Technologie der Werkstoffe: für Studenten des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik ab 1. Semester

229 Pages·1983·7.358 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Jürgen Ruge (auth.)

Aus dem Programm ________ __
Werkstoffkunde
Werkstoffkunde und Werkstoffprufung,
w.
von WeiBbach
Technologie der Werkstoffe, von J. Ruge
Praktikum in Werkstoffkunde,
von E. Macherauch
Werkstoffkunde fur Elektroingenieure,
von P. Guillery, R. Hezel und B. Reppich
Einfuhrung in die Rontgenfeinstrukturanalyse,
von H. Krischner
Theorie und Praxis der Rontgenstrukturanalyse,
von E. K. Wolfel
Einfuhrung in die Elektronenmikroskopie,
von M. von Heimendahl
Vieweg ---------------
JOrgen Ruge
Technologie
der Werkstoffe
fOr Studenten des Maschinenbaus
und der Verfahrenstechnik ab 1. Semester
Mit 266 Bildern und 50 Tabellen
3., durchgesehene Auflage
Friedr. Vieweg &S ohn Braunschweig/Wiesbaden
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Ruge, Siirgen:
Technologie der Werkstoffe: flir Studenten d.
Maschinenbaus u. d. Verfahrenstechnik ab
1. Sem.jJiirgen Ruge. - 3., durchges. Auf!. -
Braunschweig;Wiesbaden: Vieweg, 1983.
(Un i-Text)
ISBN-13: 978-3-528-23021-0 e-ISBN-13: 978-3-322-89460-1
DOI:I0.I007/978-3-322-89460-1
Prof. Dr.-Ing. Jiirgen Ruge ist Inhaber des Lehrstuhls ftir Schweif,technik und
Werkstofftechnologie der Technischen Universitat Braunschweig
Verlagsredaktion: Alfred Schubert, Willy Ebert
1. Auflage 1972
2. Auflage 1979
3., durchgesehene Auflage 1983
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1983
Die Vervielfiiltigung und Ubertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch flir
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Speicherung und jede Ubertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bander, Platten und andere Medien.
III
Vorworf
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 solI 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
fur Schwe~technik und Werkstofftechnol~gie der TU Braunschweig gehalten wird.
Der Zwang zur Stoffbegrenzung ftihrt 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 zuriicktreten
miissen, wurde besonderer Wert darauf gelegt, die Fragen der Werkstofftechnologie
moglichst praxisnah zu gestalten. Dies kommt insbesondere zum Ausdruck in der
Behandlung der ftir die Massenfertigung bedeutsamen spanlosen Umformverfahren,
der Gie~ereitechnik und der Materialpriifung. Dagegen konnten die spangebenden
Umformverfahren und die Schwe~technik nicht beriicksichtigt werden. Das au~er­
gewohnlich umfangreiche Bildmaterial solI das Verstandnis fUr den dargebotenen
Stoff erleichtern und dem Studenten unnotige Zeichenarbeit ersparen.
Herm Dr.-Ing. W. Hermkind sowie meinen Mitarbeitem, den Herren Dipl.-Phys.
H.-D. Wallheinke und H. Wasle sei ftir ihre Unterstlltzung bei Abfassung und
Korrektur des Manuskriptes herzlich gedankt, desgleichen Frau G. Kater ftir die
Anfertigung der GefUgeaufnahmen und Herrn P. Schindler fUr die Herstellung der
zahlreichen Zeichnungen. Dem Verlag schlie~lich, insbesondere HermA. Schubert,
gilt mein besoriderer Dank fur sorgfaltige Drucklegung und angenehme Zusarnmen
arbeit.
Braunschweig, im Juli 1971 Jiirgen Ruge
IV
Vorwort zur 2. Auflage
FUr die zweite Auflage wurde eine verlinderte Gllederung gewlihlt, urn den ,,roten Faden"
deutlich werden zu lassen, der von den wichtigsten werkstoffkundlichen Grundlagen tiber
die Werkstoftherstellung und Werkstoffprtifung sowie die Weiterverarbeitung zu Halbzeugen
und Fertigfabrikaten bis zur Anwendung ftihrt. Nicht verandert dagegen hat sich der Zweck
des Buches als vorlesungsbegleitende Unterlage fUr Studenten der Ingenieurwissenschaften.
