Leerstellen / Gitterlücken
Leerstellen oder auch Gitterlücken sind Fehlstellen im Kristallgitter die von keinem Atom besetzt sind. Die Gitterstruktur des Metalls verformt sich um die jeweilige Fehlstelle herum. Diese Art von Gitterfehler nimmt bei Verformung und Temperaturerhöhung des Metalls zu.
Versetzungen
Versetzungen vergrößern sich durch plastische Verformung
Kristall mit idealer Gitterstruktur
Ein Kristall mit idealer Gitterstruktur kommt in der Natur nicht vor und wird ungestörte Gitterstruktur genannt Eine ideale Kristallstruktur liegt auch in sog. Einkristallen nur angenähert vor Idealkristalle finden sich am ehesten bei sog. ,,Whiskern" (Einkristall Nadelförmig)
Wie wird eine plastische Verformung ermöglicht?
Versetzungsbewegung als Verformungsmechanismus Äußere Beanspruchungen führen zu Versetzungsbewegungen und ermöglichen erst eine plastische Verformung. Plastische Verformung durch sukzessives (nacheinander) Lösen einzelner Bindungen zwischen den Atomen Lösen der Bindungen wird durch labilen( so dass sich etwas verändert) Spannungszustand unterstützt und bei deutlich gringen Beanspruchungen als der theoretischen Schubfestigkeit möglich. Versetzungen bilden Ring oder laufen bis zur Oberfläche (Stufenbildung) bzw. bis zur Korngrenze durch.
Wie bewegt man einen Teppich?
(Versetzungsbewegung als Verformungsmechanismus)
♦Den ganzen Teppich ziehen bedeutet Beanspruchung mit theoretischer Schubfestigkeit ♦Eine Teppichfalte bewegen bedeutet Beanspruchung mit deutlich kleineren Werte ( Texp << Tth) [ Den ganzen Teppich auf einmal ziehen, würde viel Kraft kosten, statdessen kann man eine kleine Falte mühelos durchschieben ]
Welche Arten von zwei Dimensionale Gitterfehler gibt es und wie entstehen sie?
Zwei-dimensionale Gitterfehler sind flächenförmig: Es gibt einmal die (Großwinkel)-Korngrenzen und Kleinwinkelkorngrenzen - (Großwinkel)Korngrenzen entstehen durch die ungerichtete Erstarrung aus der Schmelze (Kristallisation). Der Kristall ist dadurch begrenzt, ein Gefüge entsteht -Kleinwinkelkorngrenzen entstehen meist durch eine energetisch günstige Anornung von Versetzungen. Sie bilden eine Substruktur des eigentlichen Gefügekorns -(Großwinkel)Korngrenzen weisen großen Verzerrungen und teilweise große Lücken auf. Sie bilden damit starke Versetzungshindernisse
Welche Arten von zwei Dimensionale Gitterfehler gibt es und wie entstehen sie?
Zwei-dimensionale Gitterfehler sind flächenförmig: Es gibt einmal die (Großwinkel)-Korngrenzen und Kleinwinkelkorngrenzen - (Großwinkel)Korngrenzen entstehen durch die ungerichtete Erstarrung aus der Schmelze (Kristallisation). Der Kristall ist dadurch begrenzt, ein Gefüge entsteht -Kleinwinkelkorngrenzen entstehen meist durch eine energetisch günstige Anornung von Versetzungen. Sie bilden eine Substruktur des eigentlichen Gefügekorns -(Großwinkel)Korngrenzen weisen großen Verzerrungen und teilweise große Lücken auf. Sie bilden damit starke Versetzungshindernisse -Eine Zwillingsgrenze ist eine Sonderform der Großwinkelkorngrenze -Spiegelbildliche Anordnung der Kristallstrukturen führt zu einer verzerrungsfreien Korngrenze
Was ist ein Kristall-Gefüge?
