Physikalische Grundlagen der Materialkunde

Transkript

1 Springer-Lehrbuch

2 Günter Gottstein Physikalische Grundlagen der Materialkunde 3. Auflage Mit 476 Abbildungen und 28 Tabellen 123

3 Prof. Dr. Günter Gottstein Institut für Metallkunde und Metallphysik RWTH Aachen Kopernikusstraße Aachen Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. MSC-Nummer: ISBN Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Satz: Digitale Druckvorlage des Autors Herstellung: LE-TEXJelonek, Schmidt& VöcklerGbR, Leipzig Umschlaggestaltung: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: /3100/YL

4 Vorwort Jede wissenschaftliche Disziplin und Epoche hat ihre Standardwerke, die das klassische Fundament des jeweiligen Fachgebiets gründen. Dazu gehören bspw. in der Physik der Pohl (Experimentalphysik), die Feynman Lectures (Physikalische Grundlagen) und der Kittel (Festkörperphysik). Das trifft ebenso auf die Materialwissenschaften zu, deren wissenschaftliche Wurzel die Metallkunde ist. Das Lehrbuch der Metallkunde von Georg Masing hat der deutschen Nachkriegsgeneration die physikalischen Grundlagen der Werkstoffe vermittelt und die Konzeptionen der Materialwissenschaft bis heute in seinen Fundamenten geprägt. Das Buch war bereits in den 50er Jahren vergriffen, aber auf seiner Basis hat die Göttinger Schule die Metallkunde in Deutschland weiter geprägt. Es hat auch nicht an Versuchen gefehlt, den Masing neu aufzulegen, doch erst (der jüngst verstorbene) Prof. Haasen (Nachfolger von Georg Masing, Schüler von Richard Becker) hat in seinem Lehrbuch Physikalische Metallkunde die Tradition fortgesetzt. Obwohl Haasens Lehrbuch viele Liebhaber gefunden hat, eignet es sich aber nur bedingt als Lehrbuch der Metallkunde speziell für Werkstoffingenieure, denn es setzt die grundlegenden Kenntnisse der Metallkunde bereits voraus und ist anspruchsvoll in der Darstellung. Damit kommt es für einführende Lehrveranstaltungen oder gar zum Selbststudium der Metallkunde praktisch nicht in Frage. Das vorliegende Buch hat dagegen zum Ziel, die Grundlagen zum Verständnis materialwissenschaftlicher Probleme zu vermitteln und zum Studium weiterführender Literatur zu befähigen. Andererseits will es sich deutlich von den vielen Büchern über Materials Science abheben, in denen vorrangig die Phänomene vorgestellt werden oder ein Verständnis auf rein phänomenologischer und daher zwangsläufig oberflächlicher Basis geboten wird. Mit dem vorliegenden Lehrbuch soll der Versuch unternommen werden, die Brücke von den atomistischen Mechanismen zu den Phänomenen und Eigenschaften der Werkstoffe zu schlagen. Das Buch erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder umfassende Darstellung. Als Lehrbuch muß es notgedrungen einen angemessenen Kompromiß zwischen Vollständigkeit und Tiefe der Darstellung eingehen, wobei der gewählte Kompromiß eine Frage der persönlichen Ein-

5 VI schätzung ist, der für jede Person anders ausfallen mag. Das trifft speziell für das Kapitel Physikalische Eigenschaften zu, das sich gezielt an Ingenieurstudenten richtet, die erfahrungsgemäß geringe Vorkenntnisse der Festkörperphysik mitbringen. Das Lehrbuch wurde zunächst als Vorlesungsmanuskript zur Einführung in die Materialkunde für Studenten sowohl der Metallurgie und Werkstofftechnik als auch der Metallphysik konzipiert und über die Jahre entwickelt. Dem Trend zur umfassenderen Behandlung der Werkstoffe über die Metalle hinaus wurde im Rahmen der metallkundlichen Konzepte Rechnung getragen.

6 Danksagung zur 3. Auflage In dieser dritten Auflage wurden Anregungen kritischer Leser verarbeitet, schwierige Textpassagen geglättet, modernes Bildmaterial eingesetzt und wesentliche Erweiterungen speziell im Abschnitt über quantitative Kristallographie vorgenommen, um modernen Entwicklungen Rechnung zu tragen. Meinen Assistentinnen Sijia Mu, MSc, und Dipl.-Ing. Xenia Molodova bin ich für ihr äußerst sorgfältiges Korrekturlesen dankbar. Ohne das besondere persönliche Engagement von Frau Irene Zeferer, die das Typoskript nun von Wordformat auf Latexformat umgestellt und damit das Layout erheblich verbessert hat, wäre diese Auflage nicht rechtzeitig zustande gekommen. Frau Barbara Eigelshoven hat mit einer wesentlichen Verfeinerung der graphischen Qualität der Abbildungen erheblich zu einer Verbesserung des Erscheinungsbildes beigetragen. Allen Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen, die bei der Fertigstellung dieser 3. Auflage mitgeholfen haben, möchte ich an dieser Stelle herzlich danken.

