Table Of ContentWolfgang Weißbach
Uwe Bleyer
Manfred Bosse
Aufgabensammlung
Werkstoffkunde
und Werkstoffprüfung
Lehr- und _________- --.....
Lernsyste~m"",--
Weißbach
Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung
Wolfgang Weißbach
Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung
unter Mitarbeit von Uwe Bleyer
12., vollständig überarbeitete Auflage 1998
XVI, 378 S., 290 Abb., 300 Tafeln, 16,2 x 22,9 cm
(Viewegs Fachbücher der Technik), kartoniert
Das Lehrbuch zur "Aufgabensammlung Werkstoffkunde und
Werkstoffprüfung":
• Die Eigenschaften der Werkstoffe und ihre Änderungsmög
lichkeiten werden aus der Teilchenstruktur einsichtig erklärt.
• Beispiele ermöglihen eine leichte Anknüpfung der Theorie
an Erfahrungen aus der Praxis.
• Wichtige allgemeingültige Aussagen und Merksätze sind
deutlich hervorgehoben.
• Tabellarische Gegenüberstellungen erleichtern das Erarbei
ten der wesentlichen Fakten.
• Die neuesten Normen sind berücksichtigt.
Dieses Lehr- und Lernsystem bietet für das Fach Werkstoffkun
de Stoffvermittlung (Lehrbuch) und Stoffaneignung (Aufgaben
sammlung) im Verbund an.
Vieweg ________________________________
~
Wolfgang Weißbach
Uwe Bleyer
Manfred Bosse
Aufgabensammlung
Werkstoflkunde
und Werkstoffprüfung
Herausgegeben von Wolfgang Weißbach
Mit 63 Bildern
4., überarbeitete Auflage
11
Vleweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Weißbach, Wolfgang:
Aufgabensammlung Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung /
Wolfgang Weißbach; Uwe Bleyer; Manfred Bosse. -
4., überarb. Auf!. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1998
(Viewegs Fachbücher der Technik)
ISBN 978-3-528-34038-4 ISBN 978-3-322-91914-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-91914-4
1. Auflage 1967
mit 5 Nachdrucken
2., überarbeitete Auflage 1990
3., überarbeitete und erweiterte Auflage 1993
4., überarbeitete Auflage 1998
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1998
Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH.
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt.
Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsge
setzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt
insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen
und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
http://www.vieweg.de
Umschlaggestaltung: Klaus Birk, Wiesbaden
ISBN 978-3-528-34038-4
v
Vorwort
Alle Dozenten des Faches Werkstoffkunde leiden unter einer Art "Kostenschere":
einem konstanten Stundenvolumen steht ein Lehrstoff gegenüber, der in Schwerpunk
ten zunehmend tiefer behandelt werden muß, sich aber gleichzeitig durch neue
Werkstoffe und Technologien ausweitet.
Deshalb kommt der Eigenarbeit der Studierenden eine große Bedeutung zu. Was in den
anderen Grundlagenfächern selbstverständlich ist - dem Unterrichtsfortschritt entspre
chende Aufgaben zu lösen, um das im Unterricht Erlernte zu festigen, als auch an
auftretende Probleme herangeführt zu werden - ist mit der Aufgabensammlung nun
auch im Fach Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung möglich.
Damit liegt - ähnlich wie für andere Werke dieser Fachbuchreihe - ein Lehr- und
Lernsystem für das Fach Werkstoffkunde vor, das Stoffvermittlung und Stoffaneignung
im Verbund anbietet.
Die Aufgabensammlung ermöglicht den Studierenden, den angestrebten Lernerfolg
durch ein regelmäßiges, zielgerichtetes Arbeiten sicherer und bequemer zu erreichen
und selbst zu kontrollieren. Deshalb ist das Buch in einen Aufgabenteil (Fragen) und
einen Lösungsteil (Antworten) getrennt. Die Gliederung und Numerierung stimmt mit
dem Lehrbuch überein (siehe Inhaltsverzeichnis). Dadurch kann nicht nur zur Frage die
Antwort, sondern auch der zugehörige Lehrstoff schnell gefunden werden.
