Werkstoffe & Fertigung

WERKSTOFFE & FERTIGUNG
Kristallzustand der Metalle:
Anordnung von Atomen in unterschiedlichen Ordnungsstufen:
Unordnung (Gase)
 Nahordnung (Amorphe Festkörper)

Fernordnung (Metalle)
Elementarzelle
Kleinste Einheit eines Kristallgitters, die noch alle Merkmale des gesamten Gitters aufweist.






Bestimmt durch sechs Konstanten:
a  a ; b  b ; c  c ; ab   ; ac   ; bc  
0
0
0
Kristallsysteme 7 Kristallsysteme, 14 Bravais-Gitter, in Eckpunkten nicht
zwingend Atome!
Gitteraufbau
Metallische Bindung richtungsunabhängig
 Kristallisation oft mit hoher Symmetrie und dKp  kfz, hdp
Kenngrössen der Elementarzelle:
Atomanzahl je Elementarzelle (A/E)
Koordinationszahl KZ (Anzahl nächster Nachbaratome)
Gitterkonstante a
Packungsdichte PD, Raumfüllung einer EZ mit Atomen
A/E Atomvolume n pro Elementarz elle

V/E
Volumen der Elementarz elle
Packungsdichte:
PD 
Kugelvolumen:
4
  r3
3
Stapelfolge
Darstellung des Raumgitters durch dichtest gepackte Gitterebenen
Allotrope Umwandlung
Änderung des Gittertyps bei bestimmten Temperatur- und Druckbereichen.
z.B.
Sn (tetr. rz.)
 16 C°
 tetragonal (Zinnpest)
Fe (krz)
 1401 C°
 krz-kfz
Bezeichnung von Punkten, Geraden und Ebenen im Raumgitter
Richtung
xyz
Richtungsfamilie, gleicher Atomabstand (kristallographisch äquivalent)
xyz
hkl 
hkl
Ebene, Ebenennormale, ebenen mit gleicher PD!
Ebenenfamilie, (kristall. ä.)
Anisotropie und Textur
Anisotropie
Abhängigkeit der Eigenschaften von der Richtung
Isotropie
Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften
Quasi-Isotropie
Viele anisotrop angeordneten Elementen  gesamtes System q.-i. (Körner  Metallstück)
Textur
Bevorzugte Richtung der Körner. Entstehen durch Verformung, Glühen, Erstarrung,… Näherungsweise idealen Lage: Orientierung:
hkluvw ; (Walzebene)[Walzrichtung]
Realstruktur: Gitterbaufehler (Gbf)
„Fehler“ ↔ erwünscht, nicht erwünscht
Struktur. Fehlordnung
0-2D Gitterbaufehler
Chem. Fehlordnung
In das Kristallgitter eingebaute Fremdatome (z.B. Legierung), z.B. Substitutionsdefekte
0-D Gbf:
Leerstellen
Zwischengitteratome.
Frenkel-Defekte
Thermische Gbf
Beeinflussen wesentlich Materialeigenschaften. Für Diffusion von Nöten.
(Gitterlücken, Schottky-Defekte), im thermischen Gleichgewicht.
1D-Gitterfehler
Versetzungen
Burgersumlauf, -vektor
Versetzungen.
Linear gestörte Gitterbereiche. Entstehen beim Erstarren und durch mechanische Verformung.
Verzerrungsvektor. Ändert sich nicht innerhalb der Versetzung!
Schraubenversetzung:
Stufenversetzung:
Versetzungsenergie:
 
b//τ
 
b  τ , eingeschobene Halbebene

~ b 2 , relativ klein (da „Raupenbewegung“), kleinstmöglicher BV!! (da Energie quadratisch zunimmt),
Leerstellenatom  Zwischengitteratom.
0-D Gbf durch Temp.erhöhung erzeugbar, durch Temp.erniedrigung vernichten, jedoch nicht immer temperaturabh.!
NICHT im thermodynamischen G.lg. Versetzungslinien geschlossen oder bis Korngrenze


