Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung

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1 Wolfgang Weißbach Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung 15., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit über 300 Abbildungen und 300 Tafeln Unter Mitarbeit von Michael Dahms 3 Viewegs Fachbücher der Technik Vieweg

2 VI Inhaltsverzeichnis 1 Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge Gegenstand und Bedeutung der Werkstoffkunde Das Fachgebiet Werkstoffe Stellung und Bedeutung der Werkstoffkunde in der Technik Entwicklungsrichtungen der Werkstofftechnik Gewichtsreduzierung Verschleiß, Korrosion und Abfall vermindern Energieeinsparung und bessere Nutzung Innovative Werkstoffanwendung Wie lassen sich die unterschiedlichen Eigenschaften der Werkstoffe erklären? Was bedeutet Struktur der Werkstoffe? Unterteilung der Struktur und Einflussmöglichkeiten zur Veränderung Atombau (Atommodelle nach Bohr u. a.) Kristallgitter und Bindungsart Einflussnahme auf das Kristallgitter Gefüge und Änderungsmöglichkeiten Auswahlprinzip für Werkstoffe Anforderungsprofil Eigenschaftsprofil Auswahlgrundsatz Maßnahmen zur Verbesserung nicht ausreichender Eigenschaftsprofile Überlegungen zur Werkstoffwahl Eine komplexe Optimierungsaufgabe Vereinfachte Direktwahl Allgemeine, indirekte Wahl Einfluss des Fertigungsweges auf die Werkstoffwahl Integral- oder Differenzialbauweise Einfluss der Bauteilmerkmale auf den Fertigungsweg Vergleich einiger Fertigungsverfahren Übersicht, Einteilung der Fertigungsverfahren DIN 8580/ Metallische Werkstoffe Metallkunde Vorkommen Metallische Bindung Metalleigenschaften Die Kristallstrukturen der Metalle (Idealkristalle) Entstehung des Gefüges und seine Ausrichtungen Verformung am Idealkristall (Modellvorstellung) Struktur und Verformung der Realkristalle Kristallfehler Verformung der Realkristalle und Veränderung der Eigenschaften.. 53

3 VII 2.3 Verfestigungsmechanismen Kaltverfestigung (auch Verformungs- oder Versetzungsverfestigung) Mischkristallverfestigung Korngrenzenverfestigung (Feinkorn) Teilchenverfestigung Vorgänge im Metallgitter bei höheren Temperaturen (Thermisch aktivierte Prozesse) Allgemeines Kristallerholung und Rekristallisation Kornvergröberung (-Wachstum) Warmumformung Diffusion Werkstoffverhalten bei höheren Temperaturen unter Beanspruchung Legierungen (Zweistofflegierungen) Begriffe Zustandsdiagramme, Allgemeines Zustandsdiagramm mit vollkommener Mischbarkeit der Komponenten Allgemeine Eigenschaften der Mischkristall-Legierungen Eutektische Legierungssysteme (Grundtyp II) Allgemeine Eigenschaften der eutektischen Legierungen Ausscheidungen aus übersättigten Mischkristallen Zustandsdiagramm mit intermetallischen Phasen Übung: Auswertung eines Zustandsdiagrammes, Abkühlverlauf einer Cu-Zn-Legierung mit 64,5 % Cu Vergleich von homogenen und heterogenen Legierungen Übersicht über Phasenumwandlungen im festen Zustand 83 3 Die Legierung Eisen-Kohlenstoff Abkühlkurve und Kristallarten des Reineisens Erstarrungsformen Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) Erstarrungsvorgänge Die Umwandlungen im festen Zustand Einfluss des Kohlenstoffs auf die Legierungseigenschaften Mechanische Eigenschaften Technologische Eigenschaften Einfluss von Legierungselementen auf das EKD Elemente, die das Austenitgebiet erweitern Elemente, die das Austenitgebiet verkleinern Wirkung mehrerer Elemente Stahlerzeugung Allgemeines Die Wirkung der Eisenbegleiter auf Gefüge und Eigenschaften der Stähle Rohstahlerzeugung Sekundärmetallurgie Vergießen und Erstarren des Stahles 105

4 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Stahlsorten - Normen und Verwendungsgruppen Der Werkstoff Stahl Begriffe und Einleitung Einfluss der LE auf das Gefüge Stähle für allgemeine Verwendung Anforderungsprofil Baustähle nach DIN EN Baustähle höherer Festigkeit Schweißgeeignete Feinkombaustähle, nicht vergütet Schweißgeeignete Feinkombaustähle, vergütet oder ausgehärtet Stähle mit besonderen Eigenschaften Wetterfeste Baustähle Kaltzähe Stähle Austenitische Stähle Ferritische Stähle Stähle für den Einsatz bei hohen Temperaturen Stähle für bestimmte Fertigungsverfahren Automatenstähle Stähle zum Kaltumformen Weitere Stahlsorten Stähle für bestimmte Bauteile Wälzlagerstähle Federstähle Werkzeugstähle Allgemeines Kaltarbeitstähle Warmarbeitsstähle Kunststoff-Formenstähle Schnellarbeitsstähle (HS-Stähle) Stahlguss Allgemeines Stahlguss für allgemeine Verwendung Stahlguss mit guter Schweißeignung Weitere Stahlgusswerkstoffe, Übersicht Stoffeigenschaftändern Allgemeines Einteilung der Verfahren Temperatur-Zeit-Verlauf bei der Wärmebehandlung (t?, t-verlauf) Austenitisierung (ZTA-Schaubilder) Glühverfahren Normalglühen (Umkörnen) Glühen auf beste Verarbeitungs-Eigenschaften Spannungsarmglühen Diffusionsglühen Rekristallisationsglühen Härten und Vergüten Allgemeines 145

5 IX Austenitzerfall Martensit, Struktur und Entstehungsbedingungen Härtbarkeit der Stähle Verfahrenstechnik Härteverzug und Gegenmaßnahmen Zeit-Temperatur-Umwandlung-Schaubilder (ZTU-Diagramme) Vergüten Aushärten Allgemeines Innere Vorgänge Verfahren Bedeutung und Anwendung der Aushärtung Unterschied zum Härten und Vergüten Thermomechanische Verfahren Allgemeines Austenitformhärten Thermomechanische Behandlung (TM) Verfahren der Oberflächenhärtung Überblick Randschichthärten Einsatzhärten Nitrieren, Nitrocarburieren Weitere Verfahren (Auswahl) Mechanische Verfahren Eisen-Gusswerkstoffe Übersicht und Einteilung Vorteile der Gusskonstruktionen: Einteilung der Gusswerkstoffe Allgemeines über die Gefüge- und Graphitausbildung bei Gusseisen Gefügeausbildung Graphitausbildung Gusseisen mit Lamellengraphit GJL Gusseisen mit Kugelgraphit GJS Temperguss GJMW/GJMB Gusseisen mit Vermiculargraphit GJV Sonderguss Nichteisenmetalle Allgemeines Bezeichnung von NE-Metallen und -Legierungen Übersicht Legierungen Zustandsbezeichnungen Knetlegierungen Gusslegierungen Aluminium Vorkommen und Gewinnung 204

6 7.3.2 Einteilung der Al-Knetwerkstoffe Unlegiertes Aluminium, Serie Nicht aushärtbare Legierungen Aushärtbare Legierungen Aluminium-Gusslegierungen Aushärten der Aluminium-Legierungen Neuentwicklungen Kupfer Unlegiertes Kupfer Eigenschaften, Verwendung Normen für Kupfer und Kupferlegierungen Niedriglegiertes Kupfer Allgemeines zu den Kupfer-Legierungen Kupfer-Zink-Legierungen Kupfer-Zinn-Legierungen Kupfer-Aluminium-Legierungen Kupfer-Nickel-Legierungen Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen Magnesium Titan Vorkommen und Gewinnung Eigenschaften und Anwendung Titanlegierungen Nickel Druckgusswerkstoffe 227 Anorganisch - nichtmetallische Werkstoffe Einteilung und Abgrenzung Struktur und Eigenschaften keramischer Stoffe Bearbeitung der Werkstoffe Werkstoffsorten Oxidische Werkstoffe Nichtoxidische Werkstoffe Neue Verfahren zur Herstellung der Pulver-Ausgangsstoffe Vergleich einiger nichtmetallisch anorganischer Werkstoffe 237 Kunstststoffe (Polymere) Allgemeines Entwicklung und Bedeutung Begriffe und Einteilung der Polymere Polymereigenschaften und ihre Prüfung Monomere Stoffe und Entstehung der Polymere Kohlenstoffatome Kettenförmige Kohlenwasserstoffe (Aliphaten oder aliphatische KW) Ringförmige Kohlenwasserstoffe (Aromaten) Herstellung synthetischer Makromoleküle, Übersicht Polykondensation 245

7 XI Polymerisation Polyaddition Systematische Benennung der Polymere Strukturen der Makromoleküle Bindungkräfte Einfluss der Molekülmasse (Kettenlänge) Gestalt der Makromoleküle Kristallisation Gefügeveränderungen bei Polymeren Polymergemische, Polyblends Zusatzstoffe und Einfluss auf die Eigenschaften Faserverstärkung Duroplaste Allgemeines Formmassetypen Duroplastverarbeitung Thermoplaste (Plastomere) Thermische Eigenschaften Langzeiteigenschaften der Kunststoffe Thermoplastverarbeitung Übersicht über die wichtigsten Thermoplaste Elastomere Eigenschaftsvergleiche und statistische Daten Verbundstrukturen und Verbundwerkstoffe Begriffsklärung Verbundkonstruktionen Werkstoffverbunde Verbundwerkstoffe Struktur und Einteilung der Verbundwerkstoffe Schichtverbundwerkstoffe Faserverbundwerkstoffe (FVW) Faserwerkstoffe und Eigenschaften Faserverstärkte Polymere Teilchenverbundwerkstoffe Durchdringungsverbundwerkstoffe Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe MMC Allgemeines Metallmatrix-Faserverbunde Metallmatrix-Teilchenverbund Metallmatrix-Durchdringungsverbunde Metallschäume Keramik-Matrix-Verbünde CMC Allgemeines Faserverbundkeramik Durchdringungsverbundkeramik 290

