WFT 1 - Struktur und Eigenschaften von Werkstoffen Flashcards

Question

WFT 1: Struktur und Eigenschaften der Werkstoffe **Ergänzungsfrage 2.04b** **^{________________________________________________________}** Was wird unter Stapelfehlerenergie verstanden?

Answer 1

Die Energie, die zur Erzeugung des Stapelfehlers notwendig ist, wird als **Stapelfehlerenergie** bezeichnet. * **Eine niedrige Stapelfehlerenergie bewirkt einen breiten Stapelfehler.** **Breite Stapelfehler erschweren die Versetzungsbewegung** und damit die plastische Verformung.

Answer 2

Kristalline Stoffe bestehen aus einer Vielzahl von Kristalliten bzw. Körnern. **Die Grenzflächen zwischen den Körnern sind die Korngrenzen**. An einer Korngrenze stoßen **Körner gleicher Phase**, aber **unterschiedlicher Orientierung** zusammen. _**Je nach Größe der Orientierungsunterschiede** der benachbarten Körner unterscheidet man **Groß- und Kleinwinkelkorngrenzen**_ * **Großwinkelkorngrenzen** zeigen sich durch hohe Leerstellenkonzentrationen mit flüssigkeitsähnlicher Struktur und Inseln mit unterschiedlich gut angepassten Gitterblöcken. Sie können durch metallografische Schliffe im Bruchbild sichtbar gemacht werden (B2.5). * **Zwillingsgrenzen** als Sonderform der Großwinkelkorngrenzen: Sie ist die **Spiegelebene von zwei zu einem Zwillingskristall gehörenden Gitterbereichen** (Abb. 2.17). Die **Gitterblöcke** sind an der Zwillingsgrenze **völlig zusammenhängend, d. h. kohärent**. Im Schliffbild sind sie durch **zwei parallele Linien**, meist als Geraden, im Korn zu erkennen. bevorzugt treten sie bei Cu, Messing und in austenitischem Stahl (s. SB 4: Kap. 1) auf. * **Kleinwinkelkorngrenzen** trennen Gitterblöcke mit einem geringen Orientierungsunterschied von wenigen Bogenminuten. Der Ausgleich zwischen den Gitterblöcken erfolgt durch Versetzungen. * Den **schematischen Aufbau** einer derartigen Kleinwinkelkorngrenze zeigt **Abb. 2.16** (s. auch B2.6). * Kleinwinkelkorngrenzen treten innerhalb von Kristalliten auf und werden deshalb auch als Subkorngrenzen bezeichnet. Sie bilden die Substruktur. * Die **Größe** der von Kleinwinkelkorngrenzen eingeschlossenen Bereiche beträgt etwa 0,1 – 10 µm. * **Mit zunehmendem Orientierungsunterschied wird die Dichte der Versetzungen in den Kleinwinkelkorngrenzen immer größer,** **Großwinkelkorngrenten können über ein derartiges Versetzungsmodell nicht ausgeglichen werden. Damit unterscheiden sich Großwinkelkorngrenzen von Kleinwinkelkorngrenzen durch ihren Aufbau.**

Answer 3

* Bislang wurden bei den Korngrenzen die Grenzen zwischen Körnern mit gleicher Phase betrachtet. Bei einer **Phasengrenzfläche** stoßen hingegen verschiedene Phasen aneinander. Diese Phasen können zudem eine unterschiedliche Struktur aufweisen. Als Phasengrenze sei in Abb. 2.18 eine Grenzfläche zwischen einem Teilchen und der dieses Teilchen umgebenden Matrix angenommen. * Die Phasengrenzflächen können * kohärent, * teilkohärent (semikohörent) und * inkohärent (nichtkohärent) sein.

Answer 4

inkohärente Phasengrenzflächen mit hoher Grenzflächenenergie Inkohärent eingefügte Gruppierungen von Fremdatomen haben keine Bindungen zur umgebenden Kristallstruktur. Die ungebundenen Phasengrenzflächen kosten Energie und sind nicht so fest. Benachbarten Phasen bzw. Kristallbereiche * weisen eine voneinander abweichende Gitterstruktur auf * weisen keinen Orientierungszusammenhang auf Um die Festigkeit zu steigern, sollen eingelagerte Phasen im Gitter möglichst kohärente, ggf. teilkohärente Grenzflächen zum Wirtsgitter ausbilden. * Durch die damit verbundenen Verzerrungen wird das Gleiten von Netzebenen erschwert. * Dieser Mechanismus wird z. B. zur Festigkeitserhöhung von Al-Legierungen genutzt (s. auch SB 2, Kap. 5.1).

Answer 5

Benachbarte Phasen mit gleicher Gitterstruktur und -orientierung müssen durch immer größer werdende Unterschiede der Gitterparameter der Phasengrenz-fläche Verzerrungen an ihrer Grenzfläche durch den Einbau von Versetzungen abbauen. Es liegen dann teilkohärente Phasengrenzflächen vor. Derartige Grenzflächen bestehen aus kohärenten Bezirken mit dazwischenlie- genden Gitterfehlern in Form von Versetzungen. teilkohärente Phasengrenzflächen mit mittlerer Grenzflächenenergie Bei semikohärent eigenbundenen Grenzflächen existieren einige Bindungen zwischen den Phasen, aber nicht alle Grenzflächenatome haben Bindungen in die andere Phase.

Answer 6

Kohärente Phasengrenzflächen bilden sich, wenn die Kristallstruktur und die Gitterparameter der an der Grenzfläche zusammenstoßenden Phasen etwa gleich sind. Bei geringfügigen Unterschieden der Gitterparameter treten Verzerrungen auf. kohärente Phasengrenzflächen mit einer kleinen Grenzflächenenergie Kohärent bedeutet, dass sich die Fremdatome in die umgebende Kristallstruktur eingliedern und Bindungen mit ihr eingehen. Wenn Fremdatome einen anderen Atomradius besitzen, führt dass zu Spannungen im Material.

Answer 7

Versetzungen sind eindimensionale Gitterfehler verursacht durch Fremdatome Versetzungen sind mit Verzerrungen des Gitters verbunden (s. B2.3). In unmittel- barer Umgebung der Versetzung kann die Spannungsverteilung nicht durch die übliche Kontinuumsmechanik beschrieben werden, da die Spannungen in der Versetzungslinie selbst unendlich groß werden würden. Durch die starke Verzerrung in der Umgebung der Versetzungslinie siedeln sich dort bevorzugt Fremdatome an. Versetzungen entstehen schon beim Kristallisationsprozess durch die mit den Temperaturgradienten verbundenen Spannungsgradienten. Durch den Einbau von Versetzungen werden diese Spannungen im Gitter abgeschwächt. Versetzungen spielen die entscheidende Rolle bei der plastischen Verformung, da diese auf das Wandern von Versetzungen zurückgeführt wird (s. SB 2: Kap. 5.1). Sie haben eine linienförmige Ausdehnung und treten in den zwei Grenzfällen auf: * **_Stufenversetzung_** oder * Eine Stufenversetzung kann als eingeschobene oder herausgenommene halbe Netzebene angesehen werden. Einer Schicht von n-Atomen stehen folglich (n + 1) bzw. (n – 1) Atome gegenüber. Die maximale Gitterstörung tritt am Ende der Halbebene auf. In Abb. 2.13 ist eine Stufenversetzung im Schnitt der Zeichenebene dargestellt. Tatsächlich setzt sich die Versetzung in einer Linie fort, die senkrecht zur Zeichenebene verläuft, die Versetzungslinie s. Versetzungslinien sind stets geschlossen oder verlaufen von einer Grenzfläche zur anderen. Sie enden nicht frei im Kristall. Man kann den Typ der Versetzung auch durch einen BURGERS-Vektor b charakterisieren, den man durch den Umlauf um die Versetzungslinie entlang der Gittergeraden mit gleich vielen Schritten (Atomabständen) erhält. Da Ausgangs- und Ankunftsort nicht gleich sind, kennzeichnet b den Ausgleich zwischen diesen beiden Orten. Bei einer Stufenversetzung steht b senkrecht zu s. * **_Schraubenversetzungen_** (Abb. 2.13). * Eine Schraubenversetzung wird schematisch als Netzebene in Form einer Schraubenfläche dargestellt, die schraubenförmig um die Versetzungslinie herum angeordnet ist. Ihre Entstehung kann man sich so vorstellen, als wäre der Kristall auf einer Seite der Versetzungslinie um einen Atomabstand parallel zur Versetzungslinie abgeschert worden. Für eine Schraubenversetzung ist typisch, dass der BURGERS-Vektor parallel zur Versetzungslinie liegt. Reale Versetzungen enthalten Anteile von Stufen- und Schraubenversetzungen und lassen sich, je nach Lage des BURGERS-Vektors, in die beiden Grenztypen vektoriell aufspalten. **Die Versetzungsdichte beträgt in unverformten Metallen 107 / cm2. Trotzdem ist das Verhältnis von Versetzung zu Atomzahl relativ gering (1 : 108).**

