1. Einführung. 2. Aufbau kristalliner Werkstoffe. 2.1 Bindungsarten Metallische Bindung Kovalente Bindung (Elektronenpaarbindung)

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1 1. Einführung 2. Aufbau kristalliner Werkstoffe Metalle bilden nur im festen Zustand Kristalle. Regelmäßiger Aufbau, räumlich. (Fehlt kristalliner Aufbau, so sind Stoffe amorph Glas, Kunststoff) Eigenschaften metallischer Stoffe hängen ab von Bindungsarten Kristallstruktur 2.1 Bindungsarten Wesentlich ist die äußere Schale und die dort befindlichen e. Atome möchten in gesättigten, stabilen Zustand übergehen Abgabe oder Aufnahme von e Metallische Bindung Metalle + Metalllegierungen z. B. Cu; AlMg; Metalle haben 1 3 e auf äußerer Schale Abgabe von e Ion+ freie e Eigenschaften: gute elektrische Leitfähigkeit (wegen freien e) gute Verformbarkeit (wegen leichtem Abgleiten der Ionen) Prüfung! Kovalente Bindung (Elektronenpaarbindung) 1

2 Halbleiter (Halbmetall) und Halbleiterlegierungen z. B. Si, GaAs, Ge, InAb 4 e auf äußerer Schale e werden nicht abgegeben e der Nachbaratome werden mitbenutzt paarweise Elektronenpaarbindung Bindung erfolgt durch Elektronenpaare und positive Ionen. keine freien e Eigenschaften: keine elektrische Leitfähigkeit (keine freien e) (Leitfähigkeit möglich durch Störstellen, Wärme, Licht usw. siehe Kap 13) schlechte Verformbarkeit Ionenverbindung Metall + Nichtmetall z. B. NaCl Me: Na gibt 1e ab Ion+ NMe: Cl nimmt 1 e auf Ion Ladungen führen zur Bindung Eigenschaften: keine elektrische Leitfähigkeit (keine freien e) (Unter Einfluss eines äußeren Feldes wandern Ionen in wässriger Lösung Massentransport, Elektrolyse/Galvanik) 2.2 Kristallstrukturen Aufbau eines Idealkristalls Kristallgitter: geometrischer, regelmäßiger Aufbau der Ionen Gitterabstand = Gitterkonstante = a Ionenabstand (Gleichgewichtszustand der Abstoß und Anziehungskräfte) 2

3 Aufbau eines Idealkristalls Zur Beschreibung eines Kristallgitters dient die Elementarzelle. Da a in den verschiedenen Gitterebenen nicht gleich sein muss, gibt es 7 unterschiedliche Elementarzellen. Für Metalle sind besonders wichtig: kubische Elementarzellen tetragonale Elementarzellen hexagonale Elementarzellen Hieraus folgen 3 Modifikationen: Prüfung o Kubisch raumzentrierte Elementarzelle (KRZ): Eigenschaften: schlechte Verformung, z. B. Mo o Kubisch flächenzentrierte Elementarzelle (KFZ): Eigenschaften: sehr gut verformbar (Abgleiten unter 45, dichte Packung) (dichteste Ionenpackung unter 45 Gleitebene) z. B. Al, Cu o Hexagonale Elementarzelle: hexagonale, dichteste (Atom)Packung (hdp) Bild siehe Umdruck Eigenschaften: nicht verformbar, z. B. Diamant 3

4 Die unterschiedlichen Abstände der Ionen im Kristallgitter haben zur Folge, dass die Eigenschaften des Werkstoffes richtungsabhängig sind. Anisotropie (keine Richtungsabhängigkeit: Isotropie) Prüfung! Einige Metalle kristallisieren bei bestimmten Temperaturen um (z. B. KRZ KFZ) Polymorphie oder Allotropie Beschreibung der Kristalle (Millersche Indizes) Sie kennzeichnen Ebenen () und Richtungen [] im Kristall: Hauptrichtungen und ebenen in der kubischen Elementarzelle: Ebenen Prüfung 2.3 Gefüge Technische Metalle sind vielkristallin (polykristallin) aufgebaut. viele Kristalle (Körner) Kristallverbund heißt Gefüge Gefüge ist gekennzeichnet durch: Korngröße (fein, grobkörnig) Kornform (globular, stengelartig) Korngrenzen o Geringere Bindungskräfte o Anlagerung von Verunreinigungen o Beginn von Ausscheidungen Prüfung: Gefüge zeichnen 4

5 Homogene Gefüge: reine Metalle, Mischkristalle Heterogene Gefüge: 2 Mischkristalle nebeneinander vorhanden (α + β MK) Mischungslücke Eigenschaften kristalliner Werkstoffe: kristalline Werkstoffe reagieren quasiisotrop (Einzelkristall anisotrop; die Anisotropie der Einzelkristalle wirkt sich auf den Werkstoff nicht aus, da die Elementarzellen räumlich regellos verteilt sind.) Durch Wärmebehandlung und Walzen erhält man eine Ausrichtung der Elementarzelle anisotroper Werkstoff ist dann texturbehaftet anisotrop (Textur) 2.4 Gitterbaufehler Technische Metalle sind nicht fehlerfrei aufgebaut (kein Idealkristall) Fehler entstehen durch: Herstellung Mechanische Bearbeitung Wärmebehandlung Bestrahlung mit energiereichen Teilchen Punktförmige Gitterbaufehler a) Leerstelle b) Zwischengitteratom (SchottkyDefekt) c) Substitutionsatom (Fremdatom) d) Einlagerungsatom (Fremdatom) FrenkelDefekt 5

