Inhalt der VL - igmhs.de · • negative Raumladung führt zu einer Kraft, die größer ist als die abstoßende Kraft der Atomrümpfe Metallatome geben Elektronen von ... auf denen

Ingenieurgemeinschaft

Meyer & Horn-Samodelkin GbR

Werkstoffkunde HWK 2013

VL 2: Aufbau der Werkstoffe

Metalle

1

Inhalt der VL:

1. Metallbindung

2. Kristalliner Aufbau

3. Kristallbaufehler

4. Schmelzen und Erstarren

5. Isotropie und Anisotropie





Metalle

2

Metalle

Stähle

Eisenwerkstoffe

Eisenguss-

werkstoffe

Aluminium und

-legierungen

Kupfer und

-legierungen

Nickel und

-legierungen

(

NE-Metalle

Magnesium u.

-legierungen





Metalle

3

Metalle

Leichtmetalle Dichte < 4,5 g/cm3

Schwermetalle Dichte > 4,5 g/cm3

Magnesium Mg 1,7

Aluminium Al 2,7

Titan Ti 4,5

Eisen Fe 7,6

Kupfer Cu 8,9

Blei Pb 11,3

Wolfram W 19,3

Beispiele: Beispiele:





Metalle

4

Metalle

Niedrigschmelzend

TS < 500°C TS 500...2000°C

Hochschmelzend

TS > 2000°C

Zink Zn 419°C

Blei Pb 327°C

Zinn Sn 232°C

Chrom Cr 1890°C

Titan Ti 1730°C

Nickel Ni 1455°C

Eisen Fe 1536°C

Mangan Mn 1245°C

Kupfer Cu 1083°C

Aluminium Al 660°C

Wolfram W 3410°C

Tantal Ta 3000°C

Molybdän Mo 2625°C





Metalle

5

• metallischer Glanz

• gute elektrische Leitfähigkeit

• gute Wärmeleitfähigkeit

• gute Verformbarkeit und /oder Festigkeit

• gehen in Form positiv geladener Ionen in Lösung

Sowohl der Atomaufbau, die Gitterstruktur als auch

die Fehlordnung beeinflussen diese Eigenschaften!

Eigenschaften von Metallen:





Metalle

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1. Metallbindung Aufbau der Atome

•Atome bestehen aus dem Atomkern (Protonen, Neutronen u.a. Nukleonen)

und Elektronen

•Art des Atomkerns bestimmt die Kerneigenschaften, die weitestgehend

unabhängig von der Bindungsart und der Anordnung der Atome zueinander sind, zu

den Kerneigenschaften gehören: Spaltbarkeit, Neutronenabsorption, Dichte

•Elektronenwolke umgibt Atomkern (Anzahl der Elektronen = Anzahl der

Protonen, Kerndurchmesser ca. 10 x E-5nm, 10 x E –10 % des Atomvolumens enthält

nahezu gesamte Atommasse)

•Verhalten der Elektronen, insbes. der äußeren, bestimmt die

technisch wichtigsten Eigenschaften (Bindungsart, chem. Reaktionsfähigkeit,

mech. Festigkeit, magnet. Eigenschaften...)





Metalle

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• Nur begrenzte Zahl von Energiezuständen (Schalen) in Umgebung

des Kerns erlaubt

• mit zunehmendem Abstand vom Kern nimmt e- -Energie zu

• Besetzung der Schalen von innen nach außen (e- -Anzahl gemäß 2n2

(n = Schalen-Nr.), Schalen mit Großbuchstaben bezeichnet: innere Schale

K ist mit 2 e- besetzt, nächste Schale L mit 8 etc.)

• Atome mit voll besetzten Schalen sind sehr stabil, geringe

Wechselwirkung zu anderen Atomen

• quantenmechanisch sind nur jeweils 2 e- mit gleichem

Energiezustand, aber unterschiedlichem Drehsinn (Spin) zulässig

(e- mit geringster Energie einer Schale = s-Zustand <=2 e-, höhere

Energiezustände in p <=6 e- , d <=10 e- und f <=14 e-)

1. Metallbindung Aufbau der Elektronenschale

Animation: Ionisation





Metalle

8

1. Metallbindung Aufbau der Elektronenschale

aus /3/





Metalle

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1. Metallbindung Bindungsmodell

