TU-Da

4
Wolfgang Weißbach
Werkstoffkunde
und
Werkstoffprüfung
Mit 197 Bildern
9., verbesserte Auflage
V
Friedr. Vieweg & Sohn
Braunschweig / Wiesbaden
Inhaltsverzeichnis
1
Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge
1
1.1
1
1
2
3
6
1.2
1.3
1.4
2
Gegenstand und Bedeutung der Werkstoffkunde
1.1.1 Rohstoffe und Werkstoffe
1.1.2 Stellung der Werkstoffkunde in der Technik
1.1.3 Anforderungs-und Eigenschaftsprofil
1.1.4 Entwicklungstrends: „Neue Werkstoffe"
1.1.5 Wie lassen sich die unterschiedlichen Eigenschaften
der Werkstoffe erklären
Die Unterteilung der Struktur und die Einflußmöglichkeiten zur
Veränderung
1.2.1 Atombau (Atommodell nach Bohr)
1.2.2 Kristallgitter und Bindungsart
1.2.3 Gefüge (Grobstruktur) und Änderungsmöglichkeiten
Grundlagen der Metallkunde
1.3.1 Einteilung der Metalle und Häufigkeit
1.3.2 Metalleigenschaften und Metallbindung
1.3.3 Die Raumgittertypen der Metalle
1.3.4 Die Entstehung des Gefüges
1.3.5 Die Ausnutzung der Kristallisationswärme zur thermischen
Analyse
1.3.6 Die Auswirkungen der Kristallstruktur auf die mechanischen
Eigenschaften
1.3.7 Die Kaltverfestigung
1.3.8 Die Rekristallisation
1.3.9 Die Kornvergröberung (Kornwachstum)
Legierungen
1.4.1 Begriffe und Phasenregel
1.4.2 Entstehung eines Zustandsschaubildes
1.4.3 Das Lesen eines Zustandsschaubildes
1.4.4 Allgemeine Eigenschaften der Legierungen Grundtyp I
1.4.5 Zustandsschaubild Grundtyp 11 (System Mischkristalle)
1.4.6 Allgemeine Eigenschaften der Mischkristallgefüge
1.4.7 Vergleich der beiden Grundtypen
1.4.8 Weitere Kristallarten in Legierungen
6
8
8
9
11
12
12
14
19
23
25
27
33
35
38
40
40
43
45
47
48
51
53
54
Die Legierung Eisen-Kohlenstoff
57
2.1- Abkühlungskurve und Kristallarten des Reineisens
2.2 Erstarrungsformen
2.3 Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm und die Umwandlungsvorgänge
