Schumann Metallographie

Gefüge von Metallen, Keramiken und Verbunden
16. überarbeitete und erweiterte Auflage 2025
ISBN: 978-3-527-35106-0
Verlag: Wiley-VCH GmbH

Buch, Deutsch, 848 Seiten, Format (B × H): 222 mm x 282 mm, Gewicht: 2514 g

Gründlich überarbeitet und mit Themen wie künstliche Intelligenz, additive Fertigung, Magnet- und Batteriewerkstoffe erweitert, ist auch die neue Auflage des "Schumann" ein unverzichtbares Standardwerk der Metallographie für Studium und Beruf.

Autoren/Hrsg.

Oettel, Heinrich

Ketzer, Gaby

Ketzer-Raichle, Gaby

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Technische Mechanik | Werkstoffkunde Materialwissenschaft: Metallische Werkstoffe
• Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Technische Mechanik | Werkstoffkunde Werkstoffkunde, Materialwissenschaft: Forschungsmethoden
• Technische Wissenschaften Verfahrenstechnik | Chemieingenieurwesen | Biotechnologie Metallurgie

Inhaltsverzeichnis

STRUKTUREN ANORGANISCHER WERKSTOFFE (METALLE UND KERAMIKEN)
Klassifizierung und allgmeine Charakteristika anorganischer Werkstoffe
Grundeigenschaften der anorganischen Werkstoffe
Kristalliner Aufbau anorganischer Werkstoffe (Kristallografie)
Chemische Bindung und Koordination, typische Kristallstrukturen
Mischkristalle und Überstrukturen
Polymorphie, Polytypie
Kristallbaufehler
Amorphe Materialien, Gläser
Gefüge von Werkstoffen
Kristallografische Beziehungen
METALLOGRAPHISCHE ARBEITSVERFAHREN
Ziel und Methoden metallographischer Untersuchungen
Lichtmikroskopie
Präparation
Besonderheiten bei der Präparation von keramischen Werkstoffen
Quantitative Gefügeanalyse, NEU: Machine Learning
Röntgenverfahren
Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenstrahlmikroanalyse
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
Rastersondenmikroskopie
Gefügetomografie
Akustische Mikroskopie
Mikrohärte
Gefügeuntersuchungen bei hohen Temperaturen
PHASENGLEICHGEWICHTE UND ZUSTANDSDIAGRAMME
Thermodynamische Grundlagen
Grundvorstellungen zu Zustandsdiagrammen
Einkomponentensysteme
Zweikomponentensysteme (binäre Zustandsdiagramme)
Grundvorstellungen über Dreistofflegierungen (ternäre Systeme)
Arten und Kinetik von Phasenumwandlungen
Verfahren zur Bestimmung von Zustandsdiagrammen
EINFLUSS DER VERARBEITUNG UND BEHANDLUNG AUF DIE GEFÜGEAUSBILDUNG VON METALLEN UND LEGIERUNGEN
Gießen von Metallen
Plastische Formgebung und Rekristallisation von Metallen
Oberflächenbehandlungen
NEU: Schweißen
NEU: Additive Fertigung
EISEN UND EISENLEGIERUNGEN
Roheisen- und Stahlherstellung im Überblick
Gefüge des reinen Eisens und der Eisenlegierungen
Polymorphe Phasenumwandlungen
Thermische Verfahren der Gefügebeeinflussung
Technische Eisenlegierungen
GEFÜGE DER TECHNISCHEN NICHTEISENMETALLE UND IHRER LEGIERUNGEN
Kupfer und seine Legierungen
Nickel und seine Legierungen
Cobalt und seine Legierungen
Zink und seine Legierungen
Aluminium und Aluminiumlegierungen
Magnesium und Magnesiumlegierungen
Titan und Titanlegierungen
Weitere Nichteisenmetalllegierungen
NEU: Magnetwerkstoffe
NEU: Batteriematerialien
HOCHLEISTUNGSKERAMIK
Arten der Hochleistungekeramik
Herstellung keramischer Werkstoffe
Mechanische Festigkeit keramischer Werkstoffe
Materialeigenschaften und Anwendungen
ANHANG
Atomare Parameter technisch wichtiger Metalle und Metalloide (Raumtemperatur)
Physikalische Eigentschaften technisch wichtiger Metalle und Metalloide
Angaben von Mengenanteilen (Konzentrationen) in Legierungen
Ansetzen von prozentualen Lösungen
Metallographische Ätzmittel

