Werkstoffe: Aufbau und Eigenschaften von Keramik-, Metall-, Polymer- und Verbundwerkstoffen

571 Pages·2012·20.877 MB·German

by  Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner (auth.)

Springer-Lehrbuch
Erhard Hornbogen • Gunther Eggeler
Ewald Werner
Werkstoffe
Aufbau und Eigenschaften von Keramik-,
Metall-, Polymer- und Verbundwerkstoffen
10., neu bearbeitete Auflage
1 C
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Erhard Hornbogen Prof. Dr. mont. Dr. h.c. Ewald Werner
Lehrstuhl Werkstoffwissenschaft Lehrstuhl für Werkstoffkunde und
Institut für Werkstoffe Werkstoffmechanik
Fakultät für Maschinenbau Technische Universität München
Ruhr-Universität Bochum Boltzmannstraße 15
44780 Bochum 85748 Garching b. München
Deutschland Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Gunther Eggeler
Lehrstuhl Werkstoffwissenschaft
Institut für Werkstoffe
Fakultät für Maschinenbau
Ruhr-Universität Bochum
44780 Bochum
Deutschland
ISSN 0937-7433
ISBN 978-3-642-22560-4 e-ISBN 978-3-642-22561-1
DOI 10.1007/978-3-642-22561-1
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 1973, 1979, 1983, 1987, 1991, 1994, 2002, 2006, 2008, 2012
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 zehnten Auflage
Der erfreulich rasche Verkauf der neunten Auflage zeigt, dass sich das Lehr-
buch ,,Werkstoffe“ auch nach nahezu vierzig Jahren seit der Erstauflage
großerBeliebtheiterfreut.DieswarAnsporn,dienunvorliegendezehnteAuf-
lage erneut zu aktualisieren, um der fortw¨ahrenden Entwicklung des Fachge-
bietes der Werkstoffe Rechnung zu tragen. Aus diesem Grund wurden einige
Abbildungen und Tabellen mit neueren Daten versehen. Die Ausfu¨hrungen
desAbschnitts4.8zuNanostrukturenwurdenerheblicherweitertundumfas-
sen nunmehr auch eine Zusammenstellung der Struktur, Eigenschaften und
AnwendungvonKohlenstoff-Nanor¨ohren.SchließlichwurdedasLiteraturver-
zeichnis aktualisiert und einige Druckfehler der Vorauflage ausgebessert.
ImJahr2009erschiendasBegleitbuch,,FragenundAntwortenzuWerkstoffe“
in der v¨ollig neu gestalteten sechsten Auflage. In diesem U¨bungsbuch finden
sich nicht nur eine Vielzahl von Fragen und Antworten zu allen Themen der
Werkstoffkunde, sondern auch die Antworten auf die Kontrollfragen, die am
Ende der dreizehn Kapitel des Lehrbuches gestellt werden.
Auch bei dieser Auflage danken wir einer Reihe von Mitarbeitern fu¨r ihre
Beitr¨age. Gedankt sei an dieser Stelle Frau Yvonne Jahn und Herrn Robert
Werner fu¨r das Korrekturlesen und Herrn Matthias Du¨nckelmeyer fu¨r die
Neugestaltung einiger Bilder. Dem Springer-Verlag danken wir fu¨r die stets
gute Zusammenarbeit und die ansprechende Ausstattung des Buches.
Potsdam, Bochum und Mu¨nchen, 2011 ErhardHornbogen
GuntherEggeler
EwaldWerner
Vorworte zur neunten Auflage
Das Lehrbuch ,,Werkstoffe“ hat sich in acht Auflagen bestens bew¨ahrt. Mit
seiner neunten Auflage, die zw¨olf Jahre nach der Emeritierung von Erhard
Hornbogen erscheint, treten wir als Mitautoren hinzu. Wir verwenden das
Buch in unseren Grundvorlesungen u¨ber Werkstoffkunde, die an der Ruhr-
Universit¨at Bochum und an der Technischen Universit¨at Mu¨nchen gehalten
werden. Fu¨r die neunte Auflage wurde zun¨achst nicht stark vom Inhalt der
vorigen Auflage abgewichen. Allerdings musste das u¨ber die Jahre gewach-
sene Text- und Bildmaterial g¨anzlich neu digital erfasst und in einem neuen
Erscheinungsbild pr¨asentiertwerden. Außerdem wurden am Anfang und En-
dejedenKapitelsdieLernzielekurzdefiniertbzw.einBlockmitje15Fragen
zur Erfolgskontrolle angefu¨gt, die im Niveau den Fragen entsprechen, die in
schriftlichen und mu¨ndlichen Pru¨fungen zu unseren Einfu¨hrungsvorlesungen
gestellt werden.
