Werkstofftechnik (Subject) / Baufehler realer Werkstoffe (Lesson)

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• Arten von Baufehlern Nulldimensionale Baufehlen/ Punktfehler ->betrifft Einzelatome bzw. einzelne Gitterplätze Eindimensionale Fehler/ Versetzungen -> lineare Ausdehnung Zweidimensionale Fehler -> Flächedefekte Dreidimensionale Fehler -> betreffen räumlich ausgedehnte Bereiche
• Punktdefekte 2 Atome auf Zwischengitterplätzen -> für höhere Festigkeit (Kohlenstoff in Eisen) Fremdatom oder artgleiches Atom aus Wirtsgitter Fremdatom bevorzugt Zwischengitterplat, wenn es kleiner als Atome des Wirtsgitters ist (Bsp: H,B,C,N)
• Wie entstehen Leerstellen? Durch Temperatur und die daraus resultierende Wärmebewegung -> bei hohen Temperaturen viele Leerstellen/ bei niedrigen ergo weniger Leerstellen -> Kristall mit bestimmter Dichte von Leerstellen hat günstigeren, niedrigeren         energetischen Zustand als ohne Leerstellne => bei höheren Temperaturen ermöglichen Leerstellen das Wander, Diffundieren der Atome im Gitter
• Ursache für das Entstehen von Gitterfehlern? Leerstellen entstehen schon durch Wärmeschwingungen der Atome Alle anderen Gitterfehler entstehen druch Fertigungsverfahren
• Ursachen für das Auftreten von Fremdatomen (Kristalle) in der Realität gibt es keinen reinen Stoff und außerdem immer mindestens eine endliche Löslickeit für Fremdatome in einem Kristall. Durch beschreunigte Abkühlung von hohen Temperaturen können Fremdatome den Kristall nicht mehr verlassen
• Wie wird die elektrische Leitfähigkeit durch Fremdatome oder Versetzungen beeinflusst? Gitterfehler senkt elektrische Leitfähigkeit Beweglichkeit von Elektronen wird herabgesetzt
• Atome auf Zwischengitterplätzen austenitischer Stahl mit 10 Prozent Kohlenstoff besetzten funktioniert nur mit keineren Atomen (z.B Wasserstoff)
• Substitutionsdefekt wird absichtlich gemacht, um gewünschten Zustand zu erreichen
• Stufenversetzung im Schnitt Kleinwinkelkorngrenzen können kaum sichtbar gemacht werden
• Zwilling punktsymmetrie = größere Symmetrie Spezialfall des Stapelfehlers
• Nulldimensionale Gitterstörungen Punktfehler sind Störungen von atomarer Größenordnung Fehler verzerren Gitter - innere Spannung => Festigkeit steigt
• Eindimensionale Fehler -Versetzungen entstehen beim Kristallisationsprozess infolge von Temperatur- und Spannungsgradienten weitere Versetzungen werden unter Wirkung von Schubspannungen an Korn- und Phasengrenzen gebildet Burgersvektor = Maß für Richtung und Größe der Verzerrung in der Umgebung der Versetzung
• Kräfte zwischen Versetzungen Versetzungen gleichen Vorzeichens stoßen sich ab, Versetzungen entgegengesetzten Vorzeichens zeihen sich an
• Zweidimensionale Fehler Kleinwinkelkorngrenzen  Großwinkelkorngrenzen  Zwillingskorngrenze
• Kleinwinkelkorngrenzen bestehen aus flächig angeordneten Versetzungen
• Großwinkelkorngrenzen = Bereich zwischen zwei aneinandergrenzenden Kristallen; Kristalle weißen großen Orientierungsunterschied auf -> Dieser Bereich hat eine Ausdehnung von zwei-drei Atomdurchmessern und besteht aus unregelmäßiger Anordnung
• Zwillingskorngrenze An Grenze spiegeln sich angrenzende Gitterteile Zwillingskristalle treten in Kristallen mit geringer Stapelenergie auf (z.B. Cu, Messing. austenitische Stähle) -> auch bei tiefen Temperaturen und schlagartiger Beanspruchung
• Allgemeines zu Baufehlern Phasen mit wenig unterschiedlichen Gitterparametern können durch gegenseitige Gitterverzerrung ineinander übergehen => kohärente Grenzfläche Bei größeren Unterschieden in den Gitterparametern kann die Anpassung nur bei gleichzeitigem Einbau von Vernetzungen erfolgen => teilkohärente Grenzfläche Bei "artfremden" Phasen ist die Grenzfläche inkohärent Grenzflächenenergie nimmt mit zunehmender Inkohärenz zu
• Punktfehler: Gekoppelte Defekte Schottky-Defekte -> Ionenkristall (Leerstelle immer gekoppelt mit Fehler im entgegengesetzten Teilegitter (Leerstelle) => Ladungsneutralität Frenkel-Defekte - Atom von Gitterplatz auf Zwischengitterplatz => Defektepaar Leerstelle
• Punktfehler 3 Substitutionsdefekte => Festigkeitssteigerung druch Einbau von einem Artfremden Atom auf regulären Gitterplatz gut wenn Fremdatom nicht allzu viel von dem Wirtsgitteratom abweicht (+/- 15%)
• Eindimensionale Baufehler Versetzungen Stufenversetzung im kubischen Primitivgitter (Netzebene ist unvollständig) Stufenversetzung im Schnitt (übersichtlicher; Liniendefekt) Beschreibt man Bewegung von Versetzungen (in jede Richtung gleich viele Atomabstände), dann bleibt ein Vektor zur Komplettierung => Burgers-Vektor
• Rezept zur Herstellung einer Stufenvesetzung (=eine Untere Halbebene entfernen und Bindungen neu verknüpfen= 1.Schneide den Quader an der Lineie BC bis AD ein 2.Kompriere den oberen Teil um eine Atomlage ->Burgers-Vektor weist in AB-Richtung; senkrecht auf Versetzungslinie AD
• Rezept zur Herstellung einer Schraubenversetzung 1. Schneide den Quader an der Linie BC bis AD ein 2. Lasse die Scherkraft in bzw. gegen die Richtung des späteren Burgers-Vektors einwirken ->Burgers-Vektor weist in AD-Richtung, Richtung der Versetzungslinie AD => real Versetzungen überwiegend gemischt->Richtung der Versetzungslinie ändert sich
• Wie kommt es zu Versetzungen? entstehen beim Wachsen von Kristallen aus der Schmelze, beim Gießen Wirkung: ermöglichen plastische Verformung, ohne Kristalle zu zerstören Verformung leicht: weicher, wenig fester Werkstoff
• Dreidimensionale Baufehler (Lunker, Poren, Einschlüsse, Ausscheidungen, Fremdkörper) Fehler sind bei einigen Verfahren unvermeibar (z.B. Poren im Druckguss) Manche Fehler sind erwünscht (z.B. härtende Ausscheidungen)
• Zweidimensionale Baufehler Grenzflächen aller Art Grenzflächen (Phasengrenzen) optimale Wechselwirkung nur mit Teil der Nachbarn; energetisch ungünstigere Anordnung Innere Oberflächen (Korngrenzen) optimale Wechselwirkung mit Nachbarn; energetisch günstigere Anordnung
• Großwinkelkorngrenzen (zweidimensionale Baufehler) Normale Korngrenzen mit geringem Symmetrieerhalt über Grenze
• Kleinwinkelkorngrenzen (zweidimensionale Baufehler) bestehen aus aufgereihten Versetzungen Ordnung und Symmetrie bleit weitestgehend erhalten Grenzflächenenenergie ist geringer als bei normalen Korngrenzen
• Korngrenzen niedrige Temeratur: positiv für mechanische Eigenschaften =>hohe Festigkeit und Zähigkeit
• Zwilling 2 spiegelsymmetrisch verwachsene Kristalle erniedrigung von Ordnung und Symmetrie in Grenzfläche -> kein vollständiger Symmetriebruch
• Stapelfehler falsch angeordnete hexagonale Netzebenen Symmetrie geht verloren (Umgebung)

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