Werkstoffkunde. Strukturen, Eigenschaften, Prüfung. Wolfgang Weißbach Michael Dahms Christoph Jaroschek

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1 Werkstoffkunde

2 Wolfgang Weißbach Michael Dahms Christoph Jaroschek Werkstoffkunde Strukturen, Eigenschaften, Prüfung 19., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage

3 Wolfgang Weißbach Braunschweig, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Michael Dahms FH Flensburg Flensburg, Deutschland Prof. Dr. Christoph Jaroschek FH Bielefeld Bielefeld, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 1967, 1970, 1972, 1974, 1975, 1976, 1979, 1981, 1988, 1992, 1994, 1998, 2000, 2002, 2004, 2007, 2010, 2012, 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 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. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Fachmedien Wiesbaden ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Vorwort Der Weißbach ist seit seiner 1. Auflage ein erfolgreiches Lehrbuch für die Werkstoffkunde. Es zeichnet sich aus durch seinen Anwendungsbezug und die vielen Beispiele. Ein ganz besonderer Dank gilt an dieser Stelle Herrn Wolfgang Weißbach, der über Jahrzehnte hinweg mit viel Engagement das Buch inhaltlich aber auch layouttechnisch immer weiter entwickelt hat, jetzt aber aus persönlichen Gründen leider nicht mehr für eine Überarbeitung des Buches zur Verfügung steht. Nur weil das Lehrbuch auch permanent normenaktuell gehalten wurde, konnte es erfolgreich in so viele Auflage geführt werden. Mit der nun vorliegenden Auflage übernehmen Michael Dahms und Christoph Jaroschek die notwendigen Aktualisierungen und Ergänzungen. Das bisherige zweispaltige Layout wird aufgelöst, weil Bücher heute auch über elektronische Systeme gelesen werden. Sämtliche Kapitel sind grundlegend überarbeitet und aktualisiert worden. Wesentliche Veränderungen sind: Die Kap. 9 Kunststoffe und Kap. 14 Werkstoffprüfung wurden vollständig überarbeitet und erweitert Kapitel Tribologische Beanspruchung wurde gestrichen Die Erweiterungen betreffen besonders die Bereiche der Kunststoffe. Hier ist besonders das Kap. 14 zu beachten, denn es stellt das Bindeglied zwischen den sehr unterschiedlichen Werkstoffgruppen der Metalle und der Kunststoffe dar. Ein besonderer Dank gilt Frau Anke Wolfram, die Unschätzbares bei der Realisierung des neuen Umbruches und bei der Verweis-Verfolgung geleistet hat. Weiterhin gilt auch unser Dank Herrn Thomas Zipsner, der als Lektor des Verlags ebenfalls in Fragen des Layouts viel Arbeit hatte. Eine Bitte richtet sich nun an Sie als Leser: sollten Sie Inhalte nicht verständlich finden oder insgesamt vermissen, scheuen Sie sich bitte nicht, Ihre Anmerkungen an den Verlag zu senden. Wir hoffen, dass bereits die 19. Auflage den Erfolg des Weißbach fortsetzt V

