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Zusammenfassung des kompletten Skripts der Vorlesung Werkstofftechnik, 2. Semester WI
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1. Werkstoffstruktur: Die innere Ordnung der WerkstoffeAufbau von Werkstoffen im perfekten Gitter
• Struktureller Aufbau der Werkstoffe bestimmt WS-Eigenschaften und damit die Anwendungsgebiete
• Amorphe Strukturen (Kunststoffe, Glas). Nur Nahordnung, Atome sind regellos angeordnet, kein Gitter!
• Kristalline Strukturen (Metalle und Diamanten). Nahordnung und Fernordnung. Atome sind 3-dimensional periodisch
angeordnet => Kristallgitter!
• Elementarzelle (Kleinste Baueinheit eines Kristallgitters). Enthält alle Informationen zum Aufbau des Raumgitters
(Gitterparameter a,b,c und Achsenwinkel α, β, γ):
• Raumgitter: Entsteht durch 3-dimensional
periodisches Aneinanderreihen von
Elementarzellen
• Kristallgittertypen kfz, krz, hdp:
->Gitter mit großen Kräften, stark
verformbar
-> Gitter mit kleinen Kräften, sehr stark
verformbar
-> Gitter kaum plastisch verformbar
• Packungsdichte PD:
• Nur für Metalle mit höchstmöglicher PD (74% = 0,74) ist Stapelfolge definiert -> kfz: ABCABC; hdp: ABAB
-> unterschiedliche Stapelfolge:
• Normalerweise haben Metalle nur eine Gitterstruktur (fester Zustand). -> Magnesium immer hdp-Struktur
Aber: Manche Metalle polymorph: (Eisen, Stahl, Titan, Kobalt, Zirkon):
-> Bei verschiedenen Temperaturen verschiedene Gitterstrukturen (Nachweis mit Dilatometerkurve)
=> Spielt in Praxis wichtige Rolle: Legierung aus Eisen und Kohlenstoff wegen Gitterumwandlung krz ↔kfz
, -> Wegen Gitterumwandlung ändert sich auch Packungsdichte (Volumenänderung) Entscheidend für viele Prozesse
(Wärmebehandlung)
• Wichtige Kennzeichen der Kristallgittertypen:
o Zahl ihrer Gleitsysteme (GS = Kombination aus Gleitebene und zugehörige Gleitrichtung)
o Packungsdichte (PD)
-> Hohe PD: Geringe Kräfte zur plastischen Verformung => Dicht mit Atomen besetzte Ebenen: Gleitebenen
Einfluss der PD auf die plastische Verformbarkeit:
• Gleitebenen bewegen sich energetisch günstig in Gleichrichtungen durch „Täler“ (größter PD der Atome)
-> Viele Gleitsysteme = viele Gleitmöglichkeiten => gute plastische Verformbarkeit
Spezifische Eigenschaften der 3 wichtigsten Metallgittertypen:
,Richtungsabhängigkeit von Werkstoffeigenschaften:
• Elementarzellen (deshalb auch Gitter) zeigen in Abhängigkeit der betrachteten Richtung versch. Abstände zwischen
Atomen => richtungsabhängige Eigenschaften
o Je geringer Atomabstand in einer Richtung, desto größer ist E-Modul für diese Richtung
o Dehn-/Streckgrenze, Zugfestigkeit, plastische Verformbarkeit (Bruchdehnung) hängt auch von Richtung ab
• Jeder Kristall hat für sich betrachtet eine Vorzugsrichtung
(Pfeil), jedoch statisch verteilt
• Deshalb nach außen keine Vorzugsrichtung (Nach außen ist Kristall isotrop)
• Jeder Kristall hat Vorzugsrichtung -> alle in ähnliche Richtungen orientiert
• Deshalb nach außen Vorzugsrichtung (Nach außen ist Kristall anisotrop)
• Keine Korngrenzen und insgesamt nur 1 Vorzugsrichtung
• Deshalb nach außen Vorzugrichtung (Nach außen ist Kristall anisotrop)
