E. Hornbogen. H. Warlimont Metallkunde

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1 E. Hornbogen. H. Warlimont Metallkunde

2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

3 E. Hornbogen. H. Warlimont Metallkunde Aufbau und Eigenschaften von Metallen und Legierungen Mit einem Beitrag von Th. Ricker 3. Auflage Mit 281 Abbildungen, Springer

4 Dr.-Ing. Erhard Hombogen Universitätsprofessor, Lehrstuhl Werkstoff wissenschaft Ruhr-Universität, Bochum Dr. rer. nato Hans Warlimont Apl. Professor, Technische Hochschule Darmstadt Metallgesellschaft AG, Frankfurt/Main ISBN Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Hornbogen, Erhard: Metallkunde: Autbau und Eigenschaften von Metallen und LegierungenJE. Hornbogen; H. Warlimont. Mit einem Beitrag von Th. Ricker Aufl. ISBN ISBN (ebook) DOI / NE: Warlimont, Hans: Dieses Werk ist urheberrechtlieh 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 vergütungsptlichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1996 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1996 Softcover reprint of the hardcover 3rd edition 1996 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch 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. 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 hinzuzuziehen. Satz: Macmillan India Ltd., Bangalore. SPIN: / Gedruckt auf säurefreiem Papier

5 Vorwort Da das Buch seit vielen Jahren vergriffen ist und ähnliche deutschsprachige Einführungen nicht erschienen sind, haben sich Autoren und Verlag zu einer Neuauflage entschlossen. Wir waren uns darüber einig, daß der Versuchung zu einer starken Erweiterung des Umfanges widerstanden werden sollte. Eine wichtige Eigenschaft des Buches, seine Kürze, sollte beibehalten werden. Deshalb erschien es sinnvoll, Form und Inhalt der ersten Auflage, soweit möglich, zu übernehmen. Natürlich mußten wichtige neue Erkenntnisse und Entwicklungen berücksichtigt werden. Auch erwies es sich als notwendig, die Kapitel der ersten Buchhälfte neu zu ordnen und einige Kapitel weitgehend zu ergänzen oder neu zu schreiben (Kap. 7, 8, 11, 13, 16, 18,20). Bei dieser Gelegenheit bedanken wir uns bei vielen Fachkollegen für hilfreiche Hinweise auf Fehler und Anregungen zu Ergänzungen. Dieses Buch hat in seiner ersten Auflage eine sehr positive Aufnahme gefunden. Aus dem geringen Umfang ließ sich nicht der Anspruch eines umfassenden Lehrbuchs der Metallkunde ableiten. Wir hatten uns nur das Ziel gesetzt, Studenten verschiedener Natur- und Ingenieurwissenschaften und denjenigen, die erst später im Beruf mit metallischen Werkstoffen zu tun haben, einen ersten kurzen, übersichtlichen Einblick in dieses Teilgebiet der Werkstoff wissenschaft anzubieten. Professor Werner Köster hatte uns vor vielen Jahren als junge Metallkundler am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart zum Schreiben dieses kleinen Buches ermutigt. Fast sieben Jahrzehnte lang, bis zu seinem Tode am 30. März 1989, hat er die deutsche Metallforschung wesentlich geprägt. Vielleicht regt dieses Buch dazu an, daß auch in Zukunft wichtige Beiträge zu Wissenschaft und Technik der Werkstoffe aus unserem Lande kommen. Wir widmen es dem Andenken an Werner Köster. Schließlich möchten wir E. Exner, Darmstadt, G. Gottstein, K. Lücke, Aachen, F. Haessner, Braunschweig, G. Inden, W. Pitsch, Düsseldorf, R. Wagner, Geesthacht, P. Wincierzt, Frankfurt/Main für Anregungen, die Überlassung wichtiger Daten oder kritische Durchsichten danken. Ebenso bedanken wir uns bei G. Reppel, Hanau und K. Schemme, Bochum sowie Gerlinde Erbe, Hanau und Gerlinde Fries, Bochum für ihre Hilfe bei der Durchsicht und Erstellung des Manuskriptes. Bochum/Freigericht Juli 1991 Erhard Hornbogen Hans Warlimont

