Werkstofftechnik Maschinenbau

Bibliothek des technischen Wissens 

Werkstofftechnik 

Maschinenbau 

Theoretische Grundlagen 

und praktische Anwendungen 

2. aktualisierte und erweiterte Auflage 

VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG 

Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten 

Europa-Nr.: 52611

Autoren: 

Läpple, Volker Prof. Dr.-Ing. Schorndorf 

Drube, Berthold Dr.-Ing., Priv.-Doz. Eschweiler 

Wittke, Georg Prof. Dr. rer. nat. Linden 

Kammer, Catrin Dr.-Ing. Goslar 

Lektorat: 

Läpple, Volker Prof. Dr.-Ing. Schorndorf 

Illustrationen: 

Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, Ostfildern 

Normen wiedergegeben mit Erlaubnis des DIN Deutsches Institut für Normung e.V. 

Maßgebend für das Anwenden der DIN-Norm ist deren Fassung mit dem neuesten Ausgabedatum, die bei 

der Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin, erhältlich ist. 

Das vorliegende Buch wurde auf der Grundlage der neuen amtlichen Rechtschreibregeln erstellt. 

2. Auflage 2010 

Druck 5 4 3 2 1 

Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlern untereinander 

un verändert sind. 

Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich 

geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden. 

ISBN 978-3-8085-5262-9 

© 2010 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten 

http://www.europa-lehrmittel.de 

Umschlaggestaltung: Michael M. Kappenstein, 60594 Frankfurt, unter Verwendung eines Fotos 

der Firma TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH & Co.KG, Ditzingen, Grafik und Sound, 50697 Köln 

Layout und Satz: G : L WERBEAGENTUR, Axel Ladleif, 41061 Mönchengladbach 

Druck: Media Print Informationstechnologie, 33100 Paderborn

Vorwort 

Werkstoffe hatten zu allen Zeiten eine wichtige Bedeutung für den Menschen. Dies zeigt sich insbesondere 

daran, dass ganze Zeitepochen, wie die Stein-, Bronze- und Eisenzeit, nach den hauptsächlich benutzten Werkstoffen 

benannt wurden. Ohne die Verfügbarkeit geeigneter Werkstoffe wären technologisch hoch entwickelte 

Produkte im Maschinen- und Anlagenbau, im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie in der 

Medizin und Biotechnologie nicht denkbar. Erst die Verfügbarkeit leistungsfähiger Werkstoffe mit geeigneten 

Eigenschaften sowie die Fähigkeit zu ihrer wirtschaftlichen Bearbeitung ermöglichen technische Produkt - 

innovationen. 

Das vorliegende Lehrbuch „Werkstofftechnik Maschinenbau“ gibt einen umfassenden Überblick über die 

wichtigsten metallischen und nichtmetallischen Werkstoffe, wie 

� Stähle und Eisengusswerkstoffe, 

� Nichteisenmetalle und deren Legierungen, 

� Kunststoffe, 

� Keramische Werkstoffe sowie 

� Verbundwerkstoffe. 

Das Lehrbuch ist nach drei thematischen Schwerpunkten gegliedert: 

1. Aufbau und Eigenschaften von Werkstoffen: Ein beanspruchungsgerechter und wirtschaft licher Werkstoffeinsatz 

erfordert das Wissen um die Zusammenhänge von Struktur, Gefüge, Eigenschaften und 

Anwendungsgrenzen von Werkstoffen sowie die Kenntnis des Werkstoffverhaltens unter den gewählten 

Betriebsbedingungen. Der Werkstoffaufbau sowie die daraus resultierenden typischen Werkstoff - 

eigenschaften werden daher ebenso im Buch dargestellt, wie die vielfältigen Möglichkeiten ihrer gezielten 

Veränderung. Besonderer Wert wird auf eine anschauliche Vermittlung des Lehrstoffes gelegt. Mit zahlreichen 

neu entwickelten Abbildungen und Tabellen soll diesem Anspruch Rechnung getragen werden. 

2. Wechselwirkungen zwischen Werkstoffeigenschaften und Fertigungsverfahren: Technische Produkte 

müssen nicht nur ihre Funktion sicher erfüllen, in zunehmendem Maße kommt auch der Wirtschaftlichkeit 

der Fer tigung eine wesentliche Bedeutung zu. Daher müssen die Fertigungsverfahren optimal 

auf die ein gesetzten Werkstoffe abgestimmt werden. Im Lehrbuch werden daher die wichtigsten Fertigungsver 

fahren sowie ihre Anwendbarkeit auf bestimmte Werkstoffgruppen behandelt. Darüber hinaus 

wird aufgezeigt, welche Auswirkungen eine Weiterverarbeitung auf die Werkstoffeigenschaften 

ha ben kann. 

3. Werkstoffprüfung: Im Rahmen der Qualitätssicherung und Qualitätsverbesserung, zur regelmäßigen Überwachung 

von Bauteilen und Anlagen, zur Ermittlung von Werkstoffkennwerten sowie zur Klärung von Schadensfällen 

stehen vielfältige Werkstoffprüfverfahren zur Verfügung. Die wesentlichen in der Praxis angewandten 

Prüfverfahren für metallische und nichtmetal lische Werkstoffe stellen den dritten Schwerpunkt 

des Buches dar. Das Kapitel Werkstoffprüfung soll es insbesondere dem Praktiker ermöglichen, Versuche 

optimal zu planen und Prüfergebnisse differenziert zu bewerten. 

Das Lehrbuch wurde auf das Studium abgestimmt. Es kann sowohl die Vorlesung begleitend als auch im 

Selbststudium eingesetzt werden. Aufgrund der gut verständlichen Darstellung des werkstoffkundlichen Basiswissens 

und seiner Praxisnähe dient es auch dem Industriemeister und Techniker als wertvolles Nachschlagewerk 

und kann in der technischen Aus- und Weiterbildung eingesetzt werden. Der Leser soll dazu 

befähigt werden, selbst abzuschätzen, ob die geplante Werkstoffauswahl sowie das angestrebte Fertigungs - 

verfahren eine wirtschaftliche Herstellung und die sichere Funktion des technischen Produktes er lauben. 

Die 2. Auflage wurde auf den aktuellen Stand der Normung abgestimmt und um ein Verzeichnis englischer 

Fachbegriffe erweitert. Auf die CD wurden zusätzlich zum gesamten Bildmaterial des Buches und zu der bewährten 

Aufgabensammlung zwei Musterklausuren mit ausführlichen Lösungen aufgenommen. 

Kritische Hinweise und Vorschläge, die zur Weiterentwicklung des Buches beitragen, nehmen wir unter der 

Verlagsadresse oder per E-Mail (lektorat@europa-lehrmittel.de) dankbar entgegen. 

