Werkstoffkunde (Fach) / WKa (Lektion)

Werkstoffe

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• Erkläre den Fließbereich im Spannungs-Dehnungs-Diagramm Erhöht man die Spannung geringfügig, kann es bereits zur Überschreitung der Proportionalitätsgrenze kommen. Das Material beginnt zu fließen, wenn mit zunehmender Dehnung die Spannung gleich bleibt oder sogar sinkt. Hier kommt es zu ersten plastischen Verformungen. Dieser Bereich wird Streckgrenze (oder Fließgrenze) genannt. Ist innerhalb der Fließgrenze ein Abfallen der Spannung zu verzeichnen, dann wird der Bereich, in dem das Material fließt, in eine untere und obere Streckgrenze unterteilt. Es wird als erstes die obere Streckgrenze erreicht, was mit einem ersten, plötzlichen Qualitätsverlust einhergeht. Die benötigte Spannung, um das Material weiter zu dehnen, nimmt dadurch sofort ab und erreicht den niedrigsten Fließpunkt (untere Streckgrenze). Nach Überschreiten der Streckgrenze (obere oder untere) ist das Material nicht mehr reversibel und gelangt nicht mehr in seine ursprüngliche Form zurück.
• Erkläre die Materialverfestigung im Spannungs-Dehnungs-Diagramm Erhöht man die Spannung weiter, bilden sich im Kristallgitter stehende Versetzungen, die die noch gleitenden Versetzungen an ihrer Bewegung hindern. Es kommt zu einer Verfestigung des Materials, da die Spannung im Kristallgitter weiter zunimmt. Die Spannung muss so sehr stark erhöht werden, damit weitere plastische Verformungen entstehen. Irgendwann ist allerdings das Kraftmaximum des Materials erreicht und es beginnt einzuschnüren.
• Erkläre die Einschnürung im Spannungs-Dehnungs-Diagramm Die Einschnürungen entstehen, wenn im Kristallgitter des Materials die vielen Versetzungen nicht mehr zu einer Verfestigung führen, sondern zur Bildung von Hohlräumen. Die Hohlräume führen auch dazu, dass der Querschnitt des Materials abnimmt. Das bedeutet, dass die Kraft auf einen immer kleiner werdenden Querschnitt wirkt (Spannung nimmt also zu). Irgendwann wird die Einschnürung so stark, sodass der verkürzte Querschnitt die Spannung nicht mehr halten kann. Das Material reißt.
• Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit Dehngrenze.   Das SDD mit Dehngrenze besitzt keine Streckgrenze, d.h. es erfolgt ein kontinuierlicher Übergang zwischen dem elastischen und dem plastischen Bereich. Dieses Diagramm hat eine Dehngrenze innerhalb des plastischen Bereichs.
• Eigenschaften des Werkstoffs im Spannungs-Dehnungs-Diagramm. steif / elastisch Im Bereich der elastischen Verformung verläuft der Graph in einer geraden Line. Vom Steigungswinkel dieser Gerade kann man ableiten, wie steif das Material ist. Umso steiler diese Line ansteigt, desto steifer ist der Werkstoff. Verläuft der Graph flacher, handelt es sich somit um ein elastischeres Material. hart / weichDesto höher die Grenze liegt, in der das Material zu fließen beginnt, desto härter ist es. Härtere Materialien haben den Vorteil, dass sie viel mehr Kräfte aufnehmen können bevor sie sich verformen. Dies ist besonders für tragende Konstruktionen wichtig. Weiche Werkstoffe lassen sich dafür einfacher Verformen. stark / schwachStarke Werkstoffe können viel höheren Spannungskräften standhalten. Schwache Werkstoffe bilden schon bei geringerer Spannung schnell Einschnürungen aus, wodurch sie auch eher reißen. spröde / zähDie letzte wichtige Eigenschaft ist die Unterscheidung in spröde oder zähe Werkstoffe. Spröde Materialien vertragen wenig Zugkraft und brechen deutlich schneller. Zähe Werkstoffe haben außerdem den Vorteil, dass sie bei Überlastung starke Verformungen ausbilden bevor sie reißen. So werden Materialermüdungen schon lange vor dem Zerreißen visuell sichtbar, sodass darauf noch reagiert werden kann.