AIle Kapitel wurden auf den neuesten Stand gebracht und tells gestrafft, tells erglinzt, wo
bei darauf geachtet wurde, den Gesamturnfang nicht zu vergro~ern. Erganzungen finden
sich bei der Stahlherstellung (Gasreduktionsverfahren, OBM-Konverter, AOD-Verfahren,
Vakuurngu~), bei der Behandlung der NE-Metalle (Leichtmetalle, Hartmetalle), der nicht
metallischen Werkstoffe (keramische Werkstoffe, Kunststoffe: Verformungsverhalten bei
Erwarmung, elektrostatische Aufladung, neue Fluorkunststoffe, Schaurnstoffe, Metallisie
ren von Kunststoffen). 1m Bereich Werkstoffprmung wurde DIN 50 145 berfrcksichtigt und
bei der Weiterverarbeitung die thermomechanische Behandlung erwlihnt. Kurze Abschnitte
tiber Pulvermetallurgie, Bandgie~en und Gie~wa1zen wurden eingeftigt. Neu sind Obersich
ten tiber das SchweiBen, Laten und Kleben von Metallen sowie die entsprechenden Ftige
verfahren fUr Kunststoffe.
1m tibrigen wurden bei der Oberarbeitung neue Normen ebenso berfrcksichtigt wie die
konsequente Anwendung der physikalisch-technischen Ma6einheiten des SI-Systems
(Systeme International d'Unites) gem~ dem Gesetz tiber Einheiten im Mef3wesen yom
2. Jull 1969.
Jiirgen Ruge
v
I nhaltsverzeichnis
1 Der Begriff "Wetkstofftechnologie" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......... .
2 Einfiihrung in die Wetkstoffkunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.1 Kristallisationsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.2 Entstehung von Kristallen ............................... 3
2.3 Bindekrafte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.4 Platzwechsel, Leerstellen, Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.5 Legierungen.... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.5.1 Zustandsschaubilder fUr Zweistofflegierungen ............. 9
2.5.2 Zustandsschaubilder fur Dreistoffsysteme ................ 20
3 Das Eisen-Kohlenstoff~chaubild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
3.1 Erstarrungs-und Umwandlungsvorgange bei Stahl . . . . . . . . . . . . . . .. 26
3.2 Erstarrungs-und Umwandlungsvorgange bei we~em Gu~eisen ....... 27
3.3 Erstarrungs-und Umwandlungsvorgange bei grauem Gu~eisen . . . . . . .. 28
4 Gefiige und Warmebehandlung von Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
4.1 Gefuge ............................................ 30
4.2 Warmebehandlung .................................... 31
4.3 Kennzeichnung der Werkstoffe ............................ 39
5 1m Maschinenbau iibliche Stable ............................... 46
5.1 Unlegierte Baustahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46
5.2 Legierte Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48
5.3 Stahlgu~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55
6 Gefiige, Warmebehandlung und Eigenschaften von G~isen . . . . . . . . . . . .. 56
6.1 Gu~eisen mit Lamellengraphit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
6.2 Temperg~ ......................................... 57
6.3 G~eisen mit Kugelgraphit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
VI I nhaltsverzeichnis
7 HersteUung von Eisen und Stahl ............................... 60
7.1 Erzeugung von Roheisen ................................ 60
7.1.1 Eisenerz ............. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60
7.1.2 Koks ........................................ 62
7.1.3 Zuschlage .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63
7.1.4 Hochofen ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64
7.1.5 Erzeugnisse des Hochofens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69
7.1.6 Entwicklungstendenzen irn Hochofenbau ................ 71
7.1.7 Andere Verfahren zur Erzreduktion und Herstellung
von Roheisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72
7.2 Stahlherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73
7.2.1 Chemische Vorgiinge beirn Frischen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73
7.2.2 Frischverfahren ................................. 74
7.2.3 Vergie~en von Stahl .............................. 79
8 1m Maschinenbau iibliche Nichteisenmetalle (NE-Metalle) . . . . . . . . . . . . . .. 86
8.1 NE-Leichtmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
8.2 NE-Schwermetalle .................................... 87
8.3 Hartmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88
9 Nichtmetallische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
9.1 Reine und abgewandelte Naturstoffe ........................ 89
9.2 Synthetische Kunststoffe - Plaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
9.2.1 Kunststoffherstellung ............................. 90
9.2.2 Der innere Autbau der Kunststoffe .................... 93
9.2.3 Eigenschaften der Kunststoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97
9.2.4 Die wichtigsten Kunststoffe und ihre Anwendung . . . . . . . . . .. 103
9.2.5 Weichmacher, Gleitmittel, Fiillstoffe, Antistatika ........... 117
9.2.6 Schaumstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
9.2.7 Metallisieren von Kunststoffen ....................... 118
10 Werkstoffpriifung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 119
10.1 Priifverfahren ohne Zerstorung des Werksttickes ................. 119
