Zusammenfassung VO Grundlagen der Werkstoffkunde 1 TU München, Zusammenfassungen von Werkstoffkunde

Nur auf Docsity: Lade Zusammenfassung VO Grundlagen der Werkstoffkunde 1 TU München und mehr Zusammenfassungen als PDF für Werkstoffkunde herunter! 1 Grundlagen der Werkstoffkunde I Zusammenfassung Kapitel 2: Physikalische Eigenschaften: Gleichgewichtsabstand: - Abstand x0 miteinander wechselwirkender Atome, die die gleiche Bindungsenergie einnehmen (Minimum an pot. Energie) Elastizität: - Fähigkeit eines Körpers zur reversiblen Formänderung (Rückgang zur Ausgangslage) Plastizität: - Fähigkeit eines Festkörpers zur dauerhaften Formänderung Wärmeausdehnung: - Fähigkeit eines Festkörpers zur Ausdehnung unter Wärmeeinbringung - Im Modell des isolierten Atompaars mit Zunahme des mittleren Atomabstandes durch Erhöhung der potentiellen Gesamtenergie beschrieben - 𝛼 Maß für Wärmeausdehnung: Längendehnung eines Stahles: ∆𝑙 = 𝛼𝑙0∆𝑇 Volumendehnung: ∆𝑉 = 3𝛼𝑉0∆𝑇 Wärmeleitfähigkeit: - Fähigkeit eines Körpers örtliche Temperaturdifferenz durch Wärmetransport auszugleichen - Geht von wärmeren zur kälteren Seite - In Metallen: Hierfür stehen die freien e- zur Verfügung → gute Wärmeleitfähigkeit - In Festkörpern ohne freie e- wird die Wärmeübertragung mit Hilfe von Phononen realisiert (Schwingungen des Gitters, die durch Schwingungen der Atome um x0 erzeugt werden → gekoppeltes System) → schlechte Wärmeleitfähigkeit → nicht Leiter Spezifische Wärmekapazität: - 𝑐 = 𝐽 𝑘𝑔𝐾 - Gibt an, welche Wärmemenge diesen Stoff zugeführt werden muss, um seine Temperatur um ∆𝑇 zu erhöhen Elektrische Leitfähigkeit: - 𝜎 = 1 𝜌 𝑝 = 𝑚 𝑛𝑒2𝜏 - Fähigkeit eines Stoffes elektrischen Strom zu leiten - Metall: viele freie e- → hohe elektrische Leitfähigkeit (niedrige elektrische Widerstand) - 𝑅 = 𝜌 𝑙 𝐴 = 𝑙 𝜎𝐴 - Widerstand tritt auf, wenn regelmäßiger Aufbau Störungen aufweist (z.B. durch thermisch angeregte Gitterschwingung, Fremdatome & andere Fehlerstellen enthalten sind, geometrische Verzerrungen in regelmäßiger Atomordnung) Kapitel 3: Mechanische Kennwerte Homogenität: Gleichheit einer Eigenschaft über die gesamte Ausdehnung eines Systems Isotropie: Unabhängigkeit einer Eigenschaft von der Richtung →Gegenteil: Anisotropie Festigkeit: Widerstand, den ein Werkstoff der Verformung bzw. seiner Zerstörung entgegensetzt Härte: Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt Duktilität: Fähigkeit zur plastischen, bleibenden Verformung Zähigkeit: (z.B.: ermittelt durch Kerbschlagbiegemoment); Fähigkeit sich bei Anwesenheit von Kerben & Rissen plastisch zu verformen & somit Energie aufzunehmen, bevor es zum Bruch kommt Zugversuch: - Probe wird durch Zugbeanspruchung gedehnt (meist bis zum Bruch) - Aufgabe: Ermittlung der Verformungseigenschaften & Festigkeitseigenschaften unter einachsiger Beanspruchung & relativ langsamer Verformungsgeschwindigkeit ➔ Zerstörendes Prüfverfahren - Spannungs-Dehnungskurve: 𝜎 = 𝐹 𝐴0 ; 𝜀 = ∆𝐿 𝐿0 ; 𝐸 = ∆𝜎 ∆𝜀 - Für Duktile Werkstoffe hat die Kurve 3 Bereiche: 1. Linearer Bereich: Probe dehnt sich elastisch (Steigung E) (1-2) 2. Überschreitung der Elastizitätsgrenze (2-P) → Bleibende plastische Verformung; Verringerung des Querschnitts; Längs- &Querdehnung gleichmäßig entlang Probenlänge 3. Ab P lokale Einschnürung (Einschnürdehnung) (P-3) Charakteristische