Praktikum der Metallkunde

und Werkstoffprüfung

Praktikum der Metallkunde und Werl(stoffprüfung

für Studierende der Fachrichtungen Metallkunde

und Metallphysik, Hüttenwesen, Maschinenkunde

und Werkstoffkunde

Herausgegeben von

Günter Wassermann unter Mitarbeit von

H.Ahlborn, H.Böhm, G.EIsen, H.-J.Engell, J.Grewen, H.Richter,

A. Segmüller, E.Wassermann, G.Wassermann, P.Wincierz

Mit 158 Abbildungen

Springer-Ver la g Berlin / Heidelberg / N ew York

1965

ISBN-13: 978-3-540-03384-4 e-ISBN-13: 978-3-642-94932-6

DOJ: 10.1007/978-3-642-94932-6

Alle Rechte, insbesondere das der t"bersetzung in fremde Spra.chen, vorbehalten Ohne aUHdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet,

dieses Buch oder Teile daraus auf photo mechanischem Wege (Photokopie, ~Iikrokopie) oder auf andere Art zu vervielfältigen

,r:; by Springer-Verlag Berlin/Heidelberg 1965 Softcover reprinl of Ibe hardcover I sI edition 1965

Library of Congress Catalog ('art! XUl1lber: 6fJ -2808~

Titeillummer 1297

Die WiedergabE" von Gebrauchsnaulen, Handelsnanlen~ 'Varenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzpichnung nicht zu der An~ nahme, daß solche Xamen im Sinne der Warenzeirhen- und 1Iarkellschutz-Gesetz­gebung als frE"i zU betrachten wiiren und daher von jedermann benutzt werden dürfen

Vorwort

Das vorliegende Buch ist aus den Clausthaler Praktika in Metall­kunde und Werkstoffprüfung entstanden. Ein Bedürfnis nach einem solchen Hilfsmittel für den metallkundlichen Unterricht liegt u. E. um so mehr vor, als auch ein für den Unterricht geeignetes und allgemein anerkanntes Lehrbuch der xletallkunde in deutscher Sprache bisher fehlt.

Es zeigte sich bei der Planung des Buches, daß die bei uns durch­geführten Praktikumsaufgaben mit den an anderen Hochschulen üblichen weitgehend übereinstimmen. Obwohl nicht überall ein gesoll­dertes Praktikum über 'Yerkstoffprüfung existiert, war es bei der Bedeutung dieses Gebietes - nicht nur für die Praxis, sondern für wissenschaftliche Untersuchungsverfahren der Metallkunde - unerläß­lich, auch die wichtigsten Verfahren der 'Verkstoffprüfung zu berück­sichtigen. Ferner wurde besonderer 'Yert auf die kristallographischen Grundlagen der Metallkunde bzw. Metallphysik gelegt.

Das Buch ist nicht nur für den Gebrauch an wissenschaftlichen Hochschulen bestimmt, es soll in gleicher 'Weise für Studierende an Hüttenschulen und an Ingenieurschulen für Maschi.nenbau geeignet sein. Vielleicht ist es auch für den schon in der Praxis Tätigen zum Nach­schlagen brauchbar.

Meinen Kollegen auf den Lehrstühlen für Metallkunde, Metallphysik und Werkstoffkunde danke ich, daß sie mich bei der Aufstellung der zu behandelnden Versuche beraten haben. Dabei ergaben sich eine ganze Reihe von Vorschlägen auf Erweiterung der Versuchsliste. Leider war es nur in geringem Maße möglich, diesen Anregungen zu folgen, weil sonst der Umfang und damit der Prei.s auf eine für ein Praktikums­buch ni.cht zumutbare Höhe gestiegen wäre. Verbesserungsvorschläge werden wir gern entgegennehmen.

Clausthal-Zellerfeld, im September 1965 Dl'r Herausgeber Institut für Metallkunde und Metallphysik der Bergakademie Technische Hochschule Clausthal

Inhaltsverzeichnis

1 Metallkundliche Arbeitsverfabren

II Probenherstellung und Probenvorbereitung

111 Öfen ..... .

