Übungsbuch Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies E-Book

Rainer Schwab

• Herausgeber: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: ...für Dummies
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 433

Veröffentlichungsjahr: 2020

Beschreibung

Kristallgitter, Zustandsdiagramme, Wärmebehandlung, Stähle, Nichteisenmetalle, Kunststoffe und Hochleistungskeramiken. Die Werkstoffkunde und die Werkstoffprüfung sind vielseitig und anspruchsvoll. Passgenau auf den Bestseller "Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies" abgestimmt, üben Sie die wichtigen und schwierigen Themen. In bewährter Weise führt Sie Rainer Schwab durch ein intensives Training. Mit einfachen Aufwärmübungen legen Sie los und steigern sich dann Schritt für Schritt zu immer anspruchsvolleren Aufgaben. Mit fast 400 konkreten Fragestellungen samt ausführlichen Lösungen festigen Sie Ihr Wissen, viele Abbildungen sowie über 500 Ankreuzaufgaben helfen Ihnen dabei. Sie gewinnen Sicherheit in den wichtigen Grundlagen und legen damit die Basis für eine erfolgreiche Prüfung.

Leseprobe

Übungsbuch Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies

Schummelseite

BINDUNGEN UND KRISTALLE

Bindung = stabiler Gleichgewichtszustand aus anziehenden und abstoßenden Kräften zwischen benachbarten Atomen; Auswirkung auf Eigenschaften eines WerkstoffsWichtigste Kristallgitter: kubisch-flächenzentriertes (Cu, Al, Ni, …), kubisch-raumzentriertes (Fe, Cr, …) und hexagonal dichtest gepacktes (Zn, Mg, …)Polymorphie = Abhängigkeit der Kristallstruktur von Temperatur und Druck, Eisen ist wichtigstes BeispielKristallbaufehler gibt es punktförmig (Leerstellen, Zwischengitteratome, Substitutionsatome), linienförmig (Versetzungen), flächenhaft (Korngrenzen, Stapelfehler, Zwillingskorngrenzen)Werkstoffe sind meist vielkristallin, wenige amorph, selten einkristallin

EIGENSCHAFTEN

Wärmeausdehnung: Elektrischer Stromfluss: Wärmeleitung: Hookesches Gesetz:

THERMISCH AKTIVIERTE VORGäNGE

Geschwindigkeit thermisch aktivierter Vorgänge ist abhängig von Aktivierungsenergie Q und Temperatur T: Diffusion ist thermische Bewegung von Atomen/Teilchen, Zwischengittermechanismus und Leerstellenmechanismus in KristallenRekristallisation: völlige Gefügeneubildung durch Glühen nach vorangegangener plastischer VerformungKriechen: zeitabhängige plastische Verformung eines Werkstoffs unter konstanter LastSpannungsrelaxation: zeitabhängige Abnahme der Spannung bei konstant gehaltener Gesamtverformung

ZUSTANDSDIAGRAMME

Völlige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand bei ähnlichem Atomdurchmesser, gleichem Kristallgitter und ähnlichen chemischen Eigenschaften; führt zu LinsendiagrammVöllige Löslichkeit im flüssigen, teilweise Löslichkeit im festen Zustand bei Unterschieden in Atomdurchmesser, Kristallgitter und chemischem Verhalten; führt zu EutektikumHebelgesetz gibt Mengenverhältnisse von Phasen in Zweiphasengebiet an

EISEN-KOHLENSTOFF-ZUSTANDSDIAGRAMM

Ferrit kann nur wenig Kohlenstoff lösen, Austenit vielZementit: Verbindung Fe3C, 6,7 % C, silbrig, hart, sprödeIm stabilen Legierungssystem Eisen-Kohlenstoff tritt der nicht gelöste Kohlenstoff als Grafit auf, im metastabilen als ZementitZustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff besteht aus Linsendiagramm, Peritektikum, Eutektikum und EutektoidTypische Gefüge nach langsamer Abkühlung: Ferrit bei 0 % C, Perlit (Ferrit und Zementit) bei 0,8 % C

ZUGVERSUCH

Kurzer Proportionalstab: L0 = 5·d0 bei Rundprobe; auch Flachprobe sinnvollStreckgrenze ReH: größte elastisch ertragbare SpannungDehngrenze Rp0,2: Spannung, die 0,2 % bleibende Dehnung verursachtZugfestigkeit Rm: größte Spannung im ZugversuchGleichmaßdehnung Ag: größtmögliche plastische Dehnung ohne lokale EinschnürungBruchdehnung A5: plastische Dehnung beim Bruch am kurzen ProportionalstabBrucheinschnürung Z: prozentuale Verminderung der Querschnittsfläche an der Bruchstelle gegenüber der ursprünglichen Querschnittsfläche

HÄRTEPRÜFUNG

Nach Brinell mit Hartmetallkugel, Durchmesser des Eindrucks gemessen, HBW = F/ANach Vickers mit vierseitiger Diamantpyramide, Diagonalen des Eindrucks gemessen, HV = F/ANach Rockwell mit Diamantkegel oder Hartmetallkugel, Eindringtiefe gemessen, HRC = (0,2 – e)500, e in mm

KERBSCHLAGBIEGEVERSUCH

Zäher Werkstoff ist sicher: wegen Warnung vor Bruch, nimmt viel Energie auf, keine scharfkantigen EinzelbruchstückeEinflüsse auf Zähigkeit: Werkstoff, Temperatur, Spannungszustand, Beanspruchungsgeschwindigkeit; Kerbschlagbiegeversuch prüft Zähigkeit unter schlimmstmöglichen UmständenWerkstoffe mit krz-Struktur haben Zäh-Spröd-Übergang, solche mit kfz-Struktur nicht

SCHWINGFESTIGKEITSPRÜFUNG

Schwingbeanspruchung (Vorsicht beim Begriff) tut dem Werkstoff meist mehr »weh« als ruhende/statische LastOberspannung, Unterspannung, Mittelspannung, Spannungsausschlag und Lastspiel sind wichtige GrößenWöhlerkurve: Spannungsausschlag vorgegeben und nach oben aufgetragen, Bruchlastspielzahl nach rechtsÜbliche Baustähle mit krz-Gitter haben »echte« Dauerfestigkeit, Aluminium mit kfz-Struktur hat keine

METALLOGRAFIE

Makroskopische Verfahren über große Bereiche, Ätzen macht Schweißnähte oder gehärtete Zonen sichtbarMikroskopische Verfahren: besonders gute Präparation nötig, Ätzen (Korngrenzen, Kornflächen) macht den Gefügeaufbau sichtbar, Lichtmikroskop begrenzt durch Wellenlänge des LichtsElektronenmikroskopie erlaubt höhere Vergrößerungen und chemische Analyse

ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG

Farbeindringprüfung nutzt Kapillareffekt; für alle Werkstoffe, aber nur für Fehler, die an Oberflächen grenzenMagnetpulverprüfung nutzt Streufelder an Fehlern in Oberflächennähe bei magnetisierten Proben, sichtbar gemacht mit Magnetpulveraufschlämmung; Werkstoff muss ferromagnetisch sein, Magnetisierungsrichtung wichtigWirbelstromprüfung nutzt elektromagnetische Induktion und Wirbelströme; Stromrichtung/Fehlerlage wichtigUltraschallprüfung nutzt Ultraschallwellen, piezoelektrisch erzeugt und registriert; Durchschallungs- und Impuls-Echo-Methode, Einschallrichtung/Fehlerlage wichtigRöntgen- und Gammastrahlenprüfung nutzen die Absorption elektromagnetischer Strahlen durch Werkstoff; Einstrahlrichtung/Fehlerlage wichtig

