Studium (Subject) / Werkstoffkunde (Lesson)

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• Was sind Nulldimensionale Gitterfehler? Substitutionsatome: Atome auf regulären Gitterplätzen ausgetauscht oder auf Gitterlücken untergebracht werden. Leerstellen: wenn Gitterplätze unbesetzt bleiben oder wenn Gitterbausteine von ihren regulären Plätzen auf Zwischengitterplätze diffundieren. In diesem speziellen Fall sind annähernd so viele Zwischengitteratome, wie Leerstellen vorhanden. Thermische Gitterbaufehler: In Abhängigkeit von Temperatur T im thermodynamischen GG befindliche Leerstellen.  
• Wie berechnet die Abhängigkeit der Leerstellenkonzentration von der Temperatur? Mit der Bildungsenergie der Leerstellen: bei Temperaturzunahme nimmt die Leerstellenkonzentration zu. Zahl der Leerstellen/ Zahl der Gitterplätze= n/N= cF
• Wie beinflusst die Leerstellenkonzentration die aktivierbaren Prozesse? Diffusion oder Rekristallisation sind thermische aktivierte Prozesse.  Durch hohe Temperaturen besteht eine höhere Leerstellenkonzentration. Bei ausreichend schneller Abkühlung bleibt Leerstellenkonzentration weitgehend erhalten.Diese Überschussleerstellen beschleunigen Ausscheidungsvorgänge oder beeinflussen, das Verformungsverhalten der Metalle.
• Wozu führen nulldimensionale Gitterstörungen? Zu einer Verzerrung der Gitterstruktur. Diese Verzerrungen tragen zur Kristallverfestigung bei.
• Was versteht man unter eindimensionalen Gitterfehlern? Liniendefekte und Versetzungen. Stehen mit der plastischen Verformsfähigkeit der Metalle in unmittelbaren Zusammenhang.
• Wie entstehen Versetzungen? Beim Kristallisationsprozess wegen allgegenwärtiger Spannungs- oder Temperaturgradienten.  Oder unter Wirkung von Schubspannungen an Korn- und Phasengrenzen. Sowie die Neubildung bereits vorhandener Versetzungen.
• Was für Versetzungen gibt es? Die Schraubenversetzung und die Stufenversetzung.
• Was ist eine Stuenversetzung und eine Schraubversetzung? Unterscheiden sich im inneren Aufbau. In der Umgebung einer Versetzung ist das Gitter verzerrt. Richtung und Größe Verzerrung durch Burgers- Vektor b beschrieben. Entspricht der Wegdifferenz, die man beim Umlauf um eine Versetzung erhält. Stufenversetzung: zusätzliche eingeschobene Netzebene, die in den Bereich zu einer Aufweitung des Gitters führt. Schraubenversetzung: Gitterebenen im Bereich der senkrechten zu ihnen stehenden Versetzungslinien wendelförmig verzerrt. Die Versetzungslinien sind meist nur auf kurzen Teilstücken reine Stufen- oder Schraubversetzungen. Im allgemeinen Kombi aus beiden.
• Wozu führen Versetzungen (eindimensionale Gitterfehler)? Zu einer deutlichen Erhöhung der inneren Energie. Etwa 90% des Zuwaches der inneren Energie sind auf elastische Verspannungen des Gitters zurückzuführen.
• Welche Zweidimensionalen Gitterfehler gibt es? Großwinkelkorngrenzen, Kleinwinkelkorngrenzen,Stapelfehler, Phasengrenzflächen
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• Was versteht man unter Großwinkelkorngrenzen? Polykristalline Werkstoffe bestehen aus einer Vielzahl mehr oder weniger regelmäßig begrenzter Bereiche die Kristalle oder Körner genannt werden. Die Grenzflächen solcher Körner (in sich homogene Bestandteile eines Systems)werden als Großwinkelkorngrenzen oder Korngrenzen bezeichnet. Übergangszonen mit gestörten Gitteraufbau. Korngrenzenbildung ist Folge Erstarrungsvorganges. Atome so angeordnet, das auf beiden Seiten der Korngrenzen optimale Anpassung angestrebt wird.
• Was sind Kleinwinkelkorngrenzen? Orinetierungsunterschied der aneinandergrenzenden Gitter geringer. Las flächenhafte Anordnung von Stufenversetzungen aufgefasst. Angrenzende Gitterbereiche werden gegeneinander verkippt.
• Was sind Stapelfehler? Wenn bei dichtest gepackten Gitter die Schichtenfolge gestört ist. Z.B. statt wie beim der kubisch dichtest gepackten Schichtenfolge ABCABC dann ABCACABC. Diese Struktur ist auch dichtest gepackt, allerdings Stapelfolge ist gestört. Solche Fehler entstehen während des Wachstums sowie bei Phasenübergängen im kristallisierten Zustand. Auch mechanische Stapelfehler können Stapelfehler verursachen. Stapelfehler erschweren Versetungsbewegung, die bei der plastischen Verformung ein entscheidender Mechanismus ist.
• Was sind Phasengrenzen? Entstehen wenn Volumina unterschiedlicher Struktur und/oder verschiedener Zusammensetzung aneinandergrenze. In der Regel jede Oberfläche (fest-gasförmig) eine Phasengrenzfläche darstellt, werden diese zweidimensionalen Gitterstörungen zugeordnet. Entstehen auch bei inneren Ausscheidungen.Grenzfläche kohärent= Unterschied Gitterparameter gering, eine Phase kann durch Gitterverzerrung in andere übergehen. Grenzfläche ist teilkohärent= Unterschiede von Gitterkostanten sind zu groß, kann Gitteranpassung nur erfolgen, wenn regelmäßiger einbau von Versetzungen möglcih sind.
• Was sind dreidimensionale Gitterfehler? Ansammlung von Leerstellen, wie sie durhc Diffusion oder Neutronenbestrahlung entstehen können. Ansammlungen von substituierenden Atomen als Vorstufe zur Bildung von Ausscheidungen.
• Was versteht man unter Diffusion? Stofftransport, temperaturabhängige Teilchenwanderung in Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern, die durch PLatzwechselvorgänge erfolgt. Für Platzwechsel kommen Elemetarbausteine wie Atome, Ionen oder niedermolekulare Bestandteile in Frage.
• Was läuft bei der Diffusion ab? Im gasförmigen und flüssigen Zustand sind Elementarbausteine wie Atome, Ionen oder Moleküle relativ frei beweglich. Sie ändern ständig ihren Aufenthaltsort. Platzwechselvorgänge sind in diesen Aggregatzuständen also ein allgemenwärtiger Vorgang. In Feststoffe sind die Vorgänge komplizierter. Diffusionsmechanismus: Bindungskräfte die im Gitter zwischen Elemetarbausteinen wirken(Hauptvalenzbindungen) sind stärker, als solche die in Gasen oder Flüssigkeiten (Nebenvalenzbindungen) Moleküle untereinander binden. Die Elementafbausteine liegen im Hinblick auf ihre potentiellen Energieinhalte in verschiedenen Minima. Erbegetische Verhältnisse lassen sich durch mechanisches Modell stark vereinfachen:   In (4) u. (5) liegen die Bausteine in Energiemulden. Um die Kugeln in eine andere Potentialmulde zu überführen müssen sie ein Energiemaximum überwinden. Potentielle Energie nimmt dabei vorübergehend zu.= Aktivierungsenergie Q( Durch Erwärmung, Bestrahlung oder auch Verformung). Platzwechselvorgänge die durch thermische Energie ausgelöst werden, lassen sich durch die Arrthnius Gleichung beschreiben. bzw. R ist die Gaskomponente  (8,314 J/(molK), A ein Faktor und T Temperatut in Kelvin.    
• Was ist Selbstdiffusion? Platzwechsel durch gittereigene Bausteine.
• Was ist Fremddiffusion? Platzwechsel durhc Bausteine, die nicht zum Grundgitter gehören.
• Was unterscheidet die Volumendiffusion von der Grenzflächendiffusion? Volumend.: Stofftransport verläuft im Gitter Grenzflächend. Stofftransport entlang von Granzglächen. an den Grenzflächen sind die Bausteine weniger fest gebunden wie im Gitter. Aktivierungenergie ist geringer als im Gitter.Wichtige Fälle: Diffusion an äußeren Oberflächen und die Korngrenzenduffusion   Mit zunehmenden Temperatur überwiegend Volumend.
• Was charaterisiert der Diffusionskoeffizient? Die Geschwindigkeit mit der ein Platzwechsel erfolgt. Gibt Wanderungsbestreben einer Atomart in einem Gitter wieder. Wegen dichten Anordnung Elemetarbausteine in kristallinen Festkörpern direhkter Austausch zweier benachbarter Atome unwahrscheinlich. In Realstruktur laufen Platzwechselvorgänge energetisch günstger ab. Zwei Mechanismen zu beobachten. b. Platzwechsel über Zwischengitterplätze und c. Platzwechsel über Leerstellen
• Was passiert bei der Zwischengitterplatzwechsel? Zwischengitterdiffusion tritt wesentlichen bei Legierungen auf, in denen Atome einer anderen Phase auf Zwischengitterplätzen eines Wirtsgitters eingelagert sind. In der Hauptsache Fremdelemente wie Wasserstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff. Aktivierungsenergie für solche Elemente relativ gering.
• Was passiert beim Leerstellenmechanismus? Der läuft über nulldimensionale Gitterfehler. In reinen Metallen und in Austauschmischkristallen wirksam. Tritt vorwiegend in kubisch-flächenzentrierten Gittern. Zahl unbesetzter Gitterplätze nimmt mit steigender Temperatur zu. Durhc thermische Aktivierungsenergie werden Atome von Positionen gelöst und besetzen eine benachbarte Leerstelle. Erleichterung der Diffusion bei der Zunahme der Temperatur  sowohl auf Zunahme Schwindungsenergie der benachbarten Teilchen als auch auf Erhöhung der Leerstellenkonzentration zurückzuführen.
• Wann führen Platzwechselvorgänge zu messbaren Veränderungen? Wenn sie in eine bestimmte Richtung ablaufen. Orientierte Platzwechselvorgänge erst möglich, wenn treibende Kräfte vorhanden sind. -Konzentrations - oder Temperaturgradienten - Umwandlungsbetreben instabiler Phasen - Verringerung der Oberflächenenergie  
• Was sind Zweistoffsysteme? Werkstoffe können in Abhängigkeit von Randbedingungen in versch, Erscheinungsformen auftreten. Bereiche untersch. Kristallstrukturen können nebeneinander  oder mit Schmelze im GG liegen.
• Was sind Zustandsdiagramme? In Zustandsdiagrammen werden Existenzbereiche von Phasen, die sich untereinander im GG befinden dargestellt. Jeweilige Konzentrationen werden auf x Achse  (Abzisse)abgetragen und Temperatur auf der y Achse (Ordinate). Konzentrationen üblicherweise der beiden Phasen gegenläufig von 0% bis 100%.
• Was sind Phasengrenzlinien?  Grenzen an denen sich Phasenumwandlungen ändern. Z.B: Längenänderungen, magnetische Eigenschaften, elektrischer Widerstand oder Wärmeinhalt in Abhängigkeit von der Temperatur.
• Wie sind binäre Stoffsystem aufgebaut? Von zwei Systemkomponenten. Dabei kann es sich zwei Metalle aber auch um Kombinationen zwischen Eisen und Kohlenstoff handeln. Möglich sind auch Systeme aus einem Element und einer chemischen Verbindung. Entscheidend ist, das beide Komponenten durch Lösung ineinander oder durch Aufbau von komplizierten Strukturen oder durch Verbindungsbildung neue Phasen bilden.
• Was befindet sich oberhalb der Liquiduslinie? Die Schmelze. Liquiduslinie ist Grenze zwischen Schmelze und Zweiphasengebiet Schmelze und Mischkristall.
• Was befindet sich unterhalb der Soliduslinie? Der Substitutionsmischkristall
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• Was ist im "Linsenbereich"? Im Linsenbereich sind schmelzflüssige Phasen und Substitionsmischkristalle nebeneinander im GG. Die Gitterkonstanten gehen dabei ungefähr linear von denen der reinen Komponente A in die reinen Komponente B über.
• Wie lässt sich ein Zustanddiagramm interpretieren? Wird der Abkühlungsverlauf einer Schmelze mit einer bestimmten Zusammensetzung c, die zwischen A und B liegt, betrachtet, ergeben sich folgende Zusammenhänge: Ausgangspunkt sei eine ausreichend hohe Temperatur bei der nur die homogene Schmelze existiert. Die Schmelze bestünde am konkreten Beispiel vollständig aus Kupfer und Nickel. Die Temperatur muss an dieser Stelle entsprechend der Ausgangskonzentration so gewählt werden, dass sie oberhalb der Liquidus liegt. Von dieser Temperatur ausgehend wird bis zum Erreichen der Liquiduslinie abgekühlt. Nach dem Unterschreiten der Liquidusliniescheiden sich aus der Schmelze feste Mischkristalle aus. Die Mischkristalle enthalten zu diesem Zeitpunkt mehr Atome der höher schmelzenden Komponente als es der prozentualen Zusammensetzung der Ausgangsschmelze entspricht. Entsprechend ist die niedriger schmelzende Komponente im erstarrenden Mischkristall in Bezug auf die Zusammensetzung der Ausgangsschmelze unterrepräsentiert. Im Verlauf der weiteren Abkühlung werden zunehmend Atompositionen der Komponente B, im Beispiel also Nickel, von Atomen der Komponente A (Kupfer) substituiert. Im Erstarrungsverlauf ändern demnach die ausgeschiedenen Mischkristalle ständig ihre Zusammensetzung. Entsprechend muss sich auch die Zusammensetzung der Schmelze im Zweiphasengebiet ändern. Der Anteil der niedriger schmelzendenKomponente in der Restschmelze wird dabei größer. Bei weiterer Temperaturabnahme wird beim Verlassen des Zweiphasengebietes („Linse“) die Soliduslinie von der senkrechten Abkühlungslinie geschnitten. Die Soliduslinie trenntdas Zweiphasengebiet vom vollständig erstarrten Mischkristall. Die sich zuletzt bildenden Kristalle müssten im Beispiel also aus einer Kupfermatrix bestehen in die einige Nickelatome eingelagert sind. Während des Erstarrungsvorganges ändert sich jedoch bei ausreichend langsamer Abkühlung die Zusammensetzung der Mischkristalle solange, bis die Verteilung der Atome A und B homogen ist. Nach Unterschreitung der Soliduslinie erfolgt die vollständige Erstarrung der verbliebenen Schmelze. Der Festkörper hat schließlich die Zusammensetzung der Ausgangsschmelze. Der gleichmäßige Konzentrationsausgleich erfolgt über Platzwechselvorgänge (Diffusion!). Bei zu schneller Abkühlung ist ein vollständiger Konzentrationsausgleich nicht möglich. Innerhalb der Kristalle verbleiben Konzentrationsunterschiede der verschiedenen Atomarten, die das Legierungssystem aufbauen. Kristallite die solche Kristallseigerungen enthalten werden alsZonenkristalle bezeichnet.
• Was besagt das Hebelgesetz? Durch das Hebelgesetzt lassen sich für fest gewählte Temperatur prozentuale Massenanteile von Schmelze und Festkörpern im Zweiphasengebiet sowie die jew. prozentuale Zusammensetzung von Mischkristallen und Schmelze bestimmen.
• Wie wird die prozentuale Zusammensetzung von Mischkristallen und Schmelze berechnet? Durch das Hebelgesetzt. Durch das Zweiphasengebiet wird eine Isotherme gelegt. Die Lage der Isotherme hängt von der Temperatur ab, bei der das Mengenverhältnis bestimmt werden soll. Von dem Schnittpunkt der Isotherme mit der Liquidus bzw. der Solidus werden Lote gefällt. Schnittpunkt Lote mit Konzentrationsachse liefern Prozentwerte. c0 ist die Ausgangkonzentration. Abstände y und x werden berechnet durch y=c0-c  und x= cs-c0 Masseanteile von a-Mischkristallen und Schmelze bei gewählten Temperatur wie folgt berechnet.
• Wie lässt sich die prozentuale Zusammensetzung von Schmelze bzw. Festkörpern für eine bestimmte Temperatur ermittel? Durch die Schnittpunkte der Lote mit der Konzentrationsachse. Das Lot, das vom Schnittpunkt Isotherme/Solidus zur Konzentrationsachse gefällt wird, gibt Konzentration im Mischkristall wieder.
• Was befindet sich oberhalb der Liquiduslinie? Eine einphasige, homogene Schmelze.
• Was befindet sich unterhalb der Soliduslinie? Der einphasige, homogene Mischkristall.
• Wovon ist die Zusammensetzung von Mischkristall und Schmelze im Zweiphasengebiet anhängig? Von der jeweiligen Temperatur. Damit ist gemeint: Beispiel: Zwei binäre Legierungen mögen sich nur durch ihre prozentuale Zusammensetzung unterscheiden. Beide sind aus gleichen Atomsorten, die vollständig miteinander mischbar sind. Wenn beide Proben auf die gleiche Temperatur gebracht werden ist die Zusammensetzung der a-Mischkristalle im Zweiphasengebiet ( flüssig und fest) gleich. Was sich unterscheidet sind die Mengenanteile von Schmelze und Festkörpern die sich aus dem Hebelgesetzt ergeben.
• Was ist unter völligen Mischbarkeit im flüssigen und völlige Unmischbarkeit im festen Zustand gemeint? Binäres System: Beide Komponenten in Schmelze beliebig mischbar, im festen Zustand jedoch völlig unlösbar. Beispiel: Sn-Zn hier besteht feste Legierungsphase aus unterschiedlichen nebeneinader vorliegenden Kristallkörner, bei denne Gitterpositionen nicht durch Atome der jew. and. Legierungskomponente substituiert werden.
• Wie lässt sich das System der völligen Löslichkeit von den der völligen Mischbarkeit im flüssigen und völlige Unmischbarkeit im festen abgrenzen? Existenz einer eutektischen Zusammensetzung. Bei Legierungen die eutektisch zusammengesetzt sind, liegt ein Schmelzpunktminimum vor. D.h. sie verfügen über Erstarrungspunkt, der noch tiefer liegt, als der Erstarrungspunkt der niedriger schmelzenden Komponente.
• Wie setzt sich ein Zustanddiagramm der völligen Löslichkeit im flüssigen Zustand und der vollständigen Unlöslichkeit im festen Zustand zusammen? Besteht aus vier Feldern. Im homogen Bereich der Schmelze: sind die Atome der beiden Legierungskomponenten vollständig miteinander vermischt. Dann zwei Felder in denen die jew. auskristallisierte, reine Legierungskomponente A oder B mit homogenen Schmelze im GG stehen Die völlig erstarrte ist ein Kristallgemisch (Kein Mischkristall!) Die Kristalle werden jew. aus Atomen der A bzw. der Art B gebildet
• Wann erfolgt die vollständige Erstarrung der Restschmelze in Systemen der (flüssig löslichkeit /fest keine Löslichkeit)? Immer bei der gleichen Temperatur. Hintergrund: Im eutektischen Punkt liegen drei Phasen nebeneinander im GG: Schmelze, Legierungskomp. A und B. Unterhalb der Phasengrenzlinien Schmelze +A bzw. Schmelze +B befinden sich zwei voneinander getrennte Bereiche. Unterhalb der Erstarrungstemperatur des Eutektikums befindet sich Existenzbereich des festen Kristallgemische von Kristallen.  (recheckigerBereich unterhalb Isotherme, durch den eutektischen Punkt E. Legierungen eutektischer Zusammensetzung verfügen über Schmelzpunktminimum deutlich unter den Erstarrungstem. der einzelnen Legierungskomponeten. Dadrunter liegt eine Unterkühlung, dadurch vermehrte Keimbildung und dadurch ggseitige Behinderung Kristallwachstums. Es entsteht feines, häufige lamellares Gefüge.
• Wodurch zeichnen sich eutektisch erstarrte gefüge aus? Gute mechanische Eigenschaften, gute Vergießbarkeit und geringes Schwindmaß. Feinkörnige Gefüge verfügen über bessere mechanische Eigenschaften.
• Was bedeutet untereutekrisch? Legierungen die sich im diesem Bild im Konzentrationsbereich zwischen A und E befinden werden als untereutektisch bezeichnet. Nach unterschreiten der Phasengrenzlinie Schmelze/S+A kommt es im verlauf der weiteren Tem.abnahme zu Ausscheidung von Kristallen A. Dadurch verarmt die Schmelze an Atomen von A . Die Schmelze reichert sich dabei mit B Atomen an. Durch Kristallisationsvorgang verschiebt sich Verhältnis A/B in Richtung eutektischer Zusamensetzung an. Es verändert sich die Erstarrungstemperatur der Komponente. Diese wird mehr durch B bestimmt. Wenn die Temperatur den eutektischen Punkt erreicht hat, erstarrt die Restschmelze schlagartig. Eutektische Erstarrung der Restschmelze. Im gefüge liegen größere Körner der Komponente A und das Eutektikum mit feinverteilten Kristalliten A und B vor. 
• Was bedeutet Eutektisch? Wenn Zusammensetzung von Anbeginn eutektisch war, ist das Gesamtgefüge es auch.  Alle Atome verbleiben bis zum Erreichen der eutektischen Temperatur in der Schmelze. Diese Temp. liegt weit unterhalb der Schmelzpunkte der einzelenen Komponenten = Zustand starke Unterkühlung. Dadurch auch kleine Kristallkeime wachstumsfähig. Bei der Erstarrung wachsen in Kristallite rein. Wachsenden Kristallite bestehen abwechselnd aus Kristallen der Atomart A und Atomart B. Abstand der Kristalliten zwiebelschalenförmig. Je schneller Schmelze erstarrt, desto feiner lamellares Gefüge. Im Schliffbild  streifiges Aussehen.  Können auch feinkörmig aussehen.
• Was bedeutet übereutektisch? Konzentration rechts von E Beim Abkühlen kristallisiert erst B. Restliche Schmleze reichert sich mit noch schmelzförmig vorliegenden A an. Ansonsten gleich wie im untereutektischen Fall.
• Was passiert bei völliger Mischbarkeit im flüsigen und begrenzter Mischbarkeit im festen Zustand ( Randlöslichkeit)? Eutektisches System? Es liegen Bereiche der Mischkristallbildung neben Bereichen von Kristallgemischen aus Mischkristallen( a- Mischkristalle=weisen Kristallstruktur von A auf und  können Atome B lösen.) (b-Mischkristalle = Kristallstruktur von B und lösen Atome A). Mischkristalle befinden sich nur innerhalb bestimmter temperaturabhängiger Konzentrationen im thermodynamischen GG.Beispiele: Silber-Kupfer, Silber-Nickel oder Pb-Sn. Soliduslinie begrenzt Existenzbereich der festen Phasen Die Entmischung der homogenen Schmelze erfolgt nur in einem bestimmten Konzentrationsintervall.Die Schmelze zerfällt in ein Gemisch aus Mischkristallen( und nicht in Gemisch aus Reinkristallen)
• Wieso spricht man von Randlöslichkeit? In den Intervallen, die sich außerhalb der Mischungslücken befinden, also links und rechts daneben erstarrt Schmelze ähnlich wie in einem System völliger Löslichkeit.
• Unterschied Randlöslichkeitssystem und andere.? Existenz weiterer Phasengrenzlinien. Im festen Aggregatzustand Phasengrenzen zwischen a- bzw. b- Mischkristallen und dem Kristallgemisch a + b. a-Mischkristalle bei ca max. Lösungsvermögen für B Atomen und annalog für die A- Atome im b-Mischkristall.
• Was passiert bei der Randlösligkeit im peritektischen System? Vorgänge, bei denen sich aus Zweiphasengebiet Schmelze und Primärkristall eine neue Kristallart bilden =peritektische Umwandlung. Beispiele: Platin-Silber, Kupfer-Zinn. Im Gefüge ist kein Eutektikum vorhanden.Der Konzentrationsbereich zwischen den Punkten P und M2 ist eine Mischungslücke, die sich aus konzentrationsabhängigen Gemenge von Mischkristallen und Korngrenzsegregaten zusammen setzt. Innerhalb des Bereiches der Mischungslücken treten peritektische Umsetzungen auf. Im Gegensatz zum eutektischen System wird nur bei der Komponente mit dem höheren Schmelzpunkt durch Aufnahme des Legierungspartners die Temperatur des Erstarrungsbeginn erniedriegt. Bei anderen Komponente Beginn Erstarrung erhöht. Deshalb Zweiphasengebiet Schmelze/Legierungskomponente mit niedrigeren Schmelzpunkt nach unten geneigt.

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