3 

Januar 2010, Autoren und Verlag

4 

Inhaltsverzeichnis 

1 Werkstofftechnologie in Industrie 

und Wirtschaft 

1.1 Werkstoffe und Werkstofftechnik . . . . 11 

1.2 Bedeutung der Werkstofftechnik . . . . 11 

1.3 Wirtschaftliche Aspekte der Werk - 

1.4 

stofftechnik . . . . . . . . . . . . . . . 12 

Werkstoffbegriff und Werkstoffeinteilung 12 

1.4.1 Stoffe und Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 

1.4.2 Einteilung der Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . 13 

1.4.3 Entwicklung der Werkstofftechnik . . . . . . . 15 

1.4.4 Werkstoffprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 

1.5 Eigenschaften der Werkstoffe . . . . . . 16 

1.6 Werkstoffauswahl . . . . . . . . . . . . 17 

2 Grundlagen der Metallkunde 

2.1 Aufbau der Metalle. . . . . . . . . . . . 18 

2.2 Atombau und Periodensystem 

der Elemente. . . . . . . . . . . . . . . 18 

2.2.1 Bau der Atome . . . . . . . . . . . . . . 19 

2.2.2 Periodensystem der Elemente (PSE) . . . 20 

2.3 Chemische Bindungen . . . . . . . . . . 22 

2.3.1 Primäre chemische Bindungen. . . . . . . . . . 22 

2.3.1.1 Ionenbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 

2.3.1.2 Atombindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 

2.3.1.3 Metallbindung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 

2.3.2 Sekundäre chemische Bindungen . . . . . . . 25 

2.3.2.1 Dispersionsbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . 25 

2.3.2.2 Dipol-Dipol-Bindungen . . . . . . . . . . . . . . . . 26 

2.3.2.3 Dipol-Ion-Bindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 

2.3.2.4 Induktionsbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 

2.3.2.5 Wasserstoffbrückenbindungen. . . . . . . . . . 26 

2.4 Gitteraufbau der Metalle. . . . . . . . . 27 

2.4.1 Kristallgittermodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 

2.4.2 Entwicklung von einfachen 

(primitiven) Kristallgittern . . . . . . . . . . . . . . 28 

2.4.3 Kristallgitter von Metallen . . . . . . . . . . . . . . 29 

2.4.3.1 Kubisch-flächen zentriertes Gitter (kfz) . . . . 29 

2.4.3.2 Hexagonales Gitter dichtester 

Kugelpackung (hdP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 

2.4.3.3 Kubisch-raum zentriertes Gitter (krz). . . . . . 30 

2.4.3.4 Packungsdichte der Kristallgitter . . . . . . . . 31 

2.4.3.5 Vergleich von kubisch-flächenz 

entriertem Gitter und hexagonal 

dichtester Kugelpackung . . . . . . . . . . . . . . . 32 

2.5 Realkristalle und Gitterbaufehler. . . . . 33 

2.5.1 Realkristalle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 

2.5.2 Gitterbaufehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 

2.5.2.1 Nulldimensionale Gitterbaufehler . . . . . . . 33 

2.5.2.2 Eindimensionale Gitterbaufehler . . . . . . . . 34 

2.5.2.3 Zweidimensionale Gitterbaufehler. . . . . . . 37 


2.6 Gefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 

2.7 Anisotropie und Textur . . . . . . . . . 42 

2.8 Elastische und plastische Verformung . . 42 

2.8.1 Elastische Verformung. . . . . . . . . . . . . . . . . 43 

2.8.2 Plastische Verformung. . . . . . . . . . . . . . . . . 43 

2.8.2.1 Mechanismus der plastischen 

Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 

2.8.2.2 Gleitebenen und Gleitsysteme . . . . . . . . . . 45 

2.8.2.3 Schmid’sches Schubspannungsgesetz. 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 

2.8.2.4 Plastische Verformung von Vielkristallen . 47 

2.9 Verfestigungsmechanismen . . . . . . . . . . . . 48 

2.9.1 Korngrenzenverfestigung . . . . . . . . . . . . . . 48 

2.9.2 Mischkristallverfestigung . . . . . . . . . . . . . . 49 

2.9.3 Teilchenverfestigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 

2.9.4 Verformungsverfestigung 

(Kaltverfestigung). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 

2.9.5 Überlagerung der 

Verfestigungsmechanismen . . . . . . . . . . . . 53 

2.10 Thermische aktivierte Prozesse . . . . . . . . . 54 

2.10.1 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 

2.10.2 Erholung und Rekristallisation . . . . . . . . . . 57 

2.10.2.1 Verformungsstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . 57 

2.10.2.2 Erholung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 

2.10.2.3 Rekristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 

2.10.2.4 Kornvergrößerung und 

sekundäre Rekristallisation . . . . . . . . . . . . . 63 

2.10.2.5 Kalt- und Warmverformung . . . . . . . . . . . . 64 

2.10.2.6 Teilentfestigte Zustände. . . . . . . . . . . . . . . . 64 

2.10.3 Kriechen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 

2.10.3.1 Kriechen und Werkstoffschädigung . . . . . . 66 

2.10.3.2 Primäres Kriechen (Übergangskriechen). . 66 

2.10.3.3 Sekundäres Kriechen 

(stationäres Kriechen) . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 

2.10.3.4 Tertiäres Kriechen 

(beschleunigtes Kriechen) . . . . . . . . . . . . . . 67 

2.10.3.5 Warmfeste und hochwarmfeste 

Stähle und Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . 67 

2.10.4 Sintern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 

2.10.4.1 Festphasensintern einphasiger Pulver. . . . 68 

2.10.4.2 Festphasensintern zwei- bzw. 

mehrphasiger Pulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 

2.10.4.3 Flüssigphasensintern. . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 

2.10.4.4 Reaktionssintern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 

3 Grundlagen der Legierungskunde 

3.1 Aggregatzustände und Phasen . . . . . . . . . 71 

3.2 Phasenumwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . 71 

3.3 Mischkristalle und Kristallgemische . . . . . 72 

3.3.1 Mischkristalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 

3.3.2 Kristallgemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73


3.4 Intermetallische Phasen und Überstrukturen 74 

3.4.1 Intermetallische Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . 74 

3.4.2 Überstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 

3.5 Zustandsdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 

3.5.1 Binäre Zustandsdiagramme . . . . . . . . . . . . 76 

3.5.1.1 Erstellung binärer Zustandsdiagramme . . 76 

3.5.1.2 Lesen binärer Zustandsdiagramme . . . . . . 77 

3.5.1.3 Kristallseigerung und 

Zonenmischkristalle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 

3.5.2 Grundtypen binärer Zustandsdiagramme. 79 

3.5.2.1 Vollkommene Unlöslichkeit im 

festen und flüssigen Zustand . . . . . . . . . . . 79 

3.5.2.2 Vollkommene Löslichkeit im festen und 

flüssigen Zustand (Linsendiagramm) . . . . 79 

3.5.2.3 Vollkommene Löslichkeit im flüssigen 

und vollkommene Unlöslichkeit im festen 

Zustand (eutektisches Legierungssystem) 80 

3.5.2.4 Vollkommene Löslichkeit im flüssigen 

und begrenzte Löslichkeit im festen 

Zustand (eutektisches Legierungssystem 

mit Mischungslücke) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 

3.5.2.5 Peritektisches Zustandsdiagramm . . . . . . . 82 

3.5.3 Zustandsdiagramme mit 

Verbindungsbildung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 

3.5.4 Reale Zustandsdiagramme . . . . . . . . . . . . . 83 

3.5.5 Ternäre Zustandsdiagramme . . . . . . . . . . . 84 

4 Wechselwirkungen zwischen Werk - 

stoffeigenschaften und Fertigungs - 

verfahren 

4.1 Urformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 

4.1.1 Kristallisation und Gefüge . . . . . . . . . . . . . . 87 

4.1.2 Gussfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 

4.1.3 Gießbarkeit metallischer Werkstoffe . . . . . 91 

4.1.3.1 Fließ- und Formfüllungsvermögen . . . . . . 91 

4.1.3.2 Schwindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 

4.1.3.3 Schmelzverhalten von Gusswerkstoffen . . 92 

4.1.4 Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften 

beim Gießen . . . . . . . . . . . . 92 

4.1.5 Herstellung (Züchten) von Einkristallen. . . 94 

4.2 Umformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 

4.2.1 Kaltumformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 

4.2.2 Warmumformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 

4.2.3 Neue Umformverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 98 

4.3 Trennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 

4.3.1 Zerteilen und Zerspanen . . . . . . . . . . . . . . 100 

4.3.2 Zerspanbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 

4.3.3 Spanformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 

4.3.4 Automatenlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . 101 

4.4 Fügen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 

4.4.1 Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 

4.4.1.1 Schweißbarkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 

4.4.1.2 Einteilung der Schweißverfahren. . . . . . . 103 

4.4.1.3 Beeinflussung der Wekstoffeigenschaften 

durch das Schweißen. . . . . . . . . 104 

4.4.2 Löten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 

4.4.2.1 Vor- und Nachteile des Lötens . . . . . . . . . 113 

4.4.2.2 Einteilung der Lötverfahren . . . . . . . . . . . 113 

4.4.2.3 Lötmechanismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 

4.4.2.4 Metallurgische Probleme beim Löten . . . 114 

4.4.2.5 Flussmittel, Lötatmosphären und 

Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 

4.4.2.6 Lötwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 

4.5 Beschichten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 

4.5.1 Beschichten aus dem flüssigen Zustand . 119 

4.5.1.1 Schmelztauchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 

4.5.1.2 Emaillieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 

4.5.1.3 Anstreichen und Lackieren . . . . . . . . . . . . 120 

4.5.2 Beschichten aus dem körnigen oder 

pulverförmigen Zustand . . . . . . . . . . . . . . 120 

4.5.2.1 Wirbelsintern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 

4.5.2.2 Thermisches Spritzen . . . . . . . . . . . . . . . . 120 

4.5.3 Beschichten durch Schweißen . . . . . . . . . 122 

4.5.4 Beschichten aus dem gas- oder dampfförmigen 

Zustand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 

4.5.4.1 CVD-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 

4.5.4.2 PVD-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 

4.5.5 Beschichten aus dem ionisierten Zustand 125 

4.5.5.1 Galvanisches Beschichten. . . . . . . . . . . . . 125 

4.5.5.2 Chemisches Beschichten. . . . . . . . . . . . . . 126 

4.5.6 Weitere Verfahren zur Erzeugung 

einer Oberflächenschicht. . . . . . . . . . . . . . 126 

4.5.6.1 Plattieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 

4.5.6.2 Anodische Oxidation (Eloxieren) . . . . . . . 127 

4.5.6.3 Phosphatieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 

4.5.6.4 Chromatieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 

4.5.6.5 Brünieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 

4.6 Stoffeigenschaften ändern . . . . . . . . . . . . 130 

4.6.1 Verfestigen durch Umformen . . . . . . . . . . 130 

4.6.1.1 Verfestigen durch Walzen . . . . . . . . . . . . . 130 

4.6.1.2 Verfestigen durch Ziehen. . . . . . . . . . . . . . 131 

4.6.1.3 Verfestigen durch Schmieden. . . . . . . . . . 132 

4.6.2 Wärmebehandeln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 

4.6.2.1 Glühen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 

4.6.2.2 Härten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 

4.6.2.3 Isothermisches Umwandeln . . . . . . . . . . . 132 

4.6.2.4 Anlassen und Auslagern . . . . . . . . . . . . . . 133 

4.6.2.5 Vergüten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 

4.6.2.6 Tiefkühlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 

4.6.2.7 Thermochemisches Behandeln . . . . . . . . 133 

4.6.2.8 Aushärten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 

4.6.3 Thermomechanisches Behandeln . . . . . . 134 

4.6.4 Sintern und Brennen . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 

4.6.5 Magnetisieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 

4.6.6 Bestrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 

4.6.7 Fotochemische Verfahren . . . . . . . . . . . . . 135 

5 Gewinnung, Formgebung und 

Recycling metallischer Werkstoffe 

und Legierungen 

5.1 Überblick zur Gewinnung metallischer 

Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . 136 

5.1.1 Gewinnung metallischer Rohstoffe . . . . . 136 

5.1.2 Verfahren der Metallgewinnung. . . . . . . . 137 

5.1.3 Raffinationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 138 

5.1.4 Metallische Werkstoffe und deren 

Handelsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 

5

6 

5.2 Eisen- und Stahlerzeugung . . . . . . . 139 

5.2.1 Hochofenprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 

5.2.1.1 Hochofen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 

5.2.1.2 Reduktionsvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 

5.2.1.3 Produkte des Hochofenprozesses . . . . . . 144 

5.2.2 Direktreduktionsverfahren. . . . . . . . . . . . . 145 

5.2.3 Stahlerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 

5.2.3.1 Sauerstoffblasverfahren . . . . . . . . . . . . . . 147 

5.2.3.2 Elektrolichtbogenofen-Verfahren . . . . . . . 149 

5.2.3.3 Stahl-Sekundärmetallurgie . . . . . . . . . . . . 150 

5.3 Erzeugung von Nichteisenmetallen. . . 151 

5.3.1 Gewinnung von Aluminium . . . . . . . . . . . 151 

5.3.2 Gewinnung weiterer Nichteisenmetalle . 153 

5.4 Legieren von Metallen . . . . . . . . . . . . . . . 153 

5.5 Formgebungsverfahren für metallische 

Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 

5.5.1 Gießen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 

5.5.1.1 Formgießen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 

5.5.1.2 Gießen von Knetlegierungen . . . . . . . . . . 158 

5.5.2 Umformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 

5.5.2.1 Walzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 

5.5.2.2 Durchdrücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 

5.5.2.3 Freiform- und Gesenkschmieden . . . . . . . 162 

5.5.2.4 Ziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 

5.6 Recycling von metallischen Werkstoffen 164 

5.6.1 Recycling von Stahl und Gusseisen . . . . . 165 

5.6.2 Recycling von Nichtmetallen . . . . . . . . . . 165 

6 Eisenwerkstoffe 

6.1 Reines Eisen . . . . . . . . . . . . . . 166 

6.2 Eisen-Kohlenstoff-Legierungen . . . . . 168 

6.2.1 Phasenausbildungen in Eisen- 

Kohlenstoff-Legierungen. . . . . . . . . . . . . . 168 

6.2.1.1 Mischkristalle (Ferrit, Austenit und 

�-Ferrit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 

6.2.1.2 Verbindungsphasen (Zementit und 

�-Carbid) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 

6.2.1.3 Stabile Phase (Graphit) . . . . . . . . . . . . . . . 171 

6.2.2 Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 

6.2.2.1 Erstarrungsformen von Eisen- 

Kohlenstoff-Legierungen. . . . . . . . . . . . . . 172 

6.2.2.2 Aufbau des metastabilen Eisen- 

Kohlenstoff-Zustandsdiagramms. . . . . . . 173 

6.2.2.3 Bezeichnungen im metastabilen System. . 174 

6.2.2.4 Erstarrungsvorgänge im 

metastabilen System . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 

6.2.2.5 Stahlecke des metastabilen 

Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 

6.3 Eisenbegleiter und Legierungselemente 

. . . . . . . . . . . . . . . . 181 

6.3.1 Begleitelemente und nichtmetallische 

Einschlüsse. . . . . . . . . . . . . . . 182 

6.3.1.1 Mangan (Mn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 

6.3.1.2 Silicium (Si). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 

6.3.1.3 Phosphor (P) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 

6.3.1.4 Schwefel (S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 

6.3.1.5 Stickstoff (N) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 


6.3.1.6 Sauerstoff (O) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 

6.3.1.7 Wasserstoff (H) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 

6.3.1.8 Zusammenfassung der Wirkungsweisen 

von Begleitelementen in Stählen . . . . . . . 193 

6.3.1.9 Nichtmetallische Einschlüsse . . . . . . . . . . 193 

6.3.2 Legierungselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 

6.3.2.1 Allgemeine Wirkungsweisen von 

Legierungselementen in Stählen . . . . . . . 196 

6.3.2.2 Wirkungsweisen ausgewählter 

Legierungselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 

6.3.2.3 Wirkungsweise mehrerer Legierungselemente 

im Stahl . . . . . . . . . . . . . . 211 

6.4 Wärmebehandlung der Stähle . . . . . 212 

6.4.1 Prinzip einer Wärmebehandlung 

6.4.2 Einteilung der 

Wärmebehandlungsverfahren . . . . . . . . . 214 

6.4.3 Glühen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 

6.4.3.1 Normalglühen von Stählen . . . . . . . . . . . . 214 

6.4.3.2 Weichglühen von Stählen (Glühen auf 

kugelige Carbide) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 

6.4.3.3 Spannungsarmglühen. . . . . . . . . . . . . . . . 218 

6.4.3.4 Rekristallisationsglühen. . . . . . . . . . . . . . . 219 

6.4.3.5 Diffusionsglühen (Homogenisie rungsglühen). 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 

6.4.3.6 Grobkornglühen (Hochglühen). . . . . . . . . 222 

6.4.4 Härten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 

6.4.4.1 Geschichte der Stahlhärtung . . . . . . . . . . 222 

6.4.4.2 Ziele der Stahlhärtung . . . . . . . . . . . . . . . . 224 

6.4.4.3 Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 

6.4.4.4 Härtetemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 

6.4.4.5 Abkühlgeschwindigkeit und 

Gefügeausbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 

6.4.4.6 Kritische Abkühlgeschwindigkeit . . . . . . . 232 

6.4.4.7 Kohlenstofflöslichkeit des Austenits . . . . 233 

6.4.4.8 Temperaturbereich der Martensitbildung. 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 

6.4.4.9 Restaustenit und Tiefkühlung . . . . . . . . . . 234 

6.4.4.10 Abschreckhärte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 

6.4.4.11 Härtespannungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 

6.4.4.12 Abschrecken und Abschreckmittel . . . . . . 237 

6.4.4.13 Zeit-Temperatur-Umwandlungs- 

diagramme (ZTU-Diagramme) . . . . . . . . . 238 

6.4.4.14 Zeit-Temperatur-Austenitisierungs - 

diagramme (ZTA-Diagramme) . . . . . . . . . 242 

6.4.5 Anlassen und Vergüten . . . . . . . . . . . . . . . 245 

6.4.5.1 Innere Vorgänge beim Anlassen. . . . . . . . 246 

6.4.5.2 Anlassen der legierten Stähle . . . . . . . . . . 247 

6.4.5.3 Versprödungserscheinungen 

beim Anlassen von Stählen . . . . . . . . . . . 248 

6.4.5.4 Vergüten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 

6.4.6 Verfahren des Oberflächenhärtens. . . . . . 254 

6.4.6.1 Einteilung der Oberflächenhärteverfahren 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 

6.4.6.2 Randschichthärteverfahren. . . . . . . . . . . . 255 

6.4.6.3 Thermochemisches Behandeln . . . . . . . . 260 

6.5 Eigenschaften und Verwendung 

von Stählen. . . . . . . . . . . . . . . 272 

6.5.1 Einteilung der Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 

6.5.1.1 Einteilung der Stähle nach 

Haupt güteklassen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272


6.5.1.2 Einteilung der Stähle nach dem 

Verwendungszweck . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 

6.5.2 Unlegierte Baustähle . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 

6.5.2.1 Anwendung unlegierter Baustähle. . . . . . 275 

6.5.2.2 Normung und Gütegruppen 

unlegierter Baustähle. . . . . . . . . . . . . . . . . 275 

6.5.2.3 Technologische Eigenschaften 


6.5.2.4 Werkstoffkundliche Besonderheiten 


6.5.3 Schweißgeeignete Feinkornbaustähle . . . 277 

6.5.3.1 Werkstoffkundliche Grundlagen schweiß - 

geeigneter Feinkornbaustähle . . . . . . . . . 278 

6.5.3.2 Stahlsorten und Gütegruppen . . . . . . . . . 279 

6.5.4 Federstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 

6.5.4.1 Anforderungen an metallische 

Federwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 

6.5.4.2 Federstahlsorten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 

6.5.5 Vergütungsstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 

6.5.6 Einsatzstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 

6.5.7 Nitrierstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 

6.5.8 Warmfeste Stähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 

6.5.8.1 Anforderungen an warmfeste Stähle. . . . 285 

6.5.8.2 Werkstoffverhalten und Werkstoff - 

kennwerte bei erhöhter Temperatur. . . . . 285 

6.5.8.3 Warmfeste Stahlsorten . . . . . . . . . . . . . . . 286 

6.5.9 Kaltzähe Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 

6.5.9.1 Werkstoffverhalten und Kennwerte 

bei tiefen Temperaturen. . . . . . . . . . . . . . . 287 

6.5.9.2 Kaltzähe Stahlsorten . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 

6.5.10 Nichtrostende Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 

6.5.10.1 Einteilung der nichtrostenden Stähle. . . . 289 

6.5.10.2 Ferritische und halbferritische 

Chromstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 

6.5.10.3 Martensitische Chromstähle . . . . . . . . . . . 291 

6.5.10.4 Austenitische Chrom-Nickel-Stähle . . . . . 293 

6.5.10.5 Schweißtechnische Verarbeitung 

nichtrostender Stähle. . . . . . . . . . . . . . . . . 296 

6.5.11 Hitze- und zunderbeständige Stähle . . . . 297 

6.5.11.1 Ferritische zunderbeständige Stähle . . . . 297 

6.5.11.2 Austenitische zunderbeständige Stähle 

und Nickel-Chrom-Legierungen . . . . . . . . 298 

6.5.12 Druckwasserstoffbeständige Stähle. . . . . 299 

6.5.13 Automatenstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 

6.5.14 Höherfeste Stähle für den 

Automobil-Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 

6.5.14.1 Mikrolegierte höherfeste Stähle . . . . . . . . 303 

6.5.14.2 Phosphorlegierte Stähle . . . . . . . . . . . . . . 303 

6.5.14.3 Bake-Hardening-Stähle . . . . . . . . . . . . . . . 303 

6.5.14.4 IF-Stähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 

6.5.14.5 Dualphasen Stähle (DP-Stähle). . . . . . . . . 304 

6.5.14.6 Stähle mit Restaustenit . . . . . . . . . . . . . . . 305 

6.5.14.7 Complexphasen-Stähle . . . . . . . . . . . . . . . 305 

6.5.14.8 Martensit-Phasen-Stähle . . . . . . . . . . . . . . 306 

6.5.14.9 TWIP-Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 

6.5.15 Höchstfeste Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 

6.5.15.1 Höchstfeste Vergütungsstähle . . . . . . . . . 307 

6.5.15.2 Martensitaushärtende Stähle 

(Maraging Steels) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 

6.5.16 Werkzeugstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 

6.5.16.1 Anforderungen an Werkzeugstähle . . . . . 309 

6.5.16.2 Erschmelzung von Werkzeugstählen . . . . 309 

6.5.16.3 Einteilung der Werkzeugstähle . . . . . . . . . 309 

6.5.16.4 Unlegierte Kaltarbeitsstähle . . . . . . . . . . . 310 

6.5.16.5 Legierte Kaltarbeitsstähle . . . . . . . . . . . . . 311 

6.5.16.6 Warmarbeitsstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 

6.5.16.7 Schnellarbeitsstähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 

6.6 Eisengusswerkstoffe . . . . . . . . . . 320 

6.6.1 Einteilung der Eisengusswerkstoffe . . . . . 320 

6.6.2 Stahlguss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 

6.6.2.1 Gießbarkeit von Stahlguss . . . . . . . . . . . . 322 

6.6.2.2 Wärmebehandlung von Stahlguss. . . . . . 322 

6.6.2.3 Stahlgusssorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 

6.6.3 Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 

6.6.3.1 Erschmelzung von Gusseisenwerk stoffen 326 

6.6.3.2 Gusseisendiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . 326 

6.6.3.3 Gusseisen mit Lamellengraphit . . . . . . . . 327 

6.6.3.4 Gusseisen mit Kugelgraphit . . . . . . . . . . . 333 

6.6.3.5 Bainitisches Gusseisen . . . . . . . . . . . . . . . 336 

6.6.3.6 Gusseisen mit Vermiculargraphit . . . . . . . 337 

6.6.3.7 Temperguss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 

6.6.3.8 Perlitischer Hartguss . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 

6.6.3.9 Sondergusseisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 

7 Nichteisenmetalle 

7.1 Aluminiumwerkstoffe . . . . . . . . . . 353 

7.1.1 Reinaluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 

7.1.2 Aluminium-Knetlegierungen . . . . . . . . . . 354 

7.1.3 Aluminium-Gusslegierungen . . . . . . . . . . 357 

7.1.4 Aluminiumschäume. . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 

7.1.4.1 Aufschäumprozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 

7.1.4.2 Eigenschaften von 

Aluminiumschäumen . . . . . . . . . . . . . . . . 361 

7.1.5 Aushärten von Aluminiumlegierungen . . 363 

7.1.5.1 Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 

7.1.5.2 Innere Vorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 

7.1.6 Verarbeitung von Aluminiumwerkstoffen 366 

7.1.6.1 Gießen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 

7.1.6.2 Umformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 

7.1.6.3 Zerspanen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 

7.1.6.4 Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 

7.2 Magnesiumwerkstoffe . . . . . . . . . 368 

7.2.1 Eigenschaften von Magnesium . . . . . . . . 368 

7.2.2 Magnesiumlegierungen . . . . . . . . . . . . . . 369 

7.2.2.1 Magnesium-Gusslegierungen . . . . . . . . . 370 

7.2.2.2 Magnesium-Knetlegierungen . . . . . . . . . . 370 

7.2.3 Verarbeitung von Magnesiumlegierungen. 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 

7.2.3.1 Gießen von Magnesiumlegierungen . . . . 372 

7.2.3.2 Umformen von Magnesiumlegierungen. 374 

7.2.4 Entwicklungstendenzen. . . . . . . . . . . . . . . 374 

7.3 Titan und Titanlegierungen. . . . . . . . . . . . 374 

7.4 Silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 

7.4.1 Weitere bedeutsame Leichtmetalle . . . . . 378 

7.5 Kupferwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 

7.5.1 Unlegiertes Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 

7.5.1.1 Sauerstoffhaltiges (zähgepoltes) Kupfer . 379 

7.5.1.2 Desoxidiertes Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 

7.5.1.3 Sauerstofffreies Kupfer 

hoher Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 

7

8 

7.5.2 Niedriglegierte Kupferwerkstoffe . . . . . . . 383 

7.5.3 Kupfer-Zink-Legierungen (Messing). . . . . 385 

7.5.4 Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen 

(Neusilber). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 

7.5.5 Kupfer-Zinn-Legierungen (Bronze). . . . . . 387 

7.5.6 Kupfer-Nickel-Legierungen . . . . . . . . . . . . 389 

7.5.7 Kupfer-Aluminium-Legierungen. . . . . . . . 390 

7.5.8 Kupfer-Mangan-Legierungen . . . . . . . . . . 391 

7.5.9 Kupfer-Blei-Legierungen (Bleibronze) . . . 391 

7.5.10 Kupfer-Silicium-Legierungen . . . . . . . . . . 391 

7.6 Nickel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 

7.6.1 Eigenschaften von Nickel . . . . . . . . . . . . . 396 

7.6.2 Nickel-Legierungen und deren 

Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 

7.7 Zinkwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 

7.7.1 Zink-Knetlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . 402 

7.7.2 Zink-Gusslegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . 402 

7.8 Zinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 

7.8.1 Eigenschaften von Zinn . . . . . . . . . . . . . . . 402 

7.8.2 Weichlote. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 

7.8.3 Gleitlagerwerkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 

7.9 Blei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 

7.9.1 Gewinnung und Eigenschaften von Blei . 404 

7.9.2 Bleiwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 

7.10 Technisch weniger bedeutsame Metalle. 406 

7.10.1 Alkali- und Erdalkalimetalle. . . . . . . . . . . . 406 

7.10.2 Erdmetalle oder die Bor-/Aluminium- 

Gruppe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 

7.10.3 Kohlenstoff-/Silicium-Gruppe . . . . . . . . . . 408 

7.10.4 Metalle der 5. Hauptgruppe . . . . . . . . . . . 409 

7.10.5 Metalle der 6. Hauptgruppe . . . . . . . . . . . 410 

7.10.6 Silber und Gold. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 

7.10.7 Metalle der 2. Nebengruppe . . . . . . . . . . . 412 

7.10.8 Scandium, Yttrium und die Seltenerdmetalle 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 




7.10.12 Mangan und Cobalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 

7.10.13 Platinmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 

7.10.14 Thorium und Uran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 

7.11 Verbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 

7.11.1 Einteilung der Verbundwerkstoffe . . . . . . 418 

7.11.2 Metal Matrix Composites (MMC) . . . . . . . 419 

7.11.2.1 Herstellung von MMC . . . . . . . . . . . . . . . . 419 

7.11.2.2 Eigenschaften von MMC . . . . . . . . . . . . . . 420 

7.11.3 Werkstoffverbunde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 

8 Normung und Benennung 

metallischer Werkstoffe 

8.1 Stahlnormung . . . . . . . . . . . . . 422 

8.1.1 Stahlnormung durch Kurznamen . . . . . . 422 

8.1.1.1 Kennzeichnung der Stähle nach der 

Verwendung oder den mechanischen 

oder physikalischen Eigenschaften . . . . . 424 


8.1.1.2 Kennzeichnung der Stähle nach der 

chemischen Zusammensetzung. . . . . . . . 424 

8.1.2 Stahlnormung durch 

Werkstoffnummern . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 

8.2 Normung von Gusseisenwerkstoffen. . 432 

8.2.1 Normung durch Kurznamen . . . . . . . . . . . 432 

8.2.2 Normung durch Werkstoffnummern . . . . 433 

8.3 Normung von Nichteisenmetallen 

(NE-Metalle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 

8.3.1 Normung von Aluminiumwerkstoffen. . . 434 

8.3.1.1 Aluminiumknetwerkstoffe. . . . . . . . . . . . . 435 

8.3.1.2 Aluminiumgusswerkstoffe . . . . . . . . . . . . 439 

8.3.2 Normung von Magensiumwerkstoffen . . 440 

8.3.2.1 Normung von Magensiumwerkstoffen 

nach DIN EN 1754. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 

8.3.2.2 Normung von Magensiumwerkstoffen 

nach ASTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 

8.3.3 Normung von Kupferwerkstoffen . . . . . . . 442 

8.3.3.1 Unlegiertes Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 

8.3.3.2 Kupferlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 

9 Kunststoffe 

9.1 Bedeutung der Kunststoffe. . . . . . . . . . . . 445 

9.2 Allgemeine Eigenschaften . . . . . . . . . . . . 445 

9.3 Geschichtliche Entwicklung . . . . . . . . . . . 446 

9.4 Herstellung der Kunststoffe . . . . . . . . . . . 447 

9.4.1 Ausgangsstoffe zur Kunststoffherstellung 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 

9.4.2 Prinzipien der Kunststoffherstellung . . . . 448 

9.4.2.1 Polymerisation und Polymerisate . . . . . . 448 

9.4.2.2 Polykondensation und 

Polykondensate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 

9.4.2.3 Polyaddition und Polyaddukte . . . . . . . . . 461 

9.4.3 Spezialkunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 

9.4.4 Faserverstärkte Kunststoffe. . . . . . . . . . . . 463 

9.5 Einteilung und struktureller Aufbau 

der Kunststoffe. . . . . . . . . . . . . 464 

9.5.1 Thermoplaste (Plastomere) . . . . . . . . . . . 465 

9.5.1.1 Amorphe Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . 465 

9.5.1.2 Teilkristalline Thermoplaste . . . . . . . . . . . 465 

9.5.2 Duroplaste (Duromere) . . . . . . . . . . . . . . . 469 

9.5.3 Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 

9.5.4 Thermoplastische Elastomere . . . . . . . . . 469 

9.6 Mechanisch-thermisches Verhalten 

der Kunststoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470 

9.6.1 Charakterisierung der Zustandsbereiche. 470 

9.6.1.1 Energieelastischer Bereich . . . . . . . . . . . . 471 

9.6.1.2 Nebenerweichungsbereich (NEB) . . . . . . 471 

9.6.1.3 Haupterweichungsbereich (HEB) . . . . . . . 471 

9.6.1.4 Entropieelastischer Bereich. . . . . . . . . . . . 472 

9.6.1.5 Fließbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472 

9.6.2 Amorphe Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . 473 

9.6.3 Teilkristalline Thermoplaste . . . . . . . . . . . 473 

9.6.4 Duroplaste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474 

9.6.5 Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474 

9.6.6 Thermoplastische Elastomere . . . . . . . . . 475


9.7 Kennwerte, Eigenschaften und Anwendung 

ausgewählter Kunststoffe. . . . . . . . . . . . . 475 

9.8 Normung und Bezeichnung 

von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 

9.8.1 Allgemeine Kennzeichnung 

von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 

9.8.1.1 Kurzzeichen für Homopolymere und 

chemisch modifizierte polymere 

Naturstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 

9.8.1.2 Copolymere und Polymergemische. . . . . 487 

9.8.1.3 Kennzeichnung besonderer 

Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487 

9.8.1.4 Kennzeichnung von Zusatzstoffen . . . . . . 488 

9.8.2 Kennzeichnung thermoplastischer 

Formmassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488 

9.8.3 Kennzeichnung von Duroplasten . . . . . . . 489 

9.8.4 Kennzeichnung von Elastomeren. . . . . . . 490 

9.9 Verarbeitung von Kunststoffen . . . . . . . . 491 

9.9.1 Zuschlagstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 

9.9.2 Urformen und Umformen . . . . . . . . . . . . . 491 

9.9.2.1 Formpressen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492 

9.9.2.2 Spritzgießen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492 

9.9.2.3 Extrudieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493 

9.9.2.4 Kalandrieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493 

9.9.2.5 Umformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 

9.9.3 Mechanische Bearbeitung. . . . . . . . . . . . . 494 

9.9.4 Verarbeitung aus Lösungen 

und Dispersionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 

9.9.4.1 Lacke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 

9.9.4.2 Klebstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 

9.10 Kunststoffe und Umwelt. . . . . . . . . . . . . . 498 

10 Keramische Werkstoffe 

10.1 Einordnung keramischer Werkstoffe . . 500 

10.2 Eigenschaften keramischer Werkstoffe . 501 

10.2.1 Allgemeine Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . 501 

10.2.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . 502 

10.2.3 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . 502 

10.2.3.1 Festigkeit und Hochtemperaturfestigkeit. 502 

10.2.3.2 Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 

10.2.3.3 Verformbarkeit und Zähigkeit . . . . . . . . . . 504 

10.2.4 Thermische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . 504 

10.2.4.1 Wärmeausdehnung und Temperaturwechselbeständigkeit. 

. . . . . . . . . . . . . . . . 504 

10.2.4.2 Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 

10.2.5 Elektrische und magnetische 

Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 

10.2.5.1 Elektrische Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 506 

10.2.5.2 Dielektrisches Verhalten. . . . . . . . . . . . . . . 506 

10.2.6 Chemische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . 506 

10.3 Einteilung keramischer Werkstoffe . . . 507 

10.4 Innere Struktur und Gefüge 

keramischer Werkstoffe . . . . . . . . 508 

10.5 Silicatkeramische Werkstoffe . . . . . . 509 

10.5.1 Porzellan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510 

10.5.2 Steatit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 

10.5.3 Cordieritkeramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 

10.6 Oxidkeramische Werkstoffe . . . . . . 512 

10.6.1 Aluminiumoxid (Al2O3) . . . . . . . . . . . . . . . 512 

10.6.2 

10.6.3 

10.6.4 

Zirkoniumoxid (ZrO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 

Aluminiumtitanat (Al2TiO 5) . . . . . . . . . . . . 516 

Magnesiumoxid (MgO) . . . . . . . . . . . . . . . 517 

10.6.5 Weitere oxidkeramische Werkstoffe. . . . . 517 

10.7 Nichtoxidkeramische Werkstoffe . . . . 518 

10.7.1 Keramische Werkstoffe aus 

elementaren Stoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . 520 

10.7.2 Metallische Hartstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 520 

10.7.2.1 Carbide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 

10.7.2.2 Nitride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 

10.7.2.3 Boride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 

10.7.2.4 Silicide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 

10.7.3 Nichtmetallische Hartstoffe. . . . . . . . . . . . 522 

10.7.3.1 Siliciumcarbid (SiC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 

10.7.3.2 Siliciumnitrid (Si3N4) . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 

10.7.3.3 Bornitrid (BN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526 

10.7.3.4 Borcarbid (B4C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527 

10.8 Elektro- und Magnetokeramik . . . . . 527 

10.8.1 Elektrokeramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528 

10.8.1.1 Trägerkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528 

10.8.1.2 Dielektrische keramische Werkstoffe . . . . 528 

10.8.1.3 Kaltleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 

10.8.1.4 Heißleiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 

10.8.1.5 Piezokeramik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 

10.8.1.6 Keramische Supraleiter . . . . . . . . . . . . . . . 530 

10.8.2 Magnetokeramik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 

10.8.2.1 Dauermagnetische Ferrite (Hartferrite) . . 531 

10.8.2.2 Weichmagnetische Ferrite. . . . . . . . . . . . . 532 

10.9 Herstellungs- und Bearbeitungsver 

fahren für keramische Werkstoffe . . 534 

10.9.1 Rohstoffgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535 

10.9.2 Massenaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 535 

10.9.3 Formgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535 

10.9.4 Trocknen und Ausheizen . . . . . . . . . . . . . . 538 

10.9.5 Grün- und Weißbearbeitung, Vorbrand . . 538 

10.9.6 Sintern (Brennen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539 

10.9.7 Endbearbeitung (Hartbearbeitung) . . . . . 540 

10.10 Künftige Entwicklungen . . . . . . . . 540 

11 Korrosion und Korrosionsschutz 

metallischer Werkstoffe 

11.1 Einleitung und Übersicht. . . . . . . . . . . . . . 541 

11.2 Elektrochemische Korrosion. . . . . . . . . . . 541 

11.2.1 Lösungstension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542 

11.2.2 Elektrochemische Spannungsreihe . . . . . 542 

11.2.3 Stromdichte-Potential-Kurven . . . . . . . . . . 544 

11.2.4 Wasserstoffkorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 

11.2.5 Sauerstoffkorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 

11.3 Rost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 

11.4 Erscheinungsformen der Korrosion. . . . . 547 

11.5 Korrosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 

11.5.1 Passiver Korrosionsschutz . . . . . . . . . . . . 548 

11.5.1.1 Überzüge mit Metalloxiden. . . . . . . . . . . . 549 

11.5.1.2 Überzüge mit edleren Metallen . . . . . . . . 550 

11.5.1.3 Überzüge mit unedleren Metallen . . . . . . 551 

11.5.1.4 Überzüge mit Nichtmetallen . . . . . . . . . . . 551 

9

10 

11.5.2 Aktiver Korrosionsschutz. . . . . . . . . . . . . . 551 

11.5.3 Konstruktive Maßnahmen. . . . . . . . . . . . . 553 

12 Tribologie 

12.1 Tribosysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555 

12.1.1 Aufbau eines Tribosystems. . . . . . . . . . . . 555 

12.1.2 Funktion eines Tribosystems. . . . . . . . . . . 556 

12.2 Hauptgebiete der Tribologie . . . . . . . . . . . 556 

12.2.1 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 

12.2.1.1 Reibungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 

12.2.1.2 Reibungsmechanismen bei Festkörper - 

reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 

12.2.1.3 Reibungszustände in geschmierten 

Gleitpaarungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558 

12.2.2 Schmierung und Schmierstoffe . . . . . . . . 559 

12.2.2.1 Schmieröle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559 

12.2.2.2 Schmierfette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561 

12.2.2.3 Festschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562 

12.2.3 Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 

12.2.3.1 Verschleißmechanismen . . . . . . . . . . . . . . 563 

12.2.3.2 Verschleißarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568 

12.3 Verschleißbeständige (tribotechnische) 

Werkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568 

12.3.1 Verwendung von Stählen bzw. Stahlguss 

mit hoher Verschleißbeständigkeit. . . . . . 568 

12.3.2 Oberflächenschutzschichten . . . . . . . . . . . 569 

12.3.3 Verwendung veschleißbeständiger 

Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571 

13 Werkstoffprüfung 

13.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572 

13.2 Aufgaben der Werkstoffprüfung . . . . . . . 572 

13.3 Einteilung der Werkstoffprüfverfahren . . 573 

13.4 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfverfahren 574 

13.4.1 Eindringprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574 

13.4.2 Magnetische und induktive Prüfverfahren 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576 

13.4.2.1 Magnetische Streuflussverfahren . . . . . . 576 

13.4.2.2 Wirbelstromverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 577 

13.4.3 Ultraschallprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578 

13.4.4 Durchstrahlungsverfahren . . . . . . . . . . . . 585 

13.4.4.1 Werkstoffprüfung mit Röntgenstrahlen . . 585 

13.4.4.2 Werkstoffprüfung mit Gammastrahlen . . 587 

13.4.4.3 Nachweis von Röntgenund 

Gammastrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . 589 

13.4.4.4 Prüfbare Probendicken . . . . . . . . . . . . . . . 590 

13.4.4.5 Vergleich zwischen Röntgenund 

Gammastrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . 591 

13.4.5 Vergleich der zerstörungsfreien 

Werkstoffprüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 591 

13.5 Mechanische Werkstoffprüfverfahren . . . 593 

13.5.1 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593 

13.5.1.1 Historisches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593 

13.5.1.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . 594 

13.5.1.3 Probengeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 

13.5.1.4 Spannungs-Dehnungs-Diagramme . . . . . 595 

13.5.1.5 Ermittlung von Werkstoffkennwerten 

im Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599 

13.5.1.6 Bruchvorgänge, Bruchformen und 

Bruchflächen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 

13.5.2 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606 

13.5.3 Biegeversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608 

13.5.4 Torsions- oder Verdrehversuch. . . . . . . . . 609 

13.5.5 Scherversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610 

13.5.6 Härteprüfung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611 

13.5.6.1 Einteilung der Härteprüfverfahren . . . . . . 611 

13.5.6.2 Statische Härteprüfverfahren . . . . . . . . . . 612 

13.5.6.3 Dynamische Härteprüfverfahren . . . . . . . 622 

13.5.7 Zähigkeitsprüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . 624 

13.5.7.1 Zähigkeitsbegriff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624 

13.5.7.2 Sicherheitsrelevanz der Zähigkeit. . . . . . . 625 

13.5.7.3 Spröder und zäher Gewaltbruch . . . . . . . 625 

13.5.7.4 Einflussfaktoren auf die Zähigkeit . . . . . . 626 

13.5.7.5 Verfahren der Zähigkeitsprüfung . . . . . . . 627 

13.5.8 Schwingfestigkeitsversuche . . . . . . . . . . . 632 

13.5.8.1 Entstehung von Schwingrissen . . . . . . . . 634 

13.5.8.2 Ermüdungbruchflächen. . . . . . . . . . . . . . . 635 

13.5.8.3 Versuche zum Ermüdungsverhalten . . . . 635 

13.5.8.4 Einstufige Schwingfestigkeitsversuche 

(Wöhlerversuche). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636 

13.5.8.5 Betriebsfestigkeitsversuche . . . . . . . . . . . 639 

13.5.8.6 Schwingprüfmaschinen. . . . . . . . . . . . . . . 641 

13.5.9 Zeitstandversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642 

13.5.9.1 Durchführung von Zeitstandversuchen . . 643 

13.5.9.2 Werkstoffkennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 

13.5.9.3 Spannungsrelaxation. . . . . . . . . . . . . . . . . 645 

13.6 Technologische Prüfungen . . . . . . . . . . . . 645 

13.6.1 Tiefungsversuch nach Erichsen . . . . . . . . 646 

13.6.2 Näpfchen-Tiefziehprüfung (nach Swift) . . 647 

13.6.3 Technologischer Biegeversuch . . . . . . . . . 648 

13.6.4 Stirnabschreckversuch nach Jominy . . . . 648 

13.7 Mechanische Prüfverfahren für 

Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650 

13.7.1 Zugversuch an Kunststoffen . . . . . . . . . . . 652 

13.7.1.1 Probengeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652 

13.7.1.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . 652 

13.7.1.3 Kennwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653 

13.7.2 Härteprüfung an Kunststoffen . . . . . . . . . 654 

13.7.2.1 Kugeleindruckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . 656 

13.7.2.2 Härteprüfung nach Shore an Kunststoffen 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656 

13.7.2.3 Internationaler Gummihärtegrad (IRHD) . 658 

13.7.3 Charpy-Schlagversuch nach ISO . . . . . . . 658 

Englische Fachausdrücke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660 

Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676 

Bildquellennachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697 

Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699

1.2 Bedeutung der Werkstofftechnik 11 

1 Werkstofftechnologie in Industrie und Wirtschaft 

1.1 Werkstoffe und Werkstofftechnik 

Werkstoffe haben zu allen Zeiten eine sehr wich tige 

Bedeutung für den Menschen gehabt. Dies zeigt 

sich daran, dass ganze Zeitepochen nach Werkstoffen 

benannt werden, wie die Stein-, die Bronzeoder 

die Eisenzeit (Bild 1). 

Werkstoffe müssen aus Rohstoffen gewonnen und 

zu Werkstücken oder Bauteilen verarbeitet werden. 

Einsatz und Anwendung von Werkstoffen sind vor 

allem von deren technologischen Eigenschaften 

sowie vom Preis und der Verfügbarkeit abhängig. 

Dabei ist es wichtig, dass mehrere Eigenschaften 

günstig oder optimal sind. Ein typisches Beispiel ist 

das Aluminium: Dieser Werkstoff hat eine niedrige 

Dichte bei gleichzeitig hoher Festigkeit. Daher ist er 

im Fahr- und Flugzeugbau sowie in der Raumfahrt- Bild 1: Nutzung wichtiger metallischer Werkstoffe 

technik unverzichtbar. 

Werkstofftechnik ist derjenige Zweig der tech nischen Wissenschaften, der sich mit der Gewinnung, den 

Eigenschaften und der Verwendung der Werkstoffe befasst. Nach dieser Definition ist die Werkstofftechnik 

eine sehr alte Disziplin. Die moderne Werkstofftechnik bedient sich heute wissenschaft licher Methoden, um 

die Eigenschaften der Werkstoffe zu bestimmen und zu deuten, neue Werkstoffe zu entwickeln oder be ste - 

hende zu verbessern. Die Werkstofftechnik ist eine wichtige Basistechnik unserer Zeit. Wissenschaftliche 

Untersuchungen der Werkstoffe haben erheblich zum Verständnis des Werkstoffverhaltens, d. h. der Werkstoffeigenschaften 

beigetragen. Theoretische Erkenntnisse werden in die Praxis umgesetzt, wodurch die 

Werkstoffe wesentliche Verbesserungen er fahren. 

Auch künftige technische Entwicklungen sind abhängig 

von der Schaffung neuer und der Verbesserung 

bestehender Werkstoffe. Die Werkstofftechnik gehört 

daher zur Hochtechnologie. Werkstofftechnik und 

-wissenschaft gehören zu den Schlüsseltechnologien 

für andere technische Bereiche, wie Verkehrs- , Energie- 

und Kommunikationstechnik. Die Umsetzung 

tech nischer Entwicklungen ist oft nur mit geeigneten 

Werkstoffen möglich. Manchmal müssen vorhandene 

Werkstoffe den Anforderungen angepasst oder 

sogar neue entwickelt werden. Man spricht dann von 

maßgeschneiderten Werkstoffen. 

1.2 Bedeutung der 

Werk stofftechnik 

Bild 2 zeigt, dass der Verbrauch wichtiger Werkstoffe 

ständig zunimmt. Verfügbarkeit und Kenntnis ge - 

eigneter Werkstoffe hat die Entwicklung der Technik 

erst ermöglicht, dies gilt genauso für die Erfindung 

der Dampfmaschine wie für die Luft- und Raumfahrt 

oder die Computertechnik. Andererseits gehen von 

technischen Fragestellungen Impulse aus, welche 

die Werkstoffentwicklung stark beeinflussen. Es gibt 

Bild 2: Weltverbrauch wichtiger Werkstoffe

12 

Wechselbeziehungen mit der Praxis und mit anderen 

technischen Disziplinen. Der Konstrukteur muss 

für sein Bauteil einen aufgrund seiner Eigenschaften 

geeigneten Werkstoff auswählen und ein geeignetes 

wirtschaftliches Fertigungsverfahren finden. 

Die Entdeckung von technisch bedeutsamen Eigenschaften, 

wie z.B. die Hochtemperatursupraleitung 

(HTSL) bei einigen keramischen Stoffen, führt nicht 

unmittelbar zu neuen Werkstoffen. Es ist vielmehr 

notwendig, weitere Eigenschaften, insbesondere 

die Verarbeitbarkeit, so zu verbessern, dass HTSL- 

Werkstoffe entstehen. Die technische und wirtschaftliche 

Bedeutung solcher Werkstoffe wird so 

hoch eingeschätzt, dass Firmen zur Entwicklung 

von Hochtemperatursupraleitern gegründet wurden. 

Die Entwicklung der Werkstoffe ist so schwierig, 

dass zu Beginn des neuen Jahrtausends nur 

sehr wenige Anwendungen von Hochtemperatursupraleitern 

bekannt sind, wie z. B. ein 120 m langes 

Kabel zur Stromversorgung oder ein Elektromotor 

(380 kW) mit einer HTSL-Wicklung. Aber auch altbe - 

kannte Werkstoffe werden ständig weiterentwickelt 

und verbessert, um die Verwendungsmöglichkeiten 

zu erweitern und die Sicherheit und Verfügbarkeit 

technischer Systeme zu erhöhen. 

1.3 Wirtschaftliche Aspekte der Werkstofftechnik 

Der Preis eines Werkstoffes entscheidet maßgeblich über seinen Einsatz und mögliche Anwendungen. So 

werden für Massenanwendungen meist preiswertere Werkstoffe den technisch überlegenen aber teu reren 

vorgezogen. Beispielsweise kann eine elektrische Leitung aus Silber nicht mit einer aus Aluminium konkurrieren. 

Der hohe Preis des Silbers liegt vor allem in seiner begrenzten Verfügbarkeit begründet. Da gegen 

ist der Rohstoff für Silicium günstiger Quarz. Die Herstellung von hochreinem Silicium ist jedoch sehr aufwändig. 

Insbesondere sind die Reinigungsverfahren relativ kosten- und energieintensiv, sodass der Halbleiterwerkstoff 

Silicium relativ teuer ist. 

Der Preis eines Werkstoffes muss immer im Zusammenhang mit seinem Nutzen gesehen werden. Für die 

Entscheidung über den Einsatz eines Werkstoffes sind in zunehmendem Maße dessen Umweltverträglichkeit 

und damit die Kosten für seine Entsorgung von Bedeutung. Obwohl die bereits erwähnten supraleitenden 

Stoffe als künftige Werkstoffe erheblich teurer sein werden als Kupfer, könnten sie trotzdem Kupfer 

in Generatoren ersetzen. Denn dieser Mehrpreis wird in kurzer Zeit durch die erheblich höhere 

Stromausbeute wettgemacht. Neu- oder Weiterentwicklungen von Werkstoffen bleiben häufig nicht begrenzt 

auf das Einsatzgebiet, für das sie einmal entwickelt wurden. So werden einige Werkstoffe, die für 

die Raumfahrt entwickelt wurden, inzwischen auch im Alltag eingesetzt. Ein typisches Beispiel dafür ist 

die Kunststoffsorte Polytetrafluorethylen, die auch unter dem Handelsnamen Teflon ® bekannt wurde. 

1.4 Werkstoffbegriff und Werkstoffeinteilung 

Der Begriff Stoff wird mitunter auch synonym gebraucht für Werkstoffe, sodass eine Unterscheidung der 

beiden Begriffe erforderlich ist. 

1.4.1 Stoffe und Werkstoffe 


� Information 

Supraleitung und Supraleiter 

Der Stromtransport ist in einem elektrischen leitenden 

Festkörper (z. B. Metall) überwiegend an die Bewegung 

von Elektronen gebunden. Die Wechselwirkung der 

Elektronen mit den Atomrümpfen des Kristallgitters 

(Kollisionen) äußert sich dabei insgesamt als elektrischer 

Widerstand. Bei tiefen Temperaturen beobachtet 

man jedoch eine verlustfreie Leitung des elektrischen 

Stromes, die Supraleitung. Supraleitung findet erst unterhalb 

einer für den jeweiligen Stoff charakteristischen 

Temperatur, der Sprungtemperatur, statt. 

Die Sprungtemperaturen der metallischen Supraleiter 

(MSL) wie Nb oder Nb3Sn liegen im Bereich des flüssigen 

Heliums (Siedetemperatur 4,2 K). Die Erzeugung und Aufrechterhaltung 

derart niedriger Temperaturen erfordert 

einen hohen technischen Aufwand und hohe Kosten. Die 

Materialforschung bemüht sich daher bereits seit längerem 

um die Entwicklung von Werkstoffen mit höheren 

Sprungtemperaturen, den Hochtemperatursupraleitern 

(HTSL). Erst dadurch kann die Supraleitung auf breitem 

Gebiet wirtschaftlich eingesetzt werden. Heute kennt man 

über 100 HTSL-Verbindungen (Kapitel 10.8.1.6). 

Der Einsatz von HTSL-Werkstoffen führt zu einer starken 

Verringerung von Baugrößen, Gewichten und Verlusten 

bei elektrischen Betriebsmitteln (z. B. Kabel, Elektromotoren, 

Generatoren, Transformatoren usw.). 

Der Zusammenhang zwischen verschiedenen Stoffen wird durch menschliche und maschinelle Arbeit und 

durch verschiedene Produktions- und Fertigungsprozesse hergestellt und ist in Bild 1, Seite 13, dargestellt.

1.4 Werkstoffbegriff und Werkstoffeinteilung 13 

Am Anfang stehen die Naturstoffe, die durch den Menschen genutzt und dabei verändert werden. Aus 

den Naturstoffen werden Rohstoffe gewonnen, die zu Werkstoffen weiterverarbeitet werden. Werkstoffe 

sind die Basis für die Herstellung von Fertigprodukten und Gebrauchsgütern. Die Mehrzahl der Produktionsprozesse 

erfordert den Einsatz von Hilfsstoffen, die im Fertigprodukt jedoch nicht mehr enthalten sind. 

In Tabelle 1 werden die Begriffe erläutert und einige Beispiele genannt. 

Bild 1: Zusammenhang zwischen den Begriffen „Naturstoff“ „Rohstoff“ „Werkstoff“ und „Hilfsstoff“ 

Tabelle 1: Stoffe in Industrie und Technik 

Stoffe Erklärung Beispiele 

Naturstoffe In der Natur vorkommende Stoffe Holz, Erdöl, Kohle, Wolle, gediegene Metalle 

wie Gold, Silber, Kupfer 

Rohstoffe Ausgangsstoffe für den Herstellungsprozess Geschlagenes Holz, abgebaute Kohle, 

von Werkstoffen gefördertes Erdöl, abgebaute gediegene 

Metalle und Erze, Altstoffe (Schrott) 

Werkstoffe Stoffe zur Herstellung von Werkstücken, Metalle, Nichtmetalle, Verbundwerkstoffe, 

Werkzeugen und Halbzeugen Kunststoffe, keramische Werkstoffe 

Fertigprodukte Werkstücke, Werkzeuge, Halbzeuge Motorblock, Hammer, Rohr, Blech 

Hilfsstoffe Stoffe, die den Prozess vom Naturstoff Schmierstoffe, Schleifmittel, Schneidöle 

zum Fertigprodukt aufrecht erhalten, und Kühlmittel, Treib- und Brennstoffe, 

aber nicht in das Fertigprodukt eingehen Härtemittel, Reinigungsmittel 

Werkstoffe sind für die Konstruktion nützliche, feste Stoffe. In manchen Fällen macht eine besondere physikalische 

Eigenschaft, einen Feststoff, zum Werkstoff. So ist beispielsweise die hohe elektrische Leitfähigkeit 

des Kupfers die Ursache für seine bevorzugte Verwendung als Leiterwerkstoff. Für Konstruktionen, 

die auf dem Erdboden ruhen, ist aufgrund seiner Druckfestigkeit Beton der günstigste Werkstoff. 

Treten Zugspannungen auf, dann ist Stahl wegen seiner hohen Zugfestigkeit besonders geeignet. 

Ein Stoff muss verschiedene Voraussetzungen erfüllen, um als Werkstoff Verwendung zu finden: 

1. Günstige Kombination physikalischer bzw. mechanischer Eigenschaften. So ist beispielsweise bei der 

Konstruktion von Fahrzeug- oder Flugzeugteilen das Verhältnis von Festigkeit zu Dichte (spezifisches Gewicht) 

die bestimmende Werkstoffeigenschaft. 

2. Gute Verarbeitbarkeit. Es muss auf einfache Weise möglich sein, den Stoff durch plastisches Umformen, 

Gießen, Sintern oder Zerspanen in die gewünschte Form zu bringen. Darüber hinaus ist es oft erforderlich, 

einzelne Teile durch geeignete Fügeverfahren wie Schweißen, Löten oder Kleben miteinander 

zu verbinden. 

3. Wirtschaftlichkeit. Ein Stoff kann trotz guter physikalischer oder mechanischer Eigenschaften als Werkstoff 

nicht in Frage kommen, wenn er zu teuer ist. Dabei müssen die eigentlichen Werkstoffkosten von 

den Kosten der Verarbeitung und – in zunehmendem Maße – auch der Entsorgung bzw. Wiederverwertung 

unterschieden werden. Ein preiswerter Stoff, der nur durch teure Formgebungsverfahren (z. B. 

Schleifen) in die endgültige Form gebracht werden kann oder der nicht schweißbar ist, muss gegebenenfalls 

durch einen teureren Stoff ersetzt werden, der sich jedoch preiswerter (z. B. durch Gießen) in 

die gewünschte Form bringen lässt. 

1.4.2 Einteilung der Werkstoffe 

In der Natur kommen Stoffe vor, die aufgrund ihrer Eigenschaften von Menschen schon immer benutzt 

wurden, wodurch sie zu Werkstoffen wurden. Zu diesen natürlichen Werkstoffen gehören Steine, Hölzer

14 

und Wolle sowie im weiteren Sinne auch die gediegen 

(d. h. elementar) vorkommenden Metalle Gold, 

Silber und Kupfer. Durch den Umgang mit diesen 

Stoffen wurden Erfahrungen gesammelt über deren 

Eigenschaften und die sich daraus ergebenden Verwendungsmöglichkeiten. 

Außerdem gelang es, diese 

Stoffe und ihre Eigenschaften zu verändern und 

zu verbessern. Diese Entwicklung führte schließlich 

Werkstofftechnologie in Industrie und Wirtschaft 

zu neuen Werkstoffen. Dazu gehörten zunächst aus Erzen gewonnene Metalle wie Kupfer und Eisen sowie 

die als Bronze bezeichneten Kupfer-Zinn-Legierungen. 

Die Anzahl der verfügbaren Werkstoffe nimmt ständig zu. Daraus erwächst die Notwendigkeit einer ordnenden 

und systematischen Betrachtung. Die Werkstoffe werden daher üblicherweise in drei Gruppen eingeteilt: 

metallische Werkstoffe, nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe. 

Bild 1: Einteilung der Werkstoffe 


Werkstoffe 

Werkstoffe sind für die Konstruktion nützliche feste Stoffe. 

Damit ein Stoff als Werkstoff verwendet wird, muss er 

eine günstige Kombination physikalischer Eigenschaften 

aufweisen, gut zu verarbeiten und wirtschaftlich zu beschaffen, 

sowie gut zu entsorgen sein. 

In Bild 1 ist eine umfassende Einteilung der Werkstoffe dargestellt. Die größte technische Bedeutung besitzen 

die Metalle, insbesondere aufgrund ihrer in der Regel hohen Festigkeit und ihres plastischen Verformungsvermögens. 

