Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies E-Book

Rainer Schwab

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: Für Dummies
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 748

Veröffentlichungsjahr: 2024

Beschreibung

Drum prüfe, wer den Werkstoff findet

Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung sind für viele Studierende eher Pflicht als Leidenschaft. Rainer Schwab zeigt Ihnen, dass es auch anders geht: Mit Humor und Präzision, mit einfachen Erklärungen und passenden Beispielen erklärt er Ihnen in dieser aktualisierten Auflage die Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung so spannend es nur geht. Von den Grundlagen zieht sich der Bogen über die Prüfmethoden hin zu den wichtigen konkreten Werkstoffen und Wärmebehandlungen. So ist dieses Buch das Rundumwohlfühlpaket für jeden, der sich mit dem Thema beschäftigt.

Sie erfahren

• Was die wichtigen Eigenschaften der Werkstoffe sind
• Wie Sie Härteprüfungen, Zugversuche und Co. richtig durchführen
• Warum Eisen und Stahl so vielfältig sind
• Welche wichtigen Werkstoffe es gibt, die nicht aus Eisen sind

Leseprobe

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.

4. Auflage 2024© 2024 Wiley-VCH GmbH, Boschstrase 12, 69469 Weinheim, Germany

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.

Coverfoto: © Pixel_B – stock.adobe.comKorrektur: Frauke Wilkens

Print ISBN: 978-3-527-72235-8ePub ISBN: 978-3-527-84890-4

Über den Autor

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

Mehr als drei Jahrzehnte lehrte und forschte er an der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft, vormals Fachhochschule Karlsruhe. Die Schwerpunkte seiner Lehrtätigkeit lagen zunächst in den Bereichen Festigkeitslehre und Fertigungstechnik, später in den Bereichen Werkstoffkunde, Werkstoffprüfung und Hochleistungswerkstoffe. Für sein hohes Engagement und seine Erfolge in der Lehre wurde er mehrfach ausgezeichnet, unter anderem mit dem Lehrpreis des Landes Baden-Württemberg.

Danksagung

Ein herzliches, ganz liebes Dankeschön geht an meine Frau Ursel. Sie hat mich in der sehr intensiven Zeit des Schreibens neben ihrer eigenen Berufstätigkeit unermüdlich unterstützt, ermutigt und von vielen Arbeiten freigehalten. Dank gebührt auch meiner gesamten weiteren Familie, die mich oft aufgemuntert und beim Korrekturlesen mitgeholfen hat.

Hervorheben möchte ich auch die äußerst angenehme Zusammenarbeit mit dem Verlag Wiley-VCH, insbesondere mit Herrn Marcel Ferner.

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Impressum

Über den Autor

Danksagung

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Über dieses Buch

Konventionen in diesem Buch

Was Sie nicht lesen müssen

Törichte Annahmen über den Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Filme, die es zu diesem Buch gibt

Ein Buch, das es zu diesem Buch gibt

Wie es weitergeht

Teil I: Ausgewählte Grundlagen als Basis

Kapitel 1: Von Atomen, Bindungen und Kristallen: Werkstoffe sind wunderschön

Bindungen zwischen den Atomen, fast wie bei den Menschen

Alles eine Frage der Ordnung: Die wichtigsten Atomanordnungen

Polymorphie bei Kristallen, die unglaublichen Vorgänge im Inneren

Kristallbaufehler: Nichts ist perfekt

Einkristall und Vielkristall im Alltag

Kapitel 2: Einige Eigenschaften von Werkstoffen, die Sie kennen sollten

Wärmeausdehnung, eine Frage der Temperatur

Elektrische Leitfähigkeit, eine Frage des Durchkommens

Wärmeleitfähigkeit, auch eine Frage des Durchkommens

Elastische Verformung, eine Frage des Federns

Plastische Verformung, eine Frage bleibender Formänderung

Kapitel 3: Manche mögen's heiß: Thermisch aktivierte Vorgänge

Werkstoffe, die wechselwarmen Tiere

Diffusion: Und sie bewegen sich doch

Erholung und Rekristallisation: Der Werkstoff lebt

Kriechen und Spannungsrelaxation: Nichts ist für die Ewigkeit

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

Grundbegriffe: Die müssen sein

Das eine Extrem: Unlöslichkeit im flüssigen und festen Zustand

Das andere Extrem: Völlige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand

Der Kompromiss: Völlige Löslichkeit im flüssigen, teilweise Löslichkeit im festen Zustand

Die Praxis: Beispiele von Zustandsdiagrammen

Ausblick

Kapitel 5: Legierungssystem Eisen-Kohlenstoff, Basis für alle Eisenwerkstoffe

Erst einmal reines Eisen

So kommt die Kohle ins Eisen

Und jetzt das berühmte Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm

Teil II: Die wichtigsten Methoden der Werkstoffprüfung

Kapitel 6: Anspruchsvoller, als viele glauben: Der Zugversuch

So wird's gemacht

Die Kennwerte des Zugversuchs im Überblick

Ausblick und Schlusswort

Kapitel 7: Hart, aber fair: Die Härteprüfung

Ein paar Überlegungen vorweg

So funktioniert ein modernes Härteprüfgerät

Härteprüfung nach Brinell

Härteprüfung nach Vickers

Härteprüfung nach Rockwell

Die Härteprüfverfahren im Vergleich

Kapitel 8: Das unbekannte Wesen: Die Kerbschlagbiegeprüfung

Die Philosophie dahinter

So sieht die Kerbschlagbiegeprobe aus

Versuchseinrichtung und -durchführung

So wirken sich Werkstoff und Temperatur auf die Kerbschlagarbeit aus

Bedeutung, Anwendung, Praxis

Kapitel 9: Unermüdlich: Die Schwingfestigkeitsprüfung

Schon mit der Überschrift beginnt der Ärger

Das passiert innen drin im Werkstoff

Die wichtigsten Grundbegriffe

Wöhlerkurve und Dauerfestigkeit

Was da noch zu beachten wäre

Kapitel 10: Blick ins Innerste: Die Metallografie

Zuerst der Begriff

Fürs Grobe: Makroskopische Verfahren

Die Lichtmikroskopie, faszinierend wie eh und je

Kann süchtig machen: Die Elektronenmikroskopie

Kapitel 11: Macht nichts kaputt: Die zerstörungsfreie Prüfung

Die Gedanken sind frei

Die Kapillarverfahren

Die magnetischen Verfahren

Die induktiven Verfahren

Die Schallverfahren

Die Strahlenverfahren

Teil III: Eisen und Stahl, noch lange kein Alteisen

Kapitel 12: Stahlherstellung – der Weg vom Erz zum Stahl

Das Ziel im Blick

Der erste Schritt: Vom Erz zum Roheisen

Und so wird aus Roheisen Stahl – der zweite Schritt

Kapitel 13: Nomen est omen: Die normgerechte Bezeichnung der Eisenwerkstoffe

Die Philosophie und Systematik dahinter

Kennzeichnung mit Kurznamen, die persönliche Methode

Kennzeichnung mit Werkstoffnummern, die sichere Methode

Testen Sie sich

Kapitel 14: Von heißen Öfen und kühlen Bädern: Die Wärmebehandlung der Stähle

Ziel der Wärmebehandlung oder warum die Werkstoffleute das tun

Temperaturführung, gezieltes Auf und Ab

Die berühmten Glühbehandlungen

Alles, was hart macht: Das Härten

Kapitel 15: Stahlgruppen, die unendliche Vielfalt

Kohlenstoff und Legierungselemente, die Gewürze und Zutaten im Stahl, wie sie schmecken und was sie so anrichten

Die Grundgerichte: Unlegierte Baustähle

Haute Cuisine: Schweißgeeignete Feinkornbaustähle

Gezielter Ofeneinsatz: Vergütungsstähle

Brennen nicht so schnell an: Warmfeste und hitzebeständige Stähle

Schmecken auch kalt: Kaltzähe Stähle

Halten sich lang: Nichtrostende Stähle

Messer und Gabel: Werkzeugstähle

Stähle, von denen ich Ihnen nichts erzähle

Kapitel 16: Eisengusswerkstoffe, genauso vielfältig wie die Stähle

Worin sich Stahl, Stahlguss und Gusseisen unterscheiden

Stahlguss, in Formen gegossener Stahl

Gusseisen, der landläufige »Guss«

Teil IV: Was es außer den Eisenwerkstoffen noch Hochinteressantes gibt

Kapitel 17: Nichteisenmetalle

Auch Nichteisenmetalle werden sinnvoll bezeichnet

Der edel aussehende Werkstoff: Aluminium und Aluminiumlegierungen

Der bunte Werkstoff: Kupfer und Kupferlegierungen

Weitere Nichteisenmetalle und -legierungen, da ist noch Musik drin

Kapitel 18: Anorganische nichtmetallische Werkstoffe und was sich dahinter verbirgt

Glas, klar doch

Keramiken, traditionell bis hochmodern

Weitere anorganische nichtmetallische Werkstoffe

Kapitel 19: Nicht mehr wegzudenken: Die Kunststoffe

Um was es sich bei den Kunststoffen überhaupt handelt

Viele Wege zum Ziel: Die Herstellung der Kunststoffe

Die Eigenschaften der Kunststoffe ganz pauschal

Wie es innen aussieht: Der Aufbau der Kunststoffe

Die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe

In Form gebracht: Die Verarbeitung

Teil V: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 20: Zehn Tipps für ein erfolgreiches Studium

Das Studium ernst nehmen

Ausgeruht und pünktlich antreten

Aktiv in Vorlesungen, Übungen und im Labor mitarbeiten

Sofort nachhaken

Vor- und nacharbeiten

Üben, üben, üben

Ein Buch lesen

Miteinander reden

Niemals aufschieben

Das Leben ist nicht nur Studium

Glossar

Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Tabellenverzeichnis

Kapitel 2

Tabelle 2.1: Lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten

Tabelle 2.2: E-Modul einiger Werkstoffe

Kapitel 5

Tabelle 5.1: Phasen im stabilen Legierungssystem Eisen-Kohlenstoff

Kapitel 7

Tabelle 7.1: Empfehlungen für die Prüfkraft bei der Härteprüfung nach Brinell

Tabelle 7.2: Anwendung und Besonderheiten der Härteprüfverfahren sowie typische H...

Tabelle 7.3: Näherungsweiser Härtevergleich

Kapitel 11

Tabelle 11.1: Schallgeschwindigkeiten in verschiedenen Medien, nach Krautkrämer

Kapitel 13

Tabelle 13.1: Faktoren bei den niedriglegierten Stählen

Kapitel 14

Tabelle 14.1: Temperaturen und Zeiten bei der mittleren Abkühlung in Abbildung 14...

Kapitel 15

Tabelle 15.1: Maximalgehalte von einigen Elementen bei den unlegierten Stählen, u...

Tabelle 15.2: Ausgewählte Eigenschaften allgemeiner Baustähle nach D...

Tabelle 15.3: Ausgewählte Eigenschaften von Feinkornbaustählen nach DIN EN 10025,...

Tabelle 15.4: Wärmebehandlung und mechanische Eigenschaften einiger Vergütungsstä...

Tabelle 15.5: Einige hitzebeständige Stähle, nach DIN EN 10095

Tabelle 15.6: Ausgewählte ferritische nichtrostende Stähle, vereinfachte Darstell...

Tabelle 15.7: Ausgewählte martensitische nichtrostende Stähle, vereinfacht, nach ...

Tabelle 15.8: Austenitische nichtrostende Stähle, ausgewählte Eigenschaften, vere...

Tabelle 15.9: Austenitisch-ferritische nichtrostende Stähle, ausgewählte Eigensch...

Tabelle 15.10: Beispiele für Kaltarbeitsstähle

Tabelle 15.11: Beispiele für Warmarbeitsstähle

Tabelle 15.12: Beispiele für Schnellarbeitsstähle

Kapitel 16

Tabelle 16.1: Ausgewählte Eigenschaften von Gusseisen mit Lamellengrafit nach DIN...

Tabelle 16.2: Ausgewählte Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgrafit, angelehnt ...

Kapitel 17

Tabelle 17.1: Eigenschaften von nicht aushärtbaren Aluminiumlegierungen, vereinfa...

Tabelle 17.2: Eigenschaften von aushärtbaren Aluminiumlegierungen, vereinfacht, a...

Tabelle 17.3: Eigenschaften von Aluminium-Gusslegierungen in getrennt gegossenen ...

Tabelle 17.4: Eigenschaften und Anwendung verschiedener Reinkupfersorten

Kapitel 18

Tabelle 18.1: Eigenschaften von Al

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im Vergleich zu S235

Tabelle 18.2: Eigenschaften einiger Nichtoxidkeramiken/Hartstoffe im Vergleich zu...

Illustrationsverzeichnis

Kapitel 1

Abbildung 1.1: Bindungskräfte zwischen Atomen

Abbildung 1.2: Das kubisch-flächenzentrierte Kristallgitter

Abbildung 1.3: Das kubisch-raumzentrierte Kristallgitter

Abbildung 1.4: Das hexagonal dichtest gepackte Kristallgitter

Abbildung 1.5: Blick auf die Oberfläche einer Schweißnaht aus einem rostfreien S...

Abbildung 1.6: Polymorphie bei Eisen

Abbildung 1.7: Gliederung der Kristallbaufehler

Abbildung 1.8: Nulldimensionale Kristallbaufehler

Abbildung 1.9: Stufenversetzung (links) und Schraubenversetzung (rechts)

Abbildung 1.10: Mechanismus der plastischen Verformung durch Versetzungsbewegung

Abbildung 1.11: Zweidimensionale Kristallbaufehler

Abbildung 1.12: Schnitt durch einen Gussblock aus einer Aluminiumlegierung, gesä...

Abbildung 1.13: Atomanordnung in einem reinen Metall

Kapitel 2

Abbildung 2.1: Konstruktion eines Schiebesitzes bei doppelwandigen Abgasrohren z...

Abbildung 2.2: Freie Elektronen in Metallen

Abbildung 2.3: Stromfluss durch einen elektrischen Leiter

Abbildung 2.4: Elektrische Leitfähigkeit einiger metallischer Werkstoffe in Abhä...

Abbildung 2.5: Wärmeleitung durch einen Stab

Abbildung 2.6: Wärmeleitfähigkeit einiger metallischer Werkstoffe in Abhängigkei...

Abbildung 2.7: Elastische Verformung eines Zugstabs

Abbildung 2.8: Atomanordnung bei der elastischen Verformung eines Zugstabs

Abbildung 2.9: Das elastische Verhalten einiger Werkstoffe im Zugversuch

Kapitel 3

Abbildung 3.1: Energetischer Zustand bei der Diffusion eines Kohlenstoffatoms im...

Abbildung 3.2: Diffusionsmechanismen: Zwischengittermechanismus (links) und Leer...

Abbildung 3.3: Vorgänge bei Erholung und Rekristallisation am Beispiel von Eisen

Abbildung 3.4: Typische Kriechkurven

Abbildung 3.5: Spannungsrelaxation

Kapitel 4

Abbildung 4.1: Substitutionsmischkristall (links) und Einlagerungsmischkristall ...

Abbildung 4.2: Zustandsdiagramm für zwei Komponenten (links) und drei Komponente...

Abbildung 4.3: Zustandsdiagramm Eisen-Blei

Abbildung 4.4: Zustandsdiagramm Kupfer-Nickel

Abbildung 4.5: Langsame Abkühlung einer Kupfer-Nickel-Legierung

Abbildung 4.6: Ausschnitt aus Abbildung 4.5

Abbildung 4.7: Reines Kupfer bei verschiedenen Vergrößerungen

Abbildung 4.8: Die Münzlegierung im flüssigen Zustand

Abbildung 4.9: Die Münzlegierung im Erstarrungsbereich

Abbildung 4.10: Die Münzlegierung im festen Zustand

Abbildung 4.11: Vom Linsendiagramm zum Eutektikum

Abbildung 4.12: Zustandsdiagramm Silber-Kupfer mit langsamer Abkühlung der eutek...

Abbildung 4.13: Zustandsdiagramm Silber-Kupfer mit langsamer Abkühlung einer übe...

