Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Transkript

1 Springer-Lehrbuch

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3 B. Ilschner. R. F. Singer Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik Eigenschaften, Vorgänge, Technologien 3., völlig neu bearbeitete Auflage Mit 207 Abbildungen und 29 Tabellen, Springer

4 Prof. Dr. Dr.-Ing. E. h. Bernhard Ilschner Prof. der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, Schweiz Chemin de Ponmet 55 CH La Conversion Schweiz Prof. Robert F. Singer Universität Erlangen-Nürnberg Institut für Werkstoffwissenschaften Martensstr. 5 D Erlangen rjsinger@ww.uni-erlangen.de ISBN Die Deutsche Bibliothek - eip Einheitsaufnahme Ilschner, Bernhard: Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik : Eigenschaften, Vorgänge, Technologien 1 Bernhard Ilschner ; Robert F. Singer. - 3., völlig neu bearb. Auf!. - Springer-Lehrbuch ISBN ISBN (ebook) DOI / 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 Mikroverfllmung 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 Strafuestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1982,1990 und 2002 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2002 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 Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuziehen. Satz: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: /

5 Vorwort zur 3. Auflage Seit der völlig vergriffenen letzten Auflage (1990) haben sich wichtige Entwicklungen vollzogen: neue Werkstoffe, besonders solche mit speziellen elektromagnetischen Eigenschaften, gewannen infolge des Fortschritts der Informationstechnologie immer mehr an Bedeutung. Sie haben für diesen Bereich nicht nur interessante Perspektiven eröffnet und neue Herausforderungen geschaffen, sondern auch die Werkstoffwissenschaft von der Physik und Chemie her bereichert. Der Kern des Fachgebietes bleibt aber auch bei Erscheinen der 3. Auflage an die klassischen Aufgaben der Herstellung, Verarbeitung und Charakterisierung synthetischer und natürlicher Strukturwerkstoffe geknüpft. Dieses Aufgabengebiet hat sich allerdings sehr stark erweitert, insbesondere im Hinblick auf Miniaturisierung, Leichtbau, Bioverträglichkeit und neue Funktionen. Verbesserte Zusammensetzungen und Mikrostrukturen haben die mechanischen, thermischen und chemischen Belastungsgrenzen weit hinausgeschoben. Dadurch wurde der Fertigungstechnik - im weitesten Sinne - eine Rolle zugewiesen, die weit über den vor 20 Jahren gültigen Stand hinausgeht. Dieses Buch, neu mit zwei Autoren, strebt daher in Titel und Inhalt einen erweiterten Horizont an: eine vom Wissen um Strukturen und Eigenschaften fester Materialien geleitete Prozesstechnik mit sprunghaft erhöhtem Bewusstsein für die Umwelt und für die Kosten fügt sich mit einem neuen Niveau der Werkstoffprüfung und umfassender Automatisierung zusammen. "Werkstoffwissenschaft und Fertigungstechnik" versteht sich auch in seiner neuen Form als kurzgefasste Einführung, die im Begreifen elementarer Prozesse und dem Erfassen von Zusammenhängen ihr oberstes Ziel sieht. Seine Leser sollen zuverlässiges und tragfähiges Wissen erlernen - zugleich aber durch zahlreiche Hinweise auf aktuelle Entwicklungen Freude und Interesse an diesem Fach gewinnen. Den Anstoß zu dieser Neufassung hat ein Erlanger Student gegeben. Ihm sowie hilfreichen Mitarbeitern des Erlanger Instituts für Werkstoffwissenschaften und nicht zuletzt dem Springer-Verlag sei herzlich gedankt. Lausanne und Erlangen, Sommer 2001 Bernhard Ilschner Robert F. Singer