-> Aus Schmelze entstehen meist polykristalline Metalle
• Texturen entstehen durch Plastische Verformung (Kaltwalzen von Blechen) oder gerichtete Erstarrung von Metallen
• Erwünschte Texturen: Klaviersaiten, Nägeln
• Unerwünschte Texturen: In Umformtechnik (Tiefziehen von Blechen,…)
Das reale Gitter (mit Gitterfehlern):
• Reale Kristallgitter sind räumlich begrenzt, zeigen Gitterfehler:
• Punktförmige Gitterfehler = 0 – dimensional = Punktfehler
• Linienförmige Gitterfehler = 1 – dimensional = Linienfehler
• Flächenförmige Gitterfehler = 2 – dimensional = Flächenfehler
• Volumenförmige Gitterfehler = 3 – dimensional = Volumenfehler
• Gitterfehler im Grundgitter (Wirtsgitter) vorteilhaft! Erzeugen/Verändern/Reduzieren der Gitterfehler kann WS-
Eigenschaften verändern
Punktförmige Gitterfehler (0-dimensional):
-> Leerstellen oder Fremdatome (Einlagerungs-/Austauschatome):
o Erzeugen im Wirtsgitter lokale Zugspannungen (Leerstellen und kleine Substitutionsatome) bzw.
Druckspannungen (Einlagerungsatome und große Substitutionsatome)
• Bei hoher Temperatur: Leerstellen, Fremdatome, gittereigene Atome gut bewegbar (Diffusion)
• Punktfehler sehr klein!
, Leerstellen und Fremdatome:
• Lokal von mechanischem Spannungsfeld umgeben
• Können sich bewegen (Diffusion)
Fremdatome:
• Eingelagert ins Wirtslager
• Wichtig für Legierungen
• Beeinflussen WS-Eigenschaften
• Leerstellen:
o Immer in Metallen vorhanden
o Änderung Temperatur ändert Zahl der Leerstellen -> Bei Erwärmung steigt Zahl exponentiell an (reversibel):
▪ Raumtemperatur: 1 Leerstelle bei 1012 Gitterplätzen
▪ Unter Schmelzpunkt TS ist 1 Leerstelle bei 104 Gitterplätzen
o Sehr wichtig für Diffusion (Wanderung von Atomen) im WS
o Entstehen auch bei plastischer Verformung
• Fremdatome:
o Wichtig für technische Legierungen
o Werden beim Legieren oder Diffusion im Zsmhang mit Randschichthärten von Bauteilen bewusst
hinzugegeben
o Teilweise unerwünscht: Treten in großen Mengen als Begleitelemente bei Metall-
erzeugung auf -> Müssen teilweise entfernt werden
o 2 Arten:
1. Austauschatome (=Substitutionsatome)
▪ Sitzen auf regulären Gitterplätzen
=> Führt zu Austauschmischkristall / Substitutionsmischkristall: _____________
2. Einlagerungsatome (=Zwischengitteratome = interstitielle Atome)
▪ Liegen zwischen Gitterplätzen im Wirtsgitter
=> Führt zu Einlagerungsmischkristall:
Linienförmige Gitterfehler (1-dimensional):
- 2 Arten: Stufenversetzungen und Schraubenversetzungen
o Versetzungen wichtig für plastische Verformung => Viele Versetzungen im WSwandern
-> Erzeugen im Bereich ihrer Versetzungslinie mechanische Spannungen
o Können nicht im perfekten Kristallgitter enden
o Versetzungslinien-Dicke nur 1 Atomdurchmesser -> Im Lichtmikroskop nicht sichtbar
- Woher kommen Versetzungen in der Praxis?
o Erstarren metallischer Schmelzen
o Plastischer Verformung von Metallen
o Härten von Stahl
- Stufenversetzungen:
o Halbe Gitterebene in perfekten Kristall „eingeschoben“ -> Stufenversetzung entsteht
o Halbebene erzeugt im Bereich der Versetzungslinie Druck- und Zugspannungen
o Versetzungstyp wird mit ┴[+] / ┬[-] gekennzeichnet
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