7 Einführung Die Entwicklung neuer Materialien wird international als Schlüsseltechnologie mit Querschnittscharakter und Schrittmacherfunktion für viele industrielle Bereiche eingestuft. Die Fähigkeit zur Herstellung, Verarbeitung und Anwendung leistungsfähiger Materialien ist Voraussetzung für neue, international wettbewerbsfähige Produkte und Verfahren und ein Schlüssel zu mehr Ressourceneffizienz und Umweltschutz. schrieb eine Gutachterkommission, die im Jahre 1996 die Materialforschung in Nordrhein-Westfalen zu beurteilen hatte [0.1]. Die genannten Fertigkeiten setzen naturgemäß eine Kenntnis der physikalischen Grundlagen als Schlüssel zum Verständnis der Eigenschaften von Materialien voraus. Diese Grundlagen sind Gegenstand der Materialkunde, und ihnen ist dieses Lehrbuch gewidmet. Der Begriff Materialkunde ist relativ jung und auch nur unpräzise definiert. Manchmal wird darunter eine Erweiterung der Metallkunde auf nichtmetallische Werkstoffe verstanden. Speziell von den Naturwissenschaftlern werden die Materialwissenschaften häufig ausschließlich in bezug auf neuartige oder gar exotische Funktionswerkstoffe gesehen. Bezieht man diese Materialien aber ein in die große Gruppe der technisch nutzbaren Stoffe, dann wird Materialkunde ein modernes Synonym zur Werkstoffwissenschaft, in Anlehnung an den eindeutig besetzten englischen Begriff Materials Science. Die Materialkunde ist damit die Lehre vom Zusammenhang zwischen mikroskopischem Aufbau und makroskopischen Eigenschaften technisch nutzbarer Materialien. Sie führt das große Spektrum technologisch einsatzfähiger Festkörper von Metallen über Keramiken, Gläser und Kunststoffe bis hin zu den Verbundwerkstoffen unter einem Dach zusammen. Die technisch wohl bedeutendste Werkstoffgruppe, sowohl was gegenwärtige Produktion und Verwendung als auch Tradition und systematische Entwicklung betrifft, sind die Metalle. Ihre vorzügliche Kombination von Formbarkeit und Festigkeit empfiehlt sie als Konstruktionswerkstoffe, und ihre gute elektrische Leitfähigkeit macht sie für die Elektroindustrie unentbehrlich. Metalle haben daher über Jahrtausende hinweg μ ganze geologische Zeiträu-

8 X me sind nach ihnen benannt μ die Werkstoffgeschichte und -entwicklung bestimmt. Im technologisch ausgerichteten industriellen Zeitalter mit Bedarf für preisgünstige Massengüter und Bauteile für extreme Anforderungen haben aber Hochleistungskeramik, Kunststoffe und schließlichverbundwerkstoffe als Konstruktionswerkstoffe in steigendem Maße Verwendung gefunden. Die werkstoffwissenschaftliche Behandlung von Keramiken und Kunststoffen ist verhältnismäßig jung im Vergleich zur Metallkunde. In den grundsätzlichen Zusammenhängen lassen sich aber Metalle, Keramiken und Kunststoffe überwiegend in einem einheitlichen Rahmen beschreiben, der sichimwesentlichen aus den Grundlagen der Metallkunde ableitet. Die Metallkunde ist in dieser Hinsicht die Mutter der Werkstoffwissenschaften, was sich aus der umfangreichen Beschäftigung vieler Forschergenerationen mit dieser Werkstoffgruppe erklärt. Die Metallkunde selbst ist aber trotz der sehr langen Tradition metallischer Werkstoffe keine klassische Wissenschaftsdisziplin. Die Gewinnung und Verarbeitung von Metallen galt lange Zeit als geschätztes Geheimnis und wurde durch mündliche Überlieferung und praktische Aneignung von Generation zu Generation vererbt. Erst im Mittelalter hat ein Gelehrter namens Bauer (ins Lateinische übersetzt als Agricola bezeichnet) die Rezepte der Metallverarbeitung aufgeschrieben, in seinem Werk De Re Metallica [0.2]. Das Buch liest sich wie eine mystische Anleitung zur Metallverarbeitung, von Stierblut und klaren Mondnächten ist u.a. die Rede, Kobolde und Nickel treiben ihr Unwesen (daher die Bezeichnung Kobalt und Nickel), was alles seine praktische Bewandtnis hat und heute eine wissenschaftliche Erklärung findet. Tatsächlich war die Metallkunde im Mittelalter eine Richtung der Alchemie, die mit einer Mischung aus empirischen Rezepten und Aberglauben ihre Kunst betrieb. Mit der immer stärker werdenden wissenschaftlichen Orientierung in der Neuzeit wurde die Metallkunde eine Richtung der Chemie, wo sie auch heute noch an vielen Universitäten beheimatet ist. Die rasche Entwicklung im Verständnis der Eigenschaften, insbesondere durch die Entdeckung der Röntgenstrahlen und ihre Anwendung für die Kristallstrukturanalyse, zeigte bald, daß im Gegensatz zur damals herrschenden Auffassung die Eigenschaften der Metalle nicht nur durch die chemische Zusammensetzung bestimmt waren. Damit wurde die Metallkunde nun in der physikalischen Chemie angesiedelt. Die Entwicklung der atomistischen Grundlagen für das Verständnis der mechanischen und elektronischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe im Rahmen der Versetzungstheorie bzw. der Elektronentheorie der Metalle hat den Schwerpunkt der Metallkunde zu Anfang dieses Jahrhunderts immer stärker zur Physik verschoben und schließlich zur Disziplin der Metallphysik geführt, die die wissenschaftliche Entwicklung der Metallkunde in den letzten 50 Jahren entscheidend geprägt hat. Unser heutiges tieferes Verständnis metallischer Werkstoffe auf der Basis atomistischer Modelle ist im wesentlichen in den vergangenen 50 Jahren metallphysikalischer Forschung entwickelt worden. Ziel dieser Forschung war und ist eine Beschreibung der Werkstoffeigenschaften auf der Basis atomistischer physikalischer Modelle, die sich in Zustandsgleichungen formulieren läßt, somit eine Prognose des Werkstoffverhaltens auf