vorwort Zur 16. Auflage v

Autoren (alphabetisch) vii

Danksagungen ix

1 Strukturen anorganischer Werkstoffe 1

1.1 Charakteristika anorganischer Werkstoffe 1

1.2 Grundeigenschaften der anorganischen Werkstoffe 3

1.2.1 Metallische Werkstoffe 3

1.2.2 Keramische Werkstoffe 6

1.3 Struktur kristalliner Materialien (Kristallographie) 6

1.3.1 Gitterpunkte 11

1.3.2 Gittergeraden 11

1.3.3 Netzebenen (Gitterebenen) 12

1.3.4 Elementarzellenvolumen 12

1.3.5 Kristallformen 12

1.4 Strukturen metallischer Werkstoffe 13

1.4.1 Legierungsbildung bei metallischen Werkstoffen 13

1.4.2 Strukturen metallischer Elemente 14

1.4.3 Metallische Mischkristalle und Überstrukturen 16

1.4.4 Intermetallische Verbindungen 20

1.4.5 Einlagerungsphasen (Intermediäre Phasen) 22

1.5 Strukturen bei kovalenter Bindung 23

1.6 Strukturen bei Ionenbindung 24

1.7 Mischbindungen 27

1.8 Polymorphie, Polytypie 27

1.9 Kristallbaufehler 28

1.9.1 Klassifizierung von Kristallbaufehlern 28

1.9.2 Punktdefekte 29

1.9.3 Versetzungen 31

1.9.4 Flächendefekte 33

1.9.5 Volumendefekte 36

1.10 Amorphe Materialien, Gläser 37

1.11 Gefüge von Werkstoffen 38

1.11.1 Gefügebegriff, innere Grenzflächen 38

1.11.2 Gefügebildende Prozesse 40

1.11.3 Gefügeelemente, Gefügebestandteile und Gefügetypen 42

1.11.4 Texturen 44

1.12 Kristallographische Beziehungen 45

1.13 Quellen und Literatur 45

2 Metallographische Arbeitsverfahren 47

2.1 Ziel und Methoden metallographischer Untersuchungen 47

2.2 Lichtmikroskopie 48

2.2.1 Optische Grundlagen 48

2.2.2 Aufbau und Wirkungsweise von Auflichtmikroskopen 56

2.2.3 Verfahren der Auflichtmikroskopie 63

2.2.4 Dokumentation mikroskopischer Befunde 78

2.3 Präparation 82

2.3.1 Anschliffvorbereitung 82

2.3.2 Anschliffherstellung 91

2.3.3 Auswahl der Präparationsmethoden 145

2.3.4 Kontrastierung 151

2.4 Besonderheiten bei der Präparation von keramischen Werkstoffen 173

2.4.1 Vorbemerkungen 173

2.4.2 Trennen 174

2.4.3 Einfassen 175

2.4.4 Anschliffherstellung 176

2.4.5 Kontrastieren 177

2.5 Quantitative Gefügeanalyse 179

2.5.1 Einführung 179

2.5.2 Kennzahlen von Teilchen und Gefügebestandteilen 181

2.5.3 Bildverarbeitung 186

2.5.4 Kennzahlen von ebenen Anschliffen 188

2.5.5 Das Powerspektrum 195

2.5.6 Industrienormen 197

2.5.7 Quantitative Analyse mittels Machine Learning 200

2.6 Röntgenographische Gefügeanalyse 210

2.6.1 Einleitung 210

2.6.2 Erzeugung von Röntgenstrahlen 210

2.6.3 Beugungsprinzip und Braggsche Gleichung 211

2.6.4 Röntgenbeugung an Vielkristallen 211

2.6.5 Probenanforderungen 212

2.6.6 Gefügeanalyse mittels Röntgenbeugung 213

2.6.7 Textur und Polfiguren 220

2.6.8 Zusammenfassung 222

2.7 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 222

2.7.1 Wechselwirkung beschleunigter Elektronen mit Materie 223

2.7.2 Prinzipien der Rasterelektronenmikroskopie 225

2.7.3 Elektronenstrahlmikroanalyse 230