6 2.4.2 Linienförmige Gitterbaufehler (Versetzungen) a) Stufenversetzung: Gittergerade wird nicht fortgesetzt b) Schraubenversetzung: Gittergerade wendelförmig versetzt Flächenförmige Gitterbaufehler a) Korngrenzen: 2 Kristalle mit unterschiedlicher Orientierung der Gittergeraden werden durch Korngrenze getrennt b) Zwillingsgrenze: Bereiche klappen in andere Orientierung um Eigenschaften durch Gitterbaufehler: 6

7 (Zug)Festigkeit Rm ; elektrische Leitfähigkeit κ ; Anwendung: Legierungstechnik Halbleitertechnik (Dotieren) 2.5 Erstarren einer reinen Metallschmelze Abkühlungskurve Prüfung! 1) Punkt T1, t1: Kristallisationskeime bilden sich (= Verunreinigungen) 2) T1, t1 bis t2: MetallAtome lagern sich mit beliebiger Orientierung, räumlich an Keime an 3) T1, t2: Kristallwachstum ist beendet (alles fest) und Körner sind durch Korngrenzen begrenzt Primärkristallisation Primärgefüge Form und Größe der Kristalle (Körner) 1) Gleichmäßige Abkühlung 2) Ungleichmäßige Abkühlung 3) Langsame Abkühlung 4) Rasche Abkühlung globulares Gefüge Stengelförmige Körner weniger Keime grobes Korn viele Keime feines Korn 3. Zustandsdiagramm 7

8 Werkstoffe bestehen in der Regel aus verschiedenen Atomen Legierung bestimmte Eigenschaften 3.1 Legierungsbildung 1) Mischkristalle Bei der Mischung von Atomen A und B entstehen Mischkristalle die sich je nach Verteilung unterscheiden o SubstitutionsMischkristalle Besetzen BAtome die Plätze des Wirtsgitters aus AAtomen: Statistisch verteilt: Überstruktur (regelmäßig) Entmischung (Clusterbildung) o EinlagerungsMischkristalle BAtome besetzen Zwischengitterplätze 2) Intermediäre Verbindungen Chemische Verbindungen, sehr hart, spröde Anwendungen nur in besonderen Fällen o Intermetallische Verbindung Metall + Metall metallische Eigenschaft (Al2Cu, Nb2Su, NbTi50) o Interstitielle Verbindung Metall + Nichtmetall nichtmetallische Eigenschaft (Karbide, Nitride) 8

9 3.2 Primärkristallisation bei Legierungen Kristallisation erfolgt unter 3 Randbedingungen: o Temperatur T o Konzentration c o Druck p Kristallisation erfolgt in der Regel bei 1 bar Druck ebenes Diagramm TcDiagramm Zustandsdiagramm Bei Abkühlung entstehen verschiedene Phasen (Metalle sind begrenzt durch Phasengrenzen): o Schmelze o Reine Metalle o Mischkristalle o Intermediäre Verbindungen o Gemische Schmelze + MK MK + MK Vollkommene Löslichkeit im festen Zustand Bildung eines lückenlosen Mischkristalls aus Atome A (Ni) und BAtomen (Cu) Zustandsdiagramm Abkühlungskurve 9

10 Entstehung der Seigerung (Schichtenmischkristalle) (entsteht immer, nach theoretisch unendlich langer Diffusion Ausgleich) Ausgleich über Diffusion Vollkommene Unlöslichkeit im festen Zustand Kein Mischkristall!! Es entstehen nur A (Cd) und BKristalle (Bi)! Zustandsdiagramm Abkühlungskurve E: Eutektikum ( gut schmelzend ) 2 Kristalle (A + B) fein verteiltes Gefüge (feinkörnig) Haltepunkt Eutektische Reaktion: S A + B 10

11 3.2.3 Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand Systeme mit Mischungslücke 1) Eutektische Systeme (TSA TSB) z.b. AlSi, es entstehen nur Mischkristalle und Gemische aus Mischkristallen!! Zustandsdiagramm Abkühlungskurve E: Eutektikum, feines Gefüge Eutektische Reaktion: S α + β Unter Löslichkeitsgrenze bilden sich Segregate (Ausscheidung eines festen Bestandteiles aus einem festen Bestandteil Diffusion) Abhängigkeit der Leitfähigkeit κ vom Zustandsdiagramm Prüfung! κ bei reinen Werkstoffen (100%) κ bei feinem Gefüge (Eutektikum) κ bei Mischkristallen 11

12 2) Peritektische Systeme TSA << TSB z.b. AgPt Zustandsdiagramm Abkühlungskurve P: Peritektikum (ringsherum schmelzend) Peritektische Reaktion: S + β α Zusammengesetzte Zustandsdiagramme Zustandsdiagramm Abkühlungskurve V = Intermetallische Verbindung Eigenschaften: Hart und spröde chemische Verbindung technisch nur selten in der Anwendung verhält sich wie Reinmetall 12

