Lehrbuch der Allgemeinen Metallkunde

I. Einleitung.- 1. Bedeutung und Eigenart der Metallkunde.- 2. Grundlegende Tatsachen und Definitionen.- II. Einige allgemeine Grundlagen.- A. Einige physikalisch-chemische Beziehungen.- 1. Die isotherme Ausdehnungsarbeit eines idealen Gases.- 2. Das Massenwirkungsgesetz.- 3. Die Aktivierungsenergie.- 4. Die Formel von W. Nernst für das elektrochemische Elektrodenpotential.- B. Einige krystallographische Grundlagen.- 1. Raumgitter, Elementarzelle.- 2. Indizierung von Ebenen und Richtungen.- 3. Die Krystallsysteme.- 4. Das kubische System.- 5. Angabe der Atombesetzung in einer Struktur.- 6. Das hexagonale System dichtester Kugelpackung.- 7. Die Beziehung des hexagonalen Gitters dichtester Packung zum kubischen flächenzentrierten Gitter.- C. Röntgenanalyse in der Metallkunde.- 1. Allgemeines und die Braggsche Beziehung.- 2. Die Verfahren von M. v. Laue, von W. H. und W. L. Bragg und von P. Debye und P. Scherrer.- 3. Netzebenenabstand und Millersche Indizes.- 4. Interferenzen und Auslöschungen im kubischen Raumgitter.- 5. Dichte und Zahl der Atome in der Elementarzelle.- 6. Intensitätsanalyse komplizierterer Strukturen.- 7. Bestimmungsstücke der Intensität der Röntgeninterferenzen.- 8. Anwendung der Röntgenstrahlen in der Metallkunde.- a) Untersuchung von Zustandsdiagrammen.- b) Sondererscheinungen im Röntgendiagramm. Texturen.- c) Bemerkung über die Grobstrukturuntersuchung.- D. Thermodynamische Grundlagen.- 1. Einige thermodynamische Bezeichnungen und Definitionen.- 2. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik.- 3. Kreisprozeß und adiabatischer Prozeß.- 4. Umkehrbare und nicht umkehrbare Prozesse.- 5. Der Carnotsche Kreisprozeß und die Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.- 6. Übertragung auf beliebige Prozesse und Ableitung des Entropie-Begriffes.- 7. Das thermodynamische Gleichgewicht.- 8. Berechnung von Zustandsänderungen bei irreversiblen Prozessen.- 9. Die Gleichung von Clausius und Clapeyron.- III. Konstitutionslehre (Heterogene Gleichgewichte).- A. Einstoffsysteme.- 1. Zustandsgleichung, Zustandsdiagramm.- 2. Phasenregel im Einstoffsystem.- 3. Gestalt des Zustandsdiagrammes.- 4. Allotrope Modifikationen.- 5. Diagramm für konstanten Druck.- 6. Schmelz-, Siede- und Umwandlungstemperaturen der reinen Metalle.- B. Zweistoffsysteme.- 1. Phasenregel bei Zweistoffsystemen.- 2. Das Zustandsdiagramm.- a) Allgemeine.- b) Die Hebelbeziehung.- c) Wahl der Konzentrations-Variablen.- d) Gewichtsprozente und Atomprozente.- 3. Formen des Zustandsdiagrammes.- a) Übersicht.- b) Mechanisches Gemenge der Bestandteile.- c) Die Bestandteile bilden eine intermediäre Krystallart (Verbindung) mit einem Schmelzpunkts-Maximum.- d) Die Bestandteile bilden eine intermediäre Krystallart, die unter Zersetzung schmilzt (inkongruent schmelzende Verbindung).- e) Die Bestandteile bilden in allen Verhältnissen Mischkrystalle.- f) Die Bestandteile bilden miteinander begrenzte Reihen von Mischkrystallen mit einem Eutektikum.- g) Die Bestandteile bilden begrenzte Mischkrystallreihen mit einem Peritektikum.- h) Die Bestandteile bilden im flüssigen Zustand eine Mischungslücke und im festen Zustand ein mechanisches Gemenge.