Werkstoffkunde Zusammenfassung + Fragenkatalog TU Graz SoSe 2019, Zusammenfassungen von Werkstoffkunde

Nur auf Docsity: Lade Werkstoffkunde Zusammenfassung + Fragenkatalog TU Graz SoSe 2019 und mehr Zusammenfassungen als PDF für Werkstoffkunde herunter! Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 1 of 182 Werkstoffkunde Zusammenfassung Die vorliegende Zusammenfassung mit integriertem Fragenkatalog basiert auf dem VO-Skriptum (2019), dem Fragenkatalog 2017 und Sekundärliteratur (z.B. Werkstoffkund – Bargel (Springer)). Die Fragen wurden dabei teilweise überarbeitet, in Reihenfolge des jeweiligen Kapitels im Skriptum sortiert und so in die Zusammenfassung integriert. Jede Frage ist grau hinterlegt und durch einen Querstrich von weiterführenden Inhalten abgetrennt. (Alle Angaben und Ausführungen ohne Gewähr) Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 2 of 182 Inhalt: Einführung (Sk. 18) ........................................................................................................................ 3 Aufbau der Werkstoffe (Sk. 34) ..................................................................................................... 6 Mechanische Eigenschaften von Werkstoffen (Sk. 84) ............................................................... 27 Grundlagen des Legierungsaufbaues metallischer Werkstoffe (Sk. 106) ................................... 37 Diffusion (Sk. 154) ....................................................................................................................... 58 Kristallerholung und Rekristallisation (Sk. 168) .......................................................................... 65 Physikalische Eigenschaften der Metalle (Sk. 176) ..................................................................... 70 Eisen – Kohlenstoff – Legierungen (Sk. 212) ............................................................................... 81 Kunststoffe (Sk. 256) ................................................................................................................. 102 Werkstoffgruppen (Sk. 304) ...................................................................................................... 116 Gewinnung / Verarbeitung von metallischen Werkstoffen (Sk. 358) ....................................... 131 Korrosion (Sk. 372) .................................................................................................................... 136 Zähigkeit (Sk. 412) ..................................................................................................................... 149 Bruchmechanik (Sk. 446) ........................................................................................................... 158 Ermüdung (Sk. 468) ................................................................................................................... 162 Kriechen (Sk. 503) ..................................................................................................................... 170 Eigenspannungen (Sk. 527) ....................................................................................................... 175 Nanotechnologie (Sk. 537) ........................................................................................................ 177 Biokompatible Werkstoffe (Sk. 547) ......................................................................................... 179 Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 5 of 182 1.12 Nennen Sie 3 hochschmelzende Metalle.  Wolfram (W)  Molybdän (Mo)  Tantal (Ta)  Niob (Nb) 1.13 Nennen Sie 3 Edelmetalle.  Gold (Au)  Silber (Ag)  Platin (Pt) 1.14 Erklären Sie die Einteilung der Werkstoffe. Werkstoffe können unterschiedlich eingeteilt werden. Dabei unterscheiden sich die Werkstoffgruppen durch ihren Atomaren und molekularen Aufbau. NE-Metalle: Nichteisen-Metalle; NA: nichtmetallisch anorganisch Unterteilung in 7 Werkstoffhauptgruppen Die vier Werkstoffgruppen: M Metalle: metallische Bindungen K Keramik: kovalente Bindung P Polymere: Kettenmolkeküle V Verbund: Kombination verschiedener Stoffe. (Halbleiter und Silikone sind Gruppen nicht eindeutig zuordenbar) 1.15 Welche Werkstoffgruppe ist durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet: hohe Härte, hohe Schmelztemperatur, Sprödheit, ausgezeichnete chemische Beständigkeit, schlechte elektrische Leitfähigkeit? Keramik und Glas (NA-Werkstoffe) Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 6 of 182 Aufbau der Werkstoffe (Sk. 34) Einleitung – Gefüge metallischer Werkstoffe: Makroskopisch sehen die meisten Werkstoffe homogen aus, sind jedoch in Wirklichkeit aus mikroskopisch feinen Gefügeteilen aufgebaut. Gefügeteile metallischer Werkstoffe sind in sich regelmäßig aus Atomen aufgebaut  kristallin. Das Gefüge wird bestimmt durch die Größe, Form, Verteilung und gegenseitige Anordnung der Kristallite (Körner) bzw. Phasen.  Korn: Bereich einer Phase mit gleicher Kristallorientierung  Phase: chemisch homogener, physikalisch bestimmter und kristallographisch unterscheidbarer Anteil eines Werkstoffes Metallographie – Methode der Gefügeuntersuchung (Sk. 36) Metallographie - optische Untersuchung des metallischen Gefüges sowie dessen qualitative und quantitative Beschreibung.  verwendete optische Mittel: sichtbares Licht, Röntgenstrahlen, e-Strahlen Lichtmikroskopische Metallographie (Sk. 40) Auflichtmikroskopie – Beobachtung/Untersuchung von undurchsichtigen Werkstoffproben mittels reflektierendem Licht. Die Mehrzahl der wichtigen Gefügebestandteile sind nur erkennbar, wenn das auffallende Licht nicht auf Grund der Rauheit der Oberfläche nach allen Seiten gestreut wird (Probenvorbereitung notwendig). Vergrößerung bis etwa 1000-fach möglich Beleuchtungsarten:  Hellfeld  Dunkelfeld  Phasenkontrast, Interferenzkontrast, polarisiertes Licht Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 7 of 182 Elektronenmikroskopische Metallographie (Sk. 44) Durchstrahlungselektronenmikroskopie (TEM) - Das Abbildungsprinzip des TEM beruht darauf, dass an Gitterbaufehlern die Elektronenstrahlen gebeugt werden. Dadurch ergeben sich in den einzelnen Werkstoffzonen Laufzeitdifferenzen, die zu Interferenzen führen. Nach Vergrößerung mit elektro- magnetischen Linsen werden diese Interferenzen als Hell-Dunkel-Bild auf einer Mattscheibe abgebildet. Die Bereiche mit Gitterstörungen erscheinen dabei meist dunkel.  Auflösungsvermögen d = 2 - 8 Å  Durchstrahlung von Folienabzügen und Dünnschliffen Rasterelektronenmikroskop (REM, SEM) - Im REM (engl. SEM: Scanning Electron Microscope) wird die Sekundärelektronenemission durch einen die Probe zeilenförmig abtastenden Strahl von Primärelektronen bewirkt. Besonders hervorzuheben ist die außergewöhnliche Tiefenschärfe! (Untersuchung von Bruchflächen sind somit möglich) (Auflösungsvermögen d  250 Å) Sekundärelektronenemissionen entstehen durch Wechselwirkung des Primärelektronenstrahls und den Atomen des zu untersuchenden Objekts. 2.1 Geben Sie ungefähr die Wellenlänge von sichtbaren Licht, Röntgenlicht und e – Strahlen an. (Sk. 36)  Sichtbares Licht = 4000 − 8000 Å  Röntgenstrahlen = 0.6 − 10 Å  e-Strahlen = 0.03 − 0.07 Å 2.2 Erklären Sie die Probenpräparation in einer (Sk. 37) a) Lichtmikroskopischen Probe  Schleifen – ebnet die Oberfläche ein  Polieren – beseitigt Rauigkeiten  Ätzen – erzeugt Kontraste (Korngrenzen werden durch Redoxreaktion angegriffen → an Oberfläche entsteht eine Art Topographie) b) Rastermikroskopischen Probe (REM) keine c) Durchstrahlungselektromikroskopischen Probe (TEM)  Abdrücke (Lackabzug, Schrägbedampfung mit C/Schwermetall, Oxidhaut zur Ablösung mit Säure) oder  Dünnfolien (Herstellung durchstrahlbarer Bereiche durch elektrolytisches Dünnen) 2.3 Was ist Hellfeld/Dunkelfeld? Hellfeld Flächen, die parallel zur Schlifffläche sind, erscheinen hell. Licht fällt senkrecht auf die Schlifffläche Dunkelfeld Flächen, die parallel zur Schlifffläche sind, erscheinen dunkel. Licht fällt schräg auf die Schlifffläche 1 Å ≅ 10 Å … Angström Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 10 of 182 Sekundärbindungen (physikalische Bindungen) – relativ schwache Bindungen (wichtige Bindungen in Polymeren) Van-der-Waals-Bindung Sammelname für Bindungen durch Dispersions-, Dipol-Dipol- und Induktionskräfte. Die Bindung entsteht durch Polarisation benachbarter Moleküle und der dadurch entstehenden elektrostatischen Anziehung (Wechselwirkung) → je stärker die Polarität desto stärker die Wechselwirkungen. Wasserstoffbrückenbindung (Sekundärbindung) Das Wasserstoffatom wirkt als „Brücke“ zwischen einem elektronegativen Atom, an das es kovalent gebunden ist, und einem ebenfalls elektronegativen Atom eines anderen Moleküls, an das es physikalisch gebunden ist. 2.8 Welche Bindungsarten können bei kondensierten Phasen1 auftreten? Bei kondensierten Phasen können alle Bindungsarten auftreten. 2.9 Was sind Hauptvalenz-, was sind Nebenvalenzbindungen? Hauptvalenzbindungen (Primärbindungen) sind sehr stakte chemische Bindungen (kovalente, ionische oder metallische Bindungen zwischen den am Molekülaufbau beteiligten Atomen). Die Bindungsenergien sind stark von den an der Bindung beteiligten Atom abhängig. Nebenvalenzbindungen (Sekundärbindungen) sind physikalische Bindungen die relativ schwach sind. Je nach dem chemischen Aufbau eines Stoffes bestehen verschiedenartige und verschieden starke Anziehungskräfte zwischen den Molekülen, die ganz allgemein den Zusammenhalt der Moleküle untereinander bewirken. 2.10 Unterschied zwischen amorph und kristallin? (in Aufbau und Wirkung) Amorph - die Anordnung der atomaren Grundbausteine (z.B. Moleküle) ist regellos im Raum:  Strukturmäßig gleich wie molekulare Flüssigkeit  Mit fallender Temperatur kontinuierlicher Übergang von leichtflüssigem über zähflüssiges Verhalten zu glasiger Erstarrung  Zunahme der Viskosität mit fallender Temperatur um viele Zehnerpotenzen (Erstarrungsintervall)  Konkurrenz netzwerkbildender und netzwerkunterbrechender Bausteine (Viskosität...Widerstand gegen Fließen) Kristallin – Atome sind regelmäßig in einem Raumgitter angeordnet. Kristalle bilden sich aus metallisch gebundenen Einzelatomen (Cu, Fe, Al und Mischkristalle), aus kovalent gebundenen Einzelatomen (Si, Ge, B-N. Si-N), aus einfachen Ionen (Mg2+, O2-) oder aus komplexen Ionen (SiO44-)  Fernordnung (Strukturmerkmal) - strenge Periodizität des Raumgitters in definierten Strukturtypen  Raumfüllung bezogen auf Strukturtyp ist lückenlos  Geringe Kompressibilität  Starre Form → Viskosität  Exakt angebbare Schmelz-/Erstarrungstemperatur 1 Materie in festem oder flüssigem Zustand Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 11 of 182 Atomanordnung im a) amorphen und b) kristallinen Zustand Der Elastizitätsmodul (Sk. 54) Vorstellung der Bindungskräfte zwischen den Atomen untereinander wie kleine Federn → Federmodell Federn besitzen ein Potential / potentielle Federenergie U(r) r…Abstand der Atome Die notwendige Kraft um zwei Atome nun in einen Abstand r zu bringen, kann analog einer Feder, durch die erste Ableitung der Energie U nach dem Weg berechnet werden. Für kleine Beträge kann die Kraft für alle Stoffe als dem Abstand proportional angenommen werden, und zwar sowohl unter Zug- als auch unter Druckbelastung. (Repulsion…Abstoßung) Gleichgewichtsfall Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 12 of 182 2.11 Was ist Elastizität? Elastizität ist die Eigenschaft eines Körpers oder Werkstoffes, unter Krafteinwirkung seine Form zu verändern und bei Wegfall der einwirkenden Kraft in die Ursprungsform zurückzukehren (Beispiel: Sprungfeder). Man unterscheidet dabei:  das linear-elastische Verhalten, das durch das Hooke‘sche Gesetz beschrieben wird; es tritt generell bei kleinen Deformationen auf, sowie  das nicht-linear-elastische Verhalten, bei dem die Spannung nichtlinear von der Deformation abhängt. Typisches Beispiel ist hier die Gummielastizität bei größeren Deformationen Nach Wegnahme der Belastung ( = 0) geht der Werkstoff wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück. 2.12 Wie wird die Elastizität vom atomischen Aufbau beeinflusst? Wirkt auf einen Körper eine Kraft ein, so wird die Gleichgewichtslage seiner elementaren Bausteine (Atome oder Moleküle) gestört (siehe Federmodell). Die Abstände zw. ihnen werden um ein geringes Maß vergrößert oder verkleinert. Die dazu aufgewendete mechanische Energie (Formänderungsenergie) wird gespeichert und bei Entlastung wieder freigegeben.  