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Werkstoffkunde 1 (Subject) / Kapitel 1 (Lesson)

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• Wie verändert sich die Ladung von Atomen durch Abgabe von Elektronen? Die Ladung von Atomen bei Elektronenabgabe wird positiv, bei einem Elektronendefizit wird es zu einem Kation
• Warum gehen Edelgasatome keine Bindungen ein? Edelgasatome haben die gleiche Zahl positiv geladener Protonen im Kern wie negative Elektronen in der Hülle. Sie sind dadurch nach außen hin elektrisch neutral und auf dem niedrigsten Energieniveau was die größte chemische Stabilität darstellt. Durch diese elektrische Neutralität kommt es zu keinen Bindungen.
• Welche Kräfte wirken zwischen benachbarten Atomen? Es wirken entweder Anziehungskräfte zwischen ungleich geladenen Elektronenhüllen und Atomkernen der Partneratome oder Abstoßungskräfte zwischen gleich geladenen Elektronenhüllen und zwischen gleich geladenen Atomkernen der Partneratome
• Bei welcher Temperatur haben benachbarte Atome genau den Gleichgewichtsabstand zueinander? Dies liegt bei 0° Kelvin ( -273,5° C) vor
• Wie verändert sich der Abstand zwischen benachbarten Atomen, wenn Wärme zugeführt wird? Mit steigender Erwärmung schwingen die Atome immer mehr und mit wachsender Schwingungsweite vergrößert sich der Abstand der Mittellage und es kommt zu einer Volumenzunahme.
• Welche Auswirkungen hat dies auf den erwärmten Werkstoff? Er nimmt an Volumen zu Bindungskräfte und Festigkeit sinken bei Überschreiten der Schmelztemperatur wird der Stoff flüssig bei Überschreiten der Siedetemperatur wird der Stoff gasförmig
• Welche Merkmale weisen amorphe Feststoffe auf? Atome sind regellos angeordnet, in unterschiedlichen Abständen mit unterschiedlich starken Bindungen; Bsp.: Gläser, Kunststoffe
• Zu welchem Bindungstyp gehören folgende Werkstoffe? Stahl, Aluminiumoxidkeramik, Kunststoff Stahl: Metallbindung Aluminiumoxidkeramik: Ionenbindung Kunststoff: Elektronenpaarbindung
• Beschreiben Sie jeweils die typischen Merkmale der Elektronenpaar-, Ionen- und Metallbindung. Elektronenpaarbindung: Atome mit Elektronendefizit (Nichtmetallatome) bilden gemeinsame Elektronenpaare, die der Elektronenstruktur der Bindungspartner angehören und erreichen so einen edelgasähnlichen Zustand. Elektronenpaarbindungen werden zwischen gleich- / verschiedenartigen Nichtmetallionen mit 1-3 gemeinsamen Elektronenpaaren mit höchstens 4-facher Bindigkeit gebildet, hierdurch entstehen Moleküle, Ketten und Atomgitter Ionenbindung: es entstehen Kristallgitter zw. Metallen und Nichtmetallen mit 1-3wertigen Kationen und Anionen wobei das Metallatom seinen Elektronenüberschuss an ein Nichtmetallatom mit entsprechendem Elektronendefizit abgibt. Es entstehen Kationen und Anionen, deren Bindungskraft auf der elektronischen Anziehungswirkung der ungleich geladenen Ionen beruht. Ionenbindungen sind nicht plastisch verformbar, da die Elektronen jeweils fest an ein bestimmtes Anion gebunden sind (=> Keramiken) Metallbindung: es entstehen Kristallgitter zwischen Metallatomen mit wenigen Elektronen auf der Außenschale, deren Bindung an den Atomkern relativ schwach ist. Bei Metallen verschmelzen die Valenzelektronen zu einem gemeinsamen Elektronengas. Es entstehen positiv geladene Atomrümpfe, die durch das negativ geladene Elektronengas zusammengehalten werden. Die Valenzelektronen sind nicht an bestimmte Atomkerne gebunden und können sich frei bewegen (bspw. in Richtung eines Temperatur- oder Spannungsgefälles). Daher weisen Metall eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. Metalle lassen sich gut plastisch verformen, da eine Verschiebung der Atomrümpfe keine einschneidende Veränderung der elektronischen Bindungskräfte bewirkt.
• Welche Merkmale weisen kristalline Strukturen auf? Kristalle sind regelmäßige Anordnungen von Atomen, Ionen, Molekülen oder Molekülgruppen in engen Abständen zueinander. Es wird immer die energieärmste und damit stabilste Kristallstruktur gebildet.
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• Was ist in der Metallkunde unter Polymorphie zu verstehen? Polymorphie ist die Fähigkeit von Metallen in Abhängigkeit von Temperatur oder Druck umzukristallisieren und in unterschiedlichen Gittertypen aufzutreten.
• Erläutern Sie den Begriff Gefüge. Bei der Erstarrung von Metallschmelzen bilden sich zunächst an vielen Stellen kleine Kristallkeime, die wachsen und schließlich aneinander stoßen = Zusammenfügung aus vielen Kristalliten (Körnern).
• Weshalb liegt bei den meisten metallischen Bauteilen Quasiisotropie vor? Meist erstarren die Metalle vielkristallin mit regelloser Ausrichtung der Kristalliten wobei jeder Kristallit für sich richtungsabhängige Eigenschaften besitzt.
• Wie entstehen Texturen in Metallen und was bewirken sie? Sie entstehen bei Erstarrung (bspw. Stengelkristalle senkrecht zu Gussformwänden oder zu Schweißnahtkanten) oder bei Umformungen (durch Walzen) und bewirken ein anisotropes Verhalten (richtungsabhängig) der Werkstoffe.
• Erstellen Sie eine zusammenfassende Darstellung der drei wichtigsten Kristallgittertypen bei Metallen mit idealem Kristallaufbau (mit den wichtigsten Merkmalen, Gemeinsamkeiten und Unterschieden). Schindlers Liste
• Beschreiben Sie den metallkundlichen Mechanismus der plastischen Verformung in Metallen mit idealem Kristallaufbau. Plastische Verformung vollzieht sich im Idealkristall durch das Abgleiten von Atomschichten (Translation) auf den Gitterebenen dichtester Atompackung in den Richtungen mit dichtester Atompackung wobei die Schubspannung einen kritischen Wert (Շkrit) überschreiten muss damit die Atome einer Gitterebene in das Wirkungsfeld des jeweils nächsten Atoms der benachbarten Gitterebene geraten und sich dadurch sprunghaft auf den nächsten Gitterplatz bewegen. Diesen Platz behalten sie auch nach Wegnahme der Spannung (irreversible Verformungen).
• Erklären Sie, wodurch die Verformbarkeit der Kristallgittertypen beeinflusst wird. Die Verformbarkeit wird durch die Gleitebenen bestimmt. Mit steigender Anzahl an Gleitmöglichkeiten verbessert sich die Verformbarkeit da die Wahrscheinlichkeit höher wird, dass Gleitsysteme in einem günstigen Winkel zur maximalen Schubspannung liegen und aktiviert werden können.
• Beschreiben Sie den wichtigsten metallkundlichen Mechanismus der plastischen Verformung in realen Kristallgittern. Bei plastischer Verformung im Realkristall ist die tatsächlich gemessene Schubspannung viel geringer als die theoretisch zum Abgleiten ganzer Atomschichten erforderliche Spannung. Dies hängt mit den immer im Realkristall vorhandenen Versetzungen zusammen. Zum Wandern von Versetzungen sind erheblich geringere Kräfte notwendig als für das abgleiten ganzer Atomschichten, da die Bindungskräfte in der Umgebung von Versetzungen kleiner sind durch ständige Zug- und Druckspannungen in deren Umgebung. Die Versetzungsbewegung erleichtert also die plastische Verformung von Realkristallen
• Wie verändern Gitterfehler das Kristallgitter in ihrer Umgebung? Gitterbaufehler führen zu Verzerrungen in Kristallgittern, wodurch der Widerstand gegen die Versetzungswanderung steigt und damit auch die Festigkeit.
• Geben Sie die bei allen Metallen wirksamen festigkeitssteigernden Mechanismen sowie die jeweils dabei wirksamen Kristallgitterfehler an. Kaltverfestigung Kaltverformung bei der durch ständiger Bildung neuer Versetzungen die Festigkeit gesteigert wird aber auch die Versprödung Korngrenzhärtung Versetzungen werden an der Korngrenze aufgehalten wodurch ein Versetzungsstau entsteht. Die Festigkeit wird bei feinkörnigem Gefüge durch höhere Korngrenzflächenanteile noch weiter gesteigert. Darüber hinaus erhalten wir eine Verbesserung der Zähigkeit, da bei mehr unterschiedlich orientierten Kristalliten die Wahrscheinlichkeit höher ist, dass viele Gleitebenen günstig zu den Schubspannungen liegen 
• Geben Sie außerdem die nur bei Legierungen wirksamen festigkeitssteigernden Mechanismen sowie die jeweils dabei wirksamen Kristallgitterfehler an. Mischkristallhärtung Festigkeitssteigerung (bei gleichzeitiger Verminderung der Zähigkeit) durch gelöste Fremdatome im gemeinsamen Kristallgitter durch hervorrufen von Verzerrungen und Verspannungen Ausscheidungshärtung Festigkeitssteigerung durch fein verteilte Ausscheidungen, die die Versetzungswanderung behindern
• Bei welchem der festigkeitssteigernden Mechanismen wird auch die Zähigkeit verbessert (Begründung)? Bei der Korngrenzhärtung steigt zusätzlich zur Festigkeit auch die Zähigkeit begründet durch hohe Anzahl an unterschiedlich orientierten Kristalliten die die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass viele Gleitebenen günstig zu den Schubspannungen liegen.
• Beschreiben Sie in einer zusammenfassenden Darstellung den Vorgang der Diffusion und nennen Sie Voraussetzungen und Auswirkungen. Diffusion ist die thermisch aktivierte Wanderung von Atomen und Ionen im Raumgitter über mehr als einen Atomabstand. Treibende Kräfte sind Konzentrationsunterschiede im Kristallgitter oder Ausscheidungsbestreben zwangsgelöster Atome. Atome wandern von Bereichen hoher zu Bereichen niedriger Konzentration/Verzerrung oder aus übersättigten Bereichen. Diffusion über Zwischengitterplätze: Diffusion von Einlagerungsatomen bei relativ niedriger Temperatur möglich, da viele unbesetzte Nachbarzwischengitterlücken zur Verfügung stehen. Diffusion über Leerstellen: Diffusion von Wirtsgitter- und Austauschatomen. Voraussetzungen hierfür sind Existenz von Leerstellen auf Nachbarplätzen und hohe Temperaturen. Diffusionsvorgänge sind also bei gegebenem Werkstoff, Werkstoffzustand und konstanten Konzentrationsverhältnissen abhängig von Temperatur Zeit Material Konzentrationsverhältnissen
• Beschreiben Sie in einer zusammenfassenden Darstellung den Vorgang der Erholung und nennen Sie Voraussetzungen und Auswirkungen. Voraussetzung hierfür ist ein Glühen bei T > 0,3 Ts, wodurch es zu einem Abbau von Spannungen, hauptsächlich durch Subkornbildung, kommt. Die verformten Kristallite bleiben erhalten, die Versetzungsdichte nimmt nur geringfügig ab. Dadurch sinken Härte und Festigkeit nur wenig und die Zähigkeit steigt geringfügig
• Beschreiben Sie in einer zusammenfassenden Darstellung den Vorgang der Rekristallisation und nennen Sie Voraussetzungen und Auswirkungen Voraussetzungen hierfür sind ein stark verformtes Gefüge welches auf T > 0,4 TS und welches zuvor die Erholung vollzogen hat. Glühen bei T > 0,4 TS führt im Anschluss an eine Erholung mit Subkornbildung zur Umkristallisation des versetzungsreichen Verformungsgefüges in eine versetzungsarmes Gefüge mit neuer Kornform und – orientierung. Die Versetzungsdichte, Härte und Festigkeit nehmen stark ab und die Zähigkeit nimmt stark zu. (= Gefüge hat die gleichen mechanischen Eigenschaften wie vor der Verformung)
• Wodurch unterscheidet sich eine Warmumformung von einer Kaltumformung? Schindlers Liste
• Was ist die treibende Kraft für Kornwachstum? Verminderung der in den Korngrenzen gespeicherten Grenzflächenenergie durch Reduzierung des Flächenanteils und der Krümmun
• Wie können bei der Rekristallisation feinkörnige Gefüge erzielt werden? Bedingungen hierfür sind ein vorherig hoher Verformungsgrad, nicht zu hohe Glühtemperatur und nicht zu lange Glühzeit.
• Gitterformen (3 Stück) Schindlers Liste
• Definieren Sie den Begriff Legierung. Eine Legierung ist ein vorwiegend aus metallischen Komponenten aufgebautes Stoffgemenge, wobei das Mischungsverhältnis beliebig sein kann
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• Welche Voraussetzung muss für alle Legierungen erfüllt sein Voraussetzung für eine Legierungsbildung ist die vollständige Löslichkeit der Komponenten im flüssigen Zustand.
• Warum werden als technische Werkstoffe vor allem Legierungen verwendet Sie werden hauptsächlich verwendet da man durch Zusatz anderer, meist metallischer Elemente, die Eigenschaften eines Metalls gezielt verändern und bestimmte Eigenschaftsprofile verwirklichen kann. Legierungen können somit auf die jeweiligen Bedürfnisse in Bezug auf ihre Eigenschaften zugeschnitten werden.
• Welche Unterschiede bestehen zwischen den Abkühlungskurven von Reinmetallen und Legierungen (Skizze und Begründung)? Legierungen erstarren / schmelzen in einem Temperaturintervall, da Schmelze (S) und Kristallite () unterschiedliche Lösungsfähigkeiten für die Legierungselemente aufweisen. Dadurch weisen die Abkühlkurven Knickpunkte auf. Reine Metalle erstarren bei konstanter Temperatur (Haltezeit). Sie haben einen Schmelz- bzw. Erstarrungspunkt Abkühlkurve bei dem die Temperatur konstant bleibt weil die Schwingungsenergie der Atome sprunghaft abnimmt und in Form von Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben wird
• Geben Sie an, wie eine feinkörnige Erstarrung des Primärgefüges herbeigeführt werden kann Ein feinkörniges Gefüge bei der Erstarrung kann man durch Impfen der Schmelze mit Eigen- oder Fremdkeimen in Pulverform, durch eine erhöhte Abkühlgeschwindigkeit und durch Vermeidung zu hoher Schmelztemperaturen vor dem Abgießen erzielen.
• Welche Gefüge entstehen bei Legierungen mit vollständiger Löslichkeit der Komponenten im festen Zustand? Die Legierungen bilden entsprechend der Zusammensetzung der Schmelze Austauschmischkristalle. Die Fremdatome werden auf Gitterplätzen gegen Wirtsgitteratome ausgetauscht und liegen im Allgemeinen statistisch verteilt im gemeinsamen Kristallgitter vor. Es entsteht somit ein homogenes einphasiges Gefüge mit einheitlichen -Mischkristallen aus A- und B-Atomen, deren Zusammensetzung den Mengenanteil in der Schmelze entspricht.
• Welche Gefüge entstehen bei Legierungen mit vollständiger Unlöslichkeit der Komponenten im festen Zustand? Die reinen Komponenten bilden Kristallgemische aus separaten Kristalliten. Es entsteht ein feinkörniges Gefüge (heterogenes Kristallgemisch-Gefüge, die jeweils nur aus Atomen einer Komponente bestehen.
• Erklären Sie die Liquidus- und Soliduslinien eines Phasendiagramms. Beide sind Temperaturlinien; oberhalb der Liquiduslinie sind alle Legierungen vollständig flüssig; unterhalb der Soliduslinie sind alle Legierungen vollkommen fest.
• Zeichnen Sie das Phasendiagramm eines Legierungssystems mit vollständiger (unbegrenzter) Löslichkeit der Komponenten im festen Zustand (Liquiduslinie rot, Soliduslinie blau). Schindlers Liste
• Welche Voraussetzungen müssen die Komponenten für eine vollständige Löslichkeit im festen Zustand erfüllen Die Komponenten müssen den gleichen Gittertyp sowie eine gleiche Wertigkeit (Anzahl Valenzelektronen) besitzen und der Unterschied der Atomradien darf nicht < 14% betragen.
• Welche Auswirkungen haben unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten? (vollständige Löslichkeit) Bei sehr langsamer Abkühlung bleibt für die Diffusionsvorgänge (Anreicherung eines bereits vorhandenen Kristallit mir Cu) genug Zeit und Temperatur, so dass Konzentrationsunterschiede in den Mischkristallen ausgeglichen werden; es bilden sich homogene Mischkristalle. Bei schneller (technischer) Abkühlung entstehen Kristallseigerungen mit Konzentrationsunterschieden vom Kern zum Rand (Zonenmischkristall), da kein Diffusionsausgleich möglich ist, es werden daher weniger A-Atome abgegeben und wenoger B-Atome aufgenommen als bei langsamer Abkühlung; es bilden sich inhomogene Mischkristalle (Kristallseigerung).
• Zeichnen Sie das Phasendiagramm eines eutektischen Legierungssystems mit vollständiger Unlöslichkeit der Komponenten im festen Zustand (Liquiduslinie rot, Soliduslinie blau) und skizzieren Sie schematisch die unterschiedlichen Gefüge bei Raumtemperatur. Schindlers Liste
• Wie lautet die eutektische Reaktion für ein Legierungssystem A-B mit vollständiger Unlöslichkeit im festen Zustand? Die eutektische Schmelze Se zerfällt bei konstanter Temperatur Te nach einer Haltezeit in das eutektische Kristallgemisch A+B.
• Zeichnen Sie das Phasendiagramm eines eutektischen Legierungssystems mit begrenzter Löslichkeit der Komponenten im festen Zustand (Liquiduslinie rot, Soliduslinie blau, Löslichkeitsgrenzen grün) und skizzieren Sie schematisch die unterschiedlichen Gefüge bei Raumtemperatur. Schindlers Liste
• Wie lautet die eutektische Reaktion für ein Legierungssystem A-B mit beschränkter Löslichkeit im festen Zustand? Die eutektische Schmelze Se zerfällt bei konstanter Temperatur Te nach einer Haltezeit in das eutektische Kristallgemisch +
• Von welchen verfahrenstechnischen Größen ist die Löslichkeit abhängig? Die Löslichkeit ist von der Temperatur und dem Druck abhängig. Sie nimmt mit zunehmender Temp. zu.
• Begrenzte Löslichkeit: Was geschieht bei sehr langsamer Abkühlung, wenn die Sättigungskonzentration überschritten wird? Die überschüssigen Fremdatome müssen die übersättigten Mischkristalle verlassen und bilden Sekundärkristalle mit eigener Zusammensetzung und Struktur (= Ausscheidungen bzw. Segregate)
• Begrenzte Löslichkeit: Welche Auswirkungen kann eine schnellere Abkühlung haben? Schnelle Abkühlung behindert die Diffusion und unterdrückt die Ausscheidung, es entsteht ein übersättigter Mischkristall (Zwangslösung). Gitterverspannungen erzeugen ein Ungleichgewicht und spätere unerwünschte Werkstoffveränderungen durch ungesteuerte Ausscheidungen sind möglich.
• Welche Merkmale haben intermediäre Phasen Es sind Kristallite mit neuer, eigener Gitterstruktur, Einbau der Legierungsatome in ungefähr festem Mengenverhältnis m:n. Kristallgitter der intermediären Phasen sind meist kompliziert und daher extrem hart und spröde. 10
• Was ist eine eutektoide Umwandlung? Das ist eine Phasenumwandlung im festen Zustand, bei der ein einphasiger MK eutektoid in ein zweiphasiges Kristallgemisch zerfällt
• Nennen Sie Phasenumwandlungen im festen Zustand mit und ohne Konzentrationsänderung. mit Konzentrationsänderung: Eutektoide Umwandlung, Ausscheidung von Sekundärkristallen ohne Konzentrationsänderung: Polymorphe Gitterumwandlung, Martensitbildung, Rekristallisation, Kornwachstum

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