Kennwerte für des Werkstoffverhalten: - Zugfestigkeit Rm: Max. der technischen Spannungs-Dehnungs-Kurve 𝑅𝑚 = 𝐹𝑚𝑎𝑥 𝐴0 - Streckgrenze Re: abrupter Übergang von elastischer zu plastischer Verformung - Dehnungsgrenze Rp: kontinuierlicher Übergang von elastischer zu plastischer Verformung Bruchdehnung - Maximal Erreichbare Dehnung der Probe: 𝐴 = 𝐿𝑢−𝐿𝑜 𝐿𝑜 𝐸 𝐸 = ∆𝜎 ∆𝜀 𝑃 3 2 1 2 Härteprüfung: - Präzise Vermessung von Einschnürungen, um Härtewert zu bestimmen - Zerstörungsarmes Prüfverfahren (kleine, meist oberflächliche Verletzungen) ➔ Geeignet zur Prüfung von größeren oder zum Prüfen von bestehenden Bauteilen im Einsatz Brinell-Verfahren: - Benötigte Oberfläche: geschliffen - Eindringen mit Hartmetallkugel (definierter Durchmesser) - Zeitabhängig (→ schnelles Prüfverfahren, ohne großen Aufwand) - Messwert: Kugelkalottenfläche (Eindringoberfläche A (D & d)) → relativ ungenau Rockwell- Verfahren: - Benötigte Oberfläche: fein geschliffen - Eindringen mit einem Diamantkegel - Zeitabhängig - Messwert: Eindringtiefe tb Vickers-Verfahren - Benötigte Oberfläche: fein geschliffen, poliert - Eindringen mit Diamantpyramide - Messwert: arithmetischer Mittelwert der Eindringdiagonalen d Kerbschlagbiege- versuch: - Ermöglicht Reihung von Werkstoffen bezüglich ihrer Zähigkeit - Untersucht: → Werkstoffverhalten zufolge Kerben → Werkstoffverhalten bei hoher Beanspruchungsgeschwindigkeit (Aus höherer Beanspruchungsgeschwindigkeit folgt weniger Zeit für Fließvorgänge) →Werkstoffverhalten bei tiefen Temperaturen (sinkende Temperatur erhöht Fließgrenze) ➔Fördert alles Neigung zum Sprödbruch - Temperaturabhängig - Kennwert: Kerbschlagarbeit Av= 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ (ℎ′ − ℎ) (mit h‘ = Fallhöhe & h = Steighöhe) → Im Versuch verbrauchte Arbeit zum Durchschlagen oder Umformen der Probe - Das Bruchverhalten unterscheidet sich in: Hochlage (duktiler Bruch, hohes Av), Steilabfall (Abfall von Av mit abnehmender Temperatur) und Tieflage (spröder Bruch, kleines Av) Verformungs- brüche: - Nach duktiler Verformung und Versagen von Werkstoffen - Kennzeichen: Hoher Energieverbrauch Av durch plastische Formänderung - Folge von plastischer Verformung: Hohlraumbildung und Wachstum/Vereinigung dieser an Ausscheidungen/Einschlüssen→ verbleibenden Metallbrücken zwischen Poren werden abgeschert - Wabenförmige Struktur der Bruchfläche Sprödbruch: - Kennzeichen: Geringer Energieverbrauch Av - kaum/keine plastische Verformung - Versagen erfolgt entlang Gitterebenen (=Spaltebenen) durch die Körner → transkristalliner Bruch - Glatte, spaltflächige Bruchfläche Mischbrüche: - Mischung aus Spröd- und Verformungsbruch - Tritt bei Steilabfall auf - Als Grübchen auf Bruchfläche zu erkennen Weitere Mechanische Kennwerte: Kriechen: - Zeit- & temperaturabhängige plastische Verformung - Bei hinreichend großer Spannung unterhalb der Fließgrenze Relaxion: Zeitabhängiger Abbau der Spannung, die zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Ausgangsgleichung notwendig ist Kapitel 4: Anordnung der Atome im Festkörper: Bindungskräfte: - Erforderlich für Zusammenhalt der Atome - Primärbindung (PB): Edelgaskonfiguration (Valenzschale auf-/abfüllen) - Sekundärbindung (SB): liegt an ungleiche Ladungsverteilung im Molekül (schwächer als PB) ➔ Bindungsart entscheidend für