Fragen und Antworten zu Werkstoffe

420 Pages·2010·3.011 MB·German

by  Prof. Dr. mont. Ewald Werner, Prof. Dr. Erhard Hornbogen, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Norbert Jost, Prof. Dr.-Ing. Gunther Eggeler (auth.)

Springer-Lehrbuch
Prof. Dr. mont. Ewald A. Werner
studierte Werkstoffwissenschaften an der Montanuniversität
Leoben. Forschung am Erich Schmid Institut für Festkörper-
physik der österreichischen Akademie der Wissenschaften und
an der ETH Zürich. Von 1997 bis 2002 Professor für Mecha-
nik an der TU München, seit 2002 Leitung des Lehrstuhls für
Werkstoffkunde und Werkstoffmechanik. Seit 1997 Leitung
des Staatlichen Materialprüfamts für den Maschinenbau.
Forschungsschwerpunkte: Metallphysik, Werkstoffmechanik.
Koautor von Lehrbüchern und Mitherausgeber internatio-
naler Fachzeitschriften.
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Erhard Hornbogen
studierte Metallkunde an der TH-Clausthal und Stuttgart.
Nach Forschung (US Steel, Monroeville, USA; MPI und
TU Stuttgart) Professur für Metallphysik in Göttingen. Ab
1968-1995 Professor für Werkstoffwissenschaft an der Uni-
versität Bochum. Forschungsschwerpunkte: Einfluss der
Mikrostruktur auf Werkstoffeigenschaften; Bedeutung von
Werkstoffen in Technik und Gesellschaft. Autor mehrerer
Lehrbücher.
Prof. Dr.-Ing. Norbert Jost
1984 Dipl.-Ing. (Maschinenbau) an der Ruhr-Universität
Bochum; 1987 Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) an der Fachhochschule
Bochum; 1989 Promotion an der Ruhr-Universität Bochum;
1984-1991 wissenschaftlicher Mitarbeiter und Obering-
enieur am Institut für Werkstoffe der Ruhr-Universität
Bochum; 1991-1996 Assistent des Vorstandsvorsitzenden
und Abteilungsleiter DEKRA AG in Stuttgart sowie Leiter
der Materialprüfungsanstalt und stellv. Geschäftsführer der
DEKRA-ETS GmbH in Saarbrücken; seit 1996 Professor
an der Hochschule Pforzheim mit den Lehrgebieten Werkst-
offkunde, Festigkeitslehre und Qualitätsmanagement.
Prof. Dr.-Ing. Gunther Eggeler
studierte Werkstoffwissenschaften an der Universität Erlan-
gen. Nach Forschung (ERA Technology Leatherhead, GB) und
Habilitation (EPF Lausanne, Schweiz) ab 1995 Leitung des
Lehrstuhls Werkstoffwissenschaft in Bochum. Forschungs-
schwerpunkte: Hochtemperaturwerkstoffe und Formgedäch-
tnislegierungen, insb. Elementarprozesse der Hochtempera-
turplastizität und der martensitische Umwandlung.
Ewald Werner • Erhard Hornbogen
Norbert Jost • Gunther Eggeler
Fragen und Antworten zu
Werkstoffe
6., neu bearbeitete Aufl.
1 3
Prof. Dr. mont. Ewald Werner Prof. Dr. Norbert Jost
Lehrstuhl für Werkstoffkunde und FH Pforzheim
Werkstoffmechanik Fachbereich Maschinenbau
Technische Universität München Tiefenbronner Straße 65
Boltzmannstraße 15 75175 Pforzheim
D-85748 Garching b. München Deutschland
Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Erhard Hornbogen Prof. Dr.-Ing. Gunther Eggeler
Lehrstuhl Werkstoffwissenschaft Lehrstuhl Werkstoffwissenschaft
Institut für Werkstoffe Institut für Werkstoffe
Fakultät für Maschinenbau Fakultät für Maschinenbau
Ruhr-Universität Bochum Ruhr-Universität Bochum
D-44780 Bochum D-44780 Bochum
Deutschland Deutschland
ISSN 0937-7433
ISBN 978-3-642-01619-6 e-ISBN 978-3-642-01620-2
DOI 10.1007/978-3-642-01620-2
Springer Heidelberg Dordrecht London New York
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1987, 1991, 1995, 2002, 2005, 2010
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Über-
setzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung,
der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenver-
arbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung
dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen
Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in
der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen
unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk
berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der
Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann
benutzt werden dürften.
