Inhalt der VL: 1. Metallbindung 2. Kristalliner Aufbau 3. Kristallbaufehler 4. Schmelzen und Erstarren 5. Isotropie und Anisotropie 1
Eisenwerkstoffe NE- Stähle Eisengusswerkstoffe Aluminium und -legierungen Kupfer und -legierungen ( Nickel und -legierungen Magnesium u. -legierungen 2
Leichtmetalle Dichte < 4,5 g/cm 3 Beispiele: Magnesium Mg 1,7 Aluminium Al 2,7 Titan Ti 4,5 Schwermetalle Dichte > 4,5 g/cm 3 Beispiele: Eisen Fe 7,6 Kupfer Cu 8,9 Blei Pb 11,3 Wolfram W 19,3 3
Niedrigschmelzend T S < 500 C T S 500...2000 C Hochschmelzend T S > 2000 C Zink Zn 419 C Blei Pb 327 C Zinn Sn 232 C Chrom Cr 1890 C Titan Ti 1730 C Nickel Ni 1455 C Eisen Fe 1536 C Mangan Mn 1245 C Kupfer Cu 1083 C Aluminium Al 660 C Wolfram W 3410 C Tantal Ta 3000 C Molybdän Mo 2625 C 4
Eigenschaften von n: metallischer Glanz gute elektrische Leitfähigkeit gute Wärmeleitfähigkeit gute Verformbarkeit und /oder Festigkeit gehen in Form positiv geladener Ionen in Lösung Sowohl der Atomaufbau, die Gitterstruktur als auch die Fehlordnung beeinflussen diese Eigenschaften! 5
1. Metallbindung Aufbau der Atome Atome bestehen aus dem Atomkern (Protonen, Neutronen u.a. Nukleonen) und Elektronen Art des Atomkerns bestimmt die Kerneigenschaften, die weitestgehend unabhängig von der Bindungsart und der Anordnung der Atome zueinander sind, zu den Kerneigenschaften gehören: Spaltbarkeit, Neutronenabsorption, Dichte Elektronenwolke umgibt Atomkern (Anzahl der Elektronen = Anzahl der Protonen, Kerndurchmesser ca. 10 x E-5nm, 10 x E 10 % des Atomvolumens enthält nahezu gesamte Atommasse) Verhalten der Elektronen, insbes. der äußeren, bestimmt die technisch wichtigsten Eigenschaften (Bindungsart, chem. Reaktionsfähigkeit, mech. Festigkeit, magnet. Eigenschaften...) 6
1. Metallbindung Aufbau der Elektronenschale Nur begrenzte Zahl von Energiezuständen (Schalen) in Umgebung des Kerns erlaubt mit zunehmendem Abstand vom Kern nimmt e - -Energie zu Besetzung der Schalen von innen nach außen (e - -Anzahl gemäß 2n 2 (n = Schalen-Nr.), Schalen mit Großbuchstaben bezeichnet: innere Schale K ist mit 2 e - besetzt, nächste Schale L mit 8 etc.) Atome mit voll besetzten Schalen sind sehr stabil, geringe Wechselwirkung zu anderen Atomen quantenmechanisch sind nur jeweils 2 e - mit gleichem Energiezustand, aber unterschiedlichem Drehsinn (Spin) zulässig (e - mit geringster Energie einer Schale = s-zustand <=2 e -, höhere Energiezustände in p <=6 e -, d <=10 e - und f <=14 e - ) Animation: Ionisation 7
1. Metallbindung Aufbau der Elektronenschale aus /3/ 8
1. Metallbindung Bindungsmodell Metallatome geben Elektronen von unvollständig besetzter äußerer Schale (Valenzelektronen) ab diese Elektronen bleiben ungebunden sie sind frei beweglich zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen und bilden eine Elektronenwolke (Elektronengas) negative Raumladung führt zu einer Kraft, die größer ist als die abstoßende Kraft der Atomrümpfe 9