STAHLHERSTELLUNG

Erz (enthält Eisen), Koks (Reduktionsmittel) und Zuschläge (für Schlacke) sind die wichtigsten Ausgangsstoffe beim Hochofen; Roheisen entstehtUnerwünschte Elemente im Roheisen werden mit Sauerstoff oxidiert und entfernt; Sauerstoffaufblasverfahren nutzt vorwiegend flüssiges Roheisen, das Elektrostahlverfahren vorwiegend Schrott/EisenschwammNachbehandlungen verbessern Stahlqualität, wichtig ist das Beruhigen (Entfernen von Sauerstoff und Stickstoff), wirkt gegen das Altern

BEZEICHNUNG DER EISENWERKSTOFFE

Kurznamen enthalten einen Hinweis auf Verwendung und Eigenschaften oder chemische Zusammensetzung, Name verschieden aufgebautWerkstoffnummern immer gleich, kurz, knackig, aber man sieht ihnen nicht viel an

WÄRMEBEHANDLUNG DER STÄHLE

Glühbehandlungen: Normalglühen setzt den Stahl in seinen »normalen«, feinkörnigen, guten Zustand zurück; Weichglühen erniedrigt Härte durch kugelige Karbide, Spannungsarmglühen reduziert die EigenspannungenHärten durch Austenitisieren und ausreichend schnelles Abkühlen, unlegierte Stähle müssen schnell abgeschreckt werden, bei legierten reicht langsamere AbkühlungVergüten ist Härten mit nachfolgendem Anlassen (Wiedererwärmen), optimale Kombination aus Festigkeit und ZähigkeitRandschichthärten nutzt günstige Verschleißeigenschaften und gute Festigkeit der Randschicht in Verbindung mit zähem Kern

STAHLGRUPPEN

Unlegierte Baustähle: einfach, weitgehend problemlos, kostengünstig, meist nicht so super festFeinkornbaustähle sind durch feines Korn fester und/oder zäher als normale Baustähle, überwiegend gut schweißgeeignetVergütungsstähle sind gehärtet und angelassen, hochfest bei guter ZähigkeitWarmfeste Stähle: verbesserte Festigkeit bei hohen TemperaturenHitzebeständige Stähle: gute Oxidationsbeständigkeit durch Cr, Al, SiKaltzähe Stähle haben verbesserte Zähigkeit, insbesondere Kerbschlagarbeit, bei tiefen TemperaturenRostbeständige Stähle enthalten mindestens 12 % Cr und noch andere Elemente; ferritische Stähle haben krz-Gitter, preisgünstig, nicht so gute Zähigkeit; martensitische Stähle sind gehärtet, austenitische Stähle haben kfz-Gitter durch hohen Ni-Gehalt, sehr zäh; austenitisch-ferritische Sorten weisen krz- und kfz-Kristalle nebeneinander auf; bei allen Stählen spezifische Korrosionsarten beachtenWerkzeugstähle unterscheiden sich in Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit; werden eingeteilt in Kalt-, Warm- und Schnellarbeitsstähle

EISENGUSSWERKSTOFFE

Stahlguss ist in Formen gegossener Stahl, der nicht mehr umgeformt wird; un-, niedrig- und hochlegiert möglichGusseisen enthält mehr als 2 % C; Hartguss hart und spröde, meist Schalenhartguss; Gusseisen (Grauguss) mit Lamellengrafit relativ spröde; Gusseisen (Grauguss) mit Kugelgrafit relativ zäh; Temperguss ist geglühter Hartguss, auch relativ zäh

NICHTEISENMETALLE

Aluminium hat interessante physikalische Eigenschaften, in reiner Form niedrigfest und sehr zäh; Festigkeitssteigerung wichtig, Ausscheidungshärtung wichtigste Maßnahme, besteht aus Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern; Knet- und GusslegierungenKupfer ist sehr guter Strom- und Wärmeleiter, kann Wasserstoffkrankheit aufweisen, korrosionsfeste Legierungen

GLÄSER UND KERAMIKEN

Alle amorphen Werkstoffe sind Gläser; in metallische, anorganische und Kunststoffgläser unterschiedenHochleistungskeramiken durch Sintern hergestellt, in Oxid- und Nichtoxidkeramiken unterschieden; hart, kaum plastisch verformungsfähig, hoher E-Modul, teils niedrige Dichte, warmfest, hitzebeständig, überwiegend korrosions- und verschleißbeständigHartmetalle sind Verbund aus Hartstoff und Bindemetall mit interessantem Kompromiss zwischen Keramik und Metall

KUNSTSTOFFE

Kunststoff = Polymer, Herstellung durch Polymerisation, in Additions- und Kondensationspolymerisation unterschiedenAmorphe Thermoplaste haben nur durch NVB zusammengehaltene Kettenmoleküle, Glas-, weichelastischer und plastischer Zustand treten aufTeilkristalline Thermoplaste ähnlich, enthalten Bereiche mit kristallinen, regelmäßig angeordneten Molekülketten, Glas-, zähelastischer und plastischer Zustand treten aufElastomere sind weitmaschig vernetzte Kunststoffe, durch NVB und HVB zusammengehalten, Gummisorten mit Glas- und weichelastischem ZustandDuroplaste sind engmaschig vernetzte Kunststoffe, fast nur durch HVB zusammengehalten, immer Glaszustand

Übungsbuch Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

2. Auflage 2020

© 2020 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. All rights reserved.

Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks and trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.

Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Print ISBN: 978-3-527-71743-9

ePub ISBN: 978-3-527-82744-2

Über die Autor

Prof. Dr.-Ing. Rainer Schwab studierte in den 1970er Jahren Metallkunde (heute heißt es Materialwissenschaften) an den Universitäten Stuttgart und Birmingham/UK. Die folgende neunjährige Tätigkeit an der Materialprüfungsanstalt Stuttgart führte ihn vom Wissenschaftlichen Mitarbeiter über Promotion und verschiedene Forschungs- und Entwicklungsprojekte hin zum Neuaufbau der Abteilung Schweißtechnik.

Anschließend war er 32 Jahre lang Professor an der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft, vormals Fachhochschule Karlsruhe. Anfangs lag der Schwerpunkt der Lehre auf Festigkeitslehre und Fertigungstechnik, später auf Werkstoffkunde, Werkstoffprüfung und Hochleistungswerkstoffen. Für sein hohes Engagement und seine Erfolge in der Lehre erhielt er mehrere Preise, unter anderem den Lehrpreis des Landes Baden-Württemberg.

Der Autor stellt sein gesamtes Buchhonorar der Stiftung »Verbund der Stifter an der Hochschule Karlsruhe« zur Verfügung. Hiermit kommt sein Honorar vollständig Studierenden zugute.

Danksagung

Ein herzliches, ganz liebes Dankeschön geht wieder an meine Frau Ursel. Sie hat mich während der sehr intensiven Zeit des Schreibens zusätzlich zu Ihrer eigenen Berufstätigkeit unermüdlich unterstützt, ermutigt und von vielen Arbeiten freigehalten. Betonen möchte ich auch die angenehme Zusammenarbeit mit dem Wiley-Verlag, insbesondere mit Herrn Marcel Ferner.