Den Dozenten soll das Buch außerdem bei der Erstellung von Aufgaben und Lösungen
entlasten.
Die Neuauflage der Aufgabensammlung berücksichtigt die Veränderungen des zugehö
rigen Lehrbuches in der 12. Auflage. Darin wurde der Lehrstoff erweitert und teilweise
neu gegliedert. Das war notwendig durch den Bedeutungszuwachs, welchen die
Werkstofft echnik in den letzten Jahren erfahren hat.
Für Kritik und Anregung danken wir im voraus und wünschen allen Benutzern des
Lehrsystems einen guten Erfolg.
Die Autoren
VI
Hinweise für den Benutzer
• Lehrbuch und Aufgabensammlung sind als Lebrsystem aufeinander abgestimmt.
• Gleichartige Abschnitte in Lehrbuch und Aufgabensammlung tragen die gleiche
Nummer.
• Die Aufgaben sind an den Lernzielen für Fachschulen Technik orientiert.
• Die Fragestellungen erwarten knappe Antworten, als Lösung werden keine
"Aufsitze" verlangt.
• Die Aufgaben folgen im allgemeinen dem Lebrbucbtcxt, daher ist ein nabezu
synchroner Lernfortschritt möglich.
• Die Aufgaben enthalten z. T. Hinweise auf den Umfang der geforderten Antwort
(in Klammem stebend).
• Die Antworten enthalten Hinweise auf ergänzende Informationen in anderen
Abschnitten des Lehrbuches.
VII
Inhaltsverzeichnis
Die grau unterlegten Teile des Lehrbuchinhalts
sind das Inhaltsverzeichnis der Aufgabensammlung
Fragen Antworten
1 Grundlegende BegrHre nnd ZlIMmmenhänge 1 73
1.1 Gegenstand und Bedeutung der Werkstoffkunde .. . 1 73
1.2 Entwicklungsrichtungen der Werkstofftecbnik ..... . 1 73
1.3 Wie lassen sich die unterschiedlichen Eigenschaften
der Werkstoffe erklären? ....................... . 2 74
1.4 AuswahJprinzip für Werkstoffe .................. . 2 75
1.5 Überlegungen zur Werkstoffwahl ................ .
1.6 Übersicht, Einteilung der Fertigungsverfahren nach
DIN 8580 ..................................... .