8 Werkstoffe besonderer Herstellung oder Eigenschaften Pulvermetallurgie, Sintermetalle Überblick und Einordnung Herstellung der Pulver Formgebung und Verdichten Sintern Nachbehandlung der Sinterteile Werkstoffe Klassifizierung, Normung Sprühkompaktieren (OSpray-Verfahren) Schichtwerkstoffe und Schichtherstellung Begriffe, Abgrenzung Verfahrensübersicht Thermisches Spritzen Auftragschweißen und -löten Abscheiden aus der Gasphase Beschichten aus dem ionisierten Zustand Lager- und Gleitwerkstoffe Allgemeines Lagermetalle Weitere Lagerwerkstoffe Werkstoffe für Lötungen Allgemeines Weichlote Hartlote Werkstoffe mit steuerbaren Eigenschaftsänderungen Begriffe Piezokeramik Formgedächtnis-Legierungen (FGL) Flüssigkeiten mit steuerbarer Viskosität 322 Korrosionsbeanspruchung und Korrosionsschutz Korrosion und Reaktionsarten Korrosionselemente Elektrochemische Spannungsreihe Galvanisches Element Korrosionselemente Korrosionserscheinungen und -großen Weitere Korrosionsarten Korrosionsprodukte Korrosion mit anderen Beanspruchungsarten überlagert Korrosion und Festigkeitsbeanspruchung Korrosion unter Tribo-Beanspruchung Korrosion und thermische Beanspruchung Korrosionsschutz Korrosionsschutz durch Werkstoffauswahl oder Eigenschaftsänderung Änderung der Reaktionsbedingungen Trennung von Metall und Korrosionsmittel durch Schutzschichten 335

9 XIII 13 Tribologische Beanspruchung und werkstofftechnische Maßnahmen Allgemeines Begriffsklärung Das tribologische System Der Bereich der Tribologie Reibung und Reibungszustände Reibkraft und Reibungszustände Reibungszustände Stribeck-Kurve Schmierstoffe Allgemeines Eigenschaften und Kenngrößen Öle Fette Festschmierstoffe Verschleiß Verschleißmechanismen Verschleißarten Verschleißmessung und -kenngrößen Verschleißschutz Werkstoffprüfung Aufgaben, Abgrenzung Prüfung von Werkstoffkennwerten Messung der Härte Härteprüfung nach Brinell Härteprüfung nach Vickers Härteprüfung nach Rockwell Vergleich der Härtewerte Dynamische Härteprüfung nach Shore Prüfung der Festigkeit bei statischer Belastung Der Zugversuch Allgemeines Bruchverhalten Zeitfestigkeiten Prüfung der Festigkeit bei dynamischer Belastung Allgemeines Verhalten Dynamische Belastung Dauerschwingfestigkeiten Dauerschwingversuche Dauerfestigkeitsschaubild Dauerfestigkeit und Einflussgrößen Prüfung der Zähigkeit Spannungszustände Kerbschlagbiegeversuch Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurve Prüfung von Verarbeitungseigenschaften Untersuchung des Gefüges Mikroskopische Untersuchungen Makroskopische Untersuchungen 386

10 XIV Inhaltsverzeichnis 14.9 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und Qualitätskontrolle Allgemeines Eindringverfahren (Penetrierverhalten) Magnetische Prüfungen Magnetinduktive Prüfung (Wirbelstromprüfung) Ultraschallprüfung Röntgen-/Gamma-Strahlen-Prüfung 390 Anhang A: Die systematische Bezeichnung der Werkstoffe 393 A. 1 Kennzeichnung der Stähle 393 A.l.l Bezeichnungssystem für Stähle 393 A.1.2 Aufbau des Kurznamens 393 A.1.3 Stähle für den Stahlbau 394 A.1.4 Stähle für Druckbehälter 394 A.1.5 Stähle für den Maschinenbau 395 A.1.6 Flacherzeugnisse (kaltgewalzt) aus höherfesten Stählen zum Kaltumformen 395 A:1.7 Flacherzeugnisse (kaltgewalzt) aus weichen Stählen zum Kaltumformen 395 A.1.8 Nach der chemischen Zusammensetzung bezeichnete Stähle 395 A Unlegierte Stähle mit mittlerem Mn-Gehalt < 1 % 396 A Niedriglegierte Stähle (mittlerer Gehalt der LE < 5 %) 396 A.l.8.3 Hochlegierte Stähle 396 A.l.8.4 Schnellarbeitsstähle 396 A.1.9. Nummernsystem für Stähle 397 A.2 Bezeichnung der Eisen-Gusswerkstoffe 399 A.3 Bezeichnung der NE-Metalle 400 A.3.1 Allgemeines 400 A.3.2 Bezeichnung von Alumium und -legierungen 400 A.3.3 Bezeichnung von Kupfer und -legierungen 401 A.4 Bezeichnung der Kunststoffe 402 Bildquellenverzeichnis 403 Sachwortverzeichnis 404