• diese Elektronen bleiben ungebunden

• sie sind frei beweglich zwischen den positiv geladenen

Atomrümpfen und bilden eine Elektronenwolke (Elektronengas)

• negative Raumladung führt zu einer Kraft, die größer ist als die

abstoßende Kraft der Atomrümpfe

Metallatome geben Elektronen von unvollständig besetzter äußerer Schale (Valenzelektronen) ab





Metalle

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• die frei beweglichen Elektronen sind die Ursache für die gute

elektrische und Wärmeleitfähigkeit der Metalle

• in einem absolut reinen Metall sind alle Atomrümpfe einander

vollkommen gleichwertig

• zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen und den negativ

geladenen, frei beweglichen Elektronen wirken elektrostatische

Kräfte, die für den Zusammenhalt des Gitters verantwortlich sind

• die Kräfte zwischen den Atomrümpfen und den Elektronen wirken

in alle Richtungen (sind ungerichtet !) und bestimmen den Abstand

der Atome zueinander

• dadurch entsteht ein regelmäßiger Aufbau

Kristallgitter

1. Metallbindung Zusammenfassung





Metalle

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aus /3/

1. Metallbindung Zusammenfassung

a) Ionenbindung (NaCl,

MgO)

b) Kovalente Bindung

(Diamant, C2, Si, Ge,

GaAs, SiO2)

c) Met. Bindung (Fe, Al,

Legierungen)

d) Van der Waals-Bindung

e) Mischtypen (Asbest –

kov. und Ionenbindung,

Graphit – kov.Bindung,

van der Waals-Bindung)





Metalle

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Ein Metallkristall ist aus Atomen aufgebaut, die ein

homogenes, periodisches, dreidimensionales

Discontinuum bilden.

Die EZ ist die kleinste Einheit eines Kristallgitters, die alle

Kristalleigenschaften beschreibt!

Die EZ ist durch Abstände der Atome, Winkel zwischen den

Atomebenen und spez. Atomlagen gekennzeichnet.

D. h. es existiert eine Fernordnung, bei der die Bausteine (EZ) endlos

geordnet sind (Kristallstruktur).

2. Kristalliner Aufbau Definition: Kristall und Elementarzelle (EZ)





Metalle

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Natürliche Kristalle Sind feste, regelmäßig geformte, von ebenen Flächen begrenzte Körper.

Technische Kristalle bestehen aus Kristalliten, die

keine deutlich ausgeprägten Oberflächenformen (regellos begrenzter

Vielflächner) besitzen, weil sie nicht frei wachsen konnten.

In technischen Metallen spricht man von Kristalliten oder Körnern, weil durch die

Bildung vieler „Körner“ bei der Erstarrung einer Metallschmelze eine

Wachstumsbehinderung stattfindet.

Derartige Metalle sind polykristallin aufgebaut.

2. Kristalliner Aufbau Definition: Kristall undKristallit





Metalle

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Das Gegenteil zur Fernordnung ist die Nahordnung. Hier sind

die Elementarbausteine (Atome) nur in kleinen Bereichen ( in

Nahbereichen) geordnet. Diese Ordnungsbereiche wiederholen

sich nicht. Man bezeichnet den Zustand als “amorph” oder

“regellos”/”ungeordnet”.

Amorphe Werkstoffe sind: Gläser, z.T. Kunststoffe

Im flüssigen Zustand sind alle Werkstoffe amorph.

Deshalb bezeichnet man den amorphen Zustand bei Festkörpern

auch als “Zustand der unterkühlten Schmelze”

2. Kristalliner Aufbau Definition: amorphe Anordnung





Metalle

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2. Kristalliner Aufbau:

wichtige Kristallgittertypen bei Metallen





Metalle

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•kubisch raumzentriertes Gitter (krz)

a = b = c

= = = 90°

a, b, c - Atomabstände

(Gitterkonstanten 0,25...0,5 nm)

, , - Winkel zwischen den Achsen

Packungsdichte: 68 %

•kubisch flächenzentriertes Gitter (kfz)

a = b = c

= = = 90°






Metalle

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• hexagonal dichtgepacktes Gitter (hdg)

= = 90°

= 120°

a = b c


Im Raumgitter von 0,1 mm Kantenlänge sind ca. 108 Atome angeordnet!

Masseinheit: Angström: 0,1 nm = 1 Å, z.B. hat Si einen Atomabstand von 0,24nm





Metalle

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Berechnung der

Packungsdichte einer krz. EZ

Formeln:

- V einer Kugel

- Satz des Pythagoras

2. Kristalliner Aufbau Packungsdichte





Metalle

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krz -Gitter kfz-Gitter hdg-Gitter

-Fe bei RT Al Zn

bis 911°C Cu Mg

Cr Ni Cd

Mo Pb Be

V -Eisen (Austenit)

W 911°C-1392°C

Au

Ag

2. Kristalliner Aufbau

Kristallstrukturen der wichtigsten Metalle





Metalle

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Technische Werkstoffe sind Realkristalle, sie sind i.d.R. vielkristallin.

Das bisher Besprochene gilt für Idealkristalle.

•Der Idealkristall stellt ein idealisiertes Modell dar, das

mathematisch beschreibbar ist, jedoch in Wirklichkeit nicht

existiert.

•Der Realkristall ist ein gestörter Kristall (Kristall mit Fehlern).

Die Abweichungen (Gitterfehler oder Defekte) vom idealen

Aufbau werden berücksichtigt. Das Kristallwachstum aus der

Schmelze ist unregelmäßig erfolgt, zudem handelt es sich meist

um unreine Kristallsubstanzen.

2. Kristalliner Aufbau Definition: Idealkristall / Realkristall





Metalle

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Gitterbaufehler

Man unterscheidet:

0-dimensionale Gitterbaufehler = Punktfehler (Leerstellen, Fremdatome)

1-dimensionale Gitterbaufehler = linienf. Fehler (Versetzungen)

2-dimensionale Gitterbaufehler = flächenförmige Fehler (Zwillinge,

Korngrenzen)

3-dimensionale Gitterbaufehler´= räumliche Fehler (Fremdeinschlüsse, Poren,

Lunker)






Metalle

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0-dim Gitterbaufehler

Leerstelle Zwischengitteratom






Metalle

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Austauschatom Einlagerungsatom

Atomart B Atomart B






Metalle

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Versetzung






Metalle

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Stufenversetzung


Versetzungen sind die

Grundvoraussetzung für

die plastische Verformung

von Metallen!

Durchschnittlich sind 10 7

cm/cm3 Versetzungen in

technischen Werkstoffen

vorhanden!





Metalle

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aus /3/





Metalle

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Kleinwinkelkorngrenze Korngrenzen (0,5 nm)

(im Innern des mittleren Korns

Kleinwinkelkorngrenzen)






Metalle

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Korngrenzen

• gestörte geometrische Anordnung der Atome (kein regelmäßiges

Kristallgitter mehr)

• Verunreinigungen werden bei der Erstarrung vor der Erstarrungsfront

hergeschoben und liegen an den Korngrenzen vor, dadurch

Schwächung der Korngrenzen

• bevorzugter Ort für Ausscheidungen, schwächen die Korngrenzen und

damit das Gefüge (häufig Brüche entlang der KG = interkristallin)

• viele Körner = große Korngrenzfläche, auf denen sich

Verunreinigungen und Ausscheidungen verteilen können

• geringe Anzahl an Körnern = wenig Korngrenzfläche und damit

stärkere Belegung der Korngrenzen mit Verunreinigungen und

Ausscheidungen







Metalle

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Zwillingsbildung durch

plastische Verformung

Zwillinge in geglühter

Zinnbronze






Metalle

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Mikrolunker im Innern einer Mikrolunker im Innern einer

Lagerschale aus Rotguss Lagerschale aus Stahlguss






Metalle

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Realgefüge eines

metallischen Werkstoffes





Metalle

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Schmelze

Keimbildung

Kristallwachstum

Schmelze:

Atome sind regellos verteilt; befinden sich in einem ungeordneten Zustand

und sind in ständiger Bewegung (thermische Aktivierung) -

wird der Schmelzpunkt bei der Abkühlung (Wärmeentzug) erreicht, beginnt

die Kristallisation. Sie läuft bei einer const. T unter Wärmeabgabe

(Kristallisationswärme) und ist i.a. (Si, Ge = Ausnahme) durch eine V-

Abnahme gekennzeichnet.

4. Schmelzen und Erstarren von Metallen





Metalle

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Keime sind feste kleine Partikel, Kristallisationszentren (Abgabe von kin. Energie,

Haltepunkt)

- Fremdkeime (schon vorgebildete Keime, z.B. Karbide, Oxide, Nitride

oder andere feste Verbindungen – höherschmelzend!)

- Eigenkeime (werden aus der Schmelze gebildet (Unterkühlung) oder ihr

zugegeben, arteigen)

Bei der Erstarrung beginnen die Keime zu wachsen. Das Wachstum schreitet voran,

bis die Körner aneinander stoßen. Nach der Erstarrung liegt ein Gefüge (aufgebaut

aus Körnern) vor.

2 Teilvorgänge: Keimbildung und Kristallwachstum:

4. Erstarren von Metallen





Metalle

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Gefüge: Das Gefüge ist die mikroskopisch sichtbare Kornstruktur eines

Werkstoffes. Die Körner (Kristallite) sind von Korngrenzen (2-dim. GBF)

umgeben und enthalten weitere Fehler.

Das Gefüge eines Werkstoffes kann durch metallographische Präparation

sichtbar gemacht werden.

Ein Gefüge kann verschiedenartig ausgebildet sein:

- feinkörnig oder grobkörnig

- globular, polyedrisch oder dendritisch

- lamellar

4. Erstarrung von Metallen fester, kristalliner Zustand





Metalle

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4. Erstarrung von Metallen Kristallisation





Metalle

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Metalle

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Die Anzahl der Keime bestimmt, ob das Gefüge grobkörnig oder feinkörnig

ausgebildet wird.

Bei einigen Werkstoffen kann durch eine geeignete Wärmebehandlung ein

grobkörniges in ein feinkörniges Gefüge im festen Zustand überführt werden.






Metalle

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feinkörniges Gefüge:

Anteil an Korngrenzen im Gefüge sehr hoch,

hohe Festigkeit, hohe Dehnung und hohe Zähigkeit,

Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften

= i.a. angestrebter technischer Zustand

grobkörniges Gefüge:

nur wenige Korngrenzen vorhanden,

spröde und wenig verformungsfähig, Richtungsabhängigkeit der

Eigenschaften

4. Erstarrung von Metallen Einfluss der Korngröße auf die Eigenschaften eines Metalls





Metalle

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Querschnitt durch ein

Gußgefüge,

auch Gusstextur genannt

Zone I: feinkörnige Randzone

Zone II: Stengelkristallzone

Zone III: polygonale Kernzone

4. Erstarrung von Metallen Wärmeableitung und Kornform





Metalle

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Durch die Art der Wärmeableitung und die Unterkühlung der Schmelze lässt sich

auch die Morphologie des Gefüges beeinflussen. Technisch genutzt wird dies bei

Turbinenschaufeln!

Wärmeabfluss annähernd Wärmeabfluss be-

gleichmäßig in alle bevorzugt in eine

Richtungen: Richtung:

globulare Körner Stengelkristalle

4. Erstarrung von Metallen Wärmeableitung und Kornform





Metalle

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Metalle

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Chemische und physikalische Eigenschaften eines metallischen

Werkstoffes sind unter gewissen Voraussetzungen von der Richtung

abhängig, in der sie gemessen werden bzw. der Werkstoff

beansprucht wird.

anisotrop = richtungsabhängige Eigenschaften, z.B. ungestörter

Kristall

isotrop = richtungsunabhängige Eigenschaften, z.B. im

amorphen Werkstoff

quasiisotrop = nahezu richtungsunabhängige Eigenschaften,

Mehrzahl aller Werkstoffe (polykristalline Struktur)

Textur = Vorzugsorientierung, Ausgerichtetsein von Kristalliten im

Vielkristall

5. Isotropie, Anisotropie Definitionen





Metalle

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5. Isotropie, Anisotropie

aus /3/





Metalle

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5. Isotropie, Anisotropie Verformungstextur

aus /3/ aus /3/





Metalle

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Verwendete Literatur:

1. Seidel „Werkstofftechnik“, Hanser-Verlag

2. Bargel / Schulze „Werkstoffkunde“, VDI-Verlag

3. Taschen- und Tabellenbuch Metall

4. Schumann, „Metallographie“, Dtsch. Verlag für

Grundstoffindustrie

5. Lehrgangsunterlagen der GSI zum SFI

Inhalt der VL - igmhs.de · • negative Raumladung führt zu einer Kraft, die größer ist als die abstoßende Kraft der Atomrümpfe Metallatome geben Elektronen von ... auf denen

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