dadurch Werkstoffe mit neuen Eigenschaften, die die der einzelnen
Bestandteile übertreffen. Verbundwerkstoffe sind z. B. die faserverstärk
ten Werkstoffe, die eine dünne, sehr feste, aber spröde Faser in einer
weichen, aber duktilen Grundmasse enthalten oder der Stahlbeton, bei
dem der Stahl die Zugspannungen, der Beton die Druckspannungen in
einer Konstruktion aufnimmt.
Die drei Werkstoffgruppen sind durch folgende Eigenschaften ge
kennzeichnet:
Metalle sind gute elektrische Leiter, reflektieren Licht, sind auch
bei tiefen Temperaturen plastisch verformbar und chemisch nicht sehr
beständig.
Keramische Stoffe sind schlechte elektrische Leiter, meist durchsichtig,
nicht plastisch verformbar, chemisch sehr beständig und schmelzen bei
hohen Temperaturen.
Kunststoffe sind schlechte elektrische Leiter, nur bei erhöhter Tem
peratur plastisch verformbar, chemisch bei Raumtemperatur an Luft
beständig, haben ein geringes spezifisches Gewicht und schmrlzen oder
zersetzen sich bei verhältnismäßig niedriger Temperatur.
Metolle Halbleiter keramische Silikone Kunststoffe
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werkstafle
Bild 0.1. Schema der vier Werkstoffgruppen. Die Verbundwerkstoffe sind meist aus Komponenten
verschiedener Gruppen zusammengesetzt. Halbleiter und Silikone sind diesen Gruppen nicht ein·
deutig zuzuordnen.
0.3 Aufbau der Werkstoffe 3
Wie in Bild 0.1 angedeutet ist, gibt es wichtige Werkstoffgruppen,
die in diesem Schema Zwischenstellungen einnehmen: die anorganischen
Halbleiter als Werkstoffe der Elektronik liegen zwischen Metall und
Keramik, die Silikone - als Öl, Gummi oder Harz herzustellen -
zwischen Keramik und Kunststoffen. Es ist zu erwarten, daß Verbund
werkstoffe in der Zukunft immer größere Bedeutung erlangen werden.
0.3 Aufbau der Werkstoffe
Eine Konstruktion beginnt nicht bei den Maschinenelementen, die
zur Maschine zusammengefügt werden, sondern bei den Atomen und
Molekülen, aus denen der Werkstoff zusammengesetzt ist. Die oben
erwähnten Eigenschaften der Stoffe folgen aus der Art der Atome und
ihrer räumlichen Anordnung und damit aus der chemischen Bindung.
Der Gegenstand der Werkstoffwissenschaft ist die Beziehung zwischen
atomarem Aufbau der Materie und den physikalischen und technischen
Eigenschaften, die der Werkstoff makroskopisch zeigt. Dabei wünscht der
konstruierende Ingenieur vor allem zuverlässige Angaben über diese
makroskopischen Eigenschaften. Eine Voraussetzung für die günstigste
Verwendung eines Werkstoffes ist die werkstoffgerechte Konstruktion.
Die Gestaltung muß den Werkstoffeigenschaften augepaßt werden. Ohne
Kenntnis der mikroskopischen Ursachen der Eigenschaften ist aber eine
Beurteilung der Möglichkeiten der Verbesserung von Werkstoffen oder
der Werkstoffehier nicht möglich.
Die drei Werkstoffgruppen unterscheiden sich grundsätzlich im
atomaren Aufbau:
Die Atome der Metalle streben eine möglichst dichte Packung von
Kugeln an. Dem entspricht eine Anordnung von Schichten der Atome
wie in Bild 0.2a, die so gestapelt sind, daß die nächste Schicht sich
jeweils auf den Lücken befindet. Diese Anordnung setzt sich periodisch
im Raum fort. Ein solches Raumgitter von Atomen bildet einen Kristall.
Alle Metalle sind kristallin. Die gute plastische Verformbarkeit von
Metall beruht darauf, daß die dicht gepackten Ebenen sich bei allen
Temperaturen durch äußere Kräfte leicht verschieben lassen.
Die Grundbausteine der keramischen Stoffe sind anorganische Ver
bindungen, am häufigsten Metallatom-Sauerstoffverbindungen. Bei
der Verbindung Si0 ist z. B. das Siliziumatom (Si) jeweils von vier
2
Sauerstoffatomen (0) als Nachbarn umgeben, die an den Ecken eines
Tetraeders sitzen. Diese Tetraeder können genau wie die Atome der
Metalle regelmäßig angeordnet sein. Ein Sauerstoffatom (2wertig)
bildet jeweils den Eckpunkt von zwei Tetraedern mit dem Siliziumatom
(4wertig) in der Mitte. Es entsteht durch periodische Wiederholung
dieser Anordnung ein Kristall - in diesem Falle Quarz (Bild 0.2b).
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