6 Aus dem Vorwort zur ersten Auflage Die Metallkunde ist die Lehre von Aufbau und Eigenschaften der Metalle und Legierungen. Die allgemeine Metallkunde ist im Kern ein Teilgebiet der angewandten Physik mit tiefen Wurzeln in Teilen der physikalischen Chemie - nämlich der Lehre von den Phasengleichgewichten, der Reaktionskinetik und der Elektrochemie. In der angewandten Metallkunde werden die Erkenntnisse der allgemeinen Metallkunde auf Werkstoffkunde, Umformtechnik, Gießereitechnik, Oberflächenveredlung und andere Verfahren, Metalle zu bearbeiten, angewandt. Von der Metallkunde ist die Metallhüttenkunde zu unterscheiden, in der die Chemie und Technik der Metallgewinnung behandelt werden. Seit die allgemeine Metallkunde als festumrissenes Forschungsgebiet vor allem von Gustav Tammann ( in Göttingen) eingeführt wurde, hat sie sich zu einem umfangreichen Zweig naturwissenschaftlicher Forschung entwickelt. Dieses kleine Buch kann deshalb nicht einen vollständigen Überbiick über alle bisher in Metallen und Legierungen gefundenen Erscheinungen geben - es ist kein Lehrbuch der Metallkunde. Vielmehr soll es als erste Einführung sowohl in die allgemeine als auch in die angewandte Metallkunde dienen. Für den Leserkreis haben wir an alle diejenigen gedacht, die wissen möchten, womit sich die Metallkunde beschäftigt, an Metallkundler im Betrieb, deren Hochschulausbildung längere Zeit zurückliegt, an Festkörperphysiker, die sich in der rauhen Luft industrieller Laboratorien mit den komplexen Erscheinungen in metallischen Werkstoffen beschäftigen müssen, an Werkstoffingenieure, die etwas über physikalische Ursachen der Eigenschaften von Werkstoffen erfahren mächten, und an Studenten der Natur- und Ingenieurwissenschaften, die sich überlegen, ob sie einen Teil ihres Studiums der Metallkunde widmen sollen. Das Verständnis des Buches wird durch naturwissenschaftliche Kenntnisse, die etwa den Erfordernissen eines Vordiploms entsprechen, erleichtert. Die einzelnen Abschnitte sind möglichst so verfaßt worden, daß sie getrennt gelesen werden können. Begriffe, die in vorangehenden Kapiteln erläutert wurden, werden allerdings vorausgesetzt. Jedem Kapitel folgt eine Liste von Büchern, die das darin behandelte Teilgebiet ausführlicher darstellen. Die Auswahl und Anordnung des Stoffes in dieser kurzen Form war nicht leicht. Sicher wird man meinen, daß das eine order andere Teilgebiet zu knapp behandelt ist. Wir hoffen, daß in absehbarer Zeit wieder ausführlichere Lehrbücher der Metallkunde in deutscher Sprache erscheinen werden. Die Autoren sind für Kritik im Hinblick auf die Auswahl und Darstellung des Stoffes dankbar. Im Herbst 1966 E. Hornbogen H. Warlimont

