2. METALLISCHE WERKSTOFFE Metalle sind kristallin aufgebaut Bindung wischen den Atomen = Metallbindung Jedes Atom gibt ~ 1 Elektron aus äußerster Schale ab positiv geladene Metallionen negativ geladene Elektronenwolke Metalle erstarren polkristallin Je mehr Keime desto feinkörniger Bei Temperaturerhöhung können stabilere Kristalle weniger stabile aufehren - Tpische Eigenschaften sind: o Hohe elektrische Leitfähigkeit o Geringe Korrosionsbeständigkeit o Metallischer Glan o Hohes plastisches Verformungsvermögen Erstarrung eines reinen Metalls bei freier Abkühlung beispielsweise an ruhender Luft: T Ts 1 2 3 4 Beim kontinuierlichen Abkühlen kommt es bei der Schmeltemperatur u einem Haltepunkt. Bei der Bildung des Atomgitters wird Erstarrungswärme frei, die die Restschmele auf Temperatur hält, bis alles erstarrt ist. 1
Beobachtung der Schmele in einem Tiegel: 1 2 3 4 Schmele In der Schmele haben sich erste Keime gebildet Die Keime wachsen u Kristallen, neue Keime werden gebildet In den Körnern sind die Atome räumlich regelmäßig angeordnet Kristallgitter Benachbarte Körner haben unterschiedliche Gitterorientierungen: Völlig erstarrt, metallische Werkstoffe sind aus Körnern (Kristalliten) aufgebaut Der Gitteraufbau lässt sich röntgenographisch untersuchen. Bei Bestrahlung mit Röntgenstrahlung lassen sich neben dem Zentralstrahl auch Strahlen mit gan definierten Abweichungen von der ursprünglichen Strahlrichtung feststellen: Die Strahlung wurde am Gitter gebeugt. 2
Braggsche Bedingung: 2D sinθ = λ D θ θ θ θ.. 2θ Netebenen Dsinθ vom Tp {hkl} Tiet,H.-D.:Grundlagen der Eigenspannungen, VEB Grundstoffindustrie, Leipig (1984) (D = Gitterebenenabstand, λ = Wellenlänge der Strahlung, θ = Beugungswinkel) Auch in Metallen lässt sich eine amorphe Struktur ereugen: Melt spinnning. Die Schmele wird auf eine tiefgekühlte Kupfertrommel aufgebracht und der Aufbau eines Kristallgitters wird unterdrückt. 2.1 Submikroskopische Beschreibung metallischer Werkstoffe 2.1.1 Kristallgitter Def.: Regelmäßige Anordnung von Atomen - Idealkristall - Realkristall (Gitter mit Störungen in der regelmäßigen Anordnung) Elementarelle: Kleinste Raumeinheit, aus der das Kristallgitter durch regelmäßige Aneinanderreihung (Translation) in die drei Raumrichtungen entsteht. Translations- oder Bravaisgitter 3
Einfachster Fall: kubisch primitive Elementarelle β α γ Translationsabstand: a = b = c ; Winkel: α = β = γ Das Kristallgitter wird eindeutig durch die Gitterkonstanten und Achswinkel beschrieben. Beispiele: kr: Eisen bis 911 C, Ti ab 882 C kf: Al, Eisen von 911 1392 C he: Mg, Ti bis 882 C (kr) (kf) (he) Bei einigen Metalle treten bei höheren Temperaturen Änderungen der Gitterstruktur auf: allotrope Modifikationen. 4
Gittertpen: kubische Kristallgitter primitiv raumentriert flächenentriert orthorhombische Kristallgitter Weitere Gittertpen: primitiv basisentriert raumentriert flächenentriert triklin rhomboedrisch heagonal monoklin prim., basisentriert tetragonal prim., raumentriert 5
Kristallssteme: http://www.gks.fr.bw.schule.de/ct13_97/dwark.htm 2.1.2 Beeichnungen von Gitterebenen und Gitterrichtungen Bsp.: Orthorhombisch primitives Gitter: a b c ; α = β = γ β α γ a.) Wie kann eine beliebige Ebene charakterisiert werden? 6
C a, b, c = Gitterkonstanten A, B, C = Achsabschnitte A B analtische Geometrie liefert: + + = 1 A B C (1) Beug auf die Gitterkonstanten: / 1 C/ 1 1 A/ B/ / / (1) + + = 1 A B C a b c a c + + = 1 (2) A B C h k l 7
wenn h, k, l gane Zahlen Miller sche Indies h, k, l Sind h, k, l Brüche durch Multiplikation mit dem Hauptnenner N auf gane Zahlen bringen. h = N * h = k = N * k = Miller sche Indies l = N * l = Definition: Teilerfremde Reiprokwerte der auf den Translationsabstand beogenen Achsabschnitte Aus (2) h * + k * + l * = 1 Schreibweise ur Beeichnung einer Gitterebene: (h k l) Beispiel: parallel u B A A = 2a h = B = 4b k = a 1 = A 2 h = 4 * h = 2 b 1 = B 4 h = 4 * k = 1 (21) - Ebene c C = c l = 1 = = l = 4 * l = C Hauptnenner N = 4 8
Vereinbarung für negative Miller sche Indies: hochliegender Querstrich;.B. (21) Kristallographisch gleichwertige Ebenen werden usammengefaßt u Ebenen vom Tp { h k l } Beispiel: (1) (1) Tp {1} (1) b.) Gitterrichtungen i k j r a, b, c = Gitterkonstanten r r r i, j,k = Gittereinheitsvektoren, beschreiben die Richtungen im Gitter, Betrag = 1 r r r r = u a i + v b j + w c k u, v, w = Miller sche Indies r -Komponente Schreibweise ur Beeichnung der Gitterrichtungen: [uvw] Beispiel: r r r = 1 i + 1 j + c r k r i k r r j r [11] Richtung 9
Kristallographisch gleichwertige Richtungen werden usammengefaßt u Richtungen vom Tp <uvw> Beispiel: [1] [1] [1] [1] Tp <1> [1] [1] Beispiel um Zusammenhang wischen Gitterebene und Gitterrichtung: A B Gitterrichtung [21] Gitterebene (21) Die Gitterrichtung steht senkrecht auf der Gitterebene mit den gleichen Miller`schen Indies. 1
Beispiele für verschiedene Gitterrichtungen und -ebenen 11 E. Macherauch, Praktikum in Werkstoffkunde