Wie Bild 2, Seite 11 zeigt, sind Stahl und Eisen, hier als Eisenmetalle oder häufig 

auch als Eisenwerkstoffe bezeichnet, wiederum die am häufigsten eingesetzten metallischen Werkstoffe. 

Üblicherweise unterteilt man die Metalle in die Eisen- und Nichteisenmetalle. Mitunter wird auch eine Einteilung 

in Reinmetalle und Legierungen oder in Guss- und Knetlegierungen vorgenommen. Die Nichteisenmetalle 

werden üblicherweise in die Leichtmetalle (Dichte ≤ 4,5 g/cm 3 ) und Schwermetalle (Dichte ˜ 

4,5 g/cm 3 ) unterteilt. 

Die nichtmetallischen Werkstoffe werden eingeteilt in die organisch-nichtmetallische und die anorganischnichtmetallische 

Werkstoffgruppe. Die wichtigste Gruppe innerhalb der organisch-nichtmetallischen Werkstoffe 

sind die Kunststoffe. Von den anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffen haben die Keramiken die


größte Bedeutung. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts hat der Einsatz von Kunststoffen stark 

zugenommen und derzeit ist diese Tendenz bei den Keramiken und Verbundwerkstoffen festzustellen. 

Verbundwerkstoffe entstehen durch eine Kombination von mindestens zwei Werkstoffen aus gleichen 

oder unterschiedlichen Gruppen. Dadurch sollen Eigenschaften erreicht werden, die ein Werkstoff alleine 

nicht oder nur nach einem wesentlich höheren Verarbeitungsaufwand aufweist. Ein Beispiel für einen Verbundwerkstoff 

ist Stahlbeton, der durch die Kombination von Stahl (gute Zugfestigkeit) und Beton (gute 

Druckfestigkeit) entsteht. Weitere Beispiele für Verbundwerkstoffe sind faserverstärkte Kunststoffe, Hartmetalle 

bzw. Cermets oder metalldrahtverstärktes Glas. Die Kombinationsmöglichkeiten für Verbundwerkstoffe 

sind überaus vielfältig. 

1.4.3 Entwicklung der Werkstofftechnik 

Die Werkstofftechnik hat sich in vielen Jahrtausenden entwickelt. Zunächst wurde das Wissen über die Werkstoffe, 

ihre Herstellung, Verarbeitung und ihren Gebrauch nur mündlich weitergegeben. Es ist jedoch erstaunlich, 

dass Bronzegeräte bereits im 3. Jahrtausend v. Chr. in Ägypten oder Mesopotamien erzeugt wurden. Mit 

der Niederschrift dieses Wissens entwickelte sich die Werkstofftechnik zu einer Wissenschaft. 1556 erschien 

das erste bedeutende Buch über metallische Werk stoffe von Georgius Agricola (1474 … 1555) De re metallica. 

Die Beschreibung der Werkstoffe und deren Klassifizierung wurde ergänzt durch Messgrößen, wie beispielsweise 

die Festigkeit. Diese quantitativen Größen ermöglichen direkte Vergleiche verschiedener Werkstoffe, 

sodass die Auswahl eines geeigneten Werkstoffes erleichtert wird. Aus den Messgrößen werden 

Belastungsgrenzen für den jeweiligen Werkstoff abgeleitet, der Werkstoff wird berechenbar. Die Ermittlung 

der Messgrößen ist Aufgabe der Werkstoffprüfung. 

Die moderne Werkstofftechnik geht über das Erfassen von Messwerten hinaus, Werkstoffeigenschaften und 

-verhalten werden wissenschaftlich untersucht und gedeutet. Aufgrund der dabei gewonnenen Erkenntnisse 

können gezielt Verbesserungen oder Neuentwicklungen vorgenommen werden. Steigende Anforderungen 

an die Leis tungsfähigkeit der Werkstoffe erfordern eine schnelle Werkstoffentwicklung. Die Entwicklung neuer 

Werkstoffe bis zur Marktreife benötigt heute 10 bis 15 Jahre, da umfangreiche Testreihen, Pilotver suche und 

Prozessoptimierungen erforderlich sind. Somit müssen die bisher üblichen empirischen Methoden der Werkstoffentwicklung 

und -verbesserung durch leistungsfähigere ersetzt werden, welche die Entwicklungszeiten 

erheblich reduzieren. Dafür ist es erforderlich, aussagefähigere Werkstoffmodelle zu entwickeln. Um die 

Eigenschaften eines herzustellenden Werkstückes möglichst genau vorhersagen zu können, muss der gesamte 

Produktionsweg über das Gießen und Erstarren, Umformen und Wärmebehandeln sowie die wei teren 

Fertigungsschritte erfasst werden. Die Vorgänge und deren Einfluss auf die Eigenschaften müssen mikroskopisch 

exakt beschrieben werden und die aufeinander folgenden Prozess stufen durch eine Modellierung 

miteinander verknüpft werden, sodass mit Hilfe moderner Computer die Werkstoffentwicklung optimiert werden 

kann. Das Ergebnis könnten Virtuelle Werkstoffe sein, also durch Simulation am Computer verbesserte 

oder neu entwi ckel te Werkstoffe. In der modernen Werkstofftechnik werden aus diesem Grund bereits Methoden 

der Informatik genutzt. Dies wird zu einer kürzeren Entwicklungsdauer für neue Werkstoffe führen. 

1.4.4 Werkstoffprüfung 

Die Qualität eines Werkstoffes muss gewährleistet und Aussagen über seine Leistungsfähigkeit müssen 

dokumentiert sein. Die Eigenschaften von Werkstoffen werden bereits bei der Gewinnung sowie bei der 

Be- und Verarbeitung und auch noch beim Gebrauch beeinflusst. Ungünstige Veränderungen müssen vermieden, 

günstige Einflussmöglichkeiten genutzt werden. Die Eigenschaften der Werkstoffe müssen für den 

jeweiligen Anwendungsfall durch einen genau gesteuerten 

Fertigungsprozess optimiert werden. 


Da jeder Werkstoff natürliche Belastungsgrenzen besitzt, 

müssen bei Bedarf neue Werkstoffe entwickelt 

und die konstruktive Gestaltung der Bauteile optimiert 

werden. Im Maschinen- und Stahlbau, bei der 

Neuentwicklung oder Verbesserung von Geräten, 

Anlagen oder Verfahren, muss für die Auswahl geeigneter 

Werkstoffe deren Verhalten unter künftigen 

Betriebsbedingungen vorhersagbar sein. Es muss 

Aufgaben der Werkstoffprüfung 

� Ermittlung von Werkstoffeigenschaften und -kenn - 

werten 

� Kontrolle und Überwachung von Bauteilen und 

Anlagen 

� Klärung von Schadensursachen 

� Gütekontrolle und Gütesteigerung im Rahmen der 

Qualitätssicherung

16 


zum einen bekannt sein, in welcher Weise das Material beansprucht wird und zum anderen welche Beanspruchungsgrenzen 

das Material aufweist, damit eine sichere und zuverlässige Nutzung gewährleistet ist. 

Eine wichtige Aufgabe der Werkstoffprüfung (Kapitel 13) ist daher die Bereitstellung von Werkstoffkennwerten. 

Die Hersteller garantieren mithilfe dieser Kennwerte bestimmte Werkstoffeigenschaften und fassen 

in Werkstoffblättern die Eigenschaften und Anwendungsgebiete für die betreffenden Werkstoffe zusammen. 

Die technisch wichtigsten Werkstoffe werden außerdem in Normen beschrieben. 

Die zweite Aufgabe der Werkstoffprüfung ist die Bereitstellung von Verfahren zur regelmäßigen Über - 

wachung von Bauteilen und Anlagen. Beispielsweise dienen die Eindring- und die Ultraschallprüfung zum 

Nachweis von Rissen, die durch die Verarbeitung (z. B. Schweißen) oder den Betrieb (z. B. Korrosion) entstehen 

können. 

Eine dritte Aufgabe der Werkstoffprüfung ist es, die Ursachen von Schäden zu finden, damit künftig ähn - 

liche Schäden vermieden werden. Zu diesem Zweck stellt die Werkstoffprüfung Präparationsverfahren 

(z. B. Herstellung metallographischer Schliffe), Analysemethoden und mikroskopische Auswerteverfahren 

zur Verfügung. 

Letztlich wird die Werkstoffprüfung zur Gütekontrolle und Gütesteigerung im Rahmen der Qualitäts - 

sicherung angewandt 

1.5 Eigenschaften der Werkstoffe 

Eigenschaften kennzeichnen einen Werkstoff und entscheiden über seine Einsatz- und seine Verwendungsmöglichkeiten. 

Daher ist die Kenntnis der Werkstoffeigenschaften von fundamentaler Bedeutung. 

Die Eigenschaften der Werkstoffe hängen vom inneren Aufbau ab. Der innere Aufbau kann durch das Herstellungsverfahren 

und die Verarbeitung verändert, aber auch gezielt beeinflusst werden. Einige wichtige 

Werkstoffeigenschaften sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengestellt. 

Tabelle 1: Wichtige Werkstoffeigenschaften 

physikalisch mechanisch chemisch technologisch umweltrelevant 

Dichte 

Wärmedehnung 

Wärmeleitfähigkeit 

elektr. Leitfähigkeit 

Dielektrizität 

Optische Eigenschaften 

Festigkeit 

– statisch 

– Warmfestigkeit 

– Schwingfestigkeit 

Verformbarkeit 

– elastisch 

– plastisch 

Härte 

Zähigkeit 

Korrosionsbeständigkeit 

Hitzebeständigkeit 

Reaktionsfähigkeit 

Entflammbarkeit 

Gießbarkeit 

Umformbarkeit 

Schweißbarkeit 

Härtbarkeit 

Zerspanbarkeit 

Recycelbarkeit 

Toxizität 

Die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen werden durch genormte Werkstoffprüfverfahren ermittelt 

(Kapitel 13). Bei statischer Beanspruchung und normalen Temperaturen sind als Festigkeitswerte 

beispielsweise die Zugfestigkeit sowie die Streck- bzw. Dehngrenze von Bedeutung. 

Die Zugfestigkeit ist die höchste ertragbare Spannung. Mit Überschreiten der Zugfestigkeit tritt der Bruch 

ein. Die Streck- oder Dehngrenze ist hingegen derjenige Kennwert, nach dessen Überschreitung die plastische 

Verformung des Werkstoffs einsetzt. 

Bei zeitlich veränderlicher Beanspruchung dient unter anderem die Dauerfestigkeit als maßgeblicher Werkstoffkennwert. 

Die Dauerfestigkeit ist dabei diejenige Spannungsamplitude, die vom Werkstoff beliebig oft 

ertragen werden kann. 

Für den Einsatz von Werkstoffen bei erhöhten Temperaturen ist die Warmfestigkeit von Bedeutung. Als 

Kenngrößen dienen die Zeitstandfestigkeit und die Zeitdehngrenze. Die Zeitstandfestigkeit ist diejenige 

Spannung, die bei vorgegebener Temperatur nach einer bestimmten Zeit zum Bruch führt. Unter der 

Zeitdehngrenze versteht man einen Spannungskennwert, der bei vorgegebener Temperatur und Dauer 

eine bestimmte bleibende Dehnung im Werkstoff hervorruft. 

Bei der Verformbarkeit unterscheidet man zwischen der elastischen Verformbarkeit (Elastizität) und der 

plastischen Verformbarkeit (Plastizität). Alle Werkstoffe besitzen eine elastische Verformbarkeit, eine aus


geprägte plastische Verformbarkeit weisen hingegen nur die Metalle und einige Kunststoffe auf. Sowohl 

der Kennwert der elas tischen Verformbarkeit (Elastizitätsmodul) als auch der der plastischen Verformbarkeit 

(Bruchdehnung) werden im Zugversuch (Kapitel 13.5.1) ermittelt. 

Für den Einsatz eines Werkstoffs bei tiefen Temperaturen und/oder schlagartiger Beanspruchung muss des - 

sen Zähigkeit bekannt sein, während das Verschleißverhalten u. a. durch die Härte gekennzeichnet wird. 

Die technologischen Eigenschaften (Tabelle 1, Seite 16) sollen die Eignung von Werkstoffen oder Halbzeugen 

für die Verarbeitung beschreiben. Untersucht werden unter anderem die Gieß-, die Umform - 

eigenschaften und die Eignung zum Schweißen, Löten oder Härten. Die Ergebnisse dieser technologischen 

Prüfverfahren können einfache Ja-Nein-Aus sagen oder auch Zahlenwerte sein (Kapitel 13.6). Die physika - 

lischen und chemischen Eigenschaften werden 

häufig auch in genormten Versuchen ermittelt; sie 

werden im Rahmen dieses Lehrbuches jedoch nicht 


näher erläutert. 

Anforderungen an Werkstoffe 

1.6 Werkstoffauswahl 

Bei der Werkstoffauswahl sind in der Regel mehrere 

für den Verwendungszweck günstige Eigenschaften 

ausschlaggebend. Dabei müssen häufig 

Kompromisse eingegangen werden. So lässt sich 

die Festigkeit der reinen Metalle durch Legieren verbessern, 

dadurch verschlechtern sich jedoch die 

Verformbarkeit, die elektrische Leitfähigkeit des 

Stoffes und häufig die Korrosionsbeständigkeit. 

Werden aus Werkstoffen Bauteile konstruiert, so 

sind die mechanischen Eigenschaften die wichtigs - 

ten Kriterien bei der Werkstoffauswahl, da die Werkstücke 

vor allem den mechanischen Beanspruchungen 

standhalten müssen. Gute mechanische 

Eigenschaften sind aber meist nur ein Krite rium, 

fast immer werden weitere Anforderungen gestellt, 

beispielsweise gute Verarbeitbarkeit und häufig 

auch ein günstiger Preis. Auch die Lebensdauer des 

Bauteils wird bei der Auswahl eines geeigneten 

Werkstoffes berücksichtigt (Bild 1). 

Von der richtigen Werkstoffwahl hängen nicht nur 

die Funktion und Beanspruchbarkeit des späteren 

Bauteils sondern auch die zu verwendenden Fertigungsverfahren, 

die Dauer und Kosten der Fertigung, 

die Konstruktion und das Design (werkstoffgerechtes 

Konstruieren) sowie nicht zuletzt die 

Sicherheit und Verfügbarkeit des Bauteils ab (Bild 2). 

Aufgrund der begrenzten Ressourcen und des zunehmenden 

Umweltbewusstseins erlangt das 

Recycling von Werkstoffen eine wachsende Bedeutung. 

Metallische Werkstoffe wurden schon immer 

wieder verwertet und sind daher meistens unproblematisch 

zu recyceln. Kunststoffe bereiten schon 

größere Schwierigkeiten, besonders wenn diese 

mit anderen Stoffen oder untereinander vermischt 

sind. Am schwierigs ten sind Verbundwerkstoffe 

wieder zu verwerten, sodass diese bisher seltener 

eingesetzt werden. 

� Die besonderen Eigenschaften von Werkstoffen 

müssen für eine vorgegebene oder vereinbarte Zeit 

eingehalten werden. 

� Werkstoffe müssen preiswert sein. 

� Werkstoffe müssen gut und ökonomisch bearbeitbar 

sein. 

� Werkstoffe müssen recycelbar sein. 

Bild 1: Kriterien zur Werkstoffauswahl 

Bild 2: Bedeutung der Werkstoffauswahl

18 


Schon seit vielen Jahrtausenden gibt es praktische Erfahrungen mit 

Metallen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse über die Metallgewinnung, 

-bearbeitung und -verarbeitung entstanden zunächst durch 

zufällige Beobachtungen und erst später durch planmäßige Untersuchungen. 

Es gab bereits eine hochentwickelte Metalltechnik, bevor 

die chemischen und physikalischen Zusammenhänge verstanden 

wurden. Die eigentliche wissenschaftliche Erforschung der Metalle 

begann erst vor etwa 120 Jahren, wobei die Wissenschaft zunächst 

hinter der Praxis zurückblieb. Erst im 20. Jahrhundert hat die wissenschaftliche 

Metalltechnik die praktische überholt, sodass Werkstoffe 

gezielt verbessert oder neue Werkstoffe entwickelt werden konnten. 

Die Metalltechnik wird unterteilt in Metallurgie und Metallkunde. In 

der Metallurgie sind die Gewinnungsverfahren zusammengefasst, in 

der Metallkunde werden die Eigenschaften der Metalle beschrieben. 

In der allgemeinen Metallkunde werden die in verschiedenen Metallen 

gemeinsamen Zustände und Vorgänge beschrieben und in der 

speziellen Metallkunde werden die Besonderheiten von bestimmten 

Metallen und Legierungen verdeutlicht. Die theoretische Metallkunde 

wird auch als Metallphysik (Teilgebiet der Festkörperphysik) bezeichnet, 

da diese eine enge Verflechtung mit der Physik aufweist. 

2.1 Aufbau der Metalle 

Um die Besonderheiten eines Werkstoffes und dessen Eigenschaften 

zu verstehen, ist es notwendig, den inneren Aufbau zu kennen. Bereits 

bei makroskopischer Betrachtung werden wesentliche Unterschiede 

zwischen Metallen und anderen Stoffen deutlich: Metalle weisen einen 

für sie typischen Glanz auf, haben eine gute elektrische Leitfähigkeit 

und sind plastisch verformbar. Aber allein aus der Betrachtung 

eines Bauteils (Bild 1, oben) können keine Rückschlüsse über 

seinen inneren Aufbau erfolgen. Mikroskopische Aufnahmen (Bild 1, 

Mitte) zeigen das so genannte Gefüge eines Metalls, das aus vielen 

kleinen Bereichen, den Körnern (Kristalliten) besteht. Das Gefüge eines 

metallischen Werkstücks, die Gesamtheit der im Lichtmikroskop 

sichtbaren Körner, beeinflusst dessen Eigenschaften, sodass Gefü- 

Bild 1: Strukturebenen eines Metalls 

geuntersuchungen von großer Bedeutung für die Metalltechnik sind. 

Die Körner wiederum sind aus Atomen aufgebaut, die in Form eines Kristallgitters regelmäßig angeordnet 

sind (Bild 1, unten). Der kristalline Aufbau eines metallischen Werkstoffs kann mithilfe von Röntgenfeinstrukturuntersuchungen 

betrachtet werden. 

Zwischen den einzelnen Körnern befinden sich die Korngrenzen, die in der Gefügeaufnahme als dunkle 

unregelmäßige Linien erscheinen. Die Korngrenzen erscheinen aufgrund der Größenverhältnisse als unregelmäßige 

Linien, da die Korndurchmesser etwa 10 000 Atomdurchmessern entsprechen und daher die 

atomaren Begrenzungen der Körner nicht zu sehen sind. 

Metalle sind polykristallin, sie bestehen aus vielen Körnern. Nur unter bestimmten Erstarrungsbedingungen 

können Einkristalle, also Werkstücke ohne Korngrenzen, hergestellt werden, wie z. B. Silicium-Ein - 

kristalle für die Halbleitertechnik. 

2.2 Atombau und Periodensystem der Elemente 


Zur Erklärung und zum Verständnis der Werkstoffe ist es notwendig, einige chemische Grundlagen zu betrachten.

2.2 Atombau und Periodensystem der Elemente 

2.2.1 Bau der Atome 

Die ersten Überlegungen zum Aufbau der Materie stellten griechische Philosophen bereits im Altertum an. 

Demokrit (460 bis 371 v. Chr.) entwickelte aus den Ideen seines Lehrers Leukipp (ca. 450 bis 370 v. Chr.) die 

Vorstellung, Materie ist nicht beliebig teilbar. Die Teilung von Materie führt schließlich zu nicht mehr 

zerlegbaren Urbestandteilen, den Atomen (griech.: atomos = unteilbar). Diese Vorstellungen wurden zu 

Beginn der Neuzeit zur Erklärung physikalischer und chemischer Vorgänge und Reaktionen zuerst von 

John Dalton (1766 … 1844) wieder herange zogen. 

Dalton stellte durch verschiedene Experimente fest, dass sich bei einer chemischen Reaktion zwei Stoffe 

immer in einem bestimmten konstanten Massenverhältnis verbinden (z. B. 2 g Wasserstoff +16 g Sauerstoff 

zu 18 g Wasser). Dieses Gesetz der konstanten Proportionen erklärte er mit Hilfe seiner Atomhypothese. 

Zum besseren Verständnis und zur Beschreibung dieser Hypothese entwickelte er ein Atommodell. 

Danach entsprechen Atome Kugeln mit einem für jedes Element bestimmten, konstanten Durchmesser 

und spezifischer Masse (Dalton’sches Atommodell). 

Die Atome wurden bis zum Ende des 19. Jahrhunderts als unteilbar angesehen. Als aber Teilchen entdeckt 

wurden, die offensichtlich Bestandteile der Atome sind, musste die Dalton’sche Atomhypothese weiterentwickelt 

werden. So entstanden im Laufe der Zeit beispielsweise die Atommodelle von Rutherford, Bohr 

und Sommerfeld. Aber das einfache Daltonmodell kann zur Veranschaulichung von einigen atomaren Phänomenen, 

wie beispielsweise der Kristallstruktur von Metallen, immer noch benutzt werden. Andere Erscheinungen 

erfordern modernere Atommodelle. 

Das Rutherford’sche Atommodell (Sir Ernest Rut - 

herford, 1871 … 1957) (Bild 1) ist anschaulich und 

gestattet es, die Werkstoffeigenschaften und die 

Bindungsverhältnisse zwischen Atomen zu erklären. 

Es soll daher näher erläutert werden. Atome 

bestehen nach dieser einfachen Modellvorstellung 

aus Elementarteilchen: den Protonen, Neutronen 

und Elektronen. Die elektrisch positiv geladenen 

Protonen und die neutralen Neutronen bilden den 

Kern eines Atoms (Atomkern) und die negativ geladenen 

Elektronen die Hülle (Elektronenhülle). Im 

Kern ist nahezu die gesamte Masse des Atoms konzentriert: 

Protonen und Neutronen besitzen fast die 

gleiche Masse, die Elektronen hingegen nur 1⁄1836 

der Masse eines Protons (Tabelle 1). 