-Ein Gefüge ist ein Polykristall aus Realkristallen -Versetzungen in Einkristallen fördern zunächst die plastische Verformung -Gitterdefekte stellen aber ihrerseits immer Hindernisse für die Versetzungsbewegung dar und lassen neue Defekte entstehen. -Bei Polykristallen verhindern die Korngrenzen die Versetzungsbewegung, so dass die Schubfestigkeit wieder ansteigt
Was heißt Erstarrung?
Der überwiegende Teil der metallischen Werkstoffe wird aus einer Schmelze gewonnen. Der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand durch Abkühlung (Unterkühlung) der Schmelze heißt Erstarrung.
Erkläre den Vorgang der Erstarrung (Kristallisation)
Metalle erstarren bei ausreichend langsamer Abkühlung in sog. Kristalliten (Körnern) und bilden ein Gefüge unterschiedlich ausgerichteter Körner. Nichtmetalle erstarren in amorphen Festkörperstrukturen ohne Fernordnung (unterkühlte Flüssigkeiten) In der Schmelze liegen die Atome ungeordnet vor Abkühlung entzieht den Teilchen Beweungsenergie Bei Unterschreitung der Schmelztemperatur Ts beginnt die Erstarrung
Was beschreibt die Abkühlungskurve?
Der Erstarrungsvorgang wird durch die Abkühlkurven beschrieben
Wann entsteht ein sog. Haltepunkt?
Bei der Erstarrung reiner Metalle entsteht ein sog. ,,Haltepunkt", da bei der Kristallisation Wärme frei wird und die Schmelze wieder aufheizt
Was zeigen Legierungen im Erstarrungsbereich?
Legierungen zeigen einen Erstarrungsbereich (,,Knickpunkte"), da zuerst Anteile der höherschmelzenden Komponente erstarren. Die Schmelze verarmt an diesen Atomen und die Schmelztemperatur verschiebt sich nach unten.
Wann startet die Kristallisation?
Die Kristallisation startet bei Unterkühlung der Schmelze und benötigt sog. Keime zur Kristallbildung.
Was benötigt die Kristallisation zur Kristallbildung?
Die Kristallisation benötigt sogenannte Keime zur Kristallbildung.
Wo entstehen Keime?
Bei homogenen Schmelzen reiner Metalle entstehen Keime durch Teilchen-Fluktationen: zufällige Anordnungen von Gitterstrukturen
Was fungiert als Keimbildner?
In realen Schmelzen fungieren Verunreinigungen, Legierungselemente oder Kokillenwände als Keimbildner (heterogene Keimbildung)
Wovon hängt das Wachsen der Keime ab?
Ob Keime zum Wachsen von Kristalliten führen, hängt von Ihrer Größe ab. Hintergrund sind energetische Betrachtungen zur Energiebilanz von Keimoberfläche und Keimvolumen In realen Schmelzen werden gezielt Fremdkeime eingebracht (,,Impfen")
Wovon hängt das Wachsen der Keime ab?
Ob Keime zum Wachsen von Kristalliten führen, hängt von Ihrer Größe ab. Hintergrund sind energetische Betrachtungen zur Energiebilanz von Keimoberfläche und Keimvolumen In realen Schmelzen werden gezielt Fremdkeime eingebracht (,,Impfen") Hohe Unterkühlung und ggf. Impfen der Schmelze führen zu starker Keimbildung
Wovon ist das Kristallwachstum abhängig?
Das Kristallwachstum ist stark abhängig von der Abkühlungsrichtung - Wärmeleitungseigenschaften sind durch die Kristallstruktur bestimmt -Bei starker Abkühlung wachsen die Kristalle entgegen der Richtung der Wärmeleitung -Beispiel Gussblock mit ungünstiger Gussgefügestruktur
Erstarrungsfehler
Lunkerbildung (Hohlraum) durch Schwindung beim Erstarrungsvorgang. (Schwindung ist die Volumenänderung eines Materials oder Werkstückes, ohne dass Material entfernt oder Druck ausgeübt wird) Seigerungen durch Entmischung von Legierungsbestandteilen oder Verunreinigungen
Wie entstehen Seigerungen?
