Werkstofftechnik

Metallische Werkstoffe begegnen uns überwiegend als Legierungen. Reine Metalle (technisch rein, d. h. mit bestimmten zulässigen Mengen an Verunreinigungen) finden sehr begrenzt, für spezielle Fälle Verwendung. Nachdem im Kapitel 1 die reinen Metalle in ihrem prinzipiellen Aufbau beschrieben und wichtige, daraus abzuleitende Eigenschaften erklärt wurden, wenden wir uns nun der Struktur realer technischer Werkstoffe zu. Neben Metallen können auch Nichtmetalle in Legierungen enthalten sein. Diese spielen für die Eigenschaften teilweise eine große Rolle. Anhand von Zweistofflegierungen wird in diesem Kapitel ein Überblick über den Legierungsaufbau, die so genannten Zustandsdiagramme und die Eigenschaften der Legierungen gegeben.

Als Eisen-Kohlenstoff-Legierungen bezeichnet man in der Metallkunde alle Stahlarten und Gusseisensorten (Eisenwerkstoffe). Ihre Eigenschaften, ihre Vielfalt und ihre kostengünstige Herstellung verschaffen dieser Werkstoffgruppe eine Spitzenstellung in der Wirtschaft. Hochbau, Schiffbau, Maschinen-, Fahrzeug-, Anlagen- und Gerätebau usw. – in diesen Industriezweigen wird von allen metallischenWerkstoffen, meist von allen Materialien überhaupt, mengenmäßig am meisten Stahl verwendet. So erfahren die Eisenwerkstoffe auch im vorliegenden Lernbuch eine besondere Betonung. Nachdem Sie gelernt haben, was man unter Legierungen versteht, kommt nun mit Eisen-Kohlenstoff ein wichtiges Zweistoffsystem hinzu. In diesem Kapitel erfahren Sie, unter welchen Bedingungen sich das metastabile System Eisen-Eisencarbid (Fe-Fe3C) bzw. das stabile System Eisen-Graphit (Fe-C) ausbildet. Die Zustandsdiagramme werden besprochen und durch Abkühlverläufe bestimmter Zusammensetzungen veranschaulicht. Praktisch von Interesse ist die Zuordnung der Gefügearten (Aufbau, Eigenschaften und bildliche Darstellung). Dieses Kapitel hilft Ihnen, Stahleigenschaften besser zu verstehen. Es vermittelt Ihnen außerdem Grundlagen für die Wärmebehandlung der Eisenwerkstoffe.

Nachdem besprochen wurde, wie Werkstoffe aufgebaut sind (Struktur) und welche typischen Eigenschaften daraus folgen, soll in diesem Kapitel darauf eingegangen werden, wie sich unterschiedliche Erwärmungs- und Abkühlvorgänge auf die Struktur und damit auf die Eigenschaften der Bauteile auswirken. Dazu gesellt sich oft zusätzlich eine chemische Beeinflussung oder ein gesteuerter Umformprozess. Es wird die Wärmebehandlung der Stähle, der wesentlichsten Werkstoffgruppe unter den Eisenwerkstoffen, hervorgehoben. Was erreicht man mit einer Wärmebehandlung?

Gießen ist ein Urformverfahren, bei dem aus flüssigem Werkstoff nach dem Erstarren ein fester Körper entsteht. Durch die Gussform erhält dieser eine definierte Form. Gießen erlaubt es, komplizierte Teile kostengünstig herzustellen. Eisengusswerkstoffe sind Eisen-Kohlenstoff- Silicium-Legierungen (Gusseisen) und direkt in Formen vergossener Stahl (Stahlguss).Welches Gefüge sich bei der Erstarrung ausbildet, ob der Kohlenstoff im Zementit gebunden oder als freier Graphit vorliegt, welche Form der Graphit (z. B. kugelig oder lamellar) aufweist und welche mechanischen Eigenschaften sich daraus ergeben, hängt von der chemischen Zusammensetzung des Eisengusswerkstoffes, den Abkühlbedingungen und derWandstärke des Gussteiles ab. Nachdem das System Eisen-Kohlenstoff in Kapitel 3 metallkundlich beschrieben wurde, folgt nunmehr die Anwendung des Wissens auf die Eisengusswerkstoffe.

