1. Metalle. 1.1 Charakteristische Eigenschaften von Metallen. 1.2 Anordnung der Atome in festen Körpern WS 99/00

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1 1. Metalle 1.1 Charakteristische Eigenschaften von Metallen!"Festigkeit und Formveränderungsvermögen!"Kristalliner Aufbau!"Elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit!"Lichtundurchlässigkeit!"Metallischer Glanz furch Lichtrefflektion!"Leichte Bildung von positiven Ionen (Kationen) durch Abgabe der negativen Elektronen!"Auflösung in Säuren unter Bildung von Salzen Begründung liegt dafür in der metallischen Bindung: Metalle erreichen den Edelgaszustand dadurch, dass die leicht abgegebenen Elektronen ( Valenzelektronen) als Elektronengas die positiv geladenen Atomrümpfe umgeben. 1.2 Anordnung der Atome in festen Körpern Es wird unterscheiden zwischen:!"amorph gestaltlos (gr. Morphe = Gestalt) Atome sind regellos angeordnet, z.b. Glas!"Kristallin regelmäßig (gr. Krystallos = Eis) Atome sind gesetzmäßig angeordnet. Erkennbar durch regelmäßige Flächen, z.b. Kristalle (Berg-), Kandiszucker) Ghibsy Seehafer Seite

2 1.3 Definition und Beschreibung von Raumgittern!"Elementarzelle!"Gitterparameter!"Gittergerade!"Gitterebene (Netzebene) Kleinste Raumeinheit durch dessen wiederholte Verschiebung um seine eigene Kantenlänge in alle 3 Raumachsen das Raumgitter aufgebaut wird. Die Kantenlänge einer Elementarzelle Durch das Raumgitter gezogene Gerade auf der in regelmäßigen Abständen Atome liegen. Ebene in Raumgittern, die in regelmäßigen Abständen mit Atomen besetzt sind. 1.4 Die technisch wichtigsten Kristallsysteme der Metalle Die meisten Metalle erstarren im kubischen oder im hexagonalen System. Kubische Gitter:!"Einfaches kubisches Gitter (kubisch primitiv) Kommt bei reinen Metallen nicht vor, sondern nur in Verbindungen. 1 Atombedarf für eine Elementarzelle im Raumgitter: 8 = 1 Atom 8!"Kubisch raumzentriertes Gitter (krz) Zusätzlich zu den Eckatomen noch ein Atom in der Würfelmitte. Beispiele für krz: - α-eisen - Tantal - Chrom -Molybdän - Wolfram - Vanadium Atombedarf für eine Elementarzelle im Raumgitter : = 2 Atome!"Kubisch flächenzentriertes Gitter (kfz) Zusätzlich zu den Eckatomen in jeder Flächenmitte ein weiteres Atom. Beispiele für kfz: - γ-eisen - Iridium - Aluminium - Platin - Kupfer - Nickel Atombedarf für eine Elementarzelle im Raumgitter: = 4 Atome Hexagonales System!"Einfaches hexagonales Gitter (hexagonal primitiv) Kommt bei reinen Metallen nicht vor. Atombedarf für eine Elementarzelle im Raumgitter: = 3 Atome!"Hexagonales Gitter dichtester Kugelpackung (hgdk) Dichtest mögliche Packungsart für Atome (Kugeln). Zwei dicht fest gepackte Kugelebenen sind derart versetzt übereinandergelagert, dass die Kugeln der einen Ebene in die Vertiefungen (Trichtern) der anderen Ebene zu liegen kommen. Beispiele: Zink, Titan, Magnesium, Cadmium Atombedarf für eine Elementarzelle im Raumgitter: = 6 Atome Ghibsy Seehafer Seite

3 Zusammenfassung: Packungsdichte! Kristallsystem Packungsdichte Kubisch primitiv 0,52 Kubisch raumzentriert 0,68 Kubisch flächenzentriert 0,74 Hexagonal primitiv 0,61 Hex. Dichtester Kugelpackung 0,74 Es wird deutlich: gleiche Packungsdichte haben - das hexagonale Gitter dichtester Kugelpackungen - das kubisch flächenzentrierte Gitter auch das kfz muss dichtest gepackte hexagonale besitzen. Das kfz-gitter ist genauso dicht gepackt wie das hexagonale dichtester Kugelpackung 1.5 Vorgänge beim Erwärmen, Schmelzen, Abkühlen Thermische Ausdehnung (im festen Zustand):!"Schwingung der Atome um Ihre Gitterplätze!"Es wirken abstoßende und anziehende Kräfte!"Mit zunehmender Temperatur nimmt die Schwingungsamplitude um die Mittellage zu, und das Gitter wird aufgeweitet. Σ zugeführte Wärme Temperaturerhöhung + Volumenzunahme Schmelzwärme Wenn die Schmelztemperatur erreicht ist, bleibt die Tiegel-Temperatur konstant, bis für alle Atome der ungeordnete Zustand der Schmelze mit seinen unbestimmten Bewegungen erreicht. (Energie aus Gitter(fenster)verband zu lösen). Σ Zugeführte Wärme keine Temperaturerhöhung + Volumensprung deshalb Bezeichnung: latente Schmelzwärme Weitere Temperaturerhöhung durch weiteres Heizen erhöht die Bewegungsenergie der Atome in der Schmelze, sie wird dünnflüssiger. Graphische Darstellungen: spezifisches Volumen in Abhängigkeit von der Temperatur: Sprung Temperaturverlauf in Abhängigkeit von der Zeit: Haltezeit Volumensprung flüssig Fest Haltepunkte Haltezeit Ghibsy Seehafer Seite