2.8 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 231

2.8.1 Grundlagen der Transmissionselektronenmikroskopie 231

2.8.2 Elektronenbeugung 233

2.8.3 Elektronenmikroskopische Kontraste 234

2.8.4 Probenpräparation 236

2.8.5 Analytische TEM 237

2.8.6 Rastertransmissionselektronenmikroskopie 238

2.9 Rastersondenmikroskopie 238

2.10 Tomographische Techniken in der Materialwissenschaft 240

2.10.1 Atomsondentomographie 242

2.10.2 Elektronentomographie 243

2.10.3 Serienschnitt-Tomographie 244

2.10.4 Röntgentomographie 247

2.11 Indenterprüfung (Mikro- und Nanoindentierung) 250

2.11.1 Allgemeine Charakterisierung der Indenterprüfung 250

2.11.2 Konventionelle Indenterprüfung 253

2.11.3 Instrumentierte Indenterprüfung 255

2.11.4 Anwendungen der Indenterprüfung 256

2.12 Gefügeuntersuchungen bei hohen Temperaturen 262

2.13 Quellen und Literatur 268

3 Phasengleichgewichte und Zustandsdiagramme 275

3.1 Grundbegriffe 275

3.1.1 Einführung 275

3.1.2 Stoffbilanzierung 275

3.1.3 Legierungen als Systeme im Gleichgewicht 278

3.1.4 Diffusion 284

3.2 Zustandsdiagramme 288

3.2.1 Zustandsdiagramme von Einkomponentensystemen 288

3.2.2 Zustandsdiagramme von Zweikomponentensystemen 292

3.2.3 Grundvorstellungen über Dreistofflegierungen (ternäre Systeme) 315

3.3 Verfahren zur Analyse von Zustandsdiagrammen 328

3.3.1 Thermoanalyse 329

3.3.2 Dilatometrie 331

3.3.3 CALPHAD – Methode 333

3.4 Arten und Kinetik wichtiger Phasenumwandlungen 338

3.4.1 Systematik der Phasenumwandlungen 338

3.4.2 Diffusionskontrollierte Phasenumwandlungen 340

3.4.3 Martensitische Phasenumwandlungen 346

3.4.4 Zeit-Temperatur-Diagramme 349

3.5 Weiterführende Literatur 351

4 Technische Gefügebildung in Metallen und Legierungen 353

4.1 Erstarrung metallischer Schmelzen 353

4.1.1 Bildung kristalliner Keime in metallischen Schmelzen 354

4.1.2 Wachstum von Keimen zu Kristalliten/Kristallen 357

4.1.3 Technische Gussgefüge 360

4.1.4 Gussfehler 366

4.2 Plastische Formgebung und Rekristallisation metallischer Werkstoffe 381

4.2.1 Kaltumformung 381

4.2.2 Entfestigungsvorgänge 389

4.2.3 Gefügebildung bei Rekristallisationsprozessen 391

4.2.4 Warmumformung 396

4.3 Oberflächenbehandlungen 403

4.3.1 Verfahren zur Oberflächenbehandlung 403

4.3.2 Beschichtungsverfahren mit atomarer Deposition des Beschichtungsmaterials 405

4.3.3 Beschichtungsverfahren mit makroskopischer Deposition des Schichtmaterials 411

4.3.4 Schmelztauchen 412

4.3.5 Chemisch-thermische Behandlungen 414

4.3.6 Energetische Randschichtbehandlungen 422

4.4 Schweißen von metallischen Werkstoffen 425

4.4.1 Einteilung, Schweißeignung, Normen für die Schweißtechnik 425

4.4.2 Arten von Schweißverbindungen, Messgrößen 426

4.4.3 Prüfung von Schweißverbindungen 426

4.4.4. Gefügebildung in Schmelzschweißverbindungen 433

4.4.5 Unregelmäßigkeiten in Schweißverbindungen 445

4.5 Additive Fertigung metallischer Werkstoffe (3D-Druck) 450

