2. Strukturaufbau metallischer Werkstoffe

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1 2. Strukturaufbau metallischer Werkstoffe 2.1 Chemischer Aufbau von Werkstoffen 2.2 Festkörper / Kristallzustand 2.3 Gitterstörungen

2 Leerstelle Einlagerungs(Interstitions-)atom b a a,b,c, Substitutionsatome c Punktförmige Gitterfehlstellen Punktförmige (0-dimensionale) Gitterfehlstellen: Leerstellen Fremdatome: o Substitutionsatome o Interstitionsatome Substitutionsatome: Fremdatome, die einen regulären Gitterplatz einnehmen Betrag der Gitterverzerrung ist vom Größenverhältnis abhängig Interstitionsatome: Fremdatome, die sich auf Zwischengitterplätzen befinden

3 Leerstelle Frenkel Paar Gitterleerstellen: Die Leerstellendichte ist temperaturabhängig, sie beträgt bei Raumtemperatur ca , d.h. von einer Billion Gitterplätzen (entspricht einer ca. 1 mm² großen Gitterebene) ist ein Platz nicht besetzt Die Leerstellendichte beeinflusst entscheidend den Ablauf thermisch aktivierter Vorgänge Frenkel-Paar: o Verlässt ein Atom seinen Gitterplatz und lagert sich als Zwischengitteratom ein, hinterlässt das Atom eine Leerstelle (diese Anordnung nennt man Frenkel-Paar)

4 Leerstellenbewegung: Selbstdiffusion n L 0 -U L kt c = = c e [2.3] N n: Anzahl der Leerstellen N: Anzahl der Gitteratome U L : Bildungsenergie einer Leerstelle k: Boltzmannkonstante (8, ev/k) T: Temperatur in Kelvin mit U L ~ 1eV c L bei 1000 C ~ 0,001 % Eine Anhebung der Leerstellenkonzentration ist durch Erwärmen und Abschrecken des Werkstoffs möglich Ohne Leerstellen ist eine Diffusion von Matrix- und Substitutionsatomen nicht möglich

5 1.) 2.) 3.) r F << r M rf << rm r F ~r M rf ~ rm r F > r M rf > rm < 15% Substitutionsmischkristalle Substitutionsatome Atomkonzentration der Fremdatome: [2.4]

6 a o Gitterkonstante a Kupfer Zinn Sn>Cu Zink Zn>Cu Nickel Ni<Cu Atomkonzentration c Substitutionsmischkristalle von Kupfer Änderung der Gitterkonstante Änderung der Gitterkonstante: Die Konzentration (c ) der Substitutionsatome hat einen Einfluss auf die Gitterkonstante Sind in einem Basisgitter (z. B. Cu) Fremdatome (z. B. Sn, Zn, Ni) substituiert, so ändert sich die Gitterkonstante (a) gemäß: o a = a 0 + f (Sn oder Zn oder Ni, oder ) c (Vegardsche Regel) Aus dieser Beziehung lässt sich für eine eingebaute Sorte von Substitutionsatomen der Größeneffekt [ Subst. ] ableiten: 1 da = a dc' Subst. [2.5] 0 Für das Beispiel gilt: Sn > Zn > 0 > Ni

7 r L rl rl r L r M r L < r F << r M rf F da dc Int da 100 dc Sub Interstitionsatome Interstitionsatome: nehmen Gitterlückenplätze ein Gitterlücken sind stets kleiner als Fremdatome o r F /r M 0,59 bzw. r F < 8 nm Einbau von Fremdatomen führt zur Gitteraufweitung Je höher die Konzentrationszunahme an Fremdatomen (dc ), umso mehr kann sich die Gitterkonstante a verändern Verzerrung bei Interstitionsatomen etwa 100mal größer als bei dem Substitutionsatomen Wegen der geringen Größe der Gitterlücken treten Interstitionsmischkristalle nur bei Legierungsatomen mit kleinen Atomradien auf z. B. Wasserstoff (H), Stickstoff (N), Kohlenstoff (C) und Bor (B) Silizium (Si) kann nur in geringer Konzentration in bestimmten Metallen (z. B. Eisen) als Zwischengitteratom eingebaut werden

8 Bei höherem Anteil entstehen komplexe intermediäre Verbindungen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sich die neu gebildete Kristallstruktur von den Grundstrukturen der einzelnen Elemente stark unterscheidet Start Film Stufenversetzung: Einschub einer Halbebene Linienförmige Gitterfehler: Versetzungen Linienförmige (1-dimensionale) Gitterfehlstellen: Stufenversetzung: o Größe und Richtung der von einer Versetzung erzeugten Gitterverzerrung werden durch den Burgersvektor angegeben o Bei einer Stufenversetzung liegt der Burgersvektor senkrecht zur Versetzungslinie

9 Aus: Gesichter der Werkstoffe, IMW Leoben Versetzungslinien im Werkstoff im TEM dargestellt Versetzungslinien in Al (V~30.000x)