4 Bei der Erstarrungstemperatur (= Schmelztemperatur) Rückkehr in den geordneten schwingenden Gitterzustand: Freiwerdende Energie: - Analog zur Schmelzwärme wird genannt: Kristallisationswärme Es ergibt sich eine Haltezeit, da auch die nach außen abgeführte Abkühlwärme durch die Kristallisationswärme von innen ersetzt wird. Unterkühlung Theoretischer Verlauf Praktischer Verlauf Unterkühlung: Entspricht dem Verlauf (Ablauf) in der Praxis. Das Metall ist unterhalb der Erstarrungstemperatur noch flüssig. Die Kristallisation kommt dann plötzlich heftig in Gang jetzt freiwerdende Kristallisationswärme bringt Temperaturerhöhung!!! Σ Dieses Verhalten zeigen nur kristalline Stoffe, nicht amorphe Stoffe wie z.b. Glas, Thermoplaste, usw., die keinen definierten Schmelz- bzw. Erstarrungspunkt haben, sondern kontinuierliche Übergänge besitzen. Flüssig zäh fest Kristalline Keimbildung durch sog. Kristallisationskerne oder keime.!"fremdatome (z.b. Al 2 O 3 )!"Zufälliges Treffen von Atomen in einer Anordnung die dem Gitterbau entspricht. Es wachsen viele Kristalle, Körner gleichzeitig, und schieben Verunreinigungen vor der Erwärmungsfront her. Korngrenzenmasse. Der Prozess dauert so lange, bis die gewachsenen Einheiten mit unregelmäßig ausgebildeten Grenzen aufeinandertreffen. Erkenntnisse über das Gefüge und Schliffbild. 1.6 Gefüge- und Schliffbild Im Schliffbild kann man das Gefüge aus Körnern unter dem Mikroskop erkennen Metallographische Untersuchung; Typen von Kristallformen:!"Polyeder (Vielflächner) kugelige Gestallt (Globulite) Sphärolithe mit fest vollkommener Kugelgestallt!"Kristalle die in bevorzugten Richtungen wachsen. eine Achse: Nadeln (Stengelkristalle) mehrere Achsen: (Tannenbaum Kristalle (Dendrite) Ghibsy Seehafer Seite

5 1.7 Quasiisotropie - Textur Isotropie-Begriff: Amorphe Stoffe: Eigenschaften sind in allen Richtungen gleich. Zustand ist isotrop (keine Vorzugsrichtung) Zum Beispiel: Glas, Lichtdurchlässigkeit ist in allen Richtungen gleich. Kristalline Stoffe: Eigenschaften haben Vorzugsrichtungen Zustand ist anisotrop. Z.B. Eisen, Festigkeit ist abhängig von der Gewählten Gittergeraden. Elementarzelle für ein Krz-Fe Im Labor werden Einkristalle gezüchtet, die diese Eigenschaftsabhängigkeit zeigen. Ein Einkristall ist makroskopisch ein großer regelmäßiger Kristall. Untersuchung der Richtungsabhängigen vektoriellen Eigenschaft. Technische Werkstoffe bestehen nicht aus Einkristallen, sondern aus vielkristallen Gefüge! Quasiisotropie Kernverband aus vielen verschiedenen Gitterlagen. Jede Gitterlage (Kristall) hat Vorzugsrichtungen anisotropie Als vielkristalliner Verband isotrop Textur Kornverband aus Gitterlagen gleicher Orientierung. Die Eigenschaften sind ähnlich wie die in einem gezüchteten Einkristall (Vorzugsrichtungsbehaftet) anisotrop Beispiele: - Vorzugsrichtung erwünscht (Textur) Trafoblech - Vorzugsrichtung unerwünscht (Quasiisotropie) Karosserieblech Versuche um das Aufzuzeigen: - Tiefziehen mit einem Blech mit Textur Zipfelbildung 1.8 Mechanische Beanspruchung In mechanisch beanspruchten Teilen treten Spannungen auf: Normal- und Schubspannungen σ τ Trennung Verschiebung N T Gerichtete Gössen zur Bezugsebene sind die Vektoren σ = τ = A A Zylindrischer Stab unter einer Zugkraft F: Theoretischer Zugversuch: Bezugsebene unter verschiedenen Winkeln Kräftezerlegung mit unterschiedlichen Vektoren. Fallbetrachtung: (Extrema): α = 0 : N = F T = 0 F σ= A 0 τ= A α = 90 : N = 0 0 σ= = 0 A T = F F τ = = 0 Ghibsy Seehafer Seite

6 zwei wichtige Aussagen: - τ max ist immer halb so groß wie σ Max - τ max tritt immer unter 45 auf! Spannungs-Dehnungs-Verläufe: weicher / harter Charakter Zugversuch mit einer harten Probe: Hook sche Gerade: σ ~ ε σ = E * ε E ist eine Werkstoffgröße!!! Elastische Verformung bis zum Trennbruch Zugversuch mit einer weichen Probe Bei der Streckgrenze treten die ersten bleibenden Schädigungen am Gefüge auf. Man hat immer Sicherheit gegen die Streckgrenze!!! Es tritt kein Trennbruch (s.o.) auf, sondern ab einer gewissen Zugspannung ( Streckgrenze) erfolgt eine plastische Verformung durch innere Rutschvorgänge (Gleitung, Translation). Nach Überschreitung dieser kritischen Schubspannung werden Teile eines Korns sprunghaft um viele Atomabstände gegeneinander verschoben. Erinnerung: σ und τ in Abhängigkeit von Bezugsebenen-Drehwinkel (Diagramm). Schubspannungsmaximum unter 45 zur Zugrichtung. Obwohl σ Max doppelt so groß ist wie τ max führt bei einem weichen Stahl nicht σ Max zu einem Trennbruch, sondern τ max zum Abgleiten. Für einen weichen Stahl gilt: Die Atome lassen sich leichter gegeneinander verschieben, als ganz voneinander trennen. 1.9 Gleitebenen in den Kristallsystemen Kritische Schubspannung ist in den dichtest und regelmäßig mit Atomen besetzten Gitterebene am geringsten. Damit im technisch kristallinen Gefüge das Gleiten stattfinden kann, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein. Gleitbedingungen: - Schubspannungen unter 45 zur Zugrichtung müssen groß genug sein! - In diesen 45 -Richtungen müssen Gleitebenen vorhanden sein. Elementarebenen mit Gleitebenen: Krz-Gitter: Raumdiagonale = dichtest besetzten Richtungen viele Gleitebenen; α-eisen kfz-gitter: Oktaeder ( Achtflächler ) 8 parallele Ebenen 4 Gleitebenen; γ-eisen Ghibsy Seehafer Seite

