1. Einführung 2. Aufbau kristalliner Werkstoffe
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1. Einführung 2. Aufbau kristalliner Werkstoffe Metalle bilden nur im festen Zustand Kristalle. Regelmäßiger Aufbau, räumlich. (Fehlt kristalliner Aufbau, so sind Stoffe amorph ⇒ Glas, Kunststoff) Eigenschaften metallischer Stoffe hängen ab von - Bindungsarten - Kristallstruktur 2.1 Bindungsarten Wesentlich ist die äußere Schale und die dort befindlichen e-. Atome möchten in gesättigten, stabilen Zustand übergehen ⇒ Abgabe oder Aufnahme von e-. 2.1.1 Metallische Bindung Metalle + Metalllegierungen z. B. Cu; AlMg; Metalle haben 1 – 3 e- auf äußerer Schale → Abgabe von e→ Ion+ → freie e- Eigenschaften: - gute elektrische Leitfähigkeit (wegen freien e-) gute Verformbarkeit (wegen leichtem Abgleiten der Ionen) Prüfung! 2.1.2 Kovalente Bindung (Elektronenpaarbindung) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 1 Halbleiter (Halbmetall) und Halbleiterlegierungen z. B. Si, GaAs, Ge, InAb 4 e- auf äußerer Schale → e- werden nicht abgegeben → e- der Nachbaratome werden mitbenutzt → paarweise ⇒ Elektronenpaarbindung Bindung erfolgt durch Elektronenpaare und positive Ionen. ⇒ keine freien e- Eigenschaften: - keine elektrische Leitfähigkeit (keine freien e-) (Leitfähigkeit möglich durch Störstellen, Wärme, Licht usw. siehe Kap 13) - schlechte Verformbarkeit 2.1.3 Ionenverbindung Metall + Nichtmetall z. B. NaCl Me: Na gibt 1e- ab → Ion+ NMe: Cl nimmt 1 e- auf → Ion- ⇒ Ladungen führen zur Bindung Eigenschaften: - keine elektrische Leitfähigkeit (keine freien e-) (Unter Einfluss eines äußeren Feldes wandern Ionen in wässriger Lösung ⇒ Massentransport, Elektrolyse/Galvanik) 2.2 Kristallstrukturen 2.2.1 Aufbau eines Idealkristalls Kristallgitter: geometrischer, regelmäßiger Aufbau der Ionen Gitterabstand = Gitterkonstante = a Ionenabstand (Gleichgewichtszustand der Abstoß- und Anziehungskräfte) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 2 Aufbau eines Idealkristalls Zur Beschreibung eines Kristallgitters dient die Elementarzelle. Da a in den verschiedenen Gitterebenen nicht gleich sein muss, gibt es 7 unterschiedliche Elementarzellen. Für Metalle sind besonders wichtig: - kubische Elementarzellen - tetragonale Elementarzellen - hexagonale Elementarzellen Hieraus folgen 3 Modifikationen: Prüfung o Kubisch raumzentrierte Elementarzelle (KRZ): Eigenschaften: schlechte Verformung, z. B. Mo o Kubisch flächenzentrierte Elementarzelle (KFZ): Eigenschaften: sehr gut verformbar (Abgleiten unter 45°, dichte Packung) (dichteste Ionenpackung unter 45° → Gleitebene) z. B. Al, Cu o Hexagonale Elementarzelle: hexagonale, dichteste (Atom-)Packung (hdp) Bild siehe Umdruck Eigenschaften: nicht verformbar, z. B. Diamant Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 3 Die unterschiedlichen Abstände der Ionen im Kristallgitter haben zur Folge, dass die Eigenschaften des Werkstoffes richtungsabhängig sind. ⇒ Anisotropie (keine Richtungsabhängigkeit: Isotropie) Prüfung! Einige Metalle kristallisieren bei bestimmten Temperaturen um (z. B. KRZ → KFZ) ⇒ Polymorphie oder Allotropie 2.2.2 Beschreibung der Kristalle (Millersche Indizes) Sie kennzeichnen Ebenen () und Richtungen [] im Kristall: - Hauptrichtungen und –ebenen in der kubischen Elementarzelle: Ebenen → Prüfung 2.3 Gefüge Technische Metalle sind vielkristallin (polykristallin) aufgebaut. ⇒ viele Kristalle (Körner) ⇒ Kristallverbund heißt Gefüge Gefüge ist gekennzeichnet durch: - Korngröße (fein-, grobkörnig) - Kornform (globular, stengelartig) - Korngrenzen o Geringere Bindungskräfte o Anlagerung von Verunreinigungen o Beginn von Ausscheidungen Prüfung: Gefüge zeichnen Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 4 Homogene Gefüge: reine Metalle, Mischkristalle Heterogene Gefüge: 2 Mischkristalle nebeneinander vorhanden (α + β MK) Mischungslücke Eigenschaften kristalliner Werkstoffe: - kristalline Werkstoffe reagieren quasi-isotrop (Einzelkristall → anisotrop; die Anisotropie der Einzelkristalle wirkt sich auf den Werkstoff nicht aus, da die Elementarzellen räumlich regellos verteilt sind.) - Durch Wärmebehandlung und Walzen erhält man eine Ausrichtung der Elementarzelle ⇒ anisotroper Werkstoff ist dann texturbehaftet anisotrop (Textur) 2.4 Gitterbaufehler Technische Metalle sind nicht fehlerfrei aufgebaut (kein Idealkristall) Fehler entstehen durch: - Herstellung - Mechanische Bearbeitung - Wärmebehandlung - Bestrahlung mit energiereichen Teilchen 2.4.1 Punktförmige Gitterbaufehler a) Leerstelle b) Zwischengitteratom (SchottkyDefekt) c) Substitutionsatom (Fremdatom) d) Einlagerungsatom (Fremdatom) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann FrenkelDefekt 5 2.4.2 Linienförmige Gitterbaufehler (Versetzungen) a) Stufenversetzung: Gittergerade wird nicht fortgesetzt b) Schraubenversetzung: Gittergerade wendelförmig versetzt 2.4.3 Flächenförmige Gitterbaufehler a) Korngrenzen: 2 Kristalle mit unterschiedlicher Orientierung der Gittergeraden werden durch Korngrenze getrennt b) Zwillingsgrenze: Bereiche klappen in andere Orientierung um Eigenschaften durch Gitterbaufehler: Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 6 (Zug-)Festigkeit Rm ↑; elektrische Leitfähigkeit κ ↓; Anwendung: - Legierungstechnik - Halbleitertechnik (Dotieren) 2.5 Erstarren einer reinen Metallschmelze Abkühlungskurve Prüfung! 1) Punkt T1, t1: Kristallisationskeime bilden sich (= Verunreinigungen) 2) T1, t1 bis t2: Metall-Atome lagern sich mit beliebiger Orientierung, räumlich an Keime an 3) T1, t2: Kristallwachstum ist beendet (alles fest) und Körner sind durch Korngrenzen begrenzt Primärkristallisation ⇒ Primärgefüge - Form und Größe der Kristalle (Körner) 1) Gleichmäßige Abkühlung 2) Ungleichmäßige Abkühlung 3) Langsame Abkühlung 4) Rasche Abkühlung ⇒ globulares Gefüge ⇒ Stengelförmige Körner ⇒ weniger Keime ⇒ grobes Korn ⇒ viele Keime ⇒ feines Korn 3. Zustandsdiagramm Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 7 Werkstoffe bestehen in der Regel aus verschiedenen Atomen ⇒ Legierung ⇒ bestimmte Eigenschaften 3.1 Legierungsbildung 1) Mischkristalle Bei der Mischung von Atomen A und B entstehen Mischkristalle die sich je nach Verteilung unterscheiden o Substitutions-Mischkristalle Besetzen B-Atome die Plätze des Wirtsgitters aus A-Atomen: Statistisch verteilt: Überstruktur (regelmäßig) Entmischung (Clusterbildung) o Einlagerungs-Mischkristalle B-Atome besetzen Zwischengitterplätze 2) Intermediäre Verbindungen Chemische Verbindungen, sehr hart, spröde ⇒ Anwendungen nur in besonderen Fällen o Intermetallische Verbindung Metall + Metall ⇒ metallische Eigenschaft (Al2Cu, Nb2Su, NbTi50) o Interstitielle Verbindung Metall + Nichtmetall ⇒ nichtmetallische Eigenschaft (Karbide, Nitride) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 8 3.2 Primärkristallisation bei Legierungen - Kristallisation erfolgt unter 3 Randbedingungen: o Temperatur T o Konzentration c o Druck p - Kristallisation erfolgt in der Regel bei 1 bar Druck ⇒ ebenes Diagramm T-c-Diagramm ⇒ Zustandsdiagramm Bei Abkühlung entstehen verschiedene Phasen (Metalle sind begrenzt durch Phasengrenzen): o Schmelze o Reine Metalle o Mischkristalle o Intermediäre Verbindungen o Gemische → Schmelze + MK → MK + MK 3.2.1 Vollkommene Löslichkeit im festen Zustand Bildung eines lückenlosen Mischkristalls aus Atome A (Ni) und B-Atomen (Cu) - Zustandsdiagramm Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann - Abkühlungskurve 9 - Entstehung der Seigerung (Schichtenmischkristalle) (entsteht immer, nach theoretisch unendlich langer Diffusion Ausgleich) Ausgleich über Diffusion 3.2.2 Vollkommene Unlöslichkeit im festen Zustand Kein Mischkristall!! Es entstehen nur A (Cd) und B-Kristalle (Bi)! - Zustandsdiagramm - Abkühlungskurve E: Eutektikum („gut schmelzend“) - 2 Kristalle (A + B) - fein verteiltes Gefüge (feinkörnig) - Haltepunkt - Eutektische Reaktion: S ↔ A + B Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 10 3.2.3 Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand Systeme mit Mischungslücke 1) Eutektische Systeme (TSA ≈ TSB) z.B. AlSi, es entstehen nur Mischkristalle und Gemische aus Mischkristallen!! - Zustandsdiagramm - Abkühlungskurve E: Eutektikum, feines Gefüge Eutektische Reaktion: S ↔ α + β Unter Löslichkeitsgrenze bilden sich Segregate (Ausscheidung eines festen Bestandteiles aus einem festen Bestandteil Diffusion) - Abhängigkeit der Leitfähigkeit κ vom Zustandsdiagramm Prüfung! κ ↑ bei reinen Werkstoffen (100%) κ ↑ bei feinem Gefüge (Eutektikum) κ ↓ bei Mischkristallen Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 11 2) Peritektische Systeme TSA << TSB z.B. Ag-Pt - Zustandsdiagramm - Abkühlungskurve P: Peritektikum (ringsherum schmelzend) Peritektische Reaktion: S + β ↔ α 3.2.4 Zusammengesetzte Zustandsdiagramme - Zustandsdiagramm - Abkühlungskurve V = Intermetallische Verbindung Eigenschaften: - Hart und spröde - chemische Verbindung - technisch nur selten in der Anwendung - verhält sich wie Reinmetall Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 12 4. Eisenwerkstoffe wichtigster Konstruktionswerkstoff 4.