Abbildung 4.14: Übereutektische Silber-Kupfer-Legierung im flüssigen Zustand

Abbildung 4.15: Übereutektische Silber-Kupfer-Legierung im Erstarrungsbereich

Abbildung 4.16: Übereutektische Silber-Kupfer-Legierung im festen Zustand

Abbildung 4.17: Eutektikum mit unterschiedlichen Löslichkeiten im festen Zustand

Abbildung 4.18: Zustandsdiagramme Zinn-Blei und Aluminium-Silizium (nach Hansen/...

Abbildung 4.19: Zustandsdiagramme Eisen-Chrom und Eisen-Nickel (nach Hansen/Ande...

Abbildung 4.20: Zustandsdiagramme Kupfer-Zink und Kupfer-Zinn (nach Hansen/Ander...

Kapitel 5

Abbildung 5.1: Polymorphie des Eisens

Abbildung 5.2: Mögliche Lücken im Kristallgitter des Eisens

Abbildung 5.3: Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff, vorbereitet

Abbildung 5.4: Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff, stabiles System, noch unvolls...

Abbildung 5.5: Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff, stabiles System

Abbildung 5.6: Metastabiles und stabiles Gleichgewicht

Abbildung 5.7: Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff, metastabiles System

Abbildung 5.8: Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm, stabiles und metastabiles Sys...

Abbildung 5.9: Langsame Abkühlung eines Stahls mit 0,8 % C

Abbildung 5.10: Langsame Abkühlung eines Stahls mit 0,4 % C

Abbildung 5.11: Gefüge eines langsam abgekühlten unlegierten Stahls mit sehr wen...

Abbildung 5.12: Gefüge eines langsam abgekühlten unlegierten Stahls mit 0,4 % C

Abbildung 5.13: Gefüge eines langsam abgekühlten unlegierten Stahls mit 0,8 % C

Kapitel 6

Abbildung 6.1: Zugprüfmaschine

Abbildung 6.2: Rundprobe für den Zugversuch

Abbildung 6.3: Flachprobe für den Zugversuch

Abbildung 6.4: Kraft-Verlängerungs- und Spannungs-Dehnungs-Diagramm im Zugversuc...

Abbildung 6.5: Neue und gebrochene Zugprobe

Abbildung 6.6: Wahre Spannung und Nennspannung im Zugversuch

Abbildung 6.7: Spannungs-Dehnungs-Diagramme einiger typischer Stähle, kurzer Pro...

Abbildung 6.8: Dehngrenze

Abbildung 6.9: Die tatsächlichen Vorgänge bei der ausgeprägten Streckgrenze an ü...

Kapitel 7

Abbildung 7.1: Härteprüfgerät mit den wesentlichen Komponenten

Abbildung 7.2: Härteprüfung nach Brinell

Abbildung 7.3: Härteprüfung nach Vickers

Abbildung 7.4: Härteprüfung nach Rockwell-C

Kapitel 8

Abbildung 8.1: Einfluss der Temperatur auf Festigkeit und Zähigkeit des Baustahl...

Abbildung 8.2: Weitere Einflüsse auf die Zähigkeit von S235 im Zugversuch

Abbildung 8.3: ISO-Spitzkerbprobe (ISO-V-Probe, Charpy-V-Probe)

Abbildung 8.4: Versuchseinrichtung zur Kerbschlagbiegeprüfung

Abbildung 8.5: ISO-V-Proben aus S235, spröde gebrochen (links hinten), zähes Ver...

Abbildung 8.6: Einfluss von Werkstoff und Temperatur auf die Kerbschlagarbeit

Abbildung 8.7: Werkstoffbedingte Einflussgrößen auf die KV-T-Kurve bei un- und n...

Kapitel 9

Abbildung 9.1: Schwingbrüche

Abbildung 9.2: Charakteristisches Aussehen einer Schwingbruchfläche bei einer zy...

Abbildung 9.3: Grundbegriffe bei der Schwingbeanspruchung

Abbildung 9.4: Grundlegende Beanspruchungsbereiche bei der Schwingbeanspruchung

Abbildung 9.5: Wöhlerkurve (Grundlagen)

Abbildung 9.6: Wöhlerkurve

Abbildung 9.7: Typische Form von Wöhlerkurven

Kapitel 10

Abbildung 10.1: Aufgetrenntes und geschliffenes Druckgussbauteil

Abbildung 10.2: Makroschliff von einer Schweißnaht; links im nur geschliffenen Z...

Abbildung 10.3: Metallografiemikroskop mit Auflichttechnik

Abbildung 10.4: Prinzip der Korngrenzenätzung

Abbildung 10.5: Korngrenzenätzung an reinem Eisen

Abbildung 10.6: Prinzip der Kornflächenätzung

Abbildung 10.7: Kornflächenätzung an einer Messingsorte

Abbildung 10.8: Rasterelektronenmikroskop, noch unvollständig

Abbildung 10.9: Rasterelektronenmikroskop, komplett

Abbildung 10.10: Wendel einer Glühbirne, abgebildet im Rasterelektronenmikroskop

Abbildung 10.11: Wechselwirkung der Primärelektronen mit den Probenatomen

Kapitel 11

Abbildung 11.1: Einflüsse auf die Sicherheit von Bauteilen

Abbildung 11.2: Farbeindringprüfung

Abbildung 11.3: Magnetpulverprüfung

Abbildung 11.4: Felddurchflutung

Abbildung 11.5: Stromdurchflutung

Abbildung 11.6: Wirbelstromprüfung

Abbildung 11.7: Wellenarten in Werkstoffen

Abbildung 11.8: Reflexion von Schallwellen an einer Grenzfläche

Abbildung 11.9: Piezoeffekt bei Quarz (vereinfacht)

Abbildung 11.10: Schnitt durch einen Ultraschallprüfkopf

Abbildung 11.11: Durchschallungsverfahren

Abbildung 11.12: Impuls-Echo-Verfahren

Abbildung 11.13: Röntgenröhre

Abbildung 11.14: Grundprinzip der Strahlenverfahren

Abbildung 11.15: Röntgenprüfung einer Schweißverbindung

Kapitel 12

Abbildung 12.1: Längsschnitt durch einen Hochofen mit den wichtigsten chemischen...

Abbildung 12.2: Sauerstoffaufblasverfahren

Abbildung 12.3: Elektrostahlverfahren

Kapitel 13

Abbildung 13.1: Die Systematik der normgerechten Bezeichnung der Eisenwerkstoffe...

Abbildung 13.2: Aufbau des Kurznamens bei einem Baustahl

Abbildung 13.3: Aufbau des Kurznamens bei einem Feinkornbaustahl

Abbildung 13.4: Aufbau des Kurznamens bei einem Gusseisen

Abbildung 13.5: Aufbau des Kurznamens bei einem unlegierten Stahl

Abbildung 13.6: Aufbau des Kurznamens bei einem niedriglegierten Stahl

Abbildung 13.7: Aufbau des Kurznamens bei einem hochlegierten Stahl

Abbildung 13.8: Aufbau einer Werkstoffnummer

Kapitel 14

Abbildung 14.1: Temperaturführung bei Wärmebehandlungen

Abbildung 14.2: Die Glühbehandlungen der Stähle im Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdia...

Abbildung 14.3: Langsame Abkühlung eines Stahls mit 0,4 % C

Abbildung 14.4: Gefüge eines Stahls mit 0,8 % C, links normalgeglüht, rechts 30 ...

Abbildung 14.5: Ausschnitt aus dem Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm

Abbildung 14.6: Wärmebehandlungen mit kontinuierlicher Abkühlung

Abbildung 14.7: Wärmebehandlungen mit isothermer Temperaturführung

Abbildung 14.8: Temperatur-Zeit-Verläufe mit Umwandlungen in einem Stahl mit 0,4...

Abbildung 14.9: Abgelesene Punkte bei der mittleren Abkühlung, eingetragen in ei...

Abbildung 14.10: Verschieden schnelle Abkühlungen, eingetragen in ein Diagramm m...

Abbildung 14.11: ZTU-Diagramm eines Stahls mit 0,4 % C

Abbildung 14.12: ZTU-Diagramme dreier Stähle, nach Hougardy

Abbildung 14.13: Abkühlungsdauer zylindrischer Proben aus un- und niedriglegiert...

Abbildung 14.14: Härte zylindrischer Proben nach Abkühlung aus dem Austenitgebie...