9 theoretischer Basis zuläßt und damit die aufwendigen Experimentierphasen der Werkstoffentwicklung verkürzt oder im Idealfall überflüssig macht. In den sechziger und siebziger Jahren unseres Jahrhunderts wurde immer deutlicher, daß der dringende Bedarf nach Werkstoffen für eine Vielfalt von teilweise extremen Anwendungen und wettbewerbsfähigen Massengütern auch die Entwicklung nichtmetallischer Werkstoffe einschließen muß, beispielsweise Keramiken für Hochtemperaturbauteile und Kunststoffe zur Gewichtsersparnis in Automobilen und Flugzeugen. Die werkstoffphysikalische Forschung machte aber bald deutlich, daß die grundlegenden Konzepte der physikalischen Metallkunde unter Berücksichtigung gewisser Einschränkungen relativ einfach auf andere Werkstoffe, insbesondere die kristallinen Festkörper, zu übertragen waren. Kristallographie, Konstitutionslehre, Diffusion, Phasenumwandlungen, Physikalische Eigenschaften etc. sind die Grundlagen, die zum Verständnis der technologisch anwendbaren Materialien aller Art, also der Werkstoffe insgesamt, notwendig sind. Natürlich gibt es auch spezifische Unterschiede. Zum Beispiel die zum Verständnis der plastischen Verformung von Metallen so wichtige Versetzungstheorie hat bei den spröden Keramiken wenig Bedeutung, aber sie macht den Grund für die Sprödigkeit klar und öffnet damit Perspektiven für ihre Handhabung. Für die zumeist nichtkristallinen Polymere ist ein geeignetes Versetzungskonzept oft noch zu kompliziert und die Beschreibung der Verformung von Kunststoffen muß daher vorläufig auf phänomenologische Modelle beschränkt bleiben. Die Möglichkeit zu einer umfassenden Beschreibung der verschiedenen Werkstoffklassen und die zunehmende Kombination verschiedener Werkstoffe zu Werkstoffverbunden und schließlich Verbundwerkstoffen hat zu dem weltweiten Trend geführt, die klassischen selbständigen Gebiete der Metallkunde, Keramik und Kunststoffe zur Werkstoffwissenschaft oder Materialkunde zu vereinigen. Im angelsächsischen Sprachraum wird die neue Disziplin vielleicht etwas präsizer als Materials Science and Engineering bezeichnet, was sowohl den naturwissenschaftlichen als auch den ingenieurwissenschaftlichen Aspekt umfaßt. XI