Esistfu¨runseinebesondereEhrediesesBuch,mitdessenersterAuflagewir
selbstdiefaszinierendeWeltderWerkstoffekennengelernthaben,gemeinsam
mit Erhard Hornbogen weiter zu pflegen. Gedankt sei an dieser Stelle dem
Springer-Verlagfu¨rdieguteZusammenarbeitunddieansprechendeAusstat-
tung des Buches. Besonderer Dank gilt Frau U. Schulz, Frau G. Schu¨rmann,
Frau Y. Jahn, Herrn M. Hu¨hner, Herrn C. Somsen, Herrn N. Lindner und
Herrn A. Mu¨hlemann fu¨r ihre vorbildliche Unterstu¨tzung bei der Neuerstel-
lung von Text und Bildern. Wir wu¨nschen allen Studierenden der Ingenieur-
und Naturwissenschaften viel Erfolg beim Studium dieses Buchs.
Bochum und Mu¨nchen, im April 2008 GuntherEggeler
EwaldWerner
Ich freue mich sehr, dass Gunther Eggeler (mein Nachfolger in der Leitung
desLehrstuhlsfu¨rWerkstoffwissenschaftderRuhr-Universit¨atBochum)und
Ewald Werner (Leiter des Lehrstuhls fu¨r Werkstoffkunde und Werkstoffme-
chanik der Technischen Universit¨at Mu¨nchen) mein Lehrbuch ,,Werkstoffe“
weiterfu¨hren werden und am Inhalt und Erscheinungsbild der neunten Auf-
lage mitgearbeitet haben. An der jetzt vorliegenden Auflage habe ich noch
eine Vielzahl kleinerer Erg¨anzungen und Verbesserungen vorgenommen. Ich
wu¨nsche allen Studierenden viel Freude beim Lernen.
Potsdam, im April 2008 ErhardHornbogen
Vorwort zur achten Auflage
Die Werkstoffwissenschaft ist eines der Grundlagenf¨acher der Ingenieurwis-
senschaften, die den Zusammenhang von Struktur und Eigenschaften aller
fu¨r die Technik bedeutsamen festen Stoffe behandelt. Sie ist im wesentlichen
im Laufe des 20.Jahrhunderts entstanden und zu gewisser Reife gelangt. Ih-
re Urspru¨nge waren empirischer Natur. Die Stahlh¨artung beschreibt bereits
Homer sachgerecht. Einige Namen seien erw¨ahnt, welche die Situation zu
Beginn des vergangenen Jahrhunderts kennzeichnen:
AdolfMartens(1850-1914),Ingenieur-betrachteteundanalysiertealserster
die w¨ahrend der Stahlh¨artung ablaufende strukturelle Phasenumwandlung
im Mikroskop.
Alfred Wilm (1869-1937), Chemiker - entdeckte die Ausscheidungsh¨artung,
entwickelte danach eine heute noch gebrauchte Legierung des Aluminiums.
Erwussteabernicht,dasserdamitdieersteNanotechnologiegefundenhatte.
Ludwig Boltzmann (1844-1906), Physiker - erweiterte den aus der W¨arme-
lehre stammenden Begriff der Entropie, so dass er sp¨ater fu¨r die Deutung
vieler Eigenschaften der Werkstoffe (Mischbarkeit, Gitterdefekte, Gummi-
elastizit¨at),aberauchfu¨rdieAnalyseunddieBewertungvonStoffkreisl¨aufen
nu¨tzlich wurde.