- 4. Mengen der Krystalle und der Schmelze im Verlaufe der Erstarrung.- 5. Ableitung der binären Zustandsdiagramme mit Hilfe des thermodynamischen Potentials.- a) Das chemische Potential und das ?-X-Diagramm.- b) Das Potential eines mchanischen Gemenges und einer ununterbrochenen Reihe von Schmelzen oder Mischkrystallen.- c) Gang der Potentiale im Erstarrungsintervall.- d) Entstehung einer Mischungslücke im flüssigen Zustand.- e) Erstarrung eines mechanischen Gemenges der Bestandteile.- f) Erstarrung einer Verbindung mit einem Temperaturmaximum.- g) Allgemeine Ableitung der isothermen Tangente im Temperaturmaximum. Schmelzkurve beim eutektischen Punkt.- h) Erstarrung einer Verbindung ohne Temperaturmaximum.- i) Erstarrung einer ununterbrochenen Reihe von Mischkrystallen.- k) Zusammenfassende Bemerkung.- C. Phasenregel.- 1. Ableitung der Phasenregel.- 2. Unabhängige Bestandteile.- 3. Sonderfälle.- D. Dreistoff-Systeme.- 1. Darstellung.- a) Das Konzentrationsdreieck.- b) Die Hebelbeziehung.- c) Schwerpunktsbeziehung für drei Phasen.- d) Vierphasengleichgewichte.- 2. Erstarrungstypen.- a) Die Bestandteile bilden im Krystallzustand ein mechanisches Gemenge.- ?) Erstarrungsgang.- ?) Zustandsflächen und Zustandsräume.- ?) Projektionen und Schnitte.- b) Mischkrystalle in allen Verhältnissen.- c) Beschränkte Mischkrystallbildung bei allen Bestandteilen. Ternäres Eutektikum.- d) Eine binäre Verbindung mit offenem Maximum. Keine Mischkrystallbildung.- e) Lückenlose Mischkrystallbildung in einem Randsystem, Eutektika in den beiden anderen.- f) Abschließende Bemerkung.- E. Systeme mit vier und mehr Bestandteilen.- 1. Vorbemerkung.- 2. Das Konzenträtionstetraeder.- 3. Erstarrung eines mechanischen Gemenges der vier Bestandteile. Isotherme Darstellungen.- 4. Erstarrung eines mechanischen Gemenges der vier Bestandteile. „Polythermisches Modell“.- F. Bemerkungen über die Methoden der Konstitutionsforschung.- 1. Die mikroskopische und die Röntgenmethode.- 2. Die thermische Analyse.- 3. Schwierigkeiten der Gleichgewichtseinstellung.- G. Zur Energetik binärer Systeme.- 1. Vorbemerkung.- 2. Eine homogene Phase.- a) Einige grundlegende Beziehungen.- b) Das thermodynamische und das chemische Potential.- c) Aktivität und Aktivitätskoeffizient.- d) Einige Bestimmungsmethoden der thermodynamischen Größen.- e) Vereinfachte Annahmen über den atomistischen Aufbau der Phasen.- ?) Ideale und reguläre Mischungen.- ?) Mischkrystallphasen mit geringem Fehlordnungsgrad.- f) Experimentelle Ergebnisse.- 3. Zweiphasengleichgewichte.- a) Allgemeine Behandlung von Gleichgewichtskurven.- b) Grenzfall geringer Konzentrationen.- c) Entmischungskurve mit kritischem Punkt.- IV. Der atomistische Aufbau des metallischen Krystalles.- A. Intermetallische Krystallarten. Reine Metalle.- 1. Allgemeines.- a) Definition einer intermetallischen Verbindung.- b) Einige Beispiele von intermetallischen Verbindungen.- 2. Systematische Erörterung.- a) Die Bindungstypen in Krystallen.- ?) Das Ionengitter.- ?) Homöopolare Bindung.- ?) Metallische Bindung.- ?) Übergangsfälle. Allgemeines über metallische Strukturen.- b) Eine all em ine thermödynamische Betrachtung.- 3. Einzelne Strukturtypen.- a) Alkalimetalle. Raelmetalle.