(1) Einführung in die Welt der Werkstoffe

Diese Flashcards decken die Grundlagen der Werkstoffkunde ab, einschließlich Werkstoffklassifizierung, Atombau, Bindungsarten, Kristallstrukturen, Gitterfehler und Werkstoffprüfverfahren.

Einteilung der Werkstoffe in 3 Kategorien

• Naturstoffe (mineralisch wie Saponit oder organisch wie Holz)

• Nichtmetalle

• Metalle

Unterteilung Nichtmetalle

• Halbleiter (z. B. Silizium)

• nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe (z. B. Keramik)

• nichtmetallisch-organische Werkstoffe (z. B. Polymere wie PE, PP, PVC)

Unterteilung Metalle

• Nichteisenmetalle (z.B. Kupfer, Aluminium, …)

• Stähle, Eisenmetalle (besitzen Nomenklatur)

Unterteilung Naturstoffe

• mineralische Naturstoffe (nicht so bekannt - z.B. Saponit)

• Organische Naturstoffe (z.B. Holz)

Atomaufbau

• Kern mit positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen, der von negativ geladenen Elektronen auf Schalen umkreist wird

Elektronenkapazität einer Schale

Die Anzahl der Elektronen, die auf einer Schale $n$ Platz haben, berechnet sich nach der Formel $2 \times n^2$.

n = Nummer der zu berechnenden Schale

Edelgaskonfiguration

Der Zustand eines Atoms mit einer komplett gefüllten Außenschale, den alle Atome durch Reaktionen anstreben.

• maximal acht Elektronen, Ausnahme Helium mit zwei

Hauptgruppen im Periodensystem

Geben die Anzahl der Außenelektronen (Valenzelektronen) eines Elements an.

• Insgesamt 8 Hauptgruppen und 10 Nebengruppen zwischen Hauptgruppe 2 und 3

Perioden im Periodensystem

Geben die Anzahl der besetzten Elektronenschalen eines Atoms an.

• Insgesamt 7 Perioden

Metalle im Periodensystem

Nehmen mit abnehmender Anzahl an Außenelektronen und zunehmender Anzahl an Schalen zu, da Elektronen dann leichter abgegeben werden können.

• unten links im Periodensystem den höchsten Metallcharakter

• Haben nur wenige Elektronen in der äußersten Schale, streben an Elektronen abzugeben um Edelgaskonfiguration zu erreichen

Nichtmetalle im Periodensystem

Nehmen mit sinkender Periode und steigender Hauptgruppe zu.

• bestreben Elektronen aufzunehmen um Edelgaskonfiguration zu erreichen, dabei bereits einige Elektronen in der äußersten Schale haben

Elektronenpaarbindung

Eine Bindung, bei der Atome durch das Teilen von Außenelektronen die Edelgaskonfiguration erreichen und Moleküle bilden (z. B. Wassermolekül $H_2O$).

Ionenbindung

Bindung durch Abgabe und Aufnahme von Elektronen, wodurch geladene Teilchen (Ionen) entstehen, die sich aufgrund unterschiedlicher Ladung anziehen (z. B. NaCl).

Kationen

Positiv geladene Ionen, die durch die Abgabe von Elektronen entstehen.

Anionen

Negativ geladene Ionen, die durch die Aufnahme von Elektronen entstehen.

Metallbindung

Bindung, bei der Metallatome Elektronen abgeben und die resultierenden Kationen von einer frei beweglichen Elektronenwolke umgeben sind.

Elementarzelle

Das kleinste, sich wiederholende Element eines Kristallgitters, das die Gitterstruktur eindeutig klassifiziert.

• durch Abstände (a, b, c) und Winkel (Alpha, beta, gamma) eindeutig

kfz-Gitter (kubisch-flächenzentriert)

Gittertyp mit Atomen an den Würfelecken und in jeder Würfelfläche (z. B. Kupfer, Nickel, Aluminium)

• Packungsdichte $74\%$

• $12$ Gleitsysteme (4 Ebenen, 3 Richtungen)

krz-Gitter (kubisch-raumzentriert)

Gittertyp mit Atomen an den Würfelecken und einem Atom im Zentrum (z. B. Wolfram, Chrom, Molybdän)

• Packungsdichte $68\%$

• $12$ Gleitsysteme (6 Ebenen, 2 Richtungen)

hdp-Gitter (hexagonal dichteste Kugelpackung)

Gittertyp mit sechseckiger Anordnung oben/unten und einer dreieckigen Struktur dazwischen (z. B. Magnesium, Zink)

• besitzt nur $3$ Gleitsysteme (1 Ebene, 3 Richtungen)

Polymorphie

Die Eigenschaft von Metallen (wie Eisen), in Abhängigkeit von Temperatur oder Druck unterschiedliche Gittertypen auszubilden.

Punktfehler (nulldimensionale Fehler)

Gitterfehler an einzelnen Gitterplätzen

• Leerstellen (Gitterplatz ist nicht besetzt)

• Zwischengitteratome (Atome liegen zwischen den ausgefüllten Gitterplätzen)

• Substitutionsatome (Fremde Atome belegen den Gitterplatz)

Linienfehler (eindimensionale Fehler)

Verschiebung von Atomreihen im Gitter

• Stufenversetzungen (Zusätzliche Fläche an Atomen eingeschoben, wodurch Stufe entsteht)

• Schraubenversetzungen (Abgeglittene Kristallstruktur auf einer Seite, während gegenüberliegende Seite im Ausgangