Metallkunde: Band 1 Aufbau der Metalle und Legierungen [6. Aufl. Reprint 2019] 9783111568287, 9783111196749

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SAMMLUNG

GÖSCHEN

BAND

432

METALLKUNDE von

PROF. DR.-ING. HABIL. H E I N Z

BORCHERS

Direktor des Instituts für Metallurgie und Metalikunde der Technischen Hochschule München

i

AUFBAU DER M E T A L L E U N D L E G I E R U N G E N Sechste Auflage Mit 2 Tabellen und 90 Abbildungen

WALTER DE G R U Y T E R & CO. Yorraals G. J . Göschen'sche Verlagshandlung • J . Guttentag, Verlagsbuchhandlung • Georg Reimer • Karl J T r ü b n e r • Veit & Comp.

BERLIN

1964

Die Gesamtdarstellung umfaßt folgende Bände: Band I:

Aufbau der Metalle und Legierungen (SIg. Göschen Bd. 432) von Prof. Dr. H. B o r c h e r s

Band II:

Eigenschaften. Grundzüge der Form- und Zustandsgebung (Slg. Göschen Bd. 433) von Prof. Dr. H. B o r c h e r s

Band III: Die metallkundlichen Untersuchungsmethoden (Slg. Göschen Bd.434) von Prof. Dr. E. H a n k e Die Bände I u. III dienen zugleich als Ersatz für die Bände Nr. 432 und 434 der „Metallographie" von E. H e y n f u. O. B a u e r f.

Copyright 1964 by Walter de Gruyter & Co., vormals G. J. Göschen'sche Verlagshandlung / J. Guttentag, Verlagsbuchhandlung / Georg Reimer / Karl J. T r ü b n e r / Veit & Comp., Berlin 30. — Alle Rechte, einschl. der Rechte der Herstellung von Photokopien und Mikrofilmen, von der Verlagshandlung vorbehalten. — Archiv-Nr. 7 930 640 — Satz u n d Druck: Thormann & Goetsch, Berlin 44 — Printed in Germany.

Inhaltsverzeichnis 1. 2. 3. 4. 5.

Aufgaben der Metallkunde Begriff und Bedeutung des Metalls Aufbaustufen des Metalls. Einstoffsysteme Zweistoffsysteme

4 5 10 20 25

5.1 Im gasförmigen Zustand 5.2 Im flüssigen Zustand 5.21 Vollkommene Unlöslichkeit 5.22 Vollkommene Löslichkeit 5.23 Teilweise Löslichkeit 5.3 Im festen Zustand 5.31 Vollkommene Löslidikeit 5.32 Vollkommene Unlöslichkeit 5.33 Teilweise Löslidikeit 5.34 Änderung im festen Zustand 5.341 Ausscheidung 5.342 Aufspaltung 5.343 Umwandlung 5.4 Schematische Ubersicht über die Kapitel 5.2 u n d 5.3 . . . 5.5 Ausgewählte, technisch wichtige Zweistoffsysteme 5.51 System Fe—C 5.52 System Cu—Zn 5.53 Cu—Zn-ähnliche Systeme 5.54 Leichtmetallsysteme und ähnliche 5.55 Nichtmetallische Zweistoffsysteme 5.6 Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand . .

25 25 25 29 30 34 34 41 53 61 62 63 64 66 69 70 86 92 93 96 100

6. Dreistoffsysteme 7. Vielstoffsysteme 8. Phasenregel 9. Schrifttum Namen- und Sachverzeichnis

101 112 113 117 119

1. Aufgaben der Metallkunde Die Metallkunde behandelt den Aufbau, die Eigenschaften, die Vorgänge bei Form- und Zustandsänderung bzw. Form- und Zustandsgebung sowie die Untersuchung der Metalle und der Legierungen von Metallen miteinander oder mit Nichtmetallen. Unter Form- und Zustandsgebung verstehen wir Schmelzen, Gießen, Erstarrungslenkung, Spritzen, Sintern, elektrolytisches Niederschlagen, Abscheiden aus der Gasphase, Legieren, bildsame (plastische, spanlose) Verformung, (spanabhebende) Werkstoffabtragung, Verbindearbeiten, Trennarbeiten, Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung auch unter zusätzlicher chemischer Einwirkung. Die Metallkunde dient, wie andere wissenschaftliche Disziplinen, der Erarbeitung von Erkenntnissen. Hierbei hat sie aber auf Schritt und Tritt Berührung mit Fragen der Technik, da sie deren wichtigsten Werkstoff behandelt und dadurch zugleich eine ihrer wertvollsten Dienerinnen geworden ist. Wichtigste Voraussetzung zur Beherrschung und sinnvollsten Anwendung der Metallkunde sind gutes chemisches, physikalisches, physikochemisches und das dazu gehörende mathematische Grundwissen sowie die Kenntnis der Forderungen der Technik. Ein gewisses Verständnis für die Metallkunde kann aber auch schon, wenn die genannten Voraussetzungen nicht voll vorhanden sind, gewonnen werden und wertvolle technische Dienste leisten. D i e vorliegenden Bände sollen eine wissenschaftlich exakte, aber möglichst leicht verstandliche Einfuhrung bringen. Sie sollen mit dem geringsten Maß an Voraussetzungen ein schnelles Eindringen in das Gebiet der Metallkunde mit praktischer Blickrichtung ermöglichen. Neben der Einführung soll auch ein ausreichender Uberblick über die aus den Grundlagen abzuleitenden technischen Maßnahmen unter Verarbeitung eines

Begriff und Bedeutung des Metalls

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großen Stoffes auf engem Raum gegeben werden. Die lebhafte Zustimmung in fast allen ausländischen und inländisdien Kritiken läßt erkennen, daß der richtige W e g beschritten zu sein scheint. In der vorliegenden Auflage wurden gegebene Anregungen verarbeitet. Nidit berücksichtigt wurden Wünsche nach Erweiterungen, die ausführlichen Lehrbüchern und umfangreichen Nachschlagewerken vorbehalten bleiben müssen.

2. Begriff und Bedeutung des Metalls Der Begriff des Metalls wird durch mehrere Eigenschaften umrissen, von denen nicht jede allein kennzeichnend ist, wie nachstehende Übersicht in Tabelle 1 zeigt. Die Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen kann je nach der Gruppe der Eigenschaften, der man die größte Bedeutung beimißt, mit mehr oder weniger Berechtigung gezogen werden. So rechneten einzelne Metallurgen, aber wie aus Tabelle 1 hervorgeht mit wenig Berechtigung, den Wasserstoff wegen seines elektrochemischen Verhaltens und seiner überragenden Löslichkeit zu den Metallen. Elemente wie Zinn, Selen und Arsen kann man wegen ausgesprochen metallischer Zustandsformen 1 ) zu den Metallen zählen, in anderen Zustandsformen sind sie Nichtmetalle. Zu den h e r v o r s t e c h e n d s t e n E i g e n s c h a f t e n der Metalle gehören die plastische (bildsame) Verformbarkeit und die elektrische Leitfähigkeit durch Elektronen. Was unter der bildsamen Verformbarkeit genauer zu verstehen ist, werden wir in Kapitel 3.7 in Band II noch erfahren. Es sei vorweg erwähnt, daß diese über die elastische Formänderungsmöglichkeit im festen Zustand hinausgehende Eigenschaft maßgebend für die weitgehende Verformbarkeit durch Schmieden, Pressen, Walzen, Ziehen und für das günstige Verhalten bei mechanischer Beanspruchung ist. Ein Gefühl für diese Eigenschaft wird durch den Hinweis gegeben, daß sie allen anderen Werkstoffen wie Holz, Stein, Glas, Gummi und Kunststoffen fehlt. 1 ) Manche Elemente können im festen Zustand in verschiedenen Zustandsformen (Modifikationen) auftreten.

Begriff und Bedeutung des Metalls

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großen Stoffes auf engem Raum gegeben werden. Die lebhafte Zustimmung in fast allen ausländischen und inländisdien Kritiken läßt erkennen, daß der richtige W e g beschritten zu sein scheint. In der vorliegenden Auflage wurden gegebene Anregungen verarbeitet. Nidit berücksichtigt wurden Wünsche nach Erweiterungen, die ausführlichen Lehrbüchern und umfangreichen Nachschlagewerken vorbehalten bleiben müssen.

