5 Werkstoffverhalten

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Kapitel 5
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5 Werkstoffverhalten
Alle Werkstoffe sind feste Stoffe mit spezifischen Eigenschaften, z. B. elektrische Leitfähigkeit, Umformbarkeit, Festigkeit usw. Die Einteilung der Werkstoffe zeigt das nachfolgende
Schema:
Werkstoffe
Metalle
Eisen-Metall
Nicht-Metalle
Nicht-EisenMetall
SchwerMetall
organische
Werkstoffe
anorganische
Werkstoffe
LeichtMetall
Bild 5.1: Einteilung der Werkstoffe
Die Werkstoffkunde umfasst alle diese Stoffe. Im Rahmen dieses Buches interessieren nur die
Metalle. Die theoretischen Grundlagen hierfür werden durch die Metallkunde geliefert.
5.1 Aufbau der Metalle
Die gesamte Materie ist aus Atomen aufgebaut. Der größte Massenanteil ist in dem Atomkern
konzentriert. Die Eigenschaften der Metalle ergeben sich aus der metallischen Bindung zwischen den einzelnen Atomen. Diese Bindung bewirkt, dass sich in den Metallen die Atome
gesetzmäßig im Raum- oder Kristallgitter regelmäßig in Schichten anordnen. Ein solches
Gitter von Atomen bildet einen Kristall. Metalle mit gleichem Kristallsystem können unterschiedliche Gitterabmessungen haben. Die Kantenlängen der Kristalle liegen bei ca. 10-7 mm
(0,000 000 1 mm).
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Es gibt sieben Kristallsysteme. Die vier wichtigsten sind in Bild 5.2 dargestellt:
kubischraumzentriert
kubischflächenzentriert
hexagonal
tetragonal
Bild 5.2: Die wichtigsten Kristallsysteme
Kubisch-flächenzentrierte Gitter:
Die meisten Metalle kristallisieren in dieser Gitterform,
z. B. Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold, Platin.
Kubisch-raumzentrierte Gitter:
Beispiele für diese Kristallform sind Eisen, Chrom,
Wolfram, Tantal.
Hexagonales Gitter:
Dies ist die dichtest mögliche Kugelpackung. Beispiele
sind Zink, Magnesium, Cadmium, Titan.
Tetragonales Gitter:
Ein Beispiel für diese Kristallform ist das Zinn.
Bei einigen Metallen kann die Gitterform auch wechseln. Sie ist dann von der Temperatur
abhängig, bei der sich das Metall befindet. Ein solcher Wechsel der Gitterform hat erhebliche
Spannungen im Metall zur Folge.
Die nachfolgende Tabelle gibt einige Gitterstrukturen an:
KristallStruktur
Metalle mit einer
Struktur
Metalle mit mehreren
Strukturen
(mit Temperaturbereich)
Kubischflächenzentriert
Kubischraumzentriert
Hexagonal
Tetragonal
Aluminium (Al)
Nickel (Ni), Kupfer (Cu)
Silber (Ag)
Platin (Pt), Gold (Au)
Vanadium(V), Chrom (Cr)
Niob (Nb), Molybdän (Mo)
Tantal (Ta), Wolfram (W)
Beryllium (Be)
Magnesium (Mg)
Zink (Zn)
Eisen (Fe) von 911°C bis 1392°C
Kobalt (Co) > 1120°C
Eisen (Fe) < 911°C und > 1392°C
Titan (Ti) > 882 °C
Zirkon (Zr) > 852 °C
Titan (Ti) < 882 °C
Kobalt (Co) < 1120°C
Zirkon (Zr) < 852 °C
Zinn (Sn)
Bild 5.3: Kristallstrukturen wichtiger Metalle
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Mit Hilfe metallographischer Verfahren kann man erkennen, dass Metalle im Allgemeinen aus
einer Vielzahl von Kristallen bestehen. Wegen der gegenseitigen Wachstumsbehinderung entstehen bei der Erstarrung unregelmäßige Formen, die als Kristallite oder Körner bezeichnet
werden. Innerhalb eines jeden Kornes weist das Gitter die gleiche Orientierung auf.
Der Aufbau der Metalle ist in Bild 5.4 dargestellt:
Elementarzelle
Kristallgitter
Kristallite oder Korn
Gefüge
Bild 5.4: Prinzip der Kristallisation
Elementarzelle:
Die Atome finden sich durch metallische Bindung in einer typischen
Anordnung zusammen.
Kristallgitter:
Solche Kristallgitter sind eine räumliche Packung von Elementarzellen.
Kristallite (Körner): Die Kristallgitter bilden das Korn (Kristallit), das an den Korngrenzen
sein Ende findet.
Gefüge:
Viele solche Körner oder Kristallite bilden das Gefüge.