13 4. Eisenwerkstoffe wichtigster Konstruktionswerkstoff 4.1 EisenKohlenstoffDiagramm Realsystem (max. bis 2% C) Abkühlungskurve von reinem Eisen E = Eutektoid Gefüge bei 0,8%: Perlit Einteilung der FeWerkstoffe 4.2 Phasen und Gefüge 13

14 αmischkristall: (Ferrit) reines Eisen, max. 0,02% C ferromagnetisch bis CurieTemperatur, 769º, danach paramagnetisch kubisch raumzentriert γmischkristall: (Austerit) bis max. 2% C kubisch flächenzentriert Fe3C: (Zementit), Eisenkarbid intermetallische Phase (6,67% C) sehr hart, sehr spröde (HV = Nmm2) Umwandlung in Graphit möglich durch tampern (Grauguss) langes Glühen nötig (= tampern) Fe3C zerfällt in 3F und C; C = Graphit Perlit: eutektoider Zerfall des Mischkristalls in Perlit γ α + Fe3C bei 0,8% C, Gefüge feinlamellar; untereutektoides Gefüge eutektoides Gefüge übereutektoides Gefüge 4.3 Bezeichnung und Anwendung Normung DIN vorangestellt Herstellverfahren Kern nachgestellt Wärmebehandlung a) Kennzeichnung nach Eigenschaften ( Zugfestigkeit) 14

15 Massenstähle, die nicht wärmebehandelt werden (CGehalt nicht wichtig) St 37 Euronorm: StE370 = Baustahl mit Mindestzugfestigkeit Rm = 370 N/mm2 = Baustahl mit Mindestzugfestigkeit Rm = 370 N/mm2 b) Kennzeichnung nach Analyse Qualitätsstähle, geeignet für Wärmebehandlung u. a. 1) Unlegierter Qualitätsstahle (Fe, C) CGehalt wird angegeben mit Kennzahl 100: C15 = Unlegierter qstahl mit 15/100% C, Rest Fe ( Einsatzstahl) C22 = Unlegierter QStahl mit 0,22% C, Rest Fe ( Vergütungsstahl) Ck22 = Unlegierter QStahl mit 0,22% C, Rest Fe, k besondere Reinheit bez. P, S (wenig) 2) Niedrig legierter Qualitätsstahl <5% vorangestellt wird CGehalt mit Kennzahl 100, dann Elemente mit fallendem Prozentgehalt mit folgenden Kennzahlen: 4: Cr, Co, Mn, Ni, Si, W (Chrom konnte man nicht sicher wahrnehmen) 10: Alle übrigen, außer 100: C, N, S, P Beispiel: 13CrMo44 Niedrig legierter QStahl mit 0,13% C, 1% Cr, 0,4% Mo; Rest Fe 25CrMo4 Niedrig legierter QStahl mit 0,25% C, 1% Cr, <1% Mo; Rest Fe 60SiMn5 Niedrig legierter QStahl mit 0,6% C, 1,25% Si, < 1% Mn; Rest Fe 3) Hochlegierter Qualitätsstahl > 5% vorangestellt X, dann CGehalt mit Kennzahl 100, dann Elemente nach fallenden Prozentgehalten ohne Kennzahlen! Beispiel: X200Cr13 Hochlegierter QStahl mit 2% C, 13% Cr, Rest Fe X12CrNiTi188 Hochlegierter QStahl mit 0,12% C, 18% Cr, 8% Ni, Ti < 1%, Rest Fe 15

16 4.4 Eigenschaftsänderungen von Eisenwerkstoffen 1) Legierungstechnik (Änderung der chemischen Zusammensetzung) a) Verschiebung der Phasengrenzen Ferritbildner: αmischkristall: Cr, Si, Al,... Austernitbildner: γmischkristall: Ni, Co, Mn Karbidbildner: sehr hart, spröde: Nb, W (1 für Prüfung) b) Elemente mit besonderen Wirkungen und Eigenschaften Rm : Mn, Ni, Cr Warmfestigkeit : W, V Magnetismus : Al, Ni, Co Korrosionsfestigkeit : Cr 2) Wärmebehandlung (Glühen, Umwandlungshärte, Ausscheidungshärte, Härteverfahren, ZTUDiagramm) 3) Verformung: plastisch 5. Wärmebehandlung Verfahren, um mit Temperaturänderungen Eigenschaften zu erzielen (im festen Zustand) Diffusion Zwei Verfahren: o Glühen Gleichgewichtszustände im Gefüge o Härten Ungleichgewichtszustand im Gefüge Temperaturführung (TtDiagramm) 16

17 5.1 Diffusion temperaturabhängiger Platzwechsel von Atomen Leerstelle Massentransport Zwischengitterplatz Je höher die Temperatur, desto größer Schwingungsfrequenz der Atome. Diese können ihren Platz leichter wechseln. Durch Temperaturerhöhung wird Aktivierungsenergie zugeführt, die Diffusion einleitet. Diffusion wird durch Gleichgewichtszustand beendet. Diffusionsvorgänge: Ausgleich von Konzentrationen im ZonenMischkristall Rekristallisation Kriechvorgänge 5.2 Glühen Gefüge wird durch Glühen in Gleichgewichtszustand versetzt Abkühlungszeit Abkühlungsgeschwindigkeit Bei Eisenwerkstoffen 6 Glühverfahren (siehe Umdruck) 5.3 Umwandlungshärten (bei Fe) Herstellung von Ungleichgewicht im Gefüge Vab ; Zab ; Abkühlung an γgebiet Diffusion nimmt ab weniger α bzw. Perlit kann entstehen Abhängigkeit von Abkühlungsgeschwindigkeit () entstehen 3 Gefüge: a) Perlitstufe b) Zwischenstufe c) Martensitstufe (Martensit) 17

18 5.3.1 ZeitTemperaturUmwandlungsSchaubild (ZTUDiagramm) Umwandlung von γ Mischkristall abhängig von Vab und T wird in ZTUDiagramm dargestellt. Das FeCDiagramm gilt theoretisch nur für Vab 0. Praktisch ist Vab immer > 0, es entstehen Ungleichgewichte. FeCDagramm wird durch 3.Achse (Vab) ergänzt zu einem räumlichen Diagramm. Ebene Schnitte zur VabTEbene liefern ZTUDiagramme Vuk: unterkritische Abkühlungsgeschwindigkeit Vok: oberkritische Abkühlungsgeschwindigkeit Gefügeerklärung: siehe Umdruck Perlitstufe: langsame Abkühlung aus γ Gebiet Diffusion γmischkristall wird umgewandelt in αmischkristall Perlit (α + Fe3C) Skizze siehe oben Zwischenstufe: schnelle Abkühlung Diffusion nimmt ab Perlitstufe (α + Fe3C) γ α übersättigt mit Fe3C) Martensitstufe: sehr schnelle Abkühlung 18

19 Keine Diffusion kein α!! α übersättigt (Martensit) Härteverfahren Siehe Umdruck 5.5 Verfahren werden am ZTUDiagramm dargestellt 1) Normalglühen (N): Nahezu Gleichgewicht α α + Fe3C 2) Einfaches Härten (H): Starkes Ungleichgewicht, 100% Martensit, sehr spröde, hart (Glashärte) (durch Vergüten wird Glashärte genommen) 3) Gebrochenes Härten (G): Ungleichgewicht, 100% Martensit, (Wasser + Öl) hartes Gefüge (nicht glashart) 4) Warmbadhärten (W): z. B. Zwischenstufe (Wasser + Salzbad mit konstanter Temperatur) 6. Mechanische Eigenschaften 6.1 Elastische Verformung Keine bleibende Verformung. Atome ändern ihre relative Lage zueinander nicht! Verformung hängt ab von: Atombindung, Kristallaufbau (Kfz, Krz ) Gitterbaufehler, Legierung, Wärmebehandlung z.b. Einfluss der Legierung auf Festigkeit (Verformung) 19

20 SpannungsDehnungsDiagramm Zugkraft (spannung) über Verlängerung (Dehnung) auftragen St37: ausgeprägte Fließgrenze Reh = Fließgrenze Rm = Zugfestigkeit A5 = Bruchdehnung Tan α = E: Elastizitätsmodul St80: keine ausgeprägte Fliessgrenze Rp02: (konstruierte Fließgrenze) Streckgrenze Rm = Zugfestigkeit Abgelesen werden: Fließgrenze, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul, Bereich elastischer und plastischer Verformung, Bruchdehnung, Bruchaussehen (Probe): Verformungsbruch (Einschnürung stark) Sprödbruch (keine Einschnürung) Mischbruch (Einschnürung schwach) 6.2 Plastische Verformung Bleibende Verformung, Atome ändern Lage zueinander! 20

21 Dann notwendig Schubspannung Gleitung, Versetzungsbewegung, Zwillingsbildung Gleiten: o Bei Zugbeanspruchung entstehen unter 45 maximale Schubspannungen o Je dichter Atome gepackt sind, desto leichter sind sie verschiebbar, z. B. Kfz ebenfalls unter 45 Bewegung der Atomreihe ist ein Vielfaches des Atomabstandes o Bevorzugte Gleitebenen: (111): Kfz (110): Krz (0001): hexagon Versetzungsbewegung o Bei Stufenversetzung kombiniert mit Schubspannung erfolgt ein Gleiten nicht entlang einer Atomreihe, sondern von Atom zu Atom Zwillingsbildung Gitterbereiche klappen in neue Orientierung um. Diese Bereiche sind zu den unverformten symmetrisch Symmetrieebene 21

22 Zwillingsebene Unverformt Verformt unverformt Bewegung kleiner als Atomabstand! Erholung und Rekristallisation Die Änderung der Werkstoffeigenschaften nach plastischer Verformung kann durch Ausheilvorgänge reduziert werden. Durch Kaltverformung wird Energiezustand im Werkstoff erhöht. Tendenz ist aber, in energieärmeren Zustand zurückzukehren 3 Maßnahmen erreichen dies: Erholung: Geringe Erwärmung (unter Phasengrenze) Diffusion Abbau innerer Spannungen kein neues Gitter Rekristallisation: Höhere Erwärmung (unter Phasengrenze): Diffusion vorhandene innere Energie (durch plastische Verformung) + Wärmeenergie neue Keime neues Gitter (Aufbau wie ursprüngliches Gitter) Grobkornbildung: Hohe Erwärmung (unter Phasengrenze): Zusammenschluss von Kristallen Große Körner = Grobkorn 22