Einbandentwurf: WMXDesign GmbH, Heidelberg
Gedruckt auf säurefreiem Papier
Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com)
Vorwort zur sechsten Auflage
Das Buch ,,Fragen und Antworten zu Werkstoffe“ hat sich seit mittlerweile
mehr als zwanzig Jahren bestens bew¨ahrt und erfreut sich bei den Studie-
renden großer Beliebtheit. Der erfreulich rasche Verkauf der fu¨nften Auf-
lage, zuru¨ck zu fu¨hren auf den starken Anstieg der Studierendenzahlen in
den ingenieurwissenschaftlichen F¨achern seit der Jahrtausendwende, mach-
te eine Neuauflage des U¨bungsbuches notwendig. Im Zuge dieser Neubear-
beitung blieb die Grundidee des Werkes trotz der zahlreichen Neuerungen
unver¨andert: Das Buch soll, wie schon seit seiner ersten Auflage, den Stu-
dierenden werkstoffkundlicher F¨acher beim Erlernen und Verstehen der oft
schwierigen Grundbegriffe Hilfestellung bieten und es auch erm¨oglichen, das
erworbene Wissen durch das selbst¨andige L¨osen von U¨bungsaufgaben zu
festigen. Deutlich warnen wollen wir aber vor einem reinen Nachlesen der
L¨osungen und Antworten. Sinnvoll wird diese Sammlung nur dann genutzt,
wenn die Leserin oder der Leser zun¨achst selbst¨andig versucht, zur L¨osung
einer Aufgabe zu gelangen und erst danach auf den im Antwortenteil an-
gebotenen L¨osungsweg blickt. Selbstverst¨andlich kann diese Sammlung kein
Lehrbuch ersetzen. Wem die theoretischen Grundlagen oder die Begru¨ndung
verschiedener Formeln und Zusammenh¨ange nicht mehr gel¨aufig sind, den
verweisenwiraufdasLehrbuch,,Werkstoffe“sowieaufdiedarinenthaltenen
Literaturempfehlungen.
Die nun vorliegende sechste Auflage erfuhr gegenu¨ber ihrer Vorauflage eine
Reihe von Ver¨anderungen.
1. In der neunten Auflage des Lehrbuchs ,,Werkstoffe“, welche gemeinsam
von Erhard Hornbogen,Gunther Eggelerund Ewald Werner erstelltwur-
de, finden sich zu jedem der dreizehn Kapitel eine Reihe von Kontrollfra-
gen. Die Antworten auf die meisten dieser Fragen werden in den entspre-
chenden Kapiteln des U¨bungsbuches gegeben.
2. ZahlreichePru¨fungsfragen,die in den letzten Jahrenan der TU Mu¨nchen
im Rahmen der schriftlichen Pru¨fungen zu den F¨achern Werkstoffkunde
und Werkstofftechnik fu¨r Maschinenbauer und Chemieingenieure gestellt
wurden, finden sich samt ausfu¨hrlicher L¨osungen in dieser Auflage.
3. Einige Themengebiete wurden verst¨arkt. Dies betrifft die Kristallogra-
phie, Eigenschaften des reziproken Gitters, die Analyse von Gefu¨gen mit
R¨ontgen-undElektronenstrahlen.EbensoaufgenommenwurdenneueFra-
gen und Rechenbeispiele zu Versetzungen, zur Korrosion und zur Werk-
stofftechnik. Es ist zu hoffen, dass damit eine thematische Abrundung
gelungen ist.
