Karteikarten Fragenkatalog Kap 1 - FSMB

Wie ist die Treibkraft definiert
und was sagt sie aus?
Treibkraft = 0: Zustand des Gleichgewichts bzw. der Stabilität:
Sei G die Gibbs’sche Freie Enthalpie.
Welche Phase liegt vor, wenn
Gfest − Gschmelze < 0
Spontanes Schmelzen
Spontane Erstarrung
(G ist ein Stabilitätsmaß)
Warum sinkt die Gibbs’sche Freie
Enthalpie mit steigender Temperatur?
Mit steigender Temperatur steigt auch die Entropie
G nimmt also mit steigender
Temperatur ab, die Steigung der
Kurve G(T) ist −S.
Was ist die Entropie?
W… Zustandswahrscheinlichkeit
kB… Boltzmann-Konstante
Die Entropie (S) ist ein Maß für die Unordnung eines Systems:
Wo ist die Entropie höher: im
Festkörper, der Schmelze oder im Gas?
Was versteht man unter Allotropie?
Allotropie:
Erscheinung, wenn chemisches Element im gleichen
Aggregatzustand in mehreren Strukturformen auftritt (z.B. Fe, C).
Wo liegen die allotropen Haltepunkte
des Eisens?
Allotrope Haltepunkte bei Eisen:
α -> γ:
γ -> δ:
911°C
1392°C
Betrachten Sie folgendes Blei-ZinnZustandsdiagramm:
Welche Linien in dem Zustandsdiagramm sind
1. Soliduslinien,
2. Liquiduslinien,
3. Die Löslichkeitsgrenze von Zinn in
festem Blei,
4. Die Löslichkeitsgrenze von Blei in
festem Zinn?
Liquiduslinie (2)
Soliduslinie (1)
Löslichkeitsgrenze von Zinn
in festem Blei (3)
Die Löslichkeitsgrenze von Blei in
festem Zinn (4)
Betrachten Sie folgendes Blei-ZinnZustandsdiagramm:
Betrachten Sie eine Legierung mit 30
Masse-% Zinn.
1. Wie viel Masse-% Zinn sind bei einer
Temperatur von 225°C in der
Schmelze gelöst?
2. Wie groß ist der Sn-Gehalt in der αPhase?
3. Wie groß ist der Phasenanteil der
Schmelze PS an dem
Zweiphasensystem?
4. Wie viel Atom-% Zinn enthält die
eben betrachtete Legierung mit 30
Masse-% Zinn?
1) Masse-% Zinn in Schmelze gelöst:
2) Masse-% Zinn in der α-Phase:
3) Phasenanteil der Schmelze
4) Atom-% Zinn:
Wie lautet die Gibbs’sche
Phasenregel?
Wie lautet die modifizierte Gibbs’sche
Phasenregel für p =const.?
Gibbs‘sche Phasenregel:
Modifizierte Gibbs‘sche Phasenregel (falls p = konst.):
F… Anzahl Freiheitsgrade (Anzahl Zustandsgrößen (wie x, c, T, p), die veränderbar sind
ohne P zu verändern)
P… Anzahl Phasen (s, f, α, β, etc.)
K… Anzahl Komponenten
Was ist eine Konode?
Konode:
Linie im Phasendiagramm (waagrecht), verbindet die im
Gleichgewicht befindlichen Zusammensetzungen der beiden
Phasen. Dient zur Bestimmung der beiden Phasen (-> Hebelgesetz)
Konode
1. Wie lautet eine eutektische Reaktion für ein
Zweistoffsystem A, B?
2. Wodurch zeichnet sich ein Eutektikum aus?
3. Warum ist es von großer technischer
Bedeutung?
4. Wo finden Sie im Fe-Fe3C Schaubild einen
eutektischen Punkt, und was ist dessen
technische Relevanz?
1. Eutektische Reaktion:
2. Eutektikum: Dreiphasen Gleichgewicht:
• Eindeutig bestimmbarer Schmelzpunkt
• Schmelzpunkt ist der niedrigste aller Mischungen aus
denselben Bestandteilen
3. Technische Bedeutung:
• Feines, gleichmäßiges Gefüge
• Schmelzpunkt unter dem der reinen Metalle -> typische
Lötlegierung, wirtschaftliches Einschmelzen
• U.a. glattwandige Erstarrung der Schmelze -> große
gießtechnische Bedeutung
4. Eutektikum des Fe-C-Systems bei 4,3 % Kohlenstoff, 1147°C (Ledeburit)
• Gusseisen vorzugsweise eutektisch
1. Wie lautet eine eutektoide Reaktion für ein
Zweistoffsystem A, B ?