Nach dem Atommodell von Rutherford bewegen 

sich die Elektronen auf Kreisbahnen um den Atomkern, 

vergleichbar mit der Bewegung der Planeten 

um die Sonne. Das Atommodell von Rutherford 

wird daher auch als „Kern-Hülle-Modell“ bezeichnet. 

Jedes Element hat eine spezifische Atommasse und 

eine bestimmte Anzahl von Elektronen, die bei neutralen 

Atomen gleich der Anzahl der Protonen ist. Bei 

positiv geladenen Atomen (Kationen) ist die Elektronenzahl 

kleiner als die Protonenzahl und bei einem 

negativ geladenen Atom (Anion) ist sie größer. Die 

Protonenzahl oder Kernladungszahl wird auch als 

Ordnungszahl bezeichnet (siehe Perio den system). 

Die Zahl der Neutronen eines Atoms kann unterschiedlich 

sein. Atome eines Elementes unterschiedlicher 

Neutronenzahl werden als Isotope bezeichnet. 

Eine einfache Schreibweise besteht aus 

dem chemischen Zeichen (oder Elementnamen) 


Verschiedene Atommodelle 

Im Bereich der Werkstofftechnik können zur Deutung 

von verschiedenen Phänomenen unterschiedliche 

Atom modelle eingesetzt werden: 

� Atommodell von Dalton: Kristallstruktur 

� Atommodell von Bohr: Bindungsarten (Kapitel 2.3) 

� Atommodell von Sommerfeld: elektrische Leit - 

fähigkeit 

Bild 1: Atommodell nach Rutherford (die Neutronen 

wurden erst 1930 entdeckt) 

Tabelle 1: Eigenschaften der Elementarteilchen 

Ladung 

Ruhemasse 

1 

Elektron (e) Proton (p) Neutron (n) 

negativ (– e) 

–1,602 ·10 –19 positiv (+ e) 

As +1,602 ·10 –19 As 

9,11 ·10 –31 kg 

= 0,00055 u 

1,6725 ·10 –27 kg 

= 1,00728 u 

neutral 

0 As 

1,6748 –27 kg 

= 1,00867 u 

1) 1 u = atomare Masseneinheit. Sie ist festgelegt als 1 ⁄12 der absoluten 

Masse des Kohlenstoffisotops 12 C (1 u = 1,6606 · 10 –27 kg). 

19

20 

und der Massenzahl (Zahl der Protonen und Neutronen 

im Atomkern), die vor- und hochgestellt 

wird, wie z. B. 60Co. Die Atommasse eines Elements 

ergibt sich aus der Summe der prozentualen (konstanten) 

Anteile der Isotopen als Dezimalzahlen. So 

beträgt beispielsweise die Atommasse von Kohlenstoff 

12,011 u, da Kohlenstoff immer die gleichen 

Anteile der Isotope 12C, 13C und 14C enthält. Elemente 

unterscheiden sich dadurch, dass ihre Atom - 

masse und Ordnungszahl (Protonenzahl) verschieden 

sind. 

Bei chemischen Vorgängen treten stets nur Veränderungen 

in der Elektronenhülle der Atome ein, 

während die Atomkerne völlig unverändert bleiben. 

Der Bau und das Verhalten der Elektronenhülle ist 

daher für die Chemie und somit auch für die Werkstoffkunde 

von besonderer Bedeutung. Der Feinbau 

der Elektronenhülle kann durch das einfache 

Bohr’sche Atommodell als auch durch das moderne 

und leitungsfähigere wellenmechanische Modell 

oder Orbitalmodell beschrieben werden. 

Für den Feinbau der Elektronenhülle wurde im Jahr 

1913 von dem dänischen Physiker Nils Bohr (1885 … 

1962) das nach ihm benannte „Bohr’sche Atommodell“ 

entwickelt. Nach dieser Modellvorstellung bewegen 

sich die Elektronen auf räumlichen Schalen 

um den Atomkern, ähnlich wie die Planeten unseres 

Sonnensystems um die Sonne. Das Modell wird daher 

mitunter auch als „Planetenmodell“ bezeichnet. 

Die Elektronenbahnen entsprechen bestimmten 

Energieniveaus, wobei die äußeren Schalen energiereicher 

sind als die inneren. 

Jede Schale kann nur eine bestimmte Zahl von 

Elektronen aufnehmen. Die maximal mögliche Anzahl 

der Elektronen e max auf der n. Schale (n = Schalennummer 

vom Atomkern aus gezählt, s. Bild 1) 

lässt sich nach der Formel: e max = 2 n 2 berechnen. 

Die 1. Schale (n = 1) kann somit maximal 2 · 1 2 = 

2 Elektronen aufnehmen, die 2. Schale 2 · 2 2 = 8 

Elektronen, die 3. Schale 2 · 3 2 = 18 Elektronen usw. 

Ein besonders stabiler Zustand wird erreicht, wenn 

die äußere Schale mit acht Elektronen besetzt ist. Dies ist der Fall bei den Edelgasen, wie Helium, Neon, 

Argon, Krypton, Xenon und Radon, die aus dem genannten Grund nur in Ausnahmefällen chemische Verbindungen 

eingehen. Auch die anderen Elemente streben diesen Edelgaszustand an. 

Zur Deutung von komplexen Bindungsverhältnissen reicht auch das Bohr’sche Atommodell nicht mehr 

aus; man muss stattdessen das weniger anschauliche wellenmechanische Modell oder Orbitalmodell verwenden. 

Hierauf soll jedoch nicht näher eingegangen werden. 

2.2.2 Periodensystem der Elemente (PSE) 



Atombau 

Atome bestehen aus Protonen (p), Neutronen (n) und 

Elektronen (e). Protonen und Neutronen bilden den 

Atomkern, die Elektronen die Atomhülle. 

Protonen sind positiv und Elektronen negativ geladen. 

Im elektroneutralen Atom kompensieren sich die Ladungen. 

Neutronen besitzen keine Ladung. 

Atome werden zu Ionen, wenn sie Elektronen abgeben 

(Kationen, positiv geladen) oder aufnehmen (Anionen, 

negativ geladen). 

Bild 1: Bohr’sches Modell der Elektronenhülle (bis zur 4p- 

Unterschale dargestellt 


Ordnungszahl, Massenzahl, Isotop 

Die Ordnungszahl gibt die Anzahl der Protonen im 

Atomkern an. 

Die Massenzahl (m) ist die Summe der Protonen (p) und 

Neutronen (n) im Atomkern: m = p + n 

Isotope sind Atome des gleichen Elementes mit unterschiedlicher 

Neutronenzahl bzw. Massenzahl, wie z. B.: 

12 C 13 C 14 C oder 235 U 238 U. 

Die Ähnlichkeiten zwischen einzelnen Elementen und die Kenntnisse über den Atomaufbau sind Grundlage 

für ein Ordnungssystem der Elemente, das Periodensystem der Elemente, abgekürzt als PSE (Bild 1, Seite 

21). Im Periodensystem werden alle bisher bekannten Elemente nach steigender Ordnungszahl angeordnet. 

Beispielsweise hat das Element Gold die Ordnungszahl 79; ein Goldatom besitzt somit 79 Protonen und 79

2.4 Gitteraufbau der Metalle 

(intra mole ku lare Wasserstoffbrückenbindung), oder zwi schen den Molekülen, wie z. B. zwi schen Wasser - 

molekülen (intermolekulare Wasser stoffbrückenbindung). 

Die Stärke der H-Brücken liegt etwa um den Fak tor 10 über der Stärke einer Dispersionsbindung (Tabel - 

le 1, Seite 25). Im Ver gleich zu einer primären chemischen Bin dung (Kapitel 2.3.1) beträgt die Bindungsstärke 

je doch nur etwa 1 % bis 10 %. 


Wie im vorhergehenden Kapitel gezeigt wurde, stellen sich aufgrund der Wechselwirkung von anziehenden 

und abstoßenden Kräften zwischen den Metallatomen bestimmte Gleichgewichtsabstände ein. Dies 

führt zur Ausbildung einer inneren Ordnung, dem Kristallgitter. Die Kristallstruktur kann man bei Mineralien 

mitunter bereits makroskopisch an der äußeren Gestalt erkennen, bei Metallen jedoch nicht ohne Hilfsmittel 

wie Röntgen- oder elektronenmikroskopischen Beugungsaufnahmen. Zum besseren Verständnis und 

zur an schaulichen Beschreibung des Kristallaufbaus metallischer Werkstoffe nimmt man Modelle zu Hilfe. 

2.4.1 Kristallgittermodelle 

Die Kristallstruktur wird als ein dreidimensionales 

Punktgitter beschrieben, in dem jeder Gitterpunkt 

den Mittelpunkt eines Atoms darstellt (Bild 1). Dieses 

Modell ist nur ein kleiner Ausschnitt der realen 

Metallkristalle, in denen das Gitter sich über einige 

tausend Gitterpunkte bis zu natürlichen (Wachstums-)Grenzen 

fortsetzt, das heißt bis zu einer 

Gefäß- oder Kokillenwand oder aber auch nur bis 

zu einem benachbarten Kristallit. 

Die Gesetzmäßigkeit der Atomanordnung kann am 

Beispiel des in Bild 1 dargestellten kubisch-pri mi ti - 

ven Gitters bereits durch die acht besonders markier - 

ten Metallionen beschrieben werden. Diese acht Mit - 

telpunkte begrenzen die Elementarzelle, die kleins te 

Einheit des Raumgitters. Die Elementarzelle beschreibt 

die Gesetzmäßigkeit der Atomanordnung in 

den drei Raumrichtungen und ist für die weiteren Betrachtungen 

meist ausreichend. Diese Ele men tar - 

zelle ist geometrisch beschrieben ein Wür fel (lat. Ku- 

Tabelle 1: Kennwerte ausgewählter Gebrauchsmetalle 

Bild 1: Elementarzelle im kubisch-primitiven Gitter 

Chemi- Atom- Atomdurch- Gitterkonstan- Elastizi- Schmelz- Dichte 

Metall sches masse Gitter 1) messer te a bzw. a/c 7) tätsmodul temperatur 

Symbol u nm 2) nm GPa 3) °C kg/dm 3 

Aluminium Al 26,98 kfz 0,2864 0,4049 60 … 80 660 2,69 

Kupfer Cu 63,55 kfz 0,2556 0,3615 125 1083 8,94 

Nickel Ni 58,69 kfz 0,2492 0,3524 214 1453 8,90 

Blei Pb 207,19 kfz 0,3500 0,4950 14 327 11,35 

Chrom Cr 51,99 krz 0,2498 0,2884 160 1860 7,21 

α-Eisen 4) α-Fe 55,85 krz 0,2483 0,2867 210 1536 7,86 

Magnesium Mg 24,31 hdP 0,3209 0,3209/0,5211 40 … 45 649 1,74 

α-Titan 5) α-Ti 47,88 hdP 0,2896 0,2950/0,4679 112 … 130 1670 4,51 

Zink Zn 65,39 hdP 6) 0,2615 0,2665/0,4947 100 419 7,13 

1) (Kristall-)Gitter: kfz = kubisch-flächenzentriert, krz = kubisch-raumzentriert, 4) bis 911 °C 

hdP = hexagonal dichteste Packung 5) bis 882 °C 

2) –9 nm = Nanometer, 1 nm = 10 m 

6) vom geometrisch regelmäßigen Aufbau abweichend (gestreckt). 

3) 9 GPa = Gigapascal., 1 GPa = 10 Pa = 1000 MPa 

7) siehe Seite 28, Bild 2 und 3 

27

28 

bus). Die jeweils zu einem Punkt 

gehörenden Metallionen sind au - 

ßerdem Teil der angrenzenden 

Elementarzellen, das bedeutet, sie 

ge hören nur zu einem Achtel zu 

jeder Elementarzelle. 

Die Gleichgewichtsabstände zwischen 

den Metallionen sind sehr 

stabil, sodass diese durch mechanische 

Einwirkung von außen 

kaum geändert werden können. 

Die Atomabstände (wie in Bild 1, 

Seite 27) werden als Gitter kon - 

stante bezeichnet und entsprechen 

hier geometrisch der Länge 

der Wür felkanten. Die Grö ße der 

Gitter konstanten beträgt für die 

Mehrzahl der Metalle 2,5 · 10 –10 m 

bis 5 · 10 –10 m. In Tabelle 1, Seite 

27, sind die Gitterkonstanten sowie 

einige weitere Kennwerte 

ausgewählter Gebrauchsmetalle 

zusammengestellt. 

2.4.2. Entwicklung von 

einfachen (primitiven) 

Kristallgittern 

Zur (geometrischen) Entwicklung 

von Kristallgittern genügt die Vorstellung, 

dass reine Metalle gleiche 

Metallionen besitzen, daher 

müssen auch deren Modelle, die 

Kugeln, gleich groß sein (Dalton’sches 

Atommodell). Der kürzeste 

Abstand zwischen zwei Kugeln 

und somit auch zwischen zwei 

Atomen bzw. Metallionen liegt 

dann vor, wenn diese sich be - 

rühren. Dies entspricht der Tat - 

sache, dass sich aufgrund des 

Gleichgewichts zwischen anziehenden 

und abstoßenden Kräften 

diese Atomabstände einstellen. 

Wie man aus Erfahrung weiß, 

kann man mit Kugeln ein Gefäß 

nicht vollständig füllen, es verbleiben 

Hohlräume zwischen den 

einzelnen Kugeln (Metallionen). 

Bereits in einer Ebene (Bild 1) sind 

zwischen vier Kreisen Lücken 

(nach dem Modell sind diese Kreise 

die Draufsicht einer Atomebe- 



Richtungen und Flächen in Kristallen 

Neben den Würfelkanten sind auch die Flächen- und Raumdiagonalen wichtige 

kristallographische Richtungen, darauf ergeben sich jedoch andere 

Atomabstände. Daher sind viele Eigenschaften auch richtungsabhängig, 

(Kapitel 2.7). Ebenso gibt es außer den Würfelflächen noch weitere kristallographisch 

bedeutsame Ebenen (vgl. Kapitel 2.8.2.2 Gleitsysteme), in denen 

sich eine andere Atomanordnung ergibt. 

Bild 1: Modelle von Atomebenen 

a) Quadratische Atomanordnung, b) Dreieckige Atomanordnung 

Bild 2: Kubisches Kristallsystem 

Bild 3: Hexagonales Kristallsystem

2.4 Gitteraufbau der Metalle 29 

ne mit vier dargestellten Atomen), wobei die Mittelpunkte der vier Kreise die Eckpunkte eines Quadrates 

bilden. In der sechseckigen Atomanordnung entsprechen drei Kreise den Ecken eines gleichseitigen Dreieckes 

(Bild 1b, Seite 28). Ordnet man zwei „Quadrate“ senkrecht über einander an, erhält man einen Würfel 

(Bild 2, Seite 28). Ersetzt man die Kugeln durch 

Atome, erhält man einen kubischen Kristallaufbau. 

Das hier gezeigte Kristallgitter wird als kubischprimitiv 

bezeichnet, da es im kubischen System 

noch andere Kristallgitter gibt (siehe unten). In Bild 

2, Seite 28, bedeuten a = Gitterkonstante (Kantenlänge 

des Wür fels) und R = Atom radius (Kugelradius). 

Ku bisch-primitive Kris talle haben keine praktische 

Bedeutung für metallische Werkstoffe, deren 

Modelle sind aber für das weitere Verständnis oft 

recht nützlich. 

Auch aus dem Modell der sechseckigen Atom - 

ordnung in Bild 3, Seite 28, kann ein weiteres 

Kristallsystem entwickelt werden. Werden zwei 

Sechsecke über einander gelegt, so entsteht ein 

sechsseitiges oder hexagonales Prisma. Im rechten 

Teil des Bildes sind wieder nur die Kugelmittelpunkte 

des Prismas, die hexagonale Elementarzel- Bild 1: Modell eines kubisch-primitiven Gitters 

le, gezeichnet. 

Außer dem kubischen und dem hexagonalen 

System gibt es noch fünf weitere Kristallsysteme 

(Anhang Tabelle A4: Elementarzellen der 14 Bravais-Gitter), 

die allerdings wegen der geringen Bedeutung 

für Metalle hier nicht besprochen werden. 

Die oben beschriebenen kubisch- primitiven und hexagonalen 

Kristallsysteme treten bei Metallen sehr 

selten auf. Begründen kann man dies u.a. mit der 

schlechten Raumerfüllung (Pa ckungs dichte) dieser 

Kris tallgitter. So beträgt der von Materie erfüllte 

Raum im kubisch-primitiven Gitter nur 52 % (Kapitel 

2.4.3.4). Es entsteht vor allem in der Mitte dieser 

Raumzelle eine Gitterlücke. Auch im hexagonalen 

Prisma (Bild 3, Seite 28) ist wegen der vielen Hohl- 

räume im Inneren der Elementarzelle die Raumerfüllung ungünstig. Eine schlechte Raum ausnutzung ist 

energetisch ungünstig, und es ist ein Naturgesetz, dass Elementarzellen möglichst einen Zustand niedriger 

Energie, also eine höhere Packungsdichte, zu erreichen versuchen. 

2.4.3 Kristallgitter von Metallen 

Bild 2: Entstehung einer stabileren kubischen Atom - 

anordnung 

Der Aufbau eines energetisch günstigeren Kristallgitters lässt sich mit Hilfe eines Baukastens gut 

demonstrieren. Es werden zweimal vier gleich große Kugeln zu je einem Quadrat zusammengesteckt und 

senkrecht übereinander gestapelt, so dass sich ein kubisch-primitives Gittermodell ergibt (Bild 1). 

2.4.3.1 Kubisch-flächen zentriertes Gitter (kfz) 

Die Anordnung der beiden (Kugel-)Quadrate senkrecht übereinander ist instabil, da schon durch eine geringe 

seitliche Kraft das obere Quadrat ver schoben wird. Die vier Kugeln nehmen dann eine neue, stabilere 

Lage ein, die durch eine Erweiterung der unteren Kugelebene von vier auf neun Kugeln besser zu 

demonstrieren ist (Bild 2). In der neuen Lage befinden sich die Kugeln der oberen Ebene jeweils senkrecht 

über den großen Lücken der unteren Ebene, die zwischen vier Kugeln (Schnittpunkt der Diagonalen) 

bestehen. Dabei verringert sich die Höhe (Abstand der beiden Ebenen), was auf eine bessere 

Raumausnutzung hinweist.

30 

Diese Gesetzmäßigkeit der Anordnung der Kugeln 

führt wieder zu einem Würfel, wenn die untere Würfelebene 

auf ein Quadrat aus fünf Kugeln reduziert 

wird, wobei sich auf den Flächendiagonalen jeweils 

drei Kugeln berühren. Darüber wird ein Quadrat aus 

vier Kugeln stabil über die Lücken gelegt und in einer 

dritten Ebene darüber wieder ein Quadrat aus 

fünf Kugeln wie unten (Bild 1). Der so entstandene 

Würfel besteht also aus 14 Kugeln und diese Anordnung 

der Kugeln (Atome) wird als kubischflächenzentriert 

(kfz) bezeichnet, denn im Zentrum 

jeder Würfelfläche befindet sich ein Metallion. Die 

Atome dieses Kristallgitters berühren sich nicht 

mehr auf den Würfelkanten, sondern auf den Diagonalen 

der Würfelflächen. 

Die Entstehung des kubisch-flächenzentrierten Kristallgitters 

aus dem primitiven kann auch so beschrieben 

werden, dass in alle (sechs) Lücken der 

Würfelflächenmitten eine gleich große Kugel eingefügt 

wird, sodass die Eckatome auseinander 

rücken müssen. Dies führt ebenfalls dazu, dass die 

Kugeln sich auf den Flächendiagonalen berühren. 

2.4.3.2 Hexagonales Gitter dichtes ter Kugelpackung 

(hdP) 

Auch das oben beschriebene sechsseitige Prisma 

ist instabil. Legt man zwischen die beiden Sechsecke 

ein Dreieck, so ergibt sich eine stabile Lage, 

sofern die Atome der mittleren Ebene (Dreieck) 

über den Lücken, gebildet von jeweils drei Kugeln 

der unteren Ebene, angeordnet sind (Bild 2). Das 

zweite Sechseck befindet sich dann in einer stabilen 

Lage genau senkrecht über der untersten Ebene. 

Dies lässt sich entsprechend mit Kugeln aus 

dem Baukasten demonstrieren. Die Höhe zwischen 

zwei Ebenen nimmt ebenso ab, die Raumerfüllung 

wird verbessert, das Modell ist mechanisch stabil. 

Das diesem Modell entsprechende Kristallgitter 

wird als hexagonal dichteste Kugelpackung (hdP) 

bezeichnet. 

2.4.3.3 Kubisch-raumzentriertes Gitter (krz) 

Im kubisch-primitiven Gitter ist, wie bereits erwähnt, 

in der Raummitte eine große Gitterlücke. 

Wenn nun in die Raummitte ein weiteres gleich 

großes Metallion eingebaut wird, so müssen alle 

übrigen ein klein wenig auseinander rücken. Die 

Atome berühren sich nicht mehr entlang den Würfelkanten, 

sondern auf den Raumdiagonalen (Bild 

3). Auf diese Weise entsteht ein kubisch-raumzentriertes 

Kristallgitter (krz), das ebenfalls zahlreiche 

Gitterlücken enthält, beispielsweise auf den Würfelkanten, 

wobei die Lücken nicht von Materie ausgefüllt 

sind. 


Bild 1: Modell eines kubisch-flächenzentrierten Gitters 

Bild 2: Modell einer hexagonal dichtesten Kugel - 

packung 

Bild 3: Modell eines kubisch-raumzentrierten Gitters


2.4.3.4 Packungsdichte der 

Kristallgitter 

Mit Packungsdichte (P) oder Raum - 

erfüllung (RE) bezeichnet man das 

von Materie ausgefüllte Volumen 

bezogen auf das Gesamtvolumen 

der Elementarzelle. 

Die Raumerfüllung im kubischflächenzentrierten 

Gitter und in 

der hexagonal dichtesten Kugel - 

pa ckung beträgt 74%, im kubischraumzentrierten 

Gitter 68%. Eine 

bessere Raumausnutzung als 74% 

ist bei gleich großen Kugeln oder 

Atomen nicht möglich. Auch das 

kubisch-flächenzentrierte Gitter 

wird daher häufig als dichteste 

Kugelpackung bezeichnet. Die un - 

günstige Raumerfüllung im kubisch-raumzentrierten 

Gitter beruht 

vor allem darauf, dass die 

Zahl der Gitterlücken größer ist 

als in den beiden anderen Gittern. 