Inhaltsverzeichnis

Cover

Über die Autor

Danksagung

Einleitung

Über dieses Buch

Konventionen in diesem Buch

Törichte Annahmen über den Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Filme, die es zu diesem Buch gibt

Los geht's

TEIL I: Ausgewählte Grundlagen für ein solides Fundament

Kapitel 1: Aufgaben rund um Atome, Bindungen und Kristalle

Von Atomen, ihren Bindungen und ihrer Anordnung

Die Kristalle, ihre Baufehler, und was diese in der Praxis so anrichten

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 2: Rechnen Sie mit den Eigenschaften der Werkstoffe

Die Werkstoffe dehnen sich mit der Temperatur aus

Die Werkstoffe leiten den Strom und die Wärme

Die Werkstoffe verformen sich elastisch und plastisch

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 3: Üben Sie die thermisch aktivierten Vorgänge

Ein paar Aufwärmübungen vorneweg

Lassen Sie die Atome wandern und den Werkstoff rekristallisieren

Mit Kriechen und Spannungsrelaxation rechnen

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 4: Legierungsbildung und Zustandsdiagramme, berühmt, berüchtigt, gefürchtet

Ein paar Lockerungsübungen zum Auftakt

Und hier geht's zur Sache

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 5: Das berühmte Legierungssystem Eisen-Kohlenstoff

Rund um Eisen und Kohlenstoff

Jetzt geht es auch hier zur Sache

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

TEIL II: Die wichtigsten Methoden der Werkstoffprüfung

Kapitel 6: Nehmen Sie den Zugversuch nicht auf die leichte Schulter

Richtig vorbereitet ist halb geprüft

Vorgeplänkel, das es in sich hat

Werkstoffe mit ausgeprägter Streckgrenze

Werkstoffe ohne ausgeprägte Streckgrenze

Das Finale

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 7: Die Härteprüfung meistern

Das Wesen der Härte

Härteprüfung nach Brinell

Härteprüfung nach Vickers

Härteprüfung nach Rockwell

Kreuz und quer über alle Härteprüfverfahren

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 8: Brutal, brutaler, Kerbschlagbiegeprüfung

Was man eigentlich prüft

Rund um Probe, Versuchseinrichtung und -durchführung

Werkstoff, Temperatur und Kerbschlagarbeit

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 9: Die Schwingfestigkeitsprüfung

Das Phänomen und das Problem mit dem Namen

Ohne die wichtigsten Grundbegriffe geht es wieder einmal nicht

Wöhlerkurve und Dauerfestigkeit

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 10: Der Zauber der Metallografie

Um was es sich bei der Metallografie überhaupt handelt

Makroskopische Verfahren und was man damit sieht

Die zauberhafte Welt der Mikroskopie

Rasterelektronenmikroskopie und Co.

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 11: Zerstörungsfrei üben

Auftaktphilosophie

Die Farbeindringprüfung

Die Magnetpulverprüfung

Die Wirbelstromprüfung

Die Ultraschallprüfung

Die Strahlenverfahren

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

TEIL III: Und ewig lockt das Eisen

Kapitel 12: Der Weg vom Erz zum Stahl

Gleich zur Sache

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 13: Von Namen und Nummern

Zur Systematik der Werkstoffbezeichnungen

Namen analysieren

Namen synthetisieren

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 14: Das harte Training der Wärmebehandlung

Kurzes Warmlaufen als Auftakt

Die berühmten Glühbehandlungen

Rund ums Härten

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 15: Die unendliche Vielfalt der Stahlgruppen

Über Gewürze und Zutaten im Stahl

Die bodenständigen unlegierten Baustähle

Die Raffinesse der Feinkornbaustähle

Die leistungsfähigen Vergütungsstähle

Die Grundsätze der warmfesten und hitzebeständigen Stähle

Der Stahl, der aus der Kälte kam

Die nichtrostenden Stähle und warum sie manchmal doch korrodieren

Was in den Werkzeugstählen steckt

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 16: Auch die Eisengusswerkstoffe haben es in sich

Der Überblick

Mit Stahlguss geht es los

Das Gusseisen mit seinen Varianten

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

TEIL IV: Jenseits von Eisen

Kapitel 17: Die Nichteisenmetalle

Auch die Nichteisenmetalle bezeichnet man sinnvoll

Rund ums Aluminium

Das bunte Kupfer

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 18: Anorganische nichtmetallische Werkstoffe

Bei den Gläsern durchblicken

Von der antiken Vase bis zum Hochleistungswerkstoff: die Keramiken

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Kapitel 19: Die Kunststoffe

Rund um Definition und Herstellung

Übungen zu Aufbau, Eigenschaften und Verarbeitung

Richtig oder nicht richtig

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

TEIL V: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 20: Zehn Tipps zum Lösen von Aufgaben

Rechtzeitig anfangen

Wie Sie mit dem Spicken umgehen

Legen Sie beim Rechnen richtig los

Vom passenden Umgang mit Gleichungen

Die Sache mit den Einheiten

Wer misst, misst Mist

Zur (ungeschlechtlichen) Fortpflanzung der Fehler

Das Endergebnis ist nicht ganz harmlos

Ein Bild sagt mehr als tausend Worte

Richtig dargestellt ist halb gewonnen

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Orientierungspunkte

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Inhaltsverzeichnis

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Einleitung

»Üben, üben, üben« ist einer meiner zehn Tipps im Buch »Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies«. Er ist ehrlich gemeint und wichtig, so wie die restlichen neun Tipps auch. Wenn ich mich aber an der eigenen Nase fasse, so muss ich zugeben, dass ich ihn selbst nicht konsequent verwirklicht habe. Denn außer einigen Beispielen finden sich in diesem Buch keine Übungsaufgaben. Der Grund hierfür ist der ganz bewusst und völlig zu Recht begrenzte Umfang der Bücher in der Dummies-Reihe.

Eine Alternative wäre gewesen, eine kleine Zahl von Übungsaufgaben noch mit unterzubringen, noch mit ins Buch zu quetschen. Das hätte aber bedeutet, dass ich noch mehr hätte weglassen müssen als ich ohnehin schon weggelassen habe. Und das wäre auf Kosten des ausführlichen Erklärens gegangen.

Besser erscheint es mir, zusätzlich noch ein Übungsbuch anzubieten. Auch das ist ein Kompromiss, wie halt so oft im Leben, aber einer, mit dem ich leben kann. Und hoffentlich viele andere Leute auch.

Schaut man sich den deutschsprachigen Markt für Bücher mit Übungen in Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung an, so findet man vergleichsweise wenige Werke. Obwohl es also nicht so viele Übungsbücher in deutscher Sprache gibt, ist doch das eine oder andere bemerkenswerte darunter. Warum nun ein extra Buch?

Über dieses Buch

Auch bei diesem Buch ist es mein Ehrgeiz, Ihnen das Thema Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung ein wenig schmackhaft zu machen. Und das ist kein leichtes Unterfangen. Erstens gilt das Thema der Werkstoffkunde mitsamt der Werkstoffprüfung nicht als das allerprickelndste. Meines Erachtens nach ziemlich zu Unrecht, denn das Thema ist viel interessanter als man gemeinhin glaubt. Zweitens sind viele Bücher zu diesem Thema trocken-wissenschaftlich formuliert. Wenn ich Ihnen nun versichere, dass dies sehr wohl seine Vorzüge hat, so ist Ihnen das vermutlich nur ein schwacher Trost, insbesondere dann, wenn Sie noch am Anfang Ihres Studiums sind oder noch wenige Vorkenntnisse haben.

Und jetzt auch noch Übungen. Auch die klingen nicht sonderlich »sexy«, irgendwie eher nach Arbeit, Schweiß und Mühsal. Leider kann ich Sie nicht vollständig davon erlösen, ein gerüttelt Maß Anstrengung wartet da auf Sie, und das ist auch gut so. Was ich aber tun kann: Zum einen werde ich versuchen, die Aufgaben so gut wie irgend möglich auszuwählen und Ihnen dann auch zu erklären. Das beginnt mit einfachen Aufwärmübungen, wie beim Sport, dann geht es zu den etwas kniffeligeren Aufgaben und endet mit der einen oder anderen harten Nuss. Zum anderen möchte ich Ihnen das Ganze in lockerem Stil, mit menschlichen Regungen und auch etwas Humor präsentieren. »Digital« zu beantwortende Fragen runden die Kapitel ab. Digital deswegen, weil sie mit einem »Richtig« oder »Nicht richtig« zu beantworten sind.

Viele Leute glauben nun, bei der Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung sei nur einfach alles auswendig zu lernen, dann passt das schon. Das ist auch nicht völlig daneben, das gehört auch dazu. Aber eben nur auch. Was mir viel wichtiger erscheint, sind die Grundlagen. Genau daran hapert es in vielen Fällen. Und wenn man die Grundlagen nicht versteht, dann versteht man auch die inneren Zusammenhänge nicht und so manche Fehlentscheidung in der Praxis hat hier ihre Ursache.