7 hexagnal: 3 parallele Ebenen Gleitebene; Zink, Titan 1.10 Kristalliner Werkstoff Je nach Beanspruchungsart (Zug, Druck, Biegung, Scherung) werden die Gleitsysteme in den individuellen Körnern, Kristallen, Kristalliten aktiviert. Es findet in unzähligen Kristallen gleichzeitig das Glätten statt: Viele Gleitebenen schneiden sich an den Korngrenzen, Vorzugsweise unter 45, wenn eine Zugspannung eingeleitet wurde. Beispiel: Biegung eines Drahtes matte Oberfläche, da in den Oberflächenkörnern die Gleitebenen frei zur Oberfläche laufen lassen. Gegensatz: Einkristall: Gleitbehinderungen: Definition: Zwillingsbildung: Im Labor durch ausgerichtetes Anlagern der Elementarzellen gezüchtet zeigt als anisotropischer Werkstoff die Richtungsabhängigen Gleitabläufe. Das Gleiten wird behindert, wenn die dichtest besetzten Gitterebenen (Gleitbahnen) blockiert sind: gehärteter Stahl. Kohlenstoff ist übersättigt in Lösung gehalten starker Blockiereffekt der Gleitebenen. Bei weiterer Steigung des Wiederstandes erfolgt schließlich der Trennbruch. Werkstoff ist plastisch verformbar zäh Werkstoff ist nicht plastisch verformbar spröde Geringes plastisches Verformen wird durch die Zwillingsbildung erreicht. Dies führt zu einem Entspannen, d.h. zu einem Spannungsabbau eines mechanisch beanspruchten Gefüges. Metallographischer Schliff durch verschweißte Pulverkörner. Erkennung der Zwillinge am Unterschiedlichen Reflektionsvermögen Fehler im kristallinen Bauplan Idealkristall Einkristall Realkristall Ein Idealkristall hat einen völlig fehlerlosen Aufbau, d.h. keine Abweichungen vom Bauplan. Theoretische Festigkeit müsste ca. 100* größer sein: N Eisen Idealkristall: mm N Technisch reines Eisen: mm Ghibsy Seehafer Seite

8 Begründung für diesen riesigen Unterschied: Gitteraufbaufehler des Realkristalls N Labor: Whyskers nahezu fehlerfreie, haarförmige Eisenkristalle mm Realkristalle haben Gitterfehler. Einteilung der Gitterfehler:!"Strukturelle Fehlordnung Abweichung vom Gitterbau der Idealkristalle!"Chemische Fehlordnung Gehalt an Fremdatomen in der Gittermatrix!"Elektrische Fehlordnung Abweichung in der Ladungsverteilung Strukturelle Fehlordnung In Abhängigkeit von der räumlichen Ausdehnung wird unterschieden zwischen:!"punktfehler Nulldimensional!"Linienfehler Eindimensional!"Flächenfehler Zweidimensional Arten von Punktfehlern Kriterium Ort: - Zwischengitterplätze - Substitution (Austausch) Kriterium Art: - Fremdatome - Leerstellen = unbesetzte Gitterplätze Anzahl der Leerstellen ist abhängig von der Temperatur. Bei jeder Temperatur stellt sich ein thermodynamisches Leerstellen Gleichgewicht ei. Kenngröße: Leerstellenkonzentration= Gitterplätze Leerstellen bestimmen in Metallen thermisch aktivierte Vorgänge wie: Diffusion Rekristallisation Klettern von Versetzungen Σ Punkfehler: Das Gitter ist in ihrer Umgebung elastisch verzerrt. Arten von Linienfehlern: Versetzungen: Definition: Grenze zwischen den geglittenen und noch nicht geglittenen Bereichen eines Kristalls. Stufenversetzungen (Schraubenversetzungen) = zusätzlich eingeschobene Netzebene Kennzeichnung: positiv Eingeschobene Netzebene Versetzungslinie Gleitebene negativ Versetzungseigene Spannungsfelder: Modell: Ins Bücherregal gewaltsam zusätzlich eingebrachtes Buch. - Versetzungen mit gleichen Vorzeichen stoßen sich ab. - Versetzungen mit entgegengesetzten Vorzeichen ziehen sich an. Abgrenzung des Spannungsfeldes durch den Burger-Vektor (Differenz-Vektor) Burgerumlauf, um eine Versetzung bzw. mehrere mit gegenüberliegend gleich vielen Teilschritten. man kommt beim Umlauf nicht wieder am Startpunkt an. Differenzvektor mit folgenden Infos: Gleitrichtung Betrag der Abgleitung Ghibsy Seehafer Seite