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm - Realsystem (max. bis 2% C) - Abkühlungskurve von reinem Eisen E = Eutektoid Gefüge bei 0,8%: Perlit Einteilung der Fe-Werkstoffe 4.2 Phasen und Gefüge Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 13 α-Mischkristall: (Ferrit) - reines Eisen, max. 0,02% C - ferromagnetisch bis Curie-Temperatur, 769º, danach paramagnetisch - kubisch raumzentriert γ-Mischkristall: (Austerit) - bis max. 2% C - kubisch flächenzentriert Fe3C: (Zementit), Eisenkarbid - intermetallische Phase (6,67% C) - sehr hart, sehr spröde (HV = 11 000 Nmm-2) - Umwandlung in Graphit möglich durch „tampern“ (Grauguss) langes Glühen nötig (= tampern) Fe3C zerfällt in 3F und C; C = Graphit Perlit: eutektoider Zerfall des –Mischkristalls in Perlit γ ↔ α + Fe3C bei 0,8% C, Gefüge feinlamellar; untereutektoides Gefüge eutektoides Gefüge übereutektoides Gefüge 4.3 Bezeichnung und Anwendung Normung DIN 17 006 vorangestellt ↑ Herstellverfahren Kern nachgestellt ↑ Wärmebehandlung a) Kennzeichnung nach Eigenschaften (⇒ Zugfestigkeit) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 14 Massenstähle, die nicht wärmebehandelt werden (C-Gehalt nicht wichtig) St 37 Euronorm: StE370 = Baustahl mit Mindestzugfestigkeit Rm = 370 N/mm2 = Baustahl mit Mindestzugfestigkeit Rm = 370 N/mm2 b) Kennzeichnung nach Analyse Qualitätsstähle, geeignet für Wärmebehandlung u. a. 1) Unlegierter Qualitätsstahle (Fe, C) C-Gehalt wird angegeben mit Kennzahl 100: C15 = Unlegierter q-Stahl mit 15/100% C, Rest Fe (⇒ Einsatzstahl) C22 = Unlegierter Q-Stahl mit 0,22% C, Rest Fe (⇒ Vergütungsstahl) Ck22 = Unlegierter Q-Stahl mit 0,22% C, Rest Fe, k ⇒ besondere Reinheit bez. P, S (wenig) 2) Niedrig legierter Qualitätsstahl <5% vorangestellt wird C-Gehalt mit Kennzahl 100, dann Elemente mit fallendem Prozentgehalt mit folgenden Kennzahlen: 4: Cr, Co, Mn, Ni, Si, W (Chrom konnte man nicht sicher wahrnehmen) 10: Alle übrigen, außer 100: C, N, S, P Beispiel: 13CrMo44 ⇒ Niedrig legierter Q-Stahl mit 0,13% C, 1% Cr, 0,4% Mo; Rest Fe 25CrMo4 ⇒ Niedrig legierter Q-Stahl mit 0,25% C, 1% Cr, <1% Mo; Rest Fe 60SiMn5 ⇒ Niedrig legierter Q-Stahl mit 0,6% C, 1,25% Si, < 1% Mn; Rest Fe 3) Hochlegierter Qualitätsstahl > 5% vorangestellt X, dann C-Gehalt mit Kennzahl 100, dann Elemente nach fallenden Prozentgehalten ohne Kennzahlen! Beispiel: X200Cr13 ⇒ Hochlegierter Q-Stahl mit 2% C, 13% Cr, Rest Fe X12CrNiTi188 ⇒ Hochlegierter Q-Stahl mit 0,12% C, 18% Cr, 8% Ni, Ti < 1%, Rest Fe Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 15 4.4 Eigenschaftsänderungen von Eisenwerkstoffen 1) Legierungstechnik (Änderung der chemischen Zusammensetzung) a) Verschiebung der Phasengrenzen - Ferritbildner: ⇒ α-Mischkristall: Cr, Si, Al, ... - Austernitbildner: ⇒ γ-Mischkristall: Ni, Co, Mn - Karbidbildner: ⇒ sehr hart, spröde: Nb, W (1 für Prüfung) b) Elemente mit besonderen Wirkungen und Eigenschaften Rm ↑: Mn, Ni, Cr Warmfestigkeit ↑: W, V Magnetismus ↑: Al, Ni, Co Korrosionsfestigkeit ↑: Cr 2) Wärmebehandlung (Glühen, Umwandlungshärte, Ausscheidungshärte, Härteverfahren, ZTU-Diagramm) 3) Verformung: plastisch 5. Wärmebehandlung - - Verfahren, um mit Temperaturänderungen Eigenschaften zu erzielen (im festen Zustand) ⇒ Diffusion Zwei Verfahren: o Glühen ⇒ Gleichgewichtszustände im Gefüge o Härten ⇒ Ungleichgewichtszustand im Gefüge Temperaturführung (T-t-Diagramm) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 16 5.1 Diffusion temperaturabhängiger Platzwechsel von Atomen Leerstelle ⇒ Massentransport Zwischengitterplatz Je höher die Temperatur, desto größer Schwingungsfrequenz der Atome. Diese können ihren Platz leichter wechseln. Durch Temperaturerhöhung wird „Aktivierungsenergie“ zugeführt, die Diffusion einleitet. Diffusion wird durch Gleichgewichtszustand beendet. Diffusionsvorgänge: - Ausgleich von Konzentrationen im Zonen-Mischkristall - Rekristallisation Kriechvorgänge 5.2 Glühen Gefüge wird durch Glühen in Gleichgewichtszustand versetzt - Abkühlungszeit ↑↑↑ - Abkühlungsgeschwindigkeit ↓↓↓ Bei Eisenwerkstoffen 6 Glühverfahren (siehe Umdruck) 5.3 Umwandlungshärten (bei Fe) Herstellung von Ungleichgewicht im Gefüge ⇒ Vab ↑; Zab ↓; Abkühlung an γ-Gebiet Diffusion nimmt ab → weniger α bzw. Perlit kann entstehen Abhängigkeit von Abkühlungsgeschwindigkeit () entstehen 3 Gefüge: a) Perlitstufe b) Zwischenstufe c) Martensitstufe (Martensit) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 17 5.3.1 Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild (ZTU-Diagramm) Umwandlung von γ–Mischkristall abhängig von Vab und T wird in ZTU-Diagramm dargestellt. Das FeC-Diagramm gilt theoretisch nur für Vab → 0. Praktisch ist Vab immer > 0, es entstehen Ungleichgewichte. FeC-Dagramm wird durch 3.Achse (Vab) ergänzt zu einem räumlichen Diagramm. Ebene Schnitte zur Vab-T-Ebene liefern ZTU-Diagramme Vuk: unterkritische Abkühlungsgeschwindigkeit Vok: oberkritische Abkühlungsgeschwindigkeit Gefügeerklärung: siehe Umdruck Perlitstufe: langsame Abkühlung aus γ–Gebiet Diffusion → γ-Mischkristall wird umgewandelt in → α-Mischkristall → Perlit (α + Fe3C) Skizze siehe oben Zwischenstufe: schnelle Abkühlung Diffusion nimmt ab → Perlitstufe (α + Fe3C) → γ ⇒ α übersättigt mit Fe3C) Martensitstufe: sehr schnelle Abkühlung Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 18 Keine Diffusion → kein α!! → α übersättigt (Martensit) 5.3.2 Härteverfahren Siehe Umdruck 5.5 Verfahren werden am ZTU-Diagramm dargestellt 1) Normalglühen (N): Nahezu Gleichgewicht →α → α + Fe3C 2) Einfaches Härten (H): Starkes Ungleichgewicht, 100% Martensit, sehr spröde, hart (Glashärte) (durch Vergüten wird Glashärte genommen) 3) Gebrochenes Härten (G): Ungleichgewicht, 100% Martensit, (Wasser + Öl) ⇒ hartes Gefüge (nicht glashart) 4) Warmbadhärten (W): z. B. Zwischenstufe (Wasser + Salzbad mit konstanter Temperatur) 6. Mechanische Eigenschaften 6.1 Elastische Verformung Keine bleibende Verformung. Atome ändern ihre relative Lage zueinander nicht! Verformung hängt ab von: Atombindung, Kristallaufbau (Kfz ↑, Krz ↓) Gitterbaufehler, Legierung, Wärmebehandlung z.B. Einfluss der Legierung auf Festigkeit (Verformung) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 19 Spannungs-Dehnungs-Diagramm Zugkraft (-spannung) über Verlängerung (Dehnung) auftragen St37: ausgeprägte Fließgrenze Reh = Fließgrenze Rm = Zugfestigkeit A5 = Bruchdehnung Tan α = E: Elastizitätsmodul St80: keine ausgeprägte Fliessgrenze Rp02: (konstruierte Fließgrenze) Streckgrenze Rm = Zugfestigkeit Abgelesen werden: Fließgrenze, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul, Bereich elastischer und plastischer Verformung, Bruchdehnung, Bruchaussehen (Probe): → Verformungsbruch (Einschnürung stark) → Sprödbruch (keine Einschnürung) → Mischbruch (Einschnürung schwach) 6.2 Plastische Verformung Bleibende Verformung, Atome ändern Lage zueinander! Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 20 Dann notwendig Schubspannung 6.2.1 Gleitung, Versetzungsbewegung, Zwillingsbildung - Gleiten: o Bei Zugbeanspruchung entstehen unter 45° maximale Schubspannungen o Je dichter Atome gepackt sind, desto leichter sind sie verschiebbar, z. B. Kfz ebenfalls unter 45° - Bewegung der Atomreihe ist ein Vielfaches des Atomabstandes o Bevorzugte Gleitebenen: (111): Kfz (110): Krz (0001): hexagon - Versetzungsbewegung o Bei Stufenversetzung kombiniert mit Schubspannung erfolgt ein Gleiten nicht entlang einer Atomreihe, sondern von Atom zu Atom - Zwillingsbildung Gitterbereiche klappen in neue Orientierung um. Diese Bereiche sind zu den unverformten symmetrisch ⇒ Symmetrieebene Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 21 ⇒ Zwillingsebene Unverformt Verformt unverformt Bewegung kleiner als Atomabstand! 6.2.2 Erholung und Rekristallisation Die Änderung der Werkstoffeigenschaften nach plastischer Verformung kann durch „Ausheilvorgänge“ reduziert werden. Durch Kaltverformung wird Energiezustand im Werkstoff erhöht. Tendenz ist aber, in energieärmeren Zustand zurückzukehren 3 Maßnahmen erreichen dies: - Erholung: Geringe Erwärmung (unter Phasengrenze) ⇒ Diffusion ⇒ Abbau innerer Spannungen ⇒ kein neues Gitter - Rekristallisation: Höhere Erwärmung (unter Phasengrenze): ⇒ Diffusion ⇒ vorhandene innere Energie (durch plastische Verformung) + Wärmeenergie ⇒ neue Keime ⇒ neues Gitter (Aufbau wie ursprüngliches Gitter) - Grobkornbildung: Hohe Erwärmung (unter Phasengrenze): ⇒ Zusammenschluss von Kristallen ⇒ Große Körner = Grobkorn Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 22 - niedrige plastische Verformung - hohe plastische Verformung 6.2.3 Kriechen (siehe 7.2.4) 6.2.4 Methoden zur Festigkeitssteigerung - Kleine Körner: Je kleiner Korn, desto geringer Versetzungsbewegung (Feinkornbaustahl) plastische Verformung: Verdichtung behindert Versetzungsbewegung Legierungsbildung (Mischkristalle): Fremdatome behindern Versetzungsbewegung Umwandlungshärten: Ungleichgewicht, viele Fehler behindern Versetzungsbewegung Ausscheidungshärten: übersättigte Mischkristalle behindern Versetzungsbewegung 7. Untersuchungs- und Prüfverfahren 7.1 Bestimmung der Zusammensetzung und des Kristallgefüges von Werkstoffen 7.1.1 Analyse und optische Verfahren Qualitativ (Funken, Tüpfel, Brennprobe) Quantitativ (Titration) Optische (Lichtmikroskop) (siehe Umdruck 1.3) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 23 7.1.2 Elektronenmikroskope - Transmissions-Elektronen-Mikroskop (TEM) Durchstrahlung Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) 7.2 Zerstörende Werkstoffprüfung Ermittlung von Werkstoffkennwerten: 7.2.1 Zugversuch Probe wird kontinuierlich steigender (statischer) Zugkraft unterworfen ⇒ Dehnung, Spannung ⇒ Spannungs-Dehnungs-Diagramm - Fließgrenze (Ersatzstreckgrenze) Reh, Rm - Zugfestigkeit Rm - Elastizitätsmodul E = tan α - Bruchdehnung A - Bruchaussehen Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 24 7.2.2 Härteprüfung 1) Brinell: Stahlkugel HB = F / (d2/4 * π) Härteangabe: 120 Härtewert kp/mm2 HB 5 Verfahren D / 250 / 30 F(kp) Einwirkzeit in s oder D = 10mm; F = 3000 kp; t = 10s ⇒ 156 HB Blechdicken > 2 * d! 2) Vickers Diamantpyramide (d1 + d2) / 2 = d Härteangabe: 106 HV 30 Härtewert Verfahren F(kp) HV = F / A / 30 Einwirkzeit in s F = 10 kp; t = 10s ⇒ 99 HV Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 25 3) Rockwellhärteprüfung: zwei Prüfkörper → Konus (cone = C) → Kugel (ball = B) aus gehärtetem Stahl, genormt gemessen wird Eindringtiefe einfaches Verfahren, geeignet für Vergleichs- und Reihenentwicklungen Probendicke: d ≥ 10 * Δtb 4) Dynamische Härteprüfung Poldi-Hammer Federdruckhärtemesser 7.2.3 Kerbschlagbiegeversuch Empirisches Prüfverfahren, Stoßbelastung bei verschiedenen Temperaturen, Pendelschlagwerk Schlagarbeit wird gemessen: W = m g (H – h) Kerbschlagzähigkeit: αk = W / A 0 Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 26 Prüfkörper: ISO DVM Ergebnisse für αk abhängig von T 7.2.4 Dauerfestigkeitswerte σd ⇒ Dauerfestigkeit!! (TechMech) 1) Zeitstandversuch (Kriechen) in Zugstab wird mit konstanter Kraft bei erhöhter Temperatur gezogen. Dehnung wird über Zeit aufgetragen ⇒ Zeitstandversuch! Wegen höherer Beweglichkeit der Atome bei höheren Temperaturen ändert sich deren relative Lage ⇒ Kriechen ⇒ Bedeutung für warmfeste Werkstoffe (Cr, CrNi) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 27 Kriechkurve I: Übergangskriechen: Verfestigung, geringe Erholung II: Stationäres Kriechen: Verfestigung und Erholung im Gleichgewicht (Arbeitsbereich) (III: Tertiäres Kriechen: keine Verfestigung, nur Erholung, kein Arbeitsbereich) gemessener Kennwert ist Zeitstandfestigkeit: Rm,t,T z. B. Rm,10000,600 = 370 N/mm2 10000h 600ºC 2) Wöhlerkurve (σb, τt, σt...) Bauteil wird dynamisch (schw, w) beansprucht und Spannung bei Bruch zusammen mit den Lastwechseln gemessen. Beide Werte werden logarithmisch aufgetragen ⇒ Wöhlerkurve 7.3 Zerstörungsfreie Prüfverfahren keine Kennwerte, nur Fehler (immer an Oberfläche) 7.3.1 Röntgendurchstrahlverfahren Röntgen- bzw. Gammastrahlen durchdringen Metalle (je kleiner λ, desto besser Durchdringung) Strahlung wird je nach Homogenität abgeschwächt und Reststrahlung hinter Bauteil auf Film registriert Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 28 Fehler: Risse, Lunker (Lufteinschlüsse), Inhomogenität im Innern!! 7.3.2 Ultraschall-Verfahren Schallwellen dringen in Bauteil ein (0,5 – 10 MHz) Hochfrequenter Schallstrahl kann fokussiert werden, daher auch kleine Fehler sichtbar. Ankopplung an Bauteil über Öl, dabei Luftspalt-Totalreflexion Fehler: Risse, Lunker, Doppelungen, Schweißnaht-Einschlüsse, auch Wanddickenmessungen 1) Impulsechoverfahren Schallkopf und Empfänger in einem Prüfkopf a) Einkopplungsecho b) Rückwandecho c) Fehlerecho Fehler: Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann Risse, Lunker, Doppelungen, Wanddickenmessung 29 2) Durchschallverfahren 2 Prüfköpfe → Schallkopf → Empfänger Fehler: Schweißnahtprüfung Fehler innen!! 7.3.3 Farbeindringverfahren Flüssigkeit mit geringer Viskosität und Oberflächenspannung dringt in Oberflächenrisse ein (Kapillarwirkung). Nach Abwaschen wird Bauteil mit Kreidefilm überzogen, Flüssigkeit dringt in trockenen Kreidefilm ein, dadurch Sichtbarmachung des Fehlers. 7.3.4 Magnetpulververfahren Makroskopische Risse in oder dicht unter der Oberfläche von Bauteilen aus ferromagnetischen Werkstoffen können erkannt werden. Der Verlauf der Kraftlinien eines magnetischen Feldes wird durch Fehler gestört. Eisenspäne in Ölemulsion machen Kraftlinien sichtbar. 7.3.5 Schallemissionsprüfung Zur Feststellung von Rissentstehung bzw. Risswachstum. Wenn ein Riss entsteht, gehen von den sich bewegenden Atomen Schallwellen aus. Diese werden mit Spezialmikrofonen abgehört. Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 30 8. Elektrische Eigenschaften im Festkörper - Atomaufbau → positiv geladener Kern → negativ geladene Elektronen Atom ladungsneutral - Bindungsmechanismen der Atome (Kap. 2.1) o metallische Bindung o kovalente Bindung o Ionenbindung 8.1 Bändermodell Die Lage jedes Elektrons ist gegenüber dem Kern durch ein bestimmtes Energieniveau gekennzeichnet. Modell für 1 Atom Treten viele Atome in Wechselwirkung, so werden die Energieniveaus der äußersten Schalen am stärksten gestört (Pauli-Prinzip). Es treten Energiebänder auf. Für die elektrische Leitfähigkeit sind die beiden äußersten Energiebänder maßgeblich. Das äußerste Band ist nicht oder nur teilweise mit Elektronen besetzt und wird Leitungsband genannt. Das darunterliegende Energieband ist vollbesetzt mit Elektronen und wird Valenzband genannt. Stromleitung beruht auf gerichteter Bewegung der Elektronen, z. B. unter Einfluss eines äußeren Feldes (Energiezufuhr). Damit erhalten Elektronen ein anderes, höheres Energieniveau und können somit in andere Energiebänder gelangen. Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 31 3 Leitungsmechanismen werden unterschieden: Isolator (SiO2): Bei Energiezufuhr kann Energielücke nicht übersprungen werden. Halbleiter (Si): Ohne Energiezufuhr bleibt Leitungsband leer (=Isolator). Mit Energiezufuhr gelangen e- von Valenzband in Leitungsband, d. h. Freie Elektronen befinden sich im Leitungsband (=Leiter) Leiter: Leitungsmechanismus im Valenzband ( freie e-) Leitungsband von Valenzband hier teilweise gefüllt ⇒ freie e- ⇒ Leitungsmechanismus 8.2 Elektrische Leitfähigkeit metallischer Werkstoffe z. B.: Ag Cu Au Al κ = 63 * 106 S/m κ = 57 * 106 S/m κ = 46 * 106 S/m κ = 37 * 106 S/m auswendig! (1) Abhängigkeit der Leitfähigkeit κ e- Dichte, Konzentration Anzahl der Elektronen bezogen auf Volumen ne [As/m3] Beweglichkeit μe [m2/Vs] Daraus ergibt sich für κ: Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann κ = n e * μe = 1/ρ 32 Unterschied der Leitfähigkeit zwischen metallischen Leitern und Halbleitern: Leitfähigkeit bei metallischen Leitern abhängig von ne (Konzentration) und bei Halbleitern von μe (Beweglichkeit) 3) Einfluss auf die Leitfähigkeit κ κ wird umso größer, wenn o Der Reinheitsgrad der Kristalle sehr hoch ist (keine Legierung, keine Mischkristalle) (OFHC-Cu; SE-Cu ⇒ Sauerstofffrei!) Leitfähigkeit wird mit größerem Legierungsanteil geringer, da stärkere Gitterverspannung und Abbremsung der freien Elektronen durch ungleiche Atomrümpfe Prüfung! o Kristallgitter wenig oder gar nicht elastisch bzw. plastisch verformt sind. Keine Kaltverformung = keine Gitterverspannung und unregelmäßige Anordnung der Atomrümpfe o Werkstoff wenig Kristallgrenzen aufweist (gut: monokristallin (Einkristall), grobkörniger Werkstoff schlecht: polykristalliner, feinkörniger Werkstoff) o Temperatur im Leiter gering ist (Je höher Temperatur, umso größer Schwingungen der Atomrümpfe. Beweglichkeit nimmt ab) Prüfung: Mathiessen-Regel! In Mathiessen-Regel werden die Einflüsse zusammengefasst. ρ = ρT + ρL + ρV ρT: Temperatureinfluss Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann ρL: Legierungseinfluss ρV: Verformungseinfluss 33 ρ von verschiedenen Werkstoffen der Elektrotechnik: Prüfung: Bereiche von Leiter, Halbleiter, Nichtleiter, Supraleiter Thermoelektrische Effekte (1) Thermospannung, Seebeck-Effekt Befinden sich die Kontaktstellen zweier unterschiedlicher Metalle auf verschiedenen Temperaturen diffundieren Elektronen von der warmen zur kalten Stelle. ⇒ Ith ⇒ Thermoelement Ist die Temperatur bei B bekannt (Raumtemperatur, Eiswasser) kann Temperatur bei A gemessen werden, da ΔT zwischen a und b der Thermospannung proportional ist. die Thermospannung einzelner Elemente bezogen. b. auf Platin ist in der thermoelektrischen Spannungsreihe dargestellt. (Achtung: Elektrochemische Spannungsreihe (Löslichkeit unedler Ionen zu edlen Ionen in wässriger Lösung)) Fe-Konstantan: NiCr-Ni: PtRh-Pt: bis 700ºC 1000ºC 1300ºC (2) Peltier-Effekt Umkehrung von Seebeck Durch Anlegen einer Gleichspannung an zwei unterschiedliche Materialien fließen Elektronen von A nach B und es entsteht eine Temperaturdifferenz. Anwendung: Kühlung elektronischer Schaltungen, Camping Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 34 (3) Janke-Effekt ρ ändert sich abhängig von Temperatur Anwendung: Widerstandsthermometer, Widerstandsheizung 9. Leiterwerkstoffe, Nichteisenwerkstoffe 9.1 Kupfer Kupfer wichtigster Konstruktionswerkstoff in E-Technik E-Cu: hochleitfähiges Cu in der E-Technik (DIN 40 500) Richtwerte: o Reinheit: o κ bei 20ºC: o Wärmeleitfähigkeit: > 99,9% (57 –58) * 106 S/m ↑ hoch Anwendungen: Wärmetauscher, Kühler, Apparatetechnik o Korrosionsbeständigkeit: Cu2O; Anwendung: Wärmetauscher o Festigkeit: ↓ Rm = 220 N/mm2 o Warm- und Kaltverformung: ↑ kfz; kaltverformbar bis 90% HB: Härte Brünell As: Bruchdehnung Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 35 In reinem E-Cu befinden sich herstellungsbedingt