1. Metallbindung Zusammenfassung die frei beweglichen Elektronen sind die Ursache für die gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit der in einem absolut reinen Metall sind alle Atomrümpfe einander vollkommen gleichwertig zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen und den negativ geladenen, frei beweglichen Elektronen wirken elektrostatische Kräfte, die für den Zusammenhalt des Gitters verantwortlich sind die Kräfte zwischen den Atomrümpfen und den Elektronen wirken in alle Richtungen (sind ungerichtet!) und bestimmen den Abstand der Atome zueinander dadurch entsteht ein regelmäßiger Aufbau Kristallgitter 10
1. Metallbindung Zusammenfassung a) Ionenbindung (NaCl, MgO) b) Kovalente Bindung (Diamant, C 2, Si, Ge, GaAs, SiO 2 ) c) Met. Bindung (Fe, Al, Legierungen) d) Van der Waals-Bindung e) Mischtypen (Asbest kov. und Ionenbindung, Graphit kov.bindung, van der Waals-Bindung) aus /3/ 11
2. Kristalliner Aufbau Definition: Kristall und Elementarzelle (EZ) Ein Metallkristall ist aus Atomen aufgebaut, die ein homogenes, periodisches, dreidimensionales Discontinuum bilden. Die EZ ist die kleinste Einheit eines Kristallgitters, die alle Kristalleigenschaften beschreibt! Die EZ ist durch Abstände der Atome, Winkel zwischen den Atomebenen und spez. Atomlagen gekennzeichnet. D. h. es existiert eine Fernordnung, bei der die Bausteine (EZ) endlos geordnet sind (Kristallstruktur). 12
2. Kristalliner Aufbau Definition: Kristall undkristallit Natürliche Kristalle Sind feste, regelmäßig geformte, von ebenen Flächen begrenzte Körper. Technische Kristalle bestehen aus Kristalliten, die keine deutlich ausgeprägten Oberflächenformen (regellos begrenzter Vielflächner) besitzen, weil sie nicht frei wachsen konnten. In technischen n spricht man von Kristalliten oder Körnern, weil durch die Bildung vieler Körner bei der Erstarrung einer Metallschmelze eine Wachstumsbehinderung stattfindet. Derartige sind polykristallin aufgebaut. 13
2. Kristalliner Aufbau Definition: amorphe Anordnung Das Gegenteil zur Fernordnung ist die Nahordnung. Hier sind die Elementarbausteine (Atome) nur in kleinen Bereichen ( in Nahbereichen) geordnet. Diese Ordnungsbereiche wiederholen sich nicht. Man bezeichnet den Zustand als amorph oder regellos / ungeordnet. Amorphe Werkstoffe sind: Gläser, z.t. Kunststoffe Im flüssigen Zustand sind alle Werkstoffe amorph. Deshalb bezeichnet man den amorphen Zustand bei Festkörpern auch als Zustand der unterkühlten Schmelze 14
2. Kristalliner Aufbau: wichtige Kristallgittertypen bei n 15
kubisch raumzentriertes Gitter (krz) a = b = c = = = 90 a, b, c - Atomabstände (Gitterkonstanten 0,25...0,5 nm),, - Winkel zwischen den Achsen Packungsdichte: 68 % kubisch flächenzentriertes Gitter (kfz) a = b = c = = = 90 Packungsdichte: 74 % 16
hexagonal dichtgepacktes Gitter (hdg) = = 90 = 120 a = b c Packungsdichte: 74 % Im Raumgitter von 0,1 mm Kantenlänge sind ca. 10 8 Atome angeordnet! Masseinheit: Angström: 0,1 nm = 1 Å, z.b. hat Si einen Atomabstand von 0,24nm 17
2. Kristalliner Aufbau Packungsdichte Berechnung der Packungsdichte einer krz. EZ Formeln: - V einer Kugel - Satz des Pythagoras 18
2. Kristalliner Aufbau Kristallstrukturen der wichtigsten krz -Gitter kfz-gitter hdg-gitter -Fe bei RT Al Zn bis 911 C Cu Mg Cr Ni Cd Mo Pb Be V W -Eisen (Austenit) 911 C-1392 C Au Ag 19