2 MetaUe und Legierungen ......................... . 3 76
2.1 Grundlagen und Reinmetalle .................... . 3 76
2.1.1 Einteilung und Häufigkeit ................. . 3 76
2.1.2 Aufbau des Metallgitters .................. . 3 76
2.1.3 Metalleigenschaften ...................... . 4 77
2.1.4 Kristallgittertypen der Metalle ............. . 4 77
2.1.5 Kristallfehler ............................ . 5 78
2.1.6 Entstehung des Gefüges .................. . 6 79
2.1.7 Ausnutzung der Kristallisationswärme zur
thermischen Analyse ..................... . 6 79
2.2 Die Auswirkungen der Kristallstruktur auf die
mechanischen Eigenschaften .................... . 7 80
2.2.1 Anisotropie ............................. . 7 80
2.2.2 Textur ............ · .. · .......... ·.······· 7 80
2.2.3 Verformung bei Raumtemperatur .......... . 7 80
2.2.4 Plastische Verformung im Realkristall ...... . 7 81
2.2.5 Kaltverfestigung ........................ .. 8 82
2.2.6 Rekristallisation ......................... . 9 83
2.2.7 Komvergröberung ....................... . 10 83
2.3 Legierungen (Zweistofflegierungen) ............. . 10 84
2.3.1 Begriffe und Phasenregel ................. . 10 84
2.3.2 Entstehung eines Zustandsschaubildes
(Zweistofflegierungen) ................... . 12 85
2.3.3 Zustandsschaubild Grundtyp I
(System Kristallgemisch) .................. . 12 85
2.3.4 Das Lesen von Zustandsschaubildern ....... . 12 86
VIII Inhaltsverzeichnis
Fragen Antworten
2.3.5 Allgemeine Eigenschaften der Legierungen
vom Grundtyp I ......................... . 13 fr1
2.3.6 Zustandsschaubild Grundtyp D
(System Misc:bkristall) .................... . 14 fr1
2.3.7 Allgemeine Eigenschaften der Mischkristalle . 14 89
2.3.8 Vergleich der beiden Grundtypen I und II ... .
2.3.9 Weitere Kristallarten in Legierungen ....... . 15 89
2.3.10 Diffusion in Metallen ..................... . 16 90
3 Die Lepel'lllll EI8eD·KoIdeDStotr ................. . 17 91
3.1 AbkUhlungskurve und Kristallarten des Eisens .... . 17 91
3.2 Erstarrungsformen ............................. . 18 93
3.3 Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ............... . 20 94
3.3.1 Erstarrungsvorgilnge ..................... . 20 94
3.3.2 Die Umwandlungen im festen Zustand ..... . 21 94
3.4 Stahleigenschaften und Einfluß von Kohlenstoff und
Eisenbegleitem ............................... . 23 97
3.4.1 Wirkung des Kohlenstoffs ................. . 23 97
3.4.2 Die Wirkung der Eisenbegleiter auf Gefüge und
Eigenschaften der Stähle .................. . 2S 99
4 StülenelJlllDl-d StIIhIsorteD .................. . 27 101
4.1 Der Werkstoff Stahl ........................... . 27 101
4.2 Stahlerzeugung ................................ . 27 101
4.3 Stähle für allgemeine Verwendung ............... . 28 102
4.4 Stähle mit besonderen Eigenschaften ............. . 29 102
4.5 Stähle für bestimmte Fertigungsverfatuen ......... . 29 103
4.6 Stähle für bestimmte Bauteile ................... .
4.7 Stahlguß ..................................... . 29 103
30
5 StotreigenscbaftäDdern ........................... . 104
30
5.1 Allgemeines .................................. . 104
5.1.1 Einteilung der Verfahren ................. .
}30
5.1.2 Temperatur-Zeit-Verlauf ................. . 104
5.1.3 Austenitisierung (ZTA-Schaubilder) ....... .
5.2 Glühverfahren ................................ . 31 106
5.2.1 NormalglOhen (Umtömnen) .............. . 31 106
5.2.2 Glühen auf~te Verarbeitungseigenschaften
(Grobkomglühen. WeichglOhen) ........... . 31 101
5.2.3 Spannungsarmglühen ..................... . 32 108
5.2.4 Diffusionsglühen ......................... . 33 109
Inhaltsverzeichnis IX
Fragen Antworten
5.2.5 RekristallisationsglUhen ................... 33 109
5.3 Härten und VergUten ........................... 33 110
5.3.1 Allgemeines.............................. 33 110
5.3.2 Austenitzerfall ........................... 34 110
5.3.3 Martensit, Struktur und Entstehungsbedingungen 34 111
5.3.4 Härtbarlceit der Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . .3 4. . . . 111
5.3.5 Verfahrenstechnik ........................ 35 112
5.3.6 Härteverzug und Gegenmaßnahmen ....... . 36 114
5.3.7 Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder .. 37 115
5.3.8 VergUten ............................... . 37 116
5.4 Aushärten .................................... . 38 117
5.4.1 Allgemeines ............................. . 38 117
5.4.2 Innere Vorgänge ......................... . 38 117
5.4.3 Verfahren .............................. . 39 118
5.4.4 Bedeutung und Anwendung der Aushärtung 39 118
5.4.5 Unterschied zum Härten und VergUten ..... . 39 119'
5.5 Thermomechanische Verfahren ................. .
6 Oberftäcbenteduük .................... ........... . 41 120
::~ ~:~~~be~'di~'~~~~b;~~~j~~h'~~~~~i~~~h~~~}
41 120
ändern ....................................... .