Der Schwerpunkt der Übungsaufgaben in diesem Buch ist nun ganz bewusst auf diese Grundlagen ausgerichtet. Dabei gibt es Themen, bei denen die Grundlagen eher leichter fallen. Diese Themen bringe ich auch, aber nicht vorrangig. Worauf ich dann ziemlich »herumreite«, sind die schwierigeren Grundlagen, auch diejenigen, die erfahrungsgemäß auf die leichte Schulter genommen werden. Manche dieser Fragestellungen sind in der Literatur nur wenig oder auch gar nicht behandelt. Diese Lücke möchte ich schließen. Ob mir das alles gelingt, das müssen Sie beurteilen, in jedem Fall bemühe ich mich nach Kräften und gebe mein Bestes.

Ausgelegt und abgestimmt ist dieses Buch auf die »Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies«, im Folgenden einfach »Hauptbuch« genannt. Natürlich ist es sinnvoll, wenn Sie das Hauptbuch zuvor lesen. Die Hauptkapitelnummern sind die gleichen, manchmal beziehe ich mich einfach auf das Hauptbuch, um den Umfang im Zaum zu halten. Da und dort könnte es aber auch möglich sein, ohne das Hauptbuch auszukommen, entscheiden Sie selbst.

Nicht alles, was Sie hier lesen, ist ganz richtig. Das liegt teilweise daran, dass ich schwierige Sachverhalte vereinfache, was schon einmal auf Kosten der wissenschaftlichen Genauigkeit geht. Ich mache das trotzdem, denn sonst sind manche Themen einfach zu schwer verständlich. Mit Sicherheit liegt es aber auch an mir selbst, ich bin auch nur ein Mensch und mache Fehler. Manche dieser Fehler sind mir trotz besseren Wissens unabsichtlich hineingerutscht, andere wiederum liegen schlicht daran, dass ich es nicht besser weiß.

Wenn Ihnen nun dieses Buch gefällt, freue ich mich über eine aufmunternde Rückmeldung, die nach all der Mühe auch guttut. Und wenn Ihnen etwas oder auch das ganze Buch nicht zusagt oder Ihnen Fehler auffallen: Ich habe immer ein offenes Ohr und bin für Kritik dankbar.

Konventionen in diesem Buch

Es gibt nicht viele Regeln in diesem Buch, die Sie kennen müssen, um loszulegen. Fast schon selbsterklärende Symbole weisen auf bedeutende Punkte hin. Wichtige Begriffe sind kursiv gedruckt, insbesondere, wenn ich sie erstmals verwende, Betonungen finden Sie in fetter Schrift.

Törichte Annahmen über den Leser

Das Buch richtet sich in erster Linie an Studierende der Fachrichtungen Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Verfahrenstechnik, Chemieingenieurwesen, Wirtschaftsingenieurwesen, Bauwesen oder Mechatronik, bei denen die Werkstoffkunde einen Teil des Studiums darstellt. Aber auch für Studierende der Werkstoffwissenschaften könnte es eine Hinführung sein. Natürlich denke ich auch an all die Leute, die voll im Berufsleben stecken und erstmals oder wieder mit Werkstoffen zu tun haben. Alle Aspekte der Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung sind nicht enthalten, das geht schon vom Umfang her nicht, aber viele wichtige, grundlegende und praxisnahe.

Was Sie also an Vorwissen mitbringen sollten, ist die normale Schulbildung, die den Zugang zu den verschiedenen Hochschulen ermöglicht. Die wesentlichen Grundlagen der Physik (Einheiten, Kraft, Energie, Temperatur, Atomaufbau), Chemie (Elemente, Verbindungen) und Mathematik sind hilfreich, den Rest erkläre ich Ihnen dann an der jeweiligen Stelle.

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Dieses Buch ist in fünf Teile unterschiedlichen Umfangs gegliedert. Die Teile I bis IV sollten Sie vorrangig in dieser Reihenfolge bearbeiten. Das sind die Hauptteile, sie bauen überwiegend aufeinander auf. Ansonsten aber bemühe ich mich, alle Teile und auch die Unterkapitel so gut es geht eigenständig zu gestalten, so dass Sie ruhig auch einmal gezielt in ein bestimmtes Kapitel springen können.

Und starten, ja starten sollten Sie mit dem Teil V. Das ist der Top-Ten-Teil, eine schöne Tradition in der Dummies-Reihe. Eigentlich hätte ich diesen Teil gerne ganz vorne im Buch gehabt, denn hier möchte ich Ihnen zehn wichtige Tipps zum Lösen von Übungsaufgaben mitgeben, und die sollte man von Anfang an beherzigen. Der Tradition nach sitzt er aber ganz hinten im Buch, und an schönen Traditionen soll man nicht rühren.

Teil I: Ausgewählte Grundlagen für ein solides Fundament

Ein wirkliches Verständnis der Werkstoffe erhalten Sie erst, wenn Sie sich mit einigen ausgewählten Grundlagen befassen – und die natürlich üben. Das ist ein wichtiger Teil, und kein leichter! Es sind genau diejenigen Grundlagen, die zum (teilweise) schlechten Ansehen der Werkstoffkunde unter den Studierenden geführt haben. Nur Mut, Sie werden sehen, dass so manche Grundlagen nach dem Üben gar nicht mehr so wild sind. Die meisten Grundprinzipien, nach denen die Natur tickt, sind richtig einfach. Vieles ist logisch, hochinteressant, hat menschliche Züge und oft auch philosophischen Charakter.

Teil II: Die wichtigsten Methoden der Werkstoffprüfung

Vom Zugversuch bis zur zerstörungsfreien Prüfung trainieren Sie die sechs wichtigsten Arten der Werkstoffprüfung. Und das lohnt sich, denn die Werkstoffprüfung begegnet Ihnen auf Schritt und Tritt in der Praxis. Auch für das Verständnis der nachfolgenden Kapitel sind die Kenntnisse darüber Gold wert.

Teil III: Und ewig lockt das Eisen

Dass die Eisenwerkstoffe in unserem heutigen Leben eine große Rolle spielen, brauche ich nicht groß zu betonen. Dass sie aber auch in Zukunft noch ganz vorne mitmischen, darauf würde ich eine hohe Wette eingehen. Herstellung, Bezeichnung, Wärmebehandlung und natürlich die konkreten Sorten in der Praxis: Zu diesen Themen gibt es Übungen. Und ich verspreche Ihnen: Die Mühe ist nicht vergebens.

Teil IV: Jenseits von Eisen

Falls Sie die vorangegangenen Kapitel ordentlich trainiert haben, dann wird Ihnen der Teil IV keine große Mühe mehr bereiten. Um die Nichteisenmetalle, Gläser, Keramiken und einen Ausblick auf die Kunststoffe geht es hier. Viele Aspekte sind ganz ähnlich wie bei den Eisenwerkstoffen, packen Sie's an.

Teil V: Der Top-Ten-Teil

In diesem schönen traditionellen Teil möchte ich Ihnen zehn wichtige Tipps zum Lösen von Übungsaufgaben vorstellen. Und damit Sie die gleich von Anfang an kennen, ist es ideal, wenn Sie mit diesem Teil beginnen.

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

In diesem Buch finden Sie drei Symbole, die Ihnen das Lesen erleichtern. Und das bedeuten sie:

Merken lohnt sich. Besonders wichtige Grundsätze sind hier hervorgehoben, und wo nötig auch als Erinnerung verwendet.

Ein Tipp für Sie. An dieser Stelle erhalten Sie Informationen, die das Leben erleichtern.

Vorsicht. Passen Sie auf, hier könnte etwas schief gehen.