Abbildung 14.15: Aufhärtbarkeit un- und niedriglegierter Stähle, nach Hodge und ...

Abbildung 14.16: Vergütungsschaubild des Stahls 50CrMo4, nach Hougardy

Abbildung 14.17: Gliederung der Randschichthärteverfahren

Abbildung 14.18: Grundprinzip des Induktionshärtens

Abbildung 14.19: Verlauf des Kohlenstoffgehalts vor und nach dem Aufkohlen beim ...

Abbildung 14.20: Induktiv gehärtete Kurbelwelle, links Schliff, rechts Ansicht v...

Kapitel 15

Abbildung 15.1: Eigenschaften der unlegierten Stähle im Zugversuch (nach Werksto...

Abbildung 15.2: Schaefflerdiagramm

Abbildung 15.3: Schaefflerdiagramm mit Gefahrenbereichen, nach Wirtz

Abbildung 15.4: 0,2-%-Dehngrenzen (Mindestwerte) und Zeitstandeigenschaften (Mit...

Abbildung 15.5: Unlegierter Stahl, links neu, Mitte nach 10 Stunden bei 1200 °C ...

Abbildung 15.6: Schaefflerdiagramm mit der Lage der typischen nichtrostenden Stä...

Abbildung 15.7: Interkristalline Korrosion, Ausgangszustand

Abbildung 15.8: Interkristalline Korrosion, gefährdeter Zustand

Abbildung 15.9: Anlassbeständigkeit der typischen Werkzeugstähle

Kapitel 16

Abbildung 16.1: Haupteinteilung der Eisenwerkstoffe, vereinfacht

Abbildung 16.2: Gusseisendiagramm nach Maurer (Grundlagen)

Abbildung 16.3: Gusseisendiagramm nach Maurer mit dem Einfluss der Abkühlgeschwi...

Abbildung 16.4: Gefüge von Gusseisen mit Lamellengrafit, hier die Sorte GJL-200

Abbildung 16.5: Gefüge von Gusseisen mit Kugelgrafit, hier GJS-600-3

Kapitel 17

Abbildung 17.1: Aufbau der Kurznamen bei Nichteisenmetallen, an einem Beispiel e...

Abbildung 17.2: Aufbau der Werkstoffnummer bei Nichteisenmetallen

Abbildung 17.3: Ausschnitt aus dem Zustandsdiagramm Aluminium-Kupfer

Abbildung 17.4: Ausscheidungshärtung am Beispiel einer Aluminium-Kupfer-Legierun...

Abbildung 17.5: Gliederung der Aluminiumlegierungen

Abbildung 17.6: Beispiele für umgeformte Aluminiumprodukte

Abbildung 17.7: Zylinderkopfdeckel eines V6-Dieselmotors, Aluminium-Gusslegierun...

Abbildung 17.8: Elektrische Leitfähigkeit von Kupfer in Abhängigkeit vom Fremdel...

Kapitel 18

Abbildung 18.1: Eigenschafts-Temperatur-Kurve von Kristallen und Gläsern

Abbildung 18.2: Mikroskopische Vorgänge beim Sintern, vereinfacht

Abbildung 18.3: Ein »Liter« Al

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, zusammengesetzt aus Einzelwürfeln der Kantenl...

Abbildung 18.4: Anwendung von Oxidkeramiken als Implantate im menschlichen Körpe...

Abbildung 18.5: Gefüge eines Hartmetalls, schematisch

Kapitel 19

Abbildung 19.1: Polymerisationsarten

Abbildung 19.2: Herstellung von Polyethylen

Abbildung 19.3: Herstellung eines Polyurethans

Abbildung 19.4: Herstellung von Polyestern

Abbildung 19.5: Polypropylen-Makromolekül, die großen Kugeln sind Kohlenstoffato...

Abbildung 19.6: Molekülanordnung und -vernetzung bei den drei Kunststoffgruppen

Abbildung 19.7: Das mechanische Verhalten der amorphen Thermoplaste

Abbildung 19.8: Das mechanische Verhalten der teilkristallinen Thermoplaste

Abbildung 19.9: Das mechanische Verhalten der Elastomere

Abbildung 19.10: Das mechanische Verhalten der Duroplaste

Orientierungspunkte

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Titelblatt

Impressum

Über den Autor

Inhaltsverzeichnis

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Einleitung

Ein wunderschöner Sonntagnachmittag im Januar. Wir sitzen rund um unseren großen Esstisch und feiern den Geburtstag meiner Frau. Geschnatter, Gerede, Lachen, Superstimmung. Da fragt mich einer meiner Schwäger aus heiterem Himmel:

»Du, Rainer, was machst du denn beruflich so ganz genau, also was lehrst du denn da an der Hochschule?«

Auf meine Antwort, dass dies die Werkstoffkunde sei, fällt ihm erst die Kinnlade runter, die Augen werden groß und dann platzt es aus ihm raus:

»Was, Werkstoffkunde? Das war das schlimmste, langweiligste und blödeste Fach, das ich in meinem ganzen Leben gehabt habe.«

Sehen Sie, liebe Leserin, lieber Leser, dagegen möchte ich etwas unternehmen. Ich war selbst einmal Student und weiß, wie trocken, langweilig und schwierig einige Fächer sein können. So manche Lehrbücher und auch viele Vorlesungen waren für mich damals nur schwer verständlich. »Wie man leicht sieht, …« war eine der Formulierungen meiner Professoren und auch mancher Buchautoren. Die ließen mich anfangs absolut dumm erscheinen, denn »leicht gesehen« hatte ich das gar nicht. Später im Studium, als ich ein bisschen erfahrener war, habe ich erkannt, dass manchmal zwei Doktorarbeiten als Hintergrundwissen nötig waren, um das »Wie man leicht sieht, …« zu verstehen.

Dass da ein gerüttelt Maß Schuld auch an mir lag, muss ich jetzt einfach zugeben. Beispielsweise, wenn ich doch einmal nicht ganz ausgeschlafen war wegen … na ja. Sicher aber ist, dass viele deutschsprachige Bücher zum Thema Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung trocken-wissenschaftlich verfasst sind (das hat auch seine Vorzüge) und sich im Grunde an eine schon einschlägig vorgebildete Leserschaft richten.

Über dieses Buch

Mein Ehrgeiz ist es nun, Ihnen das Thema Werkstoffkunde und auch die dazugehörende Werkstoffprüfung nahezubringen. Halbwegs verständlich, in lockerem Stil, mit menschlichen Regungen und da und dort auch etwas humorvoll soll es sein. Ob mir das gelingt, müssen Sie selbst beurteilen. Ich bemühe mich jedenfalls nach Kräften und gebe mein Bestes. In den zurückliegenden fünf Jahrzehnten habe ich viele Übungen und Vorlesungen gehalten, durfte viele Erfahrungen sammeln, habe studentische Kritik ernst genommen und versuche nun, einen Teil davon in diesem Buch weiterzugeben.

Nicht alles, was Sie hier lesen, ist ganz richtig. Das liegt zum einen daran, dass ich schwierige Sachverhalte vereinfache, was schon mal auf Kosten der wissenschaftlichen Genauigkeit geht. Ich mache das trotzdem, denn sonst sind manche Themen einfach zu schwer verständlich. Zum anderen liegt es 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.

Was Sie nicht lesen müssen

Im Buch finden Sie ab und zu grau unterlegte Bereiche. Die enthalten Anekdoten oder Zusatzinformationen, die Sie nicht unbedingt lesen müssen, um das Buch zu verstehen. Augenzwinkernd sind die teils gemeint, manchmal geht es um interessante Alltagserscheinungen, eher selten auch um einen weiterführenden Aspekt oder ein Thema aus einem anderen Kapitel.

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 jene, die voll im Berufsleben stehen und plötzlich mit Werkstoffen zu tun haben. Alle Aspekte der Werkstoffkunde sind nicht enthalten, das geht schon vom Umfang her nicht, aber viele wichtige, grundlegende und praxisnahe.

Was Sie also an Vorkenntnissen mitbringen sollten, ist die normale Schulausbildung, die den Zugang zu Universitäten, Fachhochschulen und Dualen Hochschulen ermöglicht. Die wesentlichen Grundlagen der Physik (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, das sind die Hauptteile, sollten vorrangig in dieser Reihenfolge gelesen werden, da sie doch aufeinander aufbauen. Ansonsten aber bemühe ich mich darum, alle Teile und auch die Unterkapitel so gut es geht eigenständig zu gestalten, sodass Sie ruhig auch mal gezielt in ein bestimmtes Kapitel springen können.