10.2 Priifverfahren mit Zerstorung des Werksttickes ....... . . . . . . . . . .. 119
10.2.1 Priifung der physikalischen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . .. 119
10.2.2 Priifung der mechanisch-technologischen Eigenschaften . . . . . .. 119
10.2.2.1 Der Zugversuch ........................... 119
10.2.2.2 Der Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 126
10.2.2.3 Der Biegeversuch .......................... 128
10.2.2.4 Die HiirteprUfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 129
10.2.2.5 Der Kerbschlagbiegeversuch .. . . . . . . . . . . . . . . . .. 132
10.2.2.6 Der Dauerschwingversuch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 134
10.2.2.7 Der Zeitstandfestigkeitsversuch . . . . . . . . . . . . . . . .. 143
I nhaltsverzeichnis VII
11 Verarbeitung metallischer Werkstoffe ........................... , 146
11.1 Warmfonngebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146
11.1.1 Werkstoffverhalten beim Umfonnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146
11.1.2 Verfahren zur Warmformgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 149
11.1.2.1 Schmieden .............................. 149
11.1.2.2 Wannwalzen ............................. 152
11.1.2.3 Herstellung von nahtlosen Rohren . . . . . . . . . . . . . .. 159
11.1.2.4 Herstellung von geschweiEten Rohren . . . . . . . . . . . .. 161
11.1.2.5 Strangpressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 162
11.1.2.6 Herstellung von Vberziigen auf Stahl ............. 164
11.1.2.7 Pulvermetallurgie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 165
11.2 Kaltfonngebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 166
11.2.1 Biegeurnfonnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 166
11.2.2 Tiefziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 169
11.2.3 Streckziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 170
11.2.4 Driicken .................................... " 170
11.2.5 Draht-, Stangen-und Rohrziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 171
11.2.6 Flie6pressen ................................... 173
11.2.7 Kaltwalzen .................................... 174
11.2.8 Hochgeschwindigkeitsumfonnen (Hochenergieumfonnen) .. . .. 175
11.3 Gie6ereitechnik ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 176
11.3.1 Werkstofffragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 176
11.3.1.1 Gu6eisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 177
11.3.1.2 NE-Metalle .............................. 179
11.3.2 Das Modell .................. ".................. 179
11.3.3 Die Fonn ..................................... 179
11.3.4 Nachbehandlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187
11.3.5 Regeln fUr den Konstrukteur und Gie6erei-Ingenieur . . . . . . . .. 188
11.3.5.1 Stoffgerechter Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 188
11.3.5.2 Gief.\gerechter Entwurf ...................... 190
11.3.5.3 F onngerechter Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
11.4 SchweiEen, Loten und -Kleben von Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 196
11.4.1 Schwei6en von Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 196
11.4.2 Loten von Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 200
11.4.3 Kleben von Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 200
VIII Inhaltsverzeichnis
12 Verarbeitung der Kunststoffe ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 201
12.1 Spanlose Umformung .................................. 201
12.2 Spangebende Umformung ............................... 204
123 Schwe~en und Kleben von Kunststoffen ..................... 204
12.3.1 Schwei6en von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 204
123.2 Kleben von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 205
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 206
Sachwortverzeichnis ............. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 208
1 Der Begriff "Werkstofftechnologie"
Unter Werkstofftechnologie 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 TechnoTogie (= mechanische Verarbeitung der Werkstoffe; Formgebung).
2 Einfilhrung in die Werkstoffkunde
Je nach Anordnung der Atome sind feste K6rper 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 R6ntgenstrahlinterferenzen. Dies war m6glich,
weil die Wellenlange der R6ntgenstrahlen urn 10-8 cm liegt und die Atomabstande einige
10-8 em betragen. Bei bekannter Wellenlange A der R6ntgenstrahlen lassen sich Abstand
und Anordnung der Atome im Gitter errnitteln.
Die kleinste Einheit, die den Aufbau bestimmt, ist die Elementarzelle (EZ). FUgt man an
eine solche Elementarzelle in den drei Richtungen des Raumes weitere hinzu, so erhalt
man das Raumgitter. Die Kantenllinge der Elementarzelle nennt man die Gitterkonstante,
Ebenen, die in gleichmiiBigen 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
Zahl der Atome je EZ: 1
Koordinationszahl (Zahl der nachsten Nachbarn,
d.h. Zahl der Atome, die von einem Atom den
ktirzesten, gleich gro~en Abstand aufweisen): 6
Raumerflillung RE: 52 %
VEZ = a3
V Kugel = 34" 1Tr3; mI. t r ="a2 w.u d VKugel =1 T6a 3
Bild 1 Kubisch
primitives Gitter