Hans Warlimont

Legierungs- und Werkstoffherstellung im festen Zustand, Pulvermetallurgie

Bisher haben wir nur solche metallischen Werkstoffe beschrieben, die zunachst erschmolzen und aus der Schmelze erstarrt sind und dann mechanisch und thermisch behandelt werden. In manchen Fallen sind dagegen Herstellungsverfahren erforderlich oder gunstiger, bei denen der flussige Zustand umgangen wird. Werkstoffe dieser Art machen zwar nur einen sehr geringen Gewichtsanteil (etwa 0,1%) der Metallerzeugung aus, werden aber in der Technik und in Gebrauchsgegenstanden auserst verbreitet und vielseitig eingesetzt.

Elektronen in Metallen

Von den kennzeichnenden Eigenschaften der Metalle (Kap. 1) sind den Elektronen zuzuschreiben die hohe elektrische und thermische Leitfahigkeit, der metallische Glanz, also das hohe Reflexions- und Absorptionsvermogen fur Licht, der in einigen Fallen auftretende Ferromagnetismus, die Neigung zu elektrochemischer Korrosion.

Metalle und Strahlung

Seit der Entdeckung der verschiedenen Methoden der Strahlenerzeugung, insbesondere auch der Kernspaltung, ist es moglich geworden, Metalle in Wechselwirkung mit Korpuskel- und Wellenstrahlung unter verschiedenartigen Bedingungen zu beobachten. Im Zusammenhang mit dem Bau von Kernreaktoren wurde von den Metallen eine grose Zahl neuer Eigenschaften gefordert. Eine Reihe neuer Legierungsgruppen ist dadurch technisch interessant geworden. Daraus ist ein neues Teilgebiet der Metallkunde entstanden mit der Aufgabe, das Verhalten von Metallen und Legierungen bei Bestrahlung, besonders als Grundlage der Reaktorwerkstoffe, zu untersuchen. Es sind vier Gruppen der Wechselwirkungen von Strahlen mit metallischen Festkorpern zu unterscheiden: a) Elektronen oder Atomkern werden durch die von ausen kommende Strahlung in einen angeregten Zustand gebracht. Das fuhrt z.B. zur Emission von Rontgenstrahlen durch Beschus mit Elektronen oder zu Kernabsorption bei der Bestrahlung mit energiearmer γ-Strahlung. Bei diesen schwachen Wechselwirkungen konnen auserdem elastische Verlagerungen von Atomreihen und Warmeschwingungen (Phononen) angeregt oder Elektronen emittiert werden (Abschn. 11.1). Die Atomkerne werden jedoch nicht von ihren ursprunglichen Gitterplatzen entfernt (Kap. 3.). b) Durch energiereichere Strahlung konnen Gitterbaufehler entstehen, im einfachsten Fall eine Leerstelle und ein Zwischengitteratom (Frenkel-Paar, Abb. 5.1). Haufig wird das Kristallgitter in komplizierter Weise durch die Verlagerung vieler Atome starker gestort (Kap. 5). c) Unter besonderen Voraussetzungen konnen Atomkerne das Gitters umgewandelt oder gespalten werden. Das fuhrt dann zu einer grosen Zahl von Erscheinungen, die auf der gleichzeitigen Bildung von Legierungselementen, Gasblasen und Gitterbaufehlern durch Bestrahlung beruhen. d) Eine neue Legierung entsteht durch Bestrahlung mit Ionen, die in den bestrahlten Stoff eindringen. In Kristallen entstehen auch hier Gitterdefekte.

Ausgewählte Spezialgebiete der Metallkunde

Metallische Werkstoffe, die uber ihr gesamtes Volumen einheitliche Mikrostruktur und Eigenschaften besitzen, werden als „monolithisch“ bezeichnet. Eine entsprechend der ortlichen Beanspruchung variable Struktur im Bauteil besitzen „masgeschneiderte“ Werkstoffe. Dieses Ziel kann am besten uber den Verbund verschiedener Werkstoffe in geeigneten geometrischen Anordnungen erreicht werden. Die daraus folgenden Moglichkeiten sind durch Extreme wie den Stahlbeton und die leitenden oder halbleitenden Strukturen von in Siliziumkristallen integrierten Schaltkreisen gekennzeichnet. Fur einen Verbund kommen grundsatzlich alle Werkstoffgruppen in Frage: a) Metall b) Keramik c) Hochpolymer.

Erstarrung flüssiger Legierungen — Gußwerkstoffe

Ein Blick auf verschiedene Zustandsdiagramme last erkennen, das die meisten Metalle im flussigen Zustand vollig mischbar sind (Kap. 4). Das ist qualitativ dadurch zu erklaren, das die im festen Zustand durch Kristallstruktur und Atomradius gegebene Begrenzung der Mischbarkeit im flussigen Zustand wegfallt. Es bleibt lediglich die chemische Bindung, die haufig zu Nahordnung oder Nahentmischung und, bei einigen Legierungen, dazu fuhrt, das Mischungslucken bis zu fast volliger Unmischbarkeit (Abb. 4.9) auch im flussigen Zustand auftreten konnen (nur elektronischer Einflus, Kap. 6).