Seigerungen durch Entmischung von Legierungsbestandteilen oder Verunreinigungen. Seigerungen: sind Entmischungen einer Schmelze bei der Metallherstellung. Sie entstehen beim Übergang der Schmelze in den festen Zustand
Was ist anisotrop?
- Bei einem Kristallgitter sind die Kristalleigenschaften richtungsabhängig ( anisotrop) Einkristalle sind anisotrop
Was ist Quasiisotropie?
Vielkristalle sind durch die statische Verteilung der Gitterausrichtung quasiisotrop
Wie entsteht eine Textur und welche Effekte haben Texturen in Blechen?
Texturen entstehen durch die künstlische Ausrichtung der Gitterstrukturen in einem Vielkristall (z.B. durch Walzen oder gerichtete Erstarrung) Texturen können durch Kaltverformung (Walzen) erzeugt werden Die Kaltumformung bewirkt eine Ausrichtung der Körner in Walzrichtung Effekte: Zur leichteren Magnetisierbarkeit werden Bleche für elektrische Maschinen mit Texturen versehen. Umformung von gewalzten Blechen führt zu Unregelmäßigkeiten Blech leitet in Walzrichtung (und senkrecht dazu) erhöhten Widerstand gegen Verformung (Zipfel)
Warum bildet sich bei der Abkühlungskurve reiner Metalle ein ,,Haltepunkt"?
Bei der Erstarrung reiner Metalle entsteht ein sog. ,,Haltepunkt", da bei der Kristallisation Wärme frei wird und die Schmelze wieder aufheizt.
Welche Faktoren begünstigen eine Erstarrung mit stabilem Kristallwachstum?
Keime zur Kristallbildung ,,Impfen", sprich es werden in realen Schmelzen gezielt Fremdkeime eingebracht, damit es zur starker Keimbildung kommt. Hohe Unterkühlung
Wie kann ein feinkörniges Erstarrungsgefüge erreicht werden?
Es kann erreicht werden, wenn man die Schmelze mit Fremdkeimen zuführt (,,Impfen")
Erläutern Sie das Gefüge des gegossenen Bauteils
Im Schritt des Bauteils sieht man Lunker und zum größten Teil Stängelkristalle. Durch die Form der Stängelkristalle sieht man, dass das Bauteil aus der Schmelze stark abgekühlt wurde.
Was bedeutet Anisotropie?
Anisotropie bedeutet, dass bei einem Kristallgitter die Kristalleigenschaften richtungsabhängig sind. So sind Einkristalle z.B. Anisotrop
Was ist Diffusion?
Diffusion ist ein thermisch aktivierter Transportmechanismus von Teilchen Diffusionsprozesse finden in gasförmigen, flüssigen und festen Körpern statt
Für was ist die Diffusion wichtig?
Gitterumwandlungsvorgänge Mischkristallbildung Erholung und Rekristallisation Ausscheidungsvorgänge Randschichtverfestigungen
Wo findet Diffusion statt?
Diffusion kann in allen Aggregatzuständen auftreten. Diffusionsprozesse finden in gasförmigen, flüssigen und festen Körper statt.
Wofür ist Diffusion wichtig?
Diffusion ist wichtig für: Gitterumwandlungsvorgänge, Mischkristallbildung, Erholung und Rekristallisation, Ausscheidungsvorgänge, Randschichtverfestigungen
Was heißt Mechanismus?
wie bewegt sich ein Atom von einem Gitterplatz auf den andere, oder aus einem Zwischengitterplatz auf den anderen
Welche Diffusionsmechanismen gibt es?
In einem Festköper findet Diffusion über sog. Platzwechselmechanismen statt. Es gibt 3 Stück. Ringtausch-Mechanismus Leerstellen-Mechanismus Zwischengittermechanismus - In Festkörpern findet Diffusion über sogenannte Platzwechselmechanismen statt.