Answer 8

**_flächenhafte Gitterfehler:_** * **Stapelfehler** * **Korngrenzen**. * Großwinkelkorngrenzen * Zwillingskorngrenzen * Kleinwinkelkorngrenzen

Answer 9

Ein dreidimensionales Gitter entsteht durch drei nicht zusammenfallende Verschiebungsrichtungen mit jeweils den Beträgen a, b und c in diesen Richtungen. Diese Beträge werden als **Gitterparameter** bezeichnet (Abb. 2.7). Zur vollständigen Beschreibung des Kristallgitters genügt die Angabe der **Elementarzelle als kleinste Volumeneinheit.** Diese ist in Abb. 2.4 als Quader mit den Kantenlängen a, b und c zu erkennen. **Durch identische Wiederholung der Elementarzelle in den drei Raumrichtungen wird der ganze Kristall aufgebaut.** **_Man bezeichnet einen solchen Kristall mit regelmäßigen Grenzflächen auch als Einkristall._**

Answer 10

**_Großwinkelkorngrenzen werden meist als_** * hohe Leerstellenkonzentrationen mit * einer flüssigkeitsähnlichen Struktur und * Inseln mit unterschiedlich gut angepassten Gitterblöcken angenommen. **_Kleinwinkelkorngrenzen_** * trennen Gitterblöcke mit * einem Orientierungsunterschied von wenigen Bogenminuten und * sind aus Versetzungen aufgebaut.

Answer 11

Über die Gitterfehler lässt sich nunmehr auch das Gefüge definieren. Gefüge werden durch **Korn- und Phasengrenzen charakterisiert**, da sie die Gefügebestandteile voneinander trennen und somit schließlich deren * Größe, * Art, * Form, * Verteilung sowie * Orientierung bestimmen. Die **_Metallografie_** beschreibt das Gefüge der Metalle. Die **_Plastografie_** beschreibt das Gefüge der Kunststoffe. Die **_Keramografie_** beschreibt das Gefüge fer Keramikwerkstoffe. Die Gefügebestandteile (Kristallite bzw. Körner, amorphe Bereiche, Füllstoffe) sind durch Gefügegrenzen voneinander getrennt: * klein- und * Großwinkelkorngrenzen swie * Phasengrenzen

Answer 12

a) Ionenbindung am Beispiel NaCl oder heteropolare Bindung (von Elementen mit ausgeprägt metallischen und nichtmetallischen Eigenschaften). sog. primäre Bindungen Die Ionenbindung tritt meist nur zwischen 1 bis 3fach ionisierten Atomen auf. Allen Bindungen ist das Streben nach Erreichen abgesättigter äußerer Elektronen schalen, d. h. nach einer Edelgaskonfiguration (mit 8 Elektronen) auf der äußersten besetzten Elektronenschale, gemeinsam. Bei der Ionenbindung geben die Atome entweder Elektronen ab oder nehmen Elektronen auf um die Edelgaskonfiguration (8 Elektronen auf der äußersten besetzten Elektronenschale) zu erreichen. Die äußeren Elektronen eines Atoms, die abgegeben werden können, bezeichnet man als Valenzelektronen, weil sie die Wertigkeit (Valenz) eines Elementes bestimmen. Die Anziehungskraft zwischen den entstandenen Kationen und Anionen beruht auf deren entgegengesetzt elektrischer Ladung und wirkt in alle Raumrichtungen. Aufgrund der ungerichteten Anziehungskräfte zwischen entgegengesetzt geladenen Teilchen handelt es sich bei dieser Bindung um eine starke Bindung. Diese ungerichtete Wirkungsweise führt dazu, dass sich sowohl die Na+-Ionen als auch die Cl–-Ionen mit jeweils sechs Ionen der entgegengesetzten Ladung in einer oktaedrischen Anordnung umgeben (Abb. 2.2). Es bilden sich somit keine Ionenpaare (Na+Cl–) sondern eine Kristallstruktur mit einer regelmäßigen dreidimensionalen Struktur (Abb. 2.2 Kristallgitter von NaCl). Infolge der festen Bindung der Elektronen an den Atomkern zeichnen sich Werk- stoffe mit dieser Bindung durch eine niedrige elektrische und Wärmeleitfähigkeit im festen Zustand aus. Dieser Bindungstyp herrscht bei keramischen Werkstoffen in Form von Oxiden wie Al2O3 vor. Deshalb ist auch bei der Al-Herstellung aus dem oxidischen Mineral eine hohe Energie nötig (s. Abschn. 1.3)

Answer 13

b) Kovalente Bindung am Beispiel von Chlor oder homöopolare Bindung bzw. Atombindung (Verknüpfungen von Atomen mit nichtmetallischen Eigenschaften) sog. primäre Bindungen Bei der kovalenten Bindung (oder Atombindung) handelt es sich um eine starke chemische Bindung die aufgrund der geometrischen Anordnung der Elektronenpaare streng gerichtet ist. Allen Bindungen ist das Streben nach Erreichen abgesättigter äußerer Elektronenschalen, d. h. nach einer Edelgaskonfiguration (mit 8 Elektronen) auf der äußersten besetzten Elektronenschale, gemeinsam. Das Streben nach einer abgeschlossenen äußeren Schale wird bei der kovalenten Bindung dadurch realisiert, dass mehrere Atome Elektronen gemeinsam nutzen. Hierbei kommt es zu einer Elektronenpaarbildung. Wenn zwei Cl-Atome mit je 7 Elektronen auf der äußeren Schale ein Elektronen- paar gemeinsam nutzen, so teilen sich zwei Cl-Atome zwei Elektronen, d. h. ein Elektronenpaar. Die beiden Elektronen, die das Elektronenpaar bilden, haben die gleiche Aufenthaltswahrscheinlichkeit bei beiden Atomen. Die Atome bleiben neutral, da insgesamt 14 Elektronen auf zwei Cl-Atome verteilt sind und somit im Mittel für jedes Chlor-Atom 7 Elektronen vorhanden sind. Dieser Sachverhalt ist eingehend in Abb. 2.4 dargestellt. **Stoffe mit kovalenter B****indung zeichnen sich infolge der hohen Bindungskräfte durch folgende Eigenschaften aus:** * hoher Schmelzpunkt * geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient * hohe Festigkeit * elektrischer Isolator oder Halbleiter * hohe Härte * chemisch beständig * hoher Elastizitätsmodul Die schlechte elektrische und Wärmeleitfähigkeit ist durch die Fixierung der Elekt- ronen in der Paarbindung bedingt. Dieser Bindungstyp tritt auch bei Hochpolymeren in den langen Ketten und Fa- denmolekülen als Bindung der C-Atome untereinander auf (s. SB 5, Kap. 1). Die Bindung herrscht vor bei keramischen Werkstoffen wie Nitriden 11, z. B. BN (Bornitrid) und Karbiden, wozu u. a. SiC (Siliziumkarbid) gehört (s. SB 5, Kap. 3).