Imfolgenden20.JahrhundertsetztensichzunehmendphysikalischesDenken
und physikalische Messmethoden in unserem Fachgebiet durch. Dank hoch-
au߬osender Mikroskopie bietet heute die Position eines jeden Atoms in der
Struktur eines Werkstoffs kaum mehr Geheimnisse.
In der zweiten H¨alfte des vergangenen Jahrhunderts war die Werkstofffor-
schung noch einmal besonders erfolgreich. Die Halbleiter und die daraus ab-
geleitete Technik sehr kleiner elektronischer Bauelemente (Transistoren), die
schließlich in Siliziumkristallen integriert wurden, fu¨hrten zur zweiten in-
dustriellen Revolution. Immer wieder gab es neben der systematischen Er-
forschung des Gebietes u¨berraschende Entdeckungen, die unsere Kenntnisse
sprunghaft erweiterten, deren Nutzen zum Teil noch in den Sternen steht.
Dabei denken wir an die metallischen Gl¨aser, Quasikristalle mit fu¨nfz¨ahliger
Symmetrie,besondersstarkeFerromagnete,diekeramischenHochtemperatur-
Supraleiter und die Legierungen mit Formged¨achtnis.
Fu¨r das Gebiet, das Werkstoffwissenschaft und -technik (Materials Science
and Engineering) umfasst, gibt es nur in der deutschen Sprache das Wort
,,Werkstoffkunde“.DementsprichtderInhaltdiesesBuches.Allerdingskonn-
ten die technischen Aspekte nur knapp und exemplarisch behandelt werden,
da hierzu ja auch s¨amtliche Fertigungstechniken gez¨ahlt werden mu¨ssen.
Ein Problem besteht darin, dass sich der Umfang des Wissens auf unserem
Fachgebiet in den letzten Jahrzehnten so stark vermehrt hat, dass es immer
X Vorwort
schwieriger wird, der Entwicklung zu folgen, Wichtiges von weniger Wichti-
gemodergarvonnurModischemzuunterscheiden.IndiesemBuchwirdder
Versuch unternommen, die U¨bersicht u¨ber das gesamte Gebiet zu bewahren.
DerindenvorhergehendenAuflagenbew¨ahrteAufbaudesBuchesmit13Ka-
piteln wurde beibehalten. Auf einen einfu¨hrenden U¨berblick folgen drei Ka-
pitel, in denen der mikroskopische Aufbau aller Werkstoffgruppen behandelt
wird.DieEr¨orterungdermakroskopischenEigenschaftenistebenfallsindrei
Kapiteln zu finden: mechanische Eigenschaften, die anderen physikalischen
Eigenschaften und die chemischen Eigenschaften, insbesondere der Ober-
fl¨achen,einschließlichReibungundVerschleiß.DieEinteilungallerWerkstoffe
inviergroßeGruppenspiegelndieThemenvonvierweiterenKapitelnwider:
keramische, metallische, hochpolymere Werkstoffe und Verbundwerkstoffe.
Die beiden letzten Kapitel sind werkstofftechnischen Aspekten vorbehalten.
Dazu geh¨ort ein systematischer U¨berblick u¨ber die Fertigungsverfahren vom
Urformen (Gießen, Sintern, Aufdampfen) u¨ber Umformen, Trennen zu den
Fu¨ge-undOberfl¨achentechniken.DasletzteKapitelistdemgesamtenKreis-
laufgewidmet,vomRohstoffzumWerkstoffinFertigungundGebrauch.Am
Endefu¨hrendieverschiedenenM¨oglichkeitendesVersagenszumAbfall,zum
Schrott. Die Ru¨ckgewinnung gebrauchter Stoffe steht in Zusammenhang mit
demBegriffder,,nachhaltigenTechnik“,alsoeinemsehraktuellenThemafu¨r
die zuku¨nftige Werkstoffkunde.