Teil I: Ausgewählte Grundlagen als Basis

Ein wirkliches Verständnis der Werkstoffe erhalten Sie erst, wenn Sie sich mit einigen ausgewählten Grundlagen befassen. Das ist ein wichtiger Teil, und kein leichter! Es sind genau diese Grundlagen, die zum (teilweise) schlechten Ansehen der Werkstoffkunde unter den Studierenden geführt haben. Nur Mut, Sie werden sehen, dass manches richtig logisch ist, hochinteressant, menschliche Züge hat und sogar philosophischen Charakter.

Teil II: Die wichtigsten Methoden der Werkstoffprüfung

Vom Zugversuch bis zur zerstörungsfreien Prüfung erkläre ich Ihnen die sechs wichtigsten Arten der Werkstoffprüfung. Die sind bedeutend, sie werden Ihnen später in der Praxis begegnen, und auch für die folgenden Kapitel sind sie unerlässlich.

Teil III: Eisen und Stahl, noch lange kein Alteisen

Die Eisenwerkstoffe sind allgegenwärtig in unserem Leben und noch lange nicht ausgereizt. Sie werden die Herstellung von Stahl und die normgerechte Bezeichnung kennen und verstehen lernen. Die Wärmebehandlung der Stähle wird kein Buch mit sieben Siegeln mehr für Sie sein und Sie werden die wichtigsten Stähle und Gusseisenwerkstoffe unterscheiden und in der Praxis einsetzen können.

Teil IV: Was es außer den Eisenwerkstoffen noch Hochinteressantes gibt

Nichteisenmetalle, Gläser, Keramiken und ein Ausblick auf die Kunststoffe: Die Welt der Werkstoffe ist groß. Da kann ich Ihnen natürlich nur die Grundzüge zeigen. Aber Sie sind dann in der Lage, sich auch in andere Fachbücher einzulesen und sie zu verstehen.

Teil V: Der Top-Ten-Teil

Hier gibt es zehn wirklich gut gemeinte Ratschläge, die sich in meiner langjährigen Praxis als Dozent herauskristallisiert haben. Diese Ratschläge helfen Ihnen, jede Lehrveranstaltung nicht nur besser, sondern sogar mit mehr Freude zu absolvieren und zu bestehen.

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.

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

Warnung. Passen Sie auf, hier kann gehörig etwas schiefgehen, wenn Sie nicht vorsichtig sind.

Filme, die es zu diesem Buch gibt

Passend zu diesem Buch finden Sie eine Reihe von Filmen im Internet unter https://www.youtube.com/user/RainerSchwab (deutschsprachig) und https://www.youtube.com/user/MaterialsScience2000 (englischsprachig). Falls Sie unter diesen Adressen doch nicht fündig werden, schauen Sie sich ein wenig um, Sie kommen dann an anderer Stelle an die Videos.

Ein Buch, das es zu diesem Buch gibt

Ja, ein Buch zum Buch. Nicht absolut nötig, aber durchaus empfehlenswert. Es geht um das Übungsbuch Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung  für Dummies, im Folgenden einfach nur »Übungsbuch« genannt. Passgenau und liebevoll auf das vorliegende Buch abgestimmt, können Sie nach Herzenslust üben. Oftmals erhalten Sie erst durch das Üben ein wirkliches Verständnis und schauen hinter die Kulissen. Trauen Sie sich.

Wie es weitergeht

Gleich beginnt das erste Kapitel. In vielen Büchern steht da drin, wie wichtig die Werkstoffe für unsere Welt sind (richtig) und dass man sie in metallische und nichtmetallische, in keramische, polymere und halbleitende Werkstoffe gliedern kann (ebenfalls richtig). Da Sie das hiermit erfahren haben und diese Information momentan auch reicht, geht's jetzt richtig los.

Teil I

Ausgewählte Grundlagen als Basis

IN DIESEM TEIL …

Teil I dieses Buches widmet sich einigen Grundlagen. Wie das schon klingt: Grundlagen. So wie »Da müssen Sie halt durch«. Aber keine Angst: Es sind sorgfältig ausgewählte Grundlagen, mit denen Sie die Vorgänge im Inneren der Werkstoffe verstehen und auch mit den Werkstoffen »fühlen« können. Sie werden erkennen, dass viele Vorgänge ganz logisch sind, man kann sie oft sogar menschlich-fühlend aus Alltagserfahrungen nachvollziehen. Und einiges hat sogar tiefen philosophischen Charakter.

Kapitel 1

Von Atomen, Bindungen und Kristallen: Werkstoffe sind wunderschön

IN DIESEM KAPITEL

Wie sich Atome bindenWelche Kristallarten es gibt und wie sie sich ändern könnenDie Kristallbaufehler und ihre FolgenUnerwartete Kristalle im Alltag

Viele Menschen, die ein Stück eines Werkstoffs in der Hand halten, können sich gar nicht vorstellen, was es da im Inneren gibt. Meistens meint man, das sei so was Graues, irgendwie Langweiliges, was dann manchmal sogar noch rostet. Aber dass da charaktervolle Atome drin sind, dass die Atome miteinander Bindungen eingehen können, sich die Atome zu wunderschönen Kristallen anordnen, die Kristalle wie wir Menschen Fehler (von bemerkenswerter Ästhetik) aufweisen, dass Werkstoffe sogar verschiedene, sich ändernde Kristallarten haben können und manche Kristalle sogar im Alltag sichtbar sind, ist meist unbekannt.

Aber gemach, schauen Sie sich erst einmal die Atome im Inneren eines Werkstoffs an und erkennen Sie, warum Werkstoffe, wie alle festen Stoffe, Kräfte ertragen und sich elastisch verhalten.

Bindungen zwischen den Atomen, fast wie bei den Menschen

Stellen Sie sich einen Stab aus einem metallischen Werkstoff vor, sagen wir aus Eisen. Er soll etwa 1 cm Durchmesser haben und 20 cm lang sein. Ziehen Sie nun maßvoll an diesem Stab, dann sehen Sie, dass er diese Zugkraft aushalten kann. Was man nun nicht so leicht sieht: Er dehnt sich unter der Wirkung der Zugkraft ein klein wenig. Das ist so ähnlich, als würden Sie ein Gummiband nehmen und es mit den Händen auseinanderziehen.

Wenn Sie den Stab dann entlasten, federt er wieder in die ursprüngliche Länge zurück, genau wie das Gummiband. Der Unterschied zum Gummiband ist nur, dass die Dehnung unter der Wirkung der Kraft sehr klein und ohne Messgeräte meist nicht feststellbar ist.

Drücken Sie anschließend den Stab maßvoll zusammen, so wird er etwas zusammengestaucht. Auch das kann man mit dem bloßen Auge kaum sehen und muss es mit feinen Instrumenten messen. Nehmen Sie die Druckkraft wieder weg, so federt der Stab wieder in die ursprüngliche Länge zurück.

Dieses Verhalten nennt man elastisch.

So weit, so gut. Jetzt wissen wir natürlich alle, dass der Stab aus Atomen aufgebaut ist. Und wenn Sie an so einem Stab maßvoll ziehen und drücken können, ohne dass er auseinanderbricht oder auf andere Art versagt, dann müssen die Atome im Stab irgendwie in der Lage sein, diese Zug- und Druckkräfte aufzunehmen. Wie geht denn das?

Atome im Werkstoff

Um der Geschichte auf die Spur zu kommen, müssen wir die Atome im Werkstoff etwas näher unter die Lupe nehmen. Was sind denn überhaupt Atome? Da gibt es den relativ schweren, positiv geladenen Atomkern, um den die leichten, negativ geladenen Elektronen kreisen, so ähnlich wie Satelliten um die Erde. Halt, sagen da die Physiker und Chemiker. So einfach ist das nicht: Erstens bewegen sich die Elektronen nicht immer auf einer Kreisbahn, zweitens gibt es die Quanteneffekte und drittens dies und viertens das. Und je mehr man versucht, die Atome zu verstehen, und je mehr Fragen man beantwortet hat, desto mehr neue Fragen tauchen auf und desto unklarer wird das mit den Atomen.

