Table Of ContentJurgen Ruge
Technologie
der Werkstoffe
fur Studenten des Maschinenbaus
und der Verfahrenstechnik ab 1. Semester
Mit 272 Bildern und 56 Tabellen
5., verbesserte Auflage
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliathek
Ruge, Jiirgen:
Technologie der Werkstoffe: flir Studenten des
Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik
ab 1. Semester / Jiirgen Ruge. - 5., verb. Aufl. -
Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1989
ISBN-13: 978-3-528-43021-4 e-ISBN-13: 978-3-322-84025-7
DOl: 1O.l007/978-3-322-84025-7
Prof. Dr .-Ing. Jiirgen Ruge ist Inhaber des Lehrstuhls fUr SchweiBtechnik und
Werkstofftechnologie der Technischen Universitat 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., iiberarbeitete Auflage 1987
5., verbesserte Auflage 1989
Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International.
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sahn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1989
Das Werk einschliel1lich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede
Verwertung au11erhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne
Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere flir
Vervielfiiltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung
und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Satz: Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig
ISBN -13: 978-3-528-43021-4
III
Vorwort
Die Werkstofftechnologie 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 yom Verfasser am Institut
flir Schwei~technik und Werkstofftechnologie der TV Braunschweig gehalten wird.
Der Zwang zur Stoffbegrenzung flihrt dazu, da~ die Nichteisenmetalle trotz ihrer
Bedeutung nur gestreift werden konnen. Da die Maschinenbaustudenten in den
ersten Semestern vorwiegend mit naturwissenschaftlichen Grundlagen konfron
tiert werden, hinter denen die Ingenieurwissenschaften zunachst zurucktreten
mussen, wurde besonderer Wert darauf gelegt, die Fragen der Werkstofftechnologie
moglichst praxisnah zu gestalten. Dies kommt insbesondere zum Ausdruck in der
Behandlung der flir die Massenfertigung bedeutsamen spanlosen Vmformverfahren,
der Gie~ereitechnik und der Materialprufung. Dagegen konnten die spangebenden
Vrnformverfahren und die Schwei~technik nicht berucksichtigt werden. Das au~er
gewohnlich umfangreiche Bildmaterial solI das Verstandnis flir den dargebotenen
Stoff erleichtern und dem Studenten unnotige Zeichenarbeit ersparen.
Herrn Dr.-Ing. W. Hermkind sowie meinen Mitarbeitern, den Herren Dipl.-Phys.
H.-D. Wallheinke und H. Wasle sei flir ihre Vntersttitzung bei Abfassung und
Korrektur des Manuskriptes herzlich gedankt, desgleichen Frau G. Kater flir die
Anfertigung der Gefligeaufnahmen und Herrn P. Schindler flir die Herstellung der
zahlreichen Zeichnungen. Dem Verlag schlie~lich, insbesondere Herrn A. Schubert,
gilt mein besonderer Dank flir sorgfaltige Drucklegung und angenehme Zusammen
arbeit.
Braunschweig, im Juli 1971 Jiirgen Ruge
IV
Vorwort zur 2. Auflage
Fiir die zweite Auflage wurde eine veranderte Gliederung gewahlt, urn den ,,roten Faden"
deutlich werden zu lassen, der von den wichtigsten werkstoffkundlichen Grundlagen tiber
die Werkstoffherstellung und Werkstoffpriifung sowie die Weiterverarbeitung zu Halbzeugen
und Fertigfabrikaten bis zur Anwendung fiihrt. Nicht verandert dagegen hat sich der Zweck
des Buches als vorlesungsbegleitende Unterlage fUr Studenten der Ingenieurwissenschaften.
Alle Kapitel wurden auf den neuesten Stand gebracht und teils gestrafft, teils erganzt, wo
bei darauf geachtet wurde, den Gesamtumfang nicht zu vergrafilern. Erganzungen find en
sich bei der Stahlherstellung (Gasreduktionsverfahren, OBM-Konverter, AOD-Verfahren,
Vakuumgufil), bei der Behandlung der NE-Metalle (Leichtmetalle, Hartmetalle), der nicht
metallischen Werkstoffe (keramische Werkstoffe, Kunststoffe: Verformungsverhalten bei
Erwarmung, elektrostatische Aufladung, neue Fluorkunststoffe, Schaumstoffe, Metallisie
ren von Kunststoffen). 1m Bereich Werkstoffpriifung wurde DIN 50 145 beriicksichtigt und
bei der Weiterverarbeitung die thermomechanische Behandlung erwahnt. Kurze Abschnitte
tiber Pulvermetallurgie, Bandgiefilen und Giefilwalzen wurden eingeftigt. Neu sind Obersich
ten tiber das Schweifilen, Laten und Kleben von Metallen sowie die entsprechenden Ftige
verfahren fiir Kunststoffe.
