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Werkstoffkunde 1 (Subject) / Zustandsdiagramme (Lesson)
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- Phase Bereich mit konstantem atomarem Aufbau und chemischer Zusammensetzung, der durch Grenzflächen von seiner Umgebung getrennt ist. Kristalle der gleichen Phase werden durch Korngrenzen voneinander getrennt.
- Phasengrenzfläche Grenzfläche zwischen zwei Phasen
- Phasengemisch Gemisch verschiedener Phasen
- Mischkristall Kristall mit eingebauten Fremdatomen
- Phasengrenzflächenstruktur: kohärent Fremdatome gliedern sich ein und gehen Bindungen ein Fremdatome bestitzen anderen Atomradius -> Spannungen Phasengrenzflächenenergie: gering
- Phasengrenzflächenstruktur: teilkohärent es existieren einige Bindungen zwischen den Phasen, aber nicht alle Grenzflächenatome haben Bindungen Phasengrezflächenenergie: mittel
- Phasengrenzflächenstruktur: inkohärent Fremdatome haben keine Bindungen zur Kristallstruktur Phasengrenzflächenenergie: groß
- Bedingungen für die Bildung von Mischkritstallen 1) Unterschied der Atomradien ≤ 15 % (substitutionelle Mischkristalle) interstitielle Mischkristalle: Fremdatome auf Zwischengitterplätzen 2) chemische Bindung - Ähnlichkeit ist Voraussetzung für gute Mischbarkeit Mischbarkeit steigt mit der Temperatur vollständige Mischbarkeit nur bei gleicher Kristallstruktur
- thermodynamische Gleichgewicht Ein System ist im thermodynamischen Gleichgewicht, wenn seine Freue Enthalpie G minimal ist. Phasen stehen miteinander im Gleichgewischt, wenn ihre chemischen Potentiale μi gleich sind.
- Diffusion treibende Kraft für Diffusionsströme ist der lokale Unterschied in der Konzentration der diffundierenden Teilchen treibende Kraft ist der mögliche Gewinn an freier Enthalpie G und damit für konstante sonstige Bedingungen der unterschied im chemischen Potential der diffundierenden Teilchen.
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- Diffusionsgesetz: 1. Fick'sches Gesetz (stationärer Fall) Die Stoffmenge sie pro Zeit durch eine Fläche transportiert wird, ist proportional zum Konzentrationsgradienten j = - D * dc/dx !!! dc/dx = const. !!! Konzentrationsgradient muss konstant bleiben!!!
- Diffusionsgesetz: 2. Fick'sches Gesetz (instationär) Beschreibt die Diffusion bei zeitlicher Änderung der Konzentration dc/dt = d/dx D dc/dx
- Für D=konst: mittlere Eindringtiefe x2 = 2*D*t x ist z.B. die Entfernung von einer Grenzfläche eines Diffusionspaares, bei der die Konzentration auf 0,26 c0 abgesunken ist
- Diffusionsmechanismen Der Diffusionskoeffizient D hängt vom Aufbau des Materials und dem atomaren Mechanismus ab. 1) Leerstellenmechanismus 2) Zwischengittermechanismus
- Leerstellenmechanismus Die Atome der Matrix und die diffundierenden Atome besitzen in etwa die gleiche Größe. Ein Atom in der Nähe der Leerstelle wandert dabei in diese hinein. --> D = D0 * exp ( - Q/R*T) mit Q=ΔGW+ΔHL Q: Aktivierungsenergie HL: wegen Leerstellen GW: Gitteraufweitung
- Zwischengittermechanismus Die diffundierenden Atome sind wesentlich kleiner als die Atome der Matrix. Damit das kleinere Atom in den benachbarten Zwischengitterplatz springen kann, muss das Gitter aufgeweitet werden. Dazu ist die Energie ΔGW erforderlich. -> D = D0 * exp (- ΔGW/R*T)
- Einfluss von Gitterbaufehlern Entlang von Gitterfehlern verläuft die Diffusion schneller, weil dort mehr freies Volumen vorhanden ist.
- Einfluss der Schmelztemperatur Je größer die Bindungsenergie zwischen den einzelnen Atomen ist, desto schwerer ist es, Atome aus ihren aktuellen Positionen zu bewegen Kov.Bind.>Ionenbindung>Metallische Bindung>Wasserstoffbrückenbindung Stärke der Bindung nimmt ab höhere Bindungsenergie -> höhere Schmelztemperatur, höhere Bildungsenthalpie ΔHL für Leerstellen, höhere ΔGW, kleinere Diffusionsgeschwindigkeit Faustregel: Diffusion startet ab T ∼ 2/3 Tm
- Einfluss der Kristallstruktur kfz,hdP: dichteste Packung: Raumausfüllung: 74% krz: Raumausfüllung 68 % mehr Platz -> schnellere Diffusion