- b) Die Hume-Rothery-Phasen.- c) Laves-Phasen.- ?) Struktur der Verbindung MgCu2.- ?) Struktur der Verbindung MgZn2.- ?) Existenzbedingungen der Laves-Phasen.- d) NiAs-Typ.- e) Zintlsche Phasen.- B. Mischkrystalle.- 1. Allgemeine Einteilung.- 2. Einlagerungsmischkrystalle (interstitiäre Mischkrystalle).- 3. Substitutionsmischkrystalle. Beständigkeitsgrenzen von Mischkrystallen.- 4. Defektmischkrystalle.- V. Diffusion.- 1. Grundlegende Beziehungen.- 2. Experimentelle Methoden der Diffusionsmessung.- 3. Tatsachenmaterial.- 4. Theorie der Diffusion.- 5. Diffusion und Reaktion.- VI. Entstehung des krystallinischen Metallkörpers.- A. Vorbemerkung.- B. Die Keimbildung.- 1. Definition des Schmelzpunktes und die Unvermeidbarkeit einer Unterkühlung bei der Keimbildung.- 2. Abhängigkeit des Dampfdruckes eines Flüssigkeitskeimes vom Radius.- 3. Wahrscheinlichkeit der Bildung eines kritischen Tropfenkeimes und die hierzu erforderliche Arbeitsleistung.- 4. Tropfenbildung an einer Wand.- 5. Krystallbildung aus dem Dampf (Reifbildung).- 6. Allgemeines über Krystallkeimbildung in Schmelzen.- 7. Keimbildung in Metallschmelzen.- C. Das Krystallwachstum in der Schmelze.- 1. Definition der linearen Krystallisationsgeschwindigkeit. Ihre formale Richtungsabhängigkeit.- 2. Grundvorstellung des Krystallwachstums nach W. Kossel, J. N. Stranski.- 3. Störungen des Krystallwachstums.- 4. Einfluß der Krystallisationswärme und der Diffusion bei Lösungen. Dendritenbildung. Einfluß der Unterkühlung auf die Krystallform.- 5. Messung der Krystallisationsgeschwindigkeit (K. G.) nach G. Tammann in Röhrchen.- 6. Krystallisationsgeschwindigkeit in Mehrstoffsystemen.- D. Ergänzungen.- 1. Krystallisation aus dem Dampfraum.- 2. Keimbildung in Elektrolyten.- 3. Elektrolytisches Krystallwachstum.- E. Eigenschaftsänderungen bei der Krystallisation.- 1. Krystallisationswärme.- 2. Volumenänderung bei der Erstarrung.- 3. Allgemeines über Eigenschaftsänderungen bei der Erstarrung.- F. Entstehung des technischen Metallkörpers aus der Schmelze.- 1. Gefüge eines technischen Gußstückes.- a) Beschreibung des Gefüges. Einfluß der Herstellungsbedingungen.- b) Erklärung des Gefüges eines technischen Metallstückes.- 2. Erstarrungshohlräume.- a) Lunkerbildung bei reinen Metallen.- b) Lunkerbildung bei Legierungen.- c) Porosität und Einfallstellen.- 3. Entmischungserscheinungen bei der Erstarrung von Legierungen.- a) Zonenbildung in Mischkrystallen (Kornseigerung).- ?) Zonenbildung und Diffusion.- ?) Beseitigung der Kornseigerung durch Homogenisieren.- ?) Berechnung der Kornseigerung im Falle fehlender Diffusion.- b) Blockseigerung.- ?) Schwereseigerung.- ?) Direkte und umgekehrte Blockseigerung.- ?) Ursachen der umgekehrten Blockseigerung.- ??) Krvstallisationskraft.- ??) Volumenabnahme bei der Erstarrung.- ? ?) Hypothese des Schrumpfdruckes.- c) Gasentbindung bei der Erstarrung.- ?) Änderung der Löslichkeit von Gasen in Metallen bei der Erstarrung.- ?) Entmischungserscheinungen infolge der Gasabgabe bei der Erstarrung.- VII. Physikalische Eigenschaften der Metalle.- A. Das Metallatom.- B. Die spezifische Wärme der Metalle.- C. Volumen und thermische Ausdehnung.- 1. Reine Metalle.