112 Temperaturmessung

113 Schmelzen, Legieren und Gießen

114 Umformen

115 VVarmbehandlung

116 Herstellen von Einkristallen

1161 Herstellung aus der Schmelze 1162 Herstellung nach dem Rekristallisationsverfahren

12 Metallographie

Seite I

I

7

12

16

19

21

23 26

28

121 Makroskopische Untersuchungen 29

122 Mikroskopische Untersuchungen 31

1221 Vorbereitung der Proben durch mechanisches Schleifen und Polieren sowie Ätzen . . . . . . . . . . . . 31

1222 Vorbereitung der Proben durch elektrolytisches Polieren und Ätzen ........... 35

1223 Mikroskopie im sichtbaren Licht 36

123 Korngrößenbestimmung 43

124 Die McQuAID-EHN-Prüfung . 45

13 Röntgenfeinstrukturuntersuchungen 47

131 Allgemeine Grundlagen und Hilfsmittel der Röntgenfeinstrukturunter-suchungen ............ 47

1311 Erzeugung von Röntgenstrahlen 47 1312 Kristallographische Beziehungen 48 1313 Die stereographische Projektion 52.

132 Die DEBYE-ScHERRER-Aufnahme 60

1321 Probenherstellung 60 1322 Aufnahmevorbereitung und Aufnahme 61 1323 Auswertung der Aufnahme 61

133 Die STRAUMANIs-Aufnahme 68

134 Die Rückstrahlaufnahme 71

1341 Probenherstellung 71 1342 Aufnahmeanordnung 71 1343 Eichsubstanzen 72

Inhaltsverzeichnis

135 Orientierungsbestimmung an drahtförmigen Proben

1351 Aufnahmetechnik 1352 Einkristallaufnahmen . . . . . . . . . . . . 1353 Texturaufnahmen ............ .

136 Orientierungsbestimmung an Einkristallen mit der LAuE·Rückstrahl-

VII Seite

75

75 76 78

aufnahme . . . . . . . . . . 78

1361 Aufnahmetechnik 79 1362 Auswertung der Aufnahme 79

137 Zählrohrdiffraktometer

138 Texturbestimmung an Blechen.

1381 Texturaufnahme mit Hilfe des Zählrohrdiffraktometers 1382 Auswertung der Registrierungen

14 Physikalische VerfahrplJ

141 Thermische Analyse

1411 Grundlagen . 1412 Experimentelle Durchführung der thermischen Analyse 1413 Die Differential-Thermo-Analyse (DTA)

83

84

84 86

91

91

91 94 95

142 Bestimmung elastischer Kenngräßen 97

1421 Die elastischen Kenngräßen 97 1422 Bestimmung des E-Moduls . . 97 1423 Bestimmung des Schubmoduls. 99 1424 Bestimmung des anelastischen Verhaltens durch Dämpfungsmes-

sung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

143 Dilatometrische Bestimmung der thermischen Ausdehnung 107

1431 Grundlagen . . . . . . . 107 1432 Aufbau der Dilatometer . 107

144 Elektrische Widerstandsmessung

1441 Grundlagen . . . 1442 Meßmethoden ..

145 Magnetische Messungen

1451 Grundlagen . 1452 Meßmethoden . .

2 Versuche zu metallkundlichen Vorgängen

21 Bestimmung von Zustandsdiagrammen

22 Abschätzen des Diffusionskoeffizienten

23 Verformung und Rekristallisation

112

112 114

120

120 123

128

134

138

231 Verformung von Einkristallen 138

2311 Zugversuch am Zinkeinkristall. 139 2312 Mechanische Zwillingsbildung . 139 2313 Zugversuch an einem kubisch flächenzentrierten Kristall 140