9 Beispiel: Positive Stufenversetzung τ Oberhalb Druckspannung Unterhalb Zugspannung τ Durch eine positive Stufenversetzung verzerrtes Gefüge. = einem möglichen Differenz-Burgervektor Wandern von Versetzungen durch angelegte Schubspannung τ in der Gleitebene Gegenüberstellung: Fehlerfreie Netzebenen können nur starr aufeinander Abgleiten, wenn alle Atome in der Gleiteben getrennt werden. Σ hohe Schubspannung erforderlich Wenn ein Fehler in Form einer Versetzung vorhanden ist, gleiten nur die Atome in der Versetzungslinie gleichzeitig. Σ wesentlich geringere Schubspannung ist erforderlich. Eine Versetzung bringt zwar nur den Gleitbetrag um eine Kantenlänge (Gitterparameter), aber in den technischen und kristallinen Metallen liegt eine hohe Versetzungsdichte vor: Kennzahlen: In Abhängigkeit vom Verfahren der Beanspruchung Temperatur weich geglühte Metalle: /cm 2 Fertigung Kaltverformung /cm 2 Klettern von Versetzungen Wenn in der Gleitebene ein Hindernis liegt, kommt der Gleitvorgang zunächst zum Stillstand. Aber durch Temperaturerhöhung bilden sich in der zusätzlich eingeschobenen Netzebene durch Diffusion Leerstellen, oder es werden Leerstellen besetzt. Die zusätzlich eingeschobene Netzebene wird verkürzt, oder verlängert. Das Hindernis wird umgangen! Arten von Flächenfehlern Ausbildung der Korngrenzen Orientierungsunterschied der Gitterebenen benachbarten Körnern - Großwinkelkorngrenzen: Übergangszone mit einer Dicke von ca. 2-3 Atomabständen. Unregelmäßige Anordnung. - Kleinwinkelkorngrenzen: Nahezu störungsfreier Übergang zwischen den Körnern, durch Einbau von Stufenversetzungen, die die Winkel ausgleichen. Grenze liegt theoretisch festgelegt bei 5 Ausbildung der Stapelordnung Abweichung in der Stapelfolge (Schichtung) der dichtest gepackten Gitterebene. Einfluss der Kaltverfestigung Mit zunehmender Kaltverformung ergibt sich die!"verspannung!"verbindung und!"verzerrung der Gleitpakete. Wanderung der Versetzungen ist erschwert. Im Zugversuch wird festgestellt:!"anstieg der Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte Festigkeitskennwerte Bei gleichzeitiger Abnahme von!"bruchdehnung, Brucheinschnürung und Kerbschlagarbeit Verformungskennwerte Inverses Prinzip: Festigkeitskennwerte und Verformungskennwerte sind immer umgekehrt proportional zu einander!!! Ghibsy Seehafer Seite

10 Der Verformungswiderstand von kaltverfestigten Werkstoffen wird schließlich so groß, dass eine gewaltsame Überwindung zur Zerrüttung und zum Bruch des Werkstoffes führt. Vergleichende: Spannungs-Dehnungs-Diagramme Ausnutzung der Kaltverfestigung im Hinblick auf realistische einsatzfähige Komponenten kann problematisch sein. Das sog. Trainieren von Nägeln wurde schnell aufgegeben, da die Schädigungsgrenze nicht beherrscht wurde Thermische Behandlung Kristallerholung Rekristallisation Änderung der Mechanischen Eigenschaften von Kaltverformenten Stahl durch Glühen. Kristallerholung: Beseitigung der Folgen einer plastischen (duktilen) Kaltverformung, ohne Neubildung des Gefüges und ohne Verschiebung der Korngrenzen. Durch mäßiges Erwärmen (bei Stahl bis ca. 400 C) Ablauf: Die Verspannten Gitterbereiche haben eine erhöhte potentielle Energie Betreben zur Entspannung mit Abgabe der gespeicherten Energie. Versetzungen gleichen durch Platzwechselvorgänge Fehler, Verspannungen aus, die durch das Verzerren entstanden sind. Polygonisation Verspanntes Gitter Nach plastischer Kaltverformung Durch Polygonisation erhaltenes, entspanntes Gefüge (Gitter) Die Temperaturerhöhung führt zur Erhöhung der Atombeweglichkeit: Versetzungen geben dem Bestreben des verspannten Gitters nach, d.h. sie wandern und sammeln sich. Spannungsgünstiger in den Versetzungsebenen. Rekristallisation: Bildung eines völlig neuen, ganz entspannten Gefüges. Zwei wichtige Vorraussetzungen müssen für diese Neukornbildung erfüllt sein: 1. Ein kristallischer Verformungsgrad muss bei Raumtemperatur überschritten worden sein. Mindestverformung 2. Es muss eine gewisse naturalabhängige Glühtemperatur überschritten worden sein. Rekristallisationsschwelle Die Rekristallisationsschwelle ist die Temperatur, bei der die Bildung neuer Körner beginnt, sie ist abhängig vom Werkstoff: z.b. Ni ~ 600 C, Fe ~ 450 C, Al ~ 150 C, Zn, Cd, Pb, Sn bei Raumtemperatur. Die Rekristallisationsschwelle ist abhängig vom Grad der voraus gegangenen Kaltverformung. Mit steigendem Verformungsgrad sinkt die Rekristallisationsschwelle. Durch Gitterspannung infolge der vorausgegangenen Kaltverformung ist bereits ein erhöhtes Energienevau vorhanden, dass heißt es ist nicht mehr so viel thermische Energie erforderlich. Die Rekristallisation beginnt an den Keimen, die vorzugsweise Mikroeinschlüsse an den alten Korngrenzen sind. Ghibsy Seehafer Seite