5 VI Vorwort und wir werden alles daran setzen, die nachfolgenden Auflagen in weiterhin verständlicher Form zu gestalten. Bielefeld, Flensburg, im Juli 2015 Christoph Jaroschek Michael Dahms Vorwort zur 18. Auflage Am Lebenslauf eines technischen Erzeugnisses von der Entwicklung über seine Fertigung mit Qualitätssicherung, der späteren Nutzung mit Wartung und evtl. Regeneration bis hin zum Recycling, wird die zentrale Stellung des Werkstoffes deutlich. In all diesen Phasen müssen Beteiligte ihre Maßnahmen auf die Eigenart der verwendeten Werkstoffe abstimmen. Ein einführendes Lehrbuch über Werkstoffe sollte eine Übersicht schaffen, über: den theoretischen Hintergrund, denn das Verhalten der Werkstoffe lässt sich beeinflussen und verändern, z. B. durch die Anwendung von Temperaturen. die Eigenschaften, denn in der Konstruktion sind für die Auswahl von Werkstoffen und für die Dimensionierung Kennwerte zur Berechnung notwendig, z. B. Steifigkeit, etc. Werkstoffarten, weil es unterschiedlichste Anforderungen an ein zu entwickelndes Bauteil bzw. System gibt, z. B. Dichte/Gewicht, Festigkeit, etc. Das vorliegende Lehrbuch vertritt diese Richtung, die im ersten Abschnitt als Einführung und Motivation dargelegt wird. Es wird das Prinzip Eigenschaften sind eine Funktion der Struktur erläutert und Überlegungen zur optimalen Werkstoffwahl vorgestellt. Bereits hier werden die beiden wichtigen Werkstoffgruppen der Metalle und der Kunststoffe mit ihrem sehr unterschiedlichen Aufbau gegenübergestellt. Das Buch ist mit seiner Stoffauswahl und sprachlichen Gestaltung für Studienanfänger der Fach- und Fachhochschulen angelegt und für alle Fachrichtungen, bei denen Werkstoffeigenschaften und Werkstoffverhalten bei technologischen Prozessen eine wichtige Rolle spielen. In der 18. Auflage wurden teilweise auf Anregungen aus dem Leserkreis Umstellungen vorgenommen, Fehler berichtigt und Normen aktualisiert. Wesentliche Änderungen sind: Im Kap. 1 wurde die Rolle der Kunststoffe betont und wesentliche Unterschiede zu den Metallen herausgehoben. Bei den Eigenschaften wird für alle Werkstoffe allgemein auf das mechanische Verhalten unter Zugbelastung eingegangen. Im Kap. 4 wurde der Abschnitt Stähle zum Kaltumformen überarbeitet und aktualisiert. Im Kap. 11 wurden die Werkstoffe für Lötungen gestrichen.

6 Vorwort VII Herrn Prof. Dr.-Ing. Christoph Jaroschek gilt ein besonderer Dank für die Mitarbeit am Kap. 1. Die Autoren danken Frau Imke Zander und Herrn Thomas Zipsner vom Lektorat Maschinenbau sowie Herrn Stefan Kreickenbaum von der technischen Redaktion für die fruchtbare Zusammenarbeit. Autoren und Verlag danken Firmen und Instituten für Unterlagen und den Benutzern für konstruktive Anmerkungen und Vorschläge. Wir sind auch weiterhin bestrebt, diese zu realisieren. Braunschweig, Flensburg, im Oktober 2011 Wolfgang Weißbach Michael Dahms

7 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 Bessere Nutzung von Werkstoff und Energie (Material- und Energieeffizienz) Oberflächenbehandlungen, Nanotechnologie Wie lassen sich die unterschiedlichen Eigenschaften der Werkstoffe erklären? Atombau und Periodensystem (PSE) Bindungsart Materialaufbau Werkstoffeigenschaften Anforderungen an Werkstoffe Anforderungsprofil Eigenschaftsprofil Metallische Werkstoffe Metallkunde Vorkommen Metallbindung Metalleigenschaften Die Kristallstrukturen der Metalle (Idealkristalle) Entstehung des Gefüges Verformung am Idealkristall (Modellvorstellung) Struktur und Verformung der Realkristalle Kristallfehler Verformung der Realkristalle und Veränderung der Eigenschaften IX

8 X Inhaltsverzeichnis 2.3 Verfestigungsmechanismen Mischkristallverfestigung Kaltverfestigung (Verformungsverfestigung) Feinkornverfestigung (Korngrenzenverfestigung) Dispersionsverfestigung (Teilchen-, Ausscheidungs-) Verfestigungsmechanismen kombiniert 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 Mischkristalllegierungen 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 (64,5 % Cu) Vergleich von homogenen und heterogenen Legierungen Übersicht über Phasenumwandlungen im festen Zustand Die Legierung Eisen-Kohlenstoff Abkühlkurve und kristalline Phasen des Reineisens Erstarrungsformen Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) Erstarrungsvorgänge Die Umwandlungen im festen Zustand Einfluss des Kohlenstoffs auf die Legierungseigenschaften Mechanische Eigenschaften Technologische Eigenschaften

