Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik

Transkript

1 Springer-Lehrbuch

2 B. Ilschner R.F. Singer Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik Eigenschaften, Vorgänge, Technologien 4., neu bearbeitete und erweiterte Auflage Mit 223 Abbildungen und 33 Tabellen 3

3 Professor Dr. Dr.-Ing. E. h. Bernhard Ilschner Prof. em. der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, Schweiz Chemin de Ponfilet 55 CH-1093 La Conversion Schweiz Professor Dr.-Ing. Robert F. Singer Universität Erlangen-Nürnberg Institut für Werkstoffwissenschaften Martensstr Erlangen rfsinger@ww.uni-erlangen.de ISBN Springer Berlin Heidelberg New York Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. 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 1982, 1990, 2002 und 2005 Printed in Germany 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. Einbandgestaltung: Design & Production, Heidelberg Herstellung: R. Schöberl, Würzburg Satz: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg Gedruckt auf säurefreiem Papier 07/

4 Vorwort zur 4. Auflage Die Neuauflage dieses Einführungsbuches bringt das Wachstum und den Wandel der Werkstoffwissenschaften in den letzten zehn Jahren zum Ausdruck. Zwar ist das Verständnis der grundlegenden Mechanismen von Bindung und Fehlstellen, von Diffusion,Verformung und Bruch im Wesentlichen unverändert geblieben wenn auch im Detail verfeinert. Es haben sich jedoch Überlegungen und Maßnahmen zur Vermeidung von Schädigungen unter Belastung und die Genauigkeit der Werkstoffprüfung stark verbessert. Kennzeichnend sind heute die starke Vernetzung und Vertiefung dieser Begriffe. Das Denken in theoretisch fundierten Modellen hat sich deutlich in den Vordergrund geschoben. Themen wie Kriechen und Ermüdung benötigen heute eigentlich keine Anführungsstriche mehr. Sie repräsentieren jetzt wichtige eigene Forschungsgebiete und Prüfmethoden. Die Werkstoffkunde und die Physik mit fast allen ihren Bereichen und Techniken haben dazu beigetragen, dass die Werkstoffprüfung (bevorzugt ihre zerstörungsfreie Variante) aus bescheidenen Anfängen zum Kern einer weltweit tätigen riesigen Institution geworden ist, die uns auf Schritt und Tritt begleitet und unsere Sicherheit bewacht. Die Fertigungstechnik der Werkstoffe hat nicht nur auf die Herausforderung durch zahlreiche neue Materialien mit z. T. ungewohnten Eigenschaften reagiert, sondern auch in Bezug auf die Präzision der Herstellung vorher unvorstellbar kleiner oder atemberaubend großer Dimensionen. Durch die wachsende Leistungsfähigkeit von Rechenanlagen gelingt es zunehmend, die Prozesse auf den unterschiedlichen Größenskalen durchgängig zu simulieren. Der Roboter hat die Vorgänge der Montage, des Schweißens, des Trennens u. a. revolutioniert, die Taktzeiten in Fertigungsstraßen stark verkürzt und die Reproduzierbarkeit erhöht. Polymere Werkstoffe gewinnen an Bedeutung, sowohl für strukturelle als auch für funktionale Anwendungen. Immer dichtere Kommunikationsnetze, neue Großanlagen zur Erzeugung elektrischer Energie, aber auch das Wachstum städtischer Ballungszentren führen uns täglich eine Art Megatechnik vor Augen. Bei den Werkstoffen spielt die Nanotechnik eine immer wichtigere Rolle, welche die Analyse und Manipulation der Struktur in kleinste Dimensionen vorantreibt eben auf die Skala von Nanometern. Mit dem Rastertunnelmikroskop gelingt es, Atome nicht nur sichtbar zu machen, sondern auch zu verschieben und in neuen Anordnungen zu gruppieren. Mit der Kombination aus Rasterkraftmikroskop und Nanoindenter dringt die Werkstoffprüfung in allerkleinste Bereiche vor.