Das Buch soll die n¨otige ,,Allgemeinbildung“ u¨ber Werkstoffe vermitteln, die
von den Studenten der Ingenieurwissenschaften an Technischen Hochschulen
erwartet wird. Es ist auch fu¨r alle Naturwissenschaftler, vielleicht auch fu¨r
Wirtschaftswissenschaftler nu¨tzlich, die im fortgeschrittenen Studium oder
imBerufslebenmitWerkstoffenzutunhaben,undsicheinenU¨berblicku¨ber
dieses uralte (4000 Jahre seit Beginn der Bronzezeit!), gleichzeitig junge und
immer noch in reger Entwicklung befindliche Gebiet verschaffen wollen. Das
Buch ist bemu¨ht um eine knappe, systematische Darstellung auf neuestem
Stand. Der Autor w¨are besonders erfreut, wenn es intelligente, junge Men-
schen zu aktiver Besch¨aftigung, zu eigener Forschung auf diesem reizvollen
und nu¨tzlichen Gebiet der angewandten Wissenschaft anregen k¨onnte.
Wie wird die Zukunft unseres Fachgebietes aussehen?
Natu¨rlich wissen wir nicht, ob und welche u¨berraschenden Entdeckungen zu
erwarten sind. Drei wesentliche Entwicklungen sind aber heute bereits ables-
bar:
Die Nanotechnik fu¨hrt zur gezielten Herstellung mikroskopischer Struktu-
ren, die ihre natu¨rliche Grenze in atomaren Abmessungen finden. Quanten-
mechanische Aspekte werden dabei an Bedeutung gewinnen. Fu¨r technische
Entwicklungen besteht hier noch ein weiter Spielraum.
Vorwort XI
Die Fu¨lle gr¨oßtenteils schon vorhandener werkstoffwissenschaftlicher Kennt-
nisse wird im Rahmen von Modellierungsprogrammen kombiniert und op-
timiert. Weniger grundlegende Erkenntnisse als vielmehr ein Vordringen in
h¨ohereEbenenderKomplexit¨atunddarausfolgendertechnischerNutzenist
zu erwarten.
Als Erg¨anzung zum analytischen wissenschaftlichen Vorgehen (z.B. Unter-
suchungen am Einkristall) wird die integrierende Behandlung der gesamten
FolgederStoffumwandlungeninKreisl¨aufengr¨oßereAufmerksamkeitfinden.
Das wichtigste wissenschaftliche Werkzeug dafu¨r ist die (statistische) Ther-
modynamik. Den Weg zu einer umfassenden Umweltethik k¨onnte der Begriff
der Entropieeffizienz bereiten.
Fu¨r die 8. Auflage ist die Anordnung des Stoffes der fru¨heren Auflagen im
wesentlichenu¨bernommenworden.AlsneueAbschnittefindetderLeseraber:
2.5 Korngrenzen und homogene Gefu¨ge, 5.6 Gummi- und Pseudoelastizit¨at,
6.5 Supraleiter, 6.8 Formged¨achtnis, 10.7 natu¨rliche Polymere, 13.1 Vom
Werkstoff zum Schrott und 13.5 Entropieeffizienz und Nachhaltigkeit.
Die Zahl der Gefu¨geaufnahmen wurde erneut vermehrt. Folgende Abku¨rzun-
gen dienen zur Kennzeichnung der Untersuchungsmethoden:
DLM - Durchlichtmikroskopie
RLM - Ru¨ckstrahllichtmikroskopie
TEM - Transmissionselektronenmikroskopie
REM - Rasterelektronenmikroskopie
EB - Elektronenbeugung
Bei der Herstellung des Manuskriptes bin ich Frau Ursula Schulz, Bochum,
zuDank verpflichtet,und natu¨rlich,in langj¨ahrigbew¨ahrterWeise,denMit-
arbeitern des Springer-Verlags (in Heidelberg und Berlin).