• Beschreibung der Quantenzahlen (Struktur der Elektronenhülle) Quantenzahl          Formelzeichen       Wert                             Bedeutung  Hauptzahl-            n                                1,2,3,...                       Schalennummer: ≤ 2n2  Elektronen Neben-                 l                                 0,1,2,...n-1                 Bahn- bzw. Orbitalform magnet-             m                                 0, +- 1,+-2,.....,+-      räumliche Lage des Orbitals Spin-                   s                                 +- 1/2                         Eigendrehsinn des Elektrons
• Was versteht man unter Wellen-Teilchen-Dualismus? Unter dem Wellen-Teilchen-Dualismus von Elektronen versteht man, dass Elektronen nicht nur Teilchen sind, sondern auch den Charackter von Wellen tragen, z.B.  bei Beugung. [In der Debatte, ob Licht entweder aus Teilchen oder aus Wellen besteht, wurde bald herausgefunden, dass auch für Elektronen ein Welle-Teilchen-Dualismus besteht.]
• Was ist ein Atom-Orbital? Ein Atomorbital ist in den quantenmechanischen Modellen der Atome die räumliche Wellenfunktion eines einzelnen Elektrons in einem quantenmechanischen Zustand.
• Bohrsches Atommodell Die Quantenmechanik besagt, ein Elektron bewegt sich strahlungsfrei auf Bahnen, bei denen der Drehimpuls (m v r) ein ganzzahligess Vielfaches einer Grundeinheit ist.
• Wie entsteht die Kovalente Bindung? ♦ Die Kovalente Bindung entsteht durch die gemeinsame Nutzung von Elektronenpaaren, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Kovalente Bindungen entstehen meist zwischen gleichartigen Atomen oder verschiedenen Atomen ähnlich hoher Elektronegativität. Kovalente aufgebaute Atomverbunde (Moleküle) sind Nicht- oder Halbleiter Die kovalente Bindungen ist eine gerichtete Bindung und kann je nach räumlichen Aufbau des Moleküls zu Ladungsschwerpunkten (Polaritäten) führen ♦ Bedeutung der Atomorbitale bei der Gitterstruktur Unpolare Anordnung Dipol mit erhöhter Elektronegativität beim Fluor-Atom „Wasserstoff gibt Elektron a"
• Wie entsteht Ionenbindung? ♦Die Ionenbindung entsteht zwischen zwei Atome mit stark unterschiedlichen Elektronegativitäten durch Elektronenübergang. ♦Das Atom mit der geringeren Elektronegativität gibt ein oder mehrere Elektronen an das elektronegativere Atom ab Metalle (1.-3. Hauptgruppe) an Halb- und Nichtmetalle (5.-7. Hauptgruppe) ♦Die Verbindungen sind meist sog. Salze ♦Entstehung der Ionen positive geladene Kationen negativ geladene Anionen Kation meist kleiner als Anionen (,,weniger besetzte Schalen") ♦Atome erreichen jeweils Edelgaskonfiguration (Oktettregel, vollbesetzte Schale) ♦Zwischen den geladenen Atomen (Ionen) entstehen elektrostatische Anziehungs- und Abstoßungskräfte 
• Bei der Ionenbindung, wohin führen die elektrostatischen Kräfte? Die elektrostatischen Kräfte führen zu einer Gitterstruktur des Atomverbunds (Kristall) Atome nähern an, bis ein Gleichgewicht zwischen anziehenden und abstoßenden Kräfte entstanden ist. Kräftegleichgewicht führt zu regelmäßiger Gitterstruktur Kristall ist wegen der ungerichteten Kräfte ohne Ladungsschwerpunkt
