Fachbereich 1 Laborpraktikum Physikalische Messtechnik/ Werkstofftechnik Leitfähigkeit von Nichteisenmetallen Bearbeitet von Herrn M. Sc. Christof Schultz christof.schultz@htw berlin.de Inhalt 1. Werkstofftechnische Grundlagen... 2 2. Hinweise zur Messtechnik... 3 3. Aufgabenstellung... 4 4. Verwendete Geräte... 4 5. Versuchsdurchführung... 4 6. Kolloquiumsfragen... 5 7. Quellen... 5 Physikalische Messtechnik S.1
Vorbemerkung Im Laborpraktikum Werkstofftechnik wird die Leitfähigkeit als eine Eigenschaft genutzt, die von Änderungen der Struktur beeinflusst wird. 1. Werkstofftechnische Grundlagen Die Leitfähigkeit ist durch die Bewegung elektrischer Ladung gekennzeichnet. Ladungsträger können Elektronen oder Ionen sein. Die Elementarladung eines Elektrons beträgt e = 1,6 * 10 19 As. Ein Ion entsteht durch Aufnahme oder Abgabe eines oder mehrerer Elektronen, weshalb der Betrag seiner elektrischen Ladung muss daher gleich oder ein Vielfaches der Elementarladung sein muss. Ionenleitung ist in Festkörpern bei niedriger Temperatur von untergeordneter Bedeutung. Die Ionenbeweglichkeit ist eng an die Diffusionsgesetze geknüpft, da Ionen sich nur über Leerstellen oder Zwischengitterplätze bewegen können. Stoffe mit rein kovalenter Bindung weisen keine freien, sondern ausschließlich bestimmten Atomen zugehörige Elektronen auf, und daher wegen der abgesättigten Valenzen nur voll besetzte Bänder. Die Leitfähigkeit κ eines Metalls errechnet sich nach: e o : Elementarladung µ: Elektronenbeweglichkeit n: Leitungselektronenkonzentration μ (1) Die Elementarladung ist eine Konstante, die Leitungselektronenkonzentration ist bei allen Metallen gleich groß, d.h. die Leitfähigkeit eines Metalls hängt hauptsächlich von der Elektronenbeweglichkeit ab. Ebenso wie die Verformbarkeit oder die Festigkeit wie die Elektronenbeweglichkeit eines Metalls wird durch Störungen des Gitters beeinflusst. Das betrifft z.b. die Bildung von Versetzungen bei Verformung. Das gilt also bei Festigkeitserhöhungen durch Kaltformung (Hartkupfer). Auch durch Beimischung von Fremdelementen aller Art, von Verunreinigungen ebenso wie von Legierungselementen wird die Leitfähigkeit beeinflusst. Verwendet man also Leitermaterialien in Form von Legierungen (z.b. Leitungsbronzen für Freileitungen), um eine erhöhte Zugfestigkeit zu erhalten, muss man mit Verminderung der Leitfähigkeit rechnen. Prinzipiell kann gesagt werden, dass Zugabe eines Legierungselements zu Verminderung der Leitfähigkeit führt. In Zweistoff Systemen mit vollständiger Mischbarkeit gilt das für beide reine Metalle, d.h. es existiert ein Minimum der Leitfähigkeit bei ca. 50% Zweitmetall. Von dort aus steigt die Leitfähigkeit wieder, bis sie den Wert des reinen Zweitmetalls erreicht. Physikalische Messtechnik S.2
In Systemen mit beschränkter Mischbarkeit (z.b. eutektischen Systemen) bestimmen die Änderungen der Phasenanteile die Leitfähigkeit. Ist für ein bestimmtes Legierungssystem (z.b. Pb Sn) der Zusammenhang zwischen der quantitativen Zusammensetzung und der elektrischen Leitfähigkeit bekannt, so kann wenn sicher ist, dass es sich um eine Legierung dieses Systems handelt durch Leitfähigkeitsmessung die quantitative chemische Zusammensetzung ermittelt werden. 2. Hinweise zur Messtechnik Zur Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit von Nichteisenmetallen sind Messungen mit Gleich und Wechselstrom möglich. Das Verfahren mit Gleichstrom setzt voraus, dass die mechanischen Abmessungen des Prüflings genau ermittelt werden und die Strom Spannungsmessung bzw. die Widerstandsmessung exakt erfolgt. Die elektrische Leitfähigkeit lässt sich dann, wie folgt, berechnen: R p : Widerstand des Prüfkörpers U p : am Prüfkörper angelegte Spannung I p : Strom durch den Prüfkörper F: Formfaktor κ. (2) Die Wechselstromverfahren nutzen den Aufbau eines