Werkstoffkunde (Fach) / Phasenumwandlung (Lektion)

Änderungen im festen Zustand Beeinflussung der Eigenschaften der Werkstoffe

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• Wodurch wird eine Phase charakterisiert? besitzt eine durchgehend gleiche Struktur bzw. atomare Anordnung hat eine nahezu konstante stoffliche Zusammensetzung zwischen unterschiedlichen Phasen existieren definierte Grenzflächen
• Sublimation sofortiger Übergang vom gasförmigen in den festen Zustand - spielt eine wesentliche Rolle bei der Herstellung elektronischer und optischer Elemente  (Aufdampfen von Schichten)
• Woraus setzt sich die innere Energie eines Stoffes zusammen? intermolekulare bzw. interatomare Energie potenzielle Wechselwirkungsenergie zwischen den Bausteinen kinetische Energie (Schwingung, Translation, Rotation)
• Thermodynamisches Gleichgewicht Unter gegebenen Bedingungen, welche sich nicht mehr ändern, erreicht ein Stoff einen Endzustand in Bezug auf seinen mechanischen, thermischen und chemischen Zustand. Dies ist sein thermodynamisches Gleichgewicht.
• Was sind Keime? Erste Anfänge des kristallinen Zustands beim Übergang flüssig/fest
• Welche Formel beschreibt eine Änderung der Freien Enthalpie? ΔG = ΔGV + ΔGG ΔG = Minimum der Freien Enthalpie ΔGV = freiwerdender Energiebetrag (bei Keimbildung) --> Volumenterm ΔGG = benötigte Energie zum Aufbau eines Keims
• Kann ein Keim bei seiner Entstehung beliebig klein sein? Nein, denn er muss eine bestimmt Mindestgröße haben, den kritischen Keimradius rk. ein stabiler Keim ensteht nur, wenn r > rk
• Was ist eine Unterkühlung? Die Temperatur eines sehr reinen Stoffes muss etwas unter den Erstarrungspunkt absinken, bevor es zur Keimbildung kommen kann. Die Unterschreitung des Erstarrungspunkts wird mit ΔT angegeben. Der kritische Keimradius sinkt mit zunehmender Unterkühlung ab, die Keimbildungshäufigkeit nimmt zu.
• Wodurch wird die Ausbildung eines feinkörnigen Gefüges begünstigt? durch eine hohe Keimzahl (siehe Imfpen) durch eine starke Unterkühlung (Verringerung des rK) durch schnelles Abführen der Erstarrungswärme
• Wie entsteht ein grobkörniges Gefüge? durch ein großes Kristallwachstum im Verhältnis zur Keimbildung
• Was ist ein Einkristall? Ein Einkristall ensteht, wenn ein arteigener Keim in die Schmelze hineinwächst. Sofern dieser eine Vorzugsrichtung hat, wächst der Einkristall in dieser Richtung weiter. Einkristalle spielen in der Halbleitertechnologie eine große Rolle (Ausprägung elektrischer Eigenschaften in eine bestimmte Richtung)
• In welcher Form kann eine Anlagerung von Bausteinen an einen Keim erfolgen? Halbkristalllage (Schraubenversetzung; geringste Energiemenge wird benötigt) Stufenlage (benötigt eine größere Energiemenge) freie Fläche (benötigt die größte Energiemenge) Die Anlagerung an einen Keim erfolgt in regelmäßiger Reihenfolge.
• Auf welche Art und Weise kann eine Keimbildung ablaufen? homogene Keimbildung:- der Keim bildet sich frei in der Schmelze- lässt sich gut unter Bedingungen der Schwerelosigkeit realisieren heterogene Keimbildung:- tritt bei praktisch alle technischen Erstarrungsprozessena auf- Keim lagern sich an Grenzflächen an (Wand der Gussform/ Verunreinigungen)- Verunreinigungen = Fremdkeime (meist höherer Schmelzpunkt)