kleine Mengen Cu2O, d. h. Sauerstoff. Wird E-Cu unter H-haltigem Schutzgas auf ca. 500ºC erhitzt, reagiert O mit H zu H2O-Dampf. Dampf Cu2O + H2 → 2Cu + H2O ↑ H2O-Dampf → hoher Druck (>1000bar) Dies führt zu Rissen, Poren und Versprödungen in Kupfer. Deshalb sauerstofffreies Cu: SE-Cu, OFHC-Cu SE-Cu: - κ 20˚C: 58 * 106 S/m - sehr gut schweißbar und lötbar Anwendung: Stromschienen, Kontakte, Kabelschuhe, Litzendrähte usw. 9.2 Kupferlegierungen 1) Niedrig legierte Kupfer Bereich ≈ 0,01 – 0,02 % Fremdatome ⇒ κ ↓ κ-günstige Zusätze: Cd, Cr, Ag, Be z. B. CuCd1 ⇒ Leiterwerkstoff für Oberleitungen κ = 48 * 106 S/m κ-schädliche Zusätze: O, Sb, As, Fe bis zu 50% Minderung von κ festigkeitssteigernde Zusätze: Zr, Cr, CrZr, Be (Warmaushärten = Ausscheidungshärten) ⇒ Warmaushärtetemperatur z. B. CuZr mit 0,1% Zr κ ⇒ 49 * 106 S/m Rm = 800 N/mm2 Anwendung: Reaktor-, Raketenbau Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 36 Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 2) Hochlegierte Kupfersorten Fremdatome verzerren Gitter stark ⇒ κ ↓↓ CuZn-Legierung (Messing) • Zn-Zugabe verbilligt Werkstoff Rm ↑; κ ↓; Zerspanbarkeit ↑; Gießbarkeit ↑ • Bezeichnung: CuZn37 ⇒ 63% Cu; 37% Zn (alt: Ms63 ⇒ 63% Cu, 37% Zn) • Zustandsdiagramm: Prüfung Bis 23% Zn: Tombake, α-Mischkristall, kfz, gut kaltverformbar, keine Spannungsrisskorrosion (mechanische und chemische Beanspruchung) (Prüfung), κ = 30 * 106 S/m Anwendung: wie bei reinem E-Cu Bis 37% Zn: noch α-Mischkristall, kfz, schlecht zerspanbar, κ = (15 – 22) * 106 S/m z. B. CuZn35 (= Ms65) Bis 42% Zn: Mischungslücke α–Mischkristall (kfz) + β-Mischkristall (krz) Rm ↑↑; κ ↓↓; schlecht verformbar, gut zerspanbar; Anwendung: seewasserbeständig ⇒ Schiffsbau Bis 50% Zn: β-Mischkristall, krz, Grenzlegierung, >50% technisch nicht anwendbar (γ-Mischkristall) Anwendung: Beschläge im Schiffsbau Sondermessing: Messing werden weitere Elemente zulegiert, (z. B. Fe, Mn, Sn...) um besondere Eigenschaften zu züchten, z. B. Korrosionsfestigkeit Bezeichnung: SoMs58 → 58% Cu, 40% Zn, 1% Mn, 1% Fe → besonders seewasserbeständig 37 Gussmessing > 37% Zn; α + β oder β Bezeichnung: G-CuZn40, oft Zusatz von PB (1%) Cu-Ni-Zn-Legierung: (Neusilber) Teil des Zn-Anteils wird durch Ni ersetzt 60% - 63% Cu, 17% - 19% Ni, Rest Zn κ = 3*106 S/m Bezeichnung: CuNiZn1918: 19% Ni, 18% Zn, Rest Cu Anwendung: Leitende Federn, Schraub- und Schleifkontakte, Lampenfassungen usw. Cu-Sn-Legierung: (Zinn-) Bronze Älteste Legierung der Menschheit κ = 18 – 25 * 106 S/m Bezeichnung: CuSn6: 6% Sn, Rest C Ts 800°C, Rm ↑; HV ↑; κ ↓; Verformbarkeit ↑; gießbar ↑ Anwendungen: Leiterdrähte, Starkverbindungen, (Plastiken) 1. Sonderzinnbronze: Zusätzliche Elemente zur Verbesserung von Eigenschaften (z. B. Al und Mn ⇒ seewasserbeständig, gut zerspanbar) 2. Gusszinnbronzen: > 10% Sn wegen Eutektischem Punkt → niedriger Schmelzpunkt Bezeichnung: G-CuSn14 3. Mehrstoffzinnbronze Wird Anteil von Sn durch Zn ersetzt → billiger Anwendung: gerollte Lagerbuchsen → Notlaufeigenschaften CuSn4Pb4Zn4 (Rotguss) Cu-Ni-Legierung: Nickelbronze Mk, kfz, κ = 12 – 30 * 106 S/m → Widerstandwerkstoff CuNi 5-10%: Kondensator (mit Fe und Mn → korrosionsfest) CuNi 15-25%: Münzen 1DM, 2DM, 3DM CuNi 30%: Nickelin-Widerstände CuNi 45%: Konstantan (Mn 1%) → Widerstand Cu-Be-Legierung: Berillyiumbronze 0,4% - 2,1% Be, aushärtbar, Rm = 1200 N/mm2, gute Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, unmagnetisch, gut lötbar Bezeichnung: CuBe2 κ = 12- 30 * 106 S/m Anwendung: Kontaktfedern, Buchsen, Stecker, Verschiebewiderstände Prüfung!! Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 38 9.3 Aluminium (Al) Reinstaluminium: 99,997% Leichtmetall ρ = 2,7 kg/dm3, Ts 660°C E-Al: hochleitfähiges Alu in der E-Technik Richtwerte: o Reinheit > 99,5% o Leitfähigkeit κ = 35 – 37 * 106 S/m (20°) (pro Grad etwa 0,4% Minderung von κ) o Wärmeleitfähigkeit ↑ o Korrosionsfestigkeit ↑ (Al2O2-Überzug bildet sich an Luft: sehr hart, gut haftend, farblos, Dicke 1µm) Künstliche Erzeugung von Al2O3 (Eloxieren) → 10µm, einfärbbar o Festigkeit Rm = 80 N/mm2 o Kaltverformbarkeit ↑ (kfz) ⇒ Rm = 230 N/mm2 Vier Eigenschaften verschaffen Al seinen heutigen Stand der Technik Prüfung 1) Geringes Gewicht (Freileitungen, Flugzeug, Fahrzeugbau, Camping) 2) Gute Leitfähigkeit (Hochspannungsfreileitungen) 3) Gute Korrosionsbeständigkeit (Freileitungen, Bauwesen, Folien) 4) Gute Kaltverformbarkeit (Tiefziehteile) 9.4 Aluminiumlegierungen κ um 30 * 106 S/m 1) Knetlegierungen o nicht aushärtbare Knetlegierungen AlMg oder AlMn: z. B. AlMn3,5 3,5% Mn, Rest Al bleibt weich: Leiterdrähte gut kaltverformbar, polierbar o aushärtbare Knetlegierungen sowohl kalt- als auch warmaushärtbar: κ ↑: weil Fremdatome in Ausscheidungen gebunden Rm ↑: weil Ausscheidungen das Gitter verzerren αk ↑: Ausscheidungen sind im Gitter eingeformt ε ↑: Da Einformen der Ausscheidungen ein besseres Gleiten ermöglicht Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 39 Werkstoffe: o AlCuMg (Duralu): AlCu4Mg: 4%Cu, <1%Mg, Rest Al Wegen Cu schlechtere Korrosionsbeständigkeit Rm = 450 N/mm2 Anwendung: Armaturen in der Energietechnik, Flugzeug-, Fahrzeugbau o AlMgSi: AlMgSi0,5: < 1% Mg, 0,5% Si, Rest Al (Aldrey-Legierung) Ausscheidungshärten und Kaltverformung, korrosionsfest, Rm = 320 N/mm2, κ = 33 * 106 /m Anwendung: hochbeanspruchte Leitungsdrähte, Stromschienen o AlZnMg: gute chem. Beständigkeit (keine Spannungsrisskorossion), Rm = 440 N/mm2 Anwendung: Fahrzeugbau o AlZnMgCu: wegen Cu geringe Korrosionsbeständigkeit Rm = 520 N/mm2 Anwendung: Flugzeugbau 2) Gusslegierungen: Grundlage: Eutektische Zusammensetzung damit Ts ↓ Wichtigstes Legierungselement Si AlSi12: 11,7% Si ⇒ Eutektikum, feinkörnig, Ts = 577°C, Rm ↑ Zustandsdiagramm: 3) Aluminium-Sinterwerkstoffe: Sehr warmfeste Legierung aus Al2O3 Pulver ⇒ Herstellung von Produkten durch Sintern (hoher Druck und hohe Temperatur) Anwendung: Substrate für Mikroelektronik, Dünnschichttechnik, Widerstände 4) Alu-Automatenwerkstoff Gut zerspanbar, durch Pb-Zusatz, (kurzer Span) z. B. AlCuMgPb; AlMgSiPb Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 40 9.5 Weitere Nichteisenwerkstoffe - Zink (Zn): Schwermetall, gut vergießbar, Korrosionsschutz für Stahl, verzinken; κ = 17 * 106 S/m, Leiter für Notzeiten - Zinn (Sn): Schwermetall, Korrosionsschutz für St (verzinnen) Keine Festigkeitssteigerung durch Kaltverformung, weil Rekristallisationstemperatur ≈ Raumtemperatur Wichtigstes Legierungselement: Pb ⇒ Zinnlote L-Sn60: 60% Sn + 40% Pb Zustandsdiagramm Sn/Pb: Anwendungen: Lagerbuchsen, Schmelzsicherungen (träge), Weichlote - Titan (Ti): Leichtmetall, sehr teuer, seewasserbeständig wegen TiO2 3 wichtige Legierungen: • NbTi50: Supraleiter • TiAl5Fe2,5: Biokompatibel → Hüft-, Kniegelenke • TiAl6V4: Rm = 1200 N/mm2, Flugzeugbau - Silber (Ag): Edelmetall; κ = 61 * 106 S/m; oxidfreie Oberfläche, gute Wärmeleitfähigkeit Anwendung: Lote, Kontakte, Schmelzsicherungen (flinke) - Gold (Au): Edelmetall, κ = 45 * 106 S/m; oxidfreie Oberfläche, gut verformbar, oxidfreie Oberfläche, chemisch sehr stabil • AuAg: Weißgold • AuCu: Rotgold Anwendung: Kontakte, Feinstdrähte für Mikrokontaktierungen, vergolden von Anschlussdrähten, Lötstiften, Lötösen, usw. - Platin (Pt): Edelmetall, chemisch sehr stabil Anwendung: Thermodraht für Thermoelemente, Widerstände, Heizleiter Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 41 9.6 Gefügebilder von Nichteisenwerkstoffen Prüfung!! Texturbehaftetes Messingblech (CuZn30; Ms70) CuZn42 (Ms58) Bei 500°C geglüht CuZn33 Bei 500°C rekristallisiert AlCu4 Ausgehärtet bei 400 °C CuZn30 Geglüht bei 300°C Eutektisches Weichlot L-Sn60 α-Ausscheidung aus Eutektikum z. B. AlSi8 AlCu3Mg1 Warmausgehärtet bei 200°C 9.7 Werkstoffe für besondere Anwendungen 9.7.1 Kontaktwerkstoffe Sie sind Verbindungen, die nach mechanischer Berührung zweier Leiter elektrischen Kontakt herstellen - Forderung: geringer Kontaktwiderstand • Re = Eingangswiderstand Abhilfe: Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann höherer Anpressdruck ⇒ elastische Verformung der Kontaktfläche 42 • RH = Hautwiderstand Abhilfe: - Man unterscheidet: o Festkontakte: Werkstoffe: Oxidhaut Edelmetallüberzüge, Kontaktspray, Schutzgas, mechanischer Abrieb lösbar: Klemm-, Schraub-, Steckkontakte Nicht lösbar: Schweiß-, Löt-, Kleb-, Wickelkontakte, Nietkontakte Cu- oder Cu-Legierungen (CuZn, CuNiZn (Neusilber)) Cu-Legierung mit Edelmetallauflage (Au, PtIr...) o Schleifkontakte: Werkstoffe: Stromabnehmer, Schleifringe, Regelwiderstände ⇒ Verschleiß → verschleißfest → verschleißender Werkstoff (leicht austauschbar) - verschleißfest: Cu-Legierungen, CuCd1 - verschleißend: Graphit!! Elektrokohle Graphit + Ruß + Koks + ...) Metallkohle (Metalle (Cu) + Graphit) o Druck- und Abhebekontakte: Relaiskontakte, Schalter (Kontaktniete + Federn (leitend)) Forderung: keine Materialwanderung Kein Verschweißen Kein Abbrand Kein mechanischer Verschleiß Werkstoffe: Federn: CuBe2 Niete: Ag, Ag-Legierungen AgNi, AgMgNi, AgCu) Au-Legierungen (AuNi) AuAg → Nachrichtentechnik o Hochleistungskontakte: Werkstoffe: Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann hohe Ströme + Leistungen ⇒ Verschmelzen!! Sinterwerkstoffe AgCdO, WCAg 43 9.7.2 Widerstandswerkstoffe - Anforderungen o Großer spezifischer elektrischer