Magnetfeldes um eine stromdurchflossene Spule und die Beeinflussung des Magnetfeldes durch die in der Umgebung befindlichen Metalle. Zu diesen Verfahren gehören die Wirbelstrom Messtechniken. Eine Untergruppe bilden Methoden, die einen auf Resonanz betriebenen Schwingkreis benutzen. Die Verstimmung und Dämpfung des Resonanzkreises bei Annäherung an einen metallischen Werkstoff wird als Messprinzip ausgenutzt. In diese Gruppe von Messmethoden gehört auch die Messung mit dem mikroprozessorgesteuertem Sigmatestgerät. Es erlaubt direkte Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Proben aus nicht ferromagnetischen Metallen und Legierungen. Hieraus resultiert eine Vielzahl von Anwendungen: Absolutmessung der elektrischen Leitfähigkeit von Nichteisenmetallen Verwechslungsprüfung von Legierungen und Metallen Reinheitsgradbestimmungen an Metallen Bestimmung der Aushärtung an Aluminium Legierungen (Duraluminium) Kontrolle der Homogenität an Metallen Kontrolle von Festigkeit und Härte Überwachung von Ausscheidungsvorgängen (z.b. bei Cu Cr Legierungen) Messungen bei hohen Materialtemperaturen (durch Unterlegen von Keramikplättchen) Physikalische Messtechnik S.3
3. Aufgabenstellung Die Messreihe verfolgt den Zweck, den Einfluss von Legierungszusätzen und Verformungen auf die Eigenschaften von Legierungen, hier der elektrischen Leitfähigkeit zu ermitteln. Legierungen können in unterschiedlichen Gefügeformen auftreten. Bei den gewählten Proben handelt es sich um Kristallgemische (hier: eutektisches System Pb Sn). 1. Kalibrierung des Sigmatestgeräts D 2.068: zwei Kalibrierproben (Titan bzw. Kupfer Werkstoff) liegen im Gerät, ihre Leitfähigkeitswerte sind angegeben. Hin weise zur Durchführung der Kalibrierung liegen am Arbeitsplatz aus. 2. Probensatz 1: Referenzproben Blei und Zinn Messen Sie die Leitfähigkeit auf der jeweils glatten Seite der Proben! Bitte benutzen Sie Handschuhe für den Umgang mit der Bleiprobe! 3. Probensatz 2: Runde Scheiben verschiedener Zinn Blei Lotlegierungen. Sortieren Sie die Proben nach ihrer Zusammensetzung! Messen Sie die Leitfähigkeit auf beiden Seiten der Proben, da die Oberflächen unterschiedlich geformt sind! Tragen Sie die Ergebnisse in Tabellen zusammen! Für Proben vergleichbarer Zusammensetzung stellen Sie Diagramme her! Vergleichen Sie die auf den beiden Probenseiten ermittelten Ergebnisse! Überlegen Sie bitte, worauf gemessenen Unterschiede beruhen können! (Vergleich mit Literaturwerten ist nicht erforderlich). 4. Verwendete Geräte - Leitfähigkeitsmessgerät Sigmatest D 2.068 - Probensätze 5. Versuchsdurchführung Der Taster ist bei der Messung stets auf die Mitte der Werkstoffprobe aufzusetzen. Achten Sie auch darauf, dass dabei der Taster möglichst senkrecht gehalten wird. Die Tastertemperatur darf sich durch den Handkontakt nicht verändern. Er sollte daher immer mit dem Griff benutzt und eine Berührung des Kabelsteckers vermieden werden. Physikalische Messtechnik S.4
Die Messergebnisse sind wegen des begrenzten Eindringens der Wirbelströme weitgehend von der Prüfkörperdicke unabhängig, es darf jedoch ein Mindestwert der Dicke (etwa 1 mm) nicht unterschritten werden. Die Aufsatzfläche des Tasters muss plan sein und einen Durchmesser > 10 mm haben. Anhaftende Oxid oder Schmutzschichten, beeinflussen die Messgenauigkeit nur unwesentlich. 6. Kolloquiumsfragen 1. Was ist eine Legierung? Was will man mit Legierungsbildung erreichen? 2. Wie sieht das Zweistoff Diagramm einer Lotlegierung aus? 3. Wodurch entstehen Gitterbaufehler (Störstellen) in metallischen Werkstoffen? 4. Skizzieren Sie ein Zweistoffsystem mit vollständiger Löslichkeit der Komponenten und zeichnen Sie den Verlauf des Widerstands in Abhängigkeit von der Zusammensetzung ein! 7. Quellen - Taschenbuch der Werkstoffe; Merkel, Manfred; Fachbuchverlag Physikalische Messtechnik S.5