VI Vorwort
4. DieneueAuflagewurdenichtnurinihremErscheinungsbildderaktuellen
neunten Auflage des Lehrbuches angepasst, sondern orientiert sich auch
thematisch noch enger als bisher an dem dort gebotenen Lernstoff.
Zwei der Autoren (Ewald Werner und Gunther Eggeler) treten anl¨asslich
dieser Neuauflage als Autoren hinzu. Damit ist sichergestellt, dass das Buch
auch in Zukunft wertvoller Wegbegleiter der Studierenden an Technischen
Universit¨aten und Fachhochschulen bleiben wird.
Gedankt sei an dieser Stelle dem Springer-Verlag fu¨r die gute Zusammen-
arbeit und die ansprechende Ausstattung des Buches. Besonderer Dank gilt
Herrn Anton Mu¨hlemann fu¨r die vorzu¨gliche Anfertigung der Bilder, Frau
Yvonne Jahn fu¨r das sorgf¨altige Korrekturlesen und Herrn Robert Werner
fu¨r neue Aufgaben und seine Hilfe bei der Erstellung von Teilen des Manu-
skripts.Gedanktseian dieser Stelleauch FrauCorneliaSchwarzfu¨r soman-
chen LATEX-Trick, sowie Christian Krempaszky, Wolfgang Loos, Benjamin
Regener, Matthias Du¨nckelmeyer, Florian Hairer und Michael Ries fu¨r die
Nachbearbeitung von Bildern und Pru¨fungsaufgaben. Ebenso gebu¨hrt Dank
den Mitarbeitern des LehrstuhlsWerkstoffwissenschaftder Ruhr-Universit¨at
Bochum fu¨r ihre Hilfe beim Korrekturlesen.
Wir wu¨nschen allen Studierenden der Ingenieur- und auch der Naturwissen-
schaften, die sich auf werkstoffkundliche Pru¨fungen vorbereiten, viel Erfolg
beim Durcharbeiten dieses Buches.
Mu¨nchen, Potsdam, Wiernsheim, Bochum im Juli 2009 EwaldWerner
ErhardHornbogen
NorbertJost
GuntherEggeler
Vorwort zur vierten Auflage
Die dritte Auflage war fru¨her vergriffen als erwartet, trotz des starken und
fu¨r die Zukunft unseres Landes sicher sehr nachteiligen Ru¨ckgangs der Zahl
der Studierenden aller Ingenieurwissenschaften im letzten Jahrzehnt.
DiesystematischeundwissenschaftlicheLehreu¨berdieWerkstoffeistw¨ahrend
des gerade vergangenen 20. Jahrhunderts entstanden und zu gewisser Reife
gelangt. Die neue Auflage beru¨cksichtigt den neuesten Stand, kann dabei in
wesentlichen Teilen auf der dritten Auflage aufbauen. FolgendeA¨nderungen
und Erg¨anzungen sind bemerkenswert:
1. Fragen, die mit der Rolle von Werkstoffen bei Erzeugung, Speicherung
und Umwandlung von Energie zu tun haben.
2. Fragen,diedenKreislaufderWerkstoffezwischenRohstoffundRecycling
betreffen.
3. Fragen u¨ber Werkstoffe fu¨r Sensoren
Dazu kommen eine gr¨oßereZahl kleinerer Korrekturen.
DieZahlderBegriffe,dieimAnhangerl¨autertwerden,wurdestarkerweitert,
dieStichworteinsEnglischeu¨bersetzt.Erfahrungsgem¨aßhabendieH¨orerder
Anf¨angervorlesungen Schwierigkeiten mit der Vielzahl von neuen Begriffen,
die fu¨r das Verst¨andnis unseres Fachgebietes n¨otig sind, und auf die sie in
anderen (Schul-)F¨achern nicht vorbereitet wurden.
Schließlich wurde das Verzeichnis der werkstoffnahen Fachzeitschriften auf
neuen Stand gebracht. Es besteht weiterhin ein direkter Bezug zur sechsten
AuflagedesLehrbuchs,,Werkstoffe“.Gleichesgiltfu¨rdie2002zuerwartende
siebte Auflage.