Und was machen wir jetzt, die wir versuchen, die Atome im Werkstoff zu begreifen? Wir nehmen hier einfach an, dass die Atome wie ein gut zusammengeballter runder Wattebausch aufgebaut sind. Klar stimmt das nicht, ist sogar grottenfalsch, aber manche Effekte lassen sich damit anschaulich erklären.

Die Bindungskräfte

Jetzt stellen Sie sich bitte vor, Sie wären ein klitzekleiner Gnom, hätten zwei Super-Nanopinzetten, mit denen Sie sich zwei Eisenatome aus dem gedachten Eisenstab herauspicken können, und hätten die Ehre, auf der internationalen Raumstation unter Schwerelosigkeit und im Vakuum ein Experiment durchzuführen:

Sie packen das eine Atom mit der einen Pinzette in Ihrer linken Hand (ganz vorsichtig natürlich, Sie wollen die Atome nicht beeinflussen oder gar beschädigen) und das andere Atom mit der zweiten Pinzette in Ihrer rechten Hand.

Dann nähern Sie diese beiden Atome langsam einander an und fühlen, welche Kräfte die beiden Atome aufeinander ausüben.

Mit welchen Kräften ist denn da zu rechnen?

Zunächst einmal werden Sie vermuten, dass da eine abstoßende Kraft wirken muss. Das wäre doch zu erwarten, wenn man die Atome als runde, zusammengeballte Wattebäusche annimmt. Haben die Wattebäusche einen sehr großen Abstand voneinander, so berühren sie sich nicht und es wirkt natürlich auch keine Kraft. Schon bei mittlerem Abstand kann es aber sein, dass sich zwei abstehende Fäserchen berühren und eine kleine abstoßende Kraft zur Folge haben. Bei weiterer Annäherung berühren sich immer mehr abstehende Fasern, die Kraft steigt überproportional an. Und ganz stark wird die abstoßende Kraft ansteigen, wenn sich die Wattebäusche schließlich »massiv« berühren.

So kann man das mit den Wattebäuschen erklären.

Etwas wissenschaftlicher formuliert stoßen sich Atome deswegen ab, weil sich die jeweils negativ geladenen Elektronenhüllen nahe kommen und sich gleichnamige Ladungen abstoßen.

Klar, dass man jetzt ein passendes Diagramm braucht, um das darzustellen. In Abbildung 1.1 sind die zwischen zwei Atomen wirkenden Kräfte F in Abhängigkeit vom Atomabstand x aufgetragen. Anziehende Kräfte sind positiv dargestellt, abstoßende negativ. Der Atomabstand x ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten der zwei Atome, wie oben rechts im Bild eingezeichnet. Wenn Sie das Diagramm jetzt von rechts nach links lesen, erkennen Sie den beschriebenen Verlauf der abstoßenden Kraft.

Abbildung 1.1: Bindungskräfte zwischen Atomen

Was wäre aber mit unserer Welt los, wenn Atome nur abstoßende Kräfte aufeinander ausüben könnten? Denken Sie an dieser Stelle bitte kurz nach, bevor Sie weiterlesen.

Ja, ein absolutes Horrorszenario wäre das. Es gäbe dann keine festen Stoffe, natürlich auch keine Werkstoffe, nicht mal Flüssigkeiten und uns selbst gäbe es nicht, keine Erde und wer weiß, wie das Weltall aussähe. Es gäbe nur Gase, da nichts die Atome zusammenhielte.

Also müssen zwischen Atomen auch erhebliche anziehende Kräfte wirken. Deren Natur kennt man inzwischen ganz gut, insbesondere die Chemiker wissen da bestens Bescheid.

Es können je nach Atomsorte im Wesentlichen

elektrostatische Anziehungskräfte zwischen Ionen auftreten,

es kann zu Elektronenpaaren kommen, wenn sich zwei Elektronen gern haben (soll ja auch bei den Menschen so sein),

zwischen freien Elektronen und Metallatomen kann es zur Anziehung kommen und

bei manchen Kunststoffmolekülen gibt es durch Ladungsverschiebungen Anziehungskräfte.

Alles klar? Nein? Wundert mich nicht, das war nur eine kurze Aufzählung, um einen Eindruck zu bekommen. Sie brauchen das für die Werkstoffkunde auch nicht gar so genau zu wissen. Eines ist aber wichtig: Der Verlauf der anziehenden Kraft zwischen zwei Atomen verläuft deutlich »flacher« als der Verlauf der abstoßenden Kraft (siehe Abbildung 1.1).

Die abstoßende und die anziehende Kraft wirken gleichzeitig. Bei großen Atomabständen überwiegt die anziehende Kraft, bei kleinen die abstoßende Kraft, wie Sie auch am Verlauf der resultierenden Kraft sehen. Die resultierende Kraft ist einfach die Summe aus abstoßender und anziehender Kraft.

Das Besondere

Was fällt Ihnen am Verlauf der resultierenden Kraft in Abbildung 1.1 auf? Drei Erscheinungen sind bemerkenswert:

Es gibt einen Abstand x

0

zwischen zwei Atomen, bei dem sich die abstoßende und die anziehende Kraft genau die Waage halten. Das ist der Abstand zweier Atome, die Sie sich selbst überlassen. Und gleichzeitig auch der Abstand zweier Atome in einem Festkörper, auf den keine äußere Kraft wirkt. Zieht man an dem Stab, so dehnt sich der Stab elastisch, die Atome nehmen einen Abstand größer als x

0

ein. Nimmt man die äußere Kraft vom Stab weg, so federt der Stab wieder in den Ursprungszustand zurück, der Atomabstand ist wieder x

0

. Analog sind die Überlegungen bei einer Druckkraft auf den Stab. Dieses Verhalten von Atomen nennt man

Bindung

.

In

Abbildung 1.1

ist zusätzlich noch gestrichelt die Steigung der resultierenden Kraft an der Stelle x

0

eingezeichnet. Welche Bedeutung könnte diese Steigung in der Praxis haben? Sie kennzeichnet die

elastischen Eigenschaften

von Werkstoffen. Bei elastisch nachgiebigen Werkstoffen, wie Gummi, ist die Steigung flach, bei elastisch starren Werkstoffen, wie Stahl, ist sie steil.

Ja, und dann haben wir noch das Maximum der resultierenden Kraft. Das ist die größtmögliche resultierende Zugkraft, die zwei Atome aufeinander ausüben können. Mehr geht nicht, mit gar nichts auf der Welt. Und wenn man das umrechnet auf übliche Querschnitte, so kommt man auf die

theoretische Zugfestigkeit

, ein fantastisch hoher Wert. Kein massiver irdischer Werkstoff schafft diese Festigkeiten tatsächlich, weil in allen Werkstoffen immer bestimmte Fehler enthalten sind. Nur bei ganz hauchdünnen Haarkristallen, den sogenannten Whiskern, kommt man an diese Festigkeiten heran. Aber die Natur bietet uns dieses Potenzial, es ist also noch »viel drin« bei den Werkstoffen!

Und das sind die Auswirkungen in der Praxis

Je nachdem, welche Sorte von Atomen in den Werkstoffen vorkommt, können die Bindungen recht unterschiedlich sein. Bei »starken« Bindungen ist die Steigung der resultierenden Kraft bei x0 groß und die maximale Bindungskraft ist sehr hoch. Solche Werkstoffe sind in elastischer Hinsicht sehr starr, sie weisen meist hohe Zugfestigkeiten auf, ihr Schmelzpunkt liegt hoch und ihr Wärmeausdehnungskoeffizient (Wärmeausdehnung pro Grad Celsius) ist gering. Meist ist das erwünscht, beispielsweise beim Leichtbau, wenn man hohe Festigkeit und Steifigkeit braucht.

Und bei Werkstoffen mit »schwachen« Bindungen ist alles umgekehrt, sie sind in elastischer Hinsicht sehr nachgiebig, haben meist keine so hohen Festigkeiten und einen niedrigeren Schmelzpunkt. Auch das kann erwünscht sein, beispielsweise bei Gummidichtungen.

Mehr zum Thema Elastizität, Bindung und Wärmeausdehnung finden Sie in Kapitel 2; wie Sie Zugfestigkeiten messen, erkläre ich in Kapitel 6.

Alles eine Frage der Ordnung: Die wichtigsten Atomanordnungen

Nehmen Sie ruhig einmal Gegenstände aus verschiedenen Werkstoffen des Alltags in die Hand. Vielleicht ein Trinkglas, einen Hammer, eine Schere, einen Löffel, eine Zahnbürste oder was Ihnen sonst noch einfällt. Jetzt stellen Sie sich vor, Sie hätten ein Super-Elektronenmikroskop und könnten Ihre Gegenstände nach Herzenslust vergrößern und vergrößern und vergrößern. Wenn Sie dann so etwa bei hundertmillionenfacher Vergrößerung angelangt wären, könnten Sie die Atome prima sehen. Ein Eisenatom in der Schere hätte dann einen Durchmesser von etwa 2,5 cm.

Sie könnten dann nicht nur die Atome an sich sehen, sondern auch, wie sie sich im Werkstoff anordnen. Welche grundsätzlichen Möglichkeiten gibt es denn da? Atome in Werkstoffen können entweder völlig regellos angeordnet sein oder schön regelmäßig.

Regellose Anordnung der Atome – es lebe das Chaos

Alle Werkstoffe, in denen die Atome völlig regellos vorliegen, also total durcheinander, ohne jede Ordnung, wie Kartoffeln in einem Sack, werden in der Wissenschaft grundsätzlich Gläser genannt. Man spricht häufig auch von amorphen Werkstoffen; amorph bedeutet »ohne Form, ohne Struktur«. »Glas« bedeutet also nicht, dass man da immer hindurchsehen kann, sondern »Werkstoff mit regelloser Atomanordnung«. Die Wissenschaft unterscheidet:

anorganische Gläser

(Fensterglas, optische Gläser)

metallische Gläser

(die sind eine Besonderheit unter den Metallen, übrigens genauso glänzend und undurchsichtig wie die »normalen« kristallinen Metalle)

amorphe Kunststoffe

(bei denen sind die Moleküle regellos verteilt)

Die regellose Anordnung der Atome (beziehungsweise Moleküle) erzielt man überwiegend, indem man die Werkstoffe erst aufschmilzt (dann hat man ja das Chaos) und dann so schnell abkühlt, dass das Chaos »eingefroren« wird. Weitere Informationen zu den Gläsern erhalten Sie in Kapitel 18.

Regelmäßige Anordnung der Atome – es lebe die Ordnung

In den meisten Werkstoffen ordnen sich die Atome regelmäßig an, wie normalerweise bei den Metallen und Legierungen. Man spricht dann von Kristallen, Kristallstrukturen und Kristallgittern. So etwas finden Sie auch bei den Menschen. Beispielsweise, wenn der Musikverein zum 100-jährigen Bestehen in Reih und Glied wohlgeordnet in die große Festhalle einmarschiert. Das ist dann ein Kristall aus Menschen. Die große Menschenmenge, die ungeordnet nachfolgt, wäre übrigens eher eine Flüssigkeit oder ein Glas.

Und die Atome haben Charakter:

Manche sind »schleckig«, sie wollen Bindungen mit ihren Nachbaratomen nur in ganz bestimmten räumlichen Richtungen eingehen. Dadurch bleibt ziemlich viel Platz zwischen den Atomen leer und die Kristallgitter sind eher

locker gepackt

, wie beim Diamant.

Anderen Atome wiederum ist es nicht ganz so wichtig, in welche räumlichen Richtungen die Bindungen geknüpft werden. Sie wollen vor allem viele Nachbaratome um sich herum haben. Das führt dann zu recht

dicht gepackten

Kristallgittern, wie sie bei den Metallen vorkommen.

Sehen Sie, so wie es Unterschiede zwischen uns Menschen gibt, so gibt es auch Unterschiede zwischen den Atomen. Und damit auch jede Menge einfacher, aber auch komplizierter Kristallgitter. Im Folgenden möchte ich Ihnen die drei wichtigsten Kristallgitter der metallischen Werkstoffe vorstellen.

Schauen Sie sich diese drei Kristallgitter in Ruhe an. Links in den Abbildungen ist jeweils das sogenannte »Drahtmodell« zu sehen, rechts das »Kugelmodell«. Beide Modelle haben so ihre Vor- und Nachteile. Beim Drahtmodell sieht man die Lage der Atome recht gut, aber man kann nicht so leicht erkennen, wo sich die Atome berühren. Beim Kugelmodell ist es gerade umgekehrt.

Was ist nun das Besondere an den drei Kristallgittern?

Das kubisch-flächenzentrierte Gitter

Beim kubisch-flächenzentrierten (kfz) Gitter sitzt jeweils ein Atom an den Ecken eines Würfels, deswegen heißt es ja auch kubisch (von »cubus«, lateinisch für Würfel). Zusätzlich gibt es noch jeweils ein Atom mitten in den Seitenflächen, deswegen nennt man es flächenzentriert.

Abbildung 1.2: Das kubisch-flächenzentrierte Kristallgitter

Anhand des Kugelmodells in Abbildung 1.2 erkennen Sie, dass sich die Atome entlang der Flächendiagonalen berühren. Was man aber nicht so leicht sieht: Das kfz-Gitter ist die dichtestmögliche Packung von Kugeln im Raum. Mit nichts auf der Welt, weder praktisch noch theoretisch, können Sie gleich große Kugeln dichter packen als es das kfz-Gitter tut. Beispiele für Metalle mit kfz-Gitter sind Aluminium, Kupfer und Nickel, und nicht völlig daneben ist es, wenn Sie sich das merken.

Das kubisch-raumzentrierte Gitter

Beim kubisch-raumzentrierten (krz) Gitter sitzt je ein Atom an den Ecken eines Würfels und ein weiteres Atom im Raumzentrum, daher der Name.

Abbildung 1.3: Das kubisch-raumzentrierte Kristallgitter

Die Atome berühren sich entlang der Raumdiagonalen; zwischen den Eckatomen bleibt ein bisschen Platz übrig (siehe Abbildung 1.3). Daraus ist zu vermuten, dass das krz-Gitter nicht ganz so dicht gepackt ist wie das kfz-Gitter, was auch wirklich so ist. Beispiele für Metalle mit krz-Gitter sind Chrom und Molybdän, auch hier lohnt sich merken.

Das hexagonal dichtest gepackte Gitter

Beim hexagonal dichtest gepackten (hdp) Gitter bilden die Atome der untersten Ebene ein regelmäßiges Sechseck (also ein Hexagon, griechisch für Sechseck) mit einem Atom in der Mitte (siehe Abbildung 1.4).

Abbildung 1.4: Das hexagonal dichtest gepackte Kristallgitter

Das ist so, als hätten Sie sieben Tischtennisbälle auf Ihrem Schreibtisch schön dicht aneinandergelegt und an den Berührstellen miteinander verklebt. Legen Sie drei weitere Tischtennisbälle in die Vertiefungen der unteren Ebene, erhalten Sie die mittlere Schicht. So, und zum Schluss kommt die dritte, oberste Schicht drauf, wiederum in die Vertiefungen der mittleren Schicht hineingelegt, und zwar mit derselben Anordnung wie bei der untersten Schicht. Fertig ist das hdp-Gitter.

Was man vermuten kann, ist die ebenfalls sehr dichte Packung der Atome. Und tatsächlich hat auch das hdp-Gitter die dichtestmögliche Packung von Kugeln im Raum, genau so dicht wie beim kfz-Gitter. Beispiele für Metalle mit hdp-Gitter sind Zink und Magnesium.

Bedeutung in der Praxis

Normalerweise sieht man den Metallen ihren kristallinen Aufbau gar nicht an. Erst nach entsprechender Vorbereitung werden die Kristalle unter dem Mikroskop sichtbar. Mehr darüber erfahren Sie in Kapitel 10.

Nur in Ausnahmefällen, wenn Metallkristalle weitgehend frei wachsen, kann man den kristallinen Aufbau auch direkt und ohne Präparation vermuten. Abbildung 1.5 zeigt den Blick auf eine Schweißnaht an einem Rohrstück aus einem rostfreien Stahl. Mit dem Auge allein sehen Sie nicht viel (siehe links oben eingeblendetes Bild). Mit dem Rasterelektronenmikroskop aber kommt die volle Pracht heraus. Wunderschöne Kriställchen mit vielen Seitenarmen, den sogenannten Dendriten, sind an der Oberfläche sichtbar.