9 Inhaltsverzeichnis XI 4 Stähle Erzeugung und Klassifizierung Allgemeines Ausgangsstoffe und Aufgaben der Stahlerzeugung Rohstahlerzeugung Sekundärmetallurgie Vergießen und Erstarren des Stahles Eisenbegleiter und Wirkung auf Gefüge und Stahleigenschaften Einfluss der Legierungselemente Einteilung der Stähle Stähle für allgemeine Verwendung Anforderungsprofil Baustähle nach DIN EN 10025/ Baustähle höherer Festigkeit Die Erhöhung der Festigkeit Nicht vergütete schweißgeeignete Feinkornbaustähle Vergütete schweißgeeignete Feinkornbaustähle, DIN EN / Stähle mit besonderen Eigenschaften Kaltzähe Stähle Wetterfeste Baustähle DIN EN / Austenitische Stähle Ferritische Stähle Stähle für Einsatz bei hohen Temperaturen Stähle für bestimmte Fertigungsverfahren Automatenstähle Stähle zum Kaltumformen Stähle für bestimmte Bauteile Wälzlagerstähle Federstähle Werkzeugstähle Allgemeines Kaltarbeitsstähle Warmarbeitsstähle Kunststoffformenstähle Schnellarbeitsstähle (HS-Stähle) Stahlguss Allgemeines Stahlguss für allgemeine Verwendung Weitere Stahlgusswerkstoffe

10 XII Inhaltsverzeichnis 5 Wärmebehandlung der Stähle Allgemeines Einteilung der Verfahren Zeit-Temperatur-Folgen Austenitisierung (ZTA-Schaubilder) Glühverfahren Normalglühen Glühen auf beste Verarbeitungseigenschaften Spannungsarmglühen Diffusionsglühen Rekristallisationsglühen Härten und Vergüten Allgemeines Austenitzerfall Martensit, Struktur und Bedingungen für die Entstehung Härtbarkeit der Stähle Verfahrenstechnik Härteverzug und Gegenmaßnahmen Zeit-Temperatur-Umwandlung (ZTU-Schaubilder) Vergüten Aushärten Allgemeines Verfahren Ausscheidungshärtende Stähle Vergleich Härten/Vergüten und Aushärten Ausscheidungsvorgänge mit negativen Auswirkungen Thermomechanische Verfahren Allgemeines Thermomechanische Behandlung (TM) Austenitformhärten Weitere Anwendungen Verfahren der Oberflächenhärtung Überblick Randschichthärten Einsatzhärten Nitrieren, Nitrocarburieren Weitere Verfahren (Auswahl) Mechanische Verfahren Eisen-Gusswerkstoffe Übersicht und Einteilung Vorteile der Gusskonstruktionen

11 Inhaltsverzeichnis XIII Einteilung der Gusswerkstoffe Allgemeines über die Gefüge- und Graphitausbildung bei Gusseisen Gefügeausbildung Graphitausbildung Gusseisen mit Lamellengraphit GJL (DIN EN 1561/11) Gusseisen mit Kugelgraphit GJS (DIN EN 1563/11) Temperguss GJMW/GJMB (DIN EN 1562/12) Gusseisen mit Vermiculargraphit Sonderguss Nichteisenmetalle Allgemeines Bezeichnung von NE-Metallen und -Legierungen Übersicht Werkstoff Zustandsbezeichnungen Knetlegierungen Gusslegierungen Aluminium Vorkommen und Gewinnung Einteilung der Al-Knetwerkstoffe Unlegiertes Aluminium, Serie Aluminiumknetlegierungen Nicht aushärtbare Legierungen Aushärtbare Legierungen Aluminium-Gusslegierungen Aushärten der Aluminium-Legierungen Neuentwicklungen Kupfer Vorkommen und Gewinnung 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 Vorkommen und Gewinnung Eigenschaften von Magnesium

