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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.
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