6 Aus dem Vorwort zur ersten Auflage Der junge Ingenieur, der heute in der Ausbildung steht und morgen dazu beitragen will, ebenso komplexe wie verantwortungsvolle Zukunfts aufgaben zu lösen, sieht sich immer stärker von Werkstoffproblemen umgeben, welches auch immer sein spezielles Arbeitsgebiet ist. Die traditionelle Weise des Konstruierens mit einem begrenzten Katalog bewährter Werkstoffe, das Ausgleichen unbekannter oder unzuverlässiger Werkstoftkennwerte durch entsprechend kräftigere Bemessung von Querschnitten, die unbestrittene Verfügbarkeit von Rohstoffen und Energien werden mehr und mehr durch neue Leitbilder ersetzt. Extreme Anforderungen mögen zwar manchmal ein Ausdruck übersteigerten technischen Ehrgeizes sein, sind aber weit häufiger von den Zwängen einer engen und ärmer werdenden Welt diktiert. Sie erfordern völlig neue Werkstoffkonzeptionen für höchste Beanspruchungen, auch bei hohen Temperaturen und in einer von aggressiven Stoffen belasteten Umgebung. Das steigende Risiko, das aus der Durchdringung unseres Daseins mit technischen Produkten folgt, setzt neue, strengere Maßstäbe für Begriffe wie Zuverlässigkeit oder Materialfehler. Der sich abzeichnende Mangel an Rohstoffen und Energie ruft nach der Einsparung von Gewicht - die verbleibenden schlanken Querschnitte erfordern wiederum erhöhte Festigkeit. Und hinter allem technisch Wünschbaren steht ein immer schärferer Kostendruck: Jeder Aufwand, der nicht nachweisbar nötig ist, muss unterbleiben. Zweckgerichtete Vielfalt metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe - optimierter Aufbau von Bauteilen durch Verbund verschiedener Materialien - engste Zusammenarbeit zwischen Konstruktion, Fertigungstechnik und Werkstoffentwicklung - Vermeidung von fehlerhaften Teilen durch sorgfältig überwachte Herstellungsverfahren und genaueste Prüf technik - Herabsetzung der Materialverluste aufgrund korrosiver Umwelteinflüsse: Dies alles sind Merkmale einer neuen, dynamischen Werkstoff technik auf wissenschaftlicher Grundlage. Das vorliegende Lehrbuch will den Studenten darauf vorbereiten, diese Problemlage zu erkennen, zu verstehen, und selbständige Lösungen zu finden. Es beruht auf einer Vorlesung, die sich seit 1965 für Studienanfänger der Werkstoffwissenschaften, des Chemieingenieurwesens und der Elektrotechnik gehalten wird. Das Buch setzt also keine speziellen Vorkenntnisse voraus. Bei dem gegebenen Umfang bedeutet das zugleich, dass es nicht den Lehrstoff bringen kann, dessen Beherrschung man von einem fertigen Diplomingenieur dieser Fachrichtung erwartet.

7 VII Um "Zukunftssicherheit" des Wissens zu vermitteln, wurde dem Verständnis der Eigenschaften sowie der Vorgänge, die sich bei der Herstellung und bei der Beanspruchung eines Werkstoffes abspielen, der Vorrang gegeben vor der detaillierten Kenntnis der einzelnen Werkstoffe und ihrer Eigenschaften selbst. Damit soll die Bedeutung der praktischen Werkstoff- und Verfahrenskenntnisse für den späteren beruflichen Erfolg keineswegs herabgesetzt werden. Für das Hineinführen in die von ständig wechselnden Stoffsystemen und Verfahren geprägte Werkstoff technik von heute und für die Ausbildung der Fähigkeit, unterschiedliche Elemente zu unkonventionellen Lösungen optimal zusammenzufügen, erscheint jedoch der naturwissenschaftliche Ansatz nach wie vor am besten geeignet. Zahlreiche Hinweise auf die praktische Anwendung und auch auf deren volkswirtschaftliches Umfeld stellen den Kontakt zwischen Werkstoffwissenschaft und Technik her. Diese Ausrichtung bringt das Buch in die Mitte zwischen den Grundvorlesungen in Physik und Chemie einerseits, Konstruktionslehre und anderen technischen Einführungskursen andererseits. Reale Stoffe wie Stahl oder Glas, reale Anlagen wie Hochöfen oder Strangpressen bilden den einen Pol seines Inhalts - wichtige Abstraktionen wie Zweistoffsysteme oder atomare Raumgitter den anderen. Das Buch will ein Lehr-Buch sein, aber seine Leser sind keine Schüler mehr. Der Stil nimmt sich daher die nüchterne Sprache wissenschaftlicher Veröffentlichungen zum Vorbild. Der Didaktik dienen vor allem die Abbildungen und die eingerahmten Hervorhebungen, Übersichten und Zusammenfassungen. Erlangen, im August 1981 B. Ilschner