Filme, die es zu diesem Buch gibt

Passend zu diesem Buch finden Sie eine Reihe von Filmen im Internet unter http://www.youtube.com/user/RainerSchwab. Und wenn Sie sich das in englischer Sprache zutrauen oder ein wenig Werkstoffkunde-Englisch üben wollen, sehen Sie unter http://www.youtube.com/user/MaterialsScience2000 nach.

Falls Sie unter diesen Adressen doch nicht fündig werden, schauen Sie sich ein wenig um, Sie kommen dann an anderer Stelle an die Videos.

Los geht's

Gleich beginnt das erste Kapitel. Da geht es um die Atome in den Werkstoffen, wie sie sich binden, sich anordnen und welche Auswirkungen das in der Praxis hat. Krempeln Sie die Ärmel hoch.

Teil I

Ausgewählte Grundlagen für ein solides Fundament

IN DIESEM TEIL …

In Teil I üben Sie ausgewählte Grundlagen. Genau diejenigen Grundlagen, die dann später so entscheidend sind für ein grundlegendes Verständnis der Werkstoffe. Rund um Atome, Bindungen und Kristalle gehen die Übungsaufgaben im ersten Kapitel. Dann lernen Sie einige Eigenschaften der Werkstoffe etwas näher kennen, indem Sie einfach mal eine Reihe von Aufgaben dazu rechnen. Natürlich geht's bei den thermisch aktivierten Vorgängen heiß her, aber nach den Übungsaufgaben werden Sie sich nicht mehr die Finger daran verbrennen. Und die berühmt-berüchtigten Zustandsdiagramme brauchen Sie nach diesen Übungen auch nicht mehr zu schrecken. Ich habe allerhand auf Lager.

Kapitel 1

Aufgaben rund um Atome, Bindungen und Kristalle

IN DIESEM KAPITEL

Wie sich Atome bindenWelche Kristallarten es gibt und wie sie sich ändern könnenDie Kristallbaufehler und ihre Folgen

Die Atome, aus denen die Werkstoffe bestehen, legen mit ihrem Charakter und ihren Eigenschaften alles fest, was einen Werkstoff so ausmacht. Wie die Atome sich untereinander binden, wie sie sich anordnen, welche Eigenschaften der Werkstoff dann insgesamt hat, welche Vorzüge und Marotten er in der Praxis zeigt, und vieles andere resultiert daraus. Die folgenden Aufgaben decken natürlich nicht alles ab, das wäre vermessen, aber ein paar wichtige Aspekte, die bei den Werkstoffen in der Praxis eine große Rolle spielen.

Zunächst geht es ganz vorsichtig mit den Atomen los. Die ersten Aufgaben sind nicht allzu schwer, sie dienen zum »Aufwärmen«. So nach und nach wird es dann anspruchsvoller.

Von Atomen, ihren Bindungen und ihrer Anordnung

Aufgabe 1

Wie sind die Atome in ihrem Inneren aufgebaut? Gehen Sie nur ganz grob darauf ein, die detaillierte Beschreibung überlassen wir der Atomphysik.

Aufgabe 2

Beschreiben Sie den Begriff

Bindung

zwischen Atomen

mit einigen grundlegenden Überlegungen. Was passiert, wenn man zwei Atome eines Werkstoffs sich gedanklich langsam annähern lässt und die Kräfte zwischen ihnen misst?

Was wäre der Fall, wenn es zwischen Atomen nur abstoßende Kräfte gäbe?

Aufgabe 3

Zeichnen Sie ein sinnvolles Diagramm, das die Kräfte zwischen zwei Atomen eines Werkstoffs in Abhängigkeit des Atomabstands darstellt. Beschriften Sie die Achsen und alle eingezeichneten Kurven korrekt.

Welche zwei wichtigen Werkstoffeigenschaften lassen sich aus diesem Diagramm entnehmen?

Zeichnen Sie in das Diagramm ein, wo und wie man diese Eigenschaften ablesen kann.

Aufgabe 4

Was versteht man unter

amorpher Atomanordnung

bei Werkstoffen?

Wie nennt man ganz allgemein Werkstoffe mit amorpher Atomanordnung auch noch, insbesondere in wissenschaftlichen Kreisen?

Bei welchen drei Werkstoffgruppen liegt eine amorphe Atomanordnung vor?

Wie erreicht man, dass bei diesen Werkstoffen die Atomanordnung amorph ist (wie stellt man sie her)?

Und was ist das Gegenteil der amorphen Atomanordnung?

Die Kristalle, ihre Baufehler, und was diese in der Praxis so anrichten

Bei den meisten Werkstoffen in der Praxis, insbesondere bei den Metallen und Keramiken, ordnen sich die Atome schön regelmäßig an. Sie bilden dann ein Kristallgitter, das je nach Werkstoff recht unterschiedlich sein kann: eher locker gepackt oder schön dicht, eher einfach aufgebaut oder ziemlich kompliziert. Und genauso unterschiedlich wie die Kristallgitter sind dann auch ihre Eigenschaften. Ein wichtiges Thema, rechnen Sie einige Aufgaben dazu. Dabei schulen Sie, so ganz nebenbei, das räumliche Vorstellungsvermögen, und das kann man eigentlich immer gebrauchen, nicht nur bei den Werkstoffen.

Aufgabe 5

Unter welchen Bedingungen kommt ein »locker« gepacktes Kristallgitter zu Stande?

Und unter welchen Bedingungen entsteht ein dicht gepacktes?

Aufgabe 6

Welche drei

Kristallgitter

kommen bei den reinen Metallen am häufigsten vor?

Fertigen Sie von jedem dieser drei Gitter eine sinnvolle, realistische Skizze an. Strengen Sie sich ruhig ein wenig an dabei, die Lage der Atome soll aus den Skizzen klar ersichtlich sein. Damit es nicht gar zu wild wird, nehmen Sie zunächst das »Drahtmodell« für Ihre Skizzen. Dabei stellen Sie die Atome kleiner dar, als sie es dem Abstand zueinander nach eigentlich sein sollten. Und die Bindungen zwischen den Atomen zeichnen Sie als Linien, das sind die gedachten Drahtstücke. Wer sich traut, kann im zweiten Schritt auch das Kugelmodell für die Skizzen ausprobieren, da betrachtet man die Atome als starre, massive Kugeln, die sich an bestimmten Stellen berühren.

An welchen Stellen berühren sich nun die Atome? Gehen Sie auch hier wieder von der Vorstellung starrer, massiver Kugeln aus.

Nennen Sie zu jedem der drei Kristallgitter mindestens zwei Beispiele für Metalle, die das jeweilige Kristallgitter aufweisen.

Wenn Sie möchten, basteln Sie sich diese drei wichtigen Kristallgitter aus Tischtennisbällen, die Sie mit Alleskleber verbinden. Erst dadurch bekommt man ein wirklich gutes Gefühl für die Anordnung der Atome, man kann die Gitter dann im wahrsten Sinne des Wortes »begreifen«.

Bei den nachfolgenden fünf Aufgaben ist es sinnvoll, wenn Sie sich die Atome als starre, massive Kugeln denken, die sich an bestimmten Stellen berühren. Natürlich ist das nicht in Wirklichkeit genau so, aber mit dieser einfachen Annahme kann man viele Erscheinungen näherungsweise deuten, und das hilft beim Verständnis.

Und noch etwas: Als Elementarzelle bezeichnet man (vereinfacht) den kleinsten Baustein eines Kristallgitters, aus dem man das ganze Kristallgitter durch einfaches Aneinanderreihen aufbauen kann. Bei kubischen Gittern ist sie das Innere desjenigen Würfels, der durch die Mittelpunkte der Eckatome gebildet wird.

Denken Sie eine Weile darüber nach, Sie brauchen diese Überlegungen für die nachfolgenden Übungsaufgaben. Ach was, noch besser ist, Sie üben das gleich.

Aufgabe 7

Zeichnen Sie die »echte« Elementarzelle des kubisch-raumzentrierten (krz) und des kubisch-flächenzentrierten (kfz) Kristallgitters, so gut Sie das hinbekommen.