Trotz der zunehmenden Bedeutung von Leichtmetalllegierungen und Verbundwerkstoffen ist Stahl nach wie vor der wichtigste Konstruktionswerkstoff und ein bedeutender Werkzeugwerkstoff. Er ist im Vergleich zu allen anderen Legierungen deutlich preiswerter zu erzeugen, besitzt hervorragende Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften und lässt sich gut bearbeiten. Durch Legieren und/oder eine Wärmebehandlung lassen sich die Eigenschaften von Stählen definiert einstellen. Dabei können einerseits sehr weiche und gut verformbare Stähle hergestellt werden, wie sie beispielsweise für die Blechverarbeitung (z. B. Tiefziehen) notwendig sind, oder andererseits sehr harte, verschleißbeständige und schneidhaltige Stähle erzeugt werden, wie sie für Messer verwendet werden. Stahl wird in sehr großen Mengen verbraucht. Kraftfahrzeuge, Eisenbahnschienen, Maschinen, Chemieanlagen, Bohrtürme, Turbinenwellen, Schiffe, Brücken, Hochspannungsmasten oder Türme vonWindkraftanlagen bestehen überwiegend oder zu einem großen Teil aus Stahl.

Edelmetalle sowie Kupfer und Blei wurden früher in großem Maße gewonnen und eingesetzt. Da leicht zugänglich und einfach verhüttbar, wurden diese Schwermetalle bereits im Altertum für Gebrauchsgegenstände, Bauten und Schmuck verwendet.

Der geringe Anteil dieser Metalle in der Erdkruste und ihr intensiver Abbau führten dazu, dass diese Metalle und ihre Legierungen immer stärker entsprechend ihren spezifischen Eigenschaften eingesetzt werden. Das älteste Gebrauchsmetall Kupfer ist heute das Rückgrat der Industriezweige Elektrotechnik und Elektronik. Der einstige „Baustoff“ Blei wird heute u. a. speziell für Akkumulatoren, für chemische Zwecke und zum Strahlenschutz verwendet. Günstiger sind die Verhältnisse bei Aluminium, Magnesium und Titan. Ausgangsstoffe für die Herstellung dieser Metalle sind in praktisch unerschöpflichen Mengen vorhanden.

Sintertechnisch werden Teile gefertigt, indem aus Pulver Rohlinge geformt und anschließend durch eine Wärmebehandlung (Brennen, Sintern) verfestigt werden. Seit jeher werden nichtmetallisch-anorganische Substanzen nach diesem Prinzip zu Keramik (z. B. Ziegel, Töpferwaren, Steinzeug, Steingut, Porzellan) verarbeitet. Heute werden auch aus Metallen, Metalllegierungen und Metallverbindungen Sinterteile für spezielle Anwendungsgebiete hergestellt (Metallkeramik oder Pulvermetallurgie). Auch lassen sich Mischungen und Verbunde aus Metall und Keramik auf diesem Wege erzeugen.

Maschinenteile werden in erster Linie mechanisch beansprucht. Das Werkstoffverhalten beim Wirken von Kräften und Momenten sowie bei Reibungsvorgängen spielt daher im Maschinenund Apparatebau eine dominierende Rolle. Festigkeit, Härte, Zähigkeit, Verschleißwiderstand usw. sind entsprechende Eigenschaften, die eine Anpassung an den jeweiligen Verwendungszweck ermöglichen.