- 2. Eine Beziehung zwischen der spezifischen Wärme und der thermischen Ausdehnung.- 3. Volumen und thermische Ausdehnung von Legierungen.- 4. Kompressibilität der Metalle.- D. Elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit.- 1. Tatsachenmaterial zur elektrischen Leitfähigkeit.- a) Leitfähigkeit und Widerstand reiner Metalle.- b) Elektrischer Widerstand von Legierungen.- c) Supraleitfähigkeit.- 2. Wärmeleitfähigkeit.- 3. Theorie der elektrischen Leitfähigkeit.- a) Grundvorstellungen der Theorie freier Elektronen.- b) Wechselwirkung zwischen den Elektronen und dem Raumgitter. Reziprokes Gitter und Brillouinsche Zonen.- c) Das Zustandekommen der elektrischen Leitfähigkeit in einem Raumgitter.- d) Theoretische Vorstellungen über den Einfluß von Temperatur und Zusätzen auf die elektrische Leitfähigkeit.- E. Magnetische Eigenschaften.- 1. Einführung. Grundtatsachen und Definitionen.- a) Das Coulombsche Gesetz. Feldstärke, Induktion und Magnetisierung.- b) Bemerkungen zu den magnetischen Einheiten.- 2. Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus.- 3. Magnetisches Verhalten der reinen Metalle.- 4. Magnetisches Verhalten von Legierungen.- a) Verhalten des mechanischen Gemenges.- b) Verhalten der Mischkrystalle mit Kupfer, Silber und Gold.- c) Verhalten der Mischkrystalle mit Nickel.- 5. Die ferromagnetischen Metalle.- a) Die Magnetisierungsschleife (Hysteresisschleife).- b) Spontane Magnetisierung. Weißsche Bezirke und Blochsche Wände.- c) Die Krystallenergie.- d) Magnetostriktion und Spannungen.- e) Wandverschiebungen.- f) Magnetisierungsschleife eines vielkrystallinen Metalles.- g) Weiche und harte ferromagnetische Materialien.- F. Thermoelektrizität.- G. Elastisches Verhalten der Metalle.- 1. Spannung.- 2. Hauptspannung. Isotrope Beanspruchung.- 3. Spannungen und Deformationen im isotropen Körper.- 4. Spannungen und Deformationen eines Krystalles.- VIII. Plastische Verformung.- A. Makroskopische Beschreibung.- 1. Der Zugversuch. Härte.- a) Allgemeine Beschreibung des Zugversuchs.- b) Die wahre (effektive) Spannung.- c) Meßwerte für den Beginn der plastischen Verformung.- d) Härte.- e) Festigkeitswerte einiger Metalle und Legierungen.- f) Problematik der plastischen Deformation von Metallen.- 2. Die Geometrie der Plastischen Deformation von Krystallen.- a) Deformation von Salzkrystallen.- b) Gleitung bei Metallen.- c) Quantitative Untersuchung der Translation bei kubischen Metallkrystallen.- d) Quantitative Untersuchung der Translation bei hexagonalen Metallen und bei Zinn.- e) Mechanische Zwillingsbildung.- f) Gleitelemente der metallischen Krystalle.- 3. Dynamik der plastischen Verformung.- a) Kritische Schubspannung und Verfestigung.- b) Temperaturabhängigkeit der kritischen Schubspannung und der Verfestigung.- c) Die Richtungsabhängigkeit der Verfestigung.- d) Einfluß der Legierungsbildung auf die Verfestigung bei der plastischen Verformung.- B. Atomistische Theorie der Gleitung und der Verfestigung.- 1. Begriff der Versetzung und der Versetzungslinie.- 2. Geschwindigkeit der Bildung und Wanderung von Versetzungen.- 3. Vergleich mit der Erfahrung.- 4. Verfestigung. Einleitende Bemerkung.- 5. Abhängigkeit der Verfestigung von der Deformationsgeschwindigkeit.