Answer 14

c) Metallische Bindung am Beispiel von Natrium (Verknüpfungen von Atomen mit metallischen Eigenschaften) sog. primäre Bindungen Allen Bindungen ist das Streben nach Erreichen abgesättigter äußerer Elektronen schalen, d. h. nach einer Edelgaskonfiguration (mit 8 Elektronen) auf der äußersten besetzten Elektronenschale, gemeinsam. Für Stoffe, bei denen die Valenzelektronenzahl für eine kovalente Bindung nicht ausreicht und für eine Ionenbindung keine elektrostatischen Ladungen der Ionen entgegengesetzten Vorzeichens vorliegen, ist eine Wechselwirkung durch den gemeinsamen Einsatz aller Valenzelektronen, ihrem Aufenthalt in einer Elektronenwolke, dem sog. Elektronengas möglich. Auch hier tritt wieder das Streben nach einen stabilen Zustand, der sog. Edelgas- konfiguration auf. Die Valenzelektronen sind aber nicht mehr einem bestimmten Atom zuzuordnen, sie haben den Zusammenhang mit den einzelnen Atomrümpfen verloren. Man spricht deshalb von freien Elektronen, und weil sie die Beweglich- keit eines Gases haben, auch von dem besagten Elektronengas. Die Atome werden durch die Abgabe der Valenzelektronen zu positiv geladenen Atomrümpfen. Die Elektronen sind nicht gleichmäßig verteilt, die Dichteunterschiede dieser Verteilung werden durch die Wertigkeit und den Gitteraufbau bestimmt (s. Abb. 2.1 c). Die metallische Bindung ist i. Allg. schwächer als die Ionenbindung oder die kova- lente Bindung und variiert in einem weiten Bereich. Hochtemperaturwerkstoffe besitzen deshalb keine überwiegende metallische Bindung. Da diese Bindung nicht durch stöchiometrische Verhältnisse realisiert wird, ergibt sich eine große Mannigfaltigkeit der Legierungsbildung. **_Aus metallischen Bindung resultieren folgende Eigenschaften:_** * Gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit durch die hohe Beweglichkeit derfreien Elektronen, * Verdampfen der Elektronen aus der Metalloberfläche bei hohen Temperaturen (Glühemissionseffekt), * Tendenz zur Bildung dichtester Kugelpackungen der Atomrümpfe, da es sich um eine ungerichtete Bindung handelt, welches die Voraussetzung für die gute plastische Verformbarkeit der Metalle darstellt.

Answer 15

c) d) Dipolbildung bei der Restvalenzbindung Restvalenzbindung oder Nebenvalenzbindung bzw. Van der Waals’sche Bin- dung (schwache, ungerichtete Anziehungskräfte zwischen Dipolen, die zwi- schen allen Atomen, Ionen und Molekülen vorkommen). Allen Bindungen ist das Streben nach Erreichen abgesättigter äußerer Elektronen schalen, d. h. nach einer Edelgaskonfiguration (mit 8 Elektronen) auf der äußersten besetzten Elektronenschale, gemeinsam. die schwächste Bindungsart (etwa zwei Größenordnungen kleiner als die primären Bindungen) und wird deshalb auch als sekundäre Bindung bezeichnet. Die Bindung wird i. Allg. durch die magnetische Wechselwirkung zwischen Dipolen bewirkt. Eine Dipolbildung zeigt Abb. 2.l d). Der Dipol wird durch die Wirkung des positiv geladenen Kerns des einen Atoms auf das negativ geladene Elektron des Nachbaratoms gebildet. Dieser Bindungstyp tritt bei Edelgasen, die sich im festen Zustand befinden, auf. Diese Bindung ist auch für die Bildung der Molekülketten der Hochpolymere un- tereinander verantwortlich, woraus die stark unterschiedliche Festigkeit in Längs- und Querrichtung bei faserförmigen Hochpolymeren resultiert. Schon bei relativ geringer Temperaturerhöhung wird diese schwache Bindung während des Wirkens einer äußeren mechanischen Spannung überwunden. Daraus resultiert die gute Verformbarkeit der Hochpolymere mit Molekülfadenaufbau schon bei relativ geringer thermischer Beanspruchung (s. SB 5, Kap. 1). **_Durch die relativ niedrigen Bindungskräfte der Restvalenzbindung zeichnen sich Werkstoffe, durch folgende Eigenschaften aus:_** * niedriger Schmelzpunkt * niedrige Festigkeit * kleiner Elastizitätsmodul * großer thermischer Ausdehnungskoeffizient.

Answer 16

Die Gefügeausbildung beim Erstarren der Schmelze wird durch die Anzahl der in der Schmelze gebildeten Keime beeinflusst. * Bei einer hohen Keimzahl infolge schneller Abkühlung bzw. Vorhandensein von Fremdkeimen (Verunreinigungen) wird ein feinkörniges Gefüge mit guten mechanischen Eigenschaften erzielt. Deshalb erfolgt der Abguss dicht vor derErstarrungstemperatur. Weiterhin soll das Gussstück im Vergleich zum Volumen eine große Oberfläche aufweisen, um eine hohe Abkühlgeschwindigkeit zu erzielen.

Answer 17

* der intermolekularen bzw. interatomaren Energie, * der potenziellen Wechselwirkungsenergie zwischen den Bausteinen, * der kinetischen Energie der Bausteine (Schwingung, Translation oder Rotation) Mit zunehmender Temperatur des Werkstoffs nimmt die kinetische Energie im Verhältnis zu den anderen Energieanteilen stärker zu. 1. Kristalline Stoffe, die aus einer einzelnen Komponente bestehen, weisen einen Schmelzpunkt auf. Beim Übergang in den flüssigen Zustand, d. h. beim Schmelzen, **nimmt der Stoff Energie als Schmelzwärme auf, ohne dass sich die Temperatur ändert.** 2. **Oberhalb der Schmelztemperatur** ist die **Anordnung der Gitterbausteine** im Gitter **nicht mehr stabil.** Das Gitter bricht zusammen, es entsteht eine Flüssigkeit. In diesem Zustand treten kräftige thermische Schwingungen der Bausteine auf, sodass starke Platzwechselvorgänge zu verzeichnen sind. Dadurch ist eine Gitterordnung nicht mehr möglich. Infolge der starken Fehlordnungen im flüssigen Zustand ist der * Übergang fest / flüssig mit einer Volumenzunahme verbunden. * Umgekehrt tritt wegen der Verringerung der Fehlordnungen beim Übergang flüssig / fest eine Volumenkontraktion auf.

Answer 18

Die Stoffe streben unter gegebenen Bedingungen, z. B. bei bestimmter Temperatur, einen Endzustand an. Dieser Endzustand ist als thermodynamisches Gleichgewicht gekennzeichnet. **Im thermodynamischen Gleichgewicht befindet sich der Stoff in einem bestimmten, mechanischen, thermischen und chemischen Zustand.** Die Eigenschaften * Druck, * Temperatur, * Volumen und * Konzentration ändern sich dabei nicht mit der Zeit. Ein Gleichgewichtszustand ist gekennzeichnet durch ein Energieminimum. Das thermodynamische Gleichgewicht ist definiert als Minimum der Freien Enthalpie G.

Answer 19

* Gläser und * Hochpolymere, * gehärteter Stahl und durch * kohärente oder teilkohärente Ausscheidungen verfestigte Al-Legierungen.

Answer 20

* Bei der Unterkühlung sehr reiner Stoffe und unbewegter Schmelze sinkt dieTemperatur ein wenig unter den Erstarrungspunkt ab, bevor es zur Keimbil-dung kommt. * **Diese Unterschreitung des Schmelzpunktes wird Unterkühlung genannt.** * Die Anzahl der Keime nimmt mit wachsender Unterkühlung zu. * Mit zunehmender Unterkühlung nimmt der kritische Keimradius ab. * Die Zahl der pro Zeiteinheit in einem Einheitsvolumen Schmelze gebildeten Keime, die sog. Keimbildungshäufigkeit bzw. Keimzahl, nimmt mit wach- sender Unterkühlung zu. * Die gebildeten Keime lagern weitere Atome an und wachsen in die Schmelze hinein, bis sie aneinanderstoßen und an diesen Stellen des Zusammentreffens Korngrenzen bilden (s. nochmals Abb. 2.15).

Answer 21

* Wenn nur **ein einziger arteigener Keim in die Schmelze hineinwächst**, ohne auf ein Hindernis zu stoßen, entsteht ein **Einkristall**. * Um dies zu erreichen wird ein arteigener Keim in die Schmelze gebracht, der mit der Kristallwachstumsgeschwindigkeit aus der Schmelze gezogen wird. * Wird dieser Kristallkeim mit einer **bestimmten kristallografischen Orientierung** auf die Schmelze gebracht, so wächst der Einkristall in dieser kristallografischen Vorzugsrichtung. * Das nutzt die Halbleiterindustrie, da **bestimmte elektrische Eigenschaften** in bestimmten kristallografischen Richtungen besonders ausgeprägt sind (B3.2)

Answer 22

Solche typischen Fehler sind z. B. * **Lunker**. Hierbei handelt es sich um **Schwindungshohlräume**. Sie bilden sich im Kopf eines Gussblocks. In einem Gussstück werden sie durch Aufbringen eines Steigers minimiert. Bei Gussblöcken tritt die Lunkerausbildung in den Hintergrund, da statt des Blockgusses heute ein Strangguss, d. h. ein kontinuierliches Gießen mit Abschneiden der gewünschten Blocklänge ohne Ausbildung eines Lunkers, erfolgt. * **Gasblasen**, als ein weiterer Fehler, entstehen durch **Verringerung der Löslichkeit von Gasen in der Schmelze mit Verringerung der Temperatur bzw. bei der Erstarrung**. Durch Vakuumguss werden die Gasblasen ausgetrieben. Risse entstehen durch ungleichmäßige Abkühlung in verschiedenen Gussteilquerschnitten nach der Erstarrung. Um diese Schwindungsunterschiede gering zu halten, sollen die aneinander-grenzenden Wanddicken etwa gleich sein bzw. der Übergang der Wanddicken muss kontinuierlich durch Abrundung bzw. Keilform erfolgen. * **Seigerungen** sind **Entmischungen**. Zur Seigerung über den Blockquer-schnitt neigen vor allem die Stahlbegleiter P und S, wobei infolge der Herstellung des Stahls aus dem Roheisen **relativ viel Schwefel** vorhanden sein kann. Moderne metallurgische Verfahren sehen eine Reduzierung des Schwefels z. B. durch Tiefentschwefelung vor.

Answer 23

* Bei einer **homogenen Keimbildung** bewegt sich der Keim frei in der Schmelze, was sich vor allem unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit gut realisieren lässt. * Bei allen technischen Erstarrungsprozessen tritt praktisch eine heterogene Keimbildung auf. Hier liegen Grenzflächen vor, an die sich die Keime anlagern. * Diese Grenzflächen können die Wand einer Gussform oder bereits bei der Abkühlung aus der Schmelze ausgeschiedene Verunreinigungen sein. * Derartige Verunreinigungen haben meistens einen höheren Schmelzpunkt, sodass sie in der Schmelze als feste Teilchen vorliegen. * Diese Teilchen werden als Fremdkeime bezeichnet. * Bei der Anlagerung an eine Formwand bzw. einen Fremdkeim braucht ein angelagerter Keim ggf. nur die halbe Oberfläche zu bilden.

Answer 24

Wird beim Abkühlen der Schmelze der Gleichgewichtszustand erreicht, bilden sich kleine Bereiche, in denen sich die Atome zu einem m Gitter ordnen. **Diese ersten Anfänge des kristallinen Zustandes nennt man Keime** (vgl. Seidel, Hahn 2014). Durch das vom Keim eingenommene Volumen wird ein Energiebetrag ∆GV frei. Der sich bildende Keim ist jedoch durch eine Grenzfläche von der flüssigen Phase getrennt, sodass eine Energie ∆G_Gzum Aufbau der Grenzfläche benötigt wird. Damit setzt sich die Änderung der Freien Enthalpie bei der Keimbildung aus zwei Komponenten zusammen, * dem **Volumenterm** ∆G_V und * dem **Grenzflächenterm** ∆G_G Infolge des Wechselspiels von Energieverbrauch und Energiefreisetzung bei der Keimbildung kann ein Keim bei der Entstehung nicht beliebig klein sein. Er muss eine kritische Größe besitzen, damit überhaupt erst eine Grenzfläche gebildet werden kann. Ein Keim dieser kritischen Größe hat den kritischen Keimradius r_K. Keime sind somit erst ab r \> r_K stabil. Mit zunehmender Unterkühlung nimmt der kritische Keimradius ab. Die Zahl der pro Zeiteinheit in einem Einheitsvolumen Schmelze gebildeten Keime, die sog. Keimbildungshäufigkeit bzw. Keimzahl, nimmt mit wachsender Unterkühlung zu. Die gebildeten Keime lagern weitere Atome an und wachsen in die Schmelze hin- ein, bis sie aneinanderstoßen und an diesen Stellen des Zusammentreffens Korn- grenzen bilden (s. nochmals Abb. 2.15).

Answer 25

Wird beim Abkühlen der Schmelze der Gleichgewichtszustand erreicht, bilden sich Keimbildung kleine Bereiche, in denen sich die Atome zu einem m Gitter ordnen. Diese ersten Anfänge des kristallinen Zustandes nennt man Keime (vgl. Seidel, Hahn 2014). Durch das vom Keim eingenommene Volumen wird ein Energiebetrag ∆GV frei. Der sich bildende Keim ist jedoch durch eine Grenzfläche von der flüssigen Phase getrennt, sodass eine Energie ∆GG zum Aufbau der Grenzfläche benötigt wird. Damit setzt sich die Änderung der Freien Enthalpie bei der Keimbildung aus zwei Komponenten zusammen, nämlich dem Volumenterm ∆GV und dem Grenzflächenterm ∆GG, beide jedoch mit verschiedenen Vorzeichen: ∆G = ∆GV + ∆GG (3.3) Infolge des Wechselspiels von Energieverbrauch und Energiefreisetzung bei der Keimbildung kann ein Keim bei der Entstehung nicht beliebig klein sein. Er muss eine kritische Größe besitzen, damit überhaupt erst eine Grenzfläche gebildet werden kann. Ein Keim dieser kritischen Größe hat den kritischen Keimradius rK. Keime sind somit erst ab r \> rK stabil.