VIII Inhaltsverzeichnis

232 Versetzungen . Seite 145

2321 Grundlagen . . 2322 Das Seifenblasenmodell . 2323 Ätzung auf Versetzungen .

233 Verformung von Vielkristallen .

234 Erholung und Rekristallisation .

24 Aushärtung

145 147 148

150

154

157

241 Aushärtung einer Aluminiumlegierung 157

242 Rückbildung der Aushärtung 162

25 Stahlhärtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

251 Gefüge normal abgekühlter Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. 164

252 Gefügeänderungen bei beschleunigter Abkühlung von Stählen 168

253 Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme 17l

254 Stirnabschreckprüfung . 175

26 Korrosion . . . . . . . .

261 Grundlagen der Korrosion und des Korrosionsschutzes

177

177

262 Die Wirkung von Korrosionsinhibitoren . . . . . . . 183

263 Einfluß von Deckschichtbildung und Passivität auf die Korrosion der Metalle in Elektrolyten . . . . . . 185

264 Korrosion von Metallen durch Gase .............. 189

<1 Werkstoffprüfung

31 Mechanische Werkstoffprüfung 192

311 Härteprüfung . . . . . . 192 3111 Härteprüfung nach BRINELL 192 3112 Härteprüfung !fach VIeKERS 195 3113 Härteprüfung nach ROCKWELL 199 3114 Mikrohärteprüfung 201

312 Der Zugversuch 204

3121 Bestimmung von Zugfestigkeit, Dehnung und Einschnürung 204 3122 Bestimmung der 0,2%-Dehngrenze .. . . . 211 3123 Bestimmung der technischen Elastizitätsgrenze 214

313 Der Druckversuch. 217

314 Der Biegeversuch . 220

315 Der Kerbschlagbiegeversuch 223

316 Der Standversuch 226

317 Die Untersuchung der Dauerfestigkeit. 232

Inhaltsverzeichnis IX Seite

318 Die Prüfung dünner Bleche . . . . . . . 238

3181 Der Tiefungsversuch nach ERleRSEN 238 3182 Der Näpfchenziehversuch . 241

32 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung 244

321 Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung auf Fehler an der Metallober-fläche . . . . . . . . . . 244

3211 Die Beizprobe 3212 Die Fluoreszenzprobe . 3213 Die Ölkochprobe 3214 Das MagnetpulverYerfahren

322 Werkstoffprüfung mit Röntgenstrahlen

:323 Materialprüfung mit rItraschall

24;") 24;") 245 241i

2;")0

Kap. Seite 111 6

112 9

113 14

114 19

115 21

116 24

25 27

121 31

122 42

123/4 46

131 54 56

56 58 59

Verzeichnis der Versuche und Aufgaben

Bestimmung der Temperaturverteilung in einem vertikalen Rohr­ofen und Messung der Temperaturschwankungen bei Ein-Aus-Rege­lung und V ollast-Teillast-Schaltung

Herstellung und Eichung eines Thermoelementes

Gießen von Al 99,5 % unter verschiedenen Bedingungen

Ziehen und Walzen von Proben für die Versuche in Kap. 233

Homogenisieren einer Cu-Sn-Legierung

1. Herstellung eines Cu-Einkristalls aus der Schmelze durch Erstarren im Temperaturgefälle 2. Ziehen eines Zn-Einkristalls aus der Schmelze 3. Herstellung eines Al-Einkristalls nach dem Rekristallisations­verfahren

BAUMANN-Abdruck

Herstellung eines Schlilfes und fotografische Aufnahme desselben

Korngrößenbestimmung bei McQuAID-EHN-Prüfung

Stereographische Aufgaben: 1. Winkelmessungen zwischen zwei Flächenpolen oder Richtungen 2. Konstruktion eines Pols mit gegebenem Winkelabstand zu zwei anderen Polen 3. Aufstellung der Standardprojektion eines Kristalls 4. Indizierung von unbekannten Flächenpolen und Richtungen 5. Drehung der Projektion um eine Achse