Die Elastizität wird durch die Bindungskräfte und Bindungsart der Atome im Werkstoff beeinflusst 2.13 Welche Mechanismen spielen bei der elastischen Verformung von Werkstoffen eine Rolle? Gibt es bevorzugte Elemente/Ebenen? Bei der elastischen Verformung werden Atome durch Belastung voneinander entfernt bzw. zusammengedrückt. Je größer ihr Abstand ist, desto größer wird die Kraft, die sie in Gleichgewichtslage zurück bringt. Bevorzugte Ebene stellen Gleitebene dar. 2.14 Elastizitätsmodul eines Verbundwerkstoffes berechnen. Hier spielt die Anordnung der Fasern zur Belastungsrichtung eine Rolle Faser Matrix Dehnung Spannung E-Modul 1. Parallelbelastung: (Fasern und Matrix dehnen sich gleich viel) = = → Dehnung ist in Fasern und Matrix gleich = + (1 − ) = = + (1 − ) (stellt unter anderem die obere Grenze des E-Moduls des Faserverbundwerkstoffes dar) Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 15 of 182 2.21 Erklären sie die Begriffe (wenn möglich mit Gleichung) E-Modul Der E-Modul € ist ein Materialkennwert/Proportionalitätskonstante. Er beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung () und Dehnung () bei der Verformung eines festen Körpers bei linear-elastischem Verhalten. = Querkontraktionszahl Die Querkontraktionszahl/Poissonzahl () beschreibt das Verhältnis von Quer- und Längsdehnung () eines Festkörpers bei Zug-/Druckspannung. Bei der Längsdehnung z.B. eines Stabes kommt es zu einer Querschittsabnahme → Querkontraktion Streckgrenze Die Streckgrenze () ist jene Spannung, bis zu der ein Material Belastungen durch Zug ausgesetzt werden kann, ohne sich plastisch zu verformen. Sie wird aus dem Zugversuch ermittelt. Zugfestigkeit Die Zugfestigkeit () ist die maximale mechanische Zugspannung, die ein Werkstoff aushält ohne zu Brechen. Sie wird zumeist aus den Ergebnissen des Zugversuchs errechnet als maximal erreichte Zugkraft () bezogen auf den ursprünglichen Querschnitt der genormten Zugprobe (). = Kristalle (Sk. 60) Bindungsarten: metallisch, kovalent, ionisch (der Einzelatome untereinander) Struktur - Eine bestimmte Kristallstruktur wird durch eine Elementarzelle, die sich durch drei Gittervektoren a, b, c beschreiben lässt, aufgebaut. Die periodische Wiederholung der Elementarzelle ergibt das Raumgitter. Die Gitterpunkte geben dabei den Ort der Mittelpunkte der atomaren Bausteine an. Elementarzelle – veranschaulicht wie einzelnen Atome, Ionen oder Moleküle zueinander angeordnet sind → Grundmuster Teil eines Raumgitters Elementarzelle mit Gittervektoren Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 16 of 182 Kristallsysteme - Mit Hilfe der Vektoren (Achsen) und Winkel werden 7 Kristallsysteme unterschieden. Jedem der 7 Kristallsysteme entspricht ein einfaches (primitives) Translationsgitter oder Bravaisgitter, bei denen nur in den Ecken der Elementarzelle Gitterpunkte liegen. 2.22 Beschreibe ein Bravais Gitter (Translationsgitter). Neben den primitiven Strukturen, bei denen sich jeweils nur auf den Ecken der Elementarzelle ein Gitterpunkt befindet, kann sich aus Symmetriegründen nur noch ein Punkt im Zentrum der Zelle (raumzentriert) oder auf einander gegenüberliegenden Flächenmitten (flächenzentriert) befinden. Insgesamt ergeben sich daher 14 Translationsgitter. z.B.: kubisches Kristallsystem: 14 Braivis Gitter: Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 17 of 182 2.23 Beschreiben Sie das kubische System. Das kubische System besitzt drei gleiche Achsen unter einem rechten Winkel ( = = ; = = = 90°) und hat drei Translationsgitter (einfach kubisch, kubisch raumzentriert und kubisch flächenzentriert). Wichtige Gittertypen (Sk. 63) 2.24 Erklären und zeichnen Sie folgende Gittertypen: kfz, krz, hdp. Welche Eigenschaften lassen sich von jeweiligen Gittertyp ableiten? Geben Sie zu jedem Gittertyp je zwei Beispiele an, und geben Sie an, wie viele Atome im Mittel der Einheitszelle zugeordnet werden. Anzahl der im Mittel der Elementarzelle zugeordneten Atome: = 8 ∗ 1 8 + 6 ∗ 1 2 = 4 = 8 ∗ 1 8 + 1 = 2 Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 20 of 182 Indizierung von kristallographischen Richtungen Die Miller-Indizes der Richtungen sind nichts anderes als die Vektorkomponenten der entsprechenden Richtungen, erweitert auf die kleinsten ganzen Zahlen  der Vektor mit den Komponenten [½,½,1] wird zu den Miller-Indizes [112] der betreffenden Richtung. Besonderheiten im kubischen System  Die Ebenenindizes entsprechen dem Normalvektor der Ebene.  Gitterabstand (Abstand 2-er benachbarter paralleler Netzebenen) Methoden der Strukturuntersuchung (Sk. 70) Die Methoden der Strukturuntersuchungen machen sich das Prinzip der Beugung2 von Wellen etwa gleicher Wellenlänge wie der Gitterabstand der Netzebenen zu nutze. Beugung am Kristallgitter erhält man nur, wenn die Wellenlänge von gleicher Größenordnung oder kleiner als der Gitterparameter ist 2.29 Wie lautet die Bragg’sche Bedingung und wofür wird sie verwendet? ∗ = 2 sin(Θ) ganze Zahl Wellenlänge der Strahlung Netzebenenabstand Θ Winkel zwischen Netzebene und einfallendem Strahl Das Bragg’sche Gesetz bildet die Grundlage der Untersuchung von Kristallen mit Röntgen-, Neutronen- oder Elektronenstrahlen. Es beschreibt die Reflexion (elektrische Streuung) der Strahlen am Kristallgitter. Die Reflexion elektromagnetischer Strahlung in Kristallen beruht auf der Wechselwirkung der Strahlung mit der Elektronenhülle (im Detail sehr komplex) → vereinfachte Vorstellung der Gitterebenen als halbdurchlässige Spiegel für Röntgenstrahlen. Die Wellenlänge  der verwendeten Strahlung ist bekannt und der Winkel  kann gemessen werden. Unter Verwendung der Bragg’schen Gleichung kann somit der Netzebenenabstand d ermittelt werden. 2 Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Welle an Hindernissen Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 21 of 182 2.30 Was sind die Kriterien für max. Verstärkung und Auflösung von Röntgenstrahlen? Als Kriterium muss die Bragg’sche Bedingung erfüllt sein.  Gibt es einen Phasenunterschied zwischen gebeugten Strahlen von parallelen Ebenen (erstes Bild), dann gibt es wegen der vielen Netzebenen, an denen Beugung erfolgt, immer auch eine zweite gebeugte Welle, welche die erste bei Überlagerung auslöscht.  Zwei Wellen, die an parallelen Ebenen gebeugt werden, können nur dann in Phase sein, wenn der Laufwegunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge beträgt. Das ist genau dann der Fall, wenn das Bragg’sche Gesetz erfüllt ist. (In der Regel sieht man nur die Beugung der 1.Ordnung, d.h. wenn gebeugte Strahlen von benachbarten Netzebenen sich gerade um eine Wellenlänge unterscheiden.) 2.31 Nennen Sie die Grundlage/Bedingung für Verstärkung und Auslöschung von Röntgenstrahlen bei Beugung am Kristallgitter. (mit Skizze und Formel) siehe oben Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 22 of 182 Kristallbaufehler (Sk. 75) Realkristalle besitzen immer viele Baufehler in ihrem Kristallgitter. Vollkommene, regelmäßige und fehlerfreie Kristallgitter werden Idealkristalle genannt. 2.32 Welche Arten von Gitterdefekten/Baufehler in Realkristallen gibt es (Einteilung)? Klassifizierung der Kristallbaufehler anhand ihrer Dimensionen: Punktdefekte (null-dimensional)  Leerstelle (unbesetzter Gitterplatz) – wichtigster Punktdefekt (bedeutend für thermisch aktivierte Vorgänge wie z.B. Diffusion)  Zwischengitteratom (Besetzung eines Zwischengitterplatzes) Liniendefekte (ein-dimensional) – Versetzungen  Stufenversetzung (b senkrecht zur Versetzungslinie)  Schraubenversetzung (b parallel zur Versetzungslinie)  Gemischte Versetzung Zwei-dimensionale Defekte (Flächenfehler)  Korngrenzen: ­ Zwillingsgrenze ­ Kleinwinkelkorngrenze ­ Großwinkelkorngrenze  Phasengrenzen  Stapelfehler (Fehler in der Stapelfolge des regelmäßigen Kristallaufbaus)  Antiphasengrenzen Punktdefekte 2 prinzipielle Arten von Punktfehlern:  Leerstellen (bedeutendster Punktefehler – für thermisch aktivierte Vorgänge sehr wichtig) Die Leerstellenkonzentration ist temperaturabhängig  Zwischengitteratome elektrostatische Kräfte (coulomb’sche Kräfte) führen bei Punktdefekten zu Verzerrungen des Kristallgitters und damit zu Spannungen Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 25 of 182 2.37 Erklären Sie kohärente, teilkohärente und inkohärente Phasengrenzen? Die angrenzenden Kristallite können neben einer unterschiedlichen Orientierung auch eine andere Gitterstruktur besitzen.  Sind die Gitterstrukturen der beiden Phasen gleich oder weisen nur geringe Unterschiede der Gitterparameter auf, so spricht man von kohärenten Phasengrenzen.  teilkohärente Grenzfläche - bei größeren Unterschieden in den Gitterparametern kann die Anpassung nur bei gleichzeitigem Einbau von Versetzungen erfolgen  Haben beide Phasen verschiedene Gitterstrukturen, so geht die Kohärenz in der Grenze vollständig verloren, und man erhält eine inkohärente Phasengrenze. Zunahme des Unterschieds der Gitterparameter Stapelfehler: Fehler in der Stapelfolge des regelmäßigen Kristallaufbaus Antiphasengrenze: „Stapelfehler“ in Legierungskristallen mit geordneter Atomverteilung („falsche“ Atome stoßen aneinander). 2.38 Wie kann man eine Textur sichtbar machen? Eine Textur kann durch Anwendung der Röntgenfeinstrukturanalyse bestimmt werden. 2.39 Was verstehen Sie unter Textur? Wie kann es zu einer Textur im Werkstoff kommen? Womit können Sie die Textur eines Werkstoffes bestimmen? Unter Textur versteht man die bevorzugte Ausrichtung von Kristallen. Sie kann durch Abkühlbedingungen oder Bearbeitungen hervorgerufen werden. Zur Bestimmung sind mehrere Verfahren möglich:  Röntgenfeinstrukturanalyse  Verfahren nach Debye-Scherrer  Verfahren nach Laue  Drehkristallverfahren 2.40 Spannung in einer Schiene berechnen. = ∗ , mit = und Δ = ∗ ∗ Δ --> = ∗ ∗ Δ 2.41 Warum kann man ein erholtes Gefüge nicht im Mikroskop erkennen? Erholen bedeutet Ausheilen und Umordnen der Gitterdefekte. Es werden nur die physikalischen, kaum die mechanischen Eigenschaften geändert. Das metallographisch sichtbare Gefüge bleibt unverändert. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 26 of 182 2.42 MPC: Welche Fehler zählen zu den zweidimensionalen Kristallbaufehlern? Zwillingsgrenze ■ Zwischengitteratom □ Schraubenversetzung □ Stapelfehler ■ Frenkel-Fehlordnung 2.43 Was ist eine Überstruktur? Eine Überstruktur (Fernordnung) ist eine mögliche Anordnung in einem Substitutions-Mischkristall. Das Atom A des Wirtsgitters wird durch Fremdatom B ersetzt. Anziehende Kräfte zwischen den ungleichen Atomen (AB) sind stärker als zwischen gleichen (AA, BB). Es entsteht eine geordnete atomare Struktur. 2.44 Wie heißt das Verfahren, bei dem die temperaturabhängige Längenänderung gemessen wird? Dilatometer Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 27 of 182 Mechanische Eigenschaften von Werkstoffen (Sk. 84) Die mechanischen Eigenschaften sind die wichtigsten Gebrauchseigenschaften von Stahl. Erwünscht sind hohe Festigkeit und gute Zähigkeit bei allen Temperaturen und allen Beanspruchungsarten, denen Stahl ausgesetzt ist. 3.1 Unterschied zwischen elastischer und plastischer Verformung? Beschreibe die metallkundlichen Vorgänge. Werkstücke werden Zug-, Druck-, Biege- und Torsionskräften ausgesetzt. Diese Belastungen führen zu Formänderungen, die elastischer (federnder) oder plastischer (bleibender) Art sein können.  Bei elastischer Verformung treten in erster Näherung keine bleibenden Veränderungen auf. Das Werkstück nimmt nach dem Entlasten wieder seine ursprüngliche Form an.  