Metallkunde

Frontmatter

Kapitel 1. Allgemeiner Überblick

Zusammenfassung

In der Natur sind Metalle recht selten (Gold, Meteoriteisen). Ein Blick auf das Periodische System (Anhang Al) lehrt jedoch, daß der größte Teil der Elemente zu den Metallen gehört. Sie sind in der oxidierenden Atmosphäre der Erde nicht stabil, liegen deshalb meist als Oxide vor und müssen zur Gewinnung reduziert und im Gebrauch meist vor Reoxidation geschützt werden.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 2. Übergang in den festen Zustand

Zusammenfassung

Metalle können wie alle Materie bei verschiedener Temperatur im thermodynamischen Gleichgewicht in vier Zuständen auftreten: Plasma, Gas, Flüssigkeit und Kristall. Der metallische Werkstoff kann aus allen diesen Zuständen entstehen. Im Plasma könen sich sowohl die Atomkerne als auch die Elektronen unabhängig voneinander bewegen. Im idealen Kristall sind sie dagegen in ganz bestimmter Weise angeordnet. Der höchste Ordnungsgrad ist bei 0 K zu erwarten. Das Maß der Abweichung von der maximalen Ordnung im perfekten, kristallinen Festkörper ist die Entropie S.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 3. Strukturen fester Phasen

Zusammenfassung

In Kapitel 2 wurde besprochen, wie reine Metalle aus dem flüssigen und gasförmigen Zustand in den festen Zustand übergehen. Dabei können grundsätzlich drei Arten von festen Phasen entstehen (Tabelle 3.1). Die Ordnung ihrer Atompositionen nimmt in der Reihenfolge metallisches Glas → Quasikristall → Kristall zu. Die meisten metallischen Werkstoffe bestehen aus vielen kleinen Kristallen. Hier sollen die Möglichkeiten der Anordnung von Metallatomen in den Kristallen oder Kristalliten, aus denen das Gefüge aufgebaut ist, behandelt werden.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 4. Phasengleichgewichte

Zusammenfassung

Bisher ist nur die Struktur reiner Metalle oder in ihrer chemischen Zusammensetzung definierter Verbindungen behandelt worden. Viel häufiger treten aber Legierungen auf, d.h. Atomgemische mit metallischen Eigenschaften, von denen mindestens eine Atomart ein Metall ist. Im kristallinen Zustand gibt es in Legierungen Mischkristallphasen, die aus dem Kristallgitter eines der Elemente bestehen, in dem Atome der anderen Komponenten regellos verteilt sind, und intermetallische Phasen, die ein von den Komponenten abweichendes Kristallgitter haben (Kap. 3).

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 5. Gitterbaufehler, Phasengrenzen, Gefüge

Zusammenfassung

Die Beschreibung der Metallkristalle als Anordnung von Atomen in einem idealen Raumgitter ist in Wirklichkeit nur näherungsweise richtig. Es treten Abweichungen von der regelmäßigen Besetzung der Gitterpunkte der Kristallstrukturen durch Atome auf, die als Gitterbaufehler bezeichnet werden. Oberhalb 0 K ist stets eine bestimmte Zahl dieser Baufehler in Kristallen im thermodynamischen Gleichgewicht vorhanden. Dies gilt für Leerstellen und gelöste Atome. Die Energie von Versetzungen und Korngrenzen ist so hoch, daß sie praktisch nicht im Gleichgewicht vorkommen können. Sie entstehen z. B. beim Erstarren oder durch plastische Verformung oder Bestrahlung. Heterogenität von Legierungen (Kap. 4) bedeutet, daß Phasengrenzen auftreten müssen. Diese Art der strukturellen Diskontinuität ist uns bei der Keimbildung (2.4) bereits begegnet. Nach ihren geometrischen Eigenschaften kann man Gitterbaufehler nach Tabelle 5.1 einteilen.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 6. Physikalische Eigenschaften

Zusammenfassung

Die elektronische Struktur der Metalle ist die Grundlage der metallischen Bindung und damit aller intrinsischen physikalischen und technischen Eigenschaften. In diesem Kapitel behandeln wir deshalb zunächst die freien Elektronen und das Bändermodell, insbesondere als Einführung in die elektrische und thermische Leitfähigkeit und als Grundlage für die Behandlung der magnetischen Werkstoffe (Kap. 16) und der Supraleiter (Kap. 18.3).