4.5.1 Verfahrensübersicht 453

4.5.2 Besonderheiten bei Probennahme und Präparation 454

4.5.3 Einstufige AM-Prozesse 455

4.5.4 Mehrstufige AM-Prozesse 464

4.6 Quellen und Literatur 468

5 Eisen und Eisenlegierungen 469

5.1 Roheisen- und Stahlherstellung im Überblick 469

5.2 Gefüge des reinen Eisens und der Eisenlegierungen 471

5.2.1 Reines Eisen 472

5.2.2 Eisen-Kohlenstoff-Legierungen 474

5.3 Polymorphe Phasenumwandlungen 486

5.3.1 Umwandlungen beim Erwärmen 486

5.3.2 Umwandlungen beim Abkühlen 491

5.4 Thermische Verfahren der Gefügebeeinflussung 513

5.4.1 Fertigungsgerechte werkstoffunabhängige Verfahren 514

5.4.2 Fertigungsgerechte werkstoffspezifische Verfahren 525

5.4.3 Beanspruchungsgerechte Verfahren 531

5.5 Technische Eisenlegierungen 546

5.5.1 Schweißbare Baustähle 551

5.5.2 Stähle höherer Festigkeit 559

5.5.3 Stähle für tiefe Temperaturen 567

5.5.4 Stähle für hohe Temperaturen 572

5.5.5 Stähle mit besonderen Korrosionseigenschaften 577

5.5.6 Stähle mit besonderen magnetischen Eigenschaften 588

5.5.7 Stähle mit besonderen Verarbeitungseigenschaften 591

5.5.8 Stähle mit besonderen Verschleißeigenschaften 602

5.5.9 Gusseisen 612

5.6 Weiterführende Literatur 624

6 Gefüge technischer Nichteisenmetalle, ihrer Legierungen sowie ausgewählter Funktionswerkstoffe 625

6.1 Kupfer und seine Legierungen 625

6.1.1 Reinkupfer und niedriglegiertes Kupfer 625

6.1.2 Kupfer-Zink-Legierungen 634

6.1.3 Mehrstofflegierungen (Sondermessing) 647

6.1.4 Kupfer-Zinn-Legierungen 652

6.1.5 Kupfer-Aluminium-Legierungen und Mehrstofflegierungen 658

6.1.6 Kupfer-Zinn-Blei-Legierungen 666

6.1.7 Kupfer-Nickel-Legierungen und Mehrstofflegierungen 668

6.2 Nickel und seine Legierungen 671

6.2.1 Reines Nickel 671

6.2.2 Nickellegierungen 672

6.3 Cobalt und seine Legierungen 683

6.3.1 Reines Cobalt 683

6.3.2 Cobaltlegierungen 684

6.4 Zink und seine Legierungen 687

6.4.1 Reines Zink 687

6.4.2 Zinklegierungen 689

6.5 Aluminium und Aluminiumlegierungen 693

6.5.1 Geschichte des Werkstoffs Aluminium 693

6.5.2 Vorkommen und Herstellung 693

6.5.3 Eigenschaften und Anwendungen von Aluminium und Aluminiumlegierungen 694

6.5.4 Gefüge von Aluminium-Gusslegierungen 697

6.5.5 Gefüge von Aluminium-Knetlegierungen 704

6.5.6 Identifikation der intermetallischen Phasen 724

6.6 Magnesium und Magnesiumlegierungen 724

6.6.1 Reines Magnesium 724

6.6.2 Magnesiumlegierungen 725

6.7 Titan und Titanlegierungen 729

6.7.1 Reines Titan 729

6.7.2 a - und near a-Legierungen 732

6.7.3 (a+ ß)-Legierungen 734

6.7.4 Metastabile ß-Legierungen 736

6.7.5 Stabile ß-Legierungen 736

6.8 Weitere Nichteisenmetalllegierungen 736

6.8.1 Lotwerkstoffe 736

6.8.2 Gleitlagerwerkstoffe 746

6.9 Magnetwerkstoffe 758

6.9.1 Hartmagnetische Werkstoffe 758

6.9.2 Weichmagnetische Werkstoffe 763

6.10 Batteriematerialien 768

6.10.1 Einführung 768

6.10.2 Aufbau und Funktion einer Lithium-Ionen Batterie 768