2. Kristalliner Aufbau Definition: Idealkristall / Realkristall Technische Werkstoffe sind Realkristalle, sie sind i.d.r. vielkristallin. Das bisher Besprochene gilt für Idealkristalle. Der Idealkristall stellt ein idealisiertes Modell dar, das mathematisch beschreibbar ist, jedoch in Wirklichkeit nicht existiert. Der Realkristall ist ein gestörter Kristall (Kristall mit Fehlern). Die Abweichungen (Gitterfehler oder Defekte) vom idealen Aufbau werden berücksichtigt. Das Kristallwachstum aus der Schmelze ist unregelmäßig erfolgt, zudem handelt es sich meist um unreine Kristallsubstanzen. 20
3. Kristallbaufehler Gitterbaufehler Man unterscheidet: 0-dimensionale Gitterbaufehler = Punktfehler (Leerstellen, Fremdatome) 1-dimensionale Gitterbaufehler = linienf. Fehler (Versetzungen) 2-dimensionale Gitterbaufehler = flächenförmige Fehler (Zwillinge, Korngrenzen) 3-dimensionale Gitterbaufehler = räumliche Fehler (Fremdeinschlüsse, Poren, Lunker) 21
3. Kristallbaufehler 0-dim Gitterbaufehler Leerstelle Zwischengitteratom 22
3. Kristallbaufehler 0-dim Gitterbaufehler Austauschatom Atomart B Einlagerungsatom Atomart B 23
3. Kristallbaufehler 1-dim Gitterbaufehler Versetzung 24
3. Kristallbaufehler 1-dim Gitterbaufehler Versetzungen sind die Grundvoraussetzung für die plastische Verformung von n! Durchschnittlich sind 10 7 cm/cm 3 Versetzungen in technischen Werkstoffen vorhanden! Stufenversetzung 25
3. Kristallbaufehler aus /3/ 26
3. Kristallbaufehler 2-dim Gitterbaufehler Kleinwinkelkorngrenze Korngrenzen (0,5 nm) (im Innern des mittleren Korns Kleinwinkelkorngrenzen) 27
3. Kristallbaufehler Korngrenzen 2-dim Gitterbaufehler gestörte geometrische Anordnung der Atome (kein regelmäßiges Kristallgitter mehr) Verunreinigungen werden bei der Erstarrung vor der Erstarrungsfront hergeschoben und liegen an den Korngrenzen vor, dadurch Schwächung der Korngrenzen bevorzugter Ort für Ausscheidungen, schwächen die Korngrenzen und damit das Gefüge (häufig Brüche entlang der KG = interkristallin) viele Körner = große Korngrenzfläche, auf denen sich Verunreinigungen und Ausscheidungen verteilen können geringe Anzahl an Körnern = wenig Korngrenzfläche und damit stärkere Belegung der Korngrenzen mit Verunreinigungen und Ausscheidungen 28
3. Kristallbaufehler 2-dim Gitterbaufehler Zwillingsbildung durch plastische Verformung Zwillinge in geglühter Zinnbronze 29
3. Kristallbaufehler 3-dim Gitterbaufehler Mikrolunker im Innern einer Lagerschale aus Rotguss Mikrolunker im Innern einer Lagerschale aus Stahlguss 30
Realgefüge eines metallischen Werkstoffes 31
4. Schmelzen und Erstarren von n Schmelze: Schmelze Keimbildung Kristallwachstum Atome sind regellos verteilt; befinden sich in einem ungeordneten Zustand und sind in ständiger Bewegung (thermische Aktivierung) - wird der Schmelzpunkt bei der Abkühlung (Wärmeentzug) erreicht, beginnt die Kristallisation. Sie läuft bei einer const. T unter Wärmeabgabe (Kristallisationswärme) und ist i.a. (Si, Ge = Ausnahme) durch eine V- Abnahme gekennzeichnet. 32