12 XIV Inhaltsverzeichnis 7.6 Titan Metallgewinnung Eigenschaften und Anwendung Titanlegierungen (DIN /90) Nickel (DIN 17743/02) Unlegiertes Nickel Niedrig legiertes Nickel Ni-Basis-Legierungen Druckgusswerkstoffe Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe Einteilung und Abgrenzung Struktur und Eigenschaften keramischer Stoffe Thermoschockbeständigkeit Bearbeitung der Werkstoffe Werkstoffsorten Oxidische Werkstoffe Nichtoxidische Werkstoffe Neue Verfahren zur Herstellung der Pulver-Ausgangsstoffe Mineralglas Vergleich einiger anorganisch-nichtmetallischer Werkstoffe Kunststoffe (Polymere) Allgemeines Eigenschaften Vergleich mit Metallen Mechanisches Verhalten Temperaturverhalten Glastemperatur, Schmelztemperatur und Zersetzungstemperatur Verarbeitungseigenschaften Bauteileigenschaften Gebräuchliche Kunststoffe Wichtige Thermoplaste PE, Polyethylen PP, Polypropylen PVC, Polyvinylchlorid PS, Polystyrol ABS, Acrylnitril-Butadien-Styrol PA, Polyamid POM, Polyoximethylen

13 Inhaltsverzeichnis XV PET, Polyethylentherephtalat PC, Polycarbonat Duromere und Elastomere Allgemeines Formmassetypen Elastomere Thermoplastische Elastomere (TPE) Verbundstrukturen und Verbundwerkstoffe Begriffsklärung Verbundwerkstoffe Werkstoffverbunde Verbundkonstruktionen Struktur und Einteilung der Verbundwerkstoffe Schichtverbundwerkstoffe Faserverbundwerkstoffe (FVW) Faserwerkstoffe und Eigenschaften Faserverstärkte Polymere Teilchenverbundwerkstoffe Durchdringungsverbundwerkstoffe Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMC) Allgemeines Metallmatrix-Faserverbunde Metallmatrix-Teilchenverbunde Metallmatrix-Durchdringungsverbunde Metallschäume Keramik-Matrix-Verbunde (CMC) Allgemeines Faserverbundkeramik Durchdringungsverbundkeramik Werkstoffe besonderer Herstellung oder Eigenschaften Pulvermetallurgie, Sintermetalle Überblick und Einordnung Pulverherstellung Formgebung und Verdichten Sintern Nachbehandlung der Sinterteile Werkstoffe Werkstoffe, schmelzmetallurgisch nicht herstellbar (sog. Pseudolegierungen) Pulvermischungen für Formteile

14 XVI Inhaltsverzeichnis Legierungstechniken Klassifizierung, Normung Sprühkompaktieren (Spray Forming) Schichtwerkstoffe und Schichtherstellung Begriffe, Abgrenzung Thermisches Spritzen Auftragschweißen und -löten Abscheiden aus der Gasphase CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) Beschichten aus dem ionisierten Zustand Lager- und Gleitwerkstoffe Allgemeines Lagermetalle Weitere Lagerwerkstoffe, selbstschmierende Lager Werkstoffe mit steuerbaren Eigenschaftsänderungen Begriffe Piezokeramik Formgedächtnis-Legierungen Korrosionsbeanspruchung und Korrosionsschutz Einführung Chemische Reaktion Metallphysikalische Reaktion Elektrochemische Reaktion Grundlagen der elektrochemischen Korrosion Die Entstehung von Ionen Ursache der Ionenleitfähigkeit von H 2 O Lösungsdruck Galvanische Spannungsreihe Galvanisches Element Korrosionselemente Korrosionsarten Korrosionsprodukte Korrosionsarten und -erscheinungen Korrosionsarten mit zusätzlichen Beanspruchungen Korrosion und Festigkeitsbeanspruchung Korrosion unter tribologischer Beanspruchung Korrosion und thermische Beanspruchung Korrosionsschutz Trennung von Metall und Korrosionsmittel durch Schutzschichten