Denken Sie sich die Gitter aus Holzkugeln aufgebaut. An den Berührungspunkten seien die Holzkugeln miteinander verleimt. Nun sägen Sie gedanklich von diesem Gittermodell außen all das weg, was nicht zur eigentlichen Elementarzelle gehört. Sie sägen also (mit einem sehr dünn gedachten Sägeblatt) entlang der Würfelseitenfläche genau durch die Mittelpunkte der Eckatome hindurch. Was übrig bleibt, ist ein Würfel, an dessen Ecken die Mittelpunkte der Eckatome sitzen.

Zugegeben, das ist schon recht kniffelig, besonders beim kfz-Gitter. Auch ich musste mich bei der Lösung ganz schön anstrengen und bin ins Schwitzen geraten. Sinngemäß geht das übrigens bei allen anderen Kristallgittern und deren Elementarzellen.

Und jetzt gibt es was zum Rechnen. Fangen Sie mal mit Eisen an, dem am häufigsten verwendeten Metall.

Aufgabe 8

Wie groß ist der Durchmesser von Eisenatomen bei Raumtemperatur, wenn die Kantenlänge der Elementarzelle (die nennt man Gitterkonstante) bekannt ist?

Die Kantenlänge der Elementarzelle ist bei kubischen Gittern der Abstand der Mittelpunkte der Eckatome. Er lässt sich übrigens vergleichsweise einfach und recht präzise mit Röntgenstrahlen messen. Führen Sie Ihre Rechnung ganz allgemein mit Variablen durch: Nennen Sie die Kantenlänge der Elementarzelle a, und weil es Eisen ist, nehmen Sie noch den Index Fe für Eisen dazu, also aFe. Klingt gleich viel wissenschaftlicher. Und den Durchmesser der Eisenatome nennen Sie dFe.

Führen Sie Ihre Rechnung logisch Schritt für Schritt durch, nennen Sie jeden Gedankengang Ihrer Rechnung klar.

Welcher Wert ergibt sich für den Atomdurchmesser bei aFe = 0,287 nm (1 nm = 1 Nanometer = 10-9 Meter = 1 millionstel Millimeter = arg klein)?

Jetzt geht es ans Kupfer, ein wichtiges, schönes und fast schon edles Metall.

Aufgabe 9

Wie groß ist der Durchmesser dCu von Kupferatomen bei Raumtemperatur, wenn die Kantenlänge der Elementarzelle aCu bekannt ist? Rechnen Sie ähnlich wie bei der vorhergehenden Aufgabe, nutzen Sie die dortigen Anmerkungen.

Welcher Wert ergibt sich für den Atomdurchmesser bei aCu = 0,361 nm?

Eine auf den ersten Blick kuriose, aber fürs Folgende wichtige Frage schließt sich an.

Aufgabe 10

Wie viele Atome befinden sich anteilig in einer Elementarzelle

des krz-Gitters und

des kfz-Gitters?

Bevor Sie wie ein Pfeil losschießen – und möglicherweise danebentreffen – ein Hinweis: Es geht um die »echte« Elementarzelle. Also bei kubischen Gittern um das Innere desjenigen Würfels, der … Sie wissen jetzt, was ich meine. Auch hier bitte logisch jeden Gedankenschritt klar nennen.

Die nachfolgende Aufgabe scheint vorrangig nur mit räumlicher Geometrie zu tun zu haben, aber auch hier reichen die Auswirkungen bis in die Praxis.

Aufgabe 11

Wie groß ist die Packungsdichte

des krz-Gitters und

des kfz-Gitters?

Unter Packungsdichte versteht man den Anteil des Raumes in einem Gitter, den die Atome einnehmen, wenn man sich die Atome als starre massive Kugeln denkt. Man kann auch Raumerfüllung dazu sagen. Sie gibt an, wie viel Prozent eines Gitters aus massiven Kugeln besteht. Und der Rest, die Differenz zu 100 %, das ist dann »leerer Raum«.

Sie brauchen nicht einen Kristall mit zig Milliarden von Atomen zu nehmen, um diese Aufgabe zu meistern. Es reicht, wenn Sie die Elementarzelle heranziehen, die repräsentiert das ganze Gitter.

Nennen Sie die Kantenlänge der Elementarzelle wieder allgemein a.Dann rechnen Sie das Volumen der gesamten Elementarzelle VEZ aus.Anschließend bestimmen Sie das Volumen aller Atome VAtome in der Elementarzelle.Und wenn Sie das Volumen aller Atome VAtome durch das Volumen der Elementarzelle VEZ dividieren, erhalten Sie die Raumerfüllung.

Sofern Sie alles richtig gemacht haben, müsste sich die Kantenlänge a herauskürzen. Damit auch alles richtig wissenschaftlich aussieht, nennen Sie die Packungsdichte η (kleines griechisches Eta). Natürlich kann man sie nennen, wie man möchte, aber diese Bezeichnung, dieses Symbol, wird häufig verwendet.

Und wofür sind die Kenntnisse zu den Kristallgittern überhaupt gut?

Aufgabe 12

Eigentlich wirkt sich die Art des Kristallgitters auf alle Eigenschaften der metallischen Werkstoffe aus. Welche zwei wichtigen Eigenschaften hängen aber besonders vom Kristallgitter ab? Können Sie dazu je ein Beispiel für die Auswirkung in der Praxis nennen?

Hier könnten sich noch zig weitere Aufgaben zu den Kristallgittern anschließen, aber die betreffen eher die eingefleischten Experten der Materialwissenschaften. Es gibt aber noch zwei Punkte, die mir wichtig erscheinen:

die Änderung der Kristallart, die

Polymorphie

, und

die

Kristallbaufehler

.

Beide Erscheinungen haben phantastische Auswirkungen in der Praxis. Legen Sie los mit der Polymorphie.

Aufgabe 13

Was versteht man allgemein unter Polymorphie?

Nennen Sie zwei oder drei Beispiele für metallische Elemente, die

keine

Polymorphie aufweisen (jedenfalls nicht unter halbwegs üblichen Bedingungen, wir lassen die Kirche im Dorf). Und jetzt bitte noch ein oder zwei Beispiele für metallische Elemente, die polymorph sind.

Erläutern Sie die Polymorphie des Elementes Eisen anhand eines sinnvollen, beschrifteten Diagramms.

Welche praktische Bedeutung hat die Polymorphie des Eisens?

Aufgabe 14

Wenn nun Eisen polymorphe Umwandlungen aufweist, was Sie sicherlich soeben richtig beschrieben haben, und die Kristallgitter des α- und γ-Eisens verschiedene Packungsdichten haben, was Sie sicherlich ebenfalls richtig ausgerechnet haben, was müsste denn dann bei der Kristallgitterumwandlung mit dem Volumen und der Länge eines Eisenstabs passieren? Für diejenigen unter Ihnen, die noch etwas mathematisch tüfteln wollen: Wie groß ist die prozentuale Volumenänderung (man nennt sie auch ganz korrekt relative Volumenänderung) bei der Umwandlung des α-Eisens in das γ-Eisen?

So, und jetzt geht es an die Kristallbaufehler, auch Gitterfehler genannt. Nichts ist perfekt, und auch den Kristallen passiert so allerhand. Und das Schöne an den Kristallbaufehlern ist, dass die Welt ohne sie viel ärmer wäre. Irgendwie erinnert mich das an uns Menschen, was wären wir ohne unsere Fehler …

Aufgabe 15

Wie teilt man die Kristallbaufehler sinnvoll in verschiedene Arten ein? Versuchen Sie eine Gliederungsübersicht, nennen Sie die Kristallbaufehler.

Aufgabe 16

Nennen Sie drei verschiedene nulldimensionale Kristallbaufehler mit Namen. Fertigen Sie von jedem der genannten Gitterfehler eine sinnvolle Skizze an, und nennen Sie ihre Bedeutung in der Werkstofftechnik.