Zwischengittermechanismus
Beim Zwischengittermechanismus wechselt ein Atom von einem Zwischengitterplatz zum nächsten. (Fremddiffusion bei interstitiellen Atomen) [Da wechselt der Platz von einer Lücke in die nächste Lücke] [Je größer das Gitter Atom ist umso mehr schiebt es die anderen Atome beiseite] Braucht keine Leerstelle
Leerstellen-Mechanismus
Beim Leerstellenmechanismus wandert ein Atom auf einen benachbarten freien Platz. Sie diffundieren dadurch dass da neben sogenannte Leerstelle ist bzw. ein freier Platz. (wichtig bei Atomen die substituiert im Gitter sind, wichtig für Eigendiffusion) [Die Fremd Atome sitzen auf regulären Gitterplätze und damit substituierend]
Ringtausch Mechanismus
Ringtausch, wechselt eine Gruppe benachbarter Atome etwa gleichzeitig ihre Plätze. (eher unwichtig für Eigendiffusion, weil sich im Grunde nichts ändert) [Die Fremd Atome sitzen auf regulären Gitterplätze und damit substituierend] [Funktioniert nur bei substituierten Atomen]
Substitutionsatom SMK:
Wenn ein Atom auf einem regulären Gitterplatz sitzt Die Fremd Atome sitzen auf regulären Gitterplätze und damit substituierend
Unter welcher Bedingung können Diffusionsvorgänge starten?
Diffusionsvorgänge starten bei ca. TD,min > 0,3 Ts
Was muss für jeden Platzwechselvorgang aufgebraucht werden?
Für jeden Platzwechselvorgang muss eine spezifische Aktivierungsenergie aufgebraucht werden (z.B. durch Erwärmung)Um von einem Platz auf den anderen zu kommen, braucht man Energie bzw. einen Antrieb um ihren Platz zu wechseln, Energie (Aktivierungsenergie) heißt sie machen das Material heiß.(Offen)30% der Schmelztemperatur in Kelvin ist die Grenze, da fängt die technisch messbare Diffusion an
Wodurch wird die Diffusion begünstigt?
Hohe Temperaturen begünstigen die Diffusion durch erhöhte Leerstellendichte. Es gibt noch einen Treiber für Diffusion die Richtung, es kommt immer darauf an ob mein Konzentrationsunterschied hat Es ist ein Treiber für die Diffusion die Konzentrationsunterschiede.
Wodurch entsteht eine gerichtete Diffusion?
Eine gerichtete Diffusion entsteht durch Konzentrationsunterschiede.
Erkläre das „Aufkohlen“ von Zahnrädern:
Aufkohlen: ich reichere die Randschicht eines Materials eines Bauteils hier beim Zahnrad mit Kohlenstoff an. Ein Stahl mit wenig Kohlenstoff, man tut den Stahl in einer heißen Flüssigkeit, und ist Kohlenstoffhaltig dann geht dieser Kohlenstoff aus der kohlenstoffreichen aus der Flüssigkeit über Diffusion über die Oberfläche. Der aufgekohlte Zustand ist noch nicht gehärtet einen Bereich habe die aufkohlende Atmosphäre die Konzentration c1. c1 ist sehr groß als in dem aufzukohlenden werkstoff, dann hat man ein Ausgleich Kohlenstoff, geht über in das material wenn Kohlenstoff aus der Atmosphäre in das Bauteil geht verarmt die Atmosphäre, dann sinkt der Gradient, dann ist der Treiber kleiner
Massentransport durch Diffusion kann mathematisch beschrieben werden.