2. Begriff und Bedeutung des Metalls Der Begriff des Metalls wird durch mehrere Eigenschaften umrissen, von denen nicht jede allein kennzeichnend ist, wie nachstehende Übersicht in Tabelle 1 zeigt. Die Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen kann je nach der Gruppe der Eigenschaften, der man die größte Bedeutung beimißt, mit mehr oder weniger Berechtigung gezogen werden. So rechneten einzelne Metallurgen, aber wie aus Tabelle 1 hervorgeht mit wenig Berechtigung, den Wasserstoff wegen seines elektrochemischen Verhaltens und seiner überragenden Löslichkeit zu den Metallen. Elemente wie Zinn, Selen und Arsen kann man wegen ausgesprochen metallischer Zustandsformen 1 ) zu den Metallen zählen, in anderen Zustandsformen sind sie Nichtmetalle. Zu den h e r v o r s t e c h e n d s t e n E i g e n s c h a f t e n der Metalle gehören die plastische (bildsame) Verformbarkeit und die elektrische Leitfähigkeit durch Elektronen. Was unter der bildsamen Verformbarkeit genauer zu verstehen ist, werden wir in Kapitel 3.7 in Band II noch erfahren. Es sei vorweg erwähnt, daß diese über die elastische Formänderungsmöglichkeit im festen Zustand hinausgehende Eigenschaft maßgebend für die weitgehende Verformbarkeit durch Schmieden, Pressen, Walzen, Ziehen und für das günstige Verhalten bei mechanischer Beanspruchung ist. Ein Gefühl für diese Eigenschaft wird durch den Hinweis gegeben, daß sie allen anderen Werkstoffen wie Holz, Stein, Glas, Gummi und Kunststoffen fehlt. 1 ) Manche Elemente können im festen Zustand in verschiedenen Zustandsformen (Modifikationen) auftreten.

Begriff und Bedeutung des Metalls Tabelle 1 Charakteristische Eigenschaften der Metalle

Ausnahmen bei den als Z u t r e , f f e n d .^fj Metalle angesehenen einzelnen nidit als Metalle anElementen, soweit ] gesehenen Eleuntersucht menten 1 )

Bei 20° fest Hg, (H t ) metallischer Glanz keine (fester H,) bilden Oxyde keine bilden Hydroxyde keine keine bilden Sulfide mehrere bilden Hydride bilden mit Säuren Salze außer in Metall in keinem Mittel keine (außer H 2 ) ohne chemische Einwirkung löslich, aus dem es wieder auskristallisieren kann keine (außer H s ) bei ätiotroper Modifikation keine sichtbare Änderung im äußeren • mehrere, aber es ver! liert sich dann auch der Habitus metallische Charakter Produkt aus spezif. Wärme und mehrfach unsicher Atomgewicht konstant 6,4 legieren sich nicht mit Nichtmetallen zu homogenen einzelne Mischkristallen legieren sich nicht mit Metalloiden, mit denen sie Verbin- mehrere dungen bilden keine (außer atomarem in Gasform einatomig Wasserstoff) als Ion elektropositiv geladen (daher H, oft zu Metallen ge- keine rechnet) gute elektrische und Wärmeleitkeine (außer H 2 ) fähigkeit Temperaturkoeffizient der elektrischen Leitfähigkeit negativ keine keine, soweit in geplastische Formänderungsfähig- nügender Reinheit unkeit im festen Zustand tersucht, manche aber schon ziemlich spröde metallische Bindung. Im Raumgitter Abgabe von Valenzelek- es können andere tronen, die frei beweglich nicht (homöopolare oder mehr bestimmten Atomrumpfen lieteropolare) Bindunzugeordnet sind. Hohe Bin- gen überlagert sein dungsenergien

ja ja ja nein ja ja nein

ja ja ja ja nein (Si?) nein, auch bei Graphit viel niedriger als bei Metallen nur bei unreinem Graphit äußerst gering

ne*n