7 Errata Korrekturen sind unterstrichen S.V S.22 S. 34 S.40 S.60 Vorwort, sechstletzte Zeile: P. Wincierrt Abb.3.2c: N = 12 Abschn. 3.6, 1. Zeile: Al + 12At.% Mn 3. Abs., 1. Zeile: Stoff menge. a- a-- a- 3. GleIchung: "2 [110] --+ "6 [121] + "6 [211] S.83 S.92 S.103 S. 122 S.138 S.139 S.140 S. 160 S. 169 S.170 S.172 letzte Zeile: (!fl)(m/at). 1 1 Vl V2 GleIchung 7.14b: - = L- = - +- (Teff (Ti (Tl (T2 drittletzte Zeile: Li 6. Zeile nach GI. 9.3: ~2S-1] 2. Zeile: (o2h/o'[2) Gleichung 1 0.4: AG~p =.rk AgMP + F K YMP + VK Ag~p 4. Zeile nach GI. 10.5: y~~koh ~ y~i!' + 2uv(b/a), wobei Uv die Versetzungsenergie (GI. 5.5) und a den Gitterparameter bedeuten Gleichung 10.7: AG~p =.rkagmp +... S.141 S. 145 S. 149 Abb g: anstelle von ß ist '1 zu setzen viertletzte Zeile: Guinier-Preston S.150 dritte Zeile vor GI : ch(t) S ch(t) - ch'tz GleIchung 10.14: X = 1-=- 10 1,tz CB - CB Abb.10.24: Fe-0,38 m-% C-5,0 m-% Ni-Legierung Abschnitt , Zeile 2: (Anode) Zeile 3: (Kathode) 3./4. Zeile: Gangunterschied 6. Zeile nach GI b: Streuamplituden

8 VIII Errata S.174 Gleichung 11.8: r = AdA =... S Zeile: Energieverlust von unelastisch gestreuten S. 181 vorletzte Zeile: konstante Steigung S Zeile: f streichen S /10. Zeile: Wechselverformung S. 232 vorletzte Zeile: kennzeichnend ist der ausgeprägte metastabile Austenitbereich letzte Zeile vor Abb : Abb S.237 Tabelle 15.1: Einfluß der elementaren Härtungsmechanismen auf die Streckgrenze S. 238 achtletzte Zeile: (Abb. 15.~ siebtletzte Zeile: (Abb. 15.1) letzte Zeile: (Abb.15.1) S Zeile: dk S.310 Abb.19.1: Teilbilder -bund -c sind zu vertauschen S Zeile: Abb. 20.7~ S.341 zehntletzte Zeile: Sie beträgt nm.

9 Inhalt 1 Allgemeiner Überblick Natur der Metalle Geschichte der Metalle Metalle als Werkstoffe Aufgaben der Metallkunde. 7 Literatur Übergang in den festen Zustand Aggregatzustände Übergang gasförmig zu kristallin Übergang flüssig zu kristallin Keimbildung Heterogene Keimbildung Stabile und instabile Grenzflächen Erstarrung in einer Form Einkristalle 18 Literatur Kristallstrukturen Bindung und Koordination Punkte, Richtungen und Ebenen. 3.3 Stereographische Projektion 3.4 Intermetallische Phasen. 3.5 Anisotropie Quasikristalline Phasen... Literatur Konstitution von Legierungen Grundlagen der heterogenen Gleichgewichte Mischkristalle, geordnete Atomverteilung, intermetallische Phasen. 4.3 Zweistoffsysteme Mehrstoffsysteme.. Literatur

10 X Inhalt 5 Gitterbaufehler 5.1 Überblick Leerstellen Versetzungen 5.4 Stapelfehler. 5.5 Korngrenzen Literatur... 6 Elektronen in Metallen 6.1 Modell freier Elektronen. 6.2 Bändermodell. 6.3 Leitfähigkeit Supraleitung Ferromagnetismus Literatur Physikalische Eigenschaften. 7.1 Gitterschwingungen und spezifische Wärme Wärmeausdehnung Elastische Eigenschaften Elektrische und Wärmeleitfähigkeit Physikalische Eigenschaften von Vielkristallen und Phasengemischen 90 Literatur Plastizität und Bruch. 8.1 Zugversuch Strukturabhängigkeit der plastischen Verformung. 8.3 Verformung von Ein- und Vielkristallen. 8.4 Zwillingsbildung Verformungstextur Kriechen, Superplastizität. 8.7 Bruch Wechselverformung, Ermüdung 8.9 Mischkristallhärtung. Literatur Thermisch aktivierte Reaktionen. 9.1 Aktivierungsenergie 9.2 Diffusion Erholung Spannungsrelaxation. 9.5 Rekristallisation Literatur