Werkstoffeigenschaften Ionenbindung: - Bindung mit Edelgaskonfiguration (Metallion gibt e- an Nichtmetall ab - Eigenschaften: Bindung Metall <-> Nichtmetall; hohe Bindungskräfte; ungerichtet - WS. Eig.: geringe elektrische & thermische Leitfähigkeit; geringe Verformbarkeit; reaktionsträge Kovalente Bindung: - Bindung mit Hilfe von gemeinsamen e—Paaren → Atome sind nicht mehr klar abzugrenzen → Entstehung von Molekülen → Dipol, wenn nach außen hin geladen - Eigenschaften: Bindung von zwei oder mehr Nichtmetalle; hohe Bindungskräfte; stark gerichtet; e— stark gerichtet; gemeinsame e— - WS. Eig.: geringe elektrische & thermische Leitfähigkeit; geringe Verformbarkeit Metallische Bindung: - Elektrostatische Wechselwirkung zwischen den starren Atomrümpfen und freien e— - Regelmäßiges Kristallgitter - Eigenschaften: mittelstarke Bindungskräfte; frei bewegliche, delokalisierte e—; ungerichtet 5 ➔ Werden den Versetzungen Hindernisse in den Weg gelegt, die ihre Gleitfähigkeit beeinträchtigt, so erhöht dies die Festigkeit des Materials Flächenhafte Fehler: - Korngrenzen: zusammentreffen zweier gleichartiger Kristalle unterschiedlicher Struktur • Entstehen z.B. durch Erstarren einer schmelzflüssigen Legierung • haben große Energie • je mehr Korngrenzen, desto höher die Festigkeit - Phasengrenzflächen: Trennung von zwei strukturell unterschiedlichen Bereichen ➔ Je ähnlicher die Strukturen der Phasen, desto kohärenter wird die Grenzfläche, desto geringer wird die aufzubringende Grenzflächenenergie - Zwillingsgrenzen: Umklappen der Gitterstruktur, sodass „Klapplinie“ = Spiegellinie ➔ Unterschied: mechanisch & thermisch gebildete Zwillinge - Stapelfehler: Störungen der Stapel → Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften - Antiphasengrenzen: Auftreten in Kristallen, die aus Atomen mehrerer Elemente bestehen und in denen die Atome je Sorte nur bestimmte Plätze in der Kristallstruktur einnehmen → Ordnungsstruktur bleibt erhalten, die nur an den Grenzflächen gestört ist - Mehrkristall: realer Kristall besteht in der Regel aus mehreren verschiedenen Kristallen → durch Flächendefekte voneinander getrennt Räumliche Fehler: - Hohlräume: z.B. Poren, Lunker, Schwindung - Gasbläschen: z.B.: eingeschlossene Gasblasen - Einschlüsse: z.B.: Fremdpartikel im Gefüge Kapitel 6: Festkörperthermodynamik - Zustandsschaubilder Zustandsdiagramm e: - Zeigen Existenzbereiche aller auftretenden, thermodynamisch stabilen Phasen - Erstellung: experimentell oder durch thermodynamischen Berechnung Liquiduslinie: Abgrenzung zur Schmelze Soliduslinie: Abgrenzung zum Festkörper Mischphasen- thermodynamik: • Berücksichtigung der Anordnung und Wechselwirkung der Atome zweier Atomsorten A&B • Mischungsentropie ∆𝐒M: ∆SM= −𝑅 ∗ (𝑥A∗ ln (𝑥A) + 𝑥B∗ ln (𝑥B)) (immer positiv!) • Mischungsenthalpie ∆𝐇M: ∆HM= 2 ∗ 𝑥A∗ 𝑥B∗ 𝑉 Für 1 mol der Mischung hat ∆HM die Bedeutung der Lösungswärme & charakterisiert die innere Energieänderung des Systems durch die Mischbildung • Freie Mischungsenthalpie ∆𝐆M(xB): Helmholtz-Gleichung: ∆GM(xB)= ∆𝐻M(𝑥B) − 𝑇 ∗ ∆𝑆M(𝑥B) Gibt den Betrag der freien Enthalpie des Mischens von A&B aber nicht der des gesamten Systems an • Freie Enthalpie der Mischung 𝐆(xB): 𝐺(xB)= 𝐺A∗ 𝑥A+𝐺B∗ 𝑥B+∆𝐺M(𝑥B) Beschreibt den Energiegehalt des A-B-Systems nach dem Mischen von A&B • Gibbsche Phasenregel: 