bei den Legierungen, metastabiles System
57
59
61
Inhaltsyerzeichnis
2.4
2.3.1 Erstarrungsvorgänge
2.3.2 Die Umwandlungen im festen Zustand und die Perlitbildung . . . .
Die Eigenschaften der Stähle und Eisenlegierungen in Abhängigkeit vom
Kohlenstoffgehalt und den Eisenbegleitern
2.4.1 Wirkung des Kohlenstoffs
2.4.2 Die Wirkung der Eisenbegleiter auf die Eigenschaften und das
Gefüge der Stähle
3 Stahlerzeugung
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
61
63
68
68
73
76
Überblick über den Weg vom Erz zum Stahl
76
Chemische Begriffe zur Roheisen-und Stahlerschmelzung
76
Roheisengewinnung im Hochofen
77
3.3.1 Bauart des modernen Hochofens
77
3.3.2 Hochofenerzeugnisse
79
3.3.3 Chemische Vorgänge im Hochofen
80
3.3.4 Direktreduktion von Eisenerzen (Eisenschwammerzeugung) . . . .
82
Stahlerzeugung
83
3.4.1 Allgemeines über die Stahlerschmelzung
83
3.4.2 Entwicklung der Stahlgewinnungsverfahren
85
3.4.3 Stand der Erzeugungsverfahren
90
3.4.4 Sekundärmetallurgie
91
Das Vergießen des Stahles
94
3.5.1 Standguß
94
3.5.2 Strangguß
94
Das Erstarren des Stahles
95
3.6.1 Seigerung
'
95
3.6.2 Lunkerbildung
. 96
3.6.3 Unberuhigt vergossener Stahl
97
3.6.4 Beruhigt vergossener Stahl
98
Unlegierte Stähle nach DIN 17 100
99
Die Benennung der Eisenwerkstoffe
101
3.8.1 Werkstoffnummern nach DIN 17 007
101
3.8.2 Kurzbezeichnung nach DIN 17 006
103
4 Stoffeigenschaf tändern (Wärmebehandlung)
4.1
4.2
V
Allgemeines
Glühen
4.2.1 Normalglühen (Umkörnen)
4.2.2 Grobkornglühen
4.2.3 Weichglühen (Glühen auf kugeligen Zementit)
4.2.4 Spannungsarmglühen
4.2.5 Diffusionsglühen
4.2.6 Rekristallisationsglühen
107
107
108
108
110
110
111
112
114
VI'
Inhaltsverzeichnis
4.3
4.4
Härten und Vergüten
4.3.1 Innere Vorgänge
4.3.2 Verfahren
4.3.3 Durchhärtung
4"3.4 Härteverzug und Gegenmaßnahmen
4.3.5 Vergüten
Aushärtung
4.4.1 Innere Vorgänge
4.4.2 Verfahren
4.4.3 Bedeutung und Anwendung der Aushärtung
5 Oberflächentechnik
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
Allgemeines
Übersicht der Verfahren durch Stoffeigenschaftändern
Thermische Verfahren
5.3.1 Randschichthärten
5.3.2 Umschmelzhärten
Thermochemische Verfahren
5.4.1 Einsatzhärten
5.4.2 Nitrieren
5.4.3 Weitere Verfahren
Mechanische Verfahren
5.5.1 Verfestigungswalzen
5.5.2 Verfestigungsstrahlen
Übersicht der Verfahren durch Beschichten
5.6.1 Allgemeines
5.6.2 Schichtwerkstoffe und Verfahren
5.6.3 Schmelztauchen
5.6.4 Thermisches Spritzen
5.6.5 Auftragsschweißen
5.6.6 Abscheiden aus der Gasphase
5.6.7 Beschichten aus dem ionisierten Zustand
115
115
120
123
124
126
130
130
131
131
133
133
134
134
134
136
137
137
141
144
145
145
145
146
146
147
147
148
149
149
151
6 Eisen-Gußwerkstoffe
152
6.1
6.2
' 6.3
6.4
6.5
• 6.6
6.7
152
154
155
158
160
162
166
Übersicht und Einteilung
Stahlguß
Allgemeines über Gefüge-und Graphitausbildung
Gußeisen mit Lamellengraphit (GG)
Gußeisen mit Kugelgraphit (GGG)
Temperguß (GTS und GTW)
Sonderguß
Inhaltsverzeichnis
7 Legierte Stähle
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
Allgemeines
Einfluß der Legierungselemente auf das Gefüge und das EKD
7.2.1 Mischkristallbildner
:
7.2.2 Carbidbildner
7.2.3 Elemente, die das Austenitgebiet erweitern
7.2.4 Elemente, die das Austenitgebiet verkleinern
7.2.5 Wirkung mehrerer Elemente im Stahl
Einfluß der Legierungselemente auf die Eigenschaften bei höheren
Temperaturen
7.3.1 Allgemeines
7.3.2 Warmfeste Baustähle
7.3.3 Warmarbeitsstähle
7.3.4 Schnellarbeitsstähle (HSS-Stähle)
Einfluß der Legierungselemente auf die Schweißbarkeit
Einfluß der Legierungselemente auf die Härtbarkeit
7.5.1 Der Einfluß der Legierungselemente auf die Einhärtung
7.5.2 Der Einfluß der Legierungselemente auf die Geschwindigkeit
der Austenitumwandlung, ZTU-Schaubilder
Thermomechanische Verfahren
8 Nichteisenmetalle
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
Allgemeines
Bezeichnung von NE-Metallen und Legierungen
8.2.1 Reine Metalle
'
8.2.2 Legierungen-Knetlegierungen-Gußlegierungen
8.2.3 Lieferformen der NE-Metalle
Aluminium
8.3.1 Vorkommen und Gewinnung
8.3.2 Eigenschaften und Anwendung von Reinaluminium
8.3.3 Aluminium-Legierungen
8.3.4 Übersicht über die Legierungstypen
; . . .