Diffusion kann mit einer Formel beschrieben werden:
Diffusion kann mit einer Formel beschrieben werden:Der Massentransport durch Diffusion kann mathematisch beschrieben werdenm=D*A*δc/δxEin Querschnitt > wie viele Atome treten da durch, durch die Fläche, das kann man durch die Formel beschreiben.m:Diffusionsgeschwindigkeit bzw. Volumenstrom, dieser Volumenstrom soll groß oder klein sein, entweder eine sehr große oder kleine Diffusionsgeschwindigkeit, was kann man tun um m klein oder groß zu machen, wie kann ich es beeinflussen, man kann D(Diffusionskoeffizient) ändern um die Geschwindigkeit klein oder groß zu machen. D ist darstellbar über die Formel: D0*e^(( Q)/(R-T)) , wenn ich eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit haben will, dann muss ich ein großes D haben. Wenn ich die Temperatur groß mache dann wir D groß. Ich kann nur was an der Temperatur ändern, je heißer der offen ist umso größer wird D. Je größter T ist umso größter D und umso größer ist m.Je heißer es wird umso schneller läuft die Diffusion. Diffusionsgeschwindigkeit ist Zeitabhängig
Wovon ist die Diffusionsgeschwindigkeit abhängig?
Diffusionsgeschwindigkeit ist Zeitabhängig Die Konzentration des Kohlenstoffs in diesem Körper. Kohlenstoff diffundiert ein Aufkohlende Atmosphäre Zum Zeitpunkt t1(kleine Zeit) da hat man am Rand eine gleichbleibende Konzentration cs , sinkt mit zunehmendem Werkstoff tief meine Kohlenstoff Konzentration ab bis es auf das ausgangs Niveau geht c0, wenn man diesen Vorgang etwas länger macht t2 dann sieht man die Kohlenstoffkonzentration in der Tiefe nimmt zu, es geht immer tiefer in den Werkstoff rein, die Randkonzentration kann man nicht ändern denn es wird immer tiefer, bei t3 geht es immer weiter. Das gleiche beim Randentkohlen funktioniert genauso Die Diffusionsgeschwdingkeit kann ebenso durch die Diffusionsrichtung beeinflusst werdenWelche Diffusionsrichtungen gibt es? Es gibt 3 DiffusionsrichtungenDiffusion verläuft an der Oberfläche Oberflächendiffusion, oder entlang der Korngrenzen {Korngrezendiffusion], oder in den Gitterebenen Volumendiffusion.Realkristall mit fehler >Leerstellen, es weißt auch Korngrenzen auf also Pollykristallinen
Man kann Messungen machen mit „ Diffusion von Wolfram in Thorium“
Der Einfluss dieser unterschiedlichen Diffusionsrichtungen Auf der Y Achse logarithmisch Aufgetragen D (Diffusionsgeschwindigkeit) Die Geschwindigkeit ist bei der Oberfläche größer als bei der Korngrenze und Volumen(woran liegt das, das liegt daran das die Bindung zwischen den Atomen die ich im Volumen habe Auf der x Achse in Abhängigkeit der Temperatur, je höher die Temperatur desto höher steigt die Kurve umso höher ist auch die Diffusionsgeschwindigkeit m Die Gefüge Struktur zeigt sich dadurch das in einem Pollykristallin Diffusion stattfinden kann, und das sind die Diffusionsrichtungen
Warum ist die Diffusionsgeschwindigkeit von der Gefüge Struktur abhängig?
Von der Elementarzelle
Welche Vorteile haben Einkristalline Turbinenschaufeln?
Die Turbinenschaufel ist aus Nickel, Hochtemperaturwerkstoff (Bei hohen Temperaturen belastbar) Kriechfest Je wärmer es wird umso weicher(Zäher) wird es Hohe Festigkeit Nickel zeichnet aus, dass es einen Hohen Schmelzpunkt hat, das besondere ist das ich den Schmelzpunkt auch wirklich fast nutzen kann Nickel hat keine Allotropie Es besteht aus einem einzigen Kristallin bzw. nur einen Korn. [Schmelzpunkte bei Nickel und Eisen sind fast gleich]