Answer 26

Die Phasenumwandlungen im festen Zustand erfolgen gleichermaßen wie der Übergang vom flüssigen zum festen Zustand durch Keimbildung. Neben dem Volumen- und Grenzflächenterm (s. Abschn. 3.1: Erstarren aus der Schmelze) tritt hierbei noch der Verzerrungsterm als zusätzlicher Term auf. Der sich in der festen Phase ausbildende Keim muss an das Gitter angepasst werden, sodass Verzerrungen die Folge sind. Um diese Verzerrung möglichst klein zu halten, erfolgt die Keimbildung an Stellen gespeicherter Energie, wie z. B. an Leerstellen und Versetzungen. Der Verzerrungsterm wird mit ∆GE gekennzeichnet, sodass die Enthalpieänderung bei der Phasenumwandlung im festen Zustand wie folgt zu bilanzieren ist: **Bilanz der Phasenumwandlung ∆G = ∆GV + ∆GG + ∆GE. (3.6)** Bei einer kleinen Verzerrungsenergie bilden sich kugelförmige Keime, da die Kugel bei konstantem Volumen von allen geometrischen Körpern die geringste Oberfläche aufweist. Bei einer hohen Verzerrungsenergie bilden sich platten- oder stabförmige Keime aus, die sich den vorhandenen Grenzflächen besser anpassen können. Geschwindigkeitsbeeinflussung Mit der Erhöhung der Anzahl von Gitterfehlern durch plastische Verformung kann die Phasenumwandlung im festen Zustand beschleunigt werden. Solche Phasenänderungen im festen Zustand liegen während der Abkühlung des erstarrten Eisens bei den Übergängen zwischen den verschiedenen kristallografischen Modifikationen, * so bei den Umwandlungen vom δ-Fe zum γ-Fe und * vom γ-Fe zum α-Fe vor (s. SB 2: Kap. 1.3.7). **_Die Phasenumwandlung erfolgt durch Diffusion, d. h. durch Platzwechselvorgänge._** Bei einer starken Abkühlgeschwindigkeit kann eine Umwandlung unterdrückt werden, was sich noch durch den Zusatz von Elementen, die die Diffusion blockieren, weiter ausprägen lässt. So kann durch eine entsprechende Legierungsbildung, z. B. durch Zusatz von * Ni oder * Co, die γ-α-Umwandlung des Fe unterdrückt werden und der γ-Zustand liegt auch bei Raumtemperatur vor. * Bei schroffer Abkühlung ist eine Phasenumwandlung möglich, ohne dass der Mechanismus der Diffusion in Gang gesetzt wird. Es kommt zu einem diffusionslosen Umklappvorgang des Gitters. Die so entstehenden Gefüge werden als Martensit bezeichnet, dessen Bildung mit einer Scherbeanspruchung einhergeht. Da der Vorgang diffusionslos verläuft, bilden sich die Keime mit sehr hoher Geschwindigkeit (nahezu Schallgeschwindigkeit). Um die Verzerrungs-energie möglichst gering zu halten, wächst die Martensitphase plattenförmig. Diese Platten erscheinen im Schliffbild als Nadeln, sog. Martensitnadeln (B3.10). Aufgrund der diffusionslosen Bildung des Martenisits kann sie nicht durch Wärmezufuhr aktiviert werden. Der Vorgang wird deshalb als athermisch bezeichnet. Am bekanntesten ist die Martensitbildung bei Stahl (s. SB 2: Kap. 2.2), prinzipiell tritt sie jedoch auch bei anderen Metallen und Legierungen auf, z. B. bei der Umwandlung von Co oder bei Fe-Mn-Legierungen. Bei der Martensitbildung werden durch die Scherbeanspruchung im Gitter auch Gitterbaufehler im Inneren der Martensitplatten erzeugt, die wiederum die Keimbildung von fein verteilten (fein dispersen) Ausscheidungen in der Martensitmatrix begünstigen. Dadurch werden die Festigkeit bzw. die Härte des ohnehin sehr festen Martensits noch weiter erhöht wird. Dieser Vorgang wird als Martensitaushärtung bezeichnet.

Answer 27

Die Anlagerung von Bausteinen an einen Keim erfolgt in einer regelmäßigen Weise. Die Bausteine werden so angelagert, dass ein maximaler Energiegewinn einen Keim auftritt. Die Abb. 3.2 zeigt, dass * die geringste Oberflächenenergie beim Wachstum einer Halbkristalllage benötigt wird. tritt bei Schraubenversetzung auf, s. Abb. 2.13 b Die Schraubenversetzung spielt beim Kristallwachstum eine entscheidende Rolle: Sie bescheunigt den Kristallisationsprozess enorm. * Mehr Oberflächenenergie ist bei der Ausbildung einer Stufenlage aufzubringen, und * schließlich ist der größte Energiebedarf bei der Anlagerung an eine freie Oberfläche notwendig. Nach diesen energetischen Bedingungen ist die Regelmäßigkeit des Kristallbaus zu erklären.

Answer 28

Sehr reine Stoffe besitzen nur sehr wenige Fremdkeime, sodass diese meist grob- körnig kristallisieren, während bei höherer Zahl von Verunreinigungen das Gefüge feinkörnig wird. Von dieser Erscheinung macht man in der Praxis Gebrauch, indem durch Zusatz von Fremdkeimen oder arteigenen Keimen (kurz vor Erreichen des Erstarrungspunktes) die Anzahl der Keime erhöht und damit der erstarrte Werkstoff feinkörnig wird. Dieser Vorgang wird als Impfen bezeichnet und gezielt bei Al-Gusslegierungen genutzt (s. SB 4, Kap. 2.3).

Answer 29

Feinkörniges Gefüge erhält man durch Zusatz von Fremdkeimen oder arteigenen Keimen kurz vor Erreichen des Erstarrungspunktes der Schmelze. Der Vorgang wird als Impfen bezeichnet.

Answer 30

Entscheidend für die Korngröße im Werkstoff ist das Verhältnis von Keimzahl zur Kristallwachstumsgeschwindigkeit, d. h. der Volumenzunahme der Kristalle pro Zeiteinheit. * Bei einer hohen Keimzahl entsteht dadurch ein feinkörniges Gefüge. * Ist hingegen das Kristallwachstum im Vergleich zur Keimbildung groß bildet sich ein grobkörniges Gefüge.

Answer 31

Ein feinkörniges Gefüge ist wegen seiner guten mechanischen Eigenschaften * hohe Festigkeit und * hohe Duktilität bzw. Zähigkeit (s. Zugversuch im SB 2 und Bruchmechanik im SB 3) erwünscht. Aus diesem Grunde werden eine starke Unterkühlung und ein schnelles Abführen der Erstarrungswärme, z. B. durch Gießen in Metallformen (sog. Kokillen), angestrebt. In Sandgussformen können auch Metallplatten eingelegt werden, um an bestimmten Stellen des Gussstücks ein feines Gefüge zu erzielen. Das Gussstück soll * eine möglichst große Oberfläche haben, damit sich durch eine schnelle Abkühlung ein feines Korn ausbildet. * dicht oberhalb der Schmelztemperatur abgegossen werden, um die Wärme schnell abführen zu können und somit ein feines Korn zu erreichen.

