Werkstofftechnik

• Bindung von Metall und Nichtmetallatomen
• Die Metalle erreichen als elektropositive Elemente einen edelgasähnlichen Zustand durch Abgabe ihrer wenigen Außenelektronen & einer entsprechenden Ionisierung
• Die elektronegativen Nichtmetallatome nehmen diese Elektronen ebenfalls unter einer Ionenbindung auf und besetzen ihre wenigen Außenelektronenplätze
• => Es bilden sich Anionen und Kationen mit starken Anziehungskräften

• hohe Schmelz und Siedetemperatur
• große Härte & Festigkeit
• Sehr hohe Sprödigkeit

• hauptsächlich bei Nichtmetallatomen
• Nichtmetalle bestehen aus Atomen deren Außenschale noch wenige Elektronen zur vollen Besetzung fehlen
• Da die elektronegativen Nichtmetallatome keine Annahme von Elektronen anstreben, kommt es zu einem edelgasähnlichen Zustand, wenn sie bei ihrer Wechselwirkung Elektronenpaare bilden
• --> Elektronen werden von zwei Atoemn (Überlappung) beansprucht

• sehr hohe Schmelztemperatur
• große Härte & Festigkeit
• hohe Sprödigkeit

• Atome metallischer Werkstoffe besitzen weniger als 4 Außenelektronen, die relativ leicht abgegeben werden können
• Geben Metallatome ihre Valenzelektronen ab, so entstehen positive Metallrümpfe & freie Elektronen
• die freien Elektronen besitzen keine Zuordnung mehr, sondern bilden ein Elektronengas
• Das Elektronengas steht in Wechselwirkung mit den entstandenen positiven Atomrümpfen

• hoher Siedepunkt
• plastische Verformbarkeit
• gute thermische und elektrische Leitfähigkeit

• Die zwischenmolekulare Bindung beruht nicht auf dem Austausch von Elektronen (--> sekundäre Bindung)
• Sie wird dadurch verursacht, dass Ladungsschwerpunkte der Elektronenhülle nicht mit dem Mittelpunkt des Atomkerns zusammenfallen
• Der dabei entstandene Dipol ermöglicht eine Bindung mit einem anderen Dipol

• niedriger Schmelz & Siedepunkt
• geringe Festigkeit

n = 8* 1/8 + 1 = 2

Packungsdichte 68%

1/8 = Ecke

1 = Mitte

1/2 = Fläche

n = 8*1/8 + 6*1/2 = 4

Packungsdichte 74%

n = 12*1/6 + 2*1/2 + 3 = 6

Packungsdichte 74%

Veränderung des Kristallgitters

• nulldimensionaler Art: Punktfehler
• eindimensionaler Art: Linienfehler
• zweidimensionaler Art: Flächenfehler
• dreidimensionaler Art: räumliche Fehler

Gitterfehler beeinflussen die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs maßgeblich

• Leerstellen
• Zwischengitteratome (gleiche Atomsorte)
• Substitutionsatome
• Einlagerungsatome (andere Atomsorte)

Versetzungen; Sie entstehen beim Kristallisationsprozess durch Temperatur- und Spannungsgradienten oder mechanische Belastung

• eingeschobene Halbebene
• Burgersvektor: Maß für die Richtung der Gitterverzerrung
• Linienvektor: Begrenzungslinie der eingeschobenen Halbebene
• Burgersvektor & Linienvektor stehen rechtwinklig zueinander
• Scheerspannung entsteht
• -->
• n+1
• n
• <--

• Burgersvektor und Linienvektor stehen parallel zueinander
• Versetzung entlang der Versetzungslinie
• => Vesetzungen sind Träger der plastischen Verformung

• normalerweise viel größere als andere Fehlerarten
• treten in vielen festen Werkstoffen auf
• bspw. Poren, Lunker, Risse, Einschlüsse, Ausscheidungen

• während der Kristallisation bilden sich einzelne Kristallite (Körner), welche wachsen & sich an deren Grenzflächen berühren => Korngrenze > 15°

• das einzelne Korn kann in einzelne Subkörner unterteilt sein, deren Orintierung zueinander <15° sind.
• vesteht aus flächig angeordneten Versetzungen

• unterscheiden sich durch eine Grenzfläche getrennte Gitterbereiche in ihrer chemischen Zusammensetzung oder strukturellen Anordnungihrer Atome
• kohärent => Grenzfläche kann ausgebildet werden
• teilkohärent => Grenzfläche kann ausgebildet werden
• inkohärent => stark unterschiedliche Gitterstrukturen

• durch diese Anordnung werden große Orientierungsunterschiede zweier Gitterbereiche mit geringen Verzerrungen überbrückt, da beide Gitterebenen unter einem Winkel spiegelbildlich zur Zwillingsebene orientiert liegen

• Der Aufbau eines Kristallgitters kommt durch einen festgegebenen Aufbau zustande

• Substanz mit noch überwiegend metallischem Charakter
• besteht aus mindestens 2 Elementen
• ein Element muss zur Ausbildung der metallischen Eigenschaften ein Metall sein

• Temperatur
• Druck
• Konzentration einer Komponente

• beide Komponenten besitzen den gleichen Gittertyp
• Differenz der Atomradien der Komponenten <15°
• Hebelgesetz: Menge einer Phase = Länge des gegenüberliegenden Hebelarms/Konode

im flüssigen & festen Zustand

• vollkommene Löslichkeit im flüssigen, vollkommene Unlöslichkeit im festen Zustand
• im eutektischen Punkt zerfällt die Schmelze in die eutektische Zusammensetzung

vollkommene Löslichkeit im flüssigen, begrenzte Löslichkeit im festen Zustand

• aufgrund geringer Schmelztemperatur Bildung kleiner Keime
• Kristallisation sehr schnell wegen fehlendem Erstarrungsintervall
• A und B-Kristalle behindern sich bei der Erstarrung gegenseitig
• => Gefüge: sehr feinkörnig, mit charakteristischer Ordnung

Atomordnung

• Zugfestigkeit von 100 MPa
• +45MPa Streck- bzw Dehngrenze
• Einlagerung in Zwischengitterplätzen
• => Nur begrenzter Kohlenstoffgehalt im jeweiligen Eisengitter möglich

• im krz alpha+Eisen besitzt die Oktaederlücke eine Größe von 0,038nm; Kohlenstoff besitzt Atomdurchmesser von 0,155nm
• => starke Verzerrung des Atomgitters
• => geringe Löslichkeit (max. 0,02%)

• mit 0,10nm große Oktaederlücke kann deutlich mehr Kohlenstoff gelöst werden
• => max. Löslichkeit von 2,06%

weiches, gut kaltumformbares Gefüge

sehr gut kaltumforbares Gefüge

L=beta+Fe3C

beta=alpha+Fe3C

• vermindert Umformbarkeit
• erhöht Festigkeit
• in günstiger Verteilung erhöht sie den Widerstand gegen Verschleiß

• Eutektoid bei 723°C durch Zerfall von beta-MK mit 0,8% C in Phase
• beta=alphaMK+Fe3C

• Eutektikum bei 1147°C durch Zerfall der Schmelze mit 4,3%C in Phase betaMK+Fe3C
• Schmelze (4,3%C) - -> betaMK(2,06%C).Fe3C(6,67%C)

linear

auf der dichtest gepackten Gitterebene & dichtest gepackten Richtung

Folge der Bewegung der Versetzung

• sehr gute Kaltverformbarkeit
• viele Gleitsysteme und Gleitebenen

• gute Kaltverformbarkeit
• viele Gleitsysteme und Gleitebenen

• schlechte Kaltverformbarkeit
• wenige Gleitsysteme und Gleitebenen

• aufgrund Spannungsfelder behindern sich Versetzungen gegenseitig
• -> kann somit durch Steigerung der Versetzungsdichte geschaffen werden

• ein schwer zu überwindendes Hindernis stellen für die Veraetzungsbewegung Korngrenzen dar. An den Korngrenzen kommt es zu einem Aufstau von Versetzungen

• Fall a) Substitution: Fremdatome im Kristallgitter besitzen eine andere Größe --> Verzerrung des Gitters
• Fall b): Einlagerung: Fremdatome im Kristallgitter besitzen eine andere Bindungskraft --> verändertes Schubmodul
• => durch beide Effekte ergibt sich eine Hinderniswirkung für Versetzungen

• bei ähnlichen Strukturen der Phasen können kohärente oder teilkohärente Grenzflächen gebildet werden
• sonst inkohärente

• liegen kleine kohärente oder teilkohärente Teilchen vor, können diese von Versetzungen geschnitten werden
• --> aufzuwendende Grenzflächenenergie führt zu einer Festigkeitserhöhung, abhängig vom Volumenbruchteil und Teilchenradius

• größere und inkohärente Teilchen werden nicht geschnitten, sondern von Versetzungen umgangen
• --> Orowan-Umgehung: entscheidend für die Hinderniswirkung ist der Abstand zwischen den Teilchen
• => größere Teilchen besitzen eine geringere Hinderniswirkung

je kleiner Teilchenabstand, desto größer die Streckgrenze

Je höher die Energie, desto instabiler ist er

=> thermodynamisches Potenzial

• Konzentrationsausgleich durch atomare Platzwechsel
• => direkter Platztausch
• => Leerstellenmechanismus
• => Zwischengittermechanismus

• Temperatur & Zeit
• Tmin = (0,3-0,4)*Ts

aufgrund der eingebrachten Verzerrungsenergie der Versetzungen wird der Energiegehalt erheblich erhöht

• Umordnung der Gitterdefekte (Erholung)
• Kornneubildung (Rekristallisation)

1. hohe Temperatureinwirkung
2. Diffusion von Zwischengitteratomen in Leerstellen
3. Quergleiten von Schraubenversetzungen--> Möglichkeit zur Annikilation
4. Klettern von Stufenversetzungen--> Klettern in andere Gleitebenen

• 3. und 4. bietet Möglichkeit der Auslöschung

• --> Gefügeneubildung
• wandern von Korngrenzenvon Versetzungsarmen in versetzungsreiche Gebiete --> Bildung neuer, versetzungsarmer Körper --> Entspannung des Gefüges

Tr = 0,4*Ts

unter Kriechen versteht man die zeitabhängige, fortschreitende plastische Verformung bei einer konstanten Belastung

• Aufstau von Versetzungen an Hindernissen
• gegenseitige Behinderung von Versetzungen
• --> Kriechgeschwindigkeit sinkt

• dynamisches GG zwischen verformungsbedingten Verfestigungsvorgängen und thermischbedingter Entfestigungsvorgänge: Versetzungsklettern, Leerstellendiffusion, Korngrengzleiten
• --> konstante Kriechgeschwindigkeit

• ausgeprägte Korngrenzdeformation
• Anhäufung von Leerstellen im Bereich der Korngrenze
• Bildung von Korngrenzrissen und Poren
• Erniedrigung des tragenden Querschnitts
• Ausbildung eines kristallinen Zeitstandsbruchs
• --> Erhöhung der Kriechgeschwindigkeit

• im plastischen Bereich findet eine Versetzungsbewegung statt
• mit zunehmender plastischer Verformung erhöht sich die Versetzungsdichte--> gegenseitige Behinderung der Versetzungen--> für eine weitere plastische Verformung muss die Spannung erhöht werden
• nach dem Überschreiten des Spannungsmaximums schnürt sich die Probe ein--> Kontentration der Probendehnung auf den Bereich der Einschnürung--> Bruch im Bereich der Einschnürung

• oberhalb der Elastizitätsgrenze Abfall der Spannung mit Zunahme der plastischen Dehnung bei näherungsweise gleicher Spannung
• obere und untere Streckgrenze
• nach Überschreiten der Lüdersdehnung Kurvenverlauf analog zu "ohne Streckgrenze"

• Blockieren einer Versetzung durch Fremdatome
• --> Das Auftreten der Streckgrenzen ist auf gelöste Fremdatome, die sich in energetisch günstigeren Orten aufhalten
• --> zum Loslösen der Versetzung aus der Cotrellwolke wird höhere Spannung als zum Gleiten benötigt

• Loslösen der Versetzungen von Fremdatomwolken beginnt in Bereichen lokaler Spannungsüberhöhung
• Aufstau von Versetzungen an Hindernissen --> Spannungsüberhöhung
• Ausbreitung der Verformung in Richtung der maximalen Schubspannung
• Bildung von Lüdersbändern im gesamten Probenvolumen
• danach homogene Verfestigung

• Durch den Beschuss mit Elektronen wird ein Elektron aus einer Schale des Atoms geschlagen
• instabil, entstandene Lücke wird mit einem Elektron eines höheren Orbitals aufgefüllt
• E-Differenz wird in Form eines Röntgenquants frei

• Arbeit die zum Zerbrechen einer Probe aufgebracht werden muss, ist ein Maß für die Zähigkeit des Werkstoffs
• an einer Probe wird Verformungsarbeit bis zum Bruch gemessen
• Temp. varriiert--> Zähigkeit temperaturabhängig

• Prinzip: Wärmebehandlung unter der Ac1 Linie (Anlassen) nach dem Härten --> Entspannen des Martenits --> Vermeidug eines glasharten Zustands

Bei schneller Ablühlung aus dem Austenitgebiet:

• Diffusion von C-Atomen und Eisenatomen nicht möglich
• schlagartiges Umschlagen des Austenit Gitters (kfz) in krz
• Zwangslösung des C´s: Verzerrung des Gitters

• Umwandlungsbeginn Ms & -Ende Mf werden nch unten verschoben
• Absenkung der kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit, da sich C-Atome gegenseitig bei der Diffusionsfähigkeit behindern