8.3.5 Aushärtung der Aluminium-Legierungen
Kupfer
8.4.1 Vorkommen und Gewinnung
8.4.2 Eigenschaften und Verwendung des reinen Kupfers . . . . . . . . . . . .
8.4.3 Kupferlegierungen, Allgemeines
8.4.4 Übersicht über die Legierungstypen
Titan
8.5.1 Vorkommen und Gewinnung
8.5.2 Eigenschaften und Anwendung
Druckgußwerkstoffe
Lagerwerkstoffe
VII
167
167
167
167
168
168
169
172
173
173
174
175
176
178
179
179
179
183
184
184
185
185
186
187
188
188
189
190
192
195
197
197
198
199
201
206
206
207
209
211
VHI
Inhaltsverzeichnis
9 Pulvermetallurgie, Sintermetalle, Keramische Stoffe
•
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
Allgemeines
Herstellung der Pulver
Formgebung durch Pressen
Sintern
Nach verdichten
Nachbehandlung der Sinterteile
Werkstoffe
Klassifizierung, Normung
Keramische Stoffe
-"
• .•
10 Kunststoffe
10.1 Allgemeines
10.1.1 Vergleich Metall - Kunststoff
10.1.2 Kunststoffmoleküle
10.2 Die Entstehung der Makromoleküle
10.2.1 Natürliche Makromoleküle
10.2.2 Synthetische Makromoleküle
10.3 Molekülstruktur und Einfluß auf die Eigenschaften
10.3.1 Bindungskräfte
10.3.2 Einfluß der Kettenlänge
10.3.3 Einfluß der Gestalt
10.3.4 Einfluß der Ordnung von Fadenmolekülen in Thermoplasten
10.4 Einfluß von Zusätzen
10.5 Duroplaste (Duromere)
10.5.1 Allgemeines
10.5.2 Verarbeitung der Duroplaste
10.5.3 Neue Duroplaste —Glasfaserverstärkte Kunststoffe
10.6 Thermoplaste (Plastomere)
10.6.1 Thermische Eigenschaften
10.6.2 Mechanische Eigenschaften
10.6.3 Die Verarbeitung der Thermoplaste
10.7 Übersicht über die wichtigsten Thermoplaste
213
213
214
215
216
217
217
218
221
223
225
. . 225
225
226
227
227
229
235
235
236
237
. . . 239
239
239
239
240
241
244
244
246
250
251
11 F e s t i g k e i t s b e a n s p r u c h u n g u n d w e r k s t o f f t e c h n i s c h e M a ß n a h m e n . . . 2 5 7
11.1
11.2
"11.3
11.4
Allgemeines
Erhöhung der Kristallfestigkeit
Festigkeitssteigerung bei Baustählen
Erhöhung der Festigkeit durch Verbund mit artfremden Stoffen
(Verbundwerkstoffe)