6.3 Thermische Verfahren .......................... 41 120
6.3.1 Randschichthärten ........................ 41 120
6.3.2 Umschmelzhärten .................... .... .
6.4 Thermochemische Verfahren ................... . 42 121
6.4.1 Einsatzhärten ........................... . 42 121
6.4.2 Nitrieren, Nitrocarburieren ................ . 42 121
6.4.3 Weitere Verfahren (Auswahl) ............. .
6.5 Mechanische Verfahren ... ..... ................ .
6.6 Übersicht über die Verfahren des Beschichtens .... . 43 124
7 Eisen-Gußwerkstofre ............................. . 44 125
7.1 Übersicht und Einteilung ....................... . 44 125
7.2 Allgemeines über die Gefüge- und Graphitausbildung 45 126
7.3 Gußeisen mit LameUengraphit GIL, DIN EN 1561 .. 46 127
7.4 Gußeisen mit Kugelgraphit GIS, DIN EN 1563 .... . 46 127
7.5 Temperguß GIMW lGIMB, DIN EN 1562 ....... . 47 128
7.6 Gußeisen mit Vermiculargraphit GIV ............ . 47 129
7.7 Sonderguß .................................... . 47 129
x Inhaltsverzeichnis
Fragen Antworten
5.2.5 RekristaIIisationsglühen ................... 33 109
5.3 Härten und VergUten ........................... 33 110
5.3.1 Allgemeines.............................. 33 110
5.3.2 AustenitzerfaII ........................... 34 110
5.3.3 Martensit, Struktur und Entstehungsbedingungen 34 111
5.3.4 Härtbarkeit der Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 4. . 111
5.3.5' Verfahrenstechnik ........................ 35 112
5.3.6 Härteverzug und Gegenmaßnahmen ........ 36 114
5.3.7 Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder .. 37 115
5.3.8 VergUten ................................ 37 116
5.4 Aushärten..................................... 38 117
5.4.1 Allgemeines........... ................... 38 117
5.4.2 Innere Vorgänge .......................... 38 117
5.4.3 Verfahren ............................... 39 118
5.4.4 Bedeutung und Anwendung der Aushärtung 39 118
5.4.5 Unterschied zum Härten und Vergüten ...... 39 11g'
5.5 Thermomechanische Verfahren ................. .
6 OberßäcbeDteduük................................ 41 120
::!
~~:~~be~ 'di~'~~~~~~~ d~~h' s~~ff~i~~~h~ft~ }
41 120
ändern ....................................... .
6.3 Thermische Verfahren ......................... . 41 120
6.3.1 Randschlchthärten ....................... . 41 120
6.3.2 Urnschmelzhärten ................. .... ... .
6.4 Thermochemische Verfahren ................... . 42 121
6.4.1 Einsatzhärten ........................... . 42 121
6.4.2 Nitrieren, Nitrocarburieren ................ . 42 121
6.4.3 Weitere Verfahren (Auswahl) ............. .
6.5 Mechanische Verfahren ........................ .
6.6 Übersicht über die Verfahren des Beschichtens .... . 43 124
7 EiseD-Gu8werkstoffe ............................. . 44 125
7.1 Übersicht und Einteilung........................ 44 125
7.2 Allgemeines über die Gefüge-und Graphitausbildung 45 126
7.3 Gußeisen mit LameUengraphit GJL, DIN EN 1561 .. 46 127
7.4 Gußeisen mit Kugelgraphit GJS, DIN EN 1563 ..... 46 127
7.5 Temperguß GJMW I GJMB, DIN EN 1562 ........ 47 128
7.6 Gußeisen mit Vermiculargraphit GJV ............. 47 129
7.7 Sonderguß .. . .. . .. . .. .. . .. . . .. .. . .. .. . .. . .. .. . . 47 129