4. Erstarren von n 2 Teilvorgänge: Keimbildung und Kristallwachstum: Keime sind feste kleine Partikel, Kristallisationszentren (Abgabe von kin. Energie, Haltepunkt) - Fremdkeime (schon vorgebildete Keime, z.b. Karbide, Oxide, Nitride oder andere feste Verbindungen höherschmelzend!) - Eigenkeime (werden aus der Schmelze gebildet (Unterkühlung) oder ihr zugegeben, arteigen) Bei der Erstarrung beginnen die Keime zu wachsen. Das Wachstum schreitet voran, bis die Körner aneinander stoßen. Nach der Erstarrung liegt ein Gefüge (aufgebaut aus Körnern) vor. 33
4. Erstarrung von n fester, kristalliner Zustand Gefüge: Das Gefüge ist die mikroskopisch sichtbare Kornstruktur eines Werkstoffes. Die Körner (Kristallite) sind von Korngrenzen (2-dim. GBF) umgeben und enthalten weitere Fehler. Das Gefüge eines Werkstoffes kann durch metallographische Präparation sichtbar gemacht werden. Ein Gefüge kann verschiedenartig ausgebildet sein: - feinkörnig oder grobkörnig - globular, polyedrisch oder dendritisch - lamellar 34
4. Erstarrung von n Kristallisation 35
4. Erstarrung von n Kristallisation 36
4. Erstarrung von n Kristallisation Die Anzahl der Keime bestimmt, ob das Gefüge grobkörnig oder feinkörnig ausgebildet wird. Bei einigen Werkstoffen kann durch eine geeignete Wärmebehandlung ein grobkörniges in ein feinkörniges Gefüge im festen Zustand überführt werden. 37
4. Erstarrung von n Einfluss der Korngröße auf die Eigenschaften eines Metalls feinkörniges Gefüge: Anteil an Korngrenzen im Gefüge sehr hoch, hohe Festigkeit, hohe Dehnung und hohe Zähigkeit, Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften = i.a. angestrebter technischer Zustand grobkörniges Gefüge: nur wenige Korngrenzen vorhanden, spröde und wenig verformungsfähig, Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften 38
4. Erstarrung von n Wärmeableitung und Kornform Querschnitt durch ein Gußgefüge, auch Gusstextur genannt Zone I: feinkörnige Randzone Zone II: Stengelkristallzone Zone III: polygonale Kernzone 39
4. Erstarrung von n Wärmeableitung und Kornform Durch die Art der Wärmeableitung und die Unterkühlung der Schmelze lässt sich auch die Morphologie des Gefüges beeinflussen. Technisch genutzt wird dies bei Turbinenschaufeln! Wärmeabfluss annähernd gleichmäßig in alle Richtungen: globulare Körner Wärmeabfluss bebevorzugt in eine Richtung: Stengelkristalle 40
4. Erstarrung von n Kristallisation 41
5. Isotropie, Anisotropie Definitionen Chemische und physikalische Eigenschaften eines metallischen Werkstoffes sind unter gewissen Voraussetzungen von der Richtung abhängig, in der sie gemessen werden bzw. der Werkstoff beansprucht wird. anisotrop = richtungsabhängige Eigenschaften, z.b. ungestörter Kristall isotrop = richtungsunabhängige Eigenschaften, z.b. im amorphen Werkstoff quasiisotrop = nahezu richtungsunabhängige Eigenschaften, Mehrzahl aller Werkstoffe (polykristalline Struktur) Textur = Vorzugsorientierung, Ausgerichtetsein von Kristalliten im Vielkristall 42
5. Isotropie, Anisotropie aus /3/ 43
5. Isotropie, Anisotropie Verformungstextur aus /3/ 44
Verwendete Literatur: 1. Seidel Werkstofftechnik, Hanser-Verlag 2. Bargel / Schulze Werkstoffkunde, VDI-Verlag 3. Taschen- und Tabellenbuch Metall 4. Schumann, Metallographie, Dtsch. Verlag für Grundstoffindustrie 5. Lehrgangsunterlagen der GSI zum SFI 45