8 Einordnung in allgemeine Zusammenhänge Werkstoffe im Stoffkreislauf Rohstoffversorgung Substitution bei Mangel, Lager bei Überproduktion Investition, Dissipation, Recycling. Recycling und Wiederverwendung.... Werkstoffe und Energie Umweltbelastung durch Werkstoffherstellung Was kosten Werkstoffe? Werkstoffe und Kulturgeschichte.... Werkstoff gruppen und Werkstoff eigenschaften Werkstoffgruppen Eisenwerkstoffe... Nichteisenmetalle.... Intermetallische Phasen Halbleiter Glas und Keramik.. Kunststoffe... Zellulöse Materialien Naturstoffe Verbundwerkstoffe Werkstoffeigenschaften Mechanische Eigenschaften Elektrische und magnetische Eigenschaften Chemisch -physikalische Eigenschaften Sonstige Anwendungseigenschaften..... Verarbeitungstechnische Eigenschaften Volkswirtschaftliche und gesellschaftliche Faktoren Das Mikrogefüge und seine Merkmale... Zielsetzung und Definitionen.... Probenvorbereitung für Lichtmikroskopie Das Lichtmikroskop

9 x Das Elektronenmikroskop.... Das Elektronenmikroskop als Analysengerät Quantitative Bildanalyse.... Einteilung und Natur der mikroskopisch nachweisbaren Gefügebestandteile.... Körner.... Die dritte Dimension der Gefüge Poren.... Einschlüsse Ausscheidungen.. Eutektische Gefüge Martensit Oberflächenschichten Versetzungen... Ergänzende mikroskopische Verfahren Akustische Mikroskopie... Tunneleffekt -Rastermikroskopie Atomare Kraftmikroskopie Bedeutung für die Praxis Gleichgewichte... Zustände und Phasen. Gew.-% und Atom-% Stabilität von Zuständen.... Kinetik der Umwandlungen... Thermodynamische Messgrößen Wärmeinhalt.... Bildungswärme.... Thermodynamisches Potenzial und Entropie Messverfahren Kalorimeter, thermische Analyse, DTA Dampfdruckmessung Temperaturmessung.... Zustandsdiagramme metallischer und keramischer Mehrstoffsysteme Vorbemerkung.... Wie liest man ein Zustandsdiagramm? Das Zustandsdiagramm Fe-C... Zustandsdiagramme ternärer Systeme Atomare Bindung und Struktur der Materie Gase.... Bindungskräfte in kondensierten Phasen Schmelzen und Gläser.... Kristalle.... Raumgitter und Elementarzellen Wichtige Gittertypen

10 XI Gitterfehlstellen.... Thermische Ausdehnung Experimentelle Untersuchung von Gitterstrukturen Lösungen und Mischkristalle Hochpolymere Kunststoffe Molekulare Grundstrukturen.... Entwicklungsprinzipien makromolekularer Werkstoffe Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere.... Diffusion. Atomare Platzwechsel Diffusionsvorgänge Definition.... Mathematische Beschreibung.. Lösungen der Diffusionsgleichung Schichtaufbau durch Diffusion... Abhängigkeit des Diffusionskoeffizienten. Thermische Aktivierung Diffusionsmechanismen Andere Triebkräfte Ionenleitung Wärmeleitung... Zustandsänderungen und Phasen umwandlungen Systematik der Umwandlungen... Keimbildung (homogen und heterogen) Verdampfung und Kondensation Schmelzen und Erstarren Wärmetransport.... Umverteilung von Legierungselementen Seigerungen und Zonenreinigung.... Keimbildungsprobleme beim Erstarren. Lunker Eutektische Erstarrung Glasige Erstarrung.... Diffusionsgesteuerte Umwandlungen im festen Zustand Schichtwachstum (ebener Fall).... Ausscheidung aus übersättigten Mischkristallen Eutektoider Zerfall ZTU -Schaubilder.... Spinodale Entmischung Martensitische Umwandlung Vorgänge an Grenzflächen Grenzflächenenergie und Grenzflächenspannung Adsorption Wachstumsformen

