Metalle

Table of Contents

1. Frontmatter

2. 1. Allgemeiner Überblick

   Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

   Zusammenfassung

   Dieses Kapitel behandelt das Vorkommen, die Geschichte der Verwendung und die Eigenschaften der Metalle und beschreibt die Aufgaben der Metallkunde.

3. 2. Übergang in den festen Zustand

   Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

   Zusammenfassung

   Die Übergänge zwischen den Aggregatzuständen werden für Metalle besprochen und die thermodynamischen Zusammenhänge dargestellt. Die Keimbildung bei der homogenen und heterogenen Erstarrung wird behandelt. Mögliche Gefügeausbildung sowie Defekte werden beschrieben und Voraussetzungen für die Herstellung von Einkristallen genannt.

4. 3. Strukturen fester Phasen

   Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

   Zusammenfassung

   Im festen Zustand kann ein Metall als Kristall, als Quasikristall oder als Glas vorliegen. Die metallische Bindung mit der Anordnung der Atome und ihre Verteilung im Raum werden besprochen. Für die wichtigsten Kristallstrukturen der Metalle werden die Elementarzellen und ihre Koordinationszahl dargestellt. Die Möglichkeiten der Beschreibung von Kristallgittern durch Punkte, Richtungen und Ebenen sowie ihre Darstellung in der stereographischen Projektion werden erläutert. Verbindungen aus zwei oder mehr Metallatomen werden intermetallische Phasen genannt; wichtige Typen von Verbindungen werden besprochen.

5. 4. Phasengleichgewichte

   Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

   Zusammenfassung

   Es werden die thermodynamischen Grundlagen heterogener Phasengleichgewichte in Mischphasen von Legierungen behandelt, die in homogenen (einphasigen) oder heterogenen (mehrphasigen) Gefügen auftreten können. Die Begriffe Mischkristall, Phasengemisch und Ordnung werden definiert. Wichtige Grundtypen von Zustandsdiagrammen und den auftretenden Reaktionen werden für Zwei- und Mehrstoffsysteme am Beispiel von wichtigen System erläutert.

6. 5. Gitterbaufehler und Gefüge

   Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

   Zusammenfassung

   Die Beschreibung der Metallkristalle als Anordnung von Atomen in einem idealen Raumgitter ist nur näherungsweise richtig. Es treten Abweichungen von der regelmäßigen Besetzung der Gitterpunkte der Kristallstrukturen durch Atome auf, die als Gitterbaufehler bezeichnet werden. Hierzu zählen Leerstellen, Zwischengitter- und Substitutionsatome, Versetzungen, Korngrenzen, Zwillingsgrenzen Stapelfehler, Antiphasengrenzen und Phasengrenzen. Oberhalb 0 K ist stets eine bestimmte Zahl dieser Baufehler in Kristallen im thermodynamischen Gleichgewicht vorhanden. Der Begriff des Gefüges wird eingeführt und wichtige Aspekte der Metallgefüge erörtert.

7. 6. Physikalische Eigenschaften

   Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

   Zusammenfassung

   Die elektronische Struktur der Metalle ist die Grundlage der metallischen Bindung und damit aller intrinsischen physikalischen und technischen Eigenschaften. In diesem Kapitel werden deshalb zunächst die freien Elektronen und das Bändermodell behandelt, insbesondere als Einführung in die elektrische und thermische Leitfähigkeit und als Grundlage für die Behandlung der magnetischen Werkstoffe und der Supraleiter.

8. 7. Mechanische Eigenschaften

   Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

   Zusammenfassung

   In diesem Kapitel werden die wichtigsten mechanischen Eigenschaften von Metallen und deren Ursache behandelt. Möglichkeiten der Verfestigung (Härtungsmechanismen) werden besprochen. Die Vorgänge während der elastischen und der plastischen Verformung bis hin zum Bruch werden beschrieben. Es wird zwischen einsinniger (statischer) und zyklischer Belastung (Ermüdung) unterschieden. Auf die Besonderheiten der Verformung bei hoher Temperatur wird eingegangen.