Answer 32

Ein technischer aus der Schmelze gewonnener Metallkörper hat als Gussblock den in Abb. 3.4 dargestellten Gefügeaufbau. * Die feinkörnige Randzone bildet sich durch die hohe Unterkühlung an der Gussblockwand aus. * Daran schließt sich eine Zone stängelförmiger Kristalle (Transkristallisationszone) an. Die Kristalle wachsen entgegengesetzt zur Wärmeableitung in die Schmelze hinein. Die Folge ist ein grobes Korn mit einer Vorzugsrichtung (Gusstextur). * Die Restschmelze in der Mitte enthält schließlich viele hochschmelzende Verunreinigungen, die als Kristallisationskeime wirken und somit in der Mitte eine feinkörnige Zone (globulitisches Gefüge) bewirken. Der globulitische Kernbereich bildet sich vor allem im unteren Teil eines Gussblocks aus und kennzeichnet den sog. Schüttkegel, da derartige Verunreinigungen sich nach unten absetzen (Abb. 3.5).

Answer 33

Infolge der auftretenden Volumenkontraktion durch eine Erstarrung bilden sich makroskopische Hohlräume aus, die als Lunker (Schwingungshohlräu- me) bezeichnet werden. * Abb. 3.6 zeigt die Lunkerausbildung durch sukzessive Kontraktion der Volumenelemente. Um die Lunker im Gussstück zu vermeiden, werden sog. Steiger gesetzt, aus denen die Schmelze nachfließen kann, sodass sich der Lunker in den Steiger hineinzieht. * Da heute meist anstelle der hier beschriebenen Blockgusses der kontinuierlich arbeitende Strangguss verwendet wird, der technologisch bedingt ein vorteilhafteres Gefüge besitzt, spielt eine derartige Lunkerausbildung keine große Rolle mehr. * Solche Lunker treten aber auch beim Stahlformguss auf. Die Erstarrungskontraktion beträgt bei Stahl 2,5 – 4 %. * Bei dem nach seinem Aussehen der Bruchfläche bezeichneten grauem Gusseisen (s. SB 4: Kap. 1.3) tritt kaum eine Volumenkontraktion bei der Erstarrung des Eisens auf, da sich gleichzeitig auch Graphit ausscheidet, der eine Volumenaufweitung bewirkt. Insgesamt wird damit die Gussform bei Gusseisen gut ausgefüllt. Die Modelle von Stahlguss und grauem Gusseisen müssen sich deshalb in ihren Abmessungen deutlich voneinander unterscheiden. Außer dem in Abb. 3.6 beschriebenen Außenlunker (Kopflunker), können auch Lunker im Inneren von Bauteilen auftreten, wenn z. B. mehrere Wanddickenberei- che aneinanderstoßen, so u. a. beim Zusammentreffen von Nabe und Speichen bei Speichenrädern. Ihr Auftreten kann durch eine Optimierung des Abgusses, Setzen von Steigern und eine gießgerechte Konstruktion verhindert werden. Auch zwischen den Körner können Hohlräume auftreten (Mikrolunker, B3.4). Lunker können beim Walzen oder Schmieden verschweißen, wenn sie keine Oxidhäute enthalten. Wenn sie an der Oberfläche liegen, ist dieses jedoch nicht der Fall.

Answer 34

Im Gegensatz zum Festkörper hat die Schmelze eine wesentlich höhere Löslichkeit für Gase. Bei der Erstarrung scheiden sich folglich Gasblasen aus, die z. T. den erstarrenden Gussblock nicht verlassen können und in diesem fixiert werden (B3.5). * Eine besondere Form der Gasblasen sind **Flocken**, die durch Wasserstoff-ausscheidung bei bestimmten legierten Stählen bei feuchtem Schrotteinsatzgut entstehen. Die Wasserstoffatome vereinigen sich zu Wasserstoffmolekülen, die zeitverzögert infolge ihres größeren Volumens das Gitter aufreißen. Aufgrund der über den Gussteilquerschnitt unregelmäßig verteilten kurzen Risse spricht man in solchen Fällen von einer Flockenbildung. **Derartige Gasausscheidungen können durch Gießen oder Schmelzen im Vakuum vermieden werden.**

Answer 35

Nach der Erstarrung kühlt das Gussstück weiter ab und schrumpft. * In ungünstigen Fällen können hierbei Risse (u. a. sehr dünne Risse, sog. Haarrisse) auftreten. Die Gefahr besteht vor allem beim Zusammentreffen unterschiedlicher Querschnitte. * Deswegen ist eine Regel des gussgerechten Konstruierens, dass bei Gussstücken gleiche Wanddicken zusammenstoßen sollen.

Answer 36

Wenn Konzentrationsunterschiede im Gussblock auftreten, so bezeichnet man diese Entmischungen als Seigerungen (B3.6). **Die Kenntnis der Seigerungszonen ist wichtig für die Entnahme von Proben zur chemischen Analyse an Gussstücken.** * Bei den sog. **Schwerkraftseigerungen** haben die Legierungspartner ein stark unterschiedliches spezifisches Gewicht. Der schwerere Legierungspartner sinkt dann entsprechend zu Boden (z. B. Pb im Fe). * Treten Konzentrationsunterschiede über den Blockquerschnitt auf, so sprichtman von **Blockseigerungen**. * In Abb. 3.4 treten derartige Seigerungen in der Mitte des Gussblocks auf. Beim Stahl sind es vor allem die Elemente P und S, die seigern. **Durch eine besonders hohe Reinheit beim Erschmelzen lassen sich Seigerungen minimieren.** Erfolgt die Abkühlung jedoch so schnell, dass es zu keiner Anordnung der Atome im Form von Kristallkeimen kommen kann – das ist bei **hohen Abkühl-geschwindigkeiten** von 104 – 109 K/s der Fall – so erstarrt praktisch die Schmelze, ohne Kristalle zu bilden und es liegen **amorphe Metalle** vor (s. Abschn. 2.2.1).

Answer 37

Das Kristallwachstum ist richtungsabhängig, d. h., es ist eine anisotrope Kristalleigenschaft, da die Kristallisation bevorzugt in bestimmten Richtungen erfolgt. Die Folge ist die Entstehung sog. Dendriten oder Tannenbaumkristalle. Sie wach- sen in bevorzugten Richtungen in die Schmelze hinein und verzweigen sich dort in andere, weniger bevorzugte kristallografische Richtungen (Abb. 3.3). Zwischen den Dendriten erstarrt die Restschmelze und bildet ein Korn. An dem Vorliegen derartiger Dendriten erkennt man i. Allg. eine Gussstruktur.

Answer 38

* Das Gefüge, das sich unmittelbar nach der Erstarrung ausbildet, bezeichnet man als Primärgefüge. * Durch den Nachweis von Dendriten mit der im stärkeren Maße verunreinigten Restschmelze in den Zwischenräumen erhält man die Möglichkeit, Primärgefüge metallografisch zu identifizieren. * Das Gefüge, das nach der Verformung oder Wärmebehandlung entsteht, bezeichnet man hingegen als Sekundärgefüge.

Answer 39

Moderne Beschichtungsverfahren der Gasabscheidung sind das * CVD- und * PVD-Verfahren. Diese Verfahren werden zum Aufbringen dünner Schichten auf Metallen verwendet. Derartige Schichten in Form von Karbiden und Nitriden sind besonders verschleißfest und erhöhen damit z. B. die Standzeit von Werkzeugen. Da diese Schichtwerkstoffe häufig intensiv gefärbt sind, werden sie auch zu dekorativen Zwecken eingesetzt.