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 7. Mechanische Eigenschaften

Zusammenfassung

Die mechanischen Eigenschaften der Metalle werden getrennt von den anderen physikalischen Eigenschaften behandelt, weil sie ein zentrales Gebiet der Metallkunde sind; sie umfassen

• die elastische Verformung,
• die Streckgrenze oder Fließspannung als Spannung bei Beginn der plastischen Verformung,
• die Erhöhung der Streckgrenze durch Härtungsmechanismen,
• die plastische Verformung mit Verfestigung und dynamischer Erholung, Entfestigung,
• den Bruch,
• die zeitabhängigen Verformungsvorgänge bei niedrigen Temperaturen: an-elastische Verformung, elastische Nachwirkung, Spannungsrelaxation,
• die zeitabhängigen Verformungsvorgänge bei höheren Temperaturen: Kriechen und Superplastizität,
• Verformung bei wechselnder (anstatt bei einsinniger) Beanspruchung und Ermüdung,
• Oberflächenverformung bei reibender Beanspruchung und Verschleiß (Kap. 17),
• anomale quasi-elastische und reversible plastische Verformung durch Pseudoelastizität und Formgedächtniseffekte (Kap. 18).

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Kapitel 8. Diffusion und Ausheilreaktionen

Zusammenfassung

Als thermisch aktivierte Platzwechsel betrachten wir Einzelsprünge von Atomen im Kristallgitter aufgrund thermischer Anregung. Für solche Platzwechsel stehen Einlagerungsatomen wegen ihrer geringen Löslichkeit meistens alle benachbarten Zwischengitterplätze frei; Gitter- und Substitutionsatome benötigen dagegen für Platzwechsel benachbarte Leerstellen, deren Konzentration erheblich geringer ist. Thermisch aktivierte Reaktionen in Substitutionsmischkristallen hängen deshalb vorwiegend von der Leerstellenkonzentration und deren Temperaturabhängigkeit ab.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 9. Strukturelle Phasenumwandlungen

Zusammenfassung

Als strukturelle Phasenumwandlungen werden alle Phasenübergänge im festen Zustand bezeichnet, die mit Strukturänderungen verbunden sind. Dazu zählen auch Umwandlungen zwischen dem amorphen Zustand und Kristallphasen. Dagegen zählen zum Beispiel magnetische, Normalleiter-Supraleiter- und Metall-Halbleiter-Phasenübergänge nicht zu den strukturellen Umwandlungen, selbst wenn sie mit schwachen Verzerrungen (z. B. Magnetostriktion λ = 10⁻⁵ ... 10⁻⁶) verbunden sind.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 10. Untersuchungsmethoden der Mikrostruktur

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden mikroskopische und makroskopische Methoden unterschieden. Zu den ersteren zählen insbesondere die Methoden zur direkten Beobachtung des Gefüges (Metallmikroskopie) sowie die Beugung (Röntgenstrahlen, Elektronen, Neutronen). Die Bestimmung der Atomart (Mikroanalyse) wird erwähnt, wenn sie im Zusammenhang mit dem Gefüge erfolgt.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 11. Erstarrung, Gußwerkstoffe

Zusammenfassung

Ein Blick auf verschiedene Zustandsdiagramme läßt erkennen, daß die meisten Metalle im flüssigen Zustand völlig mischbar sind (Kap. 4). Das ist qualitativ dadurch zu erklären, daß die im festen Zustand durch Kristallstruktur und Atomradius gegebene Begrenzung der Mischbarkeit im flüssigen Zustand wegfällt. Es bleibt lediglich die chemische Bindung, die häufig zu Nahordnung oder Nahentmischung und, bei einigen Legierungen, dazu führt, daß Mischungslücken bis zu fast völliger Unmischbarkeit (Abb. 4.9) auch im flüssigen Zustand auftreten können (nur elektronischer Einfluß, Kap. 6).