Widerstand (ρ ↑) o Kleiner Temperaturkoeffizient des spezifischen elektrischen Widerstandes (TC ρ ↓) o Hohe Korrosionsbeständigkeit - Werkstoffe: 1) Lineare Widerstände (lineares Strom-Spannungs-Verhalten) o Präzisionswiderstände: Nachrichten-, Messtechnik; schwach belastet; TC ρ ↓ Drahtwiderstand auf Cu- oder Au-Basis CuMn12Ni2 (Manganin) CuMn12Al14Fe1 (Novokonstant) AuCr2 o Normalwiderstände: Schaltungstechnik; mäßig belastet; TC ρ ↓ 1) Drahtwiderstände auf Cu-Basis CuNi45Mn1 (Konstantan) CuMn13Al3 (Isabellin) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 44 2) Schichtwiderstände auf Metall- und Edelmetallbasis; Metalloxide und Kohle CrNi AuPt ⇒ Tmax ≈ 150°C SnO2 C o Brenn- und Heizwiderstände: Starkstromtechnik; hoch belastet; TC ρ ↑ Drahtwiderstände auf Fe-Basis FeG30Al5 FeNi30Cr20 (Heizleiter) NiFe30 2) Nichtlineare Widerstände (kein lineares Strom-Spannungs-Verhalten) (stark von Temperatur abhängig) o Heißleiter: NTC (negativer Temperatur-Koeffizient); TC ρ negativ Temperaturmessung und Temperaturregelung Halbleiter aus Metalloxidpulver + Zusätze Fe2O3 + TiO2 Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 45 PTC (positiver Temperatur-Koeffizient); TC ρ positiv Temperaturmessung und Temperaturregelung Keramik aus Bariumtitanat + Metalloxid BaTiO3 + MeO o Kaltleiter: 3) -Dehnungsabhängige Widerstände Wird ein metallischer Körper verformt, ändern sich seine Abmessungen und damit sein Widerstand. Mechanische Spannungen können gemessen werden. ⇒ Dehnungs-Mess-Streifen (DMS) Kaltgezogene Drähte auf Cu-Basis CuMn12Ni2 (Manganin) Übung: Geben Sie für folgende Widerstände qualitativ die Abhängigkeit von ρ und T sowie Werkstoffbezeichnungen an 1) 2) 3) 4) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann Präzisionswiderstand Heizleiter Heißleiter Kaltleiter → CuMn12Ni2 → NiFe30 → Fe2O3 + TiO2 → BaTiO3 + MeO 46 9.7.3 Supraleiter (SL) Sie besitzen 2 Eigenschaften: 1) Unterhalb der Sprungtemperatur Tc findet praktisch widerstandslose Leitung statt 2) In diesem Bereich wird ein Magnetfeld aufgrund von Oberflächenströmen völlig verdrängt ⇒ idealer Diamagnet (Meißner-Ochsenfeld-Effekt) - Werkstoffe Metallische Supraleiter 1) Element-SL: Tc[K]: 2) Verbindungs-SL: sehr geringe Flussdichten (B) Zn, Al, Th, Tl, Sn, 0,9 1,2 …………………. geringe Flussdichten (B) NbSn2, Bi2Sr, Bi2Ba, Pb 7,2 Nb2Au (intermetallische Verbindungen) Tc[K]: 2,6 ........................................... 3) Harte (Verbindungs-) SL: höhere Flussdichten (B) NbTi50, V3Ga, Nb3Sn, Tc[K]: 9,5 14,5 18 11 Nb3Ge 23 Grosstechn. noch nicht realisierbar Kühlmittel: Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann flüssiges He (4,2 K) 47 4) Keramische SL; Hochtemperatur SL, Mischoxid SL Seltene Erden + O 1,2,3 – SL: YBa2Cu3O7 Tc: 70K Kühlmedium flüssig N Tc max = 135K: keine großtechn. Anwendung wegen Fertigungstechnik Entdeckung 1986: Müller/Bednarz Nobelpreis! - Einflüsse auf Supraleiter: Supraleitung hängt von 3 kritischen Größen ab: 1) Sprungtemperatur Tc[K]: oberhalb Tc wird Supraleitungszustand zerstört T < Tc ⇒ Supraleitung Prüfung Tc[K]: SL: 9,3 NbTi50 18 Nb3Sn 23 Nb3Ge 2) Kritische magnetische Feldstärke Hc: (bzw. kritische magnetische Flussdichte Bc) oberhalb Hc (Bc) wird Supraleitungszustand zerstört H < Hc ⇒ Supraleitung B < Bc T < Tc Prüfung Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 48 Bc [T]: Hc [A/m]: SL: 14 1,1 * 107 NbTi50 25 2 * 107 Nb3Sn 40 3,2 * 107 Nb3Ge 3) Kritische Stromdichte Sc [A/cm2]: oberhalb Sc wird Supraleitungszustand zerstört H < Hc ⇒ Supraleitung S < Sc Prüfung Sc [A/cm2]: SL: Supraleiter Anwendungen: Probleme: Prüfung 107 NbTi50 Medizintechnik Forschung Industrie 108 Nb3Sn 108 Nb3Ge 50% 40% 10% Kältetechnik (Tiefsttemperatur 4,2K ⇒ flüssiges Helium) Kontaktierung (Keine Gefügeänderung) ⇒ nicht Schweißen ⇒ Klemmen, Löten Fertigung (spröde, harte Werkstoffe ⇒ intermetallische Verbindungen) 10.Elektronische Halbleiter Bändermodell: Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann Bei tiefen Temperaturen keine freien eim Leitungsband ⇒ κ = 0 ⇒ Isolator Erst Energiezufuhr (Wärme, Licht, el. Feld) ermöglicht e- ein Überspringen der Energielücke im Leitungsband ⇒ κ ↑ ⇒ Leiter 49 10.1Eigenleitung (intrinsische Leitung) Werkstoffe: Gruppe IV: Si, Ge Strukturmodell: Bändermodell: Prüfung Bei T ↓ ist κ = 0; mit steigender Temperatur werden durch Gitterschwingungen Paarbindungen aufgerissen ⇒ freie e-. Im Bändermodell entspricht dies einer Anhebung der Elektronenenergie. Damit gelangen Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband = Elektronenleitung im Leitungsband. Am „Absprungplatz“ im Valenzband bleiben Löcher zurück. Sie werden durch benachbarte Elektronen gefüllt, neue Löcher entstehen = Löcherstrom im Valenzband. Bei Energieentzug verläuft Vorgang umgekehrt ⇒ Rekombination Temperatureinfluss: Mit steigender Temperatur schwingen Ionen ⇒ Behinderung der Elektronen ⇒ κ ↓ Gleichzeitig gelangen bei höheren Temperaturen mehr e- ins Leitungsband ⇒ κ ↑↑, dieser Effekt überwiegt die Behinderung ⇒ insgesamt κ ↑ Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 50 10.2Störstellenleitung (extrinsische Leitung) Der spezifische elektrische Widerstand änderst sich bei Dotierung des Halbleiterwerkstoffs mit Fremdatomen → e- -Leitung → Löcherleitung 1) Negativleiter (N-Typ) Elemente der Gruppe IV werden mit Elementen der Gruppe V (As, N, P, Sb, In) dotiert Strukturmodell: Bändermodell: 2) Positivleiter (P-Typ) Elemente der Gruppe IV werden mit Elementen der Gruppe III dotiert (B, Ga, Al) Strukturmodell: Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 51 Bändermodell: Prüfung: Bändermodelle Temperatureinfluss: < -200°C: ρ↑, Dotieratome noch nicht ionisiert (Reservezustand); κ = 0; ⇒ Isolator -200°C bis RT: Dotieratome werden ionisiert (e- in LB oder Löcher in VB); ρ↑; κ↓; bei ≈ RT Erschöpfungszustand (alle Dotieratome ionisiert) RT bis 150°C: Ionen beginnen stärker zu schwingen = Behinderung der e- ⇒ ρ↑; κ↓ > 150°C: Paarbindungen brechen auf, e- gelangen in LB ⇒ Eigenleitung ⇒ ρ↓; κ↑ Achtung Grenztemperatur! Halbleiter wird zerstört 10.3Verbindungshalbleiter Sie entstehen durch Legieren von Elementen der Gruppe III mit Elementen der Gruppe V ⇒ Eigenleitung Werkstoffe: GaAs; InSb; Durch Dotieren mit Gruppe VI Oder Gruppe II = N (Typ) = P (Typ) ⇒ Störstellenhalbleiter 10.4Anwendung Bei integrierten Schaltungen werden alle Schaltungselemente und ihre Verdrahtung in einem Fertigungsprozess auf ein einkristallines Halbleiterplättchen aufgebracht (Chip) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 52 Vorteile: - Niedrige Herstellkosten bei hohen Stückzahlen - Miniaturisierung - Hohe Zuverlässigkeit PN-Übergänge, Transistoren, usw. 10.5Halbleitertechnologie Kennzeichen dieser Technik ist Reinstdarstellung, Einkristallzüchtung, Dotierung 1) Reinstdarstellung (Ionenschmelzverfahren) Zustandsdiagramm (reine Löslichkeit) Höchstreinheit: 1ppm = 1 Mio Si-Atome ⇒ 1 Fremdatom Kühlt man eine Schmelze mit Konzentration CL ab, so schneidet sich ein fester Mischkristall der Konzentration C1 ab ⇒ viel reiner !! Durch mehrmaliges Vorgehen in dieser Art erhält man einen reinen Si-Werkstoff, allerdings polykristallin. 2) Einkristallzüchtung (keine Korngrenzen) o Tiegelziehverfahren (Czochralski-Verfahren) In einem elektrisch beheiztem Tiegel wird hochreines Halbleitermaterial erschmolzen. Ein Einkristall der gewünschten Orientierung und Struktur wird mit Schmelze in Kontakt gebracht und langsam herausgezogen. Aus Schmelze bauen sich gleiche Atome an Impfkristall an. Nachteil: Verunreinigung durch Tiegelmaterial o Tiegelfreies Zonenziehverfahren An das Ende eines hochreinen Halbleitermaterials wird ein Einkristall der gewünschten Orientierung und Struktur angebracht. Mit einer Induktionsspule wird der Grenzbereich Impfkristall / Halbleiterstab unter Schutzgas erschmolzen. Gleiche Atome aus Halbleiterstab bauen sich an Impfkristall an. Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 53 3) Dotieren Ziel: PN-Übergang erzeugen für integrierte Schaltungen o Legierungstechnik: Wird nur noch für Germaniumdioden verwendet; auf n-leitendes Germanium wird ein Indiumplättchen (Akzeptor) gelegt und erhitzt. Grenzschicht reichert sich mit Indium an und wird p-leitend. Man erhält abrupte dickere PNÜbergänge (keine Dünnschichttechnik) o Planartechnik: a) Auf Siliziumscheibe wird dünne Oxidschicht aufgebracht (bei 900°C ÷ 1100° C) Si + O2 → SiO2 b) Danach werden Fensterbereiche, die dotiert werden sollen, freigeätzt c) Bei 800°C ÷ 1000°C werden die Fenster einem Dotiergas ausgesetzt, z. B. Diboran B2H6 Je nach Einwirkzeit entsteht ein dünner, p-leitender Bereich. Die Übergänge sind nicht scharf begrenzt. Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 54 o Ionenimplantationstechnik Erzeugung der Oxidschicht und Fensterbereiche wie bei Planartechnik. Bei Raumtemperatur werden Fenster mit hochbeschleunigten Dotier-Ionen beschossen, es entstehen scharf begrenzte, dünne PN-Übergänge. 