15 Inhaltsverzeichnis XVII Korrosionsschutz durch Werkstoffwahl oder Eigenschaftsänderung Änderung der Reaktionsbedingungen Überlegungen zur Werkstoffauswahl Auswahlprinzip für Werkstoffe Anforderungs- und Eigenschaftsprofil Maßnahmen zur Verbesserung nicht ausreichender Eigenschaftsprofile Werkstoffwahl, eine komplexe Optimierungsaufgabe Allgemeines Vereinfachte Direktwahl Allgemeine, indirekte Wahl Einfluss des Fertigungsweges auf die Werkstoffwahl Integral- oder Differenzialbauweise? Einfluss der Bauteilmerkmale auf den Fertigungsweg Vergleich einiger Fertigungsverfahren Werkstoffprüfung Aufgaben, Abgrenzung Prüfung von Werkstoffkennwerten Mechanische Eigenschaften bei statischer Belastung Zugversuch für Metalle, DIN EN ISO / Zugversuch für Kunststoffe, EN ISO Wärmeformbeständigkeit DIN EN ISO 75-1,-2, Allgemeines Bruchverhalten Zeitfestigkeiten Dynamische Belastung Bauteilversagen bei dynamischer Belastung Spannungszustände Kerbschlagbiegeversuch (DIN EN ISO 148/11) Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurve Zyklische Belastung Allgemeines Verhalten Belastungsformen bei zyklischer Belastung Dauerschwingversuche (DIN /78) Dauerschwingfestigkeiten Dauerfestigkeitsschaubild für Zug-Druck-Beanspruchung nach Smith Dauerfestigkeit und Einflussgrößen Wöhlerversuche mit Kunststoffen

16 XVIII Inhaltsverzeichnis 14.6 Messung der Härte Härteprüfung nach Brinell Härteprüfung nach Vickers Härteprüfung nach Rockwell Vergleich der Härtewerte nach Brinell, Vickers und Rockwell Schlaghärteprüfung (Poldi-Hammer) Härteprüfung nach Shore Thermische Verfahren TGA (Thermo-Gravimetrie-Analyse) DIN EN ISO DSC (differential scanning calorimetry) DMA (Dynamisch mechanische Analyse) Prüfung von Verarbeitungseigenschaften (technologische Versuche) Biegeversuch (DIN EN ISO 7438/05) Tiefungsversuch nach Erichsen (DIN EN ISO 20482/03) Stirnabschreckversuch nach Jominy (DIN EN ISO 642/00) Untersuchung des Gefüges Mikroskopische Untersuchungen Quantitative Gefügeanalyse Makroskopische Untersuchungen Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und Qualitätskontrolle Eindringverfahren (Penetrierverfahren, DIN EN 571/97) Magnetische Prüfungen (DIN EN ISO 9934/02) Wirbelstromprüfung (DIN EN ISO 15549/10) Ultraschallprüfung (DIN EN 583, Teil 1 6/97 08) Röntgen-/Gammastrahlen-Prüfung (DIN EN 444/94) Computertomographie Überprüfung der chemischen Zusammensetzung Funkenspektrometrie Energiedispersive Röntgenanalyse (EDX) im Rasterelektronenmikroskop Anhang A: Die systematische Bezeichnung der Werkstoffe A.1 Kennzeichnung der Stähle A.1.1 Bezeichnungssystem für Stähle A.1.2 Aufbau des Kurznamens (DIN EN /05) A.1.3 Stähle für den Stahlbau A.1.4 Stähle für Druckbehälter A.1.5 Stähle für den Maschinenbau A.1.6 Flacherzeugnisse (kaltgewalzt) aus höherfesten Stählen zum Kaltumformen A.1.7 Flacherzeugnisse (kaltgewalzt) aus weichen Stählen zum Kaltumformen

17 Inhaltsverzeichnis XIX A.1.8 Nach der chemischen Zusammensetzung bezeichnete Stähle. 568 A Unlegierte Stähle mit mittlerem Mn-Gehalt <1%. 568 A Niedriglegierte Stähle (mittlerer Gehalt der LE <5%) ohne Zeichen, auch unlegierte Stähle mit >1% Mn, und Automatenstähle A Nichtrostende Stähle und andere legierte Stähle (ausgenommen Schnellarbeitsstähle), sofern der mittlere Gehalt mindestens eines Legierungselementes 5 %ist A Schnellarbeitsstähle A.1.9 Nummernsystem (DIN EN /92) A.2 Bezeichnung der Eisen-Guss-Werkstoffe A.3 Bezeichnung der NE-Metalle A.3.1 Allgemeines A.3.2 Bezeichnung von Aluminium und -legierungen A.3.3 Bezeichnung von Kupfer und -legierungen A.4 Bezeichnung der Kunststoffe Glossar Sachverzeichnis