132 Auswertung der DEBYE-SCHERRER-Aufnahmen von 62 1. und 2. W und Cu 65 3. Zn

133 68 Auswertung einer STRAuMANls-Aufnahme von Au

134 72 Auswertung einer Rückstrahlaufnahme von Fe mit Fehlerbetrach­tung

135 76 Orientierungsbestimmung an einem drahtförmigen ß-Messing-einkristall

136 79 Orientierungsbestimmung an einem blechförmigen Al-Kristall

138 88 Texturbestimmung an einem Fe-Ni-Blech (Walztextur)

141 96 Differential-Thermo-Analyse einer Legierung mit 78% Zn und 22% Al zur Bestimmung der eutektoiden Umwandlung

Kap. Seite 142 96

100

104

143 111

144 116

116

117

118

145 125 127

21 133

22 137

231 140 144

232 147 149

233 152 152

234 156 156

241 159

242 163

251 167

252 171

253 175

254 176

261 181

182 182

Verzeichnis der Versuche und Aufgaben XI

1. Bestimmung der Änderung des E·Moduls von Messing mit 72% Cu in Abhängigkeit vom Verformungsgrad 2. Bestimmung der Änderung des Schubmoduls von Reinsteisen in Abhängigkeit von der Temperatur und der Auslagerungszeit 3. Untersuchung der Ausscheidung von C aus dem übersättigten Fe·C·Mischkristall bei 100°C durch Dämpfungsmessung mit dem Torsionspendel

Bestimmung der Umwandlungstemperaturen und der Ausdehnungs. koeffizienten im Temperaturbereich zwischen 100 und 900°C an einem Stahl mit 0,6% C und 0,9% Mn

1. Bestimmung der spezifischen elektrischen 'Viierstände von Cu, Fe und \Y mit der THO:lI1soN·Brücke 2. Bestimmung der Temperaturabhängigkeit des spezifischen elek­trischen Widerstandes von 'V 3. Bestimmung der ~~bhängigkeit des spezifischen elektrischen Wider­standes vom Verformungsgrad 4. Ordnungsvorgänge und elektrischer \Viderstand im System Cu-Au

1. Aufnahme einer Magnet\ilierungskurve nach der Ringmethode 2. Bestimmung der CURIE-Temperatur

Bestimmung der Phasengrenze zwischen ß und <X + ß im Temperatur­bereich zwischen 500 und 800°C im System Cu-Zn

Abschätzen des Diffusionskoeffizienten von Zn in Cu

1. Zugversuch an einem Zn-Einkristall 2. Aufnahme der Schubspannungs-Abgleitungskurve elIles Cu-Ein­kristalls

1. Das Seifenblasenmodell 2. Ätzen auf Versetzungen in Al

1. Änderung der Härte beim Walzen von Al 2. Beobachtung der beim Ziehen von Cu auftretenden Gefüge- und Texturveränderungen

1. Härteänderung bei der Glühung einer verformten Al-Probe 2. Bestimmung der Korngröße von geglühtem Al in Abhängigkeit vom Verformungsgrad

Aushärtung einer Al-Cu-Mg-Legierung bei verschiedenen Tempe­raturen

Rückbildung der Aushärtung an der in Kap. 241 verwendeten Le­gierung

Gefügeuntersuchungen an Kohlenstoffstählen mit verschiedenen C-Gehalten nach Glühungen 50°C oberhalb GOSK

Gefügebeurteilung von Kohlenstoffstählen mit verschiedenen C-Ge­halten nach langsamer Abkühlung und nach Abschrecken in \Vasser

Untersuchungen zum ZTU-Diagramm eines legierten Stahles

Stirnabschreckprüfung an einem Stahl mit 0,36% C und 1,09% Cr

1. Bestimmung des Korrosionspotentials und der Korrosionsströme bzw. -stromdichten von Fe und Zn 2. Bestimmung der Strom-Potential-Kurven von Fe und Zn 3. Wirkung von Lokalelementen auf die Korrosion