Die kubisch-primitive Elementarzelle 

enthält acht Atome auf den 

Ecken eines Würfels. Jedes Eck - 

atom gehört jedoch zu acht verschiedenen Elementarzellen, sodass nur 1 Bild 1: Elementarzelle des kubisch-raumzentrierten Gitters 

Bild 2: Elementarzelle des kubisch-flächenzentrierten Gitters 

⁄ 8 seines Volumens zu einer Elementarzelle 

gehört. Die Anzahl der (vollständigen) Metall ionen pro Elementarzelle beträgt demnach: 

1 

n = 8 · –– = 1 (Anzahl der Metallionen im kubisch-primitiven Gitter) 

8 

Die kubisch-raumzentrierte Elementarzelle besitzt ebenfalls acht Metallionen an den Würfelecken, die zu 

1 

⁄8 ihres Volumens zur Elementarzelle gehören. Zusätzlich befindet sich noch ein Metallion im Zentrum. Die 

Anzahl der Metallionen pro Elementarzelle beträgt dementsprechend: 

1 

n = 8 · –– + 1 = 2 (Anzahl der Metallionen im krz-Gitter) 

8 

Im kubisch-flächenzentrierten Gitter (Bild 2) ergibt sich auf analoge Weise: 

1 1 

n = 8 · –– + 6 · –– = 4 (Anzahl der Metallionen im kfz-Gitter) 

8 2 

Die Packungsdichte P wird berechnet, indem man das Produkt aus Atomvolumen V A und Anzahl der Atome 

pro Elementarzelle n durch das Volumen der Elementarzelle V Z dividiert : 

n ·V A 

P = –––––– mit VA =–– · p · R 3 und VZ = a3 VZ 4 

3 

Für das kubisch-primitive Gitter ergibt sich dann mit n = 1 und a = 2R (Atome berühren sich auf der Würfel 

kante): 

4 

· p · R 3 · p · R 3 p 

P = ––––––––– = ––––––––– = –– ≈ 52 % 

a3 (2 R) 3 3 

3 

6 

Für das kubisch-raumzentrierte Git ter folgt mit n = 2 und a = 4 R/ 3 (Atome berühren sich auf der Raumdiagonalen): 

P ≈ 68 % 

4 

31

32 

Für das kubisch-flächenzentrierte Gitter folgt mit 

n = 4 und a = 4 R/ 2 (Atome berühren sich auf der 

Flächendiagonalen): 

P ≈ 74 % 

Wie auf den Bildern 1 und 2, Seite 31, zu erkennen 

ist, sind auf den Würfelkanten der beiden kubischen 

Gitter Lücken vorhanden. Der Durchmesser d L dieser 

Gitterlücken beträgt zwar formelmäßig in bei - 

den Gittern d L = a – 2 R, die Berechnung der relativen 

Größe ergibt aber große Unterschiede: 

Für das kubisch-raumzentrierte Gitter ergibt sich 

mit a = 4 R/ 3: 

4 R 

d L = a – 2 R = –––– – 2 R = 0,309 R 

3 

Für das kubisch-flächenzentrierte Gitter folgt hingegen 

mit a = 4 R/ 2 : 

4 R 

d L = a – 2 R = –––– – 2 R = 0,828 R 

2 


Die unterschiedliche Größe der Gitterlücken hat bedeutende Auswirkungen auf die Löslichkeit von Fremd 

atomen. So kristallisiert beispielsweise reines Eisen bei nie drigen Temperaturen krz und bei hohen Tempe 

raturen kfz. Die größere Gitterlücke im kubisch-flächenzentrierten Gitter ist der Hauptgrund für die erheblich 

bessere Löslichkeit von Kohlenstoff im kubisch-flächenzentrierten g-Eisen (Austenit) (Kapitel 

6.2.1.1). 

In Tabelle 1 sind die wichtigsten Metalle der drei Gittertypen zusammengestellt. Über 80 % aller Metalle 

kristallisieren entweder kfz, krz oder in Form von hexagonal dichtester Kugelpackung (hdP). 

Tabelle 1: Kristallgitter der wichtigsten Metalle 

Kubisch-flächenzentriert (kfz) Kubisch-raumzentriert (krz) 

Ag, Al, Au, Ca, a-Co, Cu, g-Fe, Ni, 

Pb, Pd, Pt 

Ba, Cr, a-Fe, K, Li, Mo, Nb, Ta, 

b-Ti, V, W 

2.4.3.5 Vergleich von kubisch-flächenzentriertem 

Gitter und hexagonal dichtester 

Kugelpackung 

Bild 1: Entfernung eines Eckatoms im kubischflächenzentrierten 

Gitter; Sichtbarmachung 

einer Oktaederebene 

Hexagonal dichteste 

Kugelpackung (hdP) 

Be, Cd, Mg, Re, a-Ti, Zn 

Die Packungsdichte P der hexagonal dichtesten 

Kugelpackung ist mit 74% genauso groß wie die 

Packungsdichte der kfz-Kristalle. Die gleiche Raum - 

ausnutzung beider Kristallgitter lässt vermuten, 

dass diese Kristallgitter ähnlich aufgebaut sind. 

Dies lässt sich besonders gut zeigen, wenn man 

beim kubisch-flächenzentrierten Gitter ein Eckatom 

der Elementarzelle entfernt (Bild 1). Dann wird eine 

Oktaederebene sichtbar, die von den Atomen 

aus den drei sichtbaren Flächendiagonalen gebildet 

wird. Die Oktaederflächen des kubisch-flächenzentrierten 

Gitters sind genauso aufgebaut wie die 

Basisflächen des hexa gonalen Kristall gitters. Bild 2: Anordnung von Atomen und Lücken in Basis- und 

Oktaederebenen (schematisch)

166 


Als Eisenwerkstoffe bezeichnet man alle Stahlsor - 

ten einschließlich Stahlguss sowie die Gusseisen - 

werkstoffe. 

6.1 Reines Eisen 

Eisen ist mit einem Anteil von etwa 5,1 % in der Erd - 

kruste das nach Alu minium (7,5 %) am häufigsten 

vorkommende Metall (Bild 1). Rei nes Eisen ist sehr 

weich und daher als Konstruktionswerkstoff für 

technische Bauteile nicht verwendbar. Es wird je - 

doch in großem Um fang in der Elektrotechnik zur 

Herstellung von Blechpaketen für Joche, Polschuhe, 

Ständer und Rotorkörper verarbeitet. Bild 2 zeigt 

ein Schliffbild von rei nem Eisen. In Tabelle 1 sind 

ausgewählte Kennwerte von reinem Eisen zu - 

sammengestellt. 

Eisen ist ein polymor phes Metall (Bild 2, Seite 167). 

Es kristallisiert in Ab hängigkeit von der Tempera tur 

(und vom Druck) in unterschied li chen Kristall gittern. 

Bei Er wärmung oder Ab kühlung finden bei be - 

stimmten Temperaturen Git ter umwand lun gen statt. 

Bei Temperaturen unter 911 °C besitzt das reine 

Eisen ein ku bisch-raum zentriertes Kristallgit ter 

(�-Ei sen). Zwischen 911 °C und 1392 °C liegt eine 

ku bisch-flä chenzen trier te Gitterstruktur vor (�-Ei - 

sen). Ober halb von 1392 °C bis zum Schmelzpunkt 

bei 1536 °C beobachtet man wiederum ein kubischraumzentriertes 

Kristall gitter (�-Ei sen). Die Git ter - 

konstante ist im d-Ei sen mit a = 2,932 · 10 –10 m (bei 

1392 °C) al lerdings et was grö ßer als im a-Ei sen 

(a = 2,867 · 10 –10 m bei 20 °C) (Tabelle 1). Das kfz- 

Gitter ist dichter gepackt (Kapitel 2.4.3.4). Die Umwandlung 

des a-Eisens zu g-Eisen führt da mit zu 

einer Volumenkontraktion, die mit Hilfe eines Dila - 

trometers (Längenmessgerät) als Längen ände rung 

nachweisbar wird (Bild 1, Seite 167). Diese Modi - 

fikati ons wechsel sind für Bauteile aus reinem Eisen 

un er wünscht. Bei Erwärmung bildet sich auf der 

Bau tei loberfläche eine Oxidschicht (Zunder), die 

durch ei nen fortwährenden Modifikationswechsel 

ge lockert wird und schließlich abplatzt. Das Bauteil 

erleidet ei nen zunehmenden Masseverlust. Reines 

Eisen ist daher nicht hitzebeständig. 

Bild 2, Seite 167, zeigt die Ab küh lungs- und Erwär - 

mungs kurve von reinem Ei sen so wie die zum jewei - 

ligen Tem pera turintervall gehö rende Gitter struktur. 

Bei der Er starrungstemperatur von 1536 °C geht das 

Eisen unter Bildung eines ku bisch-raumzentrierten 


Bild 1: Anteile der wichtigsten Elemente in der Erdkruste 

Bild 2: Gefügebild von reinem Eisen 

Tabelle 1: Ausgewählte Kennwerte von reinem 

Eisen 

Atomare Daten 

Ordnungszahl 

Atommasse 

Atomdurchmesser 

Kristallgittertyp 1) 

Physikalische Kennwerte (20 °C) 

Dichte r 

Schmelztemperatur h S 

Wärmedehnung a 

Wärmeleitfähigkeit l 

Elektr. Leitfähigkeit k 

Mechanische Kennwerte 2) 

Zugfestigkeit R m 

Dehngrenze R p0,2 

Bruchdehnung A 

Elastizitätsmodul E 

26 

55,85 u 

2,483 · 10 –10 m 

a-Fe (< 911 °C): krz 

g-Fe (911 ... 1392 °C): kfz 

d-Fe (1392 ... 1536 °C): krz 

7,86 kg/dm 3 

1536 °C 

12 · 10 –6 1/K (bei 20 °C) 

80,3 W/(m · K) 

10,3 m/(O · mm 2 ) 

200 ... 300 MPa 

50 ... 120 MPa 

40 ... 50 % 

197 GPa 

1) krz = kubisch-raumzentriert; kfz = kubisch-flächenzentriert 

2) Die Kennwerte sind von der chemischen Zusammensetzung (Reinheit) 

sowie vom Gefügezustand (z. B. geglüht, kaltverfe stigt, usw.) abhängig. 

Die Angaben sind daher als Orientie rungswerte zu verstehen. 

Tabelle 2: Modifikationen des Eisens 

Bezeichnung Beständig- Gitter- Gitterder 

Modifikation keit konstante 1) typ 

°C 10 –10 m 

a-Eisen (a-Fe) < 911 2,867 krz 

g-Eisen (g-Fe) 911 ... 1392 3,646 kfz 

d-Eisen (d-Fe) 1392 ... 1536 2,932 krz 

1) Für a-Fe bei 20 °C, für g-Fe bei 911 °C und für d-Fe bei 1392 °C

6.1 Reines Eisen 167 

Kri stallgitters (krz) vom flüssigen in den fe sten Ag - 

gre gatzu stand über (d-Eisen). Die dabei frei wer - 

dende Kri stallisationswärme wird als Halte punkt in 

der Ab kühl kurve sichtbar. Die Länge der Haltepunkte 

gibt dabei einen Hinweis auf den Betrag der frei 

werden den bzw. aufgenommenen Wärme menge. 

Bei weiterer Abkühlung wandelt sich das kubischraumzentrierte 

Kristallgit ter des d-Eisens bei einer 

Tempe ratur von 1392 °C in das kubisch-flä chenzen - 

trierte Kristallgit ter (kfz) des g-Ei sens um. Da bei 

dieser Umgitte rung ebenfalls Wärme frei wird, tritt 

ein weiterer, mit Ar 4 bezeichne ter Haltepunkt in Er - 

scheinung. Bei einer Temperatur von 911 °C wandelt 

sich das kubisch-flächen zen trierte Kri stall gitter 

des g-Ei sens in das kubisch-raumzen trierte Kris tall - 

git ter des a-Ei sens um. Die dabei frei werdende 

Bild 1: Ausdehnungsverhalten von reinem Eisen 

bei Erwärmung 

Wärme macht sich eben falls wie der als Haltepunkt (Ar 3) in der Ab küh lungskurve be merkbar. Am vierten 

Haltepunkt (Ar 2) bei 769 °C (Curietemperatur) findet keine Gitter um wand lung statt. Hier wird das bislang 

ferromagneti sche Eisen unmagnetisch (paramagne tisch). 

Die Unter scheidung in a-Eisen (< 769 °C) und b-Eisen (769 °C ... 911 °C) ist historisch bedingt und geht auf 

eine Zeit zurück, als noch nicht bekannt war, dass sich das ferro- und paramagnetische Eisen in ihren übri - 

gen Eigen schaften nicht un terscheiden. Heute wird bis 911 °C die Bezeichnung a-Eisen ver wendet. Die frei 

wer dende Wärme ent stammt Verände run gen in der Elektronen hülle. Der Halte punkt Ar 4 ist jedoch nur wenig 

ausgeprägt, da relativ wenig Wärme frei wird. Bei einer Erwärmung laufen die beschriebe nen Vorgänge 

in um gekehrter Rei hen folge ab. 

Die Umwandlungstemperaturen sind keine Materialkonstanten, sondern hängen vielmehr von der 

Geschwindigkeit der Temperaturänderung ab. Die angegebenen Werte gelten nur für das thermodynamische 

Gleichgewicht, also für unendlich langsame Abkühlung bzw. Erwärmung. Schnellere Tempe ratur - 

änderun gen verschieben diese Umwandlungstemperaturen (Kapitel 6.4.4.13). In der älteren Literatur finden 

sich daher häufig abweichende Werte. 

Bild 2: Abkühlungs- und Erwärmungskurven sowie Haltepunkte des reinen Eisens

6.2 Eisen-Kohlenstoff-Legierungen 169 

ße der verfügbaren Gitterlücken ergeben sich unter schiedli che Löslich - 

keiten (Kapitel 2.4.3.4), die für eine Reihe von Wärme be hand lungs ver - 

fahren des Stahls eine sehr große Rolle spie len (Kapitel 6.4). 

Gitterlücken im �- und �-Eisen 

Das kubisch-raumzentrierte a-Ei sen bzw. d-Eisen weist zwei Typen 

von Zwischengitterplätzen auf, in die kleinere Atome wie H, B, C oder 

N eingelagert werden können. Die größere Lücke im krz-Gitter be - 

findet sich an der Würfeloberfläche im Innern eines aus vier Eisen - 

atomen gebildeten unregelmäßigen Te traeders (Bild 1, oberes Teil - 

bild), den Te traeder lücken. Der Abstand zu den vier nächstgelegenen 

Gitteratomen beträgt jeweils a · 15 /4 (0,559·a), wo bei a die Gitter kon - 

stante ist (bei a-Eisen: a = 2,867 · 10 –10 m = 0,2867 nm bei 20 °C). Die 

zweite, kleinere Gitterlücke, befindet sich in der Mitte eines unsym - 

me tri schen (eingedrückten) Ok taeders bzw. geometrisch gleichwertig 

auf den Mitten der Wür felkanten (Bild 1, unteres Teilbild), den 

Oktaeder lücken. Der Abstand zu den nächsten Gitteratomen ist nur 

in eine Richtung minimal (Abstand a/2). In die beiden anderen Richtun 

gen beträgt er a/12 (= 0,707 · a). 

In die Oktaederlücke eines kubisch-raumzentrierten Kristallgitters 

kann ein Fremdatom nur bis zu einem maximalen Durchmesser von 

d Okrz= d · (2/13 – 1) = 0,155 · d (mit d = Durchmesser des Gitteratoms), 

im Falle des a-Eisens also bis zu d O krz = 0,038 nm (bei 20 °C) eingelagert 

werden, ohne das Gitter zu verzerren. Die Tetraederlücke hingegen 

erlaubt, im Falle des a-Eisens, die Einlagerung eines Fremdatoms 

bis zu einem maximalen Durchmesser von d T krz = 0,065 nm (bei 20 °C). 

Den noch werden im krz-Gitter vorzugsweise die Oktaederlüc ken von 

den einzulagernden Fremdato men (z. B. vom Kohlenstoff) be setzt. 

Die Ursache ist darin zu sehen, dass die Einlage rungsatome, deren 

Atom durchmesser stets etwas größer ist als die Lücke selbst (Kohlen - 

stoff: d C = 0,155 nm, Bor: d B = 0,159 nm, Wasser stoff: d H = 0,074 nm, 

Stick stoff: d N = 0,140 nm), die am nächsten lie gen den Gitteratome zur 

Seite schieben müs sen, das Kri stallgitter also verzerren. Auf den Oktaeder 

plätzen müssen nur zwei Atome im nächsten Ab stand (und vier 

zweit nächste Nachbarn in größerem Ab stand) ver schoben wer den, 

auf den Tetraederplät zen hingegen vier Gitteratome in gleichem Abstand. 

Die interstitielle Einla gerung auf Ok taederplätzen führt daher 

zu einer ins gesamt geringeren Gitter verzer rung, da nur zwei Gittera - 

tome eine nennenswerte Lage verschiebung erlei den. Dies ist im Falle 

des a-Ei sens die Erklärung, weshalb Kohlenstoff in die kleine ren Ok - 

taeder lücken und nicht in die größeren Tetraeder lücken einge lagert 

wird. 

Gitterlücken im g-Eisen 

Das kubisch-flächenzentrierte Kristallgitter weist eben falls Oktaederund 

Tetraederlücken zur Einla gerung kleinerer Fremdatome auf 

(Bild 2). In die Ok taederlücke lassen sich Fremdatome bis zu ei nem 

ma ximalen Durchmesser von dO kfz = d · (2/12 – 1) = 0,414 · d, im Falle 

des g-Eisen also etwa bis zu dO kfz = 0,103 nm einlagern. In die Tetraederlücke 

können Fremdatome hinge gen nur bis zu einem maximalen 

Durchmesser von dT kfz = 0,058 nm eingelagert werden, ohne das 

Kristallgitter zu ver zerren. Die Einla gerung kleine rer Fremdatome in 

das kfz-Gitter des g-Eisens erfolgt daher mit Aus nahme des Wasser - 

stoffs stets auf Oktaederplätzen. 

Bild 1: Tetraeder- und Oktaederlücken 

im krz-Kristallgitter 

Bild 2: Tetraeder- und Oktaederlücken 

im kfz-Kristallgitter

236 

Die Nacharbeit eines gehärteten Werkstücks ist mit 

hohen Kosten verbunden, da ein mar ten siti sches 

Ge füge in der Regel nur noch durch Schleifen bear - 

beitet wer den kann. Eine wirt schaftli che Fertigung 

verlangt daher ein verzugsarmes Härten. Dies kann 

auf un terschiedli che Weise erreicht werden: 

1. Verwendung von legierten Stählen in Verbindung 

mit milden Abschreckmitteln (Kapi tel 6.4.4.6). 

2. Richtiges Eintauchen des Werkstücks sowie rich - 

tiges Bewegen in der Abschreckflüssigkeit. Auf die - 

se Weise kann eine rasche Ablösung der Dampf - 

blasen auf der Werkstück ober fläche er reicht 

wer den (Bild 1, Seite 237). Anhaf tende Dampf bla - 

sen wirken wär me däm mend und ver hindern dadurch 

eine gleich mä ßige Abküh lung. Für das richtige 

Eintau chen in die Ab schreckflüs sigkeit gelten 

die folgenden Regeln (Bild 2): 

� Stabförmige Bauteile in Längsrichtung eintau - 

chen, 

� Werkstücke mit dem größten Quer schnitt vor 

aus eintauchen, 

� Werkstücke mit Grundbohrungen müs sen mit 

der Öffnung nach oben einge taucht wer den, 

damit die Dampfblasen entweichen können, 

� flache Werkstücke werden mit der schmalen 

Seite voraus eingetaucht. 

Bild 1: Entstehung von Härterissen 


3. Wahl eines geeigneten Härteverfahrens: 

Beim normalen Härten (auch als konti nu ierli ches 

Härten, einfa ches Härten oder direk tes Härten 

be zeichnet) wird das Werkstück aus der Ab - 

schreck temperatur kon tinuier lich ab ge kühlt (Bild 

3a). Da bei können ins be son dere bei ho hen Ab - 

kühl ge schwindigkeiten durch einen un voll stän - 

digen Tempe ra tur aus gleich zwi schen Rand und 

Bild 2: Richtiges Eintauchen beim Abschrecken 

Kern des Werk stücks Wärme span nungen und 

damit Verfor mungen oder gar Risse (Härte risse) 

auf treten. Mit die sem Verfahren sollen da her nur geo metrisch ein fa che Werkstücke gehär tet werden 

bzw. es muss auf le gierte Stähle zu rückge grif fen wer den, da bei diesen Stählen die not wendige Ab - 

kühlge schwin digkeit zur Martensitbildung niedri ger ist. 

Bild 3: Temperatur-Zeit-Verlauf unterschiedlicher Härteverfahren

6.4 Wärmebehandlung der Stähle 237 

Beim gebrochenen Härten wird der Stahl zuerst schroff (meist in Wasser) ab ge schreckt. Nach Er rei chen 

einer bestimm ten Abfangtemperatur (etwa 300°C bis 400°C) wird das Werk stück ent nommen und in Öl 

weiter bis auf Raum temperatur abge kühlt (Bild 3b, Seite 236). Das gebrochene Härten ver bindet die Vorteile 

des schnel len Abküh lens (führt zu mehr oder weniger voll ständiger Mar ten sitbil dung) mit einer geringen 

Ver zugs- und Rissnei gung, da unterhalb der Abfangtemperatur lang sam abge kühlt wird und damit 

ein besse rer Tempera tur aus gleich zwi schen Rand und Kern stattfinden kann. 