11 Von diesen Keimen ausgehend wachsen die neuen Körner und zehren das alte verzerrte Gefüge dabei vollkommen auf. Die Wege der Atome dabei sind klein. Sie liegen im Bereich von einer Gitterlänge (Gitterparameter) um sich der neuen Orientierung des Korns anzupassen. Gitterlagen der alten und der neuen Körner stehen nicht im Zusammenhang zueinander! Durch Rekristallisation gebildete Körner besitzen unverzerrte Gitter weich und gut verformbar, wie vor der Kaltverformung. Die Rekristallisation ist beliebig oft wiederholbar! Gefahr! Kornvergrößerung durch: - zu geringe Kaltverformung - zu hohe Glühtemperatur - zu lange Glühdauer Σ Gefüge regelmäßig, aber grob Bei stark überhöhter Glühtemperatur und zu langen Glühzeiten entsteht im bereits rekristallisierten Gefüge die sog. Sekundär-Rekristallisation, einige Kristalle wachsen auf Kosten ihrer Nachbarn um das Vielfache. Σ Gefüge ist unregelmäßig mit einigen sehr großen Kristallen. Der Zusammenhang zwischen: - Verformung - Glühtemperatur - Korngröße wird in Parameter-Darstellung aufgezeigt: Unterscheidung: Warmumformung Kaltumformung Alte Definition: je nach Wärmezuführung Neue Definition: Oberhalb oder Unterhalb der Rekristallisationsschwelle z.b. Zinn (30 ) Warmumformung (R.S. ~ RT), Stahl (400 C) Kaltumformung (R.S.~450 C) Bei der Warmumformung kann sich sofort ein neues Gefüge bilden, wenn die Umformmaschine langsam genug arbeitet. Abhängigkeit von der Umformgeschwindigkeit: Hammer Presse Nach dem Schlag während der Umformung Beeinflussung von Produktionslinien unter den Aspekten: verbleibende Komponentenfestigkeit zur Verfügung stehendes Arbeitsvermögen der Umformmaschinen Grundlagen der Legierungsbildung Legierung: metallischer Werkstoff aus mindestens 2 Elementen wovon mindestens einer metallischen Charakter hat. Z.B. Messing Cu + Zn (Zinc) Bronze Cu + Sn (Zinn) Stahl Fe + C Homogene Legierung: Gegensatz: Hetrogene Legierung: Eine im Hinblick auf die Zusammensetzung gleichartige Legierung, auch wenn Kristalle nach Größe und Gestallt verschieden sind. Inhomogene Legierung aus mindestens 2 nach ihrer Art verschiedenen Kristallen zusammengesetzt. Ghibsy Seehafer Seite

12 System aus Komponenten: Gesamtheit aller Legierungen, deren Komponenten (Elementen) sich in beliebig vielen Mengenverhältnissen miteinander Legieren. Z.B. System: Kupfer-Gold System: Eisen Kohlenstoff System: Al Si System: Fe Cr V Phase: Im Hinblick auf die Zusammensetzung ein homogener, mechanisch trennbarer Teil eines Systems. Homogene Legierung = eine Phase! Auch wenn unterschiedliche Größen der Körner vorliegen. Beispiele: In einer Schmelze schwimmen je nach Gestallt und Größe unterschiedliche Kristalle gleicher Zusammensetzung, die herausgesiebt werden können. 1. Phase Schmelze 2. Phase Kristalle Gegenbeispiel: System Blei-Eisen Zwei reine Schmelzen setzen sich übereinander ab und können durch abgießen mechanisch getrennt werden unechte inhomogene Legierung, da verschiedene Kristalle nicht innig miteinander vermischt sind. Pseudolegierung: Legierungen, die nicht durch Zusammenschmelzen der Komponenten entstanden sind, sondern durch Zusammensintern verschiedener innig vermengter Metallpulver. (Hintergrund Sintertechnik) Diffusion: Mischkristall: (Stoffaustausch) Durchwandern von Atomen in Kristallgittern, woraus Legierungen entstehen können. Kleine Atom besonders befähigt. Hauptparameter: Diffusionszeit Diffusionstemperatur Beispiel: Einsatzhärten Kohlenstoff diffundiert innerhalb weniger Stunden mehrere Zehntel-Millimeter in den geglühten Stahl hinein. Kristall, das aus mehreren verschiedenen Arten von Atomen besteht, die man nicht mechanisch voneinander trennen kann eine Phase Andere Bezeichnung: feste Lösung oder Lösung im festen Zustand. Klassisches Beispiel für gegenseitiges Durchdringen in jedem Mischungsverhältnis, d.h. Mischungskristalle jeder Zusammensetzung, z.b. Gold (Au) + Kupfer (Cu) Unterschied: Achtung! Mischkristall Kristall aus verschiedenen Atomen, stellt eine Phase dar. Kristallgemisch Mindestens zwei verschiedene Kristallarten ( 2 Phasen) aus entweder reinem Kristallen oder Mischkristallen Bildung von Mischkristallen: Zwei Arten, je nach Gitteraufbau 1. Austausch von Mischkristallen (Substitutions-MK) A-Atome bilden Wirtsgitter B-Atome bilden Legierungselement. Kennzeichen: Legierungsatome sitzen auf Gitterplätzen Sowohl unregelmäßige Anordnung als auch Überstruktur (überlagertes eigenes Gitter) sind möglich. Meist ergibt sich eine beschränkte Löslichkeit, d.h. die verschiedenen Atome sind nicht in jedem Mengenverhältnis mischbar, wenn Atom und Gittertypen unterschiedlich sind. ( Konzentrationsbereiche) z.b. Beschränkte Löslichkeit. Messing: Cu... A = 0,255 nm (kfz) Zn... A = 0,266 nm (hex) Ghibsy Seehafer Seite