Im Fru¨hjahr 2005 ErhardHornbogen
Inhaltsverzeichnis
1 U¨berblick
1.1 Was ist ein Werkstoff?.......................................... 3
1.2 Werkstoffkunde................................................... 6
1.3 Mikroskopischer Aufbau, die vier Werkstoffgruppen...... 8
1.4 Werkstoffeigenschaften......................................... 11
1.5 Pru¨fung, Normung, Bezeichnung............................. 18
1.6 Geschichte und Zukunft, Nachhaltigkeit .................... 21
I AufbauderWerkstoffe
2 AufbaufesterPhasen
2.1 Atome.............................................................. 31
2.2 Bindung der Atome und Moleku¨le............................ 37
2.3 Kristalle............................................................ 49
2.4 Baufehler.......................................................... 59
2.5 Korngrenzen und homogene Gefu¨ge.......................... 68
2.6 Gl¨aser und Quasikristalle....................................... 72
3 AufbaumehrphasigerStoffe
3.1 Mischphasen und Phasengemische ........................... 81
3.2 Heterogene Gleichgewichte .................................... 88
3.3 Keimbildung, Kristallisation von Schmelzen................ 103
3.4 Metastabile Gleichgewichte.................................... 108
3.5 Anwendungen von Phasendiagrammen...................... 111
4 GrundlagenderW¨armebehandlung
4.1 Diffusion........................................................... 117
4.2 Kristallerholung und Rekristallisation........................ 129
4.3 Glasbildung........................................................ 135
4.4 Umwandlungen und Ausscheidung ........................... 136
4.5 Thermische Stabilit¨at von Mikrostrukturen................. 142
4.6 Martensitische Umwandlung................................... 146
4.7 Heterogene Gefu¨ge .............................................. 150
4.8 Nanostrukturen................................................... 153
II EigenschaftenderWerkstoffe
5 MechanischeEigenschaften
5.1 Mechanische Beanspruchung und Elastizit¨at............... 163
5.2 Zugversuch und Kristallplastizit¨at............................ 171
5.2.1 Makroskopische Betrachtung der Plastizit¨at................ 171
XIV Inhaltsverzeichnis
5.2.2 Mikroskopische Betrachtung der Plastizit¨at................ 176
5.3 Kriechen........................................................... 184
5.4 Bruch............................................................... 192
5.4.1 Mikroskopische und makroskopische Aspekte.............. 192
5.4.2 Bruchmechanik, statische Belastung und Anriss........... 196
5.4.3 Ermu¨dung......................................................... 202
5.5 Innere Spannungen.............................................. 206
5.6 Gummielastizit¨at................................................. 209
5.7 Viskosit¨at von Flu¨ssigkeiten und Gl¨asern.................... 211
5.8 Viskoelastizit¨at und D¨ampfung................................ 214
5.9 Mehrachsige Beanspruchung, Anisotropie................... 218
5.10 Technische Pru¨fverfahren....................................... 223
6 PhysikalischeEigenschaften
6.1 Kernphysikalische Eigenschaften.............................. 233
6.2 Elektrische Eigenschaften ...................................... 243
6.3 W¨armeleitf¨ahigkeit............................................... 259
6.4 Ferromagnetische Eigenschaften.............................. 261
6.5 Supraleiter......................................................... 269
6.6 Optische Eigenschaften......................................... 271
6.7 Thermische Ausdehnung ....................................... 274
6.8 Formged¨achtnis, Sensor- und Aktorwerkstoffe ............. 278
7 ChemischeundtribologischeEigenschaften
7.1 Oberfl¨achen und Versagen des Werkstoffs.................. 287
7.2 Elektrochemische Korrosion.................................... 289
7.3 Verzundern........................................................ 297
7.4 Spannungsrisskorrosion......................................... 300
7.5 Oberfl¨achen, Grenzfl¨achen und Adh¨asion................... 302
7.6 Reibung und Verschleiß......................................... 306
III DievierWerkstoffgruppen
8 KeramischeWerkstoffe
8.1 Allgemeine Kennzeichnung..................................... 319
8.2 Einatomare keramische Stoffe................................. 322
8.3 Nichtoxidische Verbindungen.................................. 324
8.4 Kristalline Oxidkeramik......................................... 328
8.5 Anorganische nichtmetallische Gl¨aser........................ 334
8.6 Hydratisierte Silikate, Zement, Beton........................ 340
9 MetallischeWerkstoffe
9.1 Allgemeine Kennzeichnung..................................... 349