- 6. Spannungshof einer Versetzung.- 7. Versuch einer Theorie der Verfestigung.- 8. Temperaturabhängigkeit der Verfestigung.- 9. Einfluß der Mischkrystallbildung auf die Verfestigung.- 10. Plastische Deformation von vielkrystallinen Aggregaten im Vergleich mit derjenigen der Einzelkrystalle.- 11. Abschließende Bemerkung.- C. Änderungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften durch plastische Verformung.- 1. Änderungen des Röntgenbildes.- a) Laue-Asterismus.- b) Die van-Arkel-Verbreiterung der Debye-Scherrer-Linien.- c) Intensitätsänderungen der Röntgenlinien.- 2. Änderung der Dichte und des thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten durch plastische Verformung.- 3. Änderung des elektrischen Widerstandes. Mathiessensches Gesetz.- 4. Verformungsenergie.- D. Sondererscheinungen.- 1. Wechselfestigkeit und Ermüdung von Metallen.- 2. Elastische Nachwirkung.- 3. Kriechen der Metalle.- IX. Eigenspannungen.- A. Natur, Entstehung und Wirkung von Eigenspannungen.- 1. Definition und Bedeutung von Eigenspannungen.- 2. Elastische Biegung eines dünnen Streifens.- 3. Entstehung von Eigenspannungen bei der plastischen Biegung.- 4. Entstehung von Eigenspannungen durch homogene Deformation eines nicht homogenen Körpers.- 5. Beeinflussung der Festigkeitseigenschaften durch Eigenspannungen.- 6. Aufreißen von Metallkörpern durch Eigenspannungen.- 7. Volumenänderungen durch Eigenspannungen.- 8. Wärmespannungen.- 9. Beseitigung von Eigenspannungen.- 10. Bauschinger-Effekt.- 11. Eigenspannungen erster, zweiter und dritter Art.- B. Messung von Eigenspannungen.- 1. Optische Messung von Spannungen. Allgemeines über Messung von Eigenspannungen.- 2. Messung von Eigenspannungen mit Röntgenstrahlen.- 3. Mechanische Messung von Eigenspannungen. Allgemeines.- X. Erholung und Rekrystallisation.- A. Definition der Rekrystallisation und der Erholung.- B. Überblick über die Erscheinungen der Rekrystallisation.- 1. Bearbeitungsrekrystallisation.- a) Normaler Rekrystallisationsverlauf eines stärker kaltgereckten Metalles.- b) Rekrystallisation nach geringen Verformungen.- c) Abnormes Krystallwachstum (freie sekundäre Rekrystallisation).- d) Das Rekrystallisationsdiagramm.- 2. Rekrystallisation des nicht gereckten Metalles.- a) Rekrystallisation des unterhalb des Schmelzpunktes reduzierten oder sublimierten Metalles.- b) Rekrystallisation des unmittelbar aus der Schmelze erstarrten Metalles.- c) Allgemeine Voraussetzung der Rekrystallisation.- d) Rekrystallisation unter dem Einfluß von Reaktionen im festen Zustand.- C. Erholung.- 1. Tatsachen.- 2. Theorie.- D. Systematische Erörterung der Teilvorgänge der Rekrystallisation.- 1. Energetisches Gesamtschema der Rekrystallisation.- 2. Die Kernbildung.- a) Argumente für die Annahme einer Kernbildung bei der Rekrystallisation.- b) Experimentelle Verfolgung der Kernbildung.- 3. Das Kernwachstum.- 4. Kornvergrößerung.- 5. Freie sekundäre Rekrystallisation.- 6. Erzwungene sekundäre Rekrystallisation.- 7. Rekrystallisations-Zwillinge.- 8. Einfluß der Verformungsbedingungen auf die Rekrystallisation.- E. Einfluß von Verunreinigungen und Legierungszusätzen auf Rekrystallisation und Erholung.- F. Rekrystallisationstexturen.