Eigentlich könnten Sie argumentieren: Was interessiert mich das, wie die Atome im Metall angeordnet sind? Sie glauben aber gar nicht, wie sehr sich die Atomanordnung bemerkbar macht. Im Grunde wirkt sie sich auf alle Eigenschaften aus, zwei besondere möchte ich hervorheben:

Die kubisch-flächenzentriert aufgebauten Werkstoffe sind auch bei tiefen Temperaturen noch sehr zäh, lassen sich also gut plastisch verformen. Demgegenüber werden die kubisch-raumzentriert und hexagonal dichtest gepackt aufgebauten Werkstoffe bei tiefen Temperaturen spröde. Weitere Informationen dazu gibt's in

Kapitel 8

.

Die Fähigkeit, Legierungen zu bilden, unterscheidet sich beim kfz- und krz-Gitter sehr. Näheres dazu finden Sie beim Beispiel Eisen in den

Kapiteln 5

und

15

.

Abbildung 1.5: Blick auf die Oberfläche einer Schweißnaht aus einem rostfreien Stahl, aufgenommen mit dem Rasterelektronenmikroskop

Also: Die Kristallgitter haben's in sich! Wenn Sie möchten, packen Sie die Aufgaben dazu im Übungsbuch an. Das sind richtige »Klassiker« in der Werkstoffkunde, sie helfen Ihnen, die Kristallgitter wirklich zu verstehen.

Polymorphie bei Kristallen, die unglaublichen Vorgänge im Inneren

Normalerweise hat jedes Metall eine bestimmte Kristallart, und zwar im gesamten Temperaturbereich vom absoluten Nullpunkt bis zum Schmelzpunkt. So ist Aluminium im gesamten Temperaturbereich kubisch-flächenzentriert und Chrom kubisch-raumzentriert aufgebaut.

Manche Metalle aber weisen in Abhängigkeit von der Temperatur (und auch vom Druck) verrückterweise mehrere Kristallarten auf. Dieses Phänomen nennt man Polymorphie, was man ungefähr mit »Vielstruktur« übersetzen kann.

Das bekannteste und wichtigste Beispiel hierfür ist das Element Eisen, und an diesem Beispiel möchte ich Ihnen die Polymorphie erklären (siehe Abbildung 1.6).

Stellen Sie sich ein kleines Stückchen reinen Eisens vor, ein Blumendraht kommt der Sache schon sehr nahe. Kühlt man dieses Stückchen reinen Eisens bis in die Nähe des absoluten Nullpunkts, also –273 °C ab und untersucht es auf seine Kristallstruktur (kann man mit Röntgenstrahlen machen), so stellt man fest, dass es kubisch-raumzentriert aufgebaut ist. Erwärmt man das Eisen nun langsam nach und nach und untersucht es laufend, so findet man heraus, dass es die kubisch-raumzentrierte Struktur zunächst beibehält.

Abbildung 1.6: Polymorphie bei Eisen

Bei 911 °C aber wandelt sich das Eisen abrupt in die kubisch-flächenzentrierte Struktur um, die dann bei höheren Temperaturen vorliegt. Wer nun meint, die kfz-Struktur sei dann bis zum Schmelzpunkt vorhanden, der irrt. Zu allem Überfluss wandelt sich das Eisen bei 1392 °C wieder in die krz-Struktur um, die dann bis zum Schmelzpunkt von 1536 °C bleibt. Fast kommt man zu der Ansicht, das Eisen wisse nicht, was es will. Bei abnehmenden Temperaturen verläuft übrigens alles wieder in umgekehrter Reihenfolge.

Die bei Eisen auftretenden Kristallgitter benennt man mit griechischen Buchstaben und zusätzlich auch mit Namen:

Das kubisch-raumzentriert aufgebaute Eisen bei tiefen Temperaturen heißt

α

-Eisen

oder auch

Ferrit

, benannt nach dem lateinischen Namen für Eisen, Ferrum.

Das kubisch-flächenzentriert aufgebaute Eisen heißt

γ

-Eisen

oder

Austenit

, benannt zu Ehren von Sir William Chandler Roberts-Austen, einem britischen Metallurgen.

Das kubisch-raumzentriert aufgebaute Eisen bei hohen Temperaturen heißt

δ

-Eisen

oder

δ

-Ferrit

. Es ist genau gleich wie das α-Eisen.

Und so ganz beiläufig: Die Artikel sind männlich, es heißt der Ferrit und der Austenit. Verzeihen Sie mir, wenn ich das anmerke, es ist oftmals nicht bekannt.

Wo das β-Eisen geblieben ist

Logischerweise käme nach α doch β und dann erst γ im griechischen Alphabet. Und wo ist dann das β-Eisen geblieben? Früher hat man geglaubt, das »unmagnetische«, genauer paramagnetische Eisen oberhalb von 769 °C hätte eine eigene Kristallstruktur, und hat es β-Eisen genannt. Später erst hat man festgestellt, dass die Kristallstruktur des β- und des α-Eisens gleich sind, nämlich kubisch-raumzentriert. Tja, und nachdem die Begriffe γ-Eisen und δ-Eisen schon so richtig eingebrannt waren bei den Wissenschaftlern, hat man sie belassen und das β-Eisen einfach »vergessen«. Unter den Teppich gekehrt.

Nun eine absolut berechtigte Frage, vielleicht ging Ihnen das auch schon durch den Kopf: Warum tut das Eisen denn das? Es könnte doch einfach nur in der krz- oder kfz-Struktur vorliegen. Besser hätte ich die Frage nicht gestellt, denn ich weiß keine richtig überzeugende Antwort darauf. Die Wissenschaft sagt, die Natur strebe immer den energetisch günstigsten Zustand an. Und zwischen 911 und 1392 °C sei halt das kfz-Gitter das energetisch günstigere und deswegen gibt es das. Aber warum das gerade hier energetisch günstiger ist …

Und warum erzähle ich so viel von dieser Polymorphie des Eisens und den polymorphen Umwandlungen? Die sind enorm wichtig, sie sind die Grundlage für die meisten Wärmebehandlungen der Stähle, beispielsweise für das Härten. Mehr dazu finden Sie in Kapitel 14, und das Übungsbuch hat auch noch etwas Feines auf Lager.

So, und jetzt die letzte Frage hierzu: Gibt es die Polymorphie auch bei anderen Stoffen und unter anderen Bedingungen? Ja, die Polymorphie tritt auch bei Titan, Zinn, manchen anderen Metallen und anderen Elementen auf, auch bei besonderen Legierungen und chemischen Verbindungen, bei speziellen Keramiken sowie Gesteinsarten. Und sie ist zusätzlich noch abhängig vom Druck.

Schön sind sie, die Kristalle im Inneren vieler Werkstoffe. Aber wie fast immer im Leben: Nichts ist perfekt, und auch die Kristalle im Werkstoff nicht.

Kristallbaufehler: Nichts ist perfekt

Dass Kristalle in vielen Werkstoffen vorkommen, haben die Wissenschaftler schon lange vermutet. So richtig beweisen konnte man das aber erst vor rund hundert Jahren. Damals hatte Wilhelm Conrad Röntgen die Röntgenstrahlung entdeckt und zuerst in der Medizin angewandt. Etwas später kamen dann die Materialwissenschaftler, die haben mit Röntgenstrahlen auf Werkstoffe geschossen und beobachtet, was dabei passiert. So konnte man erstmals den kristallinen Aufbau von Metallen direkt nachweisen.

Dann aber fuhr den Wissenschaftlern ein Schreck durch die Glieder. Wie konnte es denn sein, dass ein Stück Eisen kristallin aufgebaut ist und sich dennoch plastisch verformen lässt, zum Beispiel durch Walzen? Alle Stoffe, denen man den kristallinen Zustand ansehen kann, beispielsweise Kochsalzkristalle, Bergkristalle, Saphire, sind ja spröde. Und was passiert denn im Eisen beim Walzen? Gehen da die Kristalle kaputt?