10 b Versetzungslänge pro Volumen = Versetzungsdichte versetzungsarmer Werkstoff: m/m 3 stark verformte Metalle: m/m 3 Einkristalle hoher Qualität: 10 3 m/m 3 Schraubenversetzung Schraubenversetzung: Die Versetzungslänge wird aus elektronenmikroskopischen Aufnahmen bestimmt und der Betrag extrapoliert Die Angabe erfolgt in Zahl/Flächeneinheit, stellt aber eine Volumenangabe dar

11 Φ D Φ b 15 D Kleinwinkelkorngrenze Flächenhafte (2-dimensionale) Gitterfehlstellen: Kleinwinkelkorngrenze: o Flächenhafte Störung des Gitters durch Übereinanderreihung gleichar- tiger Stufenversetzungen o Mit zunehmendem Abstand (kleinerer Winkel) verringert sich der Ener- gieinhalt o Gitterebenen, die die Kleinwinkelkorngrenze kreuzen, werden nur um einen kleinen Winkel abgelenkt und sind im übrigen weitgehend ungestört

12 Φ b 15 D Φ Korn 1 Korn 2 Großwinkelkorngrenze Großwinkelkorngrenze: Korngrenzen mit Winkeln über 15 werden als Großwinkelkorngrenzen bezeichnet Die Struktur der Großwinkelkorngrenze erscheint als regellose, gestörte Zone

13 Austenitischer Stahl Kornform: Zwilling Zwillingsbildung Zwillingsbildung: Einige Metalle, wie Zinn, Zink, Magnesium und Antimon werden außer durch Abgleitung auch durch mechanische Zwillingsbildung verformt Bei diesem Verformungsvorgang klappt ein Kristallteil längs einer Zwillingsebene spiegelsymmetrisch zu dem restlichen Kristallteil um Der umgeklappte Kristallteil wird als Zwillingslamelle bezeichnet Zwillingsbildung tritt nicht nur bei Verformung, sondern auch bei Glühen bestimmter (meist kfz) Metalle auf, wie austenitischer Stahl, Kupfer, Nickel, Silber, Gold, Blei (nicht aber bei Aluminium!) Bei starker Stoßbeanspruchung treten auch im krz ( -) Eisen Zwillingslamellen auf (bei Schadensanalysen ein Beweis für Stoßbeanspruchung)

14 Phasengrenzen: Erzeugung durch Wärmebehandlung spezieller Legierungen (Ausscheidungen) oder pulvermetallurgisches Einbringen in Metalle und Legierungen (Dispersionen) Grenzflächen Ausscheidungen: kohärent, teilkohärent, inkohärent (Stabilität temperaturabhängig) Grenzflächen Dispersionen: stets inkohärent (Stabilität von T S,Matrix abhängig, da T S,Oxide etc. >> T S,Matrix )

15 Aus: Gesichter der Werkstoffe, IMW Leoben kohärente Ni 3 Al-Ausscheidungen in einer Nickel-Basis-Superlegierung TEM-Aufnahme: ~ x Phasengrenzen Kohärente Phasengrenzen: Gitterkonstanten der beiden Phasen sind nur geringfügig verschieden Gitterebenen setzen sich durch die Phasengrenzfläche stetig fort kein Orientierungsunterschied der Phasen

16 teilkohärente IWT Bremen (K.Schimanski) Teilkohärente Ausscheidungen (Al 2 Cu) in einer Al-Cu-Legierung REM-Aufnahme: V ~5.000x Phasengrenzen Teilkohärente Phasengrenzen: Nicht alle Gitterebenen setzen sich durch die Grenzfläche fort Mit wachsendem Unterschied der Gitterkonstanten wird es energetisch günstiger die Fehlpassung durch Einbau von Stufenversetzungen zu kompensieren und damit die Kohärenzspannungen herabzusetzen

17 inkohärente Quelle: J.-L. Strudel: Multiphase Alloys (Al 2 O 3, SiO 2 ) Dispersion in einer pulvermetallurgisch hergestellten (Al, Cu, Ni)- Legierung TEM-Aufnahme V:~10.000x Phasengrenzen Inkohärente Phasengrenzen: Haben beide Phasen verschiedene Gitterstrukturen, geht die Kohärenz in der Grenze vollständig verloren, und man erhält eine inkohärente Phasengrenze

18 AB ABC A C BC A B C B A B C Stapelfehler Stapelfehler: Die Abfolge in einer Gitterebene in einem kfz Gitter ist ABCABCA..., d. h. die erste und die vierte Gitterebene sind deckungsgleich Das hexagonale Gitter weist die Stapelfolge ABAB... auf Wie dargestellt können in der Folge Fehler auftreten, z. B. ABCBABCABC

19 Aus: Gesichter der Werkstoffe, IMW Leoben Stapelfehler, TEM Aufnahme x Stapelfehler können im Transmissionselektronenmikroskop erkannt werden