K23: Metallkunde

Werkstoffe lassen sich prinzipiell in zwei Werkstoffklassen unterteilen: Metalle und Nichtmetalle.

Metalle sind zusätzlich als Eisenmetall und Nichteisenmetall zu unterscheiden.

Leichtmetalle: Dichte φ < 4,5 g/cm³ (Aluminium, Titan etc.)

Schwermetalle: Dichte φ > 4,5 g/cm³ (Stahl)

• Relativ hohe Festigkeit

• Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit

• Metallischer Glanz an der Oberfläche

• Vergleichsweise einfach Verarbeitbarkeit

  (Urformen, Umformen, Trennen etc.)

-> Konstruktionwerkstoff

Grund ist der Aufbau von Metallen

• Einzelnes Atom keine metallische Eigenschaft

• Metallische Bindung zwischen Atomen

• Wechselwirkung der Atom entscheidend

-> Die metallischen Eigenschaften beruhen auf dem atomaren Aufbau. Die Wechselwirkung der einzelnen Atome (metallische Bindung) bewirkt die charakteristischen Eigenschaften.

Kristallin (z.B. Metalle)

-> regelmäßige Atomanordnung

Amorph (z.B. Glas)

-> regellose Anordnung der Atome

Elementarzelle:

Zweckmäßig gewählte Einheit, durch dessen periodische Wiederholung um die gitterkonstante an der gesamte Kristall aufgebaut werden kann.

Kristallgitter:

Elementarzellen bilden das Kristallgitter.

Korn:

Kristallgitter identischer Orientierung bilden ein Korn.

kfz: z.B. Al, Cu, Ag, Au, γ-Fe

krz: z.B. Na, α-Fe, Mo, β-Ti

hdp: z.B. Mg, Zn, Cd, α-Ti

Idealkristall -> Einkristall ohne Gitterbaufehlern

• Verformung durch Abgleiten von Gitterebenen

• Gleitlänge ist ganzzaahliges Vielfaches des Atomabstandes r0

• Abgleitung in definierten Gleitsystem (Gleitebene + Gleitrichtung)

1) Punktförmige (0-dimensionale) Fehler:

atomare Fehlanordnungen (Zwischengitteratome, Leerstellen, Substitutionsatome)

2) Linienförmige (1-dimensionale) Fehler:

Versetzungen (Stufenversetzung, Schraubversetzung)

3) Flächenförmige (2-dimensionale) Fehler:

Korngrenzen, Zwillingsgrenzen, Phasengrenzen oder Stapelfehler

4) Volumenförmige (3-dimensionale) Fehler:

Lunker, Poren, Einschlüsse, Ausscheidungen einer zweiten Phase

• zusätzliche Kristallebene im Gitter

• Burgersvektor b steht senkrecht zur Versetzungslinie

• im oberen Bereich wird das Gitter gestaucht -> Druckspannungen

• im unteren Bereich wird das Gitter gedehnt -> Zugspannungen

• Kristall parallel zur Versetzung verschoben

• Burgersvektor b verläuft parallel zur Versetzung

Der Burgersvektor b gibt den Betrag der Abgleitung und die Gleitrichtung an.

=> die Härtungsmechanismen metallischer Werkstoffe beruhen auf einer Behinderung der Versetzungsbewegung.

• Anstieg der Werkstoffhärte

• Zunahme der Festigkeitskennwerte

• Abnahme der Bruchdehnung (Duktilität)

1) Verformungsverfestigung = Verfestigung von Metallen durch Kaltverformung

2) Wie funktioniert es?

• Versetzungsdichte nimmt oft durch Frank-Read-Quelle zu

• Versetzungen erzeugen Spannungsfelder um sich herum

• Hindernisse blockieren Versetzungen an ihren Enden

• Dies führt zu einer Erhöhung der Spannung und zur Bildung von Versetzungsschleifen

• Wenn sich Versetzungsschleifen berühren, entstehen neue Versetzungen

3) Frank-Read-Mechanismus = Prozess, bei dem Versetzungen durch Hindernissse blockiert werden und dies zur Verfestigung eines Metalls führt

1) Funktion der Feinkornhärtung

• Korngrenzen wirken als Hinternis für Versetzungsbewegung

• Repulsive Wechselwirkung der Versetzungen

• Gegenseitige Behinderung an den Korngrenzen

2) Aufbau des Korns

3) Festigkeitssteigerung

Die Hall-Petch-Beziehung beschreibt die Festigkeitssteigerung in Abhängigkeit der Korngröße d:

Mischkristallhärtung funktioniert durch Einlagerung von Fremdatomen im Kristallgitter:

• Substitutionsatom (Regulärer Gitterplatz)

• Zwischengitteratom (Neuer Gitterplatz)

=> dadurch entstehen Verspannungen im Kristallgitter (Dilatationszone // Kompressionszone)

Wird die Konzentration der Fremdatome über die Löslichkeitskonzentration hinaus erhöht, so bilden sich Ausscheidungen und der Werkstoff verfestigt.

Gutes Beispiel für die Härtung durch Gefügeumwandlung:

-> Martensitische Härtung von Stahl

• Gefügeumwandlung beim schnellen Abkühlen

• C-Löslichkeit sinkt -> Zwangslösung im Fe-Kristallgitter

• Spannungsfelder behindern Versetzungsbewegung

• Hohe Festigkeit bzw. Härte, aber auch sprödes Verhalten

Erholung = Reduzierung der Versetzungsdichte wird durch Auslöschung von Versetzungen entgegengesetzten Vorzeichens (Annihilation) und Umordnung von Versetzungen eine energetische günstigere Anordnung (Polygonisation, Subkornbildung) erreicht.

Rekristallisation = bei der Rekristallisation wird ein komplett neues Gefüge gebildet. Dieser Vorgang findet nur oberhalb einer Mindestformänderung und bei hohen Temperaturen statt. Die Triebkraft für die Rekristallisation ist die in den Körnern gespeicherte Energie der Defekte.

Einteilung:

• Primäre -> Kornneubildung

• Sekundäre -> Kornvergröberung

• Tertiäre -> Riesenkornwachstum

Austenit: γ-Fe (kfz) -> hohe C-Löslichkeit

Ferrit: α-Fe (krz) -> geringe C-Löslichkeit

Zementit: Fe3C