b  an0 uvw , b  an u 2  v 2  w 2
0
Gleitrichtung
Gleitebene:
Gründe für Versetzung:
// Burgersvektor.
Bewegt sich bei der Versetzung, in der Regel dKg! Fläche aus Burgersvektor und Stufenversetung
Ausscheiden von überschüssigen Leerstellen, Abbau von Spannungen...
2D-Fehler
Stapelfehler
Stapelfehler, klein- und grosswinklige Korngrenzen, Zwillingsgrenzen
In der Gleitebene hinter der unvollständigen Versetzung verbleibt ein ebener Defekt. Er kann als Folge einer vollständige
Versetzung erzeugt werden. Somit muss der Burgersvektor eine vollständige Versetzung zuweisen.
Stapelfehlerenergie
d ~
1
 St
Klettern schwer möglich: kleine Stapelfehlerenergie
 St
Korngrenze:
Klein  korngrenzen:
Gross  korngrenzen:
Zwillingkorngrenze:
Grenzfläche zwischen Kristallen einer Phase (aber auch: unterschiedlicher Struktur und Zusammensetzung)
b
Θ < 5°,
Versetzungsabstand
D
radΘ
Θ > 5°, meist Θ > 20°, 2-5 Atome breit
koheränte(„geht auf“), inkohärente („geht nicht auf“) Zwillingsgrenze (kommt vor beim Zinnschrei). Schnelle, mechanische
Verformung, behindern den Gleitprozess
Gefüge:
Legierung:
Mischkristall:
Kristallgemisch:
Gitteraufbau bei Mk:
Subst-Mk, Überstruktur:
Bedingung
Anordnung von Gbf, die nicht im thermodynamischen Glg. sind: Korngrenzen, Phasengrenzen, Versetzungen
 aus Komponenten
–Mischbarkeit?→
Phasen
feste Lösung, d.h. Komponenten sind gelöst, mischbar.
aus mindestens zwei Phasen, nicht lösliche Mk.
Austausch- (Substitutions-) oder Einlagerungsmischkristalle (Zwischengitterplatzatome)
Regelmässige Anordnung in der Elementarzelle
für lückenlose Mischkristallreihe:
gleicher Gittertyp, Differenz der Atomradien <15%, keine grosse chem. Affinität.
Vergard’sche Regel:
a
Einlagerungs-Mk
c1/2 Konzentration Komponenten A/B
Radienverhältnis: r2  0.58 ; N, O, C, H besonders geeignet
c1a1 c2 a2
100
, a Gitterkonst. Mk,
r1
a1/2 Gitterkonst. Komponente A/B
Legierungskunde – Zustandsdiagramme
Zustandsvariablen:
Thermodyn. System festgelegt durch: p, T, C (Zusammensetzung = Massengehalt = Stoffmengengehalt) w  m A , x n A
A
A
Komponenten:
Phasen:
Phasengemsiche
System:
Unabhängige Ausgangsstoffe
Homogene Bestandteile des (thermodynamischen.) Systems
Inhomogene Bestandteile des Systems.
Gesamtheit aller Glg.zustände von Komponenten.
Thermodynamik
p=konst:
Thermodyn. Glgewicht:
wenn
m
Tangentenbedingung:
Phasenregel:
Übergang:
Einphasenraum (F=2):
G  H  TS G = Freie Enthalpie (Innere Ennergie),
TS =durchlaufende Energie, S = Entropie
n
H =Enthalpie (zugeführte Energie),
G relativ im Minimum. solange atomare Umlagerung, bis dies der Fall ist.
dGS dGMk

dw
dw
P  F  K  1 falls p=konst.!
 Knickpunkte: F=0, Haltepunkte: F=1
Liquiduslinie  Zweiphasenfeld  Soliduslinie
P  F  K  2 , F= Freiheitsgrade.
Durch Legieren wird Schmelzpunkt verändert
Zustandspunkte der Phase und der Legierung fallen zusammen
Zweiphasenraum (F=1): Gehalte der Phasen immer ungleich der Gehalte der Legierung
Ges.d. wechs. Phasenzahl: Phasenzahl aufeinander folgender Glg.zustände ist immer um eins verschieden.
w A  w AK1
b
mK1 
mK
ab 1
w A  wA
a
mK
ab 1
m b

m a
Hebelgesetz:
m  m  m K1
Dreiphasenraum (F=0):
Dreiphasengleichgewicht: eutektische oder peritektische Umwandlung. (Dreiphasenraum ist eine Gerade!)
Begriffe
Vollkomm. Unlöslichkeit:
Völlige Mischbarkeit:
Komponente = Phase  Phasengemisch
Hebelgesetz!
Entmischung:
  1   2
Überstrukturbildung:
 
m 
m 
(Zerfällt, da α in best. Bereich instabil),
(Substitutions-Mk geht über in eine Überstruktur)
Begrenzte Löslichkeit im festen, vollständig Löslichkeit im flüssigen Zustand.
Eutektische Erstarrung
falls Schmelztemperaturen der Komponenten ähnlich:
S   e   e , im eutektischen Punkt bei eutektischer Temp. Te, wo drei Phasen ihr Glg. haben. (1 Phase  2 Phasen)
Über-, untereutektisch.
Eutketikum
Eutektoid
Im jeweiligen Konzentrationsbereich vor oder nach dem eutektischen Punkt.
 Gusslegierungen (niedrige Schmelztemperatur, feines Kristallgemisch)
ähnlich, „abgeschnitten“, ohne Schmelze, „sekundäres Eutektikum“
Peritektische Erstarrung
falls Schmelztemperaturen verschieden:
S   pr   p , im peritektischen Punkt bei peritektischer Temp. Tp, wo drei Phasen ihr Glg. haben. (2 Phasen  1 Phase)
Peritektoid
Intermetallische Phase:
Ausscheidung:
Mengendiagramm
„Hüllenbildung“
ähnlich
Phase, die nicht im Gittertyp ihrer beiden Komponenten kristallisiert.
1) A, B im Verhältnis m:n, oder
2) Verbindusmischkristall ε (Substitution…)
bei veränderlicher Löslichkeit sekundäre Mischkristallanteile.
Hebelgesetz in graphischer Form. Zu jedem Mischverhältnis w gibt
man die „Hebel“ auf der Ordinate wieder
Metastabiles System Fe-Fe3C
Eisen bildet entweder metastabiles Gleichgewicht (Fe + Zementit), oder
ein stabiles Gleichgewicht (Fe + Graphit).  Diffusion ermöglicht metastabilen Zustand.
Dort tritt C in einer intermetallischen Verbindung auf (Fe3C).
Eutektoide Umwandlung:
   ed  Fe3Ced
Austenit verwandelt sich in Perlit!!
0.8%  0.02%  6.67%
Eutektische Umwandlung
S   e  Fe3Ce
Schmelze verwandelt sich in Ledeburit I
(Eutektikum)
4.3%  2.06%  6.67%
Bei weiterer Abkühlung scheidet sich Sekundärzementit aus dem  e
Schliesslich, nach erreichen der eutektoiden Temperatur, entsteht Ledeburit II=  ed  Fe3Ced  Fe3Csek