Table Of ContentJürgen Ruge
Technologie
der Werkstoffe
für Studenten des Maschinenbaus
und der Verfahrenstechnik ab 1. Semester
Mit 272 Bildern und 56 Tabellen
4., überarbeitete Auflage
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Ruge, Jürgen:
Technologie der Werkstoffe: rur Studenten d.
Maschinenbaus u.d. Verfahrenstechnik ab
1. Sem./JÜrgen Ruge. -4., überarbeitete Aufl. -
Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg 1987.
ISBN 978-3-663-00069-3 ISBN 978-3-663-00219-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-00219-2
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Ruge ist Inhaber des Lehrstuhls für Schweißtechnik und
Werkstofft echnologie der Technischen Universität Braunschweig
1. Auflage 1972
2. Auflage 1979
3., durchgesehene Auflage 1983
Nachdruck 1984 (Bis zur 4. Auflage erschien das Buch in der Reihe uni-text.)
4., überarbeitete Auflage 1987
Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann.
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1987
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Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere rur
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und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Satz: Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig
ISBN 978-3-663-00069-3
111
Vorwort
Die Werkstofft echnologie ist ein Teilgebiet der Werkstoffwissenschaften. Der
Ausdruck "Technologie" als Begriff bedarf dabei einer neuen Definition, da er
z.Z. in unterschiedlicher Bedeutung verwendet wird. Hier soll unter Werkstoff
technologie die Lehre von der Erzeugung und Verarbeitung der Werkstoffe zu
Halb- und Fertigfabrikaten verstanden werden.
Das Buch wendet sich in erster Linie an Studenten der Ingenieurwissenschaften
und lehnt sich an eine entsprechende Vorlesung an, die vom Verfasser am Institut
für Schweißtechnik und Werkstofftechnologie der TU Braunschweig gehalten wird.
Der Zwang zur Stoftbegrenzung fUhrt dazu, daß die Nichteisenmetalle trotz ihrer
Bedeutung nur gestreift werden können. Da die Maschinenbaustudenten in den
ersten Semestern vorwiegend mit naturwissenschaftlichen Grundlagen konfron
tiert werden, hinter denen die Ingenieurwissenschaften zunächst zurücktreten
müssen, wurde besonderer Wert darauf gelegt, die Fragen der Werkstofft echnologie
möglichst praxisnah zu gestalten. Dies kommt insbesondere zum Ausdruck in der
Behandlung der für die Massenfertigung bedeutsamen spanlosen Umformverfahren,
der Gießereitechnik und der Materialprüfung. Dagegen konnten die spangebenden
Umformverfahren und die Schweißtechnik nicht berücksichtigt werden. Das außer
gewöhnlich umfangreiche Bildmaterial soll das Verständnis fur den dargebotenen
Stoff erleichtern und dem Studenten unnötige Zeichenarbeit ersparen.
Herrn Dr.-Ing. W. Hermkind sowie meinen Mitarbeitern, den Herren Dipl.-Phys.
H.-D. Wallheinke und H. Wäsle sei flir ihre Unterstützung bei Abfassung und
Korrektur des Manuskriptes herzlich gedankt, desgleichen Frau G. Käter fur die
Anfertigung der Gefugeaufnahrnen und Herrn P. Schindler flir die Herstellung der
zahlreichen Zeichnungen. Dem Verlag schließlich, insbesondere Herrn A. Schubert,
gilt mein besonderer Dank fur sorgfältige Drucklegung und angenehme Zusammen
arbeit.
Braunschweig, im Juli 1971 JürgenRuge
IV
Vorwort zur 2. Auflage
Für die zweite Auflage wurde eine veränderte Gliederung gewählt, um den ,,roten Faden"
deutlich werden zu lassen, der von den wichtigsten werkstoffkundlichen Grundlagen über
die Werkstoffherstellung und Werkstoffprüfung sowie die Weiterverarbeitung zu Halbzeugen
und Fertigfabrikaten bis zur Anwendung fUhrt. Nicht verändert dagegen hat sich der Zweck
des Buches als vorlesungsbegleitende Unterlage für Studenten der Ingenieurwissenschaften.
