Werkstoffkunde 1 (Subject) / Grundlagen (Lesson)

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• Wie ist ein Atom aufgebaut? Der Atomkern besteht aus Protonen (positiv geladene Elementarteilchen) und Neutronen (neutralen Elementarteilchen).Der Atomkern ist von der Elektronenhülle umgeben. Elektronen (negativ geladen) umkreisen Kern. Zahl der Protonen definiert das Element Besonders stabile Konfiguration, wenn Elektronenhülle 8 Elektronen enthält - Idealzustand bzw. Edelgaskonfiguration
• Was bedeutet Elektronegativität? Die Elektronegativität ist eine Maßzahl für die Tendenz eines Atoms, Elektronen anzuziehen. Elemente mit niedriger E.-N. haben die Tendenz Elektronen abzugeben. Elemente mit hoher E.-N- haben die Tendenz, Elektronen aufzunehmen. Je weiter rechts im Periodensystem, desto nichtmetallischer und zunehmende Elektronegativität
• Welche "starken" Bindungskräfte zwischen Atomen gibt es? + Beschreibung 1. IonenbindungEntsteht durch Übergang von Ionen, ein Partner gibt gerne ein Elektron ab, ein Partner nimmt gerne eins auf. Für beide idealBesteht typischerweise aus Metall und Nichtmetall und heißt Salze 2. Kovalente BindungBeide Atome weisen einen Elektronenmangel auf der äußeren Schale auf, sind also bestrebt, Elektronen aufzunehmen. Kein Partner da, der Elektronen abgibt. Also gemeinsame Nutzung eines Elektronenpaares durch beide Atome. Typisch für organische Verbindungen - Methan) 3. Metallische BindungBindung zwischen Atomen von der linken Seite, d.h. mit wenig Elektronen auf der äußeren Schale. Wollen Sie loswerden, aber keiner da, der sie aufnimmt. Geben die Elektronen an einen gemeinsamen Pool, das Elektronengas, ab. Atomrümpfe positiv geladen, Elektronengas negativ geladen. Bindung durch die elektrostatischen Anziehungskräfte. Weil Elektronen frei beweglich, daher hohe elektr. Leitfähigkeit. Typisch für Metalle.
• Beispiele für "schwache" Bindungskräfte zwischen Atomen beruhen auf elektrostatischer Anziehung zwischen permanenten Dipolen Van der Waals-BindungenWasserstoffbrücken
• Definiere Kristallgitter, speziell für Metalle Welche Kristallgitterstrukturen gibt es bei Metallen? Kristallgitter bestehen aus Atomen, die sich in regelmäßigen Abständen in genau definierten Richtungen wiederholen. Ein Kristallgitter wird durch eine Elementarzelle (kleinste Einheit) beschrieben. Die Kristallgitterstruktur beschreibt die Art und Weise, wie die Atome in einem Festkörper regelmäßig angeordnet sind (Abstände und Richtungen) Bei Metallen treten radialsymmetrische Bindungen auf (in alle Richtungen gleich stark), also haben die Atome das Bestreben einer möglichst dichten Kugelpackung (im Raum 12 Nachbarn) krz - kfz - hdp
• Erläutern Sie die krz-Struktur und nennen Sie Beispiele Würfelförmiger Aufbau, Atome auf den 8 Ecken und im Zentrumkeine dichtestgepackte Struktur, jedes Atom berührt nur 8 Nachbaratome Packungsdichte 68% alpha-Eisen, Chrom, Wolfram, Molybdän
• Erläutern Sie Kfz und nennen Sie Beispiele würfelförmige Elementarzelle, Atome auf den 8 Ecken und auf den 6 Flächenmittendichtesgepackte Struktur Packungsdichte 74% gamma-Eisen, Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold
• Erläutern Sie hdp und nennen Sie Beispiele keine kubische Elementarzelle, sondern Form einer sechseckigen Säule mit hexagonaler Basis und Deckebene und eine auf Lücke versetzte Zwischenebene. Jedes Atom berührt 12 Nachbaratome - dichtestgepackt Packungsdichte 74% Magnesium, Zink
• Wie lassen sich Gitterdefekte unterscheiden? nach ihrer räumlichen Dimension Punktdefekte (0-dimensional)Liniendefekte (1-dimensional)Flächendefekte (2-dimensional)Volumendefekte (3-dimensional)
• Was bedeutet "Gefüge" Der innere Aufbau eines Werkstoffes mit der GEsamtheit aller Defekte
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• Wie erfolgt die Gefügecharakterisierung? Üblicherweise mit einem Lichtmikroskop, Speziallabore haben auch Rasterelektronenmikroskope und Transmissionselektronenmikroskope