- G. Rekrystallisationsbeobachtungen an nichtmetallischen Stoffen.- XI. Zustandsänderungen in krystallisierten Metallen.- A. Allgemeines.- B. Umwandlungen.- 1. Übersicht der bekannten Umwandlungen.- 2. Mechanismus der Umwandlungen.- a) Allgemeines.- b) Umwandlung von AuCu.- c) Die ?-?-Umwandlung des Eisens.- d) Die Umwandlung ?-? im Messing.- e) Umwandlung des Kobalts.- f) Umwandlung des Zirkons.- g) Umwandlung des Zinns.- C. Aushärtung.- 1. Grundlegende Erfahrungen am Duralumin.- 2. Untersuchung der Cu-Be-Legierungen.- 3. Eingehendere Untersuchung der Cu-Al-Legierungen.- 4. Arbeiten von G. D. Preston und A. Guinier.- 5. Rückbildungserscheinungen. Susceptibilität.- 6. Ausscheidungsvorgänge.- XII. Chemische Reaktionen der Metalle mit nichtmetallischen Stoffen.- A. Allgemeines.- B. Angriff der Metalle durch Gase.- 1. Ansatz der Anlaufgeschwindigkeit auf Grund der Diffusion durch die Anlaufschicht.- 2. Methodik der Messung der Angriffsgeschwindigkeit unter besonderer Berücksichtigung der Anlauffarben.- 3. Tatsachenmaterial.- 4. Zur Begründung des exponentiellen Anlaufgesetzes.- 5. Voraussetzungen für eine lückenlose Bedeckung eines Metalles durch Anlaufschichten und ihre Orientierung zum Metall.- 6. Nachweis der Wanderung der Metallionen durch Anlaufschichten. Konsequenzen.- 7. Störung der Ausbildung von Anlaufschichten.- 8. Oxydation von Legierungen.- C. Korrosion in Elektrolyten.- 1. Elektrochemische Grundvorgänge.- 2. Potentialbildung in Elektrolyten.- 3. Messung der Potentiale. Die Gleichgewichtspotentiale.- 4. Konzentrationspolarisation.- 5. Chemische Polarisation.- 6. Kombinierte Polarisation.- 7. Korrosion.- 8. Angriff in einem allgemeinen Fall der Polarisation.- 9. Deckschichten auf Metallen.- 10. Passivität.- 11. Korrosion von Legierungen.- a) Mischkrystalle in beweglichem Gleichgewicht. Korrosion von homogenen Mischkrystallen.- b) Mischkrystalle ohne Platzwechsel der Atome. Resistenzgrenzen.- c) Mehrphasenlegierungen und verschiedene Metalle in gegenseitiger Berührung.- Anhang: Einzelne Metalle und Legierungen.- A. Eisen und einige seiner Legierungen.- 1. Das Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff.- 2. Einfluß der Abkühlungsgeschwindigkeit auf die Umwandlungen im Eisen-Kohlenstoff-System.- 3. Widmannstättensches Gefüge.- 4. Gefügeumbildungen bei der Erhitzung des abgeschreckten Stahles.- 5. Legierte Stähle.- a) Allgemeine Übersicht.- b) Stähle mit erweitertem ?-Feld.- ?) Eisen-Nickel-Legierungen.- ?) Manganstähle.- c) Legierungen mit verengtem ?-Feld.- d) Stähle mit Carbidbildnern.- ?) Vanadinstähle.- ?) Eisen-Chrom-Legierungen.- 6. Gußeisen.- B. Kupfer und einige seiner Legierungen.- 1. Herstellung des Kupfergusses.- 2. Plastische Deformation und Anlassen des Kupfers.- 3. Zinn-Bronze.- 4. Messing.- C. Leichtmetalle und ihre Legierungen.- 1. Allgemeine Vorbemerkungen.- 2. Aluminium und seine Legierungen.- a) Schmelzbehandlung des Aluminiums und seiner Legierungen.- b) Formguß aus Aluminium-Legierungen.- c) Walzlegierungen des Aluminiums.- 3. Magnesium und seine Legierungen.- D. Zink und seine Legierungen.- E. Nickel und seine Legierungen.- Tabelle der wichtigsten physikalischen Eigenschaften der Metalle.- Verzeichnis einiger Fachbücher.- Namenverzeichnis.