257
257
259
259
Inhaltsverzeichnis
IX
12 Korrosionsbeanspruchung und Korrosionsschutz
261
12.1 Korrosion und -Korrosionsarten
12.1.1 Chemische Korrosion
12.1.2 Metallphysikalische Reaktion .
12.1.3 Elektrochemische Reaktion
12.2 Korrosionselemente
12.2.1 Elektrochemische Spannungsreihe
12.2.2 Galvanisches Element
12.2.3 Korrosionselemente
12.3 Korrosionserscheinungen und -großen
12.4 Weitere Korrosionsarten
12.5 Korrosionsprodukte
12.6 Korrosion mit anderen Beanspruchungsarten überlagert
12.6.1 Korrosion und Festigkeitsbeanspruchung
12.6.2 Korrosion und tribologische Beanspruchung
12.7 Korrosionsschutz
12.7.1 Korrosionsschutz durch Eigenschaftsänderung der
Reaktionspartner
12.7.2 Veränderung der elektrischen Verhältnisse
(Kathodischer Korrosionsschutz)
12.7.3 Trennung von Metall und Korrosionsmittel durch
Schutzschichten
261
262
262
262
262
262
263
263
264
265
265
266
266
267
268
268
270
271
13 Tribologische Beanspruchung und Werkstoff technische
Gegenmaßnahmen
13.1 Allgemeines
13.1.1 Begriffsklärung,
13.1.2 Der Bereich der Tribologie
13.1.3 Das tribologische System
13.2 Reibung, Schmierung
13.2.1 Allgemeines
13.2.2 Festkörperreibung
•
13.2.3 Flüssigkeitsreibung
13.2.4 Übersicht Reibungszustände
13.2.5 Stribeck-Kurve
13.3 Schmierstoffe
13.3.1 Wichtige Eigenschaften und Eigenschaftswerte
von Schmierstoffen
13.3.2 Schmieröle, Sonderöle, Syntheseöle
13.3.3 Schmierfette
:
,
13.3.4 Festschmierstoffe
13.4 Verschleiß
13.4.1 Verschleißmechanismen
13.4.2 Verschleißarten
272
; .,
272
272
273
273
275
275
276
277
278
278
279
279
284
288
290
291
291
292
X-{,
Inhaltsverzeichnis
13.4.3 Verschleißkenngrößen
13.4.4 Werkstoffe für verschleißgefährdete Tribosysteme
13.4.5 Verschleißschutz durch Oberflächenschichten
14 Werkstoffprüfung
293
295
297
298
14.1 Aufgaben der Werkstoffprüfung, Abgrenzung
298
14.2 Prüfung von Werkstoffkennwerten
298
14.3 Messung der Härte
300
14.3.1 Härteprüfung nach Brinell
300
14.3.2 Härteprüfung nach Vickers
304
14.3.3 Härteprüfung nach Rockwell
305
14.3.4 Dynamische Härteprüfung nach Shore (Rücksprunghärte)
307
14.3.5 Vergleich von Härtewerten untereinander
307
14.4 Prüfung der Festigkeit bei statischer Belastung
308
14.4.1 Allgemeines Bruchverhalten
308
14.4.2 Der Zugversuch
309
14.5 Prüfung der Festigkeit bei dynamischer Belastung
316
14.5.1 Allgemeines Verhalten
316
14.5.2 Dynamische Belastung
318
14.5.3 Dauerschwingfestigkeiten
320
14.5.4 Dauerschwingversuche (Dauerversuche)
320
14.5.5 Dauerfestigkeitsschaubild
322
14.5.6 Einflußgrößen auf die Dauerfestigkeit
324
14.6 Prüfung der Zähigkeit
324
14.6.1 Allgemeines
324
14.6.2 Spannungszüstände
325
14.6.3 Kerbschlagbiegeversuch
327
14.6.4 Kerbschlagzähigkeit-Temperatur-Kurve
328
14.7 Prüfung von Verarbeitungseigenschaften (technologische Versuche ) —
Technologischer Biegeversuch — Tiefziehprobe — Stirnabschreckversuch . 329
14.8 Untersuchung des Gefüges
331
14.9 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und Qualitätskontrolle
332
14.9.1 Allgemeines . . .
'
332
14.9.2 Eindringverfahren
333
14.9.3 Magnetische Prüfung
333
14.9.4 Magnetinduktive Prüfung (Wirbelstromprüfung)
334
14.9.5 Ultraschallprüfung
335
14.9.6 Röntgen-und Gammastrahlenprüfung
337
Literatur — Bildquellenverzeichnis
Sachwortverzeichnis
341
342