Plastizität und Bruch

Die mechanischen Eigenschaften der Metalle sind ein zentrales Gebiet der Metallkunde. Sie werden auser in diesem Kapitel auch in den Kap. 7, 13–16 und 20 behandelt; sie umfassen die elastische Verformung (Kap. 7) die Streckgrenze bzw. Fliesspannung (Spannung bei Beginn der plastischen Verformung) die Erhohung der Streckgrenze durch Hartungsmechanismen wie Mischkristallhartung, Umwandlungshartung, (Kap. 14) und Teilchenhartung (Kap. 15) die plastische Verformung mit Verfestigung und dynamischer Erholung (Entfestigung) den Bruch die zeitabhangigen Verformungsvorgange bei niedrigen Temperaturen: anelastische Verformung, elastische Nachwirkung, Spannungsrelaxation (Abschn. 8.1 und 9.4) die zeitabhangigen Verformungsvorgange bei hoheren Temperaturen: Kriechen, Superplastizitat Verformung bei wechselnder (anstatt bei einsinniger) Beanspruchung: Ermudung Oberflachenverformung bei reibender Beanspruchung: Verschleis (Kap. 16) anomale quasi-elastische und plastische Verformung durch Pseudoelastizitat und Formgedachtniseffekte (Abschn. 20.3).

Aufbau, Umwandlungen und Eigenschaften der Stähle

Als Stahle werden praktisch alle verformbaren technischen Legierungen des Eisens bezeichnet (Ausnahmen: Reinsteisen, verformbares Guseisen). Die groste Gruppe stellen die Eisen-Kohlenstoff-Legierungen (Kohlenstoffstahle) mit herstellungsbedingten Begleitelementen und geringen Gehalten an Legierungselementen dar: Grund- und Qualitatsstahle. Ihre Bedeutung beruht wirtschaftlich auf dem hohen Anteil des Elements in der Erdkruste und den relativ geringen Herstellungs- und Verarbeitungskosten, metallkundlich und technisch auf der Vielfalt der Phasengleichgewichte und -umwandlungen des Eisens und seiner Legierungen und der dadurch erzielbaren Eigenschaften (vgl. Abschn. 1.2). Weitere wichtige, aber kleinere Werkstoffgruppen stellen die austenitischen und die ferritischen legierten Stahle dar, deren Struktur und Gefuge primar von den stabilen oder metastabilen Substitutions-Mischkristallphasen des Eisens bestimmt werden: Edelstahle. Nach Anwendungen kann man die Stahle auch grob in Baustahle, Werkzeugstahle, chemisch bestandige Stahle und physikalische Stahle einteilen.

Oberflächen, Korrosion und Verschleiß

Grenzflachen existieren als Grenzen zwischen zwei Phasen (Abb. 16.1), zum Beispiel zwischen einem α-Fe-Mischkristall und Graphit im grauen Guseisen (Kap. 12). Grenzen zwischen unterschiedlich orientierten Kristalliten der gleichen Phase sind Korngrenzen. Oberflachen bilden eine besondere Art von Grenzflachen, namlich zwischen dem festen Werkstoff und seiner Umgebung. Im ausersten Fall ist diese Umgebung ein Vakuum, am haufigsten ein Gasgemisch (z.B. Luft), manchmal eine Flussigkeit (z.B. ein Schmiermittel). Im Vakuum kann die Oberflache durch ungesattigte Bindungen beschrieben werden, da die Nachbaratome in einer Richtung fehlen (Abb. 16.2a). In fluiden Umgebungen konnen die in der Oberflache des Festkorpers liegenden Atome mit denjenigen der Umgebung reagieren, entweder durch eine feste chemische Bindung (Chemisorption) oder durch eine schwache intermolekulare Bindung. Ein Beispiel dafur ist die Adsorption von H2O-Molekulen auf Metalloberflachen durch die Anziehung des polaren Wassermolekuls. Die chemische Bindung fuhrt z.B. zur Bildung oft sehr dunner, manchmal monomolekularer Oxidschichten (Abb. 16.2).

Umwandlungshärtung und Stähle

Umwandlungshartung ist die Festigkeitssteigerung durch Phasenumwandlungen. Dabei kann die Festigkeit auf folgenden Eigenschaften desUmwandlungsgefuges beruhen: Mischkristallhartung (Kap. 7), Hartung durch Gitterbaufehler (Kap. 5), Aushartung (Kap. 15) und Hartung durch Uberstrukturphasen. Es ist daruber hinaus moglich, die Festigkeit durch eine Kombination von Phasenumwandlung und Verformung (thermomechanische Behandlung) weiter zu steigern. Am haufigsten und vielseitigsten wird die Umwandlungshartung bei Stahlen angewendet, die wir deshalb als Beispiel behandeln.

Umwandlungen im festen Zustand

Umwandlungen gehoren zu den wichtigsten Vorgangen in festen Metallen und Legierungen. Aus den Gleichgewichtsdiagrammen ist zu entnehmen, bei welcher Zusammensetzung, Temperatur und bei welchem Druck Phasenumwandlungen zu erwarten sind. Im allgemeinen ist eine Umwandlung mit einer Anderung der Kristallstruktur und der Konzentration (in Legierungen) verbunden. Es gibt aber auch Falle, in denen sich nur die Konzentration (koharente Entmischung) oder nur die Struktur (Umwandlung in reinen Metallen, Martensitumwandlung) andert. Phasenumwandlungen mit oder ohne Strukturanderung, die mit einer lokalen Anderung der Konzentration verbunden sind und bei denen die Kristallstruktur des groseren Volumenteils des Grundgitters (Matrix) unverandert bleibt, bezeichnet man als Ausscheidung.