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 12. Umformung, Knetlegierungen

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.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 13. Pulvermetallurgie

Zusammenfassung

Die Pulvermetallurgie behandelt die Verfahren, mit denen aus Metallpulvern Werkstoffe und Teile hergestellt werden. Mit diesem Verfahrensweg wird der flüssige Zustand umgangen. Pulvermetallurgische Verfahren werden aus verschiedenen Gründen eingesetzt:

• Die Formgebung von Teilen kann einfacher und kostengünstiger erfolgen, zum Beispiel durch Reduzierung der Zahl und Kosten von Bearbeitungsschritten; Pulvermetallurgie ist damit ein wichtiges Verfahren zur endformnahen Herstellung von Teilen.
• Der pulvermetallurgische Verfahrensweg wird angewendet, wenn ein Erschmelzen wegen der hohen Schmelztemperatur (z. B. Wolfram, T _kf = 3410°C) der Reaktivität (z. B. Beryllium) oder der Sprödigkeit (z. B. intermetallische Phasen) eines Werkstoffes ungünstig ist.
• Manche nützliche Gefügezustände wie geringe Korngröße, besonders feine, gleichmäßige Verteilung unlöslicher Phasen, Porosität, Textur können in vielen Fällen nicht über den Schmelzzustand hergestellt werden.
• Manche Eigenschaften lassen sich nur über den pulvermetallurgischen Weg erzielen wie die hartmagnetischen Werkstoffe auf der Basis intermetallischer Phasen, Kap. 16.
• Gemische beliebiger metallischer Phasen und Gemische von Metallen mit anderen Werkstoffgruppen (z. B. Oxid, Karbid, Polymer) können in vielen Fällen nur pulvermetallurgisch hergestellt werden.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 14. Teilchengehärtete Legierungen

Zusammenfassung

Ausscheidung aus übersättigten Mischkristallen ist die vielseitigste Methode zur Erzeugung sehr feiner Dispersionen einer zweiten Phase in einem Grundgitter. Andere Möglichkeiten sind Innere Oxidation, mechanisches Legieren oder Mischen und Sintern von Pulverteilchen. 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. Beginnend mit der Keimbildung wachsen Teilchen mit zunehmendem Durchmesser d _T aus dem übersättigten Mischkristall (vgl. Kap. 9; Abb. 14.1). Nach der Ausscheidung des Mengenanteils, welcher dem Gleichgewicht entspricht (Kap. 4), ist das Wachstum jedoch nicht beendet. Die anschließende Teilchenvergröberung, die bereits während des Wachstums eingesetzt hat, erfolgt dann bei gleichbleibenden Volumenanteilen f _T: Ostwaldreifung. Der Teilchenabstand S _T vergrößert sich dabei entsprechend dem Wachstum des Durchmessers d _T (9.8): c ≈1 ist eine Konstante, die von der Form und Verteilung der Teilchen abhängt.

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Kapitel 15. Stähle

Zusammenfassung

Als Stähle werden praktisch alle verformbaren technischen Legierungen des Eisens bezeichnet. Die größte Gruppe stellen die Eisen-Kohlenstoff-Legierungen (Kohlenstoffstähle) mit herstellungsbedingten Begleitelementen und geringen Gehalten an Legierungselementen dar: Grund- und Qualitätsstähle. Ihre Bedeutung beruht wirtschaftlich auf ihrer großen Verbreitung als wichtigster metallischer Konstruktionswerkstoff, den relativ geringen Herstellungs- und Verarbeitungskosten, der nahezu vollständigen Rezyklierbarkeit (Schrottkreislauf), metallkundlich und technisch auf der Vielfalt der Phasengleichgewichte und -umwandlungen des Eisens und seiner Legierungen und der dadurch erzielbaren Eigenschaften. Weitere wichtige, aber kleinere Werkstoffgruppen stellen die austenitischen und die ferritischen legierten Stähle dar, deren Struktur und Gefüge primär von den stabilen oder metastabilen Substitutions-Mischkristallphasen des Eisens bestimmt werden. Nach Anwendungen kann man die Stähle auch grob in Baustähle, Werkzeugstähle, chemisch beständige Stähle und Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften einteilen.