Die Umgebungsbedingungen (Luftfeuchtigkeit, Luftverschmutzungen, Salz- und Sauerstoffgehalt des Wassers, Temperatur usw.) bewirken außerdem chemische oder elektrochemische Reaktionen, die bei fehlenden Schutzmaßnahmen zur allmählichen Zerstörung von Metallteilen führen. Besonders stark ist dieser chemische Angriff, wenn Bauteile ständig mit aggressiven Medien (Säuren, Laugen, Salzlösungen) in Kontakt sind.

Kunststoffe sind neben den Metallen und den nichtmetallisch-anorganischen Werkstoffen die dritte Werkstoffhauptgruppe. Kunststoffe sind hochmolekulare organische Stoffe (so genannte Polymere), die durch chemische Verkettungsreaktionen von niedermolekularen Verbindungen entstehen. Sie zeichnen sich durch eine niedrige Dichte, eine hohe spezifische Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Dichte), sehr gute Verarbeitbarkeit und gute chemische Beständigkeit aus. Kunststoffe zeigen eine starke Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften. Sie sind preiswert herzustellen und werden synthetisch in großtechnischen Anlagen der Erdöl-, Erdgas- und Kohlechemie oder durch Abwandlung von Naturprodukten (z. B. Celluloid aus Cellulose) erzeugt. Durch die Struktur der Kunststoffe, den Grad der räumlichen Vernetzung der Moleküle, die Beimischung von Zusatzstoffen und/oder die Vermischung unterschiedlicher Polymere (Polymerblend) lassen sich technische Eigenschaften von Kunststoffen wie Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit, Formbarkeit, Härte, elektrischer Widerstand sowie Temperatur- und chemische Beständigkeit in weiten Grenzen variieren.

Die moderne Technik stellt an die Werkstoffe immer neue und höhere Anforderungen, die die Metalle, Keramiken, Gläser und Kunststoffe nicht mehr ohne Weiteres erfüllen können. Durch die Kombination von zwei oder mehreren Werkstoffen in einem Verbundwerkstoff können die Eigenschaften gezielt auf eine Anwendung hin optimiert werden. Unter Umständen können sogar Eigenschaftskombinationen, die die einzelnen Werkstoffkomponenten nicht aufweisen, erreicht werden. Insbesondere für den Leichtbau, bei dem es auf eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig niedriger Masse des Bauteiles ankommt, sind die Verbundwerkstoffe eine gute Alternative zu Metallen und Kunststoffen. Deren Anwendung reicht mittlerweile weit über die Fahrzeug-, Luft- und Raumfahrtindustrie hinaus, beispielhaft seien genannt: Schneidkeramiken für die spanende Bearbeitung härtester Stähle, extrem leichte und gleichzeitig steife Fahrradrahmen, Surfbretter und Bootskörper von Rennbooten.

Die Eigenschaften eines Werkstoffes (z. B. Festigkeit, Härte, elektrische Leitfähigkeit) werden von der Struktur, dem Gefüge sowie den Wechselwirkungen mit der Umgebung bestimmt. Die Werkstoffeigenschaften verändern sich in Abhängigkeit von den Beanspruchungsbedingungen (z. B. Temperatur, Belastungsdauer, Umgebungsmedium, Spannungszustand). Außerdem werden die Werkstoffeigenschaften während der Fertigung und des technischen Einsatzes ständig verändert und bewirken eine Beeinflussung der Bauteileigenschaften. Aufgabe der Werkstoffprüfung ist es, die Eigenschaften der Werkstoffe/Bauteile unter anwendungsnahen Bedingungen qualitativ und quantitativ zu bestimmen. Die Werkstoffprüfung liefert die Voraussetzung für eine zielgerichteteWerkstoffentwicklung und -auswahl und stellt Kennwerte für die Bauteilberechnung zur Verfügung. In diesem Kapitel werden Sie mit den wichtigsten mechanischen Werkstoffeigenschaften vertraut gemacht. Sie lernen die wichtigsten mechanischen und zerstörungsfreien Prüfverfahren kennen. Außerdem werden die Möglichkeiten zur Beurteilung eines Werkstoffzustandes mithilfe der Materialographie erläutert.