Answer 40

Der Übergang gasförmig / fest ist beim Aufdampfen von dünnen Schichten von Bedeutung. Dieser Übergang ist ebenfalls mit einer Keimbildung der festen Phase verbunden, sodass auch hier eine kritische Keimgröße auftritt. * Bei der Ausbildung von Schichten aus der Gasphase auf einem Metall wird häufig eine sog. **_Epitaxie_** beobachtet, d. h., der Kristall der **Schicht wächst auf dem Wirtsmetall in einer bestimmten kristallografischen Orientierung** auf. Dieser Mechanismus kann auch dazu führen, dass die **Atomabstände beider Phasen in der Grenzfläche etwa gleich groß** sind und somit eine **Kohärenz** auftritt. * Dieses Streben nach Kohärenz kann dazu führen, dass der **aufwachsende Kristall ein völlig neues Gitter bildet,** das für ihn unter normalen Bedingungen nicht typisch ist. Die Anlagerung des festen Keims auf dem Wirtskristall erfolgt an Stellen der Grenzfläche, an denen besonders hohe Energien gespeichert sind. Das ist an Schraubenversetzungen (s. Abb. 2.10) der Fall, sodass um diese Versetzung herum ein solcher Kristall aufwächst. **Außer der Schraubenversetzung enthält dieser Kristall keine weiteren Fehlstellen.** Diese Kristalle werden als **_Whisker_** (B3.7) bezeichnet, da es sich um nadelförmige Einkristalle von wenigen µm Durchmesser und bis zu mehreren 100 µm Länge handelt. Zudem **verfügen sie über ein homogenes, fehlerfreies Gefüge und zeichnen sich durch eine sehr hohe Festigkeit aus.**

Answer 41

Ein wichtiger technischer Anwendungsfall des Phasenübergangs gasförmig / fest ist die chemische Gasabscheidung, das CVD-Verfahren. Der Schichtwerkstoff kann auch in einer Vorform (Präkursor, engl. Precursor) als gasförmige Metallverbindung vorliegen, die in einem Reaktionsraum mit Atmosphärendruck oder Vakuum geleitet wird. Bei den hohen Substrattemperaturen von 900 – 1.000 °C reagiert das Trägergas an der Substratoberfläche in einer Zeit von 2 – 4 Stunden zum gewünschten Schichtwerkstoff. Es lassen sich damit auch Mehrlagenschichten aufbauen. Auf diese Weise werden verschleißfeste Karbid- und Nitridschichten auf Metallen erzeugt, z. B. für Schneidwerkzeuge wie Bohrer. Auch Diamantschichten (Diamant-CVD) sind auf diesem Wege möglich. Die CVD-Schichten erlauben dem gegenüber die Erzeugung sehr dicker Schichten. Durch die Schichtdicke werden die Eigenschaften, die Leistungsfähigkeit und die möglichen Anwendungsbereiche der beschichteten Werkstoffe maßgeblich beeinflusst (B3.9).

Answer 42

Eine weitere Möglichkeit des Beschichtens aus der Gasphase ist das PVD-Verfahren. Hierbei erfolgt das Aufdampfen von Metallen und Metalllegie- rungen, Karbiden, Oxiden, Nitriden und anderen Verbindungen sowie von Kunst- stoffen wie Polytetrafluorethylen auf den Werkstoff. Die SchichtIonendicken betragen bei diesen Verfahren etwa 10 – 30 µm. Die CVD-Schichten erlauben dem gegenüber die Erzeugung sehr dicker Schichten. Durch die Schichtdicke werden die Eigenschaften, die Leistungsfähigkeit und die möglichen Anwendungsbereiche der beschichteten Werkstoffe maßgeblich beeinflusst (B3.9).

Answer 43

Diffusion ist der thermisch aktivierte Gitterplatzwechsel der * Atome, * Ionen oder * niedermolekularen Bestandteile. Die Folge ist ein makroskopischer Massetransport, der lokale Konzentrationsunterschiede ausgleicht (F3.4). Die Häufigkeit des Platzwechsels nimmt mit der Temperatur zu.

Answer 44

Unter Diffusion versteht man einen Vorgang, bei dem Atome, Ionen oder nieder- Diffusionsvorgang molekulare Bestandteile aufgrund thermischer Anregung ihre Gitterplätze wechseln. * Die Folge ist ein makroskopischer Massetransport. Lokale Konzentrations-unterschiede werden ausgeglichen. * Kleine Atome, die als Zwischengitteratome im Gitter eingelagert sind, wie z. B. H, N oder C im Fe, wechseln ihren Platz durch thermische Gitterschwingungen. * Die Häufigkeit der Platzwechsel nimmt mit steigender Temperatur zu. Für die Wanderung von Atomen auf Gitterplätzen ist es notwendig, dass benachbarte Gitterplätze unbesetzt sind. Es müssen daher Leerstellen vorliegen. Deshalb hängt die Diffusion von der Anzahl und Anordnung der Leerstellen im Kristallgitter ab. * Liegt eine Selbstdiffusion vor, dann diffundieren arteigene Atome im Gitter * eine Fremddiffusion liegt vor, wenn artfremde Atome diffundieren. * Die Diffusion erfolgt an Grenzflächen wie Oberflächen und Korngrenzen leichter als im Innern eines Stoffs. Die Grenzflächendiffusion ist also gegenüber der Volumendiffusion bevorzugt. Korngrenzen werden deshalb auch als Diffusionsschläuche bezeichnet. * Die Diffusion erfolgt in amorphen Stoffen prinzipiell schneller als in Kristallen, da dort eine viel größere Anzahl von Lücken vorhanden ist, in welche die Atome hineinwechseln können.

Answer 45

Für den Fall, dass der Konzentrationsunterschied konstant bleibt, kann die Diffusion nach dem 1. Diffusionsgesetz (erstes FICKsches Diffusionsgesetz) beschrieben werden. * Danach ist die Menge d_m, die in der Zeit d_t durch eine Querschnittsfläche A fließt, proportional dem Konzentrationsunterschied d_c über die Strecke d_x (dem Konzentrationsgefälle): **_D ist der Diffusionskoeffizient des Stoffs. Er Unterliegt folgenden Abhängigkeiten:_** * Er ist stark **temperaturabhängig** und wird von der Energie zur Aktivierung der Platzwechsel für die Diffusion bestimmt. * D ist somit **abhängig von der Bindungsenergie** der Gitterbausteine im Gitter und daher werkstoffspezifisch. * Da die Bindungsenergie wiederum mit der Schmelztemperatur korreliert, steht der Diffusionskoeffizient im **Zusammenhang mit der Schmelztemperatur**. **Nach dem Diffusionsgesetz kann auch das Wachstum von Schichten, d. h. die Schichtdicke x in Abhängigkeit von der Zeit t angegeben werden:** x = k⋅t (k Konstante) Nach diesem parabolischen Zeitgesetz wachsen viele Oxidschichten, z. B. die vom Al. Das Gesetz besagt, dass mit zunehmender Zeit der Zuwachs zur Schicht kleiner wird. * Bei der Entwicklung hitzebeständiger Werkstoffe ist darauf zu achten, dass der Diffusionskoeffizient in einer festhaftenden Schicht möglichst klein wird. Das ist gewährleistet bei Oxiden, die eine geringe Konzentration an Leerstellen haben. * Hierzu gehören Cr2O3, A12O3 oder NiO. * Deshalb werden bei warmfesten Stählen Elemente wie Cr, Al oder Ni zugesetzt, ebenso bei Heizleitern für Elektroöfen. * Abweichungen von diesem Gesetz beim Schichtaufbau können jedoch auftreten, wenn wesentlich langsamere Reaktionen als die Diffusion auftreten wie z. B. die chemische Reaktion zur Bildung von Oxiden. * Wenn zwei an einer Grenzfläche zusammentreffende Stoffe unterschiedlich schnell diffundieren, tritt der KIRKENDALL-Effekt auf, der durch Massedifferenzen an der Grenzfläche charakterisiert ist.