• Wie entsteht die Metallische Bindung? ♦Die Metallische Bindung entsteht durch die Abgabe aller Valenzelektronen zu einem gemeinsamen, den Atomverband umgebenden „Elektronengas" ♦Atome (Ionen) erreichen damit Edelgaskonfiguration ♦Die Anziehungskräfte zwischen den positiv geladenen Kationen und dem Elektronengas führen zu einem Atomverband
• Wo treten Metallische Bindungen auf? ♦Die Metallische Bindungen treten bei Metallatomen mit geringer Elektronegativität auf (1.-3. Haupt- bzw. Nebengruppe) ♦Die im Elektronengas gemeinsam genutzten Elektronen sind nicht an ein Orbital gebunden ♦ Bindung ist ungerichtet und ohne Ladungsschwerpunkt ♦ Gitterstruktur bildet sich durch das Streben nach dichtester atomarer Packung und ist abhängig von der Geomterie der Atome  ♦ Primärbindung mit der geringsten Bindungsenergie ♦ Die Metallische Bindung ist die Ursache für die typischen Eigenschaften der Metalle: Gute Verformbarkeit Gute elektrische Leitfähigkeit Glanz (Hohes Reflexionsvermögen) Intransparenz
• Wasserstoff -Brückenbindung (Sekundärbindungen) Zwischen den Dipolen des Wasser-Moleküls entstehen elektrostatische Anziehungskräfte Die Moleküle werden durch die zusätzliche Bindung zu einer Struktur geordnet  Existiert nur bei Wasserstoff, da das elektropositive Wasserstoffproton keine abstoßende Elektronenhülle mehr besitzt
• Van-der-Vaals-Wechselwirkung (Sekundärbindungen) Durch Fluktuationen in der Elektronenhülle ändert sich ständig der Ladungsschwerpunkt (auch bei unpolaren Atomverbunden) Die Moleküle werden durch die zusätzliche Bindung zu einer Struktur geordnet Existiert nur bei Wasserstoff, da das elektropositive Wasserstoffproton keine abstoßende Elektronenhülle mehr besitzt 
• Van-der-Vaals-Wechselwirkung (Sekundärbindungen) Durch Fluktuationen in der Elektronenhülle ändert sich ständig der Ladungsschwerpunkt (auch bei unpolaren Atomverbunden)  Der „zufällig entstehende" Ladungsschwerpunkt induziert bei den Nachbarmolekülen ebenfalls polare Ladungsverteilungen  Zwischen diesen Dipolen bilden sich elektrostatische Kräfte
• Aufbau der Materie bestimmt die Verformungseigenschaften Die Bindung bestimmt die Gitterstruktur bestimmt das Verformungsverhalten  Salz hat Ionenstruktur Verschiebung der Gitterebenen führt zu Abstoßungskräften zwischen den Elektronenhüllen Sprödbuch Die Bindung bestimmt die Gitterstruktur bestimmt das Verformungsverhalten Metall in dichtester Packung Verschiebung der Gitterebenen wird zugelassen, da der Zusammenhalt durch das Elektronengas bleibt Verformung möglich
• Benennen Sie die interatomaren Bindungen Es gibt die  Primärbindungen (Chemische Bindungen): Ionenbindung Kovalente Bindung Metallische Bindung Sekundärbindungen (Physikalische Bindungen): Wasserstoffbrückenbindung Van-der-Waals-Wechselwirkung
• Erklären Sie die grundlegenden Ursachen von Primär- und Sekundärbindungen Die Ursache für Primärbindungen ist, dass die beteiligten Atome immer die Edelgaskonfiguration als energetisch günstigen Zustand anstreben. Die Bindungsenergie ist hierbei größer als100 kJ/Mol. Die Ursache für Sekundärbindungen ist, dass die Bindungen aus elektrostatischen Anziehungskräften zwischen Atomen bzw. Molekülen mit sogenannten Ladungsschwerpunkten resultieren. Die Bindungsenergie beträgt hierbei ca. 20kJ/Mol.  