9. 8. Diffusion und Ausheilreaktionen

   Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

   Zusammenfassung

   Als thermisch aktivierte Platzwechsel betrachten wir Einzelsprünge von Atomen im Kristallgitter aufgrund thermischer Anregung, die als Diffusion bezeichnet wird. Thermisch aktivierte Ausheilreaktionen führen zum Abbau von Gitterbaufehlern, die nicht im thermodynamischen Gleichgewicht stehen (Erholung): Versetzungen lagern sich um oder löschen sich gegenseitig aus. In verformten Metallen tritt bei Temperaturen oberhalb des Bereichs der Erholung Rekristallisation mit Neubildung und Wachstum von weitgehend versetzungsfreien Körnern auf. Beide Prozesse basieren auf Diffusionsvorgängen.

10. 9. Strukturelle Phasenumwandlungen

    Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

    Zusammenfassung

    Als strukturelle Phasenumwandlungen werden alle Phasenübergänge im festen Zustand bezeichnet, die mit Änderungen der Struktur und des Volumenanteils der Phasen verbunden sind. In diesem Kapitel werden die thermodynamischen Grundlagen dieser Umwandlungen behandelt. Es werden verschiedenen Umwandlungstypen erläutert: Diffusionsabhängige und diffusionslose Umwandlungen, solche mit und ohne Strukturänderung, die gekoppelte Bildung von zwei oder mehr Phasen sowie die Umwandlung durch Scherung des Gitters. Die für Stähle wichtige martensitische, bainitische und perlitische Umwandlung werden erläutert.

11. 10. Untersuchungsmethoden der Mikrostruktur

    Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

    Zusammenfassung

    In diesem Kapitel werden Methoden zur Untersuchung der Mikrostruktur besprochen. Dabei wird zwischen mikroskopische und makroskopische Methoden unterschieden. Zu den Ersteren zählen insbesondere die Methoden zur direkten Beobachtung des Gefüges (Lichtmikroskopie, Elektronenmikroskopie) sowie die Beugung (von Röntgenstrahlen, Elektronen, Neutronen). Die Bestimmung der Atomart (Mikroanalyse) wird erwähnt, wenn sie im Zusammenhang mit dem Gefüge erfolgt. Zu den makroskopischen Methoden zählen Techniken zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften wie z. B. Messung des elektrischen Widerstands, der magnetischer Eigenschaften, der mechanische Dämpfung, die Dilatometrie, die thermische Analyse und die Kalorimetrie.

12. 11. Erstarrung, Gusswerkstoffe

    Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

    Zusammenfassung

    Das Kapitel behandelt die Erstarrung von Metallschmelzen und die damit einhergehende Bildung von Mischkristallen in mehrkomponentigen Legierungen. Die Ursachen für die in technischen Legierungen beobachteten Seigerungen werden besprochen. Schließlich wird auf technisch bedeutende Gusslegierungen wie verschiedene Gusseisen-, Aluminium- und Magnesiumgusslegierungen eingegangen und deren Gefüge erläutert. Als neues Fertigungsverfahren wird die Additive Fertigung beschrieben.

13. 12. Umformung, Knetlegierungen

    Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

    Zusammenfassung

    Die technischen Verfahren von Formgebung und Kaltverfestigung hängen eng zusammen. In diesem Kapitel werden die wichtigsten Formgebungsverfahren und ihre Zusammenhänge mit deren metallkundlichen Grundlagen sowie deren Anwendung bei Knetlegierungen behandelt.

14. 13. Pulvermetallurgie

    Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

    Zusammenfassung

    Die Pulvermetallurgie behandelt die Verfahren, mit denen aus Metallpulvern Werkstoffe und Bauteile hergestellt werden. Mit diesem Verfahrensweg wird der flüssige Zustand umgangen. Die Sintertheorie wird erläutert und einige pulvermetallurgische Werkstoffe vorgestellt.