1m tibrigen wurden bei der Oberarbeitung neue Normen ebenso berticksichtigt wie die
konsequente Anwendung der physikalisch-technischen Mafileinheiten des SI-Systems
(Systeme International d'Unites) gemiifil dem Gesetz tiber Einheiten im Mefilwesen yom
2. Juli 1969.
Jilrgen Ruge
Vorwort zur 5. Auflage
Da die dritte Auflage als nahezu unveranderter Nachdruck erschienen ist, war fUr die
vierte eine griindliche Oberarbeitung und Erganzung erforderlich. Sie bezieht sich auf
geanderte Normen fUr Stahl, Eisengufilwerkstoffe und Nichteisenmetalle, die Stahlher
steHung einschliefillich Sekundarmetallurgie und Sonderverfahren, aber auch auf ver
starkte Kunststoffe und auf die Weiterverarbeitung durch Umformen. Ftir die nunmehr
vorliegende 5. Auflage waren lediglich einige kleinere Erganzungen und Korrekturen not
wen dig. Urn den Charakter des einflihrenden Lehrbuchs zu wahren, liegt wie bisher, bei
Beschrankung des Umfangs auf das Notwendige, das Schwergewicht nicht auf Vollstan
digkeit, sondern auf der Vermittlung wichtiger Grundlagen.
Braunschweig, im Juli 1989 Jilrgen Ruge
v
I nhaltsverzeichnis
1 Der Begriff "Werkstofftechnologie" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Einflihrung in die Werkstoffkunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Kristallisationsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.2 Entstehung von Kristallen ............................... 3
2.3 Bindekrafte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.4 Platzwechsel, Leerstellen, Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.s Legierungen.... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.s.1 Zustandsschaubilder fUr Zweistofflegierungen ............. 9
2.5.2 Zustandsschaubilder flir Dreistoffsysteme ................ 20
3 Das Eisen-Kohlenstoff- Schaubild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
3.1 Erstarrungs-und Umwandlungsvorgange bei Stahl . . . . . . . . . . . . . . .. 26
3.2 Erstarrungs-und Umwandlungsvorgange bei weiliem Gu~eisen ....... 27
3.3 Erstarrungs-und Umwandlungsvorgange bei grauem Gu~eisen . . . . . . .. 28
4 Gefuge und Warmebehandlung von Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
4.1 Geflige ............................................ 30
4.2 Warmebehandlung .................................... 31
4.3 Kennzeichnung der Werkstoffe ............................ 39
5 1m Maschinenbau iibliche Stahle ............................... 46
5.1 Unlegierte Baustahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46
5.2 Legierte Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48
5.3 Stah1gu~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55
6 Gefiige, Warmebehandlung und Eigenschaften von G~eisen . . . . . . . . . . . .. 56
6.1 Gu~eisen mit Lamellengraphit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
6.2 Tempergu~ ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57
6.3 Gu~eisen mit Kugelgraphit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
VI In haltsverzeichnis
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 ZuschUige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 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 Vorgange beim Frischen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76
7.2.2 Frischverfahren ................................. 76
7.2.3 VergieBen von Stahl .............................. 81
7.3 Sekundarmetallurgie................................... 86
7.3.1 Pfannenmetallurgie .............................. 86
7.3.2 Vakuummetallurgie .............................. 86
7.3.3 Umschmelzverfahren ............................. 87
7.3.4 Sonderverfahren zur Herstellung hochlegierter Stahle ........ 88
7.4 Energiertickgewinnung und Umweltschutz .................... 89
8 1m Maschinenbau tibliche 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 Kunststoftherstellung ............................. 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, Fillistoffe, Antistatika . . . . . . . . . .. 122
9.2.6 Schaumstoffe .................................. 123
9.2.7 Faserverstarkte Kunststoffe ......................... 123
9.2.8 Metallisieren von Kunststoffen ....................... 126
10 Werkstoffprtifung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 127
10.1 Prtifverfahren ohne ZerstOrung des Werksttickes .. . . . . . . . . . . . . . .. 127
10.2 Prtifverfahren mit ZerstOrung des Werkstiickes . . . . . . . . . . . . . . . . .. 127