2. Wodurch zeichnet sich ein Eutektoid aus?
3. Wo finden Sie im Fe-Fe3C Schaubild einen
bedeutenden eutektoiden Punkt und was ist
dessen technische Relevanz?
1. Eutektoide Reaktion:
2. Phasenübergang im festen Zustand
3. Eutektikum des Fe-C-Systems bei 0,8 % Kohlenstoff, 723°C
(Perlit)
• Umwandlung von Fe-C-Mischkristallen (γ) zu
Perlit
• Fein ineinander verteilte Phasen
1. Wie lautet eine peritektische Reaktion für ein
Zweistoffsystem A, B?
2. Wodurch zeichnet sich ein Peritektikum aus?
1. Peritektische Reaktion:
2. Flüssige Phase S und feste Phase α befinden sich
im thermodynamischen Gleichgewicht mit fester
Phase β
Skizzieren Sie das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm im Bereich Kohlenstoffgehalt < 2
Masse-%, Temperatur < 1147◦C.
Benennen Sie die auftretenden Phasenbereiche
und geben Sie charakteristische Temperaturen
sowie Kohlenstoffgehalte an.
Das Fe-Fe3C-Diagramm
Diskutieren Sie das metastabile FeFe3C-Schaubild.
• Kohlenstoff im gebundener Form (Fe3C bzw. Zementit)
• Kohlenstoffgehalt von 0 bis 6,67 % (entspricht 100%
Zementit)
• Die Linien stellen die zu anderen Temperaturen
verschobenen Haltepunkte bzw. Knickpunkte dar und
grenzen die einzelnen Phasenfelder voneinander ab
• Stahl: Fe mit <2,06 % C
• Gusseisen: Fe mit >2,06% C
Was ist Perlit?
Erklären Sie die plattenartige Struktur.
• Perlit ist ein lamellar angeordneter, eutektoider
Gefügebestandteil des Stahles
• Gefüge verarmt lokal an Kohlenstoff, welcher sich durch
Diffusion an den Nachbargebieten sammelt ->
Abwechslung von C-reichen und C-armen Gebieten
=> Lamellen
− C-arm: ab 0,02% C klappt Gefüge in Ferrit (α) um
− C-reich: steigt bis 6,67% C -> Sekundärzementit
Warum ist die Löslichkeit von C im
Austenit höher als im Ferrit?
Im Kubisch Raumzentrierten Gitter (krz) von Ferrit (α) hat die
größte Gitterlücke einen Radius r= 0,36 Angström.
Im Kubisch Flächenzentrierten Gitter (kfz) von Austenit (γ) hat
die größte Gitterlücke einen Radius von r=0,52 Angström und
ist somit größer als im KRZ Ferrit
Was versteht man unter
Sekundärzementit?
Sekundärzementit (Fe3CII) entsteht nicht primär aus der
Schmelze, sondern durch Ausscheidung aus dem Austenit
(Tertiärzementit (Fe3CIII) entsteht durch Ausscheidung aus Ferrit)
Warum sollte die Ausscheidung von
Sekundärzementit an den Korngrenzen
vermieden werden?
• Korngrenzenzementit hat Einbußen der Festigkeit zur
Folge (Gefüge wird porös), entsteht bei Stahl mit mehr
als 0,8 % Kohlenstoff (sog. übereutektoider Stahl)
• Stahl wird dagegen auch härter
Was versteht man unter Diffusion?
Diffusion:
Vorgänge des Stoff- bzw. Materialtransports, verbunden mit der
Wanderung von Atomen, Ionen, Molekülen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörper
=> Thermisch aktivierte Platzwechsel
Nennen Sie drei
Diffusionsmechanismen.
Platzwechselmechanismus
Leerstellenmechanismus
Zwischengittermechanismus
Oberflächendiffusion
Korngrenzendiffusion
(Oberfläche = „sehr viele Leerstellen“)
(Korngrenzen = „große Zwischengitterplätze“)
Was versteht man unter pipe-diffusion
(Schlauchdiffusion)?
Pipe-Diffusion (Schlauchdiffusion):
Erhöhter Diffusionskoeffizient entlang der aufgelockerten Gitterstruktur im Zentrum von Versetzungen
Wie lauten das 1. und 2. Fick’sche
Gesetz, und wann werden diese
jeweils verwendet?
1. Fick‘sche Gesetz
j(x)… Teilchenstrom, Diffusionsstrom [Atome/m²s]
D… Diffusionskoeffizient [m²/s]
c… Konzentration [Atome/m³]
dc/dx…Konzentrationsgradient (<0)
Beschreibt die Geschwindigkeit des Diffusionsvorgangs in x-Richtung.
2. Fick‘sche Gesetz
Beschreibt die Änderung des Konzentrationsprofils in x-Richtung mit der
Zeit (für D=konst. -> unabhängig von c)
Warum ist der Diffuionskoeffizient von
z.B. H, C, Fe im krz-Gitter größer als im
kfz-Gitter?
Packungsdichten:
kfz: 0,74
krz: 0,68
Packungsdichte von kfz größer als von krz, daher Diffusion im
krz-Gitter günstiger.
Warum weisen peritektisch erstarrte
Kristalle starke Konzentrationsschwankungen auf?
Am Beispiel des Fe-C-Diagramms:
Schmelze und feste δ-Phase
reagieren am Peritektikum
miteinander bis fester γMischkristall entsteht.
Der neu entstehende GammaMischkristall lagert sich um den
bestehenden δ -Mischkristall
herum an
-> der angelagerte γ -Mischkristall
wirkt als Diffusionsbarriere
(
)
Beschreiben Sie mögliche
Keimbildungsmechanismen.
Homogene Keimbildung:
• erfolgt im freien Raum (Schmelze)
• statistisches Zusammentreffen von
Teilchen
Heterogene Keimbildung:
• Keimbildung an schon vorhandenen
Oberflächen (z.B. Korngrenzen) oder
Teilchen
• diese wirken als
Keimbildungskatalysator
Welche Bedingung muss erfüllt sein,
damit ein zufällig gebildeter Keim
‚überlebt’?
Keim benötigt mindestens kritischer Keimradius
Wie können Sie die Keimbildungsrate
beeinflussen?
Einfluss auf Keimbildungsrate haben:
• Temperatur
• Versetzungskonzentration
• Fremdatome
Was versteht man unter einer
martensitischen Umwandlung und
unter welchen Bedingungen
kann sie erfolgen?
Martensitische Umwandlung:
• Diffusionslose Phasenumwandlung im Festkörper
Bedingung:
• Temperaturänderung bei Abkühlung so rasch, dass Diffusion
ausgeschaltet wird
(Umwandlungsgeschwindigkeit nahezu die Schallgeschwindigkeit des Kristalls)
Wie verändert sich die Kristallstruktur
bei der martensitischen Umwandlung
des Eisens qualitativ?
Umwandlung von kfz (γ, Austenit) in trz (α’, Martensit) und krz (α,
Ferrit)
Worauf basiert die große Härte des
Martensits in Fe-C-Legierungen?
Umgewandelte Bereiche sind stark verspannt
-> wirkungsvolle Versetzungshindernisse
Was bedeuten die Abkürzungen Ms
und Mf und wovon sind die Größen
abhängig?
Ms: Martensitbildung-Starttemperatur
Mf: Martensitbildung-Endtemperatur (f: finish)
Abhängig vom C-Gehalt:
Die Wärmebehandlung eines Stahls
liefert ein Gefüge aus Martensit und
Restaustenit.
Was müssen Sie tun, um den
Martensitanteil zu erhöhen?
Stahl über Ms erhitzen und anschließen unter
Mf abschrecken!
Erläutern Sie Unterschiede und
Anwendungsfälle für kontinuierliche
und isotherme ZTU-Schaubilder
Kontinuierliche ZTU-Schaubilder:
• Festlegung von Wärmebehandlung bei
kontinuierlicher Ab-kühlung
• Bestimmung von Gefügeanteilen
• Bestimmung der Härte des Gefüges am
Ende der Ab-kühlung
Isotherme ZTU-Schaubilder:
• Bestimmung von Umwandlungszeiten
• Härte nach isothermer
Wärmebehandlung
Welche festigkeitssteigernden Mechanismen kennen Sie?
Welcher physikalische Mechanismus bewirkt jeweils die
Festigkeitssteigerung?
Geben Sie formelmäßig an, welche Festigkeit bzw. Festigkeitssteigerung
jeweils erwartet werden kann.
Erläutern (definieren) Sie die verwendeten Symbole.
Bezeichnung
Physik. Mechanismus
σ bzw. Δσ
Mischkristallhärtung
Mischkristallhärtung
~ √c
Kaltverfestigung
Versetzungshärtung
~ √ρ
Kornfeinung
Feinkornhärtung
~ 1/√d
Ausscheidungshärtung
Ausscheidungshärtung
~ √VT∙rT und ~1/(Λ-2rT)
Dispersionshärtung
Dispersionshärtung
~ 1/(Λ-2rT)
c… Konzentration der im Gitter gelösten Fremdatome
ρ... Dichte der Versetzungen
d… mittlere Korngröße
VT… Volumenanteil der als Teilchen ausgeschiedene Fremdatome
rT… mittlere Teilchenradius
Λ… mittlere Teilchenabstand
Erläutern Sie die Wirkung von
Fremdatomen auf die Werkstofffestigkeit.
Geben Sie jeweils Beispiele von Elementpaarungen an, welche
(a) Substitutionsmischkristalle und
(b) Einlagerungsmischkristalle
bilden.
Zwischengitter-/Substitutionsatome verzerren das Kristallgitter
und behindern somit die Gleitbewegung im Kristall
-> Gleitbewegungen müssen Gleitebene wechseln, dies erfordert
höhere Energie => Verfestigung
a) Substitutionsmischkristalle, z.B.:
• Ni-Au
• Fe-Cr
• Al-Si
b) Einlagerungsmischkristalle, z.B.:
• Fe – C, N, O, H
• Ti – C, V, O, H
Warum ist Lithium als
Legierungselement für Aluminium
interessant?
Hohe E-Modul-Steigerung bei geringem Li-Gehalt.
Erläutern Sie die hohe theoretische
Schubspannung des perfekten Kristalls.
Warum ist der perfekte Einkristall dennoch
nicht die Lösung für die Suche nach
höchstmöglicher Festigkeit technischer
Werkstoffe?
Perfekter Kristall:
• keine Gitterfehler, keine Korngrenzen, keine Versetzungen
Versetzungen können nicht entstehen bzw. gleiten
Einkristall nicht möglich bzw. nicht in großen Mengen
produzierbar.
Nennen Sie Voraussetzungen für
Ausscheidungshärtung.
Voraussetzungen für Ausscheidungshärtung:
• Mischkristallbildung (z.B. B gelöst in α-Mischkristall)
• Abnehmende Löslichkeit mit sinkender Temperatur
• Bildung einer Ausscheidungsphase (z.B. β, oft AxBy)
Erläutern Sie die Versetzungsmechanismen,
die die Festigkeitssteigerung bei
ausscheidungsgehärteten Werkstoffen
beschreiben und quantifizieren Sie diese.
Unterscheiden Sie zwischen kohärenten und
inkohärenten Ausscheidungen. Wie
entwickeln sich die Mechanismen im Laufe
der Zeit?
Kelly-Fine-Mechanismus: Schneiden von kohärenten Ausscheidungen
Orowan-Mechanismus: Umgehen von inkohärenten Ausscheidungen
Erläutern Sie den Unterschied
zwischen Ausscheidungs- und
Dispersionshärtung.
Dispersionshärtung:
• Ausscheidungen verteilen sich flächenförmig um Korngrenzen
verhindert Korngrenzen-Gleitung
Ausscheidungshärtung:
• feinverteilte Ausscheidungen
Hindernis für Versetzungen
Beurteilen Sie, ob folgende Aussagen
korrekt sind:
x
x
x
x
x
x
x
x
Beurteilen Sie die Richtigkeit folgender
Aussagen zum Restaustenit:
x
x
x
x
x
Welche Wärmebehandlungsprozesse
können Kohlenstoff-Stähle prinzipiell
durchlaufen?
• Beseitigung der Kaltverfestigung durch
Rekristallisationsglühen
• Korngrößenänderung durch Grobkornglühen und
Normalglühen
• Verbesserung der Verformbarkeit durch Weichglühen
• Entfestigung für eine verbesserte spanende
Formgebung durch Weichglühen und Grobkornglühen
• Ausgleich von Gefügeinhomogenitäten durch
Diffusionsglühen
• Beseitigung von Eigenspannungen durch
Spannungsarmglühen
• Erhöhung der Werkstofffestigkeit durch Härten, Anlassen
und Einsatzhärten