𝐹 + 𝑃 = 𝐾 + 2 Zweistoffsysteme: System vollständiger Mischbarkeit: • (im festen & flüssigem Zustand): • 3 Phasenbereiche → Linsenförmiges Zustandsbild • Home-Rothery Regel: beide Elemente kristallisieren im gleichen Kristallsystem & Atomradien unterscheiden sich nur gering Eutektische Systeme: • vollständige Mischbarkeit im flüssigen & Unmischbarkeit im festen Zustand • 4 Phasenbereiche • im Minimum der Liquiduslinie stehen A,B & S im Gleichgewicht • Reaktion: 𝑆 → 𝛼 + 𝛽 (V-Form) • maximale Löslichkeiten gegeben durch x1max & x2max • oberhalb und unterhalb von TE sinkt die Löslichkeit der zweiten Komponente im Kristallgitter auf Null Eutektoide Systeme: • Sonderfall von eutektischen Systemen: Entmischungsreaktionen laufen in festen, homogenen Mischkristallen ab Systeme mit vollständiger Mischbarkeit im flüssigen & mit begrenzter Mischbarkeit & intermetallischer Verbindung im festen Zustand: • intermetallische Verbindung: verschieden von Komponenten A&B (entweder x1max x2max TE 6 als streng stöchiometrische Verbindung oder in begrenzten Konzentrationsbereich existent) Peritektische Systeme: • Vollständige Mischbarkeit im flüssigen, aber begrenzte Mischbarkeit im festen Zustand • Reaktion: 𝑆 + 𝛽 → 𝛼 (Dach-Form) • Phasenumwandlung der Schmelze & bereits ausgeschiedenen Mischkristallen 𝛽 zu einer anderen Mischkristallart bei Tp Pertektoide Reaktion: Sonderform der Peritektischen Reaktion: Reaktionspartner nur Festkörper Nutzen von Zustandsschaubildern: • Bestimmung der relativen Mengen: Massenbilanz: 𝑚L= 𝑚1+𝑚2 Konzentrationsbilanz: 𝑥L∗ 𝑚L= 𝑥1∗ 𝑚1+𝑥2∗ 𝑚2 Atomprozent: 𝑐1= 𝑥1∗𝑚1 𝑥1∗𝑚1+𝑥2∗𝑚2 • Bestimmung der Gefügebestandteile: Anwendung des Hebelgesetzes -> orthogonale durch betrachtete Temperatur und Prozentualen Anteil (Siehe S. 156ff) MERKEN: Austenit: kfz 𝛾 −Eisen (T>723°C); xC=0,8% Ferrit: krz 𝛼 −Eisen Zementit: 𝐹𝑒3𝐶 Perlit: Gemisch aus Ferrit & Zementit Martensit: tetragonal mit C-Atomen übersättigter Ferrit Kapitel 7: Kinetik – Grundlagen der Diffusion Thermisch aktive Vor- gänge: Diffusion: Vorgänge des Stoff- bzw. Materialtransports, die mit einer Wanderung von Atomen, Ionen oder Molekülen in Gasen/Flüssigkeiten oder Feststoffen verbunden ist ➔ Erklärung: Durch Zufuhr von Energie schwingen die Atome um ihre GGW-Lage und können diese verlassen, sobald die zugeführte Energie gleich der Aktivierungsenergie ist ➔ Führt zu: Konzentrationsausgleich, Phasenumwandlung, Oxidation, Korrosion, Kriechen metallischer Legierungen, Wärmebehandlungen,… ➔ langsame Erstarrung führt zu Erreichen des thermodynamischen GGWs ➔ Wanderungsgeschwindigkeit steigt exponentiell mit Temperatur: 𝑣 = 𝜀 ∗ 𝑒 −𝑄 𝑅∗𝑇 (𝜀 =Konstante; Q =Aktivierungsenergie 𝐽 𝑚𝑜𝑙 ; logarithmieren liefert Arrhenius- Darstellung) ➔ bei jedem Prozess gibt es eine Aktivierungsenergie (je größer Q, desto langsamer ist der Diffusionsprozess) Diffusionsarten: • Thermodiffusion: Atome wollen Ausgleich der kinetischen Energie durch Platzwechsel • Selbstdiffusion: wie Thermodiffusion, nur dass nur eine Atomart beteiligt ist • Fremddiffusion: in einem Gitter sind Fremdatome verteilt, die bei entsprechender Temperatur diffundieren Diffusionsmechanismus: Im Idealkristall! • Art des Platzwechsels • im idealen, kristallinen Festkörper erfolgt Diffusion in der Gitterstruktur Leerstellenmechanismus : • Ermöglicht durch Gitterleerstellen • Leerstellen meist thermisch aktiviert gebildet • wichtig für: Selbstdiffusion & für Diffusion substitutionell gelöster Fremdatome Zwischengitter- mechanismus: • thermisch aktivierter Platzwechsel von Fremdatomen auf Zwischengitterplätze • sehr schnell • wichtig für Diffusion von interstitiell gelösten kleinen Fremdatomen Austauschmechanismus: • beschreibt den direkten Austausch zweier Atome Diffusionswege: In realen fehlerbehafteten Kristallen Mögliche Orte für irreversible Platzwechselvorgänge Gitter-/ Volumendiffusion: Platzwechselvorgänge erfolgen entlang oder zwischen der 0-dimensionalen Atomposition des Atomgitters Versetzungs-/ Schlauchdiffusion • Platzwechsel entlang Versetzungen • je größer die Versetzung, desto besser können die Atome durchdiffundieren Grenzflächendiffusion: • Korngrenzen erleichtern Diffusion • Atomare Platzwechsel auf freien Oberflächen erfordern geringste Aktivierungsenergien • Beeinflusst wesentlich das Verformungsverhalten von metallischen & keramischen Werkstoffen bei hohen Temperaturen Stationäre Diffusions- 1. Ficksches Gesetz 7 bedingungen: → stationär: gegebener Konzentrationsunterschied zeitlich konstant → Diffusionsstrom von einer stationären Konzentration zu einer anderen → in der Zeit t wird eine bestimmte Stoffmenge ∆𝑛 durch den Querschnitt A des Mediums transportiert → Teilchenstrom: 𝐽̇ = 1 𝐴 ∗ 𝑑𝑛 𝑑𝑡 = −𝐷 ∗ 𝑐1∗𝑐2 ∆𝑥 = −𝐷 ∗ ∆𝑐 ∆𝑥 → 𝑑𝑛 𝑑𝑡 =Anzahl Atome; 𝐽̇ =Teilchenstrom [ 𝐴𝑡𝑜𝑚𝑒 𝑚2 ]; D= Diffusionskonstante [ 𝑚² 𝑠 ]; c= Konzentration [ 𝐴𝑡𝑜𝑚𝑒 𝑚³ ] → Diffusion geht in Richtung der abnehmenden Konzentration Nichtstationäre Diffusionsvorgänge: 2. Ficksches Gesetz Konzentrationsunterschied zeitlich veränderlich 𝛿𝑐 𝛿𝑡 = 𝐷 ∗ 𝛿²𝑥 𝛿𝑥² → Lösung: Gausssche Fehlerfunktion Diffusionskoeffizient: 𝐷 = 𝐴 ∗ 𝑣 ∗ 𝛼 → A=durchwanderte Fläche; v=Sprungfrequenz [ 𝟏 𝒔 ]; 𝛼 =Geometriefaktor → 𝑣 = 𝑣0∗ 𝑒 − 𝐺𝑤 𝑅𝑇 = 𝑣0∗ 𝑒 − 𝑆𝑤 𝑅 ∗ 𝑒− 𝑄 𝑅𝑇 mit Gw = 𝑄 − 𝑇 ∗ 𝑆w V0 = Debeye-Frequenz (ca. 𝟏𝟎𝟏𝟑 𝟏 𝒔 ); Gw=Wanderungsenthalpie [ 𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙 ] → D0 = 𝐴 ∗ 𝛼 ∗ 𝑣0∗ 𝑒 𝑆𝑤 𝑅 Kirkendall-Effekt: Diffusionsgeschwindigkeit beider Gitterenden muss nicht gleich sein (wenn mehr rausdiffundieren als rein, kommt es zu Kirkendallporen → Vereinigung von mehreren Leerstellen → Leerstellenkondensation) Praxis: Rasches Abkühlen verhindert bei Mehrkomponentensystemen die Ausbildung von thermodynamisch stabilen Mischkristallen ➔ Es kommt zu Abweichungen der Gleichgewichtskonzentration innerhalb eines Mischkristalls (Zonenmischkristall) ➔ Konzentrationsschwankungen: Mikroseigerung ➔ durch Wärmebehandlung (Diffusionsglühen) werden Konzentrationsschwankungen innerhalb eines Mischkristalls ausgeglichen Kapitel 8: Phasenumwandlungen Diffusionsgesteuerte Phasenumwandlungen: Alle Phasenübergänge, im festen & flüssigem Zustand, die durch die diffusionsabhängigen Vorgängen Keimbildung & Keimwachstum realisiert werden Homogene Keimbildung: • Ausbildung einer neuen Phase ohne Fremdhilfe • gängiges Modell: Tröpfchenmodell • Energiebilanz: (Voraussetzung: Bildung des Keims senkt Gesamtenergie des Systems ab) Energiegewinn ∆𝐺v aus Enthalpiedifferenz ∆𝑔v ∆𝐺v = ∆𝑔v∗ 𝑉Keim mit ∆𝑔v <0 • Energieaufwand: ∆𝐺S = 𝛾GF∗ 𝑂Keim > 0 mit 𝑂Keim = Oberfläche des Keims • Gesamtbilanz: ∆𝐺hom = ∆𝐺v+∆𝐺s • kritischer Keimradius = Mindestgröße eines thermodynamisch stabilen Keims der neu gebildeten Phase r*hom= − 2∗𝛾 ∆𝑔𝑣 aus 𝑑∆𝐺 𝑑𝑟 = 0 für r < r*hom zerfallen die gebildeten Keime unter Energieabgabe für r > r*hom wachsen sie unter Energieabgabe • Keimbildungsenergie: ∆𝐺ges = 16∗𝜋 3 ∗ 𝛾³ (∆𝑔)² • Temperatureinfluss: 𝛾GF ist praktisch temperaturunabhängig aber ∆𝑔v ist stärker temperaturabhängig: ∆𝑔v = ∆ℎv−𝑇 ∗ ∆𝑠v mit ∆ℎv = Bildungsenthalpie & ∆𝑠v = Bildungsentropie • die notwendige Keimbildungsenergie nimmt mit 1 (∆𝑇)² ab Heterogene Keimbildung: • Fremdkeimbildung • meist läuft Erstarrung einer Schmelze bzw. das Ausscheiden einer 𝛽-Phase aus einer 𝛼-Phase im festen Zustand mit homogener Keimbildung ab • Bevorzugter Platz: Leerstellen, Versetzungen, Stapelfehler, Einschlüsse, etc. • Energiebilanz: ∆𝐺het = ∆𝐺v+∆𝐺s−𝐺D • Korngrenzen sind besonders wichtig für die heterogene Keimbildung • Es gilt: ∆𝐺het < ∆𝐺v Keimbildungsrate: ?̇?het > ?̇?hom Keimbildungsrate: (Diagramme S.200 beachten!) • beschreibt die je Zeiteinheit gebildete Anzahl n von thermodynamisch stabilen Keimen • 𝑛(𝑟∗) = 𝑁 ∗ 𝑒− 𝐺𝑣∗ 𝑅𝑇 mit N= Anzahl vorhandener Atome ∆𝐺*homges ∆𝐺*hom 10 Kapitel 10: Wärmebehandlungen: = Verfahren, bei denen ein Werkstoff im festen Zustand Temperaturveränderungen erfährt, um seine Eigenschaften gezielt einzustellen Temperaturabhängige Entfestigung: Drei Stadien der Entfestigung: 1. Kristallerholung: - Kennzeichnet Bereich der thermisch aktivierten Entfestigung durch den Abbau verformungsbedingter, nulldimensionaler Gitterfehler & durch die Umordnung von Versetzungen - Polygonisation: Bewegung von Stufen- & Schraubenversetzungen werden aktiviert, die sich dann aus den bei der der Verformung entstandenen Korngrenzen herausbewegen 2. Rekristallisation: - thermisch aktivierte Entfestigung durch Neubildung & Wachstum von versetzungsarmen Kristallen im festen Zustand - dynamische Rekristallisation: Verformungstemperatur >> Rekristallisationstemperatur, so kann Rekristallisation schon während des Umformprozesses auftreten → keine Werkstoffeigenschaften im Gegensatz zur Kaltverformung) 3. Kornwachstum: - Meist unerwünschte thermische Entfestigung durch Kornwachstum des bereits vollständig rekristallisierten Gefüges ➔ Es entsteht grobkörniges Gefüge Temperaturabhängige Homogenisierung: • Ziel: Beseitigung makro- & mikroskopischer Inhomogenitäten im Werkstoffgefüge • Mikroseigerung: - Entmischung einer Schmelze, die in lokalen Konzentrationsunterschieden resultiert - Entsteht bei schnellem Abkühlen von Schmelzen aus mehreren Komponenten - Es entsteht ein Zonenmischkristalle, der durch Diffusionsglühen oder Warmumformung (dynamische Rekristallisation) beseitigt werden kann • Makroseigerung/Blockseigerung: - Entstehen während der Erstarrung eines Gussblock wegen unterschiedlicher Unterkühlungen & Temperaturgradienten - Vermieden durch beruhigtes Gießen oder Normalglühen • Diffusionsglühen: - Glühen bei hohen Temperaturen mit langem Halten & beliebigem Abkühlen - Man erhält gleichmäßige Verteilung der löslichen Bestandteile des Legierungssystems • Normalglühen: - Glühen von Legierungssystemen mit eutektoider Phasenumwandlung bei Temperatur knapp über der Phasenumwandlung mit 2 maliger Phasenumwandlung & nachfolgendem kontrolliertem Abkühlen - Man erhält gleichmäßiges, meist feinkörniges