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Perfektionierte Werkstoffmechanik Zusammenfassung
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Perfektionierte Zusammenfassung über ein ganzes Jahr Werkstoffmechanik von Prof. Seidenfuß. Für BWL to, erneuerbare Energien und das Maschienenbau Praktikum
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1Zusammenfassung Werkstoffmechanik
1. Atomarer Aufbau kristalliner Stoffe
Atom bestehend aus Protonen (+), Elektronen (-) und Neutronen
Proton und Neutron – Atomkern; Elektronen darum herum auf Bahnen
Eigenschaften metallischer Elemente: metallischer Glanz,
Plastizität und Festigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und gute elektrische
Leitfähigkeit
Leichtmetalle Dichte < 5g/cm2 (Mg, Al); Schwermetalle Dichte >
5g/cm2 (Pb, Zn, Sn) – weitere Einteilung in niedrigschmelzende,
hochschmelzende und höchstschmelzende sowie
Edelmetalle
Bindungen zwischen Atomen bestimmen Verhalten des Elements
(Abstoßende/Anziehende Kräfte)
Elektronenpaarbindungen: Atome bilden zur Auffüllung der äußeren
Schale aus Valenzelektronen gemeinsame Elektronenpaare, welche
positive Atomrümpfe zusammenhalten
Ionenbindung: Atom gibt Valenzelektronen an anderes ab – eines wird
positiv, das andere negativ – Anziehung
Metallbindungen: Atome von Elektronenwolke umgeben, welche
positive Metallionen zusammenhalten
Van der Waals’sche Bindung: Bei unterschiedlichen Mittelpunkten
der positiven und negativen Ladungen eines Atoms – Polarisation. Atom
ist Dipol der anderen Dipol anziehen kann
Fester Körper mit amorpher (regellos; Flüssigkeiten, Glas, Polymere)
oder kristalliner (geordnetes Gitter; Metalle) Struktur
Translationsgitter aus Elementarzellen
Packungsdichte =Volumen Atomkugeln/ Volumen gesamt
, 2
Allotropie (Polymorphie)
Änderung der Atomanordnung bei Erwärmen oder Abkühlen.
Reversibel und bei sehr langsamer Temperaturänderung
Umwandlung des Atomgitters bringt Änderung wichtiger
Eigenschaften mit sich (Volumen, elektrische Leitfähigkeit,
Wärmekapazität)
Kristallographische Ebenen
Festlegung einer Gitterebene oder Richtung – Miller’sche Indizes
Achsenabschnitte ins Verhältnis setzen 1:1:2
Reziprokwert (1/1):(1/1):(1/2)
Hauptnenner aufstellen (2/2):(2/2):(1/2)
Nenner und Verhältnis weglassen (2 2 1)
Plastische Verformung durch Abgleiten von Kristallbereichen parallel zu
Gitterebenen
Gleitebenen haben größte Dichte an Atomen
Gleitrichtungen haben größte Dichte an Atomen
KRZ: 6 GE * 2 GR = 12 GS
KFZ: 4 GE * 3 GR = 12 GS
HDP: 1 GE * 3 GR = 3 GS
Gitterfehler
Idealkristall kommt aufgrund von Fehlern in der Natur nicht vor
Nulldimensionale Fehler (Punktfehler): Leerstellen, Zwischengitteratome und
Substitutionsatome
Fehler verzerren Gitter – Spannungen entstehen – Festigkeit steigt
Entstehen vorallem durch Bestrahlung und Verformung
Eindimensionale Fehler (Linienfehler): Versetzungen entstehen beim
Kristallisationsprozess und unter Wirkung von Schubspannungen
Stufen und Schraubenversetzung
Burgersvektor dient als Maß für Verzerrung. Bei Stufenversetzung steht er
senkrecht auf Versetzungslinie, bei Schraubenversetzung parallel
Stufenversetzung als eingeschobene Halbebene vorstellbar. Liegt sie
oberhalb der GE – positive Versetzung; unterhalb der GE – negative
Oberhalb positiver – Druckspannung; unterhalb – Zugspannung
Bei Anlegen einer Schubspannung wandert
Versetzung weiter
Schraubenversetzung
Zusammenkommen
von Versetzungen
gleiches Vorzeichens
führt zu zunehmenden
elastischen Verzerrungen in der Umgebung
Zusammentreffen zweier Versetzungen mit
unterschiedlichem Vorzeichen – Ergänzung zu kompletter
Gitterebene – Versetzungsannihilation
Unvollständige Versetzungen, wenn sich Überschussleerstellen in Gitterebene ausscheiden
– entstehen von Versetzungsringen die Stapelfehler umrunden
, 3
Zweidimensionale Fehler (Flächenfehler):
Stapelfehler
Störung der Stapelfolge
Antiphasengrenze
Grenzen von Ordnungsbereichen – Entstehen durch Aneinanderstoßen der
Ordnungsbereiche während Kristallisation oder beim Gleiten von Versetzungen
Kleinwinkelkorngrenzen
Aus flächig angeordneten Versetzungen
Großwinkelkorngrenzen
Bereiche zwischen zwei
aneinandergrenzenden Kristallen, Kristalle haben
großen Orientierungsunterschied
Zwillingsgrenzen
Großwinkelkorngrenzen mit regelmäßigem Kristallgitter
Phasen mit gleichen Gitterparametern können durch gegenseitige
Gitterverzerrung ineinander übergehen – kohärent
Bei größeren Unterschieden kann Anpassung nur über Einbau von
Versetzungen erfolgen – teilkohärente Grenzfläche
Bei artfremden Phasen ist die Fläche inkohärent
Grenzflächenenergie nimmt mit zunehmender Inkohärenz zu
Dreidimensionale Fehler (Räumliche Fehler):
Poren, Lunker, Risse, Einschlüsse
Poren und Ausscheidungen können als Ansammlungen von
Leerstellen/Fremdatomen angesehen werden
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