Einer plastischen Verformung geht immer eine elastische Verformung voraus. Bei Überschreiten einer werkstoffspezifischen Grenzspannung setzt plastische Verformung ein. Sie ist irreversibel (bleibend) und läuft bei kristallinen Werkstoffen über die Bewegung von Versetzungen (Gleiten), durch Zwillingsbildung oder durch martensitische Umwandlung ab. Experimente zeigen, dass die plastische Verformung unter der Wirkung von Schubspannungen durch Abgleiten längs definierter Gleitebenen erfolgt. Zugversuch – Ermittlung des Werkstoffverhaltens unter einachsiger statischer Beanspruchung. Dabei wird die Spannung in Abhängigkeit der Dehnung aufgezeichnet. technisches Spannungs-Dehnungsdiagramm:  Spannung bezogen auf Ausgangsquerschnitt S0  Dehnung bezogen auf Ausgangsläng l0 vgl. wahre momentane Spannungen durch Bezug auf momentanen Querschnitt: Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 30 of 182 3.5 Zwei gleiche Stäbe, einer aus einer Al-Legierung (Rp 0,2 = 180 N/mm2 ), der andere aus E360 (St 70-2), sind so in eine Vorrichtung eingespannt, dass beide gleichzeitig um denselben Betrag gedehnt werden. Welcher Stab wird als erster zu fließen beginnen und warum? Dehnung ist für beide Stäbe im Endzustand gleich. Al-Legierung Stahl (E360) = 70 000 = 210 000 _ = . = 180 70 000 = 0.00257 _ = = 360 210 000 = 0.001714 → Stahl beginnt zuerst zu fließen. Härteprüfung (Sk. 88) Unter der Härte eines Körpers versteht man den Widerstand, den er dem Eindringen eines anderen, härteren Körpers entgegensetzt. genormte Eindringverfahren:  Härteprüfung nach Brinell  Härteprüfung nach Vickers Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 31 of 182  Härteprüfung nach Rockwell 3.6 Was beschreibt das Schmid’sches Schubspannungsgesetz (Skizze und Erklärung sowie Formel)? Der Beginn des plastischen Fließens (z.B. Erreichen der Streckgrenze) bedeutet nichts anderes als der Beginn der (massiven) Versetzungsbewegung. Eine Versetzung bewegt sich infolge einer Kraft, die in der Gleitebene in Richtung des Burger-Vektors (Gleitrichtung) auf sie wirkt. Deswegen ist nicht die angebrachte Zugspannung, sondern die resultierende Schubspannung im Gleitsystem (Gleitebene & Gleitrichtung = Gleitsystem) für die Versetzungsbewegung maßgeblich. Die resultierende Schubspannung berechnet sich aus der Zugspannung = als: = cos() cos() = ∗  Kraftkomponente in der Gleiteben ∗ cos()  Fläche der Gleiteben cos()  Schmid-Faktor = cos() cos() mit 0 ≤ |m| ≤ 0.5 Die wirksame Kraft auf eine Versetzung hängt also von der Lage ihres Gleitsystems relativ zur Zugrichtung ab. Gibt es mehr als ein Gleitsystem, so haben die verschiedenen Gleitsysteme in der Regel unterschiedliche Schmid-Faktoren m. Bei gegebener Zugspannung erfährt das Gleitsystem mit dem größten Schmid-Faktor die höchste Schubspannung. Versetzungsbewegungen erfolgen, sobald ein kritischer Wert 0 überschritten wird. Die Feststellung des Schmid‘schen Schubspannungsgesetzes ist nun, dass für alle Gleitebenen diese kritische Schubspannung 0 gleich ist (experimentell bestätigt) Idealkristall – Theoretische Schubspannung bei der sämtliche Atome einer Kristallebene um einen Gitterabstand in Gleitrichtung verschoben werden ist um vieles größer als bei realen Werkstoffen. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 32 of 182 3.7 Was ist ein Gleitsystem? Gleitsystem - wird aus Gleitebene und Gleitrichtung gebildet. Gleitebene: Gleitebenen sind i.a. die mit Atomen dichtest gepackten Ebenen, z.B. im kfz-System jede Diagonalebene (111) Gleitrichtung: Gleitrichtungen sind i.a. die mit Atomen dichtest gepackten Richtungen, z.B. im kfz- System jede Gitterdiagonale. 3.8 Gleitsystem anhand kfz – Elementarzelle erklären. Ein Gleitsystem beschreibt mittels Gleitebene und Gleitrichtung die Verformung von Metallen durch Versetzungsbewegungen. Eine kfz-Elementarzelle besitzt 4 nichtparallele Gleitebenen und je 3 Gleitrichtungen pro Ebene → 12 Gleitsysteme. 3.9 Wie viele Gleitebenen, Gleitrichtungen und Gleitsysteme hat das kfz-Gitter?  Gleitebene (die mit Atomen dichtest gepackte Ebene): jede Diagonalebene (4)  Gleitrichtung (die mit Atomen dichtest gepackte Richtung): jede Gitterdiagonale (3 pro Ebene)  Gleitsystem (wird aus Gleitebene und Gleitrichtung gebildet): 12 3.10 Warum bricht ein Zn-Stab früher als Cu-Stab? Kupfer (Cu) ist ein Werkstoff mit einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur (12 Gleitmöglichkeiten) und ist daher zäher als Zink (Zn), ein Werkstoff mit einer hexagonalen Kristallstruktur (3 Gleitmöglichkeiten). 3.11 Schubspannungs-Abgleitungskurve (Abgleitkurve) von einem Einkristall? Beim Abgleiten beginnen die Versetzungsquellen, auf dem Gleitsystem zu arbeiten. Dabei tritt eine Verfestigung des Materials ein, die darauf beruht, dass die wandernden Versetzungen sich mit stationären, also am Gleitprozess noch nicht beteiligten Versetzungen schneiden. Für Einkristalle, die sich durch Einfachgleitung verformen, erhält man eine idealisierte Verfestigungskurve. Bereich I (easy-glide-Bereich) Nach Überwinden einer bestimmten kritischen Schubspannung , bis zu der sich der Kristall elastisch verformt, erfolgt eine Verformung mit geringer Verfestigung. Hier wird im Wesentlichen das am günstigsten orientierte Hauptgleitsystem (dicht gepackt) betätigt. Bereich II Hier werden weitere Gleitsysteme „angeworfen“. Die Wechselwirkung zwischen Versetzungen der Hauptgleitebene mit diesen Gleitsystemen ergeben unbewegliche (blockierte) Versetzungen (Lomer- Cottrell-Versetzungen), die ihrerseits als Hindernisse für die weitere Versetzungswanderung wirken. Es tritt eine Verfestigung, d.h. gegenseitige Behinderung der Versetzungen, aufgrund der steigenden Versetzungsdichte auf. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 35 of 182 Teilchenhärtung Der Grund der Teilchenhärtung ist die Hinderniswirkung von Teilchen für die Versetzungsbewegung. Diese Teilchen können die Versetzungsbewegung auf zwei Arten behindern: nicht schneidbare Teilchen schneidbare Teilchen Die Versetzungen müssen die Teilchen umgehen. Die Teilchen werden von gleitender Versetzung abgeschert. 3.16 Wie können verschiedene Versetzungen verschiedene Hindernisse umgehen? Eine Versetzungslinie kann Teilchen (Hindernis) einer zweiten Phase, die in der gleichen Gleitebene liegt, unter Bildung von Versetzungsringen umgehen (Orowan-Mechanismus). Dafür muss eine kritische Schubspannung in der jeweiligen Gleiteben (Kraft auf Versetzung) wirken. Diese nimmt mit abnehmenden Teilchenabstand zu  Dispersion3 von sehr kleine Partikeln besonders wirksam bezüglich Härtesteigerung Teichen können von Versetzungen auch geschnitten werden (siehe unten) Stufenversetzungen überwinden die Hindernisse durch Klettern, Schraubenversetzungen durch Quergleite. 3.17 Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit ein Teilchen geschnitten werden kann? Die Spannung τC zum Durchschneiden der Teilchen nimmt mit √ zu, kann jedoch nicht größer als die Orowan-Spannung werden, denn dann kann die Versetzung das Hindernis leichter umgehen als schneiden. (Bild rechts -Festigkeitszunahme/Teilchengröße) weiter Fragen (Antworten aus obig angeführten Inhalten) 3.18 Wie verändert sich ein Werkstoff bei Kaltverfestigung? siehe Kaltverfestigung 3 sehr feine Verteilung Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 36 of 182 3.19 Welcher Verfestigungsmechanismus steigert sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit? Geben Sie auch eine Begründung an. siehe Feinkornhärtung 3.20 Auf welchen Prinzipien beruht der Härtemechanismus der Feinkornhärtung? Vorteile gegenüber ändernden Härtemechanismen? siehe Feinkornhärtung 3.21 Wir wirken sich feinkörniges Gefüge auf mechanisch-technologischen Eigenschaften aus? (Begründung, Ursachen) siehe Feinkornhärtung 3.22 Welche Faktoren bestimmen die Härtewirkung bei  Mischkristallverfestigung  Kaltverfestigung  Feinkornhärtung  Teilchenhärtung 3.23 Welche grundsätzlichen Verfestigungsmechanismen kennen Sie? Beschreiben Sie die einzelnen Mechanismen hinsichtlich ihrer Wirkung auf Festigkeit und Zähigkeit. 3.24 Erklären Sie den Unterschied zwischen theoretischer Festigkeit und realem Werkstoffverhalten. Theoretische Festigkeit Berechnung geht von Idealkristallen aus, d.h. Baufehler (Lunker, Poren, Risse,…) werden nicht berücksichtigt. → theoresche Fesgkeit ist größer als die reale Fesgkeit (einige 10er Potenzen) Reales Werkstoffverhalten Berechnung geht von Realkristallen aus, d.h. Baufehler werden berücksichtigt. (siehe auch Schubspannungs-Abgleitungskurve und Idealkristall) 3.25 Definiere Zähigkeit. Als Zähigkeit versteht man den Widerstand eines Werkstoffes gegen Bruch bzw. Rissausbreitung. Die Zähigkeit wird durch die Fähigkeit zur Absorption von Energie bei plastischer Verformung bestimmt. Zähe Werkstoffe weisen in der Regel ein ausgewogenes Verhältnis aus Festigkeit und Duktilität auf. □ Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 37 of 182 Grundlagen des Legierungsaufbaues metallischer Werkstoffe (Sk. 106) Arten von Gleichgewicht:  mechanisches - alle Teile befinden sich in Ruhe und die gesamte potentielle Energie weist ein Minimum auf (stabil, metastabil, labil, eingefroren)  chemisches – Reaktionsgeschwindigkeit der Hin- und Rückreaktion sind gleich groß (dynamisches Gleichgewicht)  thermisches – Abwesenheit jeglicher Temperaturgradienten in einem Stoff thermodynamisches Gleichgewicht – Zustand bei dem sich ein Stoff im thermischen, chemischen und mechanischem Gleichgewicht befindet → Endzustand den ein Stoff unter gegeben äußeren Bedingungen annimmt. Dabei wird eine Minimum der Gibbs’schen Energie angestrebt Gibbs’sche Energie – thermodynamisches Potential einer Phase Die für eine Phasenumwandlung zur Verfügung stehende Kraft (Grad der Stabilität einer Phase im Vergleich zu einer anderen Phase) wird stets aus der Differenz der Gibbs’schen Energien der beiden Phasen abgeleitet. Stabilitätskriterium beim Vergleich mehrerer Phasen untereinander: Je negativer die Gibbs’sche Energie einer Phase ist, um so stabiler ist diese Phase → Tendenz zur Umwandlung von Phasen geringerer negativer Gibbs’sche Energie hin zu solchen größerer negativer Gibbs’sche Energie. Bei Bedingungen, denen Werkstoffe ausgesetzt sind, kann man in der Werkstoffkunde meist von konstantem Druck ausgehen. Anschauliche Darstellung von H(T) und S(T):  H(0) – Kohäsionsenergie der Atome am absoluten Nullpunkt → H(0) ist umso negativer (günstiger / stabiler) je fester die Atome gebunden sind  Lockerung des Atomverbundes mit Steigender Temperatur – Aufnahme von thermischer Energie durch Anregung energetisch ungünstiger Atom- und Elektronenzustände → H(T) steigt und nimmt positivere Werte an.  Nach dem Nertschen Wärmesatz besitzen Kristalle (ohne Entartung → mit nur einer Realisierungsmöglichkeit) die Nullpunktentropie S(0) = 0.  Mit steigender Temperatur geht der Kristall in Zustände höherer Energie über → zunehmende Anzahl an energetisch gleichwertigen Realisierungsmöglichkeiten → ansteigender Wert der Entropie (insgesamt überwiegt Einfluss der Entropie) Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 40 of 182 4.5 Welchen Einfluss hat die „Unterkühlung“ auf Keimzahl, Wachstumsgeschwindigkeit und Kristallgroße bei der Erstarrung? (Wovon hängt es ab, ob ein Erstarrungsgefüge grob- oder feinkörnig ist?) Kristallwachstum -stabile Keime wachsen solange in der Schmelze, bis sie zusammenstoßen. Dabei nehmen Kristallisationsgeschwindigkeit und Keimzahl anfangs mit der Unterkühlung zu. Je nachdem, ob Keimzahl oder Kristallisationsgeschwindigkeit bei gegebener Unterkühlung größer ist, bildet sich ein fein- oder grobkörniger Zustand aus.  geringe Unterkühlung - geringe Keimzahl, niedrige Wachstumsgeschwindigkeit → grobkörnig  große Unterkühlung - große Keimzahl, hohe Wachstumsgeschwindigkeit → feinkörnig Einkristall – wird erhalten, wenn sich nur ein einziger wachstumsfähiger Keim aus der Schmelze bildet (unter üblichen Bedingungen unwahrscheinlich) 4.6 Skizzieren Sie das Gefüge eines in Kokillen vergossenen Strahles und beschreiben Sie die einzelnen Bestandteile. Die Voraussetzung, dass im flüssigen Metall beim Erstarren eine gleichmäßige Temperatur herrscht, ist häufig nicht gegeben. Wird flüssiges Metall in eine Form gegossen, so bilden sich normalerweise nicht gleich große und gleichmäßig gewachsene Kristalle aus, sondern ein dreizoniger Zustand (Gussgefüge, Gussstruktur). Feinkristalline Randzone Wenn die Schmelze in die kalte Kokille gegossen wird, ist die thermische Unterkühlung an den Kokillenwandungen sehr groß und es setzt lebhafte Keimbildung ein. Außerdem üben Verunreinigungen an den Kokillenwänden eine gewisse Impfwirkung aus. Transkristallisationszone Durch die freiwerdende Kristallisationswärme steigt die Temperatur im Inneren der Kokille mit zunehmenden Abstand von der Wandung schnell an, wodurch die thermische Unterkühlung abnimmt. Bei der weiteren Abkühlung wird die Wärme durch die bereits vorhandenen Kristalle nach außen abgeleitet, sodass die Schmelze an die Kristalle der Randzone ankristallisiert.  Kristallwachstum erfolgt entgegen der Richtung des Wärmegefälles. Da Kristalle in verschiedenen kristallographischen Richtungen unterschiedlich schnell wachsen können (Anisotropie der Kristallisationsgeschwindigkeit), wachsen jene, deren Richtung der höchsten Kristallisationsgeschwindigkeit parallel zum Wärmefluss liegt, schneller als jene die ungünstiger orientiert sind. In dieser Zone findet keine Keimbildung mehr statt, da die thermische Unterkühlung an der Kristallisationsfront nicht mehr ausreicht. Grobkristalline Zone (Globulitische Mittelzone) Niedrigschmelzende Bestandteile wie z.B. Verunreinigungen oder Legierungszusätze reichern sich an der Kristallisationsfront an und werden vor der Kristallisationsfront hergeschoben. Die gesamte Restschmelze im Inneren des noch nicht erstarrten Blocks hat eine höhere Erstarrungstemperatur als die Schmelze an der Kristallisationsfront und kann deshalb stärker unterkühlt sein. Sobald diese thermische Unterkühlung zur Keimbildung ausreicht, setzt dort die Kristallisation spontan ein, wodurch die dritte Zone entsteht. Diese Zone tritt nur bei Metallen technischer Reinheit (Verunreinigungen) oder von Legierungen auf. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 41 of 182 4.7 Physikalische Begründung für Lunker? Volumenänderung bei der Erstarrung – Die meisten Metalle und Oxide haben im flüssigen Zustand ein größeres spezifisches Volumen als im festen Zustand. → Volumenkontraktion bei Erstarrung („Schwinden“) Die Folge ist die Ausbildung eines makroskopischen Hohlraums in der Mitte des Gussstückes, der als Lunker bezeichnet wird. Außer den Makrolunkern können auch zwischen den einzelnen Kristalliten kleine Hohlräume (Mikrolunker) entstehen. Man spricht dann von porösem Guss. Vermeidung ist durch gießtechnische Maßnahmen möglich. 4.8 Allotrope Modifikation eines Werkstoffes und Beispiel? Allotropie – Auftreten von Elemente in verschiedenen Erscheinhungsformen (Modifikationen), welche eigen Eigenschaften und Strukturen besitzen (Polymorph – Auftreten von Verbindungen in mehreren Modifikation) Viele Metalle sind allotrop Allotrope Modifikationen für Eisen (beständig in verschieden Temperaturbereichen):  − - krz 1536°C  − - kfz 1392°C  − -krz 910°C Mischkristalle (Sk. 119) Metallische Werkstoffe bestehen meist aus mehreren Elementen (Legierung) Die meisten Metalle haben im festen Zustand die Fähigkeit, bestimmte Mengen anderer Atome in ihren Gitterverband aufzunehmen. Dabei wird das Raumgitter mehr oder weniger stark gestört, behält aber die ursprüngliche Struktur bei. Die Fremdatome liegen meistens unregelmäßig verteilt im Wirtsgitter, sie bilden ein Mischkristall 4.9 Was sind Legierungen? Legierungen sind metallische Werkstoffe, die aus mindestens zwei Elementen aufgebaut sind.  homogene Legierungen – eine Kristallart  heterogen Legierungen – mehrerer Kristallarten Die Atomanordnung in den Phasen hat dabei entscheidenden Einfluss auf ihre Gleichgewichte und die Eigenschaften einer Legierung. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 42 of 182 4.10 Erklären Sie (Skizze, Bedingungen …) den Unterschied zwischen EMK (Einlagerungsmischkristall) und SMK (Substitutionsmischkristall). Substitutionsmischkristall Bei den Substitutionsmischkristallen wird das Atom A des Wirtsgitters durch das Fremdatom B ersetzt. Voraussetzungen für lückenlose Mischkristallbildung sind:  ein gleicher Gittertyp,  Verhältnis der Atomradien kleiner als 14%  chemische Ähnlichkeit. Meist ist die Löslichkeit begrenzt, eine vollkommene Löslichkeit besteht u.a. wenn das Atomradienverhältnis kleiner als 7% ist. Einlagerungsmischkristall Die Fremdatome lagern sich in den Lücken zwischen den Gitterplätzen ein (interstitiell). In der Regel wird dadurch das Gitter aufgeweitet. Einlagerungsmischkristalle treten auf, wenn sich kleine Atome in einem Kristall mit großen Atomen lösen. Nichtmetallatome mit Durchmesserverhältnis  0,41 können in Zwischengitterplätzen als Einlagerungsmischkristalle eingelagert werden (Löslichkeit im Allgemeinen < 1%). Änderung der Gittermodifikation beim raschen Abkühlen mit Änderung der Löslichkeit ergibt starke Gitterverzerrungen  Härten. Intermediäre Kristalle - In einer Legierungsreihe können neue Kristallarten auftreten, die gegenüber der beiden Legierungskomponenten völlig andere Eigenschaften aufweisen und in einem eigenen Gittertyp kristallisieren, der mit den Strukturen der beteiligten Metalle nicht übereinstimmt. Diese intermetallischen Kristallarten können stöchiometrisch zusammengesetzt sein. Aufgrund des anderen Bindungstyps (Atombindung)  hohe Härte und Sprödigkeit. Gibbs’sche Phasenregel (Sk. 121) Materie kann in drei verschiedenen Aggregatzuständen vorliegen (gasförmig, flüssig oder fest). Die Existenz dieser Aggregatzustände ist bestimmten, für das jeweilige Material spezifischen Temperaturbereichen zugeordnet und durch einen Bereich im p-T Diagramm (z.B. Wasser) beschrieben  Schmelztemperatur Tm trennt fest-flüssig Bereich  Siedetemperatur Tb trennt flüssig-gasförmigen Bereich Längs der Linien in diesem Diagramm sind zwei Phasen im Gleichgewicht. Am Knotenpunkt (Tripelpunkt TP) befinden sich alle drei Phasen im Gleichgewicht. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 45 of 182 4.16 Schematische Abkühlkurven der thermischen Analyse von a) Reinem Metall (Eisen) b) Legierungen mit Schmelzintervall c) Eutektische Legierung d) Intermediäre Phase (kongruent schmelzend) e) Intermediäre Phase (inkongruent schmelzend) Binäre Grundsysteme (Sk. 123) binäre Systeme – Zweistofflegierungen System mit vollständiger Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand Voraussetzung – lückenlose Mischkristallbildung zwischen A und B Die Gemische besitzt keinen Schmelzpunkt (im Gegensatz zu reinen Komponenten)  Sie schmelzen in Temperaturintervallen, da das Minimum der Freien Enthalpie für Flüssigkeit und Kristall nicht bei der selben Konzentration liegt TSA und TSB – Schmelz- /Erstarrungstemperaturen der Atomsorte A und B Beim Unterschreiten einer Phasenline ändert sich die Anzahl der Phasen immer um 1. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 46 of 182 Erstarrungsablauf von L1:  Unterschreitung der Liquiduslinie (T1) - aus Schmelze (mit Zusammensetzung C1) beginnen sich Kristalle mit der Konzentration C1 auszuscheiden  Erstarrungsintervall T1 bis T3 – Konzentrationsänderung des Kristalls entlang der Soliduslinie (1-2-5) und der Schmelze entlang der Liquiduslinie (C0-3-4) o Unterhalb der Sloliduslinie – α-MK mit Konzentration C0 4.17 Erklären Sie das Hebelgesetz. Mehrphasige Legierungen enthalten keinen einzigen Bestandteil, der die Gesamtkonzentration besitzt. Ist nun die Gesamtmenge (m) einer Legierung bekannt, so ist es möglich, daraus die Menge einer jeden Phase bei gegebener Temperatur zu bestimmen  mit dem Hebelgesetz kann das Mengenverhältnis der Phasen im Zustandsschaubild bestimmt werden. (kürzerer Hebelarm bedeutet eine höhere Konzentration bezogen auf die Gesamtmenge)  m…Gesamtmenge  mK…Menge des Mischkristallanteils mit der Konzentration  mS…Menge restlichen Schmelze mit der Konzentration Eutektische Systeme – vollständige Löslichkeit im flüssigen Zustand und vollständige Unlöslichkeit im festen Zustand (Eutektikum ohne Randlöslichkeit)  Die beiden Komponenten A und B sind im flüssigen Zustand vollständig ineinander löslich; im festen Zustand vollständig unlöslich, d.h. bei der Erstarrung bilden sich die beiden Kristallarten A und B (keine MK-Bildung möglich → Koexistenz der Kristallstrukturen von A und B) 4.18 Zeichnen Sie ein eutektisches, binäres System, Abkühlkurven für eutektische Zusammensetzung, untereutektische Zusammensetzung, Gefügebilder! Eutektikum Besitzt den niedrigsten Schmelzpunkt (Dreiphasengleichgewicht) der Legierung. Die eutektische Schmelze zerfällt bei konstanter Temperatur in das eutektische Gemenge E = A +B (Kristallgemenge) Untereutektisch < Aus der Schmelze scheiden sich zuerst -Kristalle aus, bis die Schmelze bei der Temperatur die Konzentration erreicht hat. Eutektische Erstarrung der Restschmelze. Übereutektisch > Aus der Schmelze scheiden sich zuerst -Kristalle aus, bis die Schmelze bei der Temperatur die Konzentration erreicht hat. Eutektische Erstarrung der Restschmelze. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 47 of 182 Mengenanteile sind in diesem Schaubild direkt ablesbar! Eutektische Systeme – vollständige Löslichkeit im flüssigen Zustand und begrenzte Löslichkeit im festen Zustand (Eutektikum mit Randlöslichkeit) Die Kristalle der Komponenten A und B besitzen eine gewisse Löslichkeit für die jeweils andere Atomart  Bildung von Mischkristalle  und  Eutektische Kristallisation - beim Erstarren der eutektischen Zusammensetzung müssen gleichzeitig zwei Kristallarten gebildet werden. Die eutektische Reaktion kann mit bestimmter Geschwindigkeit ablaufen, wenn die Schmelze die erforderliche Unterkühlung erreicht hat. Wenn die - und -Kristalle eine ähnliche Keimbildungsenergie haben, dann entstehen sie bei individueller Keimbildung gleichzeitig, und es bildet sich ein eutektisches Gemenge (Feinheit von Keimzahl abhängig).  normal eutektische Erstarrung. (simultane Wachstum beider Phasen→ sehr gleichmäßigen Gefüge) Mischungslücke - Konzentrationsbereich, in dem mehrere Phasen (bzw. Phasengemische) auftreten Segregatbildung - Ausscheidung eines festen Bestandteiles (Teilchen) aus einem anderen festen Phase nach Unterschreitung der Segregatlinie (Löslichkeit ist bei höheren Temperaturen i. Allg. größer als bei tieferen  Ausscheidung bei sinkender Temperatur) Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 50 of 182 4.21 Zeichne aus dem Knick- oder Haltepunkt ein Phasendiagramm (hier Peritektikum). Wie sieht das Gefüge bei 78% B aus? 4.22 Erklären Sie den Unterschied zwischen Eutektikum und Eutektoid. Was ist die peritektische Umwandlung? Eutektikum - Gefügebestandteil, der dadurch gebildet wird, dass sich zwei oder mehrere feste Phasen gleichzeitig bei konstanter Temperatur aus einer einzigen einheitlichen flüssigen Phase ausscheiden. (Legierung mit dem niedrigsten Schmelzpunkt) Eutektoid - Ein Gefügebestandteil, der dadurch entsteht, dass eine bestehende feste, einheitliche Phase bei konstanter Temperatur in zwei verschiedene Phasen zerfällt. Peritektische Umwandlung - Eine Phasenumwandlung, bei der eine bereits gebildete feste Phase (z.B. α-MK) bei konstanter Temperatur mit der noch vorhandenen Restschmelze reagiert. Dabei entsteht eine neue feste Phase (β-MK) neben der Restschmelze. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 51 of 182 4.23 Nennen Sie je ein Beispiel und zeichnen sie schematisch jeweils ein Diagramm für Zweistoffsystem, das ein eutektisches bzw. eutektoidisches System darstellt. Eutektisches System Eutektoidisches System vollständige Unlöslichkeit im flüssigen und festen Zustand - Die Komponenten A und B sind weder im flüssigen noch im festen Zustand ineinander löslich. zusammengesetzte binäre Systeme – Die meisten heterogenen System sind kompliziert und aus mehreren der oben beschrieben Grundformen zusammengesetzt  Monotektikum (Entmischung im flüssigen Zustand)  Intermediäre Phasen Umwandlungen im festen Zustand - In Mischkristallen verschiedener Legierungssysteme können noch Phasenänderungen ablaufen: a) Bildung einer Überstruktur b) Ausscheidung einer intermediären Phase c) Entmischungsvorgänge Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 52 of 182 d) Zerfall eines Mischkristalls in zwei neue feste Phasen (eutektoide Umwandlung) und Ausscheidung einer 2. Phase Thermodynamische Betrachtung der Zustandsschaubilder (Sk. 143) Zustandsschaubilder können auch aus den thermodynamischen Zustandsgrößen abgeleitet werden.  Die Freie Enthalpie (Gibbs’sche Energie) ist ein Maß für die Stabilität einer Phase,  Ableiten eins Zustandsschaubild aus Freie Enthalpie–Konzentrationskurven bei verschiedenen Temperaturen. 4.24 Diagramm (Gibbs´sche Energie über Konz.) einer Zweistofflegierung. Gesucht: Mögliche Phasen bei Raumtemperatur. mögliche Phasen bei Raumtemperatur siehe Bild f (oben) – niedrigste Temperatur:  Schmelze hat höchste Freie Enthalpie und ist damit die am wenigsten stabile Phase  stabile Phasen – α; β; α+β Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 55 of 182 Auslagern - Anlassen im heterogenen Phasenbereich Der abgekühlte Mischkristall wird auf eine erhöhte Temperatur gebracht, bei der Diffusionsprozesse in Richtung stabilerem Gleichgewicht langsam ablaufen (ausgehärtete Zustand der Legierung ist ein Zwischenzustand auf dem Weg zum thermodynamischen Gleichgewicht)  Ausscheidung von β-Phasen aus dem übersättigten α-MK  Bei hoher Übersättigung des Mischkristalls bilden sich sehr viele gleichmäßig verteilte Keime, entweder von metastabilen oder stabilen Ausscheidungsphasen. 4.33 Welches Gefüge wird bei der Ausscheidungshärtung angestrebt? Erklären sie die Notwendigkeit dieser Gefügevoraussetzung, und zeichnen Sie den Bereich einer ausscheidbaren Legierung in ein 2 Phasen Schaubild ein Feinverteilte Ausscheidungen bestimmter Art, Größe und Verteilung oder metastabile Zwischenzustände sind die Ursache für die Steigerung der Festigkeit  angestrebtes Gefüge Die festigkeitserhöhende Wirkung ist umso stärker, je mehr ausscheidungsfähiges Metall B beim Lösungsglühen gelöst werden kann. Faktoren der Festigkeitssteigerung (Behinderung von Versetzungsbewegungen):  Teilchenfestigkeit (Schneiden durch Versetzungen)  Teilchengröße (Umgehen)  mittleren Teilchenabstand (Umgehen) Inkohärente Teilchen verursachen nur geringe Gitterverspannungen. Ihre festigkeitssteigernde Wirkung ist daher kleiner gegenüber kohärenten Teilchen. 4.34 Wie können Legierungselemente die Festigkeit steigern? Legierungselemente steigern die Festigkeit durch Behinderung der Versetzungsbewegung auf Grund feinverteilte Ausscheidungen und einem anderen Bindungstyp (z.B. Atombindung) Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 56 of 182 4.35 Erklären Sie, was werkstoffkundlich bei der Überalterung an aushärtbaren Al- Legierungen passiert? Stellen Sie den Einfluss der Auslagerungstemperatur und - zeit auf die Festigkeit bei solchen Legierungen graphisch dar. Einfluss der Auslagerungstemperatur und –zeit auf die Festigkeit und das Gefüge:  Rm1 = Festigkeit im Gleichgewichtszustand  Rm2 = Festigkeit im Zustand lösungsgeglüht und abgeschreckt (Lösungsverfestigung) Um die größte Festigkeit zu erreichen, müssen beide Faktoren genau eingehalten werden, damit die optimale Teilchengröße erzielt wird. Bei höheren Auslagerungstemperaturen (T3, T4) und zu langen Auslagerungszeiten t1 fällt die Festigkeit wieder, weil die Teilchen zu groß geworden sind und deren Anzahl damit stark abgenommen hat.  Die Legierung ist überaltert. Dreistoffsystem (Sk. 149) Bei Dreistoffsystemen erhält man eine sinnvolle Darstellung dadurch, dass man die binären Legierungen als Randsysteme wählt. Zusammensetzungsbereich  zweidimensionales gleichseitiges Dreieckes mit Temperatur in dritter Dimension (in aufgespannten Raum werden die Existenzbereiche der Phasen eingezeichnet. Zur zweidimensionalen Darstellung werden Grenzflächen zwischen Phasenbereichen bspw. die Liquidusfläche auf das Konzentrationsdreieck projiziert. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 57 of 182 4.36 Erklären Sie den Unterschied zwischen Konzentrationsschnitt und quasibinären Schnitt. Konzentrationsschnitt Schnitt durch ein Dreistoffsystem, bei dem der Anteil eines Elements konstant gehalten wird. Quasibinärer Schnitt Schnitt durch ein Dreistoffsystem von einem System zu einer intermetallischen Verbindung. weiter Fragen: 4.37 Zeichnen Sie das Gefüge einer eutektischen, übereutektischen, untereutektischen, eutektoiden, untereutektoiden Legierung. Komponent , Komponent , Eutektisches Gemenge = + 4.38 MPC: Die Ausscheidungshärtung im Al-Cu System: entsteht durch die Bildung metastabiler Phase ■ entsteht durch die Bildung der Gleichtgewichtsphase Theta □ beinhaltet eine Lösungsglüh- und Anlaßwärmebehandlung □ 4.39 Wenn zwei Metalle ineinander vollkommene Löslichkeit im festen Zustand zeigen, wieviel Phasen treten im festen Zustand auf? Eine 4.40 Zeichnen Sie ein maßstäbliches Zustandschaubild. Gegeben: Ag, Cu, Schmelztemperatur der Komponenten, Lösl. im festen Zustand und Lage des Eutektikums Gesucht: a) Name des ZSB b) Wie hoch ist Cu-Gehalt nach dem Abschöpfen der Schmelze (Konz. der Schmelzvorgegeben) c) Wozu kann das in 2. besprochene Verfahren technisch verwendet werden? a) Gefügemengenschaubild b) 70% c) Gewinnung von Kupfer Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 60 of 182 Diffusion an Korngrenzen und Versetzungen Korngrenzen/Versetzungen sind flächen- bzw. linienhafte Gitterstörungen (Baufehler):  Daraus folgt höhere Leerstellendichte und niedrigere Schwellenenergie für Platzwechsel.  Sie stellen Wege einer bevorzugten Diffusion dar  Sie wirken als „Diffusionbänder“ bzw. als „Diffusionsröhren“ Oberflächendiffusion Aufgrund des stark gestörten Kristallgitters an den Grenzflächen (Oberflächen und Korngrenzen) ist die Diffusion dort bis zu 10 mal schneller. Trotzdem ist die Volumendiffusion (Diffusion im Kristallinneren) ausschlaggebend für den gesamten Diffusionsprozess, da die Anzahl der Grenzflächenatome sehr klein ist im Vergleich zum gesamten Volumen  Grenzflächenatome liefern keinen nennenswerten Beitrag zur Gesamtdiffusion. 5.7 Warum diffundieren Einlagerungsatome schneller? Wegen der kleineren Atomradien der Einlagerungsatome 5.8 Unterschied zwischen Leerstellendiffusion und Diffusion über Einlagerungsatome? siehe oben 5.9 Formel für die Anzahl der Leerstellen. siehe oben Mathematische Beschreibung (Sk. 159)  Diffusion - statistischer Vorgang, bei dem ein makroskopischer Materialfluss durch Wanderung einzelner Atome als Folge eines Konzentrationsgefälles auftritt  Diffusion ist ein zeitabhängiger Prozess. Ändert sich der Diffusionsstrom J nicht mit der Zeit, spricht man von stationärer Diffusion: Beispiel – Diffusion der Atome eines Gases durch eine Metallplatte (Konzentration des diffundierenden Mediums wird and beiden Plattenoberflächen konstant gehalten) Konzentrationsgradient: Steigung des Konzentrationsprofils an einem bestimmte Punkt 5.10 Was ist die treibende Kraft der Diffusion? Das Konzentrationsgefälle / der Konzentrationsgradient (Gradient des chemisches Potential) Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 61 of 182 5.11 Berechnen Sie den Stromfluss der Diffusion. Diffusionsstrom J - Masse M (oder Anzahl der Atome) die in einer Zeiteinheit t normal durch eine Flächeneinheit A treten differentielle Form: 1. Fick´schen Gesetz – Diffusionsstrom J ist dem Konzentrationsgradienten proportional ( mathematische Beschreibung der stationären Diffusion / diffusionsgesteuerter Prozesse) Diffusionskoeffizient – charakteristisch für Werkstoff Aktivierungsenergie Gaskonstante Temperatur Die Proportionalitätskonstante D0 wird Diffusionskonstante genannt. Sie ist für den jeweiligen Werkstoff und die in ihm diffundierenden Atomart stark von der Temperatur abhängig. 5.12 Änderung des Diffusionskoeffizienten beim Übergang von α-Fe zu γ-Fe? Für den Übergang von -Fe zu -Fe ist eine Erhöhung der Temperatur nötig wodurch auch der Diffusionskoeffizient steigt. Jedoch kommt es beim Übergang auch zu einer Änderung des Kristallgitters von krz zu kfz Der Diffusionskoeffizient ist im weniger dicht gepackten -Fe (krz) um den Faktor 100 bis 1000 größer (siehe S. 81) 5.13 Was löst die Diffusion aus?  Aktivierungsenergie  Platzwechselvorgänge  Zustandsänderungen  Konzentrationsgefälle 5.14 Nennen Sie mindestens 4 werkstoffkundliche Vorgänge die diffusionsgesteuert sind. Aufkohlen, Nitrieren, Rekristallisation, Diffusionsglühen (Normalisieren), Alterung, Entkohlung, Sensibilisierung Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 62 of 182 instationäre Diffusion (Sk. 161) Die meisten praktischen Diffusionsvorgänge sind instationär  Konzentration in einem Festkörper ist sowohl vom Ort als auch von der Zeit abhängig (C=f(x, t)) Betrachtet man ein Volumenelement dV = dxdydz eines Festkörpers mit einem Punkt P(x,y,z) mit bestimmter Konzentration CP des diffundierenden Mediums so wird die Konzentration des Punktes durch die normal zu den Würfelflächen ein- und ausströmenden Diffusionsströme bestimmt.  zeitliche Konzentrationsänderung in Volumenelement dV:  daraus folgt mit 1.Fick’schem Gesetz das 2. Fick’sche Gesetz: bzw. für den eindimensionalen Fall mit von der Konzentration unabhängigem Diffusionskoeffizienten Das 2.Fick’sche Gesetz beschreibt die durch einen Diffusionsstrom bewirkte zeitliche Konzentrationsänderung in einem Volumenelement. 5.15 Was hat Alterung mit Diffusion zu tun? Diffusionsbedingte Ausscheidungsvorgänge (z.B. Anreicherungen von Ausscheidungen an Korngrenzen) können zu Veränderungen der Eigenschaften von metallischen Werkstoffen führen (z.B. Zunahme der Härte und Sprödigkeit vgl. Ausscheidungshärten). Dies wird als Alterung bezeichnet. 5.16 Was hat Nitrieren mit Diffusion zu tun? (Mechanismus, Zweck)? Durch die Diffusion von Stickstoff bei Temperaturen zwischen 500 und 520°C (thermische Aktivierung) wird die Randschicht eines Werkstückes mit eben jenem angereichert. In der Oberfläche des Werkstücks kommt es zur Bildung von Gamma- und Epsilon Eisennitriden  Steigerung der Härte, Verschleißbeständigkeit und Dauerfestigkeit der Oberflächenschicht bei einem zähen Werkstückkern. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 65 of 182 Kristallerholung und Rekristallisation (Sk. 168) Bei der Herstellung metallischer Werkstücke wird in großem Umfang die plastische Formgebung verwendet. Die dadurch im Werkstoff erzeugten Defekte können gewollte oder auch unerwünschte Gefüge- und Eigenschaftsänderungen verursachen. Kaltumformung – Entstehung einer Vielzahl an Versetzungen in den Kristallkörnern:  Erhöhung des Energiegehalt des Werkstoffes und seiner Festigkeit,  Verminderung der plastischen Verformbarkeit  starke Änderungen der physikalischen Eigenschaften (z.B. die Erhöhung des elektrischen Widerstandes). 6.1 Worin besteht der Unterschied zwischen Kristallerholung und Rekristallisation? Auswirkungen auf die Werkstoffeigenschaften? Eine Temperaturerhöhung (Aktivierung) führt oberhalb bestimmter werkstoffabhängiger Temperaturen zum Energieabbau durch Ausheilen und Umordnen der Gitterdefekte (Erholung) oder zur Kornneubildung (Rekristallisation). Dabei werden die durch plastische Verformung erfolgten Eigenschaftsänderungen (z.B. Härte, Festigkeit, Verformbarkeit, elektrische Leitfähigkeit) durch Erholung (teilweise) und Rekristallisation (ganz) abgebaut. 6.2 Was verstehen Sie unter Erholung und erklären Sie die metallkundlichen Vorgänge? Unter Erholung versteht man einen teilweisen Abbau von Eigenschaftsänderungen zufolge plastischer Verformung. Es kommt zum Ausheilen und Umordnen der Gitterdefekte (durch thermische Aktivierung.) Das metallographisch sichtbare Korngefüge bleibt erhalten. Die von den Versetzungen erzeugten Gitterverzerrungen verursachen Energieerhöhungen.  Es kommen treibende Kräfte für alle Gefügeänderungen auf, welche durch Verminderung der Zahl der Versetzungen oder durch Umordnung der Versetzungen zur Verminderung der Gitterverzerrungen und damit zu einer Verminderung der Gitterenergie führen. A u sh ei le n Zwischengitteratome diffundieren in Leerstellen - Leerstellendiffusion Versetzungen mit umgekehrten Vorzeichen heben sich auf U m o rd n e n Kondensation von Leerstellen Bildung von Kleinwinkelkorngrenzen (Subkorngrenzen)  Versetzungen ordnen sich in regelmäßigen Reihen und die Versetzungsenergie nimmt ab Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 66 of 182  Bei der Erholung werden die Gitterfehlstellen in den verformten Kristalliten in mehreren Stufen abgebaut.  Die Geschwindigkeit der Erholung bei gegebener Temperatur ist zu Beginn am größten und fällt dann ab.  Der Grad der Erholung bei gegebener Glühzeit wächst mit der Temperatur. Für jede Eigenschaft findet die stärkste Änderung bei einem anderen Erholungsgrad statt. 6.3 Erklären Sie den Vorgang der Rekristallisation (Ursache, Wirkung). Durch Kaltverformung gebildeten Gefügestörungen werden durch eine völlige Gefügeneubildung gänzlich beseitigt und verformungsbedingte Eigenschaftsänderungen vollständig abgebaut: Es bilden sich in der Matrix des kaltverformten Materials neue Kristallite durch Keimbildung (primäre Kristallisation). Keimstellen für die Neubildung sind besonders stark gestörte Bereiche. Die von den Keimstellen ausgehenden neuen defektarmen Kristallite wachsen zunächst bis zum Zusammenstoßen. Der Prozess der Rekristallisation wird durch die unterschiedlichen Versetzungsdichten in alten und neuen Körnern getrieben. Die Gefügeneubildung beginnt an Stellen höchster Verformung/Versetzungsdichte (z.B. Korngrenzen- Trippelpunkt) durch thermische Aktivierung (Mindestrekristallisationstemperatur) und bei Vorliegen eines Mindestverformungsgrads. Im Großen und Ganzen entspricht das Gefüge nach der primären Rekristallisation dem vor der Kaltverformung. Ein rekristallisiertes Gefüge ist noch nicht im Gleichgewicht, und es kommt bei Erhöhung der Glühtemperatur und besonders nach hohen Verformungen zu einem weiteren Wachstum der primär rekristallisierten Körner (sekundäre Rekristallisation). Die treibende Kraft stammt aus der Abnahme der in den Korngrenzen gespeicherten Energie und dem Abbau weiterer Gitterfehler. Bei der Kornvergrößerung (Kornvergröberung) zehren die größeren Körner die kleineren auf, so dass die mittlere Korngröße laufend zunimmt. 6.4 Was ist Primär- und Sekundärkristallisation? siehe oben Schmematische Darstellung der Kristallerholung und Kristallrekristallisation: a) hohe Versetzungsdichte nach plastischer Verformung b) geringere Versetzungsdichte nach Kristallerhohlung c) Kornneubildung durch Rekristallisation d) vollständig rekristallisiertes Gefüge e) normales Kornwachstumg f) abnormales Kornwachstum Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 67 of 182 6.5 Zeichne eine Skizze mit dem Gefügeunterschied eines kaltverformten und eines rekristallisierten kaltverformten Materials. Kaltverformt Kaltverformt und rekristallisiert Welcher Prozess (Erholung oder Rekristallisation) abläuft, ist abhängig vom Grad der Versetzungsdichte und der jeweiligen Temperatur:  Erholung läuft immer ab (jedoch mit einer spezifischen Geschwindigkeit, welche sehr gering sein kann)  Für Rekristallisation sind eine Mindestversetzungsdichte und Mindesttemperatur notwendig Bei einer starken vorhergegangen Erholung (z.B. Metalle die sehr stark Erholen), kann es vorkommen, dass die notwendige Versetzungsdichte für die Rekristallisation nicht mehr gegeben ist. 6.6 An welchen Stellen beginnt ein kaltverformtes Gefüge zuerst zu rekristallisieren?  stark verspannte Bereiche mit großer Versetzungsdichte (Korngrenzen)  Stellen höchster Verformung  Stark gestörte Bereiche 6.7 Warum kann man Kristallerholung im Schliffbild nicht erkennen? Bei der Erholung werden größtenteils physikalische Eigenschaften verändert und kaum die mechanischen. Es kommt zu keiner Gefügeneubildung durch Keimbildung  metallographisch sichtbare Gefüge bleibt unverändert. 6.8 Nenne die Haupteinflussfaktoren auf die Korngröße bei der Rekristallisation. Die Korngröße des kristallisierten Gefüges hängt von Keimzahl und Wachstumsgeschwindigkeit ab, die ihrerseits von den Haupteinflussfaktoren Verformungsgrad, Anlasstemperatur und –zeit bestimmt werden. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 70 of 182 Physikalische Eigenschaften der Metalle (Sk. 176) elektrische Eigenschaften – Sie beruhen auf den metallischen Bindungen (kennzeichnend für Metalle/Legierungen)  elektrische Leitfähigkeit von Metallen übertrifft diejenige von anderen Stoffen im Allgemeinen um viele Größenordnungen. elektrischen Widerstand (für elektrischen Leite mit konstantem Querschitt) l… Länge des Leiters; q…Leiterquerschnitt R…gemessene Widerstand; ρ…spezifische elektrische Widerstand (quantitatives Maß welches die Gestalt des Werkstücks als auch den spezifischen elektrischen Widerstand des Werkstoffs berücksichtigt) Elektrische Ladungen werden durch elektrisches Feld nicht unendlich beschleunigt. Die Beschleunigung wird immer wieder durch Zusammenstöße mit der Umgebung behindert  Widerstände durch Streumechanismen:  Streuung am schwingende Kristallgitter (Wärmeschwingung / oszillierende Atomrümpfe)  Streuung an Fehlstellen, Versetzungen, Korngrenzen etc.  zusätzlich Streuzentren durch eingelagerte Atome bei Legierungen elektrische Leitfähigkeit – reziproke Wert des spezifischen elektrischen Widerstands „Modell freier Elektronen“ Die Elektronen der äußersten Schale können sich quasi frei im Metallgitter bewegen.  potentielle Energie (Potential) des Metallgitters wird willkürlich mit Null festgesetzt  Energiezustände der Elektronen werden mit Striche in verschiedenen Abständen von der Nulllinie beschrieben Die Elektronen befinden sich im Vergleich zur Umgebung des Metalls in einem Zustand geringerer potentieller Energie (Potentialtopf),  es muss Arbeit (Austrittsarbeit W) geleistet werden, um ein Elektron aus dem Metallverband in vollem Ausmaß herauszulösen. Jedem Elektron ist eine Wellenfunktion zuzuschreiben, in der die Wellenlänge  infolge der geforderten diskreten Energie nur bestimmte Werte annehmen kann. Aus den Wellenfunktionen kann die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in Abhängigkeit von Ort und Zeit sehr präzise hergeleitet werden. Jedem Energiezustand E wird eine Wellenzahl k [k = 2/] zugeordnet (Diskretisieren von k). a) Potentialtopf b) Energieverteilung in Abhängigkeit von der Wellenzahl Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 71 of 182 „Bändermodell“ - berücksichtigt die periodische Anordnung der positiv geladenen Atomrümpfe im Gitter, in welchem die Elektronen frei beweglich sind  konstantes Potential des „Modells der freien Elektronen“ muss durch eine periodische Potentialverteilung ersetzt werden (Periodizität durch die Gitterabstände bestimmt). Bei der wellenmäßigen Beschreibung der Elektronenbewegung im Metall muss daher die Wechselwirkung der Elektronen mit dem Kristallgitter berücksichtigt werden (vgl. Röntgenbeugung - Beugung oder „Reflexion“ von Elektronen an bestimmten Kristallebenen). - parabolisches, quasikontinuierliches Energiespektrum („Modells der freien Elektronen“) wird in diskrete Energieabschnitte/Energiebänder aufgespalten, die durch verbotene Zonen getrennt sind; - Energieschema gilt für eine Schar von reflektierenden Netzebenen; - Die verbotenen Zonen können eingeengt oder sogar gänzlich überdeckend werden. Durch das Bändermodell lassen sich die Unterschiede zwischen elektrischen Leitern, Halbleitern und Isolatoren erklären: Durch Anlegen eines elektrischen Feldes wird die kinetische Energie der Außenelektronen erhöht, wodurch diese in unbegrenzte höhere Energiezustände übergehen können. Teilweise aufgefüllte Energiebänder gewährleisten daher Energieerhöhungen vieler Elektronen und somit das Fließen elektrischen Stroms (Bild unten a, b).  Befindet sich ein unbesetztes Band so dicht über einem besetzten, dass bereits ein kleiner Energiebetrag ausreicht, um die Ladungsträger in das Leitungsband überzuführen, so spricht man von einem Halbleiter (Bild unten d).  Ist der Abstand zwischen dem besetzten Band und dem Leitfähigkeitsband so groß, dass auch hohe Energiebeträge nicht zur Überführung von Elektronen ausreichen, liegt ein elektrischer Isolator vor (Bild unten c). Eg…Aktivierungsenergie der Elektronen; EF …Fermienergie (Zustand höchster Energie bei 0°K) a) Metall mit unvollständig besetztem oberen Leitungsband (z.B. einwertiges Metall) b) Metall mit voll besetztem oberstem Band und überlappendem Leitungsband (z.B. zweiwertiges Metall) c) Isolator – es stehen keine Elektronen für die Elektrizitätsleitung zur Verfügung. d) Halbleiter Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 72 of 182 metallische Leiter (Sk. 180) 7.1 Nach der Regel von Matthiessen setzt sich der spezifische elektrische Widerstand von metallischen Leitern aus zwei Beiträgen zusammen. Welche Mechanismen liegen diesen Beiträgen zu Grunde? Wie ändern sich diese Beiträge mit der Temperatur? Der spezifische Widerstand eines metallischen Leiters setzt sich aus einem temperaturabhängigen Schwingungsanteil des Gitters (Wärmeschwingung) und dem temperaturunabhängigen Störstellenanteil (Restwiderstand) zusammen. = + … Regel von Matthiessen (gilt bei Mischkristallbildung mit regelloser Verteilung der Atome)  lineare Temperaturabhängigkeit von trifft für die meisten Metalle nur in bestimmtem Temperaturbereich zu Der temperaturunabhängige Restwiderstand R ist ein Maß für die Konzentration der Störstellen im Metallgitter (Substituierte Fremdatome und interstitielle Einlagerungen, Versetzungen, Korngrenzen, usw.). In einfachen Fällen nimmt der Restwiderstand R linear mit der Störstellenkonzentration zu (größte Zunahme von R durch Fremdatome bei Mischkristallen) 7.2 Wie wirkt sich die Temperaturerhöhung auf die elektrische Leitfähigkeit von Metallen aus? Begründen Sie kurz. Die elektrische Leitfähigkeit ist der reziproke Wertdes spezifischen elektrischen Widerstandes , welcher sich aus einem temperaturabhängigen und einem temperaturunabhängigen Teil zusammensetzt. Die Leitfähigkeit sinkt mit zunehmender Temperatur, da die Atome im Gitter zunehmend zu schwingen beginnen, wodurch sich die Elektronen erschwert bewegen können (Steigerung von ). Die Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes  ist im linearen Bereich mit hinreichender Genauigkeit durch die folgende Gleichung bestimmt: 20 – spezifischer Widerstand bei 20°; T…Temperatur; α…relative Temperaturabhängigkeit des spez. Widerstands In nichtkubischen Metallen ist der elektrische Widerstand richtungsabhängig (Anisotropie). Bei den meisten Metallen nimmt die Leitfähigkeit am Schmelzpunkt ab, weil ihre Gitterstruktur und somit die Leitfähigkeitsbänder zerstört werden. Kovalenten Bindungsanteilen in Kristallen führen zu einer Verminderung der Leitfähigkeit. Kristalle mit einer vollständigen kovalenten Bindung sind Nichtleiter (z.B. Diamant). Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 75 of 182 Thomsoneffekt - Besteht in einem homogenen elektrischen Leiter ein Temperaturgefälle und fließt durch ihn gleichzeitig ein elektrischer Strom so ergibt sich neben der Joulschen Wärme eine zusätzliche, dem Temperaturgefälle und der Stromdichte proportionale Erwärmung. Seebeckeffekt - Zwischen zwei verschiedenen Metallen tritt infolge der unterschiedlichen Elektronenpotentiale (Kontaktpotential) in den einzelnen Metallen eine Spannung an der Kontaktstelle (Lötstelle) auf (Berührungsspannung).  Bei gleicher Temperaturen der Kontaktstellen fließt trotz dieser Berührungsspannung aber in einem geschlossenen Stromkreis aus zwei Metallen kein Strom (Summe der Berührungsspannungen ist gleich Null).  Wird jedoch eine Berührungsstelle (Lötstelle) erwärmt, so nimmt die Berührungsspannung zu und übersteigt diejenige an der kalten Lötstelle. Die Differenz beider Spannungen infolge der Temperaturdifferenz T2 – T1 der Lötstellen (thermoelektrische Spannung/Thermospannung) erzeugt einen Thermostrom (Seebeckeffekt). Die Thermospannung hängt neben der Temperaturdifferenz stark von der Art der benutzten Leiterwerkstoffe ab Praktische Anwendung: Thermoelemente zur Temperaturmessung und Kontrolle Peltiereffekt (Umkehrung des Seebeckeffekts) - Schickt man einen elektrischen Strom durch die Berührungsstelle zweier Metalle, so bewirkt der Strom eine Abkühlung der vorher heißen Lötstelle und umgekehrt eine Erwärmung der kalten Lötstelle. Ferroelektrika (Sk. 189) Moleküle, die ein permanentes elektrisches Dipolmoment4 besitzen, können miteinander wechselwirken und sich so orientieren, dass ihre Dipolmomente in bestimmter Weise ausgerichtet sind. Man unterscheidet ferro-, antiferro- und ferrielektrische Ordnung: Bis heute lässt sich nicht allgemein voraussagen, in welchen Stoffen und unter welchen Bedingungen (Druck, Temperatur usw.) Ferroelektrizität oder Antiferroelektrizität auftritt. Art und Grad der Ordnung hängen in charakteristischer Weise von der Temperatur ab (thermische Energie der Atome wirkt Ausrichtungstendenz entgegen). In Antiferroelektrika kann natürlich kein makroskopisches elektrisches Dipolmoment gemessen werden. Man kann die Polarisation der Domänen5 jedoch durch ein äußeres Feld in eine bestimmte Richtung drehen. 4 Maß für die Stärke der Polarisation eines Moleküls 5 Bereiche mit gleicher Polarisationsrichtung Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 76 of 182 Piezo- und Pyroelektrizität (Sk. 191) Piezoelektrizität (Piezoeffekt) – beschreibt die Änderung der elektrischen Polarisation ( Auftreten einer elektrischen Spannung) an Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden (direkter Piezoeffekt); Umgekehrt verformen sich Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung (inverser Piezoeffekt). Durch die gerichtete6 Verformung eines piezoelektrischen Materials bilden sich mikroskopische Dipole innerhalb der Elementarzellen (Verschiebung der Ladungsschwerpunkte). Die Aufsummierung über das damit verbundene elektrische Feld in allen Elementarzellen des Kristalls führt zu einer makroskopisch messbaren elektrischen Spannung. Der bekannteste piezoelektrische Kristall ist Quarz:  elektrischen Erzeugung mechanischer Schwingungen (z.B. in Uhren)  Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische Schwingungen Pyroelektrizität - Eigenschaft einiger piezoelektrischer Kristalle, auf eine zeitliche Temperaturänderung ΔT mit Ladungstrennung zu reagieren. Pyroelektrischen Kristalle besitzen einen permanenten elektrischen Dipol (polare Kristalle mit elektrisch polaren Einheitszellen) Durch Temperaturänderung  Änderung des Abstands der Gitterionen:  Längenänderung (Wärmeausdehnung) in der Kristallachse, deren Richtung mit der Richtung der Polarisation übereinstimmt.  Aufladung gemäß Piezoelektrizität;  Änderung der permanente Polarisation mit der Temperatur. Beide Wirkungen sind gleichsinnig und führen zu einer Aufladung des Kristalls von außen. Den pyroelektrischen Effekt verwendet man hauptsächlich zum Nachweis von Infrarotstrahlung und zum Bau von Mikrokalorimetern Hall-Effekt - Erscheinung, dass die Strombahnen der Elektronen bei Anwesenheit eines zur Stromrichtung senkrechten Magnetfeldes senkrecht zur Strom- und Feldrichtung verschoben werden und dadurch ein elektrisches Potentialgefälle in dieser Richtung entsteht. Ein positiver Strom in x-Richtung (Stromdichte jx) bewirkt bei Anwesenheit eines Magnetfeldes in z- Richtung aufgrund der Lorenz-Kraft eine Ablenkung der bewegten Elektronen (Geschwindigkeit ve) in die negative y-Richtung. Die entstehende Oberflächenladung (+,-) erzeugen ein elektrisches Hall-Feld Ey 6 angelegte Druck wirkt nicht von allen Seiten auf die Probe, sondern z.B. nur von gegenüberliegenden Seiten aus Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 77 of 182 Thermische Eigenschaften (Sk. 194) Größen zur Beschreibung des Einflusses von Wärme auf Metalle und Legierungen:  spezifische Wärme cp bestimmt den Temperaturanstieg T, der beim Hinzufügen einer Wärmemenge Q in einem Gramm eines metallischen Stoffs entsteht:  Der Wärmestrom pro Zeiteinheit in einem Material bei gegebenem Temperaturgradienten errechnet sich mit Hilfe der Wärmleitfähigkeit : (A…Fläche durch die die Wärme fließt; l…Entfernung zw. zwei parallelen Ebenen mit T1 / T2)  linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient  - Bruchteil, um den sich die Länge je °C verändert; ist für Metalle mit hohem Schmelzpunkt wesentlich kleiner als für solche mit niedrigem; Die thermischen Eigenschaften für Metalle und Legierungen sind von der Art und Temperatur der jeweiligen Phase abhängig. Bei Phasenübergängen erfahren sie sprunghafte Änderungen, genau wie andere Eigenschaften auch. Magnetische Eigenschaften (Sk. 197) Ein Festkörper kann die magnetischen Feldlinien eines äußeren Feldes auseinander drängen oder verdichten. Er verhält sich diamagnetisch oder paramagnetisch (ausgesprochene Atomeigenschaften). Atomarer Magnetismus: Infolge der Bahn- und Spinbewegung der Elektronen wird durch ein äußeres Magnetfeld ein magnetisches Moment m induziert (Lorenz-Kraft), das dem äußeren Feld entgegenwirkt (Kraftlinienzerstreuung)  Diamagnetismus. Außerdem besitzt jedes Elektron aufgrund seines Spins7 und seines Bahnmomentes (Drehimpuls) ein magnetisches Eigenmoment (Bohrsche Magneton, Vorzeichen (+/-) von Elektronenspin abhängig ). Jede Energieschale eines Atoms kann eine gleiche Anzahl von Elektronen mit positivem und negativem Spin aufnehmen. 1. gefüllte Energieniveaus (abgeschlossene Elektronenschalen)  kein resultierendes magnetisches Moment (die von den Elektronen hervorgerufenen Magnetfelder heben sich gerade auf); 2. teilweise und mit einer ungeraden Anzahl an Elektronen besetzte Energieschale  resultierendes magnetisches Moment vorhanden  paramagnetisch Atome. In einem äußeren magnetischen Feld bilden paramagnetische Stoffe ein zusätzliches, dem angelegten Feld gleichgerichtetes magnetisches Moment (Kraftlinienverdichtung). Der Paramagnetismus überwiegt den Diamagnetismus (immer vorhanden) um viele Größenordnungen. Die makroskopisch messbaren magnetischen Eigenschaften ergeben sich aus der Wechselwirkung der magnetischen Momente der einzelnen Atome im Festkörper. Obgleich die Atome vieler Elemente über resultierende magnetische Momente verfügen (paramagnetisch), zeigen nur wenige Metalle und Legierungen ein Verhalten, das allgemein als magnetisch (ferromagnetisch) bezeichnet wird. 7 Eigendrehimpuls des Elektrons - Eigenschaften wie klassisch-mechanischer Drehimpuls nur, dass er nicht durch die Rotation einer Masse hervorgerufen wird (z.B. Drehimpulserhaltung) Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 80 of 182 Magnetisch weiche Stoffe - leicht entmagnetisierbar (nach Wegnahme eines äußeren Magnetfelds) wichtigste Anwendungen beinhalten Dynamobleche und Transformatoren-/Spulenkerne (links: Hysteresekurve magnetisch harter Werkstoffe; rechts: Kurve magnetische weicher Werkstoffe)  I…auf Volumeneinheit V bezogenes magnetisches Moment M [Gauß]  Is…Sättigungsmagnetisierung des Ferromagnetikums (nur noch geringe Zunahme der Magnetisierung bei weitere Erhöhung der Feldstärke)  IR…Remanenz – verbleibende Magnetisierung bei H=0  HC…Gegenfeldstärke bei der I wieder Null wird (Koerzitivkraft) H>0 (kleine Feldstärken) – Magnetisierung erfolgt im Wesentlichen durch Blochwandverschiebungen. Dabei wachsen die zur Feldrichtung energetisch günstig gelegenen Bezirke auf Kosten der ungünstig gelegenen (Weißschen Bezirke klappen dabei einzeln in die energetisch günstigeren Lagen um) H>>0 (zunehmend Feldstärke) - Momente des Einbereiches drehen sich in die Feldrichtung ein. Die zur Drehung erforderliche hohe Energie ermöglicht nur bei hohen Feldstärken den Ablauf der Drehprozesse  Die Magnetisierungsänderung wird kleiner als bei den Wandverschiebungen und die Steigung der Neukurve flacher.  Die magnetische Hysterese kann durch Gitterstörungen im Ferromagnetikum erklärt werden, welche Wandverschiebungen und Drehprozesse hemmen.  Der Flächeninhalt der Schleife ist ein Maß für die zur Ummagnetisierung benötigte Arbeit  Maß für die Energie die beim durchlaufen der Schleife in Form von Wärme verloren geht ( schmale Hystereseschleife bei Materialien auf die magnetische Wechselfelder wirken vorteilhaft)  Ihre Form und die damit zusammenhängenden Größen können durch eine Vielzahl von Faktoren wie Kaltverformung, Rekristallisation, Ausscheidungsvorgänge, Texturbildung usw. geändert werden. Magnetostriktion - spontane Spinausrichtung hat geringfügige Änderungen der Atomabstände zur Folge  Volumen- und Längenänderung der einzelnen Kristalle Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 81 of 182 Eisen – Kohlenstoff – Legierungen (Sk. 212) 8.1 Welche Gitterarten (Modifikationen) entstehen bei reinem Eisen? Nennen Sie dazu die entsprechenden Umwandlungstemperaturen!  Eisen kristallisiert bei 1536°C als krz  (Delta)-Eisen.  Unterhalb von 1392 °C wandelt es sich in das kfz  (Gamma)-Eisen (Austenit) um.  bei 906°C wandelt diese Modifikation in das krz  (Alpha)-Eisen (Ferrit) um.  Haltepunkt bei 769 °C - Änderung der magnetischen Eigenschaften (keine Gitterumwandlung); Unterhalb dieser Temperatur (Curiepunkt) ist Eisen ferromagnetisch. Allgemeiner Aufbau der Eisen-Kohlenstoff-Legierungen: Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement des Eisens (nur begrenzte Löslichkeit). Schon geringe Unterschiede im Kohlenstoffgehalt ändern die Stahleigenschaften entscheidend. Der unterschiedliche geometrische Aufbau der Eisenmodifikationen (Packungsdichte!) ist die Ursache für ihre unterschiedliche Kohlenstofflöslichkeit. C wird im -, - und -Eisen in die Zwischengitterplätze eingelagert.  -Eisen (krz-Gitter) – 2 Arten verschieden großer „Hohlräume“ zum Einlagern von Fremdatomen (Lücke „A“ - 0.291*R; Lücke „B“ – 0.154*R) Bei der Einlagerung von Fremdatomen mit größeren Atomradien als den jeweils durch die „Hohlräume“ zur Verfügung stehenden müssen bei Lücke „A“ vier, bei der Lücke „B“ nur jeweils zwei Fe-Atome aus der Gleichgewichtslage verschoben werden  Lücke „B“ als bevorzugter Einlagerungsplatz für Fremdatome (obwohl diese kleiner ist)  -Eisen (kfz-Gitter) – in der Mitte der Würfelkannte können Fremdatome (mit Rmax=0.41*R) eingelagert werden  trotz größerer Packungsdichte kann -Eisen mehr C lösen als -Eisen Der Diffusionskoeffizient D ist allerdings im weniger dicht gepackten -Eisen sowohl für die Selbstdiffusion des Eisens / substituierter Atome, als auch für die Diffusion über Zwischengitterplätze um den Faktor 100 bis 1000 größer als der des -Eisens. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 82 of 182 8.2 Unterschied zwischen metastabilen und stabilen Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Die Eisenmischkristalle und können nur im begrenzten Umfang eine gewisse Menge an Kohlenstoff interstitiell lösen. Der Rest liegt im metastabilen System in Form von Zementit Fe3C und im stabilen System in Form von Graphit (C) vor  Kohlenstoff kann in zwei verschieden Phasen vorkommen und je nach Ausscheidungsform unterscheidet man zw. stabilem und metastabilem System Bei langsamer Abkühlung und hohem Kohlenstoffgehalt bildet sich Graphit, bei beschleunigter Zementit. Beim Glühen von kohlenstoffreichen Legierungen bildet sich Graphit unter Verringerung des Zementitgehalts. In kohlenstoffarmen Legierungen ist die Neigung zur Bildung von elementarem viel geringer. Die Neigung zur Bildung von Graphit aus Zementit zeigt an, dass Eisen oder eisenreiche Mischkristalle nur mit freiem Kohlenstoff (Graphit) ein stabiles Gleichgewicht bilden.  Aufbau der Stähle wird in erster Linie von metastabilem Gleichgewicht Eisen-Eisenkarbid bestimmt  technisch wichtigeres System ( genauer bekannt) Doppelschaubild (Eisen-Kohlenstoff) – Teildiagram des Zustandsschaubilds bis 6.67 Gewichtsprozent Kohlenstoff (C) der mit Eisen ein Karbid Fe3C bildet (Zementit)  Schaubild kann als vollständiges Zweistoffsystem Eisen-Eisenkarbid aufgefasst werden: ausgezogene Linien - metastabile System Eisen-Fe3C; gestrichelten Linien - stabile Gleichgewicht Eisen-Graphit Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 85 of 182 Beispiel: Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die Lage der Umwandlungspunkte eines unlegierten Stahls (0,5% C) Gefüge und Eigenschaften sind sehr stark von Abkühlgeschwindigkeit abhängig 1. geringe Unterkühlung – Austenitumwandung noch gänzlich in der Perlitstufe 2. mit höherer Abkühlgeschwindigkeit verschieben sich Ar1 und Ar3 zu tieferen Temperaturen und nähern sich an, bis sie im Haltepunkt Ar` zusammenfallen 3. Ar1 und Ar3 fallen bei Ar‘ zusammen  die Ferritbildung wird unterdrückt, es entsteht feinlamellarer Perlit (kurze Diffusionswege) 4. vollständige Unterdrückung der Ar‘-Umwandlung  unterkühlter Austenit wandelt sich erst bei tieferen Temperaturen in die Zwischenstufe Bainit (bei ArB) und in die Martensitstufe (bei MS) um (erst ab unterer kritische Abkühlgeschwindigkeit vuk tritt Martensit auf) 5. Oberhalb der oberen kritischen Abkühlgeschwindigkeit (vok) besteht das Gefüge nur noch aus Martensit. 8.8 Was verstehen Sie unter Bainit? Wie entsteht er? Mit abnehmender Temperatur kann der Kohlenstoff aufgrund geringer Diffusion nur noch geringe Strecken zurücklegen oder überhaupt nicht mehr diffundieren. Gleichzeitig nehmen Festigkeit und Härte zu. Bainit (Zwischenstufe) - feines Ferrit-Karbid-Gefüge welches Ferritnadeln mit eingelagerten submikrosopischen Stäbchen aus Zementit enthält. Entstehung - Austenitgitter wandelt sich durch Umklappen (vgl. Martensitbildung) in ein kohlenstoffübersättigtes Ferritgitter unter gleichzeitiger Fe3C-Ausscheidungen (Karbidbildung) um: o oberes Bainit – bildet sich bei höheren Temperaturen des Zwischenstufenbereichs; (Karbide lichtmikroskopisch deutlich in ferritischen Grundmasse sichtbar) o unteres Bainit -bildet sich bei tieferen Temperaturen; Karbide unvollständig und in feinster Verteilung ausgeschieden. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 86 of 182 Martensitstufe Bei Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit werden die erreichbaren Diffusionswege immer kleiner:  bei schnellen Abkühlungen reicht die Diffusionsgeschwindigkeit nicht mehr aus, um die notwendigen Konzentrationsänderungen herbeizuführen;  Unterdrückung der Phasenumwandlung - weder Fe- noch C-Atome können diffundieren; martensitische Umwandlungen – i. Allg. spontanen Phasenumwandlungen ohne Konzentrationsänderung (diffusionslos Umwandlung) Mit zunehmender Unterkühlung einer instabilen Phase werden die treibenden Kräfte zur Umwandlung immer größer. Ändert sich bei der Umwandlung die Kristallstruktur (z.B. Fe-C Legierung von kfz zu krz) so können die treibenden Kräfte derart groß werden, dass sich die Kristallstruktur spontan ändert (ohne Konzentrationsänderung und auf Zwischengitterplätzen zwangsgelöstem Kohlenstoff)  Umklappen des kfz-Gitters in ein tetragonal verzerrtes krz-Gitter bei der Martensitbildung Ist eine spontane Änderung der Kristallstruktur mit einer Volumen- oder Gestaltänderung verbunden, so findet die Umwandlung durch sukzessives Umklappen in die neue Kristallstruktur statt. Der Kohlenstoff ist dabei auf den Zwischengitterplätzen zwangsgelöst.  hohe Festigkeit aufgrund zwangsgelöstem Kohlenstoffe und der bei der Umwandlung entstandenen Gitterfehler (hohe Versetzungsdichte) . 8.9 Warum und wie verhält sich die Martensitstart-Temperatur bei steigender Temperatur? Wovon hängt Martenitstart-Temperatur ab? Die martensitische Umwandlung ist nicht von der Zeit, sondern nur von der Temperatur abhängig, auf die abgeschreckt wurde (Volumenanteil mit abnehmender Temperatur zunimmt):  Oberhalb einer gewissen Temperatur Ms (1% martensitischem Gefügeanteil) findet gar keine Umwandlung statt.  beträchtliche Unterkühlung unterhalb Ms ist notwendig, um eine vollständige Martensitumwandlung (Mf mit 99% martensitischem Gefügeanteil) zu erreichen. Diese Existenzkurve des Martensits hängt primär vom C-Gehalt ab  die Martensit-Starttemperatur ist ebenfalls von C-Gehalt und dem Gehalt von Legierungselementen abhängig Allgemein muss für die Martensitbildung zumindest die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit überschritten werden (siehe Frage 8.6). Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 87 of 182 8.10 Verläuft Martensitbildung diffusionsgesteuert? Nein – diffusionslose Umwandlung. 8.11 Wodurch unterscheiden sich Perlit vom Martensit. Metallkundliche, Lichtmikroskopische und makroskopische Betrachtung. (und mechanische Eigenschaften) Perlit Eutektoid aus Ferrit und Zementit mit lamellarem Aufbau bei 0.8% C. Bei großer Abkühlgeschwindigkeit werden die Lamellen feiner, bis sie im Lichtmikroskop nicht mehr zu unterscheiden sind. Er besitzt mittlere Festigkeitswerte im Vergleich zu anderen Stahlgefügeanteilen Martensit Mit C übersättigter und dadurch verzerrter, metastabiler, krz Fe-Mischkristall. Es entsteht bei hohen Abkühlgeschwindigkeiten durch diffusionslose Änderung des Raumgitters (Umklappen) von kfz auf krz. Im Lichtmikroskop sind je nach Unterkühlungstemperatur und C-Gehalt die typischen Martensit- Lanzetten (höhere Temperatur und geringer C-Gehalt) bzw. Martensit-Platten (niedriger Temperatur und höherer C-Gehalt) zu erkennen. Da keine Diffusion mehr ablaufen kann, werden die C-Atome zwangsgelöst  tetragonal verzerrt. Martensit ist das Härtungsgefüge von Stahl. Er ist nur schwer verformbar und zerspanbar. 8.12 Wodurch unterscheidet sich Perlit von Martensit? a) metallkundliche Betrachtung b) lichtmikroskopische Betrachtung c) mechanische Eigenschaften Perlit ist ein Eutektoid aus -Ferrit (88%) und Zementit (12%) mit lamellarem Aufbau. Bei 0,8% Kohlenstoff entsteht 100% Perlit im Gefüge bei einer Temperatur von 723° im metastabilen System. Er entsteht durch langsames Abkühlen aus unterkühltem Austenit. Martensit entsteht beim Abschrecken, daher verläuft das Abkühlen sehr schnell und diffusionslos. Vom kfz Austenit klappt das Gefüge in krz um, wodurch viele Fehler entstehen. Dadurch ist das Gitter im Gegensatz zu Perlit verzerrt. Aufgrund der vielen Fehler ist Martensit sehr hart und nur schwer umformbar und zerspanbar. Der Kohlenstoff ist bei Perlit im Mischkristall gelöst und in Form von Zementit ausgeschieden, bei Martensit im Gitter zwangsgelöst. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 90 of 182 8.19 MPC: Was wird in einem ZTU – Diagramm dargestellt? Umwandlungszeiten ■ Gefügebereiche Phasen ■ Temperaturen ■ Härte nach abgeschlossener Abkühlung ■ chemische Zusammensetzung ■ 8.20 MPC: Welche der folgenden Angaben gehören zu einem vollständigen ZTU – Diagramm? Kreuzen Sie an! chemische Zusammensetzung des Werkstoffs ■ Gefügebestandteile ■ Korngrößen □ Härtewerte ■ Wärmebehandlungsverfahren (Sk. 235) Die Möglichkeit der vielfältigen Eigenschaftsänderung von Stählen beruht auf der α--Umwandlung (außergewöhnlich wirksame Beeinflussung durch Kohlenstoffgehalt). Wärmebehandlung – Verfahren (Verbindung mehrerer Verfahren) bei denen ein Werkstück im festen Zustand einer Temperaturveränderung unterworfen wird um bestimme Werkstoffeigenschaften (Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften) durch Gefügeänderungen zu erzielen. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 91 of 182 8.21 Erklären Sie alle Wärmebehandlungsverfahren. Wärmebehandlungen zur Herstellung eines gleichmäßigen Gefüges Diffusionsglühen (Homogenisieren) Glühen bei einer Temperatur erheblich oberhalb des oberen Umwandlungspunkts mit langzeitigem Halten auf dieser Temperatur und nachfolgendem beliebigen Abkühlen zum Ausgleich örtlicher Unterschiede in der Zusammensetzung (Konzentrationsunterschiede) des Werkstoffes. Zweck – Ausgleich von Kristalseigerungen Normalglühen Erwärmung auf eine Temperatur knapp oberhalb des oberen Umwandlungspunktes (bei übereutektoiden Stählen oberhalb des unteren Umwandlungspunktes ) mit nachfolgendem Abkühlen in ruhender Atmosphäre. Beim Erwärmen aus dem Alpha- in das Gamma-Gebiet und bei umgekehrten Durchgang während des Abkühlens erleidet der Stahl eine doppelte Umwandlung, die eine vollständige Umkristallisation bewirkt. Es kommt zu Kornverfeinerung  aufzehren alter Kristallite durch Bildung zahlreicher neuer Keime  gleichmäßige und feines Gefüge (ferritisch- perlitisch) Zweck: Ausgleich von Gefügeinhomogenitäten Wärmebehandlungen zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit Grobkornglühen Glühen bei einer Temperatur oberhalb des oberen Umwandlungspunktes mit nachfolgendem langsamen Abkühlen zur Erzielung eines gröberen Kornes Zweck: Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit niedriggekohlter Stähle Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 92 of 182 Rekristallisationsglühen Glühen bei einer Temperatur im Rekristallisationsbereich nach vorhergegangener Verformung (Mindestverformungsgrat) bei einer Temperatur unterhalb dieses Bereiches. Das kaltverformte Gefüge rekristallisiert und der Zementit verbleibt in seiner stabilsten, kugeligen Form (solange Glühtemperatur unter A1 bleibt)  günstig für weiter Kaltumformung Zweck: rückgängig machen der durch Kaltverformung erzwungen Eigenschaften  Wiedergewinnung der Verformbarkeit Weichglühen Glühen bei einer Temperatur dicht unterhalb, oberhalb oder pendelnd um den unteren Umwandlungspunkt mit nachfolgendem langsamen Abkühlen zum Erzielen eines weichen Zustandes. Die Wirkung der Oberflächenspannung veranlasst  streifig-perlitische Gefüge zur Bildung von kugeligem Zementit  nadelige Gefüge (Martensit, Zwischenstufengefüge) zur Ausscheidung des Karbides. Zweck: Einformen des Zementits zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 95 of 182 Vergüten - Wärmebehandlung zum Erzielen hoher Zähigkeit bei bestimmter Zugfestigkeit, indem gehärtet und anschließend meistens auf höhere Temperatur angelassen wird. Es wird hauptsächlich bei Baustählen angewandt um eine hohe Streckgrenze (höheres Streckgrenzenverhältnis) sowie gute Zähigkeitseigenschaften zu erzielen.  Durch die Wahl der Anlasstemperatur werden die mechanischen Eigenschaften dem Verwendungszweck angepasst.  Durch Anlassen wird Härte und Sprödigkeit des Martensits vermindert bzw. das entsprechende Anlassgefüge erzeugt. Das Vergüten besteht aus Härten und Anlassen:  Härten – Austenit wird so schnell abgekühlt, dass er in Martensit umwandelt in welchem der Kohlenstoff zwangsgelöst ist. Zusätzlich steigt die Versetzungsdichte bei martensitischer Umwandlung  Anlassen – Bildung von Zementit, Abnahme der Versetzungsdichte  Zunahme der Zähigkeit (siehe S. 88) Warmbadhärten Durch die sehr schnelle Abkühlung beim Härten entstehen je nach Werkstückabmessung Temperaturdifferenzen zwischen Kern und Bauteiloberfläche, die zu großen Spannungen und in der Folge zu Rissen führen können. Beim Warmbadhärten wird der Abkühlvorgang oberhalb der Martensitstarttemperatur MS gestoppt und die Temperatur kurz gehalten, wodurch es zu einem Temperaturausgleich kommt. Die dann folgende Martensitumwandlung kann dann durch langsames Abkühlen erfolgen. Im Anschluss daran kann auch eine Anlassbehandlung folgen. Randschichthärten Mit einer Randschichthärtung möchte man folgende Eigenschaften erreichen:  Möglichst harte und verschleißbeständige Oberflächenschicht  Möglichst günstiger Eigenspannungszustand (Druck in der Randzone)  Möglichst zäher Kern Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 96 of 182 Verfahren mit begrenzter Wärmeeinbringung – oberflächennahe Bereiche eines Werkstücks werden rasch (kurzzeitig) erhitzt (austenitisiert) und unmittelbar danach abgeschreckt  Härtung Flammhärten - Oberflächenhärtung durch Martensitbildung ohne Aufkohlung; Werkstückerwärmung durch Gasbrennen mit unmittelbarer Abschreckung Induktionshärten – Austenitisierung der Oberflächen durch induktive Erwärmung; Anwendung z.B. bei Kurbel- und Nockenwellen, Ventilen, Zahnrädern, Führungen von Maschinenbetten Tauchhärten -kurzzeitiges Eintauchen in hoch erhitzte Metall- oder Salzbäder Strahlhärten - Erwärmung der Oberfläche durch hochenergiereiche Strahlung Verfahren mit Änderung der chemischen Zusammensetzung Stähle mit geringem -Gehalt können nicht gehärtet werden. Daher muss die Werkstoffzusammensetzung in den oberflächennahen Bereichen verändert werden, um die Oberflächeneigenschaften durch Härten zu verändern. Einsatzhärten: Durch Aufkohlung können die oberflächennahen Bereiche gehärtet werden. Aufkohlungsmittel können pulverförmig (Holzkohle), Salzbäder oder gasförmig sein. Gehärtet kann durch Abschrecken von Einsatztemperatur werden (Direkthärten), nach langsamer Abkühlung aus dem Einsatztemperaturbereich und erneutem Austenitisieren (Einfachhärten) oder durch zweifaches Härten, wobei zuerst von der Härtetemperatur des Kerns und danach von der Härtetemperatur der Randschicht abgeschreckt wird (Doppelhärten). Doppelhärten - höchste Zähigkeit für den Kern, sowie die höchste Härte für den Rand (findet praktisch keine Anwendung mehr aufgrund der größeren Verzugsneigung und der höheren Kosten) Die angestrebte Einsatzhärtetiefe hängt vom Verwendungszweck ab und kann zwischen 0,1 und 3 mm variieren. Nitrieren: Dabei wird die Randschicht eines Werkstücks mit Stickstoff angereichert. Man unterscheidet zwischen Gas-, Salzbad-, Pulver- und Plasmanitrieren. Dabei diffundiert Stickstoff in die Oberfläche und bildet mit Eisen und den anderen Legierungsbestandteilen Nitride. Die Temperatur ist gegenüber dem Einsatzhärten je nach Verfahren relativ niedrig (ca. 500-590°C)  geringer Verzug. Die maximal erreichbaren Schichtdicken liegen etwa bei 0,6 mm. Werkstoffkunde - Zusammenfassung SoSe2019 Page 97 of 182 8.22 Skizzieren Sie den Stahlbereich eines Fe-C-Diagramms und zeichnen Sie die Temperaturbereiche für eine Vergütungs-Wärmebehandlung ein. (Temperaturen und Konzentrationen nicht vergessen)