23 niedrige plastische Verformung hohe plastische Verformung Kriechen (siehe 7.2.4) Methoden zur Festigkeitssteigerung Kleine Körner: Je kleiner Korn, desto geringer Versetzungsbewegung (Feinkornbaustahl) plastische Verformung: Verdichtung behindert Versetzungsbewegung Legierungsbildung (Mischkristalle): Fremdatome behindern Versetzungsbewegung Umwandlungshärten: Ungleichgewicht, viele Fehler behindern Versetzungsbewegung Ausscheidungshärten: übersättigte Mischkristalle behindern Versetzungsbewegung 7. Untersuchungs und Prüfverfahren 7.1 Bestimmung der Zusammensetzung und des Kristallgefüges von Werkstoffen Analyse und optische Verfahren Qualitativ (Funken, Tüpfel, Brennprobe) Quantitativ (Titration) Optische (Lichtmikroskop) (siehe Umdruck 1.3) 23

24 7.1.2 Elektronenmikroskope TransmissionsElektronenMikroskop (TEM) Durchstrahlung RasterElektronenMikroskop (REM) 7.2 Zerstörende Werkstoffprüfung Ermittlung von Werkstoffkennwerten: Zugversuch Probe wird kontinuierlich steigender (statischer) Zugkraft unterworfen Dehnung, Spannung SpannungsDehnungsDiagramm Fließgrenze (Ersatzstreckgrenze) Reh, Rm Zugfestigkeit Rm Elastizitätsmodul E = tan α Bruchdehnung A Bruchaussehen 24

25 7.2.2 Härteprüfung 1) Brinell: Stahlkugel HB = F / (d2/4 * π) Härteangabe: 120 Härtewert kp/mm2 HB 5 Verfahren D / 250 / 30 F(kp) Einwirkzeit in s oder D = 10mm; F = 3000 kp; t = 10s 156 HB Blechdicken > 2 * d! 2) Vickers Diamantpyramide (d1 + d2) / 2 = d Härteangabe: 106 HV 30 Härtewert Verfahren F(kp) HV = F / A / 30 Einwirkzeit in s F = 10 kp; t = 10s 99 HV 25

26 3) Rockwellhärteprüfung: zwei Prüfkörper Konus (cone = C) Kugel (ball = B) aus gehärtetem Stahl, genormt gemessen wird Eindringtiefe einfaches Verfahren, geeignet für Vergleichs und Reihenentwicklungen Probendicke: d 10 * Δtb 4) Dynamische Härteprüfung PoldiHammer Federdruckhärtemesser Kerbschlagbiegeversuch Empirisches Prüfverfahren, Stoßbelastung bei verschiedenen Temperaturen, Pendelschlagwerk Schlagarbeit wird gemessen: W = m g (H h) Kerbschlagzähigkeit: αk = W / A 0 26

27 Prüfkörper: ISO DVM Ergebnisse für αk abhängig von T Dauerfestigkeitswerte σd Dauerfestigkeit!! (TechMech) 1) Zeitstandversuch (Kriechen) in Zugstab wird mit konstanter Kraft bei erhöhter Temperatur gezogen. Dehnung wird über Zeit aufgetragen Zeitstandversuch! Wegen höherer Beweglichkeit der Atome bei höheren Temperaturen ändert sich deren relative Lage Kriechen Bedeutung für warmfeste Werkstoffe (Cr, CrNi) 27

28 Kriechkurve I: Übergangskriechen: Verfestigung, geringe Erholung II: Stationäres Kriechen: Verfestigung und Erholung im Gleichgewicht (Arbeitsbereich) (III: Tertiäres Kriechen: keine Verfestigung, nur Erholung, kein Arbeitsbereich) gemessener Kennwert ist Zeitstandfestigkeit: Rm,t,T z. B. Rm,10000,600 = 370 N/mm h 600ºC 2) Wöhlerkurve (σb, τt, σt...) Bauteil wird dynamisch (schw, w) beansprucht und Spannung bei Bruch zusammen mit den Lastwechseln gemessen. Beide Werte werden logarithmisch aufgetragen Wöhlerkurve 7.3 Zerstörungsfreie Prüfverfahren keine Kennwerte, nur Fehler (immer an Oberfläche) Röntgendurchstrahlverfahren Röntgen bzw. Gammastrahlen durchdringen Metalle (je kleiner λ, desto besser Durchdringung) Strahlung wird je nach Homogenität abgeschwächt und Reststrahlung hinter Bauteil auf Film registriert 28

29 Fehler: Risse, Lunker (Lufteinschlüsse), Inhomogenität im Innern!! UltraschallVerfahren Schallwellen dringen in Bauteil ein (0,5 10 MHz) Hochfrequenter Schallstrahl kann fokussiert werden, daher auch kleine Fehler sichtbar. Ankopplung an Bauteil über Öl, dabei LuftspaltTotalreflexion Fehler: Risse, Lunker, Doppelungen, SchweißnahtEinschlüsse, auch Wanddickenmessungen 1) Impulsechoverfahren Schallkopf und Empfänger in einem Prüfkopf a) Einkopplungsecho b) Rückwandecho c) Fehlerecho Fehler: Risse, Lunker, Doppelungen, Wanddickenmessung 29

