3. Struktur des Festkörpers

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1 3. Struktur des Festkörpers 3.1 Kristalline und amorphe Strukturen Amorphe Struktur - Atombindung ist gerichtet - unregelmäßige Anordnung der Atome - keinen exakten Schmelzpunkt, sondern langsames Erweichen, - keine Fernordnung (>1000 Atomabstände) - Gläser, Kunststoffe, 22

2 Kristalline Struktur - Metallbindung und Ionenbindung sind ungerichtet - regelmäßige Atomanordnung über >1000 Atomabstände (Fernordnung) - exakter Schmelzpunkt - sich wiederholende Elementarzelle Gitterkonstante ~ Atomdurchmesser ~ m 23

3 3.2 Idealer Kristall - hat keine Fehler oder Störungen (Wärmeschwingungen, Oberflächen) - kommt nicht vor - 3-dimensionale periodische Wiederholung seiner Elementarzelle (EZ) - 14 verschiedene EZ-typen (Bravais-Gitter) in 7 kristallographischen Achsensystemen 24

4 25

5 Technisch relevante Gittertypen 26

6 Stapelfolge im kfz-gitter (ABCABC) 27

7 Stapelfolge im hdp-gitter (ABAB) 28

8 krz - kubisch raumzentriert - Cr, Mo, W, V, -Fe, -Ti, kfz - kubisch flächenzentriert - Cu, Al, Ni, Ag, Au, -Fe, -Co, hdp - hexagonal dichtest gepackt - Mg, Cd, Zn, -Ti, -Co, Polymorphie: Einige Metalle treten temperaturabhängig in zwei oder mehreren Gittertypen auf. 29

9 Packungsdichte (PD) = Volumen d. Kugeln pro EZ / Volumen EZ krz: PD = 68% kfz: PD = 74% Stapelfolge: ABCABC hdp: PD = 74% Stapelfolge: ABAB 30

10 3.3 Realer Kristall Punktfehler (0-dimensionale Gitterfehler) 31

11 3.3.2 Linienfehler (1-dimensionale Gitterfehler) Stufenversetzung 32

12 Burgersvektor b Ist ein Maß für den Versatz des Gitters verursacht durch die Versetzung. b 33

13 Schraubenversetzung 34

14 Gemischte Versetzung 35

15 Bedeutung der Versetzungen - Voraussetzung für plastisches Verhalten der Metalle (z.b. Walzen, Biegen, Schmieden) - äußere Kräfte führen zur Bewegung von Versetzungen - sich bewegende Versetzungen transportieren Material - Versetzungen sind auch die Ursache für Verfestigung und Eigenspannungen - Versetzungsdichte = Gesamtlänge aller Versetzungslinien pro Volumen normal: cm -2, stark kaltumgeformt: cm -2 36

16 3.3.3 Flächenfehler (2-dimensionale Gitterfehler) Kleinwinkelkorngrenze Antiphasengrenze (kfz-gitter) Großwinkelkorngrenze Zwillingsgrenze (krz-gitter) 37

17 3.3.4 Volumenfehler (3-dimensionale Gitterfehler) Phasengrenze kohärent teilkohärent Ausscheidung, Dispersion Einschluß Mikroriß Pore, Mikropore inkohärent 38

18 3.4 Realstruktur und Eigenschaften Gitter und Gitterfehler beeinflussen Eigenschaften wie - elektr. und therm. Leitfähigkeit: Bändermodell, Gitteranordnung (Atomabstände) - Verformbarkeit: Versetzungen bewegen sich auf Gleitebenen (= Ebenen dichter Atomanordnung) - Festigkeit: Bewußte Einschränkung der Bewegung der Versetzungen - Wärmeausdehnung: Kräfte zwischen Gitterbausteinen (= Atomen) - Diffusion: Gitterlücken 39

19 GS mit dichtest gepackter GE: kfz: 12 hdp: 3 krz: 0 Gleitsystem (GS) = Gleitebene (GE) + Gleitrichtung 40

20 Richtungsabhängigkeit von Eigenschaften Einkristall (a): - besteht aus einem einzigen Korn (=Kristallit) - z.b. Si-Block zur Herstellung von Chips - Turbinenschaufeln Vielkristall = Polykristall (b): - besteht aus vielen Körnern (=Kristalliten) - Mehrzahl aller metallischen Werkstoffe 41

21 Anisotropie = Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften gilt für: Elementarzelle EZ Korn (=Kristallit) Einkristall beispielhaft: Elastizitätsmodul E Schubmodul G 42

22 Isotropie = Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften gilt für nichtkristalline Stoffe (=amorph): - Gläser - Kunststoffe - Keramik 43

23 Quasiisotropie = Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften bedingt durch die beliebige (statistische) Orientierung der Körner in Polykristallen Textur (=anisotroper Polykristall) = Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften von Polykristallen bedingt durch mech. Umformung 44

24 Anisotropie durch Textur (Walz-, Zieh-, Schmiedetextur) Nachweis: Näpfchenziehen r-wert-bestimmung Durch Walzvorgang ausgerichtetes Gefüge (Textur) 45

25 Anisotropie von faserverstärktem Kunststoff 46

26 3.5 Aufbau von Legierungen Legierungen sind Vereinigungen eines Metalls mit mindestens einem anderen Metall oder Nichtmetall. (z.b. Fe-C, Fe-Ni, Al-Si-Mg, Fe-C-Cr-Ni) Legierungsphasen: - Mischkristall (Einlagerung, Substitution) 47

27 - Überstruktur - Intermetallische FeCo, AuCu, Fe 3 Al Phasen TiN, VC, Al 2 Cu, Mg 2 Si CuBe 2 48

28 Gefüge eines Einlagerungs-Mischkristalles 49

29 Gefüge eines Substitutions-Mischkristalles 50

30 Gefüge eines Kristallgemisches 51