• Was ist ein Salz? Die Verbindung eines Metalls mit einem nicht Metall. Salz hat eine Ionenstruktur Verschiebung der Gitterebenen führt zu Abstoßungskräfte Sprödbruch
• Erklären Sie einen Dipol anhand des Wassermoleküls? [Ein Dipol-Molekül ist ein elektrisch neutrales Molekül, in dem die Elektronen unsymmetrisch verteilt sind und sich daher ein Dipol ausbildet. Die Schwerpunkte der positiven und der negativen Ladungen fallen also örtlich nicht zusammen, sodass das Molekül eine Polarität mit einem positiven und einem negativen Pol aufweist, es handelt sich um eine polare Atombindung. Neben polaren Atombindungen tragen auch freie Elektronenpaare zur Polarität bei.] (z.B. Magnet hat einen neg. und pos. Pol) ♦Wasserstoff-Brückenbindung: Zwichen den Dipolen des Wasserstoff-Moleküls entstehen elektrostatische Anziehungskräfte Die Moleküle werden durch die zusätzliche Bindung zu einer Struktur geordnet Existiert nur bei Wasserstoff, da das elektropositive Wasserstoffproton keine abstoßende Elektronenhülle mehr besitzt
• Wie ist ein Festkörper gekennzeichnet? Ein Festkörper ist durch stabile Primär und/oder Sekundärbindungen gekennzeichnet.
• Was kann in einem Festkörper übertragen werden? In einem Festkörper können Kräfte übertragen werden.
• Woraus besteht ein fester Körper? Ein fester Körper besteht aus unbeweglichen, fest miteinander verbundenen Atomen, (sonst hätte wir eine Flüssigkeit oder ein Gas).
• Welche Festkörperstrukturen gibt es? Die amorphe Struktur und die Kristalline Struktur.  Kristallin Verband/Struktur: -          Regelmäßige Fern- und Nahordnung der Teilchen (Atome oder Moleküle) -          Kristalliner Verband nach außen hin elektrisch neutral -          Struktur bei kovalenter Bindung durch Form und Richtung der Bindungselektronen bestimmt. -          Struktur bei Ionen- und Metallische Bindung durch den Ausgleich der elektrostatischen Kräfte und durch die Größenverhältnisse der Teilchen bestimmt Amorpher Verband: -          Teilchen sind hauptsächlich kovalent gebunden (Moleküle) -          Es besteht nur eine sog. Nahordnung -          Fernordnung nur durch temporäre Sekundärbindungen, meist ungeordnet 
• Wie ist ein Kristallin Verband/Struktur angeordnet? wie verhält es sich? -          Regelmäßige Fern- und Nahordnung der Teilchen (Atome oder Moleküle) -          Kristalliner Verband nach außen hin elektrisch neutral -          Struktur bei kovalenter Bindung durch Form und Richtung der Bindungselektronen bestimmt. -          Struktur bei Ionen- und Metallische Bindung durch den Ausgleich der elektrostatischen Kräfte und durch die Größenverhältnisse der Teilchen bestimmt.   
• Amorpher Verband: -          Teilchen sind hauptsächlich kovalent gebunden (Moleküle) -          Es besteht nur eine sog. Nahordnung -          Fernordnung nur durch temporäre Sekundärbindungen, meist ungeordnet 
• Wie ist das Gitter eines Idealkristalls aufgebaut: -          In Kristallen sind die Atome in Gitterstrukturen angeordnet -          Atome der Kristallstrukturen versuchen gemäß den Größen- und Kräfteverhältnisse immer eine möglichst dichte Gitterstruktur zu erreichen -          Eine ungestörte Gitterstruktur wird Idealkristall genannt Eine Kristallstruktur ist durch seine Elementarzelle weitgehend beschrieben.
• Einfachste räumliche Gitterstruktur: Kubisches Raumgitter
• Eine Kristallstruktur ist durch seine Elementarzelle weitgehend beschrieben: Die Elementarzelle ist die kleinste Einheit eines Kristallgitters. Sie gibt Aussage über die Gitterpunkte in einem Kristall. Man kann einen Kristall als dreidimensionale Aneinanderreihung von Elementartzellen verstehen.