5 VI Vorwort zur 4. Auflage Natürlich verbleibt ein riesiges Volumen von gestalterischen Aufgaben zwischen den hier angedeuteten Mega- und Nanowelten: Konstruktionen, die auf ein menschliches Maß zugeschnitten sind, wie sie den größten Teil aller produzierten Bauteile und Systeme darstellen.wissenschaft und Technik sind die entscheidenden Träger des Wohlstandes moderner Industriegesellschaften. Sie stehen dabei in der Verantwortung, die Menschheit vor Gefahren durch Hunger, Krankheit, Naturkatastrophen und auch stets vorstellbarem menschlichen Versagen nach bestem Können zu bewahren. Diese 4.Auflage wird nicht einfach durch einer Vielzahl neuer Effekte, die den Lernstoff für die Studierenden aufblähen, ergänzt. Text und Bilder wurden vielmehr so gestaltet, dass sie an ausgewählten Schwerpunkten ein vertieftes Verständnis der mechanischen oder auch funktionalen Wirkung sowohl traditioneller als auch neuer Werkstoffe zu vermitteln vermögen. Zusätzlich möchte das Buch dem künftigen Ingenieur erste Informationen für die Auswahl zuverlässiger, kostengünstiger und umweltfreundlicher Werkstoffe an die Hand geben. Dazu dient der neue Abschnitt 15 Ausgewählte Werkstoffsysteme mit besonderer Bedeutung für den Anwender. Lausanne und Erlangen, im Juni 2004 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 Zukunftsaufgaben 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 Werkstoffkennwerte 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 Prüftechnik Herabsetzung der Materialverluste aufgrund korrosiver Umwelteinflüsse: Dies alles sind Merkmale einer neuen, dynamischen Werkstofftechnik 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 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 VIII 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 Werkstofftechnik 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 1 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 Werkstoffgruppen und Werkstoffeigenschaften Werkstoffgruppen Werkstoffeigenschaften Das Mikrogefüge und seine Merkmale Zielsetzung und Definitionen Probenvorbereitung für Lichtmikroskopie Das Lichtmikroskop Das Elektronenmikroskop Der Elektronenstrahl in der Analyse 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

9 X 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 Gitterfehlstellen Thermische Ausdehnung Experimentelle Untersuchung von Gitterstrukturen Lösungen und Mischkristalle Hochpolymere Werkstoffe Molekulare Grundstrukturen Entwicklungsprinzipien makromolekularer Werkstoffe Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere Diffusion. Atomare Platzwechsel Diffusionsvorgänge Definition Mathematische Beschreibung Lösungen der Diffusionsgleichung

10 XI Schichtaufbau durch Diffusion Abhängigkeit des Diffusionskoeffizienten. Thermische Aktivierung Diffusionsmechanismen Andere Triebkräfte Ionenleitung Wärmeleitung Zustandsänderungen und Phasenumwandlungen 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 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

11 XII 9.3 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 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

12 XIII 11 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, Werkstoffgruppen 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 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

13 XIV 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 Flüssigkeitseindringverfahren Magnetpulververfahren Wirbelstromverfahren Durchleuchtung mit Röntgen- und Gammastrahlen Ultraschallprüfung Schallemissionsanalyse Optische Holographie Ausgewählte Werkstoffsysteme mit besonderer Bedeutung für den Anwender Stähle Baustahl nicht zur Wärmebehandlung bestimmt Baustahl zur Wärmebehandlung bestimmt Nichtrostende Stähle Warmfeste Stähle Werkzeugstähle Gusseisen Aluminium und Alumiumlegierungen Aluminium-Knetlegierungen Aluminium-Gusslegierungen Magnesium und Magnesiumlegierungen Titan und Titanlegierungen Nickel und Nickellegierungen Kupfer und Kupferlegierungen Keramische Werkstoffe und Gläser Kunststoffe Thermoplastische Standardkunststoffe Faserverstärkte Kunststoffe Kunststoffschäume

14 XV Anhang A.1 Weiterführende und ergänzende Lehr- und Handbücher A.2 Fachzeitschriften A.3 Wichtige Werkstoffkenngrößen metallischer Elemente A.4 Kurzbezeichnungen für Werkstoffe Sachverzeichnis