Alle Kapitel wurden auf den neuesten Stand gebracht und teils gestrafft, teils ergänzt, wo
bei darauf geachtet wurde, den Gesamtumfang nicht zu vergrößern. Ergänzungen finden
sich bei der Stahlherstellung (Gasreduktionsverfahren, OBM-Konverter, AOD-Verfahren,
Vakuumguß), bei der Behandlung der NE-Metalle (Leichtmetalle, Hartmetalle), der nicht
metallischen Werkstoffe (keramische Werkstoffe, Kunststoffe: Verformungsverhalten bei
Erwärmung, elektrostatische Aufladung, neue Fluorkunststoffe, Schaumstoffe, Metallisie
ren von Kunststoffen). Im Bereich Werkstoffprüfung wurde DIN 50 145 berücksichtigt und
bei der Weiterverarbeitung die thermomechanische Behandlung erwähnt. Kurze Abschnitte
über Pulvermetallurgie, Bandgießen und Gießwalzen wurden eingefügt. Neu sind Übersich
ten über das Schweißen, Löten und Kleben von Metallen sowie die entsprechenden Füge
verfahren für Kunststoffe.
Im übrigen wurden bei der überarbeitung neue Normen ebenso berücksichtigt wie die
konsequente Anwendung der physikalisch-technischen Maßeinheiten des SI-Systems
(Systeme International d'Unites) gemäß dem Gesetz über Einheiten im Meßwesen vom
2. Juli 1969.
JürgenRuge
Vorwort zur 4. Auflage
Da die dritte Auflage als nahezu unveränderter Nachdruck erschienen ist, war für die
nunmehr vorliegende vierte eine gründliche Überarbeitung und Ergänzung erforderlich.
Sie bezieht sich auf geänderte Normen für Stahl, Eisengußwerkstoffe und Nichteisenme
talle, die Stahlherstellung einschließlich Sekundärmetallurgie und Sonderverfahren, aber
auch auf verstärkte Kunststoffe und auf die Weiterverarbeitung durch Umformen. Um
den Charakter des einführenden Lehrbuchs zu wahren, liegt wie bisher, bei Beschränkung
des Umfangs auf das Notwendige, das Schwergewicht nicht auf Vollständigkeit, sondern
auf der Vermittlung wichtiger Grundlagen.
Braunschweig, im Juli 1987 JürgenRuge
v
Inhaltsverzeichnis
1 Der Begriff "Werkstofft echnologie" ............................ .
2 Einführung in die Werkstoffkunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.1 Kristallisationsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.2 Entstehung von Kristallen ............................... 3
2.3 Bindekräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.4 Platzwechsel, Leerstellen, Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.5 Legierungen.... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.5.1 Zustandsschaubilder für Zweistofflegierungen ............. 9
2.5.2 Zustandsschaubilder für Dreistoffsysteme ....... . . . . . . . .. 20
3 Das Eisen-Kohienstoff.Schaubild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
3.1 Erstarrungs-und Umwandlungsvorgänge bei Stahl . . . . . . . . . . . . . . .. 26
3.2 Erstarrungs-und Umwandlungsvorgänge bei weißem Gußeisen ....... 27
3.3 Erstarrungs-und Umwandlungsvorgänge bei grauem Gußeisen . . . . . . .. 28
4 Gefüge und Wärmebehandlung von Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
4.1 Gefüge ............... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
4.2 Wärmebehandlung .................................... 31
4.3 Kennzeichnung der Werkstoffe ............................ 39
5 Im Maschinenbau übliche Stähle ............................... 46
5.1 Unlegierte Baustähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46
5.2 Legierte Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48
5.3 Stahlguß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55
6 Gefüge, Wärmebehandlung und Eigenschaften von Gußeisen . . . . . . . . . . . .. 56
6.1 Gußeisen mit Lamellengraphit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
6.2 Temperguß .............. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57
6.3 Gußeisen mit Kugelgraphit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
VI Inhaltsverzeichnis
7 Herstellung von Eisen und Stahl 62
7.1 Erzeugung von Roheisen ............................ ... . 62
7.1.1 Eisenerz...................................... 62
7.1.2 Koks ....................................... . 64
7.1.3 Zuschläge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . 65
7.1.4 Hochofen .................................... . 66
7.1.5 Erzeugnisse des Hochofens ....... ................. . 71
7.1.6 Entwicklungstendenzen im Hochofenbau ............... . 74
7.1.7 Andere Verfahren zur Erzreduktion und Herstellung
von Roheisen ............................ ..... . 74
7.2 Stahlherstellung ..................................... . 76
7.2.1 Chemische Vorgänge beim Frischen ................... . 76
7.2.2 Frischverfahren ................................ . 76
7.2.3 Vergießen von Stahl ............................. . 81
7.3 Sekundärmetallurgie .................................. . 86
7.3.1 Pfannenmetallurgie ............................. . 86
7.3.2 Vakuummetallurgie ............................. . 86
7.3.3 Umschmelzverfahren ......................... ... . 87
7.3.4 Sonderverfahren zur Herstellung hochlegierter Stähle ....... . 88