11.Isolierstoffe Anforderungen: o spezifischer elektrischer Widerstand ρ ↑ (106 – 1016 Ωm) o Dielektrizitätszahl ↑ o Verlustfaktor tan δ ↓ o Durchschlagfestigkeit ↑ (ED) o Kriechstromfestigkeit ↑ o Korrosionsbeständigkeit ↑ Werkstoffübersicht: 1) Natürliche anorganische Stoffe - Glimmer (Schichtstruktur → Mica-Folie) Anwendung: hochwertige Isolation für Heiz- und Messgeräte - Asbest (Faserstruktur, unbrennbar) Anwendung: thermisch hoch beanspruchte Isolation - Gase (häufigste Anwendung als Isolator) Parameter: Gasdruck o Luft: Anwendung: Freileitungen, Sammelschienen, (ED ≈ 20kV/cm) Schalter o Stickstoff: (ED ≈ 20kV/cm) o Kohlendioxid: (ED ≈ 24kV/cm) o Schwefelhexfluorid SF6: (ED ≈ 100kV/cm) Anwendung: Pressgas für Energiekabel und Kondensatoren Anwendung: wie Stickstoff Anwendung: Hochleistungsschalter 2) Natürliche organische Stoffe - Papier (Cellulose = Holz) → getränkte Papiere (Öl, Schelllack, Kunstharz..) - Textilien (Baumwolle, Leinen, Siede) → getränkte Textilien - Öle Anwendung: Kondensator-, Kabel- und Transformatorisolationen Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 55 3) Künstliche anorganische Stoffe - Glas (amorph erstarrende Schmelze) Bor-, Blei-, Kaligläser... - Porzellan: Feldspat oder Kaolin mit Tonerde (Al2O3) gepresst und gebrannt - Keramik: Feldspat oder Kaolin mit Tonerde (Al2O3) in exakter Mischung gepresst und gebrannt Anwendung: Freileitungsisolation, Lampenfassungen, Spulenkörper, Durchführungen usw. - Ferroelektrika: Ähnlich ferromagnetischen Werkstoffen Anwendung: Ultraschallsender und –empfänger 4) Künstliche organische Stoffe - Silikone: Aufbau erfolgt über Siliziumatome (Si-Harz, Si-Kautschuk, Si-Öl) (temperaturunabhängige Isolationseigenschaften, schwer brennbar, hohe Beständigkeit gegen Ozon und Strahlung) Anwendung: Motorwicklungen, Kabelisolation, Transformatorenisolation, ... - Thermoplaste, Elastomere, Duromere: (Kunststoffe) Aufbau erfolgt über C-Atome Siehe Kap. 12 12.Organische Werkstoffe (Kunststoffe) Vorteile: Nachteile: leicht, billig, gut verfügbar, gute elektrische und thermische Isolation, gute Schalldämmung, Korrosionsbeständig, färbbar, (klebbar), leiht verformbar, ... oft giftig, umweltfeindlich, brennbar, temperaturanfällig, geringe Festigkeit 12.1Molekularer Aufbau Organische C-Verbindungen, die aus Grund- und Makromolekülen bestehen - Grundmoleküle: Kovalente Bindung (Doppelbindung von C mit verschiedenen anderen Elementen (H, Cl, F, N, O,...) → Primärbindung z. B. Ethylen: - Makromoleküle: vollsynthetische Bindung von Grundmolekülen unter Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 56 Aufbrechen von C-Doppelbindung → Sekundärbindung z. B. Polyethylen (PE) Aus Erdöl, Gas, Kohle, Wasser + Luft → nichtkristalline Faden-, Schicht- und Raumnetzstrukturen 12.2Kopplungsprozesse, makromolekulare Verbindungen Prüfung ! a) Polymerisation: nicht Prüfung! b) Polykondensation: nicht Prüfung! Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann Vereinigung vieler gleicher Grundmoleküle zu einem Makromolekül unter Aufspaltung der C-Doppelbindung ohne Nebenprodukte Anwendung: Thermoplaste ⇒ Produkt: Polymerisat z. B. Polyvinylchlorid (PVC) Vinylchlorid + Vinylchlorid + ...= Polyvinylchlorid Zusammenschluss verschiedener Grundmoleküle zu einem Makromolekül unter Austritt von Wasserdampf (im Autoklaven = Druckkessel mit Heizung) Anwendung: für Duromere aber auch Thermoplaste ⇒ Produkt: Polykondensat z. B. Phenolharz (PF) Phenol + Formaldehyd + Phenol + Formaldehyd + ... = Phenolharz + H2O↑ 57 c) Polyaddition: Stufenweiser Zusammenschluss gleicher oder verschiedener Grundmoleküle zu einem Makromolekül ohne Nebenprodukt Anwendung: für Duromere oder Elastomere ⇒ Produkt: Polyaddukt z. B. vernetzte Polyurethane (PUR) nicht Prüfung! Diol + Diisozytanat + Diol + Diisozytanat + ... = Polyurethan 12.3Einteilung der Kunststoffe a) Thermoplaste: Struktur: nicht vernetzt, amorph, kettenförmige Makromoleküle, bei Wärmeeinwirkung Abgleiten der Moleküle ⇒ weich, bei Erkalten Festhalten (Versteifen) der Moleküle ⇒ hart Recyclebar!! (nur für Reinwerkstoffe) Verarbeitung: Ausgangsprodukte: - Spritzgießen, Extrahieren, Vakuumverfahren, Umformen Granulat, Folien, Profile Polyamid (PA): Anwendung: Handelsname: - Polyethylen (PE): Anwendung: Handelsname: - Polyvinylchlorid (PVC): Handelsname: Polykondensat, glasklar bis milchig, Gebrauchstemperatur bis 140°C Verteilerkästen, Spulenkörper, Motorgehäuse Rilsan, Ultraamid Polymerisat, preiswert, gute elektrische Eigenschaften, Massenkunststoff, gut recyclebar, Tmax ≈ 80°C, harmlose Verbrennungsprodukte, unpolar Isolationen für Fernmelde- und Hochspannungskabel Hostalen, Lupolen Polymerisat, polar, Massenkunststoff, umweltschädlich bei Bränden Vinoflex, Hostalit PVC-U: Hart PVC, steif, hart, kerbempfindlich, weichmacherfrei, Tmax ≈ 100°C Anwendung: Isolierrohre, Verteilerkästen, Schallplatten Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 58 PVC-P: Weich PVC, Weichmachermoleküle eingelagert (drücken Makromoleküle auseinander), weich, flexibel, gute Schwingungsdämpfung, Tmax = 65°C Anwendung: Kabelummantelungen, Schrumpfschläuche, Isolierbänder - Polystyrol (PS): Polymerisat, steif, hart, kerbempfindlich, spröde, gut recyclebar, Tmax = 70°C (Benzolringe angegliedert) Anwendung: Relaisteile, Spulenkörper Mit Treibmittelzusatz: ⇒ geschäumter Kunststoff Anwendung: formtreue Verpackung - Polypropylen (PP): Anwendung: Handelsname: - Polytetrafluorethylen (PTFE): Polymerisat, unpolar, hohe Gebrauchstemperatur 300°C Anwendung: Handelsname: Polymerisat, unpolar, gut recyclebar, Tmax = 140°C Trafogehäuse, Drahtummantelungen Novolen Kabelisolierung, Leistungsschalter Teflon, Hostaflon - Polymethylacrylat (PMMA): Polymerisat, gute Festigkeit, optische Eigenschaften, Tmax ≈ 100°C, physiologisch unbedenklich Anwendung: Schalterteile, Bedienknöpfe, Skalen, Leuchtabdeckungen Handelsname: Plexiglas, Acrylglas - Polyoxymethylen (POM): Anwendung: Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann Polymerisat, harmlose Verbrennungsprodukte, Tmax = 130°C, gutes Federungsvermögen Schnappverschlüsse 59 - Acrylnitril-Buadien-Styrol (ABS): Polymerisat, Anwendung: b) Duromere: Mischprodukt, schlagfest bei tiefen Temperaturen, noch zäh bei -40°C, Tmax = 100°C Rechnergehäuse eng voll vernetzte Makromoleküle, steif, hart, spröde. Vernetzung erfolgt unter Temperatur ( und Druck), sie ist irreversibel, Duromere können nicht erweicht werden; nicht widerverwendbar, nicht recyclebar, nicht schweiß- und klebbar Struktur: Verarbeitung: Pressformen Ausgangsprodukte: Formmassen (rieselfähiges Produkt) Vernetzung durch Temperatur und Druck (= Sinter) Prepregs (mit vernetzbarem Material vorimprägnierte Gewebematten) Vernetzung ⇒ Temperatur und Druck Gießharze (zähflüssige, vernetzbare Materialien, die mit Härtern vernetzt werden) (+ Temperatur) - Polyesterharz (PU): Polykondensat, Tmax = 200°C Anwendung: Spulengehäuse, Kontaktleisten, Lampensockel - Epoxidharz (EP): Polyaddukt, hohe Festigkeit, Tmax = 180°C Anwendung: Grundmaterial für gedruckte Schaltungen - Phenolharz (PF): Polykondensat, Tmax = 160°C Anwendung: Grundmaterial für gedruckte Schaltungen, Stecker, Steckdosen c) Elastomere: weitmaschig teilweise vernetzte Makromoleküle, gummielastisches Verhalten Struktur: Verarbeitung: Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann Spritzgießen, Extrudieren 60 - Polyurethan (PUR): Polyaddukt, Tmax = 110°C Anwendung: für schwingungsdämpfende und vibrationsmindernde Elemente d) Polare und unpolare Kunststoffe: Bei polaren Kunststoffen sind im Makromolekül die Ladungsschwerpunkte verschoben. Zwei Elemente bilden einen permanenten Dipol ⇒ sehr gut klebbar, z. B. PVC: Cl elektronegativer als H Unpolare Kunststoffe sind nur sehr schwer klebbar, z. B. PE e) Schaumstoffe: Sie entstehen durch Zugabe von Treibmitteln, z. b. Frigen, Fluor geringes Gewicht, wärme- und schallisolierend Anwendung: Formtreue Verpackungen Jeder Kunststoff kann geschäumt werden! f) Faserverstärkte Kunststoffe: Durch Einbringen eines Verstärkungsmaterials werden mechanische Eigenschaften verändert. Geeignet für Duromere und Thermoplaste Fasermaterial: • Kurzfasern (Verhaken sich ineinander) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 61 • Matten (durch Stege verbunden, Kraftrichtung nur in Faserrichtung • Gewebe (zwei Hauptkraftrichtungen) - Glasfasern: am häufigsten, billig, hohe Zug- und Druckfestigkeit - Kohlefasern (CF): teuer, höhere Zug- und Druckfestigkeit - Borfasern : sehr teuer, sehr hohe Zug- und Druckfestigkeit bei 3000°C, zu großer Durchmesser für Gewebe (Luft- und Raumfahrt) g) Weichmacher: niedrigmolekulare, polare Kunststoffe (Ester). Sie schieben Makromoleküle auseinander und verhindern Vernetzung. Sie verflüchtigen nach gewisser Zeit ⇒ steif, spröde h) Härter: vernetzen Kunststoffe und schieben Makromoleküle zusammen (Katalysatoren) 12.4Kunststoffprüfung 1) Bestimmung von Kunststoffen Brennprobe: Untersuchung der Flamme → Entflammbarkeit, Farbe, Rauchentwicklung, Geruch, Schmelzverhalten (wenn’s schmilzt eher Thermoplast) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 62 Duromere: Thermoplaste: Glimmen ohne Zersetzung erweichen, verbrennen, schmelzen 2) Mechanische Eigenschaften Siehe Metalle 3) elektrische Eigenschaften o Durchschlagfestigkeit o Dielektrizitätszahl o Durchgangswiderstand 12.5Technologie 1x Skizze in Prüfung! Siehe Umdrucke!! a) Thermoplaste: überwiegend ohne Füllstoffe - Spritzgießen mit Extruder: Urformen in einem Arbeitsgang, auch kontinuierliches Arbeiten möglich. Ausgangsstoff: kaltes Granulat - Spritzpressen mit Kolbendruckpresse: Urformen in einem Arbeitsgang, pro Hub begrenzte Menge einer warmen plastifizierten Frommasse (z. B. vom Extruder) - Folienwalzen mit Kalander Ausgangsstoff warme, plastifizierte Frommasse (Extruder) - Warmformgebung im Vakuumverfahren Ausgangsstoff kalte Kunststofffolie b) Duromere: überwiegend Füllstoffe Pressformen: Formteile füllen (mit Harz, Prepregs, ...) o Werkzeug ist beheizt ( 150°C bis 170°C) o Formteile zusammenpressen 2000 bis 4500 N/mm2 o Abkühlzeit (Daumenwert: 30 Sekunden pro mm Wandstärke) ⇒ teuer Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann → Wärme → Druck → Zeit 63 13.Magnetwerkstoffe 13.1Verhalten von Materie im Magnetfeld Durch Bahn- und Spinmoment der Elektronen reagiert jede Materie auf ein Magnetfeld. Je nach Reaktion unterscheidet man 3 Werkstofftypen: a) Diamagnetismus Spin- und Bahnmoment kompensieren sich vollkommen. Äußeres Magnetfeld induziert magnetisches Feld, es wirkt dem äußeren Feld entgegen, das resultierende Feld ist schwächer als das äußere Feld (Cu, Bi, Pb...) ⇒ unmagnetische Werkstoffe µr (= relative Permeabilität) < 1 (10-5) b) Paramagnetismus Spin- und Bahnmoment kompensieren sich nicht vollständig, äußeres Magnetfeld richtet Elementarmagnete aus, das resultierende Feld ist etwas größer als das äußere Feld. (Al, Ta, Pt...) ⇒ unmagnetische Werkstoffe µr ≥ 1 (1,05) c) Ferromagnetismus Hängt ab von Feldstärke H [A/m] des äußeren Feldes und von der Sprungtemperatur Tc (Curietemperatur) - oberhalb Tc ⇒ paramagnetisch - unterhalb Tc ⇒ Ferromagnetisch (Tc Fe = 769°C; Tc Ni = 358°C, Tc Cr = 1130°C) Ferromagnetismus ist auch Kristalleigenschaft : In Kristallen sind Elementarmagnete über größere Bereiche gleichgerichtet → Weißsche Bezirke Untereinander kompensieren sich die Momente der Weißschen Bezirke ⇒ magnetisch neutral! Die Grenzbereiche zwischen den Weißschen Bezirken heißen Blochwände Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 64 Ein äußeres Magnetfeld H dringt in Weißsche Bezirke ein und dabei treten Polarisationsvorgänge auf, die zu einer sehr hohen positiven Permeabilität führen µr >> 1 (106) Polarisationsvorgänge: 1) Verschiebung der Blochwand Das äußere Magnetfeld richtet Elementarmagnete nahezu in seine eigene Orientierung aus. Dabei verschieben sich die Blochwände. Wird das äußere Magnetfeld verstärkt, wandern die Blochwände bis zur Kristallgrenze. Somit entsteht ein Weißscher Bezirk im Kristall, dessen Elementarmagnete nahezu in Richtung des äußeren Feldes wirken. Mehrere Kristalle: 2) Verdrehvorgänge Wird äußeres Magnetfeld weiter verstärkt, so werden alle Elementarmagnete der Kristalle in Richtung des äußeren Magnetfeldes ausgerichtet, bis zur magnetischen Sättigung BS ( magnetische Induktion, Flussdichte) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 65 Folge: Magnetostriktion Polarisationsvorgänge führen zu einer Änderung des Kristallvolumens (durch mechanische Kräfte, die bei Blochwandverschiebung und Verdrehung durch äußeres Feld entstehen) ⇒ magnetostriktive Volumenänderung Im Wechselfeld entstehen ständig sich ändernde Volumina. Sie bringen Umgebungsluft zum Schwingen ⇒ Brummgeräusch im Trafo d) Antiferromagnetismus Elementarmagnete ordnen sich paarweise antiparallel. Sie kompensieren sich völlig. Werkstoffe sind unmagnetisch (MnO...) µr ≈ 1 e) Ferrimagnetismus Elementarmagnete ordnen sich paarweise antiparallel, sie kompensieren sich jedoch nicht. Werkstoffe sind stark magnetisch und heißen Ferrite (MeFe2O4) (Me: Ni, Mn, Cu) µr >> 1 (Ferrite sind Sinterwerkstoffe, sehr spröde) 13.2Magnetisierungskurve und Hystereseschleife a) Anfangsmagnetisierung (Neukurve) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 66 Bereich I: Blochwandverschiebung (reversibel) Bereich II: Blochwandverschiebung + geringe Verdrehung (irreversibel) Bereich III: Verdrehung (irreversibel) Sie wird bei einem völlig unmagnetischem Material durchlaufen. b) Entmagnetisierungskurve, Hystereseschleife Br = Remanenzinduktion, Remanenzflussdichte Hc = Koerzitivfeldstärke BS = Sättigungsinduktion, Sättigungsflussdichte Beim Abschalten von H bis H = 0 ist Werkstoff nicht völlig unmagnetisch, sondern besitzt Testinduktion Br. Mit Gegenfeldstärke (-H) gelingt es, Werkstoff unmagnetisch zu machen → Hc. Somit entsteht Hystereseschleife, die bei Erregung mit Wechselstrom permanent durchlaufen wird. Hc ist Maß für Entmagnetisierung, somit werden zwei Werkstoffgruppen unterschieden: a) Hc klein ⇒ Weichmagnete, leicht entmagnetisierbar b) Hc groß ⇒ Hartmagnete, schwer entmagnetisierbar Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 67 13.3Weichmagnete Anisotroper Werkstoff mit Textur, keine (geringe Inhomogenitäten, in den Kristallen bzw. Weißschen Bezirken, meist zur Blochwandverschiebung kaum Verdrehung Anforderungen: Leicht ummagnetisierbar Geringe Verluste (Hc klein; [Hc ≈ 1 ... 40 A/m] Hohes konstantes µr [µr max bis 106] Hohe BS [BS ≈ 2,1 T] Prüfung! Schmale, steile Hysterese - Reinstes Eisen (C-Frei) = Magneteisen, nicht kaltverformt Hc ≈ 10 A/m Anwendung: Poschuhe, Ankerkörper, Relaisteile (billigster Magnetwerkstoff) - Eisen-Silizium-Legierung (FeSi) z. B. FeSi2; FeSi4 (4% Si) Textur, Wälzblech; µr = 500 Anwendung: Trafoblech, elektrische Maschinen - Eisen-Nickel-Legierungen (FeNi bis 80% Ni), je mehr Ni, desto größer µr dünne Bleche FeNi25: Übertragungstechnik, HF-Technik FeNi75 (Mu-Metall): Abschirmung kleiner Felder, rauschfreie Tonköpfe FeNi79 (Supermalloy): Dünnschichtspeicher - Weichmagnetische Ferrite: Keramische Werkstoffe Mn-, Zn-Ferrite: Antennenstäbe Ni, Zn-Ferrite:Schwingkreise für Spulen o Granate: (Verbindungen seltener Erden) YFe-Ferrite; YAl-Ferrite: Mikrowellentechnik Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 68 13.4Hartmagnete Anisotroper Werkstoff, entstanden durch Kristallisation im Magnetfeld, mechanisch und magnetisch hart; Dauermagnete Anforderungen: schwer ummagnetisierbar Große Verluste , Hc groß kleines µr [µr = 1.. 5] Hohes Br und hohes Hc ⇒ hohes Energieprodukt B * H [J/m3] Prüfung! Breite, flache Hysterese - Energieprodukt ⇒ Entmagnetisierungskurve II.Quadrant Maximales Energieprodukt (B * H)max wird durch das größte einbeschriebene Rechteck unter der Entmagnetisierungskurve des II.Quadranten festgelegt. Es gibt die gespeicherte magnetische Energie bzw. Verlustenergie an. - Martensitischer Stahl: - Fe AlNiCo-Legierung - Hartmagnetische Ferrite: gehärtet, verbessern durch Legierung mit: Cr, Co, W, Al Hc = 4 kA/m; Br ≈ 1T; B * H = 2 kJ/m3 (AlNiCo-Magnete); Ausscheidungshärten; große Anisotropie, jedes Korn entspricht einem Weißschen Bezirk; Sinter- (Druck und Temperatur) oder Pulvermagnete (Einbettung in Duromere) AlNiCo5: (8% Al, 14% Ni, 24% Co, Rest Fe) Hc = 50kA/m; Br = 1,3 T; B * H = 56 kJ/m3 Anwendung: Lautsprechermagnete, Mikrofone Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann MeO + 6 Fe2O3 MeO: Ba ⇒ Bariumferrite St ⇒ Strontiumferrite Hc = 200 KA/m; Br = 0,5 T; B * H = 25 kJ/m3 Sinter- oder Pulvermagnete, siehe AlNiCo Anwendung: Magnete für Motoren, Generatoren, Haftmagnete 69 - Seltene-Erd-Magnete: SE Co5 SE: Sm: ⇒ SmCo5 Samariummagnete Ce: ⇒ CeCo5 Cermagnete NdFeB: Neodymmagnete Hc = 800 kA/m; Br = 1 T; B * H = 200 kJ/m3 Sehr teuer, Sintermagnete Anwendung: Medizin: Hörhilfen Forschung: Rastermikroskope, Teilchenablenksysteme Prüfungsaufgabe: Energieprodukt (Qualitativ) für verschiedene Dauermagnete (1: AlNiCo; 2: Ba-Ferrit; 3: SmCo5) Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 70 1.Einführung............................................................................................................................... 1 2.Aufbau kristalliner Werkstoffe................................................................................................ 1 2.1Bindungsarten.................................................................................................................... 1 2.1.1Metallische Bindung................................................................................................... 1 2.1.2Kovalente Bindung (Elektronenpaarbindung)............................................................ 1 2.1.3Ionenverbindung......................................................................................................... 2 2.2Kristallstrukturen............................................................................................................... 2 2.2.1Aufbau eines Idealkristalls..........................................................................................2 2.2.2Beschreibung der Kristalle..........................................................................................4 2.3Gefüge................................................................................................................................4 2.4Gitterbaufehler................................................................................................................... 5 2.4.1Punktförmige Gitterbaufehler..................................................................................... 5 2.4.2Linienförmige Gitterbaufehler (Versetzungen).......................................................... 6 2.4.3Flächenförmige Gitterbaufehler..................................................................................6 2.5Erstarren einer reinen Metallschmelze...............................................................................7 3.Zustandsdiagramm................................................................................................................... 7 3.1Legierungsbildung............................................................................................................. 8 3.2Primärkristallisation bei Legierungen................................................................................9 3.2.1Vollkommene Löslichkeit im festen Zustand............................................................. 9 3.2.2Vollkommene Unlöslichkeit im festen Zustand........................................................10 3.2.3Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand..................................................................11 3.2.4Zusammengesetzte Zustandsdiagramme...................................................................12 4.Eisenwerkstoffe......................................................................................................................13 4.1Eisen-Kohlenstoff-Diagramm..........................................................................................13 4.2Phasen und Gefüge...........................................................................................................13 4.3Bezeichnung und Anwendung......................................................................................... 14 4.4Eigenschaftsänderungen von Eisenwerkstoffen...............................................................16 5.Wärmebehandlung................................................................................................................. 16 5.1Diffusion.......................................................................................................................... 17 5.2Glühen..............................................................................................................................17 5.3Umwandlungshärten (bei Fe)...........................................................................................17 5.3.1Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild.............................................................. 18 5.3.2Härteverfahren.......................................................................................................... 19 6.Mechanische Eigenschaften................................................................................................... 19 6.1Elastische Verformung.....................................................................................................19 6.2Plastische Verformung.....................................................................................................20 6.2.1Gleitung, Versetzungsbewegung, Zwillingsbildung.................................................21 6.2.2Erholung und Rekristallisation..................................................................................22 6.2.3Kriechen.................................................................................................................... 23 6.2.4Methoden zur Festigkeitssteigerung......................................................................... 23 7.Untersuchungs- und Prüfverfahren........................................................................................ 23 7.1Bestimmung der Zusammensetzung und des Kristallgefüges von Werkstoffen............. 23 7.1.1Analyse und optische Verfahren............................................................................... 23 7.1.2Elektronenmikroskope.............................................................................................. 24 7.2Zerstörende Werkstoffprüfung.........................................................................................24 7.2.1Zugversuch................................................................................................................24 7.2.2Härteprüfung............................................................................................................. 25 7.2.3Kerbschlagbiegeversuch........................................................................................... 26 7.2.4Dauerfestigkeitswerte................................................................................................27 7.3Zerstörungsfreie Prüfverfahren........................................................................................ 28 Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 71 7.3.1Röntgendurchstrahlverfahren....................................................................................28 7.3.2Ultraschall-Verfahren................................................................................................29 7.3.3Farbeindringverfahren...............................................................................................30 7.3.4Magnetpulververfahren.............................................................................................30 7.3.5Schallemissionsprüfung............................................................................................ 30 8.Elektrische Eigenschaften im Festkörper...............................................................................31 8.1Bändermodell................................................................................................................... 31 8.2Elektrische Leitfähigkeit metallischer Werkstoffe...........................................................32 Thermoelektrische Effekte....................................................................................................34 9.Leiterwerkstoffe, Nichteisenwerkstoffe.................................................................................35 9.1Kupfer.............................................................................................................................. 35 9.2Kupferlegierungen........................................................................................................... 36 9.3Aluminium (Al)................................................................................................................39 9.4Aluminiumlegierungen.................................................................................................... 39 9.5Weitere Nichteisenwerkstoffe..........................................................................................41 9.6Gefügebilder von Nichteisenwerkstoffen........................................................................ 42 9.7Werkstoffe für besondere Anwendungen........................................................................ 42 9.7.1Kontaktwerkstoffe.....................................................................................................42 9.7.2Widerstandswerkstoffe..............................................................................................44 9.7.3Supraleiter (SL).........................................................................................................47 10.Elektronische Halbleiter.......................................................................................................49 10.1Eigenleitung (intrinsische Leitung)................................................................................50 10.2Störstellenleitung (extrinsische Leitung)....................................................................... 51 10.3Verbindungshalbleiter....................................................................................................52 10.4Anwendung.................................................................................................................... 52 10.5Halbleitertechnologie..................................................................................................... 53 11.Isolierstoffe.......................................................................................................................... 55 12.Organische Werkstoffe........................................................................................................ 56 12.1Molekularer Aufbau.......................................................................................................56 12.2Kopplungsprozesse, makromolekulare Verbindungen.................................................. 57 12.3Einteilung der Kunststoffe............................................................................................. 58 12.4Kunststoffprüfung.......................................................................................................... 62 12.5Technologie....................................................................................................................63 13.Magnetwerkstoffe................................................................................................................ 64 13.1Verhalten von Materie im Magnetfeld...........................................................................64 13.2Magnetisierungskurve und Hystereseschleife................................................................66 13.3Weichmagnete................................................................................................................68 13.4Hartmagnete................................................................................................................... 69 Skript Werkstofftechnik WS 2000/2001, SS 2000 Prof. Dr. Broßmann 72