• Nennen sie die wichtigsten Gittertypen/Elementarzelle: Kubisch-flächenzentrierte Elementarzelle krz, Kubisch-raumzentriete Elementarzelle, Hexagonal-dichtestgepackte Elementarzelle
• Kristallbeschreibung durch Bravais-Gitter: Im Kristall wird die Elementarzelle betrachtet. Es existieren 14 verschiedene Bravais-Gitter, die den 7 Kristallsystemen zugeordnet werden könne. 7 Kristallsysteme: Trikilin, Monoklin, Rhomisch, Tetragonal, Rhomboedrisch, Hexagonal, Kubisch
• Geometrische Beschreibung (Raumgitter) der Elementarzelle: Kristallbeschreibung durch Bravais-Gitter Die Elementarzelle  hat 3 Gitterkonstanten (a, b und c) und 3 Winkel (α, β und γ) Packungsdichte der 3 wichtigsten Elementarzellen: Krz: 0,68 Kfz: 0,74 Hdp: 0,74
• Packungsdichten: Die Packungsdichte gibt an, wieviel Volumenanteil der Elementarzelle durch Kugeln (Atome) verdrängt wird. Die Kugeln berühren sich dabei.
• Welche Elementarzelle hat die höchste Packungsdichte? Das Kfz und Hdp 
• Kubisch-raumzentriertes Gitter (krz): Das kubisch raumzentrierte Gitter besteht neben den 8 Atomen in den Würfelecken zusätzlich aus einem Atom in der Würfelmitte. 
• Kubisch-flächenzentriertes Gitter (kfz): Das kubisch flächenzentrierte Gitter besteht neben den 8 Atomen in den Würfelecken zusätzlich aus je einem Atom auf den Mitten der sechs Würfelflächen. Das Atom in der Mitte der Würfelfläche muss nur mit einer benachbarten Elementarzelle geteilt werden. 
• Hexagonales Gitter (hex): Das hexagonale Gitter wird auf der ober und unter Seite von 6 Atomen auf den Ecken begrenzt, die mit den 12 benachbarten Elementarzellen geteilt werden müssen.     Darüber hinaus müssen die Atome in der Mitte des Sechsecks mit einer benachbarten Elementarzelle geteilt werden. In der mittel Ebene befinden sich weitere 3 Atome in den Lücken der Ober- und Unterseite, die nicht geteilt werden müssen. 
• Gitterebenen: Unter Gitterebenen versteht man Ebenen, welche sich in das Gitter legen lassen und auf denen sich Atome befinden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Netzebenen oder Atomebenen. Um diese Gitter genau beschreiben zu können, verwendet man die Miller'schen Indizes h,k,l. Hierzu legt man ein räumliches Koordinatensystem in das Gitter und setzt die Bereiche, die die Ebene von den Achsen abschneidet, zueinander ins Verhältnis. Die Achsenabschnitte werden hierbei nicht wie üblich in Längenmaßen wie cm oder nm beschrieben, sondern durch Gitterparameter. Bestimme die Miller'schen Indizes für die Ebene in der folgenden Abbildung: Die Angabe der Gleitebenen erfolgt über die Millerschen Indizes, die dem Kehrwert der Achsenabschnitte entsprechen. Der Achsenabschnitt ist der Schnitt 1. Ableitungskoeffizienten erfassen: →1 2 1 2. Zahlen ins Verhältnis setzen: →1: 2: 1 3. Reziproke Werte bilden: →11:  12:  11 4. Hauptnenner bestimmen: hier 2→22:  12:  22 5. Hauptnenner streichen: →2: 1: 2 6. Werte in Klammern setzen: → (2: 1: 2) 7. Verhältnispunkte weglassen: → (2 1 2) 8. Als Ergebnis erhält man die Miller'schen Indizes (h k l)→(2 1 2)  Bei Gitterebenen verwendet man abgerundete Klammern () und bei Gitterrichtungen eckige Klammer []. 
• Was ist Allotropie/Polymorphie? Wenn bei angsamer Temperaturänderung es zu Gitterumwandlungen bei einige Metalle führen, der Übergang  von einem Gittertyp in einen anderen vollzieht sich bei einer bestimmten Temperatur und wird allotrope oder polymorphe Umwandlung genannt. Allotrope Gitterumwandlungen führen zu sprunghaften Eigenschaftsänderungen.