6.10.3 Arbeitssicherheit beim Umgang mit Batterien und Batteriematerialien 769

6.10.4 Hinweise zur Präparation und empfohlene Präparationsroutine 771

6.10.5 Typische Mikrostrukturen von Li-Ionenbatterien 771

6.10.6 Typische Aktivmaterialien für Kathoden und Anoden in Li-Ionenbatterien 772

6.10.7 Zukünftige Batterietechnologien 773

6.11 Quellen und Literatur 776

7 Hochleistungskeramik 779

7.1 Arten der Hochleistungskeramik 779

7.2 Herstellung keramischer Werkstoffe 779

7.3 Mechanische Festigkeit keramischer Werkstoffe 781

7.4 Materialeigenschaften und Anwendungen 784

7.4.1 Aluminiumoxid 784

7.4.2 Zirkoniumoxid 784

7.4.3 Siliciumcarbid 787

7.4.4 Siliciumnitrid 787

7.5 Weiterführende Literatur 788

Anhang

A Atomare Konstanten technisch wichtiger Metalle und Metalloide (Raumtemperatur) 789

B Physikalische Eigenschaften technisch wichtiger Metalle und Metalloide 791

C Angaben von Mengenanteilen in stofflichen Systemen 793

D Ansetzen von prozentualen Lösungen 795

E Metallographische Ätzmittel 797

Index 811

Über Autor(innen)

Heinrich Oettel war von 1991 bis 2005 Professor für Metallkunde an der TU Bergakademie Freiberg. Seine umfangreiche Lehr- und Forschungstätigkeit umfasst insbesondere die Gebiete Werkstoffwissenschaft, Gefügeanalyse/Metallografie, metallische Werkstoffe und Werkstoffbeschichtungen. Er war als Herausgeber bereits bei früheren Auflagen des "Schumann" beteiligt.
 
Gaby Ketzer-Raichle ist ausgebildete Metallographin (Berufskolleg für Metallographie und Werkstoffkunde am MPI für Metallforschung in Stuttgart) und hat mehr als 30 Jahre Erfahrung in Anwendung und Lehre der Metallographie (Vautid Verschleißtechnik, MPI für Metallforschung in Stuttgart, GSI mbH Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Fellbach). Seit 2014 ist sie an der Hochschule Aalen im Institut für Materialforschung tätig. Dort leitet sie das Materialographielabor, betreut Studien- und Forschungsarbeiten und vertritt die Metallographie in der Lehre.

Heinrich Oettel studierte von 1959 bis 1964 Metallkunde in Freiberg und war von 1991 bis 2006 Professor für dieses Fachgebiet und Institutsleiter an der TU Bergakademie Freiberg. Seine umfangreiche Lehr- und Forschungstätigkeit im Bereich Werkstoffwissenschaft umfasst insbesondere die Gebiete Gefügeanalyse und Metallographie sowie Struktur und Eigenschaften metallischer und oberflächenbehandelter Werkstoffe. Er war seit der 14. Auflage Herausgeber des „Schumann“.

Gaby Ketzer-Raichle ist ausgebildete Metallographin (Berufskolleg für Metallographie und Werkstoffkunde am MPI für Metallforschung in Stuttgart) und hat mehr als 35 Jahre Erfahrung in Anwendung und Lehre der Metallographie in Industrie und Forschung. Seit 2014 ist sie an der Hochschule Aalen im Institut für Materialforschung tätig. Dort leitet sie das Materialographielabor, vertritt die Metallographie in der Lehre und betreut Studien- und Forschungsarbeiten.