30 2) Durchschallverfahren 2 Prüfköpfe Schallkopf Empfänger Fehler: Schweißnahtprüfung Fehler innen!! Farbeindringverfahren Flüssigkeit mit geringer Viskosität und Oberflächenspannung dringt in Oberflächenrisse ein (Kapillarwirkung). Nach Abwaschen wird Bauteil mit Kreidefilm überzogen, Flüssigkeit dringt in trockenen Kreidefilm ein, dadurch Sichtbarmachung des Fehlers Magnetpulververfahren Makroskopische Risse in oder dicht unter der Oberfläche von Bauteilen aus ferromagnetischen Werkstoffen können erkannt werden. Der Verlauf der Kraftlinien eines magnetischen Feldes wird durch Fehler gestört. Eisenspäne in Ölemulsion machen Kraftlinien sichtbar Schallemissionsprüfung Zur Feststellung von Rissentstehung bzw. Risswachstum. Wenn ein Riss entsteht, gehen von den sich bewegenden Atomen Schallwellen aus. Diese werden mit Spezialmikrofonen abgehört. 30

31 8. Elektrische Eigenschaften im Festkörper Atomaufbau positiv geladener Kern negativ geladene Elektronen Atom ladungsneutral Bindungsmechanismen der Atome (Kap. 2.1) o metallische Bindung o kovalente Bindung o Ionenbindung 8.1 Bändermodell Die Lage jedes Elektrons ist gegenüber dem Kern durch ein bestimmtes Energieniveau gekennzeichnet. Modell für 1 Atom Treten viele Atome in Wechselwirkung, so werden die Energieniveaus der äußersten Schalen am stärksten gestört (PauliPrinzip). Es treten Energiebänder auf. Für die elektrische Leitfähigkeit sind die beiden äußersten Energiebänder maßgeblich. Das äußerste Band ist nicht oder nur teilweise mit Elektronen besetzt und wird Leitungsband genannt. Das darunterliegende Energieband ist vollbesetzt mit Elektronen und wird Valenzband genannt. Stromleitung beruht auf gerichteter Bewegung der Elektronen, z. B. unter Einfluss eines äußeren Feldes (Energiezufuhr). Damit erhalten Elektronen ein anderes, höheres Energieniveau und können somit in andere Energiebänder gelangen. 31

32 3 Leitungsmechanismen werden unterschieden: Isolator (SiO2): Bei Energiezufuhr kann Energielücke nicht übersprungen werden. Halbleiter (Si): Ohne Energiezufuhr bleibt Leitungsband leer (=Isolator). Mit Energiezufuhr gelangen e von Valenzband in Leitungsband, d. h. Freie Elektronen befinden sich im Leitungsband (=Leiter) Leiter: Leitungsmechanismus im Valenzband ( freie e) Leitungsband von Valenzband hier teilweise gefüllt freie e Leitungsmechanismus 8.2 Elektrische Leitfähigkeit metallischer Werkstoffe z. B.: Ag Cu Au Al κ = 63 * 106 S/m κ = 57 * 106 S/m κ = 46 * 106 S/m κ = 37 * 106 S/m auswendig! (1) Abhängigkeit der Leitfähigkeit κ e Dichte, Konzentration Anzahl der Elektronen bezogen auf Volumen ne [As/m3] Beweglichkeit μe [m2/vs] Daraus ergibt sich für κ: κ = n e * μe = 1/ρ 32

33 Unterschied der Leitfähigkeit zwischen metallischen Leitern und Halbleitern: Leitfähigkeit bei metallischen Leitern abhängig von ne (Konzentration) und bei Halbleitern von μe (Beweglichkeit) 3) Einfluss auf die Leitfähigkeit κ κ wird umso größer, wenn o Der Reinheitsgrad der Kristalle sehr hoch ist (keine Legierung, keine Mischkristalle) (OFHCCu; SECu Sauerstofffrei!) Leitfähigkeit wird mit größerem Legierungsanteil geringer, da stärkere Gitterverspannung und Abbremsung der freien Elektronen durch ungleiche Atomrümpfe Prüfung! o Kristallgitter wenig oder gar nicht elastisch bzw. plastisch verformt sind. Keine Kaltverformung = keine Gitterverspannung und unregelmäßige Anordnung der Atomrümpfe o Werkstoff wenig Kristallgrenzen aufweist (gut: monokristallin (Einkristall), grobkörniger Werkstoff schlecht: polykristalliner, feinkörniger Werkstoff) o Temperatur im Leiter gering ist (Je höher Temperatur, umso größer Schwingungen der Atomrümpfe. Beweglichkeit nimmt ab) Prüfung: MathiessenRegel! In MathiessenRegel werden die Einflüsse zusammengefasst. ρ = ρt + ρl + ρv ρt: Temperatureinfluss ρl: Legierungseinfluss ρv: Verformungseinfluss 33