7.4 Energierückgewinnung und Umweltschutz .................... 89
8 Im Maschinenbau übliche Nichteisenmetalle (NE-Metalle) .............. 90
8.1 NE-Leichtmetalle..................................... 90
8.2 NE-Schwermetalle ................................... . 91
8.3 Hartmetalle 93
9 Nichtmetallische Werkstoffe 94
9.1 Reine und abgewandelte Naturstoffe ........................ 94
9.1.1 Keramik...................................... 94
9.2 Synthetische Kunststoffe - Plaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95
9.2.1 Kunststoffuerstellung ............................. 95
9.2.2 Der innere Aufbau der Kunststoffe .................... 98
9.2.3 Eigenschaften der Kunststoffe ....................... 102
9.2.4 Die wichtigsten Kunststoffe und ihre Anwendung .......... 108
9.2.5 Weichmacher, Gleitmittel, Füllstoffe, Antistatika . . . . . . . . . .. 122
9.2.6 Schaumstoffe .................................. 123
9.2.7 Faserverstärkte Kunststoffe ......................... 123
9.2.8 Metallisieren von Kunststoffen ....................... 126
10 Werkstoffprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 127
10.1 Prüfverfahren ohne Zerstörung des Werkstückes ...... . . . . . . . . . .. 127
10.2 Prüfverfahren mit Zerstörung des Werkstückes . . . . . . . . . . . . . . . . .. 127
10.2.1 Prüfung der physikalischen Eigenschaften .............. " 127
10.2.2 Prüfung der mechanisch-technologischen Eigenschaften . . . . . .. 127
Inhaltsverzeichnis VII
10.2.2.1 Der Zugversuch ........................... 127
10.2.2.2 Der Druckversuch ......................... 134
10.2.2.3 Der Biegeversuch .......................... 136
10.2.2.4 Die Härteprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 137
10.2.2.5 Der Kerbschlagbiegeversuch .. . . . . . . . . . . . . . . . .. 140
10.2.2.6 Der Dauerschwingversuch .................... 142
10.2.2.7 Der Zeitstandfestigkeitsversuch ................ 151
11 Verarbeitung metallischer Werkstoffe 154
11.1 Warmformgebung .................................... 154
11.1.1 Werkstoffverhalten beim Umformen ................... 154
11.1.2 Verfahren zur Warmformgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 157
11.1.2.1 Schmieden .............................. 157
11.1.2.2 Warmwalzen ............................. 166
11.1.2.3 Herstellung von nahtlosen Rohren . . . . . . . . . . . . . .. 172
11.1.2.4 Herstellung von geschweißten Rohren ............ 174
11.1.2.5 Strangpressen ............................ 175
11.2 Kaltformgebung ..................................... 177
11.2.1 Biegeumformen .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 177
11.2.2 Tiefziehen .................................... 180
11.2.3 Streckziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 181
11.2.4 Drücken ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 181
11.2.5 Draht-, Stangen-und Rohrziehen ..................... 182
11.2.6 Fließpressen ................................... 184
11.2.7 Kaltwalzen .................................... 185
11.2.8 Hochgeschwindigkeitsumformen (Hochenergieumformen) ..... 186
11.3 Gießereitechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187
11.3.1 Werkstofffragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187
11.3.1.1 Gußeisen ............................... 188
11.3 .1.2 NE-Metalle .............................. 190
11.3.2 Das Modell .................................... 190
11.3.3 Die Form ..................................... 190
11.3.4 Nachbehandlung ................................ 198
11.3.5 Regeln für den Konstrukteur und Gießerei-Ingenieur ........ 199
11.3.5.1 Stoffgerechter Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 199
11.3.5.2 Gießgerechter Entwurf ...................... 201
11.3.5.3 Formgerechter Entwurf ..................... 205
11.4 Herstellung von überzügen auf Stahl ........................ 207
11.5 Pulvermetallurgie ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 209
11.6 Schweißen, Löten und Kleben von Metallen ................... 211
11.6.1 Schweißen von Metallen ........................... 211
11.6.2 Löten von Metallen 215
11.6.3 Kleben von Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 215
VIII Inhaltsverzeichnis
12 Verarbeitung der Kunststoffe 216
12.1 Umformen ......................................... 216
12.2 Spanen ........................................... 221
12.3 Schweißen und Kleben von Kunststoffen ..................... 221
12.3.1 Schweißen von Kunststoffen ........................ 221
12.3.2 Kleben von Kunststoffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 222
Literatur 223
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 225
1 Der Begriff "Werkstofftechnologie"
Unter Werkstofft echnologie soll die Lehre von der Erzeugung der Werkstoffe und ihrer
Verarbeitung zu Halb-und Fertigprodukten verstanden werden. Man unterscheidet:
a) Chemische Technologie (= chemische Umwandlung der Rohstoffe in Werkstoffe).