Answer 46

* Beim Sintern wird aus Pulver, das in eine Form gebracht wird, durch Wärmeeinwirkung ein monolithisches Werkstück. * Als wesentlicher metallkundlicher Effekt tritt die Diffusion auf. Durch Platzwechselvorgänge zwischen den benachbarten Pulverkörnern kommt es zu einem Zusammenwachsen dieser. * Um die Diffusion zu erleichtern, muss das Pulver möglichst zerklüftet sein. Je nach Verdichtung des Pulvers kann das Werkstück eine unterschiedliche Porosität erhalten. * **Große Poren** nutzt man bei Filter- und Schaumwerkstoffen. * Mechanisch hochbeanspruchte Bauteile sollen eine möglichst geringe Porosität durch **kleine Poren** haben. * Das Sintern wird zur schnellen Erzielung einer **endformnahen Kontur** des Werkstücks angewandt. * Weiterhin werden durch das Sintern P**hasen miteinander gemischt, die sich flüssig nicht mischen lassen** (z. B. System Fe-Pb). * Schließlich nutzt man die Sintertechnik zur **Formgebung von Werkstoffen mit hoher Schmelztemperatur**, wie es bei den klassischen Keramikwerkstoffen und bei Werkstoffen für Glühlampenwendel der Fall ist.

Answer 47

Das Sintern ist eine technisch wichtige Anwendung der Diffusion zur Herstellung von Halbzeugen oder Fertigerzeugnissen. Die Sintertechnik ist das Verfahren zur Herstellung der Keramik. Deshalb spricht man bei Erzeugnissen aus gesintertem Metallpulver auch von Metallkeramik. **_Eine Werkstoffherstellung durch Sintern wird gewählt_** * wegen der wirtschaftlicheren Formgebung im Vergleich zum Zerspanen, da sich endabmessungsnahe Werkstücke fertigen lassen (nahezu abfallfreie Herstellung); * bei Massenproduktion (weil die Fertigung der Formen teuer ist) kleiner Teile(um den beim Sintern notwendigen Pressdruck begrenzen zu können); * wenn ein spezifischer Stoffaufbau erwünscht ist (z. B. große Anzahl von Poren), da die Porosität gesinterten Materials mehr als 40 % beträgt, was die Anwendung als Filter sowie die Fertigung geschäumter Metalle oder Keramiken möglich macht; * zur Herstellung von Werkzeugen für die Bearbeitung schwierig zu spanender Werkstoffe (Hartmetalle, Keramikwerkstoffe) und solcher mit hohem Schmelzpunkt (W, Hartmetalle); * für chemische Verbindungen von Werkstoffen, die sich unterhalb der Schmelztemperatur bereits zersetzen (z. B. Siliziumnitrid, kurz Si3N4); * für die Fertigung mehrphasiger Werkstoffe, die sich schmelzmetallurgisch infolge großer Dichteunterschiede nicht mischen lassen (z. B. System Fe-Pb). **Neben der Diffusion spielen noch weitere Vorgänge wie Versetzungs-bewegung und Kriechen eine mehr oder weniger ausgeprägte Rolle.**

Answer 48

Das Sintern ist die Grundlage der Pulvermetallurgie. Dabei werden Werkstoffe aus Metallpulver durch Pressen und nachfolgendes oder gleichzeitiges Sintern, d. h. einer Wärmebehandlung, bei einer Temperatur von etwa 80 – 90 % der Schmelztemperatur des Pulvers hergestellt. * Bei Fe und Fe-Legierungen werden daher Temperaturen von 1.120 – 1.280 °C sowie * bei Al-Legierungen im Bereich von 590 – 620 °C eingestellt. Es entstehen je nach Sintertemperatur und Pressdruck mehr oder weniger poröse Teile. Die Sintertemperatur hängt somit, wie bei allen Diffusionsvor- gängen, von der Schmelztemperatur des Sinterguts ab. Zur besseren Verdichtung des Pulvers in der Matrize sowie zur Festigkeitserhö- hung des verdichteten Rohlings (auch Grünling genannt) werden dem Metall- oder Keramikpulver (meist organische) Hilfsmittel (sog. Additive) zugesetzt, die vor dem Sintern durch Erhitzen herausgetrieben, d. h. entbindert werden müssen. Beim Sintern des Grünlings kommt es infolge der Abnahme der hohen Ausgangsporosität des Grünlings zu einer deutlichen Schrumpfung, die bei der Konstruktion der Form zu berücksichtigen ist.

Answer 49

Der Teilchendurchmesser * technischer Pulver liegt bei 10–1 – 10–2 mm, * bei Feinstpulvern liegt bei 10–3 – 10–5 mm. * Auch Nanopulver (\< 10−6 mm) werden eingesetzt. Die **Oberfläche des Pulvers soll möglichst zerklüftet (spratzig)** sein, damit eine **hohe Zahl von Kontaktstellen** der Pulverteilchen untereinander vorliegt. Eine Annäherung der Pulverteilchen wird durch das Pressen unter Einwirkung äußerer Kräfte erreicht. **Bei der Kombination von Sintern und Pressen spricht man vom** **Heißpressen bzw. Drucksintern.** * Zur Einhaltung der Maßgenauigkeit der Sinterteile kann nach dem Sintern noch ein Kalibrieren (spanlose Bearbeitung z. B. durch Kalibrierpressen) vorgenommen werden, wobei dadurch die Festigkeit und die Oberflächengüte noch etwas weiter erhöht werden. Bei Vorliegen einer Komponente treten nach dem Sintern vielfach Porositäten von etwa 5 – 10 % auf. Durch nachfolgendes Schmieden von gesinterten Teilen im Gesenk, dem Pulverschmieden, kann die Porosität auf etwa 3 % herabgesetzt werden. Dadurch wird vor allem eine gute Dauerfestigkeit erreicht.

Answer 50

Bei Mehrstoffsystemen kann eine Phase flüssig sein, die dann die Hohlräume gut ausfüllt. Man bezeichnet diesen Vorgang als Flüssigphasensintern.

Answer 51

* Bei den sog. Tränklegierungen sintert man einen einphasigen (z. B. verschleißbeständigen) Werkstoff so, dass ein Körper mit hoher Porosität entsteht. * Dann wird dieser über seine zusammenhängenden Poren mit einer flüssigen Phase, meist unter Druck, getränkt. Diese Phase bewirkt z. B. eine gute Selbstschmierung oder eine gute elektrische Leitung. **_Aus Tränklegierungen können deshalb Lager- oder Schalterwerkstoffe hergestellt werden._** * Bei den selbstschmierenden Lagerwerkstoffen wird meist in Öl getränkt. * Für hochbeanspruchte Schalterwerkstoffe sintert man einen harten, verschleißbeständigen Skelettkörper und infiltriert einen elektrisch gut leitfähigen Werkstoff wie Cu.

Answer 52

Martensit entsteht durch einen diffusionslosen Umklappprozess. * Es handelt sich um einen **Platzwechselvorgang**, der **nicht thermisch aktiviert** ist. Die **Diffusion** wird **durch** eine **rasche Abkühlung unterdrückt.** Am bekanntesten ist die Martensitbildung beim Stahl. * Prinzipiell werden alle Gefüge, die durch einen solchen diffusionslosen Umklappprozess entstehen, als Martensit bezeichnet.

WFT 1 - Struktur und Eigenschaften von Werkstoffen Flashcards

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