• Dilatometerkurve: Messung der Längenänderung erfolgt mit einem Dilatometer. Gitterumwandlungen werden von sprunghaften Volumen- bzw. Längenänderungen begleitet.
• Dichtes gepackte Ebenen: Innerhalb einer Elementarzelle können Ebenen mit unterschiedlicher Teilchenbelegung definiert werden. Ebenen mit besonders dichter Atombelegung lassen ein gegenseitiges Abgleiten der Ebenen aufeinander einfacher zu als schwächer besetzte Ebenen. Dichtest gepackte Ebenen bei den wichtigsten Gittertypen: krz, kfz, hdp
• Warum wird Aluminium gegossen und Magnesium geschmiedet. [Festkörperstrukturen] Aluminium kann geschmiedet werden, weil Aluminium eine kfz(hohe pd)-Gitterstruktur besitzt. Magnesium wird vorzugsweise gegossen, weil Magnesium eine hdp (lässt sich schlecht formen) Gitterstruktur besitzt.
• Wie groß muss die Schubeanspruchung für eine plastische Verformung von (Rein)Aluminium sein? Hängt vom Kristall ab und vom Gefüge 900 N/mm2 Theoretische Schubfestigkeit des Idealkristall 24 N/mm2 Reale Schubfestigkeit des Idealkristalls 0,78 N/mm2 Gemessene Schubfestigkeit des Realkristalls
• Was bewirkt eine interatomare Bindung? Die interatomaren Bindungen bewirken Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen den Atomen.
• Welche Bindung hat die höchste Bindungskraft bei zwei Atomen? Die stärkste Bindung die zwei Atome haben können, bei der kovalenten Bindung.
• Null-Dimensionale Gitterfehler: Zwischengitteratome Die Leerstellendichte (Leerstellen/Gitterplätze) ist temperaturabhängig Entstehung durch plastische Verformung, Strahlung, andere Gitterdefekte, Abschrecken Wichtig für Diffusionsvorgänge und die Ausbreitung anderer Gitterdefekte ♦ Zwischengitter können Gitter- oder Fremdatome sein Es gibt einmal den Zwischengitteratom als Einlagerungsatom und einmal als Substitutionatom. ♦ Die Einlagerung bis Durchmesserverhältnis dEinlagerung / dGitter < 0,58 möglich ♦ Die Erhöhung der Festigkeit ist erreichbar ♦ Sie kommen als ungewollte Verunreinigung oder Legierungs-Mechanismus vor ♦ Es können starke Gitterverspannungen durch unterschiedliche Atomradien entstehen. Als Zwischengitteratome werden Atome bezeichnet, die sich im Atomgitter einer Kristallstruktur nicht auf einem regulären Gitterplatz befinden. Sie sitzen zwischen den Gitterplätzen und stellen somit nulldimensionale Gitterfehler (Punktdefekte) dar.  Zwischengitteratome (interstitials) sitzen auf Plätzen, die im regulären Gitter unbesetzt sind. Solche Defekte werden auch als interstitielle Fehlstellen bezeichnet.Substitutionsatome (antisites) sitzen auf Gitterplätzen, die im regulären Gitter durch eine andere Atomart besetzt sind.
• Ein-Dimensionale Gitterfehler sind linienförmig Es gibt die Stufenversetzung, Schraubenversetzung und Versetzungsring ♦ Versetzungen sind auch in Einkristallen vorhanden (Bespiel Metall: ca. 108 cm/cm3) ♦ Sie kommen meist als gemischte Versetzung (Versetzungsring) vor ♦ Versetzungen enden immer an den Kristalloberflächen bzw. Korngrenzen ♦ Das ist die wesentliche Voraussetzung für eine plastische Verformung ♦ Entstehung bei der Kristallisation, durch Ansammlung von Leerstellen und sehr stark durch Verformung
• Stufenversetzung Stufenversetzungen sind Gitterfehler, bei denen eine ganze Gitterlinie innerhalb einer Gitterstruktur irregulär endet. Die parallel verlaufenden Gittergeraden passen sich an diesen Linienfehler an und verformen/verzerren sich, um diesen auszugleichen.

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