10.2.1 Priifung der physikalischen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . .. 127
10.2.2 Prtifung 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 Harteprtifung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 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 Warmfonngebung .................................... 154
11.1.1 Werkstoffverhalten beim Umformen ................... 154
11.1.2 Verfahren zu~ Wannformgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 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 geschweiBten 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 Drticken ...................................... 181
11.2.5 Draht-, Stangen-und Rohrziehen ..................... 182
11.2.6 FlieBpressen ................................... 184
11.2.7 Kaltwalzen .................................... 185
11.2.8 Hochgeschwindigkeitsumformen (Hochenergieumformen) ... .. 186
11.3 GieBereitechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187
11.3.1 Werkstofffragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187
11.3.1.1 GuBeisen ............................... 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 flir den Konstrukteur und GieBerei-Ingenieur ........ 199
11.3.5.1 Stoffgerechter Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 199
11.3.5.2 GieBgerechter Entwurf ...................... 201
11.3.5.3 Fonngerechter Entwurf ..................... 205
11.4 Herstellung von Oberzligen auf Stahl ....................... . 207
11.5 Pulvennetallurgie .................................... . 209
11.6 SchweiBen, Laten und Kleben von Metallen .................. . 211
11.6.1 Schweilien von Metallen .......................... . 211
11.6.2 Laten 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 SchweiBen und Kleben von Kunststoffen .................... . 221
12.3.1 SchweiBen von Kunststoffen ........................ 221
12.3.2 Kleben von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 222
Literatur 223
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 225
1
1 Der 8egriff "Werkstofftechnologie"
Vnter Werkstofftechnologie sol1 die Lehre von der Erzeugung der Werkstoffe und ihrer
Verarbeitung zu Halb-und Fertigprodukten verstanden werden. Man unterscheidet:
a) Chemische Technologie (= chemische Vmwandlung der Rohstoffe in Werkstoffe).
b) Mechanische Technologie (= mechanische Verarbeitung der Werkstoffe; Forrngebung).
2 Einflihrung in die Werkstoffkunde
Je nach Anordnung der Atome sind feste Korper 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 Rontgenstrahlinterferenzen. Dies war moglich,
weil die Wellenlange der Rontgenstrahlen urn 10-8 cm liegt und die Atomabstande einige
10-8 ern betragen. Bei bekannter We11enlange A der Rontgenstrahlen lassen sich Abstand
und Anordnung der Atome im Gitter errnitteln.
Die kleinste Einheit, die den Aufbau bestirnmt, ist die Elementarzelle (El). Fogt man an
eine solche Elementarzelle in den drei Richtungen des Raumes weitere hinzu, so erhalt
man das Raumgitter. Die Kantenlange der Elementarzelle nennt man die Gitterkonstante,
Ebenen, die in gleichmaBigen Abstanden 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
vorl), Bild 1
lahl der Atome je El: 1
Koordinationszahl (lahl der nachsten Nachbarn,
d.h. labl der Atome, die von einem Atom den
ktirzesten, gleich groBen Abstand aufweisen): 6
Raumerftillung RE: 52 %
VEZ = a3
. a. ?Ta3
="2 = ""6
mIt r wud V Kugel
VKugel 1T Bild 1 Kubisch
RE = --·100 =-'100= 52%
primitives Gitter
VEZ 6
Dabei wird angenommen, daB die Atome kugelfOrmige Gestalt besitzen und sich im Git
terverband gegenseitig beriihren.
2 2 Einfijhrung 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 OI-Eisen Chrom Wolfram Tantal Molybdiin
Gitterkonstante in 10-8 cm 2,87 2,87 3,15 3,29 3,14
Kubisch flachenzentriertes Gitter (kfz), Bild 3
Zahl der Atome je EZ 4
Koordinationszahl 12
Raumerftillung 74 %
Bild 3 Kubisch fliichenzentriertes Gitter
Die hohe Koordinationszahl und die dichte Kugelpackung sind Voraussetzung fUr grof.)e
Kristallplastizita t.
Beispiele:
Metall Aluminium -y-Eisen Nickel Kupfer Silber Gold Blei
Gitterkonstante in 10-8 cm 4,04 3,65 3,52 3,61 4,08 4,07 4,90
Hexagonales Gitter, Bild 4
Zahl der Atome je EZ 6 bzw. 2 (grof.)e bzw. kleine EZ)
Koordinationszahl 12
Raumerftillung 74 %
Bild 4 Hexagonales Gitter
(grol.\e und kleine EZ)