Aufgabe 17

Nennen Sie einen

ein

dimensionalen Kristallbaufehler mit Namen.

Welche zwei Untervarianten gibt es davon?

Fertigen Sie von einer der Untervarianten eine sinnvolle Skizze an.

Wie könnte man diesen Kristallbaufehler (theoretisch) aus einem perfekten Kristall erzeugen?

Nennen Sie die Bedeutung dieses Kristallbaufehlers in der Werkstofftechnik.

Aufgabe 18

Erläutern Sie den üblichsten Mechanismus der plastischen Verformung von Metallkristallen anhand von fünf Skizzen.

Warum fällt den metallischen Werkstoffen gerade dieser Mechanismus leicht? Mit »leicht fällt« meine ich, dass man nur geringe mechanische Spannungen braucht, um ihn in Gang zu setzen, ihn zu aktivieren.

Aufgabe 19

Nennen Sie die drei wichtigsten zweidimensionalen Kristallbaufehler. Fertigen Sie von jedem der genannten Gitterfehler eine sinnvolle Skizze an und nennen Sie die Bedeutung in der Werkstofftechnik.

Aufgabe 20

Wie sind die meisten metallischen Werkstoffe des Alltags aufgebaut? Handelt es sich eher um ein- oder vielkristalline Werkstoffe? Sieht man ihnen das an?

Bei welchen Beispielen aus dem Alltag kann man einzelne Kristalle mit dem bloßen Auge erkennen?

In welchen Fällen sind Werkstücke aus einem einzigen Kristall, die sogenannten Einkristalle, sinnvoll?

So, das soll zunächst reichen. Wenn Sie diese Aufgaben ohne zu spicken gelöst haben, dann sind Sie schon ganz gut gewappnet. Gewappnet für eine Klausur, für den betrieblichen Alltag in der Firma und natürlich für einen abschließenden Test. Ich habe da einige konkrete, bewusst bunt gemischte Behauptungen vorbereitet, die entweder richtig sind oder nicht. Testen Sie sich, haken Sie bei den Behauptungen an, ob sie zutreffend sind oder nicht.

Richtig oder nicht richtig

Aufgabe 21

Behauptung

Richtig

Nicht richtig

a)

Leerstellen liegen in allen metallischen Kristallen vor

b)

In Gläsern sind die Atome regellos angeordnet

c)

Versetzungen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs

d)

Ein Werkstück aus S235JR mit wenigen Korngrenzen ist (bei Raumtemperatur) fester als dasselbe Werkstück mit vielen Korngrenzen

e)

Die elastische Verformung von Kristallen läuft über die Bewegung von Versetzungen ab

f)

Korngrenzen zählen zu den eindimensionalen Kristallbaufehlern

g)

Die Bindungskräfte zwischen den Atomen eines Werkstoffs wirken sich auf den E-Modul des Werkstoffs aus

h)

Das Kristallgitter von Nickel weist anteilig 2 Atome pro Elementarzelle auf

i)

Zwillingskorngrenzen zählen zu den eindimensionalen Kristallbaufehlern

j)

Im Stahl S235JR sind die Atome bei Raumtemperatur amorph angeordnet

k)

Die plastische Verformung der metallischen Werkstoffe findet normalerweise über die Bewegung von Versetzungen im Kristallgitter statt

l)

Chrom weist bei Raumtemperatur ein kubisch-raumzentriertes Gitter auf

m)

Nickel weist bei Raumtemperatur ein kubisch-flächenzentriertes Gitter auf

n)

Das Kristallgitter von Chrom weist anteilig 2 Atome/Elementarzelle auf

o)

Leerstellen zählen zu den eindimensionalen Kristallbaufehlern

p)

Substitutionsatome sitzen statt eines regulären Atoms auf einem normalen Gitterplatz

q)

Aluminium weist polymorphe Umwandlungen auf

r)

Das Kristallgitter von Eisen bei Raumtemperatur weist anteilig 4 Atome/Elementarzelle auf

s)

Korngrenzen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs

t)

Das kfz-Kristallgitter weist anteilig 4 Atome/Elementarzelle auf

u)

Leerstellen erleichtern das Diffundieren von Atomen im Kristallgitter

v)

Eisen weist bei Raumtemperatur ein kubisch-raumzentriertes Gitter auf

w)

Zwischengitteratome sitzen statt eines regulären Atoms auf einem normalen Gitterplatz

Antworten zu den Aufgaben in diesem Kapitel

Diejenigen Antworten, die Sie im Hauptbuch »Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies« ausführlich erklärt finden, halte ich hier eher kurz.

Lösung zur Aufgabe 1

Atome bestehen aus einem schweren positiv geladenen Atomkern und leichten negativ geladenen Elektronen, die um den Atomkern »kreisen«. Die Elektronen bilden eher eine diffuse »Wolke«, so dass ein Atom äußerlich ein »weiches«, überwiegend leeres Gebilde darstellt. Dann gibt es noch die Quanteneffekte …

Lösung zur Aufgabe 2

Bindungen entstehen durch anziehende und abstoßende Kräfte zwischen den Atomen. Beide Kräfte wirken gleichzeitig; bei kleinen Atomabständen überwiegt die abstoßende, bei großen Abständen die anziehende Kraft, insgesamt kommt ein stabiler Gleichgewichtszustand zu Stande.

Es gäbe nur Gase auf unserer Welt.

Lösung zur Aufgabe 3

Das Diagramm:

und c)

Die zwei Werkstoffeigenschaften sind die

theoretische Zugfestigkeit

und die

elastischen Eigenschaften

(Elastizitätsmodul).

Lösung zur Aufgabe 4

Eine regellose Anordnung der Atome (wie die Kartoffeln im Sack).

Das sind die

Gläser

(selbst dann, wenn man nicht durch sie hindurchsehen kann).

Bei den

anorganischen Gläsern

(den »normalen«, wie Fensterglas), bei den

metallischen Gläsern

(durch die man übrigens nicht hindurchsehen kann) und den

amorphen Kunststoffen

(bei denen sind die Moleküle regellos angeordnet).

Meistens durch ausreichend schnelle Abkühlung aus der Schmelze (»Einfrieren« der Atomanordnung, wie sie in der Schmelze vorliegt).

Die regelmäßige Anordnung, die kristalline, da bilden die Atome ein regelmäßiges Kristallgitter (überwiegend jedenfalls, wenn man von den Kristallbaufehlern absieht).

Lösung zur Aufgabe 5

Ein »locker« gepacktes Kristallgitter entsteht, wenn die Atome »eigenwillig« sind und Bindungen zu Nachbaratomen nur in bestimmten Richtungen eingehen, beispielsweise beim Kohlenstoff im Diamant. »Locker gepackt« bedeutet übrigens nicht, dass diese Kristallgitter zwangsläufig besonders schlecht oder schwach sind.

Ein dicht gepacktes Kristallgitter entsteht bei denjenigen Atomen und Bindungsarten, bei denen die Richtung der Bindungen zu den Nachbaratomen nicht so wichtig ist, und die möglichst viele Bindungen eingehen wollen; dies liegt bei den meisten Metallen vor.

Lösung zur Aufgabe 6

Am häufigsten: kubisch-flächenzentriertes (kfz) Gitter, kubisch-raumzentriertes (krz) Gitter und hexagonal dichtest gepacktes (hdp) Gitter.

Das sind die »Skizzen« der Kristallgitter:

Beim kfz-Gitter berühren sich die Atome entlang der

Flächen

diagonalen der Elementarzelle (und in noch anderen Richtungen), beim krz-Gitter entlang der

Raum

diagonalen. Beim hdp-Gitter bilden die »Berührlinien« die Kanten eines

Tetraeders

, einem räumlichen Gebilde aus vier gleichseitigen Dreiecken.