Leider musste Dr.-Ing. Holger Haddenhorst wegen starker beruflicher Belas-
tung bei der Firma ALCOA aus dem Autorenteam ausscheiden. Wir bedan-
ken uns bei cand. ing. Susanne Mittag und Sidonie Engels fu¨r Vorbereitung
und Fertigstellung des Manuskriptes fu¨r diese 4. Auflage.
Bochum und Wiernsheim, im Sommer 2002 E.Hornbogen
N.Jost
Vorwort zur ersten Auflage
Die Werkstoffwissenschaft bildet neben Mechanik, Thermo- und Fluiddyna-
mik und anderen Teilgebieten von Physik und Chemie eines der Grundla-
genf¨acherfu¨rStudentenderIngenieurwissenschaften.ImGegensatzdazuhat
sich die Werkstoffwissenschafterstin der zweiten H¨alfte dieses Jahrhunderts
als ein einheitliches Sachgebiet profiliert. Den Kern dieses Fachs bildet die
Mikrostrukturdes Werkstoffs,die zu den gewu¨nschten verbesserten oder gar
ganz neuen technischen Eigenschaften fu¨hrt. Die Werkstoffwissenschaft be-
handelt vergleichend alle Werkstoffgruppen: Metalle, Halbleiter, Keramik,
PolymereunddieausbeliebigenKomponentenzusammengesetztenVerbund-
werkstoffe. Diese Grundlage erlaubt dem konstruierenden Ingenieur am bes-
ten, den fu¨r einen bestimmten Zweck gu¨nstigsten Werkstoff auszuw¨ahlen.
In diesem Sinne soll dieses Buch eine Hilfe gew¨ahren fu¨r die Einfu¨hrung in
die Werkstoffwissenschaft. Im Rahmen der dazu notwendigen Grundlagen
und Systematik ist eine gr¨oßere Zahl von Begriffen zu definieren, mit denen
dann in der Praxis gearbeitet werden kann. Dies bereitet den Studierenden
derIngenieurwissenschafterfahrungsgem¨aßamAnfanggewisseSchwierigkei-
ten. Ziel dieses Buches ist es, eine Hilfe beim Erlernender Grundbegriffeder
Werkstoffwissenschaft zu leisten. Der Text und Inhalt sind abgestimmt mit
dem Buch ,,Werkstoffe“, 4. Aufl., Springer 1987. Dort sind auch ein den In-
halt dieses Buches weiter vertiefender Text sowie ausfu¨hrliche Hinweise auf
spezielle Literatur zu finden.
Die Form von ,,Fragen und Antworten“ macht das Buch besonders zum
Selbststudium oder zum Erneuern ¨alteren Wissens geeignet. Die mit ,,*“
gekennzeichneten Fragen behandeln spezielle Aspekte, die nicht unbedingt
Pru¨fungsstoff eines ingenieurwissenschaftlichen Vordiploms sind. Sie k¨onnen
beim ersten Durcharbeiten u¨bergangen werden. Im Anhang sind dann noch
die wichtigsten Fachzeitschriften zum Thema Werkstoffe zusammengestellt.
DiessolldemLeservorallenDingeneinschnellesAuffinden derZeitschriften
in Bibliotheken sowie ein weiter vertiefendes Literaturstudium erm¨oglichen.
Die Autoren m¨ochten Herrn cand. ing. L. Kahlen und Frau cand. phil. G.
Friesfu¨rdieHilfebeiderFertigstellungdesManuskriptesdanken.Dochauch
viele ungenannte Studierende haben mit Ihren Fragen und Anregungen zum
Inhalt des vorliegenden Buches beigetragen.