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Kapitel 16. Magnetische Werkstoffe

Zusammenfassung

Die magnetischen Werkstoffe sind eine wichtige Gruppe der Funktionswerkstoffe. Bei ihnen ist eine besonders anspruchsvolle simultane Optimierung der Beziehungen zwischen Kristalleigenschaften, Gefüge und makroskopischen technischen Eigenschaften erforderlich. Deshalb werden zunächst die physikalischen Grundlagen der magnetischen Eigenschaften (Kap. 16.1), ihre makroskopische Beschreibung und die Gefügeeinflüsse (Kap. 16.2) behandelt. Darauf folgt die Behandlung der beiden Gruppen weichmagnetischer (Kap. 16.3) und hartmagnetischer (Kap. 16.4) Werkstoffe. Schließlich beruhen auch einige Eigenschaften, die mechanische Bedeutung haben, wie die verschwindende thermische Ausdehnung (Invar-Effekt), der temperaturunabhängige Elastizitätsmodul (Elinvar-Effekt) und weitere auf magnetisch bedingten Anomalien des Kristallverhaltens. Sie werden in Kap. 16.5 behandelt. Kapitel 16.6 zeigt schließlich das zeitliche Fortschreiten technisch realisierter Eigenschaften an zwei Beispielen aus dem Bereich der Magnetwerkstoffe.

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 17. Korrosion, Verschleiß, Oberflächenbehandlung

Zusammenfassung

Es gibt viele Gründe für das Versagen von Werkstoffen. Sinnvoll erscheint eine Einteilung nach vier Ursachen:

1.

Thermisch (Aufschmelzen)

 

2.

Mechanisch (Bruch, einschließlich Ermüdungsbruch)

 

3.

Chemisch (Korrosion und Verzunderung)

 

4.

Tribologisch (Reibung und Verschleiß durch Wechselwirkung zweier Oberflächen).

 

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

Kapitel 18. Werkstoffe im Vergleich und Verbund

Zusammenfassung

Metallische Werkstoffe, die über ihr gesamtes Volumen einheitliche Mikrostruktur und Eigenschaften besitzen, werden als „monolithisch“ bezeichnet. Davon sind Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde zu unterscheiden. Beide haben gemeinsam, daß zwei oder mehrere Bestandteile z.B. durch Sintern (Kap. 13), Tränken (Kap. 12) oder Koevaporieren (Kap. 2) zusammengefügt werden. Diese Bestandteile stehen meist nicht im thermodynamischen Gleichgewicht (Kap. 4). Ein Verbundwerkstoff besteht aus einer Matrix, in die viele Teilchen, Fasern etc. unorientiert oder orientiert eingebettet werden. Zu einem Werkstoffverbund werden zwei Stoffe mit verschiedenen Eigenschaften zusammengefügt (z. B. Beschichtung, Kap. 17.5, Bimetalle, Kap. 18.2). Eine entsprechend der örtlichen Beanspruchung variable Struktur im Bauteil besitzen „maßgeschneiderte” Werkstoffe. Dieses Ziel kann am besten über den Verbund verschiedener Werkstoffe in geeigneten geometrischen Anordnungen erreicht werden. Die daraus folgenden Möglichkeiten sind durch Extreme wie den Stahlbeton und die leitenden oder halbleitenden Strukturen von in Siliziumkristallen integrierten Schaltkreisen gekennzeichnet. Für einen Verbund kommen grundsätzlich alle Werkstoffgruppen in Frage (Abb. 1.8):

a)

Metall,

 

b)

Keramik,

 

c)

Hochpolymer.

 

Erhard Hornbogen, Hans Warlimont

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