Kfz

-Struktur haben: Al, Cu, Ni;

krz

-Struktur weisen auf: Cr, Mo, Fe (bei Raumtemperatur);

hdp

-Struktur: Zn, Mg.

So sehen meine Tischtennisball-Gittermodelle aus:

Lösung zur Aufgabe 7

Das sind die »echten« Elementarzellen:

Lösung zur Aufgabe 8

Erste Überlegung:

Welche Kristallstruktur hat Eisen bei Raumtemperatur? Es ist die krz-Struktur.

Zweite Überlegung:

In welcher Richtung berühren sich die Atome, wo gibt es Lücken? Die Atome berühren sich entlang der

Raumdiagonalen

. Deren Länge können Sie logisch nach dem Satz des Pythagoras berechnen oder aus einer Formelsammlung entnehmen, sie beträgt

. Zwischen zwei benachbarten Eckatomen bleibt eine kleine Lücke.

Dritte Überlegung:

Wie viele Atomdurchmesser passen in eine Raumdiagonale? Das sind zwei (ein halber, ein ganzer und noch ein halber, also

).

Und jetzt die allgemeine Lösung. Mathematisch lautet die zweite und dritte Überlegung:

Länge der Raumdiagonale = zwei Atomdurchmesser: .

Nach aufgelöst erhalten Sie: .

Ganz konkret

ergibt sich:

.

Lösung zur Aufgabe 9

Die Lösung ist analog zur vorhergehenden Aufgabe, daher sind die Erklärungen etwas gekürzt.

Die Kristallstruktur ist kfz.

Die Atome berühren sich entlang der Flächendiagonalen, sie ist

lang.

In die Flächendiagonale passen wieder ein halber, ein ganzer und noch ein halber Atomdurchmesser, das sind zwei.

Mathematisch allgemein:

, nach

aufgelöst:

.

Konkret:

.

Lösung zur Aufgabe 10

Sie müssen die Zahl der Atome ausrechnen, die sich im Inneren der Elementarzelle befinden. Bei denjenigen Atomen, die ganz im Inneren sind, ist das kein Problem, die gehören vollständig dazu. Diejenigen Atome, die nicht ganz im Inneren sind, nehmen Sie anteilig. Anschaulich sieht man das auch ganz gut anhand der Skizzen zur »echten« Elementarzelle.

Krz-Gitter

Das zentrale Atom ist ganz enthalten, ergibt 1 Atom.

Die Eckatome zählen aber nur zu je 1/8 zur Elementarzelle, und weil es 8 davon gibt, und

ist, ergibt das insgesamt wieder 1 Atom.

In der Summe sind also 1 + 1 =

2 Atome

in der Elementarzelle.

Kfz-Gitter

8 Eckatome zu je 1/8 ergeben 1 Atom.

Die flächenzentrierten Atome zählen je zur Hälfte zur Elementarzelle, und weil es 6 davon gibt, erhält man

, also 3 Atome.

In der Summe sind 1 + 3 =

4 Atome

in der Elementarzelle enthalten.

Kurioserweise sitzt beim kfz-Gitter kein Atom vollständig in der Elementarzelle drin.

Lösung zur Aufgabe 11

Krz-Gitter

Das

Volumen der Elementarzelle

ist das Würfelvolumen:

(1)

Als Nächstes nutzen Sie den Zusammenhang zwischen Atomdurchmesser d und a aus den vorigen Aufgaben. Die Indizes lassen Sie weg, es geht ja nicht nur ums Eisen:

(2)

Jedes Atom ist eine Kugel, und das Kugelvolumen beträgt allgemein (in einer Formelsammlung nachsehen)

. In der krz-Elementarzelle sind zwei Atome enthalten. Mit

Gleichung 2

erhalten Sie für das

Volumen aller Atome

in der Elementarzelle:

(3)

Nun sind Sie fast fertig. Nehmen Sie die

Gleichungen 1

und

3,

dann ergibt sich die Packungsdichte im krz-Gitter:

Und wenn Sie diesen Ausdruck konkret ausrechnen, erhalten Sie:

Das bedeutet, dass im krz-Gitter der mit Atomen ausgefüllte Anteil 0,680 ist, das sind 68,0 %.

Kfz-Gitter

Das

Volumen der Elementarzelle

ist wieder

(1)

Den Zusammenhang zwischen Atomdurchmesser d und a im kfz-Gitter kennen Sie auch schon:

(2)

Jedes Atom hat ein Volumen von

, in der kfz-Elementarzelle sind vier davon enthalten. Für das

Volumen aller Atome

in der Elementarzelle erhalten Sie mit

Gleichung 2

:

(3)

Die Packungsdichte im kfz-Gitter bekommen Sie mit den

Gleichungen 1

und

3

:

Als Zahlenwert:

.

74,0 % des Raums sind also »erfüllt«, und zwar mit starren, massiven Kugeln, das war die vereinfachende Annahme. Mehr geht nicht, das ist die theoretisch und praktisch dichtest mögliche Packung von Kugeln im Raum.

Lösung zur Aufgabe 12

Das sind die Zähigkeit und die Fähigkeit, Legierungen zu bilden.

Werkstoffe mit kfz-Gitter (wie Aluminium) sind auch bei sehr tiefen Temperaturen noch zäh, sie lassen sich noch gut plastisch verformen. Krz (beispielsweise Eisen) und hdp aufgebaute Werkstoffe (wie Zink) werden zu tiefen Temperaturen hin spröde.

Die Fähigkeit, Legierungen zu bilden, unterscheidet sich beim kfz- und krz-Gitter sehr. Die Unterschiede sieht man besonders deutlich beim Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm.

Lösung zur Aufgabe 13

Unter Polymorphie versteht man die Erscheinung, dass ein Werkstoff in Abhängigkeit der Temperatur (und auch des Drucks) verschiedene Kristallgitter aufweist.

Keine Polymorphie haben Aluminium, Kupfer, Chrom. Polymorph sind Eisen und Titan.

Das (hoffentlich sinnvolle) Diagramm:

Die Polymorphie ist die Grundlage für viele Wärmebehandlungen der Stähle, beispielsweise das Härten.

Lösung zur Aufgabe 14

Der Eisenstab müsste sich bei der Umwandlung vom α- ins γ-Eisen schlagartig zusammenziehen, denn die Packungsdichte im kfz aufgebauten γ-Eisen ist deutlich höher als im krz aufgebauten α-Eisen. Oder: Die gleiche Zahl von Atomen braucht dichter gepackt weniger Platz. Wenn man also die Länge eines Eisenstabs bei Temperaturerhöhung misst, so dehnt er sich zunächst »ganz normal« aus, so wie es (fast) alle Werkstoffe tun. Und wenn sich im Inneren das Kristallgitter von krz nach kfz ändert, dann äußert sich das in einer plötzlichen Längen- und Volumenabnahme. Das ist übrigens eine klasse Methode, Kristallgitterumwandlungen auf einfache Art zu messen.

Und nun zur relativen Volumenänderung bei der Umwandlung. Nennen Sie das Volumen des Stabs im krz-Gitter Vkrz. Das Volumen im kfz-Gitter nennen Sie analog Vkfz. Die relative Volumenänderung ist dann:

(1)

Wie erhalten Sie jetzt Vkfz und Vkrz? Nehmen Sie hierzu die allgemeine Definition der Packungsdichte:

Im kfz-Gitter ist die Packungsdichte . Nach Vkfz aufgelöst erhalten Sie:

(2)

Im krz-Gitter ist die Packungsdichte . Nach Vkrz aufgelöst erhalten Sie:

(3)

Setzen Sie die beiden Gleichungen 2 und 3 in Gleichung 1 ein, so ergibt sich das gesuchte Resultat:

Das Volumen der Atome VAtome ist in beiden Kristallgittern gleich, jedenfalls nehmen wir das bei der Berechnung an. Die Größe VAtome kürzt sich deswegen aus der oberen Gleichung heraus.