Bochum, im August 1987 E.Hornbogen
N.Jost
M.Thumann
Inhaltsverzeichnis
I Fragen
1 U¨berblick
1.1 Werkstoffe, Werkstoffkunde ................................... 5
1.2 Werkstoffgruppen, Aufbauder Werkstoffe.................. 5
1.3 Eigenschaften der Werkstoffe.................................. 6
1.4 Bezeichnungder Werkstoffe................................... 6
1.5 Geschichte und Zukunft, Nachhaltigkeit .................... 7
2 AufbaufesterPhasen
2.1 Atome und Elektronen.......................................... 11
2.2 Bindung der Atome und Moleku¨le............................ 12
2.3 Kristalle............................................................ 13
2.4 Baufehler.......................................................... 18
2.5 Korngrenzen,Stapelfehler und homogene Gefu¨ge......... 21
2.6 Gl¨aser und Quasikristalle....................................... 22
2.7 Analyse von Mikrostrukturen.................................. 22
3 AufbaumehrphasigerStoffe
3.1 Mischphasen und Phasengemische........................... 29
3.2 Heterogene Gleichgewichte .................................... 30
3.3 Keimbildung, Kristallisation von Schmelzen................ 32
3.4 Metastabile Gleichgewichte.................................... 33
3.5 Anwendungenvon Phasendiagrammen...................... 34
4 GrundlagenderW¨armebehandlung
4.1 Diffusion........................................................... 39
4.2 Kristallerholung und Rekristallisation........................ 43
4.3 Umwandlungen und Ausscheidung........................... 43
4.4 Martensitische Umwandlung................................... 45
4.5 W¨armebehandlung,Gefu¨ge,Nanostrukturen............... 46
5 MechanischeEigenschaften
5.1 Mechanische Beanspruchungund Elastizit¨at............... 51
5.2 Zugversuch und Kristallplastizit¨at............................ 52
5.3 Kriechen........................................................... 54
5.4 Bruchmechanik,Ermu¨dung.................................... 55
5.5 Viskosit¨at, Viskoelastizit¨at und D¨ampfung.................. 59
5.6 Technologische Pru¨fverfahren................................. 59
XII Inhaltsverzeichnis
6 PhysikalischeEigenschaften
6.1 KernphysikalischeEigenschaften.............................. 63
6.2 Elektrische Eigenschaften ...................................... 63
6.3 W¨armeleitf¨ahigkeit, thermische Ausdehnung............... 65
6.4 FerromagnetischeEigenschaften.............................. 66
6.5 Formged¨achtnis,Sensor- und Aktorwerkstoffe ............. 67
7 ChemischeundtribologischeEigenschaften
7.1 Oberfl¨achen und Versagen des Werkstoffs.................. 71
7.2 Elektrochemische Korrosion.................................... 71
7.3 Verzundern........................................................ 73
7.4 Spannungsrisskorrosion......................................... 74
7.5 Oberfl¨achen,Grenzfl¨achen und Adh¨asion................... 75
7.6 Reibung und Verschleiß......................................... 75
8 KeramischeWerkstoffe
8.1 Allgemeine Kennzeichnung..................................... 79
8.2 Nichtoxidische Verbindungen.................................. 80
8.3 Kristalline Oxidkeramik......................................... 80
8.4 Anorganische nichtmetallische Gl¨aser........................ 83
8.5 Hydratisierte Silikate, Zement, Beton........................ 84
9 MetallischeWerkstoffe
9.1 Allgemeine Kennzeichnung..................................... 89
9.2 Mischkristalle..................................................... 89
9.3 Ausscheidungsh¨artung,Al-, Ni-Legierungen................ 90
9.4 Umwandlungsh¨artung,St¨ahle ................................. 93
9.5 Gusslegierungen und metallische Gl¨aser..................... 95
10 Polymerwerkstoffe
10.1 Allgemeine Kennzeichnung..................................... 99
10.2 Plastomere, Duromere, Elastomere........................... 100
10.3 Mechanische Eigenschaften von Polymeren................. 101
10.4 Natu¨rliche Polymere............................................. 102
11 Verbundwerkstoffe
11.1 Eigenschaften von Phasengemischen......................... 105
11.2 Faserverst¨arkteWerkstoffe..................................... 105
11.3 Stahlbeton und Spannbeton................................... 108
11.4 Schneidwerkstoffe................................................ 108
11.5 Ober߬achenbehandlung......................................... 109
11.6 Holz ................................................................ 109