34 ρ von verschiedenen Werkstoffen der Elektrotechnik: Prüfung: Bereiche von Leiter, Halbleiter, Nichtleiter, Supraleiter Thermoelektrische Effekte (1) Thermospannung, SeebeckEffekt Befinden sich die Kontaktstellen zweier unterschiedlicher Metalle auf verschiedenen Temperaturen diffundieren Elektronen von der warmen zur kalten Stelle. Ith Thermoelement Ist die Temperatur bei B bekannt (Raumtemperatur, Eiswasser) kann Temperatur bei A gemessen werden, da ΔT zwischen a und b der Thermospannung proportional ist. die Thermospannung einzelner Elemente bezogen. b. auf Platin ist in der thermoelektrischen Spannungsreihe dargestellt. (Achtung: Elektrochemische Spannungsreihe (Löslichkeit unedler Ionen zu edlen Ionen in wässriger Lösung)) FeKonstantan: NiCrNi: PtRhPt: bis 700ºC 1000ºC 1300ºC (2) PeltierEffekt Umkehrung von Seebeck Durch Anlegen einer Gleichspannung an zwei unterschiedliche Materialien fließen Elektronen von A nach B und es entsteht eine Temperaturdifferenz. Anwendung: Kühlung elektronischer Schaltungen, Camping 34

35 (3) JankeEffekt ρ ändert sich abhängig von Temperatur Anwendung: Widerstandsthermometer, Widerstandsheizung 9. Leiterwerkstoffe, Nichteisenwerkstoffe 9.1 Kupfer Kupfer wichtigster Konstruktionswerkstoff in ETechnik ECu: hochleitfähiges Cu in der ETechnik (DIN ) Richtwerte: o Reinheit: o κ bei 20ºC: o Wärmeleitfähigkeit: > 99,9% (57 58) * 106 S/m hoch Anwendungen: Wärmetauscher, Kühler, Apparatetechnik o Korrosionsbeständigkeit: Cu2O; Anwendung: Wärmetauscher o Festigkeit: Rm = 220 N/mm2 o Warm und Kaltverformung: kfz; kaltverformbar bis 90% HB: Härte Brünell As: Bruchdehnung 35

36 In reinem ECu befinden sich herstellungsbedingt kleine Mengen Cu2O, d. h. Sauerstoff. Wird ECu unter Hhaltigem Schutzgas auf ca. 500ºC erhitzt, reagiert O mit H zu H2ODampf. Dampf Cu2O + H2 2Cu + H2O H2ODampf hoher Druck (>1000bar) Dies führt zu Rissen, Poren und Versprödungen in Kupfer. Deshalb sauerstofffreies Cu: SECu, OFHCCu SECu: κ 20 C: 58 * 106 S/m sehr gut schweißbar und lötbar Anwendung: Stromschienen, Kontakte, Kabelschuhe, Litzendrähte usw. 9.2 Kupferlegierungen 1) Niedrig legierte Kupfer Bereich 0,01 0,02 % Fremdatome κ κgünstige Zusätze: Cd, Cr, Ag, Be z. B. CuCd1 Leiterwerkstoff für Oberleitungen κ = 48 * 106 S/m κschädliche Zusätze: O, Sb, As, Fe bis zu 50% Minderung von κ festigkeitssteigernde Zusätze: Zr, Cr, CrZr, Be (Warmaushärten = Ausscheidungshärten) Warmaushärtetemperatur z. B. CuZr mit 0,1% Zr κ 49 * 106 S/m Rm = 800 N/mm2 Anwendung: Reaktor, Raketenbau 36

37 2) Hochlegierte Kupfersorten Fremdatome verzerren Gitter stark κ CuZnLegierung (Messing) ZnZugabe verbilligt Werkstoff Rm ; κ ; Zerspanbarkeit ; Gießbarkeit Bezeichnung: CuZn37 63% Cu; 37% Zn (alt: Ms63 63% Cu, 37% Zn) Zustandsdiagramm: Prüfung Bis 23% Zn: Tombake, αmischkristall, kfz, gut kaltverformbar, keine Spannungsrisskorrosion (mechanische und chemische Beanspruchung) (Prüfung), κ = 30 * 106 S/m Anwendung: wie bei reinem ECu Bis 37% Zn: noch αmischkristall, kfz, schlecht zerspanbar, κ = (15 22) * 106 S/m z. B. CuZn35 (= Ms65) Bis 42% Zn: Mischungslücke α Mischkristall (kfz) + βmischkristall (krz) Rm ; κ ; schlecht verformbar, gut zerspanbar; Anwendung: seewasserbeständig Schiffsbau Bis 50% Zn: βmischkristall, krz, Grenzlegierung, >50% technisch nicht anwendbar (γmischkristall) Anwendung: Beschläge im Schiffsbau Sondermessing: Messing werden weitere Elemente zulegiert, (z. B. Fe, Mn, Sn...) um besondere Eigenschaften zu züchten, z. B. Korrosionsfestigkeit Bezeichnung: SoMs58 58% Cu, 40% Zn, 1% Mn, 1% Fe besonders seewasserbeständig 37

