Werkstofftechnik: Werkstoffe – Eigenschaften – Prüfung – Anwendung

1 Struktur und Eigenschaften der Metalle (S. 19-20)

1.0 Überblick

Die Gebrauchseigenschaften der metallischen Werkstoffe bestimmen neben dem Preis deren praktische Anwendung. Die chemische Zusammensetzung und die Struktur der Festkörper haben in hohem Maße Ein.uss auf die technisch nutzbaren Eigenschaften. Die Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften bildet die Grundlage für das Verständnis aller folgenden Themenkreise, die metallische Stoffe zum Gegenstand haben. Die Ausführungen lassen außerdem prinzipielle Schlussfolgerungen auch für nichtmetallische Stoffe zu. Struktur und Eigenschaften lassen sich technologisch gezielt verändern.

Themenkreis 1 „Struktur und Eigenschaften der Metalle" beantwortet folgende Fragen:

• Wie sind die Atome in metallischen Stoffen im festen Zustand räumlich angeordnet? (Wesen der Gitterstruktur = Kristallaufbau)

• Weshalb bestimmen Gittertyp und Gitterfehler wichtige Eigenschaften?

• Wie entsteht die Gitterstruktur (Vorgänge bei der Kristallisation)?

• Was bewirkt eine mechanische Beanspruchung des kristallinen Stoffes?

• Welche Vorgänge im Gitter werden durch Zufuhr von Wärmeenergie ausgelöst?

Die Eigenschaften entscheiden darüber, für welche Beanspruchungen der jeweilige Werkstoff eingesetzt werden kann. Außerdem ist wichtig, das günstigste Verfahren für die Formgebung auszuwählen. Die Kenntnisse über das Werkstoffverhalten ermöglichen in vielen Fällen einen modernen Veredlungsprozess, der die mechanische, thermische oder auch chemische Beanspruchbarkeit erhöht.

Die Auswahl der theoretischen Grundlagen, der Verfahren und Beispiele erfolgt nach den Bedürfnissen des Maschinenbaus. Alle Aussagen sind jedoch ebenso zutreffend für ähnliche Industriezweige wie Anlagen-, Apparate-, Kran-, Brücken- und Schiffbau, Fahrzeugbau und andere metallverarbeitende Branchen.

1.1 Metallbindung und Gitterstruktur

Lernziele

Der Lernende kann . . .

• die Wechselwirkungen zwischen Atomen in einem Festkörper erläutern,

• die Besonderheiten der Metallbindung nennen,

• Ideal- und Realkristall beschreiben,

• den Zusammenhang Kristallstruktur/Werkstoffeigenschaften an wesentlichen Merkmalen erklären.

1.1.0 Übersicht

Metalle bzw. Legierungen (metallische Stoffe) haben von allen Stoffgruppen mit Abstand die größte Bedeutung im Maschinenbau und in artverwandten Industriezweigen. Dementsprechend werden im Lernbuch die Struktur und die Eigenschaften der metallischen Stoffe berücksichtigt. Neben allgemein hoher Festigkeit und plastischer Verformbarkeit mit dabei auftretendem Anstieg der Streckgrenze (Verfestigungsvermögen) zeichnen sich Metalle durch hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit aus. Die kristalline Struktur der Metalle re.ektiert Licht. Ein „blankes" Metallstück oder eine Bruch.äche weist stets den charakteristischen metallischen Glanz auf. Die meisten Eigenschaften werden durch die Art der chemischen Bindung, die Metallbindung, bestimmt. Einige Metalle sind ferromagnetisch. Ein massives Stück Metall erscheint als homogener Stoff. Fertigt man jedoch einen Schliff an, d. h., wird durch Schleifen und Polieren eine möglichst ideal ebene und saubere Fläche angearbeitet und durch geeignete Chemikalien angeätzt, so erkennt man bei einer Betrachtung im Auflichtmikroskop die Gefügestruktur. Im Schliffquerschnitt, d. h. in dem optischen Ausschnitt, der durch das Mikroskop vergrößert zu sehen ist, erkennt man Körner (Kristallite) verschiedener Art und Orientierung, Korngrenzen und dazwischenliegende Korngrenzensubstanz. Art und Größe der Kristallite bestimmen sehr stark die Eigenschaften der metallischen Stoffe. Die chemische Zusammensetzung allein ist für die Beurteilung der Werkstoffe nicht ausreichend.

Die Entstehung und der Aufbau des Gefüges spielen in diesem Kapitel eine große Rolle. Röntgen- und Elektronenstrahlen liefern Beugungserscheinungen an der Gitterstruktur, sodass mit entsprechenden Untersuchungsmethoden der Gittertyp und „Maße", wie die Gitterkonstante, ermittelt werden können. In diesem Kapitel sollen Kristalleigenschaften, insbesondere durch eine Gegenüberstellung idealer und realer Struktur, deutlich gemacht werden.