• Was ist Impfen? Da sehr reine Stoffe aufgrund weniger Verunreinigungen meist grobkörnig kristallisieren wird die Keimanzahl durch die künstliche Zugabe von  Fremdkeimen /arteigenen Keimen  erhöht, um ein feinkörniges Gefüge zu erhalten.
• Wie entstehen Dendriten? Dendriten sind Tannenbaumkristalle, welche sich aufgrund des richtungsabhängigen (anisotropen) Verhaltens beim Kristallwachstum bilden. zwischen den Dendriten erstarrt die Restschmelze gemeinsam ergibt dies ein Korn
• Primärgefüge Das Gefüge, welches unmittelbar nach der Erstarrung auftritt.
• Sekundärgefüge Das Gefüge, welches nach Verformung oder Wärmebehandlung auftritt.
• Was sind Lunker? makroskopische Hohlräume (Schwingungshohlräume) treten in Folge von Volumenkontraktion auf können beim Walzen oder Schmieden verschweißen- vorausgesetzt sie enthalten keine Oxidhäute
• Wie kann man die Bildung von Lunkern vermindern? Durch den Einsatz von Steigern, welche ein kontinuierliches Nachfließen der Schmelze ermöglichen.
• Wie entstehen Gasblasen im Werkstoff? Flüssigkeiten haben eine höhere Löslichkeit für Gase. Beim Erstarren können diese ggfs nicht mehr entweichen und werden im Gussblock fixiert Durch die Ausscheidung von Wasserstoff entstehen Flocken (oft beim Einsatz von feuchtem Schrottgut)
• Wie kann man die Bildung von Gasblasen verhindern? Durch das Gießen oder Schmelzen im Vakuum.
• Wie entstehen Risse? bei weiterer Volumenkontraktion speziell beim Aufeinandertreffen unterschiedlicher Querschnitte- eine Regel gussgerechten Konstruierens ist es zu verhindern, dass unterschiedliche Wanddicken aufeinander stoßen
• Was sind Seigerungen? Konzentrationsunterschiede im Gussblock
• Welche Arten von Seigerungen gibt es? Schwerkraftseigerungen- bei großem Unterschied des spezifischen Gewichts der Legierungspartner (Fe, Pb)--> der schwerer Legierungspartner sinkt zu Boden Blockseigerungen- Konzentrationsunterschiede über den Blockquerschnitt--> bei Stahl v.A. die Elemente P und S 
• Wie lassen sich Seigerungen minimieren? Durch besonders hohe Reinheit beim Erschmelzen.
• Wie nennt man den Übergang von Gasförmig nach Fest? Sublimation
• Wie entsteht eine Sublimation? bei besonders hohen Abkühlgeschwindigkeiten (104 - 109 K/s) dadurch kann kein Kristallgitter entstehen
• Was ist eine Epitaxie? Der Kristall der Schicht wächst in einer bestimmten kristallografischen Richtung auf dem Wirtsmetall
• Was sind Whisker? nadelförmige Einkristalle mit wenigen μm ∅ und mehreren 100 μm Länge zeichnen sich durch eine sehr hohe Festigkeit aus
• Was bedeutet CVD Verfahren? Chemical Vapour Desposition (chemische Gasphasenabscheidung) "Aufbacken" einer im gasförmigen Zustand vorliegenden Metallschicht
• Was bedeutet PVD-Verfahren? Physical Vapour Desposition (physikalische Gasphasenabscheidung) Aufdampfen
• Was ist Diffusion? Phasenänderung im festen Zustand Wechsel der Gitterplätze von Atomen, Ionen oder niedermolekularer Bestandteile aufgrund thermischer Anregung "Durchmischung"  eines Stoffes bewirkt einen Ausgleich lokaler Konzentrationsunterschiede
• Wovon hängt die Diffusion ab? U.a. von der Anzahl an Leerstellen im Kristallgitter, welche eine Wanderung der Atome ermöglichen
• Was ist Selbstdiffusion? Diffundieren arteigener Atome im Gitter
• Was ist Fremddiffusion? Diffundieren artfremder Atome im Gitter.

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