11 XII Benetzung. Kapillarkraft... Sintern, Brennen von Keramik Kornwachstum Ostwald-Reifung Korrosion und Korrosionsschutz Beispiele für Werkstoffschädigung. Definition Korrosion durch wässrige Lösungen Elektrolyte Elektroden Elektrochemische Elemente Lokalelemente Säurekorrosion, Sauerstoffkorrosion, Rost Passivität Maßnahmen zum Korrosionsschutz... Vermeidung kondensierter Feuchtigkeit Wasseraufbereitung und -entlüftung Korrosionsbeständige Legierungen Überzüge und Beschichtungen Kathodischer Schutz.... Alternative Werkstoffgruppen... Zusammenwirken von korrosiver und mechanischer Beanspruchung.... Korrosion in Luft und Gasen bei hoher Temperatur. Grundmechanismen (Deckschichtbildung, Ionenreaktion) Schutzmaßnahmen gegen Hochtemperaturkorrosion Festkörperelektrolyte, Brennstoffzellen Festigkeit - Verformung - Bruch Definition und Maßeinheiten.. Elastische Formänderung... Anelastisches Verhalten, Dämpfung Duktiles und sprödes Verhalten als Grenzfälle Zugversuch, Spannungs-Dehnungs-Kurve Härteprüfung... Bruchvorgänge Zäher (duktiler) Bruch Sprödbruch.... Anrisse, Grundzüge der Bruchmechanik Kerbschlagzähigkeit.... Kristallplastizität. Versetzungen..... Festigkeit und Verformung bei hoher Temperatur Erholung und Rekristallisation.... Kriechen und Zeitstandfestigkeit. Spannungsrelaxation Wechselfestigkeit und Ermüdung

12 Viskoses Fließen. Viskoelastisches Verhalten Vorbemerkung und Beispiele.... Grundmechanismus. Viskositätsdefinition Viskoelastische Modelle.... Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung... Steigerung der elastischen Steifigkeit.... Steigerung des Widerstands der Legierungen gegen Formänderung Steigerung der Bruchfestigkeit und Duktilität Härtung durch kombinierte Maßnahmen Festigkeitssteigerung durch Fasern (Verbundwerkstoffe) Steigerung der Warmfestigkeit XIII Elektrische Eigenschaften.. Vorbemerkung über Werkstoffe der Elektrotechnik Stromtransport in metallischen Leitern Definition und Maßeinheiten.... Angaben zu wichtigen Metallen und Legierungen Temperaturabhängigkeit und Legierungseinflüsse Einflüsse durch elastische und plastische Verformung Supraleitung Nichtleiter,Isolierstoffe. Technische Isolierstoffe. Elektrische Polarisation Halbleiter..... Definition, Kennzeichen, Werkstoff gruppen Leitungsmechanismus.. Dotierung, Bändermodell Ionenleiter Magnetismus und Magnetwerkstoffe Magnetische Felder, Definitionen Dia- und Paramagnetismus.... Ferromagnetismus.... Physikalische Ursachen des Ferromagnetismus Antiferro- und Ferrimagnetismus Magnetostriktion.... Magnetisierungskurve. Hysterese Ummagnetisierungsverluste Technische Magnetwerkstoffe Allgemeine Einteilung... Weichmagnetische Werkstoffe Hartmagnetische Werkstoffe

13 XIV Herstellungs- und verarbeitungstechnische Verfahren Vom Rohstoff zum Werkstoff.... Aufbereitung der Erze und Reduktion zu Metallen Stahlherstellung, Reinheitssteigerung der Metalle Herstellung keramischer Werkstoffe.... Herstellung von Glas.... Vom Werkstoff zum Werkstück (Formgebung) Fertigungsverfahren im Überblick Urformen zu Vorprodukten durch Gießen Urformen zu Endprodukten durch Gießen Urformen durch Pulvermetallurgie Umformen.... Formgebung von Keramik.. Formgebung von Glas Formgebung von Kunststoffen Spanen und Abtragen.... Verbinden von Werkstücken Schweißen Löten.... Kleben.... Beschichten von Werkstücken Stoffeigenschaft ändern Verbesserung der Volumeneigenschaften von Werkstücken Verbesserung der Randschichteigenschaften von Werkstücken Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung.... Definition: Zuverlässigkeit und Sicherheit Flüssigkei tseindringverfahren Magnetpulververfahren.... Wirbelstromverfahren.... Durchleuchtung mit Röntgen- und Gammastrahlen Ultraschallprüfung.. Schallemissionsanalyse Optische Holographie Anhang Al A2 A3 A4 Weiterführende und ergänzende Lehr- und Handbücher Fachzeitschriften.... Wichtige Werkstoffkenngrößen metallischer Elemente. Kurzbezeichnung für Stähle und Nichteisenlegierungen Sachverzeichnis