10 Inhaltsverzeichnis 1 Gefüge und Mikrostruktur Der atomistische Aufbau der Festkörper Atomare Bindung Kristallstruktur Kristallsysteme und Raumgitter Kristallstrukturen von Metallen Kristallstruktur keramischer Werkstoffe Kristallstruktur polymerer Werkstoffe Indizierung kristallographischer Ebenen und Richtungen Kristallographische Orientierungen Definition einer kristallographischen Orientierung Darstellung von Orientierungen: Stereographische Projektion Verfahren zur Struktur- und Orientierungsbestimmung Das Braggsche Gesetz Röntgenmethoden Elektronenmikroskopie Kristallographische Texturen Kristallbaufehler Überblick Punktfehler Typen von Punktfehlern Thermodynamik der Punktdefekte Experimenteller Nachweis von Punktdefekten Versetzungen Geometrie der Versetzungen Nachweis von Versetzungen Korngrenzen Grundbegriffe und Definitionen... 83

11 XIV Inhaltsverzeichnis Struktur der Korngrenzen Phasengrenzflächen Klassifizierung der Phasengrenzen Phänomenologische Beschreibung der Phasengrenzfläche Legierungen Konstitutionslehre Thermodynamik der Legierungen Mischkristalle Intermetallische Phasen Überblick Geordnete Substitutionsmischkristalle WertigkeitsbestimmtePhasen Phasen hoher Raumerfüllung Phasen maximaler Elektronendichte (Hume-Rothery- Phasen) Mehrstoffsysteme Diffusion Phänomenologie und Gesetzmäßigkeiten Die Diffusionskonstante Atomistik der Festkörperdiffusion Korrelationseffekte Chemische Diffusion Thermodynamischer Faktor Diffusion über Grenzflächen Diffusion in Nichtmetallen: Ionenleitfähigkeit Mechanische Eigenschaften Grundlagen der Elastizität Die Fließkurve Mechanismen der plastischen Verformung Kristallographische Gleitung durch Versetzungsbewegung Mechanische Zwillingsbildung Die kritische Schubspannung Das Schmidsche Schubspannungsgesetz Versetzungsmodell der kritischen Schubspannung Elastische Eigenschaften der Versetzungen Wechselwirkung von Versetzungen Thermisch aktivierte Versetzungsbewegung Verformung und Verfestigung von kfz-einkristallen Geometrie der Verformung Versetzungsmodelle der Verformungsverfestigung Versetzungsaufspaltung...254

12 Inhaltsverzeichnis XV 6.6 Festigkeit und Verformung von Vielkristallen Mechanismen der Festigkeitssteigerung Mischkristallhärtung Dispersionshärtung Ausscheidungshärtung Zeitabhängige Verformung Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit der Fließspannung: Superplastizität Kriechen Anelastizität und Viskoelastizität Erholung, Rekristallisation, Kornvergrößerung Phänomenologie und Begriffe Die energetischen Ursachen der Rekristallisation Verformungsstruktur Erholung Keimbildung Korngrenzenbewegung Kinetik der primären Rekristallisation Das Rekristallisationsdiagramm Rekristallisation in homogenen Legierungen Rekristallisation in mehrphasigen Legierungen Kornvergrößerung Unstetige Kornvergrößerung (Sekundäre Rekristallisation) Dynamische Rekristallisation Rekristallisationstexturen Rekristallisation in nichtmetallischen Werkstoffen Erstarrung von Schmelzen Zustand der Schmelze Keimbildung in der Schmelze Kristallwachstum GestaltdesKristalls Atomistik des Kristallwachstums Kristallwachstum in der Schmelze Erstarrung reiner Metalle Erstarrung von Legierungen Erstarrung eutektischer Legierungen Gefüge des Gußstücks Fehler des Gußgefüges Schnelle Erstarrung von Metallen und Legierungen Erstarrung von Nichtmetallen: Gläser und Hochpolymere

13 XVI Inhaltsverzeichnis 9 Umwandlungen im festen Zustand ReineMetalle Legierungen Umwandlungen mit Konzentrationsänderung Fallunterscheidungen Thermodynamik der Entmischung Keimbildung und spinodale Entmischung Metastabile Phasen Aushärtung Wachstumskinetik von Ausscheidungen Eutektoide Entmischung und diskontinuierliche Ausscheidung Martensitische Umwandlungen Anwendungen ZTU-Schaubild Technologische Bedeutung der Martensitumwandlung: Einige Beispiele Physikalische Eigenschaften Elektronentheoretische Grundlagen der Festkörpereigenschaften Mechanische und thermische Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit Elektrische Eigenschaften Leiter, Halbleiter und Nichtleiter Leitfähigkeit in Metallen Deutung der Leitfähigkeitsphänomene Supraleitung Magnetische Eigenschaften Dia- und Paramagnetismus Ferromagnetismus Optische Eigenschaften Licht Reflexion metallischer Oberflächen Isolatoren Farbe Absorption Photoleitfähigkeit Luminiszenz Anwendungen Literatur Weiterführende Literatur Stichwortverzeichnis...489