b) Mechanische Technologie (= mechanische Verarbeitung der Werkstoffe; Formgebung).
2 Einführung in die Werkstoffkunde
Je nach Anordnung der Atome sind feste Körper amorph (z.B. Glas) oder kristallin (z.B.
Metalle) aufgebaut. Der Nachweis der kristallinen Struktur der Metalle gelang 1912 Max
von Laue und seinen Mitarbeitern durch Röntgenstrahlinterferenzen. Dies war möglich,
weil die Wellenlänge der Röntgenstrahlen um 10-8 cm liegt und die Atomabstände einige
10-8 cm betragen. Bei bekannter Wellenlänge A der Röntgenstrahlen lassen sich Abstand
und Anordnung der Atome im Gitter ermitteln.
Die kleinste Einheit, die den Aufbau bestimmt, ist die Elementarzelle (EZ). Fügt man an
eine solche Elementarzelle in den drei Richtungen des Raumes weitere hinzu, so erhält
man das Raumgitter. Die Kantenlänge der Elementarzelle nennt man die Gitterkonstante,
Ebenen, die in gleichmäßigen Abständen mit Atomen besetzt sind, Netzebenen.
2.1 Kristallisationsformen
Die meisten Metalle erstarren im kubischen oder
im hexagonalen System.
Kubisch primitives Gitter (kommt in der Natur nicht
vor!), Bild 1
Zahl der Atome je EZ: 1
Koordinationszahl (Zahl der nächsten Nachbarn,
d.h. Zahl der Atome, die von einem Atom den
kürzesten, gleich großen Abstand aufweisen): 6
Raumerflillung RE: 52 %
VEZ = a3
VKugel -_ 34" 1Tr 3., mi.t r ="2a wir. d VKugel = 1T6a 3
RE = V Kugel . 100 = ~ . 100 = 52 % Bild 1 Kubisch
VEZ 6 primitives Gitter
Dabei wird angenommen, daß die Atome kugelförmige Gestalt besitzen und sich im Git
terverband gegenseitig berühren.
2 2 Einführung in die Werkstoffkunde
Kubisch raumzentriertes Gitter (krz) , Bild 2
Zahl der Atome je EZ 2
Koordinationszahl 8
Raumerftillung 68 %
Bild 2 Kubisch raumzentriertes Gitter
Beispiele:
Metall Molybdän
Gitterkonstante in 10-8 cm 3,14
Kubisch flächenzentriertes Gitter (kfz), Bild 3
Zahl der Atome je EZ 4
Koordinationszahl 12
Raumerftillung 74 %
Bild 3 Kubisch flächenzentriertes Gitter
Die hohe Koordinationszahl und die dichte Kugelpackung sind Voraussetzung für große
Kristallplastizität.
Beispiele:
Metall Blei
Gitterkonstante in 10-8 cm 4,90
Hexagonales Gitter, Bild 4
Zahl der Atome je EZ 6 bzw. 2 (große bzw. kleine EZ)
Koordinationszahl 12
Raumerftillung 74 %
Bild 4 Hexagonales Gitter
(große und kleine EZ)