11 Inhalt XI 10 Strukturelle Phasenumwandlungen Umwandlungsarten Thermodynamische Grundlagen und Triebkräfte Teilvorgänge der Umwandlungen Umwandlungstypen Diskontinuierliche Umwandlungen Entmischungsreaktionen Allgemeine Umwandlung und Ausscheidung Ordnungsreaktionen Martensitische Umwandlungen Bainitische Umwandlungen. 160 Literatur Untersuchungsmethoden der Mikrostruktur Mikroskopische Methoden Lichtmikroskopie (LM) Rasterelektronenmikroskopie (REM) Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Feldionenmikroskopie (FIM) und Atomsondenspektroskopie Beugung von Röntgenstrahlen Elektronenbeugung Chemische Analyse der Gefügebestandteile Raster-Tunne1-Mikroskopie Makroskopische Methoden Physikaische Analyse Thermochemische Analyse. 180 Literatur Erstarrung flüssiger Legierungen - Gußwerkstoffe Metallschmelzen Bildung von Mischkristallen Eutektische Erstarrung Seigerung Gußlegierungen Gießtechnik... Literatur Umformung und Werkstoffprüfung Einfluß von Gefüge, Temperatur und Verformungsgeschwindigkeit Mechanik der Umformung Umformverfahren Werkstoffprüfverfahren Kaltverfestigte Werkstoffe. 216 Literatur

12 XII Inhalt 14 Aufbau, Umwandlungen und Eigenschaften der Stähle Legierungsgruppen und Gleichgewichtssysteme Umwandlungen, Gefüge, mechanische Eigenschaften Stahlsorten Literatur Teilchengehärtete Legierungen Gefügeabhängige Eigenschaften Härtungsmechanismen Wechselwirkung von Versetzungen mit Teilchen Ausscheidungsgefüge Aushärtbare Aluminiumlegierungen Weitere aushärtende Nichteisenmetall-Legierungen Besonderheiten der Eisenlegierungen und Stähle Dispersionshärtung Warmfeste Legierungen Literatur Oberflächen, Korrosion und Verschleiß Oberfiächenenergie, Adsorption und Adhäsion Korrosion Chemisch beständige Stähle Korrosionsschutz, Verzunderung Reibung and Verschleiß Literatur Pulvermetallurgie Umgehung des flüssigen Zustands Pulvermetallurgische Verfahren Sintertheorie Anwendungen der Pulvermetallurgie Literatur Magnetische Werkstoffe Ferromagnetische Phasen Magnetische Kenngrößen Physikalische und metallkundliche Grundlagen Weichmagnetische Werkstoffe Hartmagnetische Werkstoffe Besondere Werkstoffeigenschaften durch magnetische Anomalien Eigenschaftsverbesserungen bei Magnetwerkstoffen Literatur

13 Inhalt XIII 19 Metalle und Strahlung Strahlenschäden Reaktorwerkstoffe Metallkunde des Urans Ionenimplantation... Literatur Ausgewählte Spezialgebiete der Metallkunde Die drei Werkstoffgruppen und Werkstoffverbunde Drei Werkstoffgruppen und leitende Nichtmetalle Beispiele für Verbundwerkstoffe Amorphe Metalle Herstellung, Zusammensetzung, Struktur Beziehungen zwischen Struktur und Eigenschaften Anwendung amorpher Metalle Legierungen mit Formgedächtnis Technische Supraleiter Grundlagen technischer Supraleiter Nb-Ti-Supraleiter Nb 3Sn-Supraleiter Weitere Supraleiter und konkurrierende Werkstoffe Literatur Sachverzeichnis