• Was sind Punktdefekte? Nennen Sie verschiedene Beispiele Punktdefekte betreffen einzelne Atome. 3 Möglichkeiten:- Gitterplätze unbesetzt (Leerstelle), je höher die Temperatur desto mehr Leerstellen- Gitterplätze mit falschem Atom besetzt (Substitutionsatome), wichtig bei Legierungen- Atom sitzt in Gitterlücke (interstitielle Atome), Verzerrung des Gitters, z.B. C in FE
• Erläutern Sie Liniendefekte heißen Versetzungenzusätzlich eingeschobene Gitterhalbebene, Stufenversetzung oder Schraubenversetzung Versetzungen sind Träger der plastischen Verformung weichgeglühte Metalle (1mm³ - 1km Versetzungslinienlänge)Kaltverformung erhöht die Versetzungsdichte (1mm³ - 10.000km)
• Erläutern Sie Flächendefekte! In realen Metallen liegen Bereiche mit gleichem kristallinen Aufbau, aber unterschiedlichen Orientierungen vor. Bereich einheitlicher Orientierung heißt Kristallit oder Korn.Die Grenzflächen zwischen diesen Bereichen heißen Korngrenzen.Im Bereich der Korngrenzen keine festen Bindungsabstände. Körner haben üblicherweise eine statistische Verteilung innerhalb eines Werkstoffes, bei bestimmten Herstellprozessen (vor allem Umformung) entstehen aber Texturen (d.h. die einzelnen Kristallite zeigen paralle Ausrichtung - daraus resultiert Anisotropie (Richtungsabhängigkeit) verschiedener Werkstoffeigeneschaften.Flächendefekte: Korngrenzen oder Zwillingsgrenzen (geradlinige Grenzflächen, Orientierung beider Kristalle spiegelsymmetrisch zur Grenzfläche)
• Erläutern Sie Volumendefekte! Poren, Lunker und EinschlüsseLunker = besonders große Hohlräume, die beim Gießprozess entstehen Auscheidungsteilchen: sehr kleine volumenhafte Partikel, die sich im Innern der Körper befinden. nützlich zur Festigkeitssteigerung. Bilden sich aus Fremdatomen beim Abkühlprozess Dispersionsteilchen/Dispersoide = werden bereits der Schmelze zugegeben, bleiben thermisch stabil
• Mechanismus plastischer Verformungen Innerer Mechanismus der plastischen Verformung in Metallen ist die Bewegung von Versetzungen. Die Behinderung der Versetzungsbewegung durch die verschiedenen Gitterdefekte ist der entscheidende Mechanismus für die Festigkeitssteigerungen in Metallen
• Was ist eine Phase? Was sind die Zustandsgrößen? Eine Phase ist ein homogener Bestandteil eines stofflichen Systems mit (sich annähernd )gleichen chemischen und physikalischen Eigenschaften. Die Zustandsgrößen bestimmen, welche Phasen in einem System vorliegen- Temperatur und Druck, bei Mehrstoffsystemen auch Konzentration
• Wie führt man eine thermische Analyse durch? Wozu braucht man die? Präszise Messung des Temperatur-Zeit-Verlaufs beim Aufheizen/Abkühlen einer Substanz. Jede Phasenumwandlung ist mit Enthalpieänderung verbunden ->Unregelmäßigkeiten in der Kurve (Haltezeiten oder Knickpunkte) -> daraus Bestimmung der Umwandlungstemperaturen Die ermittelten Umwandlungstemperaturen dienen zur Aufstellung von Zustandsdiagrammen (zur Beschreibung von Legierungssystemen)
• Unterscheiden Sie endogene und exogene Erstarrung Bei der endogenen Erstarrung, bilden sich die Keime gleichmäßig verteilt in der Schmelze. Bei der exogenen Erstarrung findet die Keimbildung von der Tiegelwand aus statt.
• Warum möchte man feinkörnige Gefüge und wie erreicht man sie? bessere mechanische Eigenschaften (Festigkeit, Bruchdehnung, Zähigkeit) Feinkörnige Gefüge entstehen, wenn die Keimzahl möglichst groß ist- Fremdkeime durch Impfen der Schmelze, die Keimbildung fördert (heterogene Keimbildung)- beschleunigte Abkühlung -> Unterkühlung der Schmelze, keine Gleichgewichtstemperaturen
• Erklären Sie den Mechanismus beim Erstarren eines Metalls Wenn beim Abkühlen die Schmelztemperatur erreicht wird, bilden sich zunächst Keime. Keimbildung kann endogen oder exogen erfolgen. Im weiteren Verlauf der Erstarrung wachsen diese Keime durch Anlagerung von Atomen zu Körnern, bis die komplette Schmelze aufgebaraucht ist.

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