XII Verzeichnis der Versuche und Aufgaben Kap. Seite 262 184 1. Inhibierender Einfluß von Na2COa auf die Korrosion von un­

legiertem Stahl 184 2. Inhibierende Wirkung von ß-Naphthachinolin auf die Korrosion

von Fe

263 186

264 191

3111 194 194 195 195

3112 198

3113 201

3114 203 204

204

3121 208

210

3122 213

3123 216

313 219

314 223

:U5 225

:H6 230 231

317 237

3181 241

3182 243

322 254

323 260

Passivierung der Korrosion von Fe durch Oxydationsmittel

Oxydationsversuche an Cu und Cu-Al 4

1. Untersuchung über die Streuung der BRINELL·Härtewerte 2. Abhängigkeit der Werte der BRINELL-Härte von der Belastung 3. Bestimmung von aB/HB an Stählen mit verschiedenem C-Gehalt 4. Bestimmung der BRINELL-Härte von Weichblei in Abhängigkeit von der Belastungszeit

1. Messung der VIeKERS-Härte in Abhängigkeit von der Belastung 2. Ermittlung der maximalen Prüflast für die Härteprüfung nach VIeKERS an Einsatzstahl 3. Härtemessung mit dem VIeKERs-Verfahren an dünnen Drähten

Untersuchung der Beziehung zwischen BRINELL- und ROCKWELL­Härte

1. Ermittlung der Konstanten c für Stahl 2. Härtemessung an den beiden Bestandteilen einer eutektischen Al.Si.Legierung 3. Härtemessung an einem sehr düunen Blech

1. Zugversuche an C-Stählen mit unterschiedlichem C-Gehalt und an Mn -Hartstahl 2. Aufstellung der Verfestigungskurve einer aushärtbaren Al-Legie­rung

Bestimmung der 0,2%-Dehngrenze an einer Messinglegierung

Bestimmung der technischen E-Grenze einer ausgehärteten Al-Legie­rung

Ermittlung des Einflusses der Probenform auf den Druckversuch

Biegeversuch an Grauguß

Untersuchung der Kerbschlagzähigkeit von St37

1. Bestimmung der DVM-Kriechgrenze von St35,8 bei 450°C 2. Bestimmung eines Zeitstandschaubildes für Walz material aus Hütten-Pb

Aufstellung einer WÖHLER-Kurve für C-Stahl

Ermittlung der Tiefung von Messingblechen in Abhängigkeit von der Blechdicke und vom Verformungsgrad

Bestimmungen der Tiefziehfähigkeit und der Zipfelbildung von Messing und Stahl in Tiefziehqualität

Röntgenaufnahme an einer Schweißnaht

Feststellung der optimalen Prüfbedingungen bei der Werkstoff­prüfung mit Ultraschall und Auffindung verschiedener Fehler

Verzeichnis der Autoren

Ahlborn, Haus, Dr.-Ing., Privatdozent, Institut für Metallkunde und ~Ietallphysik, Clausthal - Kap. 111 bis 113, 115, 116, 142

Böhm, Horst, Dr.-Ing., Privatdozent, Laboratorium für Metallurgie, Kernforschungszentrum Karlsruhe - Kap. 141, 21, 22, 232

Elsen, Guido, Dr.-Ing., Edelstahlwerk Reckhammer GmbH., Rem­scheid-Lüttringhausen - Kap. 143, 252, 253

EngelI, Hans-Jürgen, Dr. rer. nat., o. Professor, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart - Kap. 261 bis 264

Grewen, Johanna, Dr.-Ing., Privatdozentin, Institut für Metall­kunde und Metallphysik, Clausthal - Kap. 121 bis 124, 233, 234, 251

Richter, Herbert, Dr.-Ing., Vereinigte Deutsche Metallwerke A.G .. Duisburg - Kap. 311 bis 323

Segmüller, Armin, Dr. rer. nat., Forschungslaboratorium Zürich der International Business Machines Corporation, Rüschlikon - Kap. 131 bis 138

Wassermann, Eberhard, Dr. rer. nat., z. Z. Western University, Evanston (Illinois) - Kap. 144, 145

Wassermann, Günther, Dr. phi!" o. Professor, Institut für Metall­kunde und Metallphysik, Clausthal - Kap. 231, 241, 242, 252 bis 254

Wincierz, Peter, Dr.-Ing., Metallaboratorium der Metallgesellschaft AG., Frankfurt/M. - Kap. 144

Vorbemerkungen zum Gebrauch des Buches

Praktika werden im allgemeinen in der Weise durchgeführt, daß die zu bearbeitende Aufgabe dem Studenten vorher bekanntgegeben wird. Er kann sich dann an Hand des Praktikumsbuches unterrichten und vorbereitet zum Praktikum erscheinen. Die Vorbereitung ist insbesondere dann wichtig, wenn die Studierenden in kleine Gruppen eingeteilt werden, die jeweils zugleich verschiedene Aufgaben bearbeiten. Die Kapitel dieses Buches sind daher im allgemeinen so aufgebaut, daß zu­nächst eine Einführung in das Thema gegeben wird. Da ein Praktikum stets nur zur Ergänzung der Vorlesung dient, diese aber nicht ersetzen soll, haben wir den Einführungen keinen lehrbuchartigen Charakter gegeben. Es wird vielmehr nur das Notwendigste gebracht, um den Studenten auf die auszuführenden Versuche vorzubereiten; aus diesem Grunde wurden auch die Literaturangaben auf das unbedingt Er­forderliche beschränkt.

Die durchzuführenden Versuche sind in einer Reihe von Kapiteln nur in Form von Vorschlägen oder Anregungen gebracht worden. Dies trifft vor allem für diejenigen Fälle zu, bei denen die Einführung so eng mit der Beschreibung des Versuches verknüpft ist, daß eine Trennung unzweckmäßig erschien. Weiterhin wurde aber auch eine allzu detail­lierte und bestimmte Aufgabenstellung vermieden, um die Individualität der verschiedenen Hochschulinstitute zu respektieren. Schließlich lassen auch rein praktische Gesichtspunkte eine allzu enge Aufgabenstellung unzweckmäßig erscheinen, da oft die zur Verfügung stehenden Apparate und Maschinen in den einzelnen Instituten verschieden sind. Für einen Versuch eignen sich meistens verschiedene Werkstoffe gleich gut. Auch dann, wenn bestimmte Metalle und Legierungen angegeben werden, sind sie nur als Beispiel zu werten und lassen sich selbstverständ­lich durch andere, gleichwertige ersetzen.

Dem am Praktikum teilnehmenden Studenten sei gesagt, daß das Wesentliche am Praktikum ist, den ausgeführten Versuch zu verstehen und selbst Messungen durchzuführen. Selber messen ist wichtiger als das Ergebnis. Man kann nicht erwarten, in allen Fällen schon beim ersten Versuch zu guten und einwandfreien Resultaten zu gelangen. Dazu sind oft umfangreiche Erfahrung und Übung erforderlich, die in einem kurzen Praktikumsversuch nicht erworben werden können.

Vorbemerkungen zum Gebrauch des Buches xv

Wichtig dagegen, und auch vom Anfänger zu verlangen, ist die sorg­fältige Führung eines Versuchsprotokolls. Es soll mit dem Namen des Studierenden und dem Datum versehen sein, kurze Angaben über die verwendeten Apparate sowie über den untersuchten Werkstoff (Bezeich­nung, Zusammensetzung, Zustand, Form, Abmessungen) enthalten. Wesentlich ist auch eine übersichtliche Anordnung der Zahlen in Tabellenform und klare, leserliche Schrift.

Die ein Praktikum betreuenden Assistenten mögen bedenken, daß Verständnis für das Wesentliche der Aufgabe und die selbständige Durchführung der Messungen wichtiger sind als die Erzielung richtiger Werte. Ein selbst erarbeitetes Versuchsprotokoll sollte besser beurteilt werden als eine mehr oder weniger abgeschriebene, aber schon "bewährte" Ausarbeitung mit richtigen Werten und schönen Kurven.

Alle Temperaturen sind in oe angegeben, alle Zusammensetzungen in Gew.- %. Die Abbildungen sind fast alle schematisch, ohne daß dies im Einzelfall besonders erwähnt wird.