13 Vollkommene Löslichkeit: Rotgold: Cu A = 0,255 nm (kfz) Au A = 0,28 nm (kfz) 2. Einlagerungs-Mischkristalle (interstitielle Mischkristalle) A-Atome bilden Wirtsgitter (Matrix) B-Atome bilden Legierungselement Kennzeichen: Legierungsatome sitzen auf Zwischengitterplätzen im Wirtsgitter Anordnung der Legierungselemente ist unregelmäßig Nur beschränkte Löslichkeit ist möglich, da der A des eingelagerten A kleiner sei muss, im Vgl. zum A des Wirtsgitters. System: Fe-C: C... A = 0,142 nm (hex) Fe A = 0,228 nm (kfz und krz) kubisch 1.14 Binäre Zustandsdiagramme Was passiert in Abhängigkeit vom Mengenverhältnis bei unterschiedlichen Temperaturen mit den Komponenten? Gleichgewichtszustände Ideal Real-Diagramm Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit Zustandsfelder verschieben sich Härten vom Stahl Grundtypen der Legierungs- bzw. Mischungsbildung Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, vollkommene Unlöslichkeit im flüssigen Zustand Aufstellung eines Zustanddiagramms durch die Prozeduren der thermischen Analyse. Es werden Abkühlkurven aufgenommen von Legierungen, deren verschiedene Zusammensetzung bekannt ist, und gleichzeitig die Abkühlungstemperatur gemessen. Die sich ergebenden markanten Punkte, wie Knicke und Haltezeit werden in das entstehende Diagramm hineinprojektiert. Auffallendes Ergebnis: Nur reine Erstarrungspunkte haben: die reinen Komponenten Nur reine Erstarrungszeit hat: die eutektische Legierung Regel: Wird beim senkrechten Abkühlen im Zustandsdiagramm ein neues Feld erreicht, geht man waagrecht durch dieses neue Feld hindurch, bis zum Schnittpunkt mit der nächsten Phasengrenze Zusammensetzung des entstehenden Kristalls. Fallbetrachtung für zwei Legierungen: - besondere Legierung - allgemeine, die durch ein dreieckiges Phasenfeld läuft. Ghibsy Seehafer Seite

14 Legierung 1: Besonderheit: Erstarrungspunkt liegt weit unterhalb der Erstarrungspunkte der reinen Komponenten Regelanwendung: waagrechte Linie wird getroffen: gleichzeitig wachsen A und B Kristalle Legierung 2: Bei den niedrigen Bildungstemperaturen entstehen viele Keime feines Gefüge: Eutektikum: gut Schmelzend wegen niedriger Siedetemperatur gut gebaut wegen der vielen kleinen Körner. Normalfall: Regelanwendung: An der Phasengrenze beginnen reine A Kristalle in der Schmelze zu schwimmen und zu wachsen. - Restschmelze wird B reicher: Ruck nach rechts - Temperatur wird erniedrigt: Phasengrenze wird erneut getroffen. Σ Kontinuierlicher Vorgang: Es findet eine verzögerte Abkühlung durch Bildung von A-Kristallen mit der dabei freiwerdenden Kristallisationswärme statt, solange bis das Eutektikum erreicht ist. Vorgang geht dann weiter wie unter L1 beschrieben. Ergebnis: Bezeichnung: - Jede Legierung dieses Systems enthält bei erreichen der waagrechten Linie Restschmelze mit der Eutektischen Eutektikale. - Die Menge des Eutektikums ist oft umso größer, und die Haltezeit umso länger, je näher die Legierung der eutektischen Zusammensetzung steht. - Die reinen Komponenten sind Grenzfälle und enthalten kein Eutektikum, d.h. sie sind keine Legierungen. V-Diagramm Liquiduslinie Soliduslinie: (=Eutektikale) Linie, unterhalb welcher alles fest ist. Liquiduslinie: Linie, oberhalb der alles flüssig ist. * * * Primärkristalle in Restschmelze Eutektikale Soliduslinie Primärkristalle: Kristalle die in einer nicht eutektischen (Lösung) Legierung vor dem Erstarren des Eutektikums liegen. Primärkristalle entstehen aus wenigen Keimen. größere Kristalle ((Wachstum: schwimmend in der Restschmelze) Sie heben sich gegen den feinkörnigen Aufbau des Eutektikums deutlich ab. Aussehen der Gefügebestandteile in schematischen Schliffbildern Zugeordnet in den jeweiligen Mischungsverhältnissen Ghibsy Seehafer Seite

15 Beim Erstarren treten 2 Phasen aufm die aus reinem A und B Primärkristallen bestehen, oder sei es als Eutektikum. Im festen Zustand liegt die vollkommene Unlöslichkeit vor, d.h. bei Raumtemperatur liegen keine Mischkristalle vor. Gesetz der abgewandten Hebelarme Die Mengenverhältnisse der Komponenten, bzw. Phasen werden durch die Verhältnisse der waagrechten Abstände bestimmt Längenabmessungen, die ins Verhältnis gesetzt werden. Voraussetzung: Normierung des waagrechten Abstandes auf 100% Fall 1: Mengenverhältnis der Komponenten der Legierung L, bei der gewählten Untersuchungstemperatur. Abstand a d = 100% a b MengederKomponenten B = b d Menge der Komponenten A Fall 2: Mengenverhältnis der Phasen der Legierung L bei der gewählten Untersuchungstemperatur. Abstand a c = 100% a c Menge der Phase Restschmelze bei c = c d Menge der Phase Primärer A - Kristalle Fall 3: Mengenverhältnis der Komponenten für die Phase Restschmelze c. Abstand a d = 100% a c Menge der Komponenten B = c d Menge der Komponenten A Vollkommene Löslichkeit im flüssigen und im festen Zustand Schmelze MK + S Prinzip der thermischen Analyse: * = geradliniger Verlauf, da im Gegensatz zum V- Diagramm hier eine gleichmäßige Kristallisation im * ganzen Übergangsintervall ausbildet. Zustandsschaubild MK b a d c Wesentlicher unterschied zum V-Diagramm, beim Abkühlen der Legierung L beginnen MK im Punkt b zu wachsen, d.h. nicht die reinen Kristalle der Komponente A ( man kommt ja auch nicht auf die A-Achse ). Dabei ändert sich die Zusammensetzung der entsprechenden Mischkristalle in dem Sinne, das sie immer B reicher werden. Mischkristalle bestehen aus mehreren Arten von Atomen, sie bilden eine Phase feste Lösung Beispiele für die Anwendung des Gesetzes der abgewandten Hebelarme: Fall 1: Für die Legierung L das Mischungsverhältnis der Phasen bei der gewählten Untersuchungstemperatur. Abstand f h = 100% f Menge der Komponenten B = g Menge der Komponenten A Ghibsy Seehafer Seite