38 Gussmessing > 37% Zn; α + β oder β Bezeichnung: GCuZn40, oft Zusatz von PB (1%) CuNiZnLegierung: (Neusilber) Teil des ZnAnteils wird durch Ni ersetzt 60% 63% Cu, 17% 19% Ni, Rest Zn κ = 3*106 S/m Bezeichnung: CuNiZn1918: 19% Ni, 18% Zn, Rest Cu Anwendung: Leitende Federn, Schraub und Schleifkontakte, Lampenfassungen usw. CuSnLegierung: (Zinn) Bronze Älteste Legierung der Menschheit κ = * 106 S/m Bezeichnung: CuSn6: 6% Sn, Rest C Ts 800 C, Rm ; HV ; κ ; Verformbarkeit ; gießbar Anwendungen: Leiterdrähte, Starkverbindungen, (Plastiken) 1. Sonderzinnbronze: Zusätzliche Elemente zur Verbesserung von Eigenschaften (z. B. Al und Mn seewasserbeständig, gut zerspanbar) 2. Gusszinnbronzen: > 10% Sn wegen Eutektischem Punkt niedriger Schmelzpunkt Bezeichnung: GCuSn14 3. Mehrstoffzinnbronze Wird Anteil von Sn durch Zn ersetzt billiger Anwendung: gerollte Lagerbuchsen Notlaufeigenschaften CuSn4Pb4Zn4 (Rotguss) CuNiLegierung: Nickelbronze Mk, kfz, κ = * 106 S/m Widerstandwerkstoff CuNi 510%: Kondensator (mit Fe und Mn korrosionsfest) CuNi 1525%: Münzen 1DM, 2DM, 3DM CuNi 30%: NickelinWiderstände CuNi 45%: Konstantan (Mn 1%) Widerstand CuBeLegierung: Berillyiumbronze 0,4% 2,1% Be, aushärtbar, Rm = 1200 N/mm2, gute Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, unmagnetisch, gut lötbar Bezeichnung: CuBe2 κ = * 106 S/m Anwendung: Kontaktfedern, Buchsen, Stecker, Verschiebewiderstände Prüfung!! 38

39 9.3 Aluminium (Al) Reinstaluminium: 99,997% Leichtmetall ρ = 2,7 kg/dm3, Ts 660 C EAl: hochleitfähiges Alu in der ETechnik Richtwerte: o Reinheit > 99,5% o Leitfähigkeit κ = * 106 S/m (20 ) (pro Grad etwa 0,4% Minderung von κ) o Wärmeleitfähigkeit o Korrosionsfestigkeit (Al2O2Überzug bildet sich an Luft: sehr hart, gut haftend, farblos, Dicke 1µm) Künstliche Erzeugung von Al2O3 (Eloxieren) 10µm, einfärbbar o Festigkeit Rm = 80 N/mm2 o Kaltverformbarkeit (kfz) Rm = 230 N/mm2 Vier Eigenschaften verschaffen Al seinen heutigen Stand der Technik Prüfung 1) Geringes Gewicht (Freileitungen, Flugzeug, Fahrzeugbau, Camping) 2) Gute Leitfähigkeit (Hochspannungsfreileitungen) 3) Gute Korrosionsbeständigkeit (Freileitungen, Bauwesen, Folien) 4) Gute Kaltverformbarkeit (Tiefziehteile) 9.4 Aluminiumlegierungen κ um 30 * 106 S/m 1) Knetlegierungen o nicht aushärtbare Knetlegierungen AlMg oder AlMn: z. B. AlMn3,5 3,5% Mn, Rest Al bleibt weich: Leiterdrähte gut kaltverformbar, polierbar o aushärtbare Knetlegierungen sowohl kalt als auch warmaushärtbar: κ : weil Fremdatome in Ausscheidungen gebunden Rm : weil Ausscheidungen das Gitter verzerren αk : Ausscheidungen sind im Gitter eingeformt ε : Da Einformen der Ausscheidungen ein besseres Gleiten ermöglicht 39

40 Werkstoffe: o AlCuMg (Duralu): AlCu4Mg: 4%Cu, <1%Mg, Rest Al Wegen Cu schlechtere Korrosionsbeständigkeit Rm = 450 N/mm2 Anwendung: Armaturen in der Energietechnik, Flugzeug, Fahrzeugbau o AlMgSi: AlMgSi0,5: < 1% Mg, 0,5% Si, Rest Al (AldreyLegierung) Ausscheidungshärten und Kaltverformung, korrosionsfest, Rm = 320 N/mm2, κ = 33 * 106 /m Anwendung: hochbeanspruchte Leitungsdrähte, Stromschienen o AlZnMg: gute chem. Beständigkeit (keine Spannungsrisskorossion), Rm = 440 N/mm2 Anwendung: Fahrzeugbau o AlZnMgCu: wegen Cu geringe Korrosionsbeständigkeit Rm = 520 N/mm2 Anwendung: Flugzeugbau 2) Gusslegierungen: Grundlage: Eutektische Zusammensetzung damit Ts Wichtigstes Legierungselement Si AlSi12: 11,7% Si Eutektikum, feinkörnig, Ts = 577 C, Rm Zustandsdiagramm: 3) AluminiumSinterwerkstoffe: Sehr warmfeste Legierung aus Al2O3 Pulver Herstellung von Produkten durch Sintern (hoher Druck und hohe Temperatur) Anwendung: Substrate für Mikroelektronik, Dünnschichttechnik, Widerstände 4) AluAutomatenwerkstoff Gut zerspanbar, durch PbZusatz, (kurzer Span) z. B. AlCuMgPb; AlMgSiPb 40