Beim Warmbadhärten, auch als iso thermes Härten bezeichnet, wird der Stahl zunächst in einem Warmbad 

(Warmbadhärteöle, Salz- oder Metallschmelzen, Wirbelbetten), des sen Tempera tur ge ring fügig 

über der Temperatur des Mar tensit-Startpunk tes (M S-Tem pera tur) liegt, abge schreckt. Nach ei ner gewis 

sen Haltezeit auf Bad tem peratur, die dem Tem peratur ausgleich zwischen Rand und Kern des Werk - 

stücks dient, er folgt die mit einer Martensitbil dung verbun dene wei tere Abküh lung an ru hender Luft 

oder in Öl bis auf Raum temperatur (Bild 3c, Seite 236). Für das Warmbadhärten sind in der Regel nur 

Werkstücke mit kleinen Quer schnitten geeignet, 

da das Warm bad dem Werk stück die Wärme we - 

sent lich langsamer ent zieht als bei spiels weise Öl 

oder Wasser. 

6.4.4.12 Abschrecken und Abschreckmittel 

Nach dem Austenitisieren und einem zweck ent - 

spre chenden kurzen Halten wird das Werk stück mit 

ei ner für die geforderte Härtung entsprechenden 

Ge schwindigkeit abgekühlt. Die Abkühlung muss 

dabei so erfolgen, dass die Perlit- und Bainitbildung 

unter drückt wird und eine weitgehende Umwandlung 

des Austenits in der Martensitstufe erfolgt. 

Hier zu muss die Abkühlgeschwindigkeit in den betreffenden 

Be reichen des Werk stücks größer sein 

als die obere kritische Abkühlgeschwindigkeit (Kapitel 

6.4.4.6). Er folgt die Abkühlung schneller als an 

ruhender Luft, dann spricht man nach DIN EN 10052 

von Ab schrecken. 

Die am häufigsten verwendeten flüs sigen Ab - 

schreck mittel (z.B. Was ser oder Öl) ent ziehen dem 

Bau teil die Wärme nicht gleich mä ßig. In flüssigen 

Ab schreckmitteln, de ren Siede temperatur unterhalb 

der Härte tempe ratur liegt, läuft der Abkühl vor - 

gang in drei Phasen ab (Bild 1): 

1. Dampfhautphase: Unmittelbar nach dem Eintau - 

chen bildet sich auf der Werk stücko berflä che ein 

wärme isolierender Dampf man tel (Leidenfrost- 

Phänomen). Die Ab kühlwir kung ist dement spre - 

chend ge ring, 

2. Kochphase, 

3. Konvektionsphase. 

Bild 2 zeigt, dass mit der Wahl des Ab schreck - 

mit tels der Tempe raturbe reich der drei Ab kühl - 

phasen (Bild 1), insbeson dere die Lage der maximalen 

Abschreckge schwindigkeit, festge legt wird. 

Mit Hilfe der verfügbaren Abschreckmittel (s.u.) 

können Ab schreck geschwindigkeiten im Be reich 

von etwa 2 K/s bis zu 3000 K/s na hezu be lie big ein - 

ge stellt werden. Das optimale Ab schreckmit tel sollte 

bei Temperatu ren im Be reich der Perlitstufe (etwa 

Bild 1: Abkühlphasen in flüssigen Abschreckmitteln 

Bild 2: Vergleich der Abschreckwirkung flüssiger 

Abschreckmittel


Kontinuierliche ZTA-Diagramme untereutektoider Stähle 

Die kontinuierlichen ZTA-Diagramme geben Aufschluss über den Ablauf des Austenitisierens bei schneller 

Er wärmung und unmittelbar anschließender Abkühlung (z. B. Erwärmung mittels Brenngas-Sauerstoff- 

Flamme, induktives Erwärmen, Erwärmung mittels Laser- oder Elektronenstrahl, Schweißen usw.) und 

stellen damit die Grundlage für die Ermittlung der optimalen Austenitisierungstemperatur, Abschreckhärte 

und Austenitkorngröße unter diesen Bedingungen dar. Man unterscheidet aufgrund der unterschiedlichen 

Tem peraturbereiche für das Austenitisieren ZTA-Diagramme für unter- und übereutektoide Stähle. Analog 

den kontinuierlichen ZTU-Diagrammen werden die konti nuier lichen ZTA-Dia gramme stets längs den 

(steil verlaufen den) Linien kon stanter Erwärmungs ge schwindigkeit gele sen. 

Die Austenitbildung der untereu tektoi den Stähle (Bild 1) beginnt nach Überschreiten der Ac 1b-Um wand - 

lungstemperatur. Nach ei ner Inkubationszeit entstehen Austenit keime an der Grenzfläche zwischen Ferrit 

und Carbid (Bild 1, Teilbild 1) . Der Austenit keim enthält dabei mehr Kohlenstoff als das ursprüng liche Ferritgitter, 

da im a-Ei sen be kanntlich 

weniger als 0,00001 % Kohlen stoff 

löslich ist. Das Wachsen der Austenit 

keime in die umge bende ferriti 

sche Matrix, die weitere a-g-Um - 

wandlung also, erfordert, dass die 

notwendige Koh lenstoff menge 

durch Diffusion an die Wachstumsfront 

des Aus tenit keims ge - 

bracht wird (Bild 1, Teilbild 2). Die 

Austenitbildung beginnt da her zu - 

nächst dort, wo Ferrit und Carbide 

dicht beieinander liegen, die Dif - 

fusi ons wege also kurz sind. Bei einer 

Erwärmung findet deshalb zu - 

erst die Umwandlung des Perlits 

statt. Da die Austenit keimbildung 

an vielen Stellen gleich zeitig beginnt, 

entsteht ein fein körni ges, 

austeniti sches Gefüge. 

Mit Erreichen von Ac 1e ist (definiti - 

onsgemäß) die Carbidauflösung 

abgeschlossen bzw. sind Carbide 

metallo graphisch nicht mehr 

nach weisbar und das Gefüge besteht 

nur noch aus Ferrit und Austenit. 

Da die Carbi dauflösung etwa 

die 100fache Zeit verglichen mit 

der Ferritum wandlung benötigt 

und zu dem viele legierte Stähle 

Carbid bildende Legierungselemente 

wie Mn, Cr usw. (z. B. 34Cr- 

Mo4, 15CrNi6) enthalten, weisen 

die Gefüge einer Reihe von 

Stählen auch oberhalb von Ac 1e 

noch Car bide im Gefüge auf. Erst 

oberhalb von Ac 3 sind die Carbide 

dann me tallographisch nicht mehr 

nach weisbar. In der Literatur sind 

dann zwei ver schiedene Dar stel - 

lungsar ten üblich. Entweder wird 

die Linie Ac 1e nicht mehr einge- 

Bild 1: Kontinuierliches ZTA-Diagramm mit Veränderungen im Gefüge 

während der Erwärmung (Stahl 34CrMo4)


las sempfindlichen Stahl sorten die 500 °C-Ver sprödung, die auch als An lass ver sprödung be zeichnet wird, 

auf. Gefährdet sind insbesondere Cr-, Mn-, CrMn- und Cr-Ni-Stäh le ohne einen be stimm ten Zusatz an Mo - 

lybdän, sofern sie im Gebiet der 500 °C-Versprödung angelassen werden oder bei Abküh lung dieses Gebiet 

langsam durchlaufen. 

Auch die 500 °C-Versprödung macht sich in ei ner deutlichen Verrin ge rung der Zähigkeit so wie in einer Ver - 

schiebung der Über gangstempe ratur der Kerbschlagarbeit zu hö heren Temperatu ren be merk bar. Die übri - 

gen Kenn werte wie Zugfestigkeit, Dehn grenze oder Bruch deh nung zei gen hingegen keine Unste tigkeiten. 

Als maßgebliche Ursache für die 500°C- oder An lassversprödung wird angenommen, dass Phosphor, 

Schwefel oder Spurenele mente wie Antimon, Arsen und Zinn zu den Korn grenzen diffundieren, sich dort 

an rei chern und zu einer Herabsetzung der Ko häsi onskräfte führen. So können bereits Phos phor gehalte 

von 0,008 % die Neigung zur Anlass ver sprödung deutlich erhöhen. 

Die Anlassversprödung kann durch die folgenden Maßnahmen gemildert bzw. vermieden werden: 

� Erhöhung des metallurgischen Reinheitsgrades, d.h. geringere Konzentration der schädlichen Ele mente. 

� Le gieren mit Molybdän. Molybdän bindet den Phos phor und behindert die Dif fusion der schädlichen 

Ele mente zu den Korngrenzen. Bei Gehalten zwischen 0,2% bis 0,6% (und teilweise auch höher) kann 

die Anlassver sprödung vollständig unterdrückt werden. Vergütungsstähle, die auf höhere Tempera - 

turen an ge lassen werden, enthalten daher häufig Molybdängehalte zwischen 0,4% bis über 1% (z.B. 

42CrMo4). 

� Abschrecken nach dem Anlassen in Öl oder Wasser, so dass für die Diffusion des Phosphors und ande - 

rer versprödend wirkender Elemente im kritischen Temperaturbereich keine Zeit zur Verfügung steht. 

Bei großen Vergü tungsquerschnitten reicht allerdings die Abkühlgeschwindigkeit im Kern nicht mehr 

aus, um die Anlass versprödung 

zu unterdrücken. Außerdem besteht 

die Gefahr der Entstehung 

von Eigenspan nungen. In diesen 

Fällen ist auf molybdänle - 

gierte Stähle wie z.B. 42CrMo4 

zu rückzugreifen. 

� Kornverfeinerung (z.B. Legierungen 

mit Alumi nium) wirkt 

der Anlassversprödung entgegen, 

da mit zu nehmender Feinkörnigkeit 

die Kornober fläche 

er höht und damit die Anreicherung 

vermindert wird. 

Da die Anlassversprödung reversibel 

ist, kann sie durch eine Glü hung 

bei Tem pera turen über 650°C und 

eine anschließende schnelle Ab - 

kühlung im kriti schen Tempe ra - 

turbe reich wieder beseitigt wer den. 

6.4.5.4 Vergüten 

Vergüten ist ein kombiniertes Wär - 

me behand lungs verfahren aus Här - 

ten mit nachfol gen dem Anlassen 

auf hö here Tem peraturen (4. An - 

lass stufe zwi schen etwa 450°C bis 

650°C). Die An lass dauer beträgt in 

der Regel 1 h bis 3 h. Bild 1 zeigt 

den Tempe ratur-Zeit-Verlauf wäh - 

rend des Ver gütens. Bild 1: Temperatur-Zeit-Verlauf beim Vergüten sowie typische Gefügebilder

304 

lassen sich durch Streck- und Tiefziehen gut verformen 

und erfahren durch das automobiltypische 

Lackeinbrennen nach der plastischen Verformung 

eine Erhöhung der Streckgrenze (Bild 2, Seite 303). 

Bei dieser als „Bake-Hardening“ bezeichneten speziellen 

Form der Festigkeitssteigerung diffundieren 

Kohlenstoffatome zu den Versetzungen und blo - 

ckieren diese (Alterungsverfestigung). 

Der Bake-Hardening-Effekt wird nicht nur bei den 

namensgleichen Stählen genutzt, sondern verleiht 

auch den mehrphasigen Stählen (s. u.) eine zusätzliche 

Festigkeitssteigerung. 

6.5.14.4 IF-Stähle 

IF-Stähle (IF = Interstitial Free) besitzen ein rein ferritisches 

Gefüge ohne interstitiell (auf Zwischengitterplätzen) 

gelöste Kohlenstoff- oder Stickstoffatome. 

Das Gefüge dieser Stähle besteht daher praktisch 

ausschließlich aus Ferrit (Bild 1). Die Abbindung von 

Kohlenstoff und Stickstoff erfolgt in der Regel durch 

Titan oder Niob. Aufgrund ihres Gefügeaufbaus besitzen 

die IF-Stähle eine niedrige Streckgrenze und 

daher eine extrem gute Umformbarkeit bei dennoch 

hoher Zugfestigkeit (starke Kaltverfestigung), Bild 1, 

Seite 305. 

Bild 1: Ferritisches Gefüge eines IF-Stahls 


6.5.14.5 Dualphasen-Stähle (DP-Stähle) 

Dualphasenstähle (DP-Stähle) sind untereutektoide 

Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,02 % ... 

Bild 2: Gefüge eines Dualphasenstahles (DP600) 

0,1 %. Das Gefüge der Dualphasenstähle besteht 

aus einer ferritischen Grundmasse in die kleine Martensitinseln meist an den Tripelpunkten des Ferrits (10 

Vol.-% ... 30 Vol.-%) gleichmäßig eingelagert sind (Bild 2). Die Martensitinseln haben zueinander keine Verbindung 

(keine netzartige Anordnung), da sonst die Verformbarkeit des Stahles herabgesetzt wäre. Neben 

Ferrit und Martensit können Dualphasenstähle außerdem noch geringe Mengen an Bainit und ggf. Restaustenit 

aufweisen. 

Die Gefügeeinstellung der Dualphasenstähle erfolgt durch eine Glühung (Glühtemperatur hDP) im Zweiphasengebiet 

Austenit und Ferrit (zwischen A1 und A3) mit anschließendem Abschrecken. Dabei wandelt 

sich der Austenit in Martensit und ggf. Bainit um, während der Ferrit unbeeinflusst bleibt (Bild 3). 

Die mechanischen Eigenschaften 

der Dualphasenstähle können einerseits 

über die Glühtemperatur 

(hDP) und damit die Menge an Aus - 

tenit vor dem Abschrecken (Hebelgesetz) 

sowie über die Legierungs - 

zusammensetzung ein gestellt 

werden. Je höher die Glühtemperatur 

(zwischen A1 und A3), umso 

höher der Anteil Austenit vor und 

damit auch der Martensitanteil 

nach dem Abschrecken. Die Zugfestigkeiten 

der Dualphasenstähle 

lassen sich somit zwischen etwa 

400 MPa und 1000 MPa variieren. Bild 3: Einstellung des Dualphasengefüges

6.5 Eigenschaften und Verwendung von Stählen 305 

Die Bruchdehnungen der Dualphasenstähle sind 

mit 20 % ... 40 % mit denen der unlegierten Stähle 

niedriger Festigkeit vergleichbar, jedoch deutlich 

höher im Vergleich zu Feinkornbaustählen mit gleicher 

Zugfestigkeit (Bild 1). 

Durch Legieren mit Mangan, Molybdän, Chrom 

oder Vanadium wird die kritische Abkühlgeschwindigkeit 

vermindert und damit eine Gefahr der Gefügeumwandlung 

in der Perlitstufe (Entstehung von 

Ferrit und Perlit anstelle von Martensit) vermieden. 

Die Ferritbildner Silicium und Phosphor beschleunigen 

die Diffusion von Kohlenstoff aus dem Ferrit 

in den Austenit und begünstigen damit ebenfalls 

das Umwandlungsverhalten. 

Während der weiche Ferrit für die gute Verformbarkeit 

verantwortlich ist, steigert die hohe Härte des 

Martensits die Festigkeit des Dualphasenstahls. Die 

aufgrund der Martensitumwandlung entstehenden 

Eigenspannungen im Ferrit erzeugen dort (bewegliche) Versetzungen, die letztlich für das günstige Verformbarkeitsverhalten 

verantwortlich sind d.h. ein plastisches Fließen bereits bei niedrigen Spannungen 

(200 ... 500 MPa) erlauben. Andererseits besitzen die Dualphasenstähle ein starkes Verfestigungsver mögen 

d.h. einen hohen Verfestigungsexponenten, insbesondere bei niedrigen Umformgraden (< 5 %), sodass 

hohe Zugfestigkeiten erreicht werden (400 ... 1000 MPa), Bild 1. Hierdurch ist auch das extrem niedrige 

Streckgrenzenverhältnis (R p0,2/R m) der Dualphasenstähle von etwa 0,5, d. h. eine niedrige Dehngrenze bei 

relativ hoher Zugfestigkeit, zu erklären. 

6.5.14.6 Stähle mit Restaustenit 

TRIP-Stähle (TRIP = Transformation Induced Plasticity) 

besitzen ein Gefüge aus Ferrit und Bainit mit 

definierten Anteilen an metastabilem Restaustenit 

(Bild 2). Wird ein TRIP-Stahl umgeformt, dann wandelt 

sich der Austenit in harten Verformungsmartensit 

um. TRIP-Stähle weisen eine gleichmäßige 

Verformbarkeit auf, da örtliche Verfestigungen 

durch Bildung von verformungsinduziertem Martensit 

abgebaut werden (TRIP-Effekt) und somit die 

bislang noch nicht verformten Bereiche weiter verformt 

werden können. 

TRIP-Stähle haben sehr gute Festigkeitseigenschafen 

(R m bis 800 MPa) bei gleichzeitig hervor ragender 

plastischer Verformbarkeit (A bis 35 %; Bild 1, Seite 

306). 

Bild 1: Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Dualphasenstählen 

Bild 2: Gefüge eines TRIP-Stahles (TRIP 700) 

Die Herstellung der TRIP-Stähle erfolgt durch eine thermomechanische Behandlung indem ein metastabiles 

austenitisches Gefüge bei niedrigen Temperaturen, jedoch oberhalb der Martensitstarttemperatur für 

Verformungsmartensit (M D), umgeformt und anschließend auf Raumtemperatur abgeschreckt wird. 

6.5.14.7 Complexphasen-Stähle 

Die Complexphasen-Stähle (CP-Stähle) stellen eine Weiterentwicklung der Dualphasenstähle, insbesondere 

im Hinblick auf die Festigkeit (Rm = 800 ... 950 MPa) dar. Das Gefüge der Complex-Phasen-Stähle besteht 

im wesentlichen aus sehr feinkörnigem Bainit und Martensit, mit geringen Anteilen an kohlenstoffarmem 

Ferrit. Zusätzlich finden sich im Gefüge sehr feine Carbid- und Nitridausscheidungen. Die 

Gefügebestandteile lassen sich nur noch elektronenmikroskopisch voneinander unterscheiden.

340 

Bild 1: Wärmebehandlung zur Erzeugung von weißem Temperguss 

Aufgrund der Wanddickenabhängigkeit des Gefüges 

(Bild 1 und Bild 2, Seite 341) sind auch die mechani 

schen Eigenschaften von wei ßem Tem - 

perguss wanddickenabhängig und werden durch 

die chemi sche Zu sam mensetzung sowie die Glühbehandlung 

einge stellt. 

Die wichtigste Eigenschaft von weißem Tem per - 

guss ist seine teilweise gute Schweißbarkeit, die 

auf die entkohlte, ferritische Randschicht zu rück - 

zuführen ist. Eine besondere Bedeutung hat dabei 

die Sorte GJMW-360-12, die so legiert ist, dass sie 

tief ent kohlt. Bild 4, Seite 341, zeigt eine hoch be an - 

spruchte Schweißverbindung an einem Hin ter achs- 

Schräglenker für einen Pkw der oberen Lei stungs - 

klasse. Die Lenkeraugen (links) und der Radträger 

(rechts) bestehen aus GJMW-360-12, die mit der 

Mittel schale aus Stahl verschweißt wur den. 


Bild 2: Weißer Temperguss (EN-GJMW-400-5). 

Temperkohle (schwarz) mit Ferrithöfen (weiß) 

in perlitischer Matrix. 

Weißer Temperguss (GJMW) enthält einen etwas höheren C-Gehalt im Vergleich zu schwarzem Tem - 

perguss (GJMB), da durch die entkohlende Glü hung, zumindest im Bereich der Randschicht, eine Entkohlung 

eintritt. Dadurch ist die Gießbar keit von GJMW besser im Vergleich zu GJMB.

6.6 Eisengusswerkstoffe 341 

Bild 1: Schnitt durch ein Bauteil aus weißem Temperguss. 

Das von der Wanddicke abhängige Gefüge ist gut 

erkennbar. 

In Bild 3 ist das Eigenschaftsprofil der ver schie - 

denen weißen Tempergusssorten vergleichend zu - 

sammengestellt. 

Weißer Temperguss wird bevorzugt verwendet: 

� für kleine, dünnwandige Bauteile (bis etwa 

25 mm), wie zum Beispiel Rohrverbinder (Bild 5) 

� falls eine gute Schweißbarkeit gefordert wird 

(Sor ten EN-GJMW-360-12 und EN-GJMW-400-5), 

beispielsweise Teile für Radaufhängun gen (Bild 4), 

� für Bauteile, die auch bei tieferen Temperaturen 

eingesetzt werden (bis – 60 °C), beispielsweise 

tra gende Teile von Kraftfahrzeugen oder Bau teile 

für den Gerüst- und Schalungsbau, 

� falls eine gute Gießbarkeit gefordert wird, 

� falls die Bauteile einer schlagartigen oder schwin - 

genden Beanspruchung ausgesetzt sind (z. B. 

Pkw-Anhängerkupplung). 

Bild 3: Eigenschaftsprofil weißer Tempergusssorten 

Die wichtigsten weißen Tempergusssorten nach DIN EN 1562 sind in Tabelle 1, Seite 342, zusammen - 

gestellt. 

Bild 4: Schweißverbindung von weißem Temperguss 

(EN-GJMW-360-12) und Stahl an einem hochbeanspruchten 

Hinterachs-Schräglenker eines Pkw 

Randzone: Ferrit 

Übergangszone: Perlit + Ferrit + Temperkohle 

Kernzone: Perlit + Temperkohle 

Bild 2: Gießkeilprobe zur Beurteilung der Wanddicken - 

abhängigkeit der Gefügeausbildung bei GJMW 

Bild 5: Rohrverbinder (Fittings) als typische 

Gussstücke aus weißem Temperguss 

(EN-GJMW-400-5)

7.3 Titan und Titanlegierungen 375 

schwerend, so dass der aus TiCl 4 gewonnene Titan - 

schwamm im Vakuum umgeschmolzen werden 

muss. Titan besitzt bei Temperaturen oberhalb 

882 °C eine kubisch-raumzentrierte Struktur (b-Phase) 

und darunter, also auch bei Raumtemperatur, eine 

hexagonale (a-Titan). Wegen des hexagonalen 

Gitters ist die Kalt- und wegen geringer Korrosionsbeständigkeit 

bei hohen Temperaturen ist die 

Warmformbarkeit erschwert. Titan löst in beträchtlichem 

Maße Sauerstoff bei höheren Temperaturen, 

es entstehen Ti-O-Mischkristalle. Daraus folgt, 

dass entweder Wärmebehandlungen in einer sauerstofffreien 

Atmosphäre durchgeführt werden 

müssen oder aber die entstandene sauerstoffhaltige 

Schicht spanend entfernt werden muss, da diese 

versprödend wirkt. 