16 Fall 2: Für die Mischkristalle der Legierung L das Mengenverhältnis der Komponenten bei der gewählten Untersuchungstemperatur. Abstand e i = 100% e f Menge der Komponente B = f i Menge der Komponente A Fall 3: Für die Restschmelze h der Legierung L das Mengenverhältnis der Komponenten... Abstand e i = 100% e h Menge der Komponenten B = h i Menge der Komponenten A Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand bei beschränkter Löslichkeit im festen Zustand Zustandsfelder mit Gefügeangaben Beide Komponenten sind nur beschränkt fähig, Atome der anderen Komponenten aufzunehmen. Bei der Herstellung der MK ist man bei Raumtemperatur auf 2 kleine Skalenbereiche beschränkt. Die dazwischenliegende Lücke/Bereich der Unlöslichkeit wird Mischungslücke genannt. Bezeichnungen: - MK werden mit griechischen Buchstaben bezeichnet, z.b. bestehen die β-mk aus den Gittern der Komponenten B mit darin eingebauten A-Atomen. o - Die Mischungslücke, die bei der eutektikalen Temperatur mit der Eutektikalen zusammenfällt, wird o mit fallender Temperatur breiter, weil mit sinkender Temperatur in den Kristallgittern die Löslichkeit für die anderen Atome abnimmt. Fallbetrachtung: 1. Nicht eutektikalische Legierung a α-mk b β-mk c Konsequente Anwendung der waagrechten Regel! Im Punkt a besteht die Legierung aus Primär-α-MK. An der nächsten Phasengrenze bei b beginnen in den Primär-α-MK Sekundäre-β-MK Der Zusammensetzung bei c zu wachsen. d x e Bildungsmechanismus: Überschüssige B-Atome die im Wirt A nicht mehr in Lösung gehalten werden können, diffundieren zu Korngrenzen und beginnen dort ein neues Gitter zu bauen. Σ Es werden β-mk ausgeschieden, Ausscheidung = Nullbildung Bei Raumtemperatur besteht das Gefüge aus α-mk der Zusammensetzung bei d und β-mk der Zusammensetzung bei e. Ghibsy Seehafer Seite

17 Beim Ausscheiden der Sekundärkristalle wird eine ganz geringe Kristallisationswärme frei theoretisch müsste in der Abkühlungskurve beim erreichen der Segregatslinie ein kleiner Knick auftreten. Dieser ist in der Praxis nicht erkennbar. 2. Eutektische Legierung Regelanwendung: waagrechte Die eutektische Temperatur aus Primären-α und β-mk, aus denen sich bei sinkender Temperatur Sekundäre MK (gemäß Segregation usw.) ausscheiden. Beide Anteile bestehen aus ganz feinem Gefüge: EUTEKTIKUM Abkühlungskurven und schematische Schliffbilder Beispiele für die Anwendung des Gesetzes abgewandter Hebelarme 1. Für L1 Mischungsverhältnis der Phasen bei RT Abstand b d = 100% b c Menge der Phase β - MK bei d = c d Menge der Phaseα - MK bei b 2. Für die α-mk der Legierung 1 bei b die Komponenten bei RT Abstand a e = 100% a b Menge der Komponente B = b e Menge der Komponente A 3. Für die β-mk der Legierung 1 bei d die Komponenten bei RT Abstand a e = 100% a d Menge der Komponente B = d e Menge der Komponente A 4. Fr die L2 das Mengenverhältnis der Phasen bei der ET vor Erstarren des Eutektikums Abstand f h = 100% f g Menge der Phase Restschmelze bei h = g h Menge der Phase Primärer -α - MK bei f Aus dem Mengenanteil des Zählers (Restschmelze) wird sich bei weiterer Temperaturabsenkung das Eutektikum bilden. Substitution = Austausch von Atomplätzen im Gitter durch Fremdatome. Ghibsy Seehafer Seite

18 1.15 Effekte die bei realistischen Erstarrungsvorgängen auftreten Gase in Metallen Metalle können Gase in der Schmelze, und auch innerhalb des Kristallgitters lösen. Die Gesamtaufnahmefähigkeit in flüssigen Zustand beträgt meist das mehrfache als im festen Zustand. Was passiert konkret:!"wird beim Abkühlen die obere Grenze des Erstarrungsintervalls (Liquiduslinie) erreicht Bildung von Primärkristallen, je nach Erstarrung einen wesentlich geringeren Gasgehalt haben.!"verbleibende Restschmelze reichert sich mit Gasen an, bis bei weiterem Erstarren durch Kristallisation der Gasgehalt der Restschmelze die Löslichkeitsgrenze erreicht. Gasbildung in Form von Gasblasen. Fallunterscheidung: Große Gasblasen: Kleine Gasblasen: Können in der Schmelze aufsteigen, sie erzeugen eine brodelnde Kochbewegung mit geringem Auftrieb, können nicht aufsteigen und werden vom erstarrten Metall eingeschlossen. Abhilfe: Zur Vermeidung von Gasblasen werden der Schmelze chemische Elemente zugesetzt, die eine besonders hohe Affinität zu Sauerstoff haben: z.b. Mn, Al, Si... Oxide, die als Schlacke entfernt werden können. Desoxidation beruhigter Stahl Schmelze bildet im Übergang flüssig-fest kaum noch Gasblasen. Für hochwertige Stoffe wird die Vakuumentgasung angewendet. Prinzip: Die Löslichkeit eines Gases in der Schmelze ist vom Partialdruck des Gases in der Schmelze abhängig. Durch Verminderung des Umgebungsdruckes durch ein angelegtes Vakuum wird er Partialdruck des Gases verringert. Überflüssiges Gas entweicht aus der nun übersättigten Schmelze. Vorteile Gegenüber der klassischen Desoxidation:!"Für alle Gase wirksam!"es treten keine zusätzlichen Verunreinigungen auf. Nachteil:!"Hoher verfahrensmäßiger Aufwand!!! Auswirkungen von Gasblasen im Blockguss: Bei der Weiterverarbeitung im Walzwerk werden durch die Druckkräfte die Gasblasen zusammengepresst. Eine Verschweißung ist nicht möglich, wenn Metalle und Gas miteinander Reagiert haben. Dopplung & Werkstofftrennung. Kritisch: Wasserstoffaufnahme von Metallen. Hohe Löslichkeit des Wasserstoffes in der Schmelze führt Übersättigung, bilden sich Wasserstoffmolekühle an Fehlstellen im realen Gefüge (Korngrenzen, Zickelstellen, Minischlackeneinschlüsse,...) Druckbelastung des Gefüges. Mechanische Verspannung ohne äußere Krafteinwirkung, hohe Gasdrücke Spannungen Versprödung Betriebsbeanspruchung Versagen (Bruch) Wasserstoffversiedung Schmelze & Erstarren Erstarrung in der Kokille: Transkristallisation Die Transkristallisation beginnt an der Behälterwand:!"Durch schnelle Wärmezufuhr entsteht eine große Schmelzunterkühlung eine große Anzahl von Keimen: Es entstehen gleichartige Körner ohne Vorzugsrichtung, genannt Globulite!"Da in den einschließenden Bereichen nur ein Temperaturgefälle in radialer (waagrechter) Richtung vorhanden ist, wachsen jetzt lange, schmale Stengelkristalle mit einer Vorzugsrichtung. Dieses hindurchwachsen erzeugt ein stark anisotropes Gefüge: Transkristallisation!"Im Kernbereich bleibt die Schmelze am längsten flüssig, im Isoliermantel kühlt sie am langsamsten ab: Es wachsen große Globulite, ohne bevorzugte Wachstumsrichtung. Ghibsy Seehafer Seite

19 Lunker Die meisten Werkstoffe verringern beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand ihr Volumen, sie schwinden. Die weitere Volumenabnahme im festen Zustand heißt schrumpfen. Folge des Schwindens: Körper kann nach Erstarrung das Flüssigkeitsvolumen nicht mehr voll ausfüllen Formabweichungen oder Hohlräume : Lunker Aussenlunker Innenlunker Lunker können bis zu 10% des Gesamtvolumens betragen. Beispiele für Lunker: Außenlunker: Kopflunker: Entstehen bei gedrungenen Blöcken. Im oberen Teil, durch Absinken des Flüssigkeitsspiegels während des Erstarrens. Röhren- oder Fadenlunker entstehen bei hohen, schlanken Blöcken, wenn die Schmelze von oben nicht mehr nachfließen kann. Ausbildung von Lunker in Abhängigkeit von der Blockform: Abhilfe durch: - Abtrennen des Blockkopfes - Entfernen des Kerns, durch Lochen Innenlunker: Entestehen, wenn Schmelze allseitig durch bereits erstarrtes Metall eingeschlossen wird, und ein Schwammartiges Gefüge entsteht. Mit vielen kleinen, meist metallisch reinen Innenlunkern. Erstarrung einer Gusskonstruktion Beeinflussung des Festigkeitsverhalten durch die sog. Erstarrungskristallisation. Konstruktives Beispiel: Gestaltung einer gegossenen Ecke. 1. zwei Kristallisationsfronten stoßen zusammen! Die von innen angehäuften Verunreinigungen bilden eine ausgeprägte Schwachstelle. 2. Form nicht wesentlich günstiger, da sowohl ein Zusammenstoßen von Kristallisationsfronten als auch ein Lunker vorliegt. 3. Durch diese Ausführung der Konstruktion werden vermieden: Zusammenstoß von Kristallisationsfronten Massenanhäufungen (Lunker-Gefahr!) Seigerungen Definition: Entmischung einer anfänglich gleichmäßig zusammengesetzten Schmelze Konzentrationsunterschiede. Da bei der Erstarrung von Blöcken die Kristallisations- bzw. Erstarrungsfront von außen nach innen fortschreitet nimmt entsprechend die Konzentration von Beimengen zu. Beispiele: Kohlenstoffgehalt in einem Stahlblock Die Seierungs- und verunreinigungsarmen Randzonen werden Specksichten genannt. Weiterverarbeitung: Stark verunreinigte Zonen dürfen nicht in Bereiche hoher mechanischer Beanspruchung gelangen. Ghibsy Seehafer Seite

20 Seigerungen Keine Schwächung des belastbaren Querschnittes bei tragenden Profilen. Wenn Seigerungen nicht vermieden werden können, sollen sie an belastungsmäßig unkritischen Partien angebracht werden. Durch querschnittsverändernde Walzoperationen werden die Seigerungen in den Stegbereich angedrückt. (z.b. Doppel-T-Träger) Gasblasen fördern das Entstehen von Seigerungen beim Erstarren von Blöcken, da durch die entstehende Strömungsbewegung vor der Erstarrungsfront ein Ausgleich von Begleitelementen zwischen Schmelze und bereits erstarrten Kristallen verhindert wird: Zirkulisationsströmmung Hervorgerufen durch die an der Erstarrungsfront aufsteigenden Gasblasen. Sperrrichtung im Hinblick auf den Elements-Ausgleich! Sonderverfahren der Seigerung:!"Gasblasenseigerung Beim weiteren Abkühlen einer bereits erstarrten Gasblase entsteht im eingeschlossenen Gas ein Unterdruck. wird dadurch eine Kappilare von der stärker verunreinigten (bzw. anders Zusammengesetzten) Restschmelze angesaugt, spricht man von der Gasblasenseigerung.!"Schwere Seigerung Entmischung aufgrund von Dichteunterschieden. Abhilfe: Gute Durchmischung Ghibsy Seehafer Seite

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