15. 14. Teilchengehärtete Legierungen

    Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

    Zusammenfassung

    Ausscheidung aus übersättigten Mischkristallen ist die vielseitigste Methode zur Erzeugung sehr feiner Dispersionen einer zweiten Phase in einem Grundgitter. Ausscheidung erfolgt meist nach dem Homogenisieren im Bereich einer bei hohen Temperaturen stabilen Mischkristallphase während einer anschließenden isothermen Anlassbehandlung bei niedrigeren Temperaturen im Zweiphasengebiet des Ausgangsmischkristalls mit einer stabilen oder metastabilen Phase. Die Wechselwirkungen von Versetzungen mit Ausscheidungen werden erläutert und die bedeutenden Systeme der ausscheidungshärtbaren Aluminium- und Nickellegierungen eingehend besprochen.

16. 15. Stähle

    Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

    Zusammenfassung

    In diesem Kapitel werden die Stähle mit ihren Gefügen und mechanischen Eigenschaften behandelt. Als Stähle werden praktisch alle verformbaren technischen Legierungen des Eisens bezeichnet. Die größte Gruppe stellen die Eisen-Kohlenstoff-Legierungen (Kohlenstoffstähle) dar. Ihre wirtschaftliche Bedeutung beruht auf ihrer großen Verbreitung als wichtigster metallischer Konstruktionswerkstoff, den relativ geringen Herstellungs- und Verarbeitungskosten sowie der nahezu vollständigen Rezyklierbarkeit (Schrottkreislauf). Ihre metallkundliche und technische Bedeutung ist auf die Vielfalt der Phasengleichgewichte und -umwandlungen des Eisens und seiner Legierungen und der dadurch erzielbaren Eigenschaften zurückzuführen. Nach Anwendungen werden Stähle auch grob in Baustähle, Werkzeugstähle, chemisch beständige Stähle und Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften eingeteilt.

17. 16. Magnetische Werkstoffe

    Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

    Zusammenfassung

    In diesem Kapitel werden die ferromagnetischen Werkstoffe, kurz als Magnetwerkstoffe bezeichnet, vorgestellt. Die Ursache des Ferromagnetismus wird behandelt und das magnetische Werkstoffverhalten erläutert. Wichtige weichmagnetische und hartmagnetische Werkstoffe werden besprochen. Magnetische Anomalien verursachen besonderes Werkstoffverhalten wie den Invar-Effekt oder die magneto-mechanische Dämpfung.

18. 17. Korrosion, Verschleiß, Oberflächenbehandlung

    Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

    Zusammenfassung

    Dieses Kapitel beschäftigt sich mit Prozessen, die sich an der Werkstoffoberfläche abspielen. Hierzu gehören chemische Prozess wie die Nasskorrosion und die Hochtemperaturkorrosion genauso wie mechanische Vorgänge wie Reibung und Verschleiß. Es werden Oberflächenbehandlungen zur gezielten Einstellung von Oberflächeneigenschaften vorgestellt, z. B. um den Widerstand gegen Korrosion, Verschleiß oder Ermüdungsrissbildung zu erhöhen.

19. 18. Werkstoffe im Vergleich und Verbund

    Erhard Hornbogen, Hans Warlimont, Birgit Skrotzki

    Zusammenfassung

    In diesem Kapitel werden die wesentlichen Grundlagen der Werkstoffgruppen Keramik und Polymere vorgestellt. Zusammen mit den Metallen können daraus Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde hergestellt werden. Ein Verbundwerkstoff besteht aus einer Matrix, in die viele Teilchen, Fasern etc. regellos oder orientiert eingebettet werden. Zu einem Werkstoffverbund werden zwei Stoffe mit verschiedenen Eigenschaften zusammengefügt. Als Werkstoffe mit besonderen Eigenschaften werden schließlich in diesem Kapitel metallische und keramische Supraleiter, metallische Gläser und Legierungen mit Formgedächtnis ausführlich besprochen.

20. Backmatter