Bei Raumtemperatur bildet sich auf Titan eine dünne 

Oxidschicht, die sehr korrosionsbeständig ist, so 

dass auch unlegiertes Titan ein technisch genutzter 

Werkstoff ist. In der Norm DIN 17 850, eine europäische 

Norm liegt noch nicht vor, werden vier Titansorten, 

Ti1 bis Ti4 (Ti > 99 %) mit zunehmendem 

Gehalt an Verunreinigungen (Eisen, Sauerstoff, 

Kohlenstoff und Wasserstoff) unterschieden. Mit 

steigendem Gehalt an Verunreinigungen nimmt die 

Festigkeit von mindestens 290 MPa auf höchstens 

Bild 1: Werkstoffkosten wichtiger Metalle. Die Preise hängen 

in hohem Maße von der Erzeugnisart sowie 

der Abnahmemenge ab (Quellen: London Metal 

Exchange und andere) 

740 MPa zu und die Bruchdehnung von 30 % auf 15 % ab (Tabelle 1). Diese Werkstoffe werden vor allem 

im chemischen Apparatebau eingesetzt, da sie sogar gegen Königswasser (HCl + HNO 3) beständig sind. 

Außerdem ist Titan ein wichtiges Legierungselement für Stahl (Kapitel 4.4.1.3 und Kapitel 6.5.10.4) und in 

geringerem Maße für Nickel und Zink. 

Titanlegierungen (Tabelle 1) werden auch im chemischen und verfahrenstechnischen Apparatebau sowie 

für medizinische Geräte und Implan tate eingesetzt. Außerdem werden sie in der Luft- und Raumfahrt sowie 

in geringem Maße auch im Fahr zeug bau verwendet. 

Tabelle 1: Titanlegierungen nach DIN 17 850 und 17 860 

Kurzzeichen 

Zug - 

festigkeit 

R m 

MPa 

0,2-%-Dehn - 

grenze 

R p 0,2 

MPa 

Dehnung 

A % 

Härte Gefüge 

HB 

Eigenschaften, Verwendung 

Ti1 

Ti4 

290...410 

540...740 

180 

390 

24 

16 

120 

200 

a 

a 

Sehr beständig gegen oxidierende und chlorid - 

haltige Medien. 

Ti1Pd 

TiNi0,8Mo0,3 

290...410 

> 480 

180 

345 

24 

16 

120 

170 

a 

a 

Beispiele: Tanks, Wärmetauscher, Entsalzungs - 

anlagen, chemische und medizinische Apparate. 

TiAl5Sn2,5 > 830 780 10 300 a 

Warmfest, kaltzäh 

Beispiel: Hydraulikrohre 

TiAl6V4 910 840 10 a + b Wärmebehandelbar. 

TiAl6V6Sn2 > 950 920...1000 10 320 a + b Wärmebehandelbar 

Beispiel: verfahrenstechnische Apparate. 

TiV13Cr11Al3 1350 1200 5 b Hochfeste Bauteile. 

Aufgrund der unterschied lichen Kristallstruktur werden drei verschiedene Legierungstypen unterschieden: 

Die beiden ein pha sigen a- bzw. b-Legierungen und die zweiphasigen a + b-Legierungen.

380 

Bild 1: Sauerstoffhaltiges Kupfer nach hoher Umformung 

(Kupferdraht) 

7 Nichteisenmetalle 

Bild 2: Kupfer mit hohem Sauerstoffgehalt im Guss - 

zustand 

streckt. Mit zunehmendem Umformgrad wird das Netzwerk weiter aufgespalten, bis schließlich in dünnen 

Drähten oder Blechen die Cu 2O-Phasen gleichmäßig in der Kupfermatix verteilt vorliegen (Bild 1). 

Bei hohem Sauerstoffgehalt d. h. in übereutektischen Kupfer-Sauerstoff-Legierungen (O > 0,39 %) scheiden 

sich zunächst primäre Dendriten aus Cu 2O aus, die in ein Cu-Cu 2O-Eutektikum eingebettet sind (Bild 2). 

Tabelle 1: Unlegierte Kupfersorten nach DIN EN 1976 und DIN EN 12163 

Unlegierte Kupfersorten Mechanische Eigenschaften 1) Physikalische 

Eigenschaften 

DIN EN 1976 2) DIN 1708 3) 

Kurz - 

zeichen 

Numerisch Kurzname Werkstoffnr. 

R p0,2 

MPa 

R m 

MPa 

Sauerstoffhaltiges (zähgepoltes) Kupfer 

A 

% (min.) 

elektrische 

Leitfähigkeit 

m/(O · mm 2 ) 

Cu-ETP CR004A E1-Cu58 2.0061 120 ... > 350 200 ... > 360 3 ... 45 ≥ 58 ≥ 393 


Cu-ETP1 CR003A – – – – – ≥ 58,58 – 

Cu-FRHC CR005A E2-Cu58 2.0062 – – – ≥ 58 – 

Cu-FRHP CR006A F-Cu 2.0080 – – – – – 

Desoxidiertes Kupfer 

Cu-DLP CR023A SW-Cu 2.0076 80 ... 330 200 ... > 350 5 ... 35 ≥ 52 ≥ 364 

W/(m · K) 

Cu-DHP CR024A SF-Cu 2.0090 80 ... 330 200 ... > 350 5 ... 35 41 ... 52 293 ... 364 

Cu-DXP CR025A – – – – – – – 

Cu-PHC CR020A SE-Cu 4) 2.0070 120 ... > 350 200 ... > 360 3 ... 45 ≥ 58 ≥ 386 

Cu-HCP CR021A SE-Cu 5) 2.0070 120 ... > 350 200 ... > 360 3 ... 45 ≥ 57 ≥ 386 

Cu-PHCE CR022A – – – – – ≥ 58 – 

Sauerstofffreies Kupfer hoher Leitfähigkeit 

Cu-OF CR008A OF-Cu 2.0040 – – – ≥ 58 – 

Cu-OF1 CR007A – – – – – ≥ 58,58 ≥ 393 

Cu-OFE CR009A – – – – – ≥ 58,58 – 

1) Kennwerte abhängig vom Werkstoffzustand. Untergrenze der Festigkeit bzw. Obergrenze der Bruchdehnung im weichgeglühten Zustand. Obergrenze 

der Festigkeit bzw. Untergrenze der Bruchdehnung im kaltverfestigten Zustand. 

2) Bezeichnung siehe Kapitel 8.3.3. 3) Norm zurückgezogen (alte Werkstoffbezeichnungen). 

4) Falls die spezifische elektrische Leitfähigkeit mindestens 58 m/O · mm 2 beträgt, der Cu-Gehalt > 99,95 % ist und als Desoxidationsmittel Phosphor 

verwendet wurde. 

5) Falls der Cu-Gehalt > 99,95 % ist und als Desoxidationsmittel Phosphor verwendet wurde.

476 

Sorte und 

Strukturformel 

Polyethylen 8) 

(Polyethen) 

ISO- 

Kurzzeichen 

Dichte 

kg/dm 3 

Festigkeit 2) 

MPa 

Dehnung 3) 

% 

Teilkristalline Thermoplaste 

PE-LD 0,92 ... 0,94 s y: 8 ... 15 e y:20 

e B: ≈ 600 

PE-HD 0,94 ... 0.96 s y: 20 ... 30 e y: 8 ... 10 

e B: 400...800 

Polypropylen PP 0,90 ... 0,92 sy: 20 ... 35 

Strukturformel PP 

sB: 40 

Polytetrafluor ethylen PTFE 2,15 ... 2,20 sy: 10 

Strukturformel PTFE 

sB: 20 ... 40 

e y: 10 ... 20 

e B: 800 

Polyamid12) PA6 1,13 sy: 35 ... 9013) ey: 6 ... 2014) eB: 25...5015) Strukturformel PA-x 

PA12 1,02 sy: 35 ... 5013) ey: 8 ... 2814) eB: 40 ... 4515) PA66 1,14 sy: 55 ... 9013) ey: 5 ... 2014) eB: 25 ... 5015) Kerbschlagzähigkeit 

4) 

kJ/m 2 

Kugeldruckhärte 

MPa 

9 Kunststoffe 

Tabelle 1: Typische Eigenschaften (Anhaltswerte) und Anwendungen ausgewählter Thermoplaste 1) 

Strukturformel PE 

PA6, PA11, PA12 

Charakt. 

Temperaturen 

°C 5) 

k. Br. ≈ 15 9a) h gK: –110 ... –20 

h m: 105 ... 110 

6 ... k. Br. ≈ 50 9a) h gK: –110 ... –20 

h m: 130 ... 135 

4 ... 12 65 ... 85 9a) h gK: –25 ... –5 

h m: 160 ... 170 

e B: 350...550 13 ... 16 25 ... 30 h gK: –150 ... –110 

h m: 327 ... 330 

25 ... k. Br. 14) 709b) hgK: 40 ... 7516) hm: 215 ... 225 

10 ... k. Br. 14) 709b) hgK: ≈ 4016) hm: 175 ...185 

3 ... 2014) 909b) hgK: 35 ... 9016) hm: 250 ... 265 

Polyethylenterephthalat PET 1,38 sy: 50 ... 75 ey: 3 ... 4 3 1509a) hgK: 60 ... 90 

Strukturformel PET 

hm: 255 ... 265 

1) Zahlenwerte sind abhängig von Art und Menge des Füll- und ggf. Verstärkungsstoffes k.Br. = kein Bruch 

2) sy: Streckspannung; sM: Zugfestigkeit; sB: Bruchspannung (Kapitel 13.7.1) 

3) ey: Streckdehnung; eM: Dehnung bei Zugfestigkeit; eB: Bruchdehnung (Kapitel 13.7.1) 

4) nach DIN 53453 (zurückgezogen) bei 20 °C; k. Br. = kein Bruch 

5) 

hgK: Glasübergangstemperatur des teilkristallinen Thermoplasten; hm: Schmelztemperatur bzw. -bereich 

6) Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 20 °C und 80 °C 

7) Chemikalienbeständigkeit siehe Tabelle 1, Seite 485 

8) weitere Sorten: PE-LLD, PE-X, PE-HD-UHMW 

9a) 9b) 30s-Wert 60s-Wert

9.7 Kennwerte, Eigenschaften und Anwendungen ausgewählter Kunststoffe 477 

Ge brauchs - 

tempera tur 

°C (max) 

Längendehnung 

6) 

10 –6 1/K 


W/(m · K) 

60 ... 75 10) 

80 ... 90 11) 170 ≈ 0,35 

70 ... 80 10) 

90 ... 120 11) 200 ≈ 0,43 

100 10) 

140 11) 100 ... 200 ≈ 0,22 

250 10) 

300 11) 100 ≈ 0,25 

80 ... 10010) 11) 80 0,29 

140 ... 180 

70 ... 80 10) 

140 ... 150 1) 150 0,23 

80 ... 12010) 11) 80 0,23 

170 ... 200 

100 10) 

200 11) 

70 0,29 

Typische Eigenschaften 7) 

Teilkristalline Thermoplaste 

niedrige Dichte 

hohe Zähigkeit 

gute Beständigkeit gegenüber verdünnten 

Säuren, Laugen, Salzlösungen und 

Benzin (nur PE-HD) 

gute Chemikalienbeständigkeit 

sehr gutes elektr. Isolationsvermögen 

sehr geringe Wasseraufnahme 

gute Ver- und Bearbeitbarkeit 

relativ preiswert 

höhere Festigkeit und Härte als PE 

höhere Wärmeformbeständigk. als PE 

niedrigste Dichte aller Kunststoffe 

gute Beständigkeit gegenüber schwachen 

anorganischen Säuren und Laugen, 

Alkohol und einigen Ölen 

gutes elektrisches Isolationsvermögen 

beständig gegenüber nahezu allen Chemikalien 

unlöslich in allen bekannten Lösungsmitteln 

(< 300°C) 

geringe Adhäsionsneigung und niedriger 

Reibungsbeiwert 

hohe Wärmeformbeständigkeit 

kaltzäh (bis – 270°C einsetzbar) 

gute Witterungsbeständigkeit 

sehr gutes elektr. Isolationsvermögen 

hohe Festigkeit und Härte 

hoher E-Modul 

hohe Beständigkeit gegenüber Lösemitteln, 

Kraftstoffen und Schmiermitteln 

hohe Verschleißbeständigkeit, gute 

Gleit- und Notlaufeigenschaften 

gute Wärmeformbeständigkeit 


gesundheitlich unbedenklich 

hohe Festigkeit 

hoher E-Modul 

harte, polierfähige Oberfläche 

günstiges Gleit- und Verschleißverhalten 


hohe Chemikalienbeständigkeit 

hohe Transparenz 17) 

hohe Zähigkeit 17) 

10) dauernd, an Luft, 20 °C 

11) kurzzeitig, an Luft, 20 °C 

12) weitere Sorten: PA64; PA69; PA610; PA612; PA11 

13) luftfeucht ... trocken 

14) trocken ... luftfeucht 

15) trocken 

16) abhängig vom Feuchtegehalt 

17) durch Einbau comonomerer Bausteine (Senkung des Kristallinitätsgrades) 

18) Folien 

Handels - 

namen 

(Beispiele) 

Baylon ® 

Hostalen ® 

Lupolen ® 

Vestolen A ® 

HostalenPP ® 

Vestolen P ® 

Luparen ® 

Novolen ® 

Teflon ® 

Hostaflon TF ® 

Ultramid B ® 

Durethan B ® 

Grilamid ® 

Vestamid ® 

Nylon ® 

Perlon ® 

Ultramid A ® 

Rynite ® 

Hos ta- 

® 18) phan 

Hostadur E ® 

Strukturformel PA-xy 

PA46, PA66, PA610, PA612 

Anwendungsbeispiele 

Folien 

Sektkorken 

Kabelisolation 

Eimer und Fässer 

Kraftstofftanks 

Surfbretter 

Abwasserrohre 

Trinkwasserdruckrohre 

Heißwasserbehälter 

Infusionsbehälter 

Abwasserrohre 

Einweggeschirr 

Faservliese 

künstlicher Rasen 

Folien und Säcke 

Leitungen für Fußbodenheizungen 

Batteriegehäuse 

Kolbenringe 

Kabelummantelungen 

Auskleidungen 

plattenförmige Gleitlager 

Faltenbälge 

Dichtungen 

Wälzlagerkäfige 

wasserabweisende Beschich 

tungen 

Zahnräder 

Wälzlagerkäfige 

Gleitlager und Lagerbuchsen 

Schrauben 

Beschichtungen 

Motorradhelme 

Radblenden 

Angelschnüre, Seile, 

Fasern 

Laufrollen 

Gleitlager 

Zahnräder 

Steuer- und Kurvenscheiben 

Bügeleisengriffe 

glasklare Getränke flaschen 

Gehäuse für Küchengeräte

512 

10 Keramische Werkstoffe 

rohren für elektrische Durchlauf erhitzer ein ge setzt (Bild 2, Seite 511). In der Fahr zeug technik verwendet 

man Cordierit als Katalysatorträger für PKW. Cor dieritkeramik stellt auch die Grundlage für flammfestes 

und tem pera turwechselbeständiges Geschirr dar. Wichtige mechanische und physikalische Eigenschaften 

ausgewählter Silicatkeramiken zeigt Tabelle 1, Seite 511. Die herausragenden Eigenschaften sind fett 

gedruckt. 

10.6 Oxidkeramische Werkstoffe 

Oxidkeramische Werkstoffe sind im Gegensatz zu den Silicatkerami ken (z. B. Porzellan oder Steatit) na hezu 

oder gar völlig frei von SiO2 und bestehen im Wesentlichen nur aus einem Metalloxid. Außerdem dominiert 

bei den Oxidkeramiken die kristalline Phase. So beträgt beim Aluminiumoxid (Al2O3) der kri stalline 

Anteil zwischen 80 % und 99 %. Oxidkeramische Werk stoffe werden ausschließlich aus synthe ti schen Rohstoffen 

hergestellt. 

Die oxidkeramischen Werkstoffe zeigen allgemein die folgenden vorteilhaften Eigenschaften: 

� Hohe Festigkeit 

� Hohe Temperaturbeständigkeit 

� Hohe Härte und Verschleißbeständigkeit 

� Chemische Resistenz 

� Gute elektrische Isolationsfähigkeit 

10.6.1 Aluminiumoxid (Al 2O 3) 

Aluminiumoxid ist aufgrund seiner universellen Ei - 

gen schaften und seines guten Preis-Leistungsver - 

hältnis ses der technisch wichtigste oxidkeramische 

Werk stoff. Bei den Aluminiumoxiden unterscheidet 

man nach DIN EN 60 672-1 vier genormte Werkstoffgruppen: 

C 780: 80 ... 86 % Al2O3 Festigkeit steigt, 

C 786: 86 ... 95 % Al2O3 Wärmeleitfähigkeit 

C 795: 95 ... 99 % Al2O3 steigt 

C 799: > 99 % Al2O3 Der Rest sind Verunreinigungen wie SiO2, Fe2O3 und Na2O. Weitere, nicht genormte Al2O3-Werkstof fe sind verfügbar. 

Zur Herstellung von Bauteilen aus Aluminiumoxid 

wird das entsprechende Al2O3-Pulver mit geeigneten Plastifi zie rungs - 

mitteln wie Ton bzw. Kaolin bei nied rigem und Mg-Verbindungen bei 

hohem Al2O3-Ge halt sowie mit Sinterhilfsmitteln (zur Verringerung 

der Porosität) versetzt. Nach der Formgebung er folgt dann bei 1500 

°C bis 1700 °C die Sinterung. 

Aluminiumoxid-Keramiken haben üblicherweise ein einphasiges Gefüge 

mit Korngrößen von 10 µm ... 30 µm (Bild 1). Durch Verringe - 

rung der Korn größe auf 1 µm ... 3 µm kann eine deutliche Fe stig - 

keitsstei gerung (z. B. Biege festigkeit sbB von un ter 300 MPa auf bis zu 

800 MPa) erreicht werden. 

Dicht gesintertes Aluminiumoxid hat eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften 

(Ta belle 1, Seite 513): 

� Hohe Festigkeit und Härte, die über einen großen Temperatur - 

bereich annähernd konstant bleibt (Bild 2, Seite 502) 

� Gute Temperaturbeständigkeit (z. T. bis 1950 °C). Damit 3- bis 10fach 

höher im Vergleich zu den Fe- und Ni-Basiswerkstof fen 

Bild 1: Gefüge von Aluminiumoxid 

Bild 2: Kugelkopf und Pfannen insert 

aus Al 2O 3 einer Hüftgelenk - 

prothese

542 

11.2.1 Lösungstension 

Taucht man ein Metall (z. B. Eisen) in eine wäss rige 

Lösung (Elekt roly t), dann haben die Metall-Ionen 

(Me) das Be stre ben, das Me tall gitter zu verlassen 

und in Lösung zu ge hen. Dieser Me tallauflösungs - 

prozess ist die anodi sche Teilre aktion der elektro - 

chemischen Korrosion und wird als Lösungsten - 

sion bezeichnet (Bild 1). 

Die Ionen verschiedener Me talle haben eine unter - 

schiedli che Tendenz in Lösung zu ge hen d. h. eine 

unterschiedliche Lösungstension. 

Durch das in-Lösung-gehen po si tiver Metall-Io nen 

bleibt eine äquivalente An zahl Elektronen im Me tall - 

gitter zurück. Das Me tall lädt sich zuneh mend nega - 

tiv auf. Aufgrund elektrostati scher An zie hungs kräfte 

zwischen Metallgitter und po sitiv geladenen Metall- 

Io nen können jedoch zu nehmend weniger Ionen das 

Gitter verlassen. Gleichzeitig scheiden sich auf der 

Metalloberflä che in zunehmen dem Maße Metall-Io - 

nen aus der Lösung wieder ab so dass sich letztlich 

zwi schen diesen beiden Vor gängen ein dy nami - 

sches Gleichgewicht einstellt (Bild 1): 

Me Me z+ + z · e – 

Beispiel: Fe Fe 2+ + 2 · e – 

Der anodische Teilstrom der Metallauflösung d. h. 

der Oxidationsreaktion (I A) entspricht dem katodi - 

schen Teilstrom (I K) aus der Reduktionsreaktion. 

Durch die im Mittel im Kristallgitter verbleibenden 

Elektro nen lädt sich das Metall negativ auf. Dieses 

Gleichge wichtspotenzial lässt sich messen. Hierzu 

verbin det man die Probe (Arbeitselekt rode) über ein 

Volt meter mit ei nem Prüf normal. Das Gleich ge - 

wichts poten zial lässt sich dann als Potenzial diffe - 

renz (Spannung) zu diesem Prüf normal er mitteln. 

Um die Messungen zu standardisieren, verwendet 

man als Prüfnormal in der Regel eine Normalwas - 

ser stoff elekt rode (mit Wasserstoff gas um spültes 

Platin blech (Bild 2). Der dort ablaufenden Reaktion: 

2 H2O + H2 H3O + + 2 e – 

hat man aus praktischen Gründen willkürlich das Normal- 

oder Standard po tenzial E° = 0 V zugeordnet. 

11.2.2 Elektrochemische 

Spannungsreihe 

11 Korrosion und Korrosionsschutz metallischer Werkstoffe 

Bild 1: Anodische Teilreaktion (Metallauflösung) der elektrochemischen 

Korrosion 

Bild 2: Prinzip der Messung von Gleichgewichtspotenzialen 

mit Hilfe einer Normalwasserstoffelektrode 

Führt man die beschriebene Messung des Nor malpoten zials mit vielen Metallen durch und ordnet die ge - 

gen Nor malwasserstoffelektrode ermittelten Potenzialdifferenzen der Größe nach, dann erhält man die 

elektroche mische Spannungs reihe der Metalle (Tabelle 1, Seite 543). Sie hat eine große Be deutung für das 

Ver ständnis und die Vorher sage von Korrosi onsprozessen. Je höher das Normal potential ei nes Me talls, 

desto edler ist es, desto weniger unterliegt es der Korrosion. 

Alle Metalle mit negativem Normalpotenzial werden als unedel, diejenigen mit positivem Normalpotenzial 

werden als edel bezeichnet.

Werkstofftechnik Maschinenbau

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