Gefüge • Spannungsarmglühen: - Glühen bei relativ geringer Temperatur und anschließendem langsamen Abkühlen zum Verringern innerer Spannungen ohne Änderung der Gefügeausbildung eines Werkstoffes - Wichtig: alle Werkstoffbereiche brauchen durchgehend die gleiche Temperatur! Temperaturabhängige Verfestigung: • Ziel: Erhöhung der Festigkeit • Ausscheidungshärtung: - 3-stufige Wärmebehandlung von Legierungssystemen mit temperaturabhängiger, begrenzter Löslichkeit - Stufen: Lösungsglühen, Abschrecken, Auslagern • Umwandlungshärtung: - deutliche Festigkeitssteigerung durch Martensitbildung Wärmebehandlung von Stahl: • Wahl der Abkühlgeschwindigkeit kann die Diffusion des Kohlenstoffs stark beeinflussen • steigende Erwärmungsgeschwindigkeit führt zu höheren Umwandlungstemperatur • lange Überzeiten & langes Überhitzen führen zu grobkörnigem Gefüge Entfestigung von Stahl: • Hochglühen: für bessere Zerspanung • Weichglühen: für gewalzte/ geschmiedete Stähle → bessere Zerspanung • Rekristallisationsglühen Homogenisierung von • Diffusionsglühen: soll vorhandene Kristallseigerung beseitigen 11 Stahl: • Normalglühen • Spannungsarmglühen: zur Verringerung innerer Spannung ohne Gefügeausbildung Festigkeitssteigerung: • Umwandlungshärtung: Zur Erhöhung der Duktilität & Zähigkeit des martensitischen Gefüges wird er angelassen Anlassen, Vergüten: • nach Härten nachfolgendes Glühen, um im Martensit zwangsgelösten Kohlenstoff auszuscheiden • Verlust an Härte und Festigkeit • Gewinn an Zähigkeit • Vergüten: Kombination aus Härten & Anlassen Kapitel 11: Chemische Beständigkeit beeinflusst durch: • thermische, chemische & elektrochemische Prozesse • oft mehrere beteiligt oder auch manchmal mechanische Prozesse Begriffe: • Korrosion: von der Oberfläche ausgehende Zerstörung des Werkstoffes durch elektrochemische, thermochemische & chemische Reaktion mit der Umwelt • Erosion: von der Oberfläche ausgehende Zerstörung des Werkstoffes durch mechanische Wirkung • Kavitation: Werkstoffzerstörende Hohlraumbildung, welche in Folge von absinkendem Druck entstehen Korrosionsformen: • Chemisch: Redoxvorgänge im atomaren Bereich in Anwesenheit eines Elektrolyten; e—Austausch direkt zwischen den beteiligten Reaktionspartnern • elektrochemisch: wie chemisch; in Anwesenheit einer leitenden Elektrolytphase • physikalisch: bei Diffusionsvorgängen entlang von Korngrenzen von Legierungen, die mit Flüssigkeiten in Kontakt sind • elektrolytische: Auflösevorgänge vom Werkstoff, die mit einem großen Elektrolytvolumen in Berührung stehen • atmosphärisch: Sonderfall der elektrolytischen Reaktion; Reaktion von Metallen mit Luftsauerstoff in Gegenwart von H2O-Dampf & hygroskopischen (Flüssigkeitsbindenden) Verunreinigungen Oxidation: chemische Reaktion von Werkstoffoberflächen mit dem Sauerstoff des umgebenden Gases Chemische Beständigkeit hängt ab von: • Thermodynamisch: Je negativer die freie Bindungsenthalpie ∆𝐺0 des Sauerstoffs ist, desto stabiler ist das Oxid & desto unedler ist das Metall gegenüber Sauerstoff • Geometrisch: Platzangebot • Kinetik: Wachstumsgeschwindigkeit hängt von den Diffusionsvorgängen in den Reaktionspartnern ab Reaktionsformel: 𝑛 ∗ 𝑀𝑒 + 𝑚 2 ∗ 𝑂2 → 𝑘 ∗ 𝑀𝑒x𝑂y mit ∆𝐺0 < 0 Pilling-Bedworth- Verhältnis: VR = 𝑽𝑴𝑬𝒙𝑶𝒚 𝑽𝑴𝒆 = 𝑴𝑴𝒆𝒙𝑶𝒚∗𝝆𝑴𝒆𝒙𝑶𝒚 𝒙∗𝑨𝑴𝒆∗𝝆𝑴𝑬𝒙𝑶𝒚 Mit: VR < 1: Oxid ist dichter als Dichte ➔ Ausbildung von nicht Schutzenden Schichten Mit: 1 ≤ VR ≤ 3: gut haftende Oxidschicht, aber nicht notwendigerweise schützend Mit: VR > 3: Oxid braucht mehr Platz als das verbrauchte Metall → Abplatzen Elektrochemische Korrosion: • Kann durch Bildung & Wirkung von Korrosionselementen oder durch eine von äußeren Spannungsquellen erzwungene Elektrolyse verursacht werden • Bestehen aus Anode & Kathode • Anode: Oxidiert (positiv geladene Ionen des Metalls gehen in die Lösung) • Kathode: Reduziert (e- gehen vom Metall in den Elektrolyten • Elektrolyt: enthält bewegliche, elektrisch geladene Teilchen → Elektrisch Leitfähig • Elementspannung: Messbare Spannung zwischen Anode & Kathode, ohne direkte Verbindung beider • Potential: Maß für die Ionisierbarkeit eines Metalls Arten von Korrosionselementen: Mechanismus der elektrochemischen Korrosion kann durch Bildung von Korrosionselementen verursacht werden 1. Elemente mit gleicher Elektrode: ➔ Konzentrationszelle • 2 gleiche Elektroden stehen mit einem Elektrolyten anderer Zusammensetzung in Verbindung • Treibkraft: Unterschiedliche Konzentration von Fe2+-Ionen • bei Anode geringere Konzentration, deswegen gehen hier die Fe2+-Ionen in den Elektrolyten über, dabei Freisetzung von e- an Anode, die zur Kathode fließen • an Kathode scheidet sich Aufgrund von der höheren Fe2+-Konzentration Fe ab → Metallabscheidung 12 • Anode: 𝐹𝑒 → 𝐹𝑒2+ + 2𝑒− Kathode: 𝐹𝑒2+ + 2𝑒− → 𝐹𝑒 • Rotierende Scheibe in Wasser: die höhere Geschwindigkeit am Rand hat niedrigere Men+-Konzentration im Elektrolyten zur Folge und ist deswegen die Anode, wo die Metallionen in die Lösung gehen → Korrosionsangriff am Scheibenrand 2. Sauerstoffzelle: • Funktionsweise vom Tröpfchenmodell → Metallablösung in der Mitte • Reaktion läuft wegen unterschiedlicher Sauerstoffkonzentration ab • Metallablösung tritt immer da auf, wo die geringere Konzentration an Sauerstoffionen ist • Anodische Metallablösung: 𝐹𝑒 → 𝐹𝑒2+ + 2𝑒− Kathodische Sauerstoffreduktion: 𝑂2 + 2𝐻2𝑂 + 4𝑒 − → 4𝑂𝐻− Erscheinungsformen der Korrosion: • Ebenmäßige Korrosion: Werkstoffabtrag annähernd parallel zur Oberfläche • Muldenkorrosion: ungleichmäßiger Flächenabtrag • Lochfraßkorrosion: lokaler Oberflächenangriff; auch pitting genannt • Kontaktkorrosion: tritt in Berührungsflächen zweier Werkstoffe mit unterschiedlichen elektrochemischen Potential in Anwesenheit eines Elektrolyten auf • Interkristalline Korrosion: Entlang von Korngrenzen (meist nicht sichtbar) • Selektive Korrosion: bezeichnet das Herauslösen von bestimmten Gefügebestandteilen • Spannungsrisskorrosion: stark verzweigter Korrosionsverlauf quer durch das Gefüge • Schwingungsrisskorrosion: greift an Anrissen/pits durch überhöhte Spannungen bei schwingender mechanischer Belastung Korrosionsschutz: • Schutzschichten: Schutz vor Elektrolyten • Isolieren: Trennen ungleicher Elektrolyten durch Isolationsschichten • Veränderung des elektrochemischen Potentials: durch Änderung chemischer Zusammensetzungen, aufgezwungene, äußere Ströme, Anbringen unedlerer Metalle • Konstruktiver Schutz • Kathodischer Schutz: Einbringen von Opferanoden (unedlere Metalle zur Auflösung) • Anodischer Schutz: Passivierung • Beschichten: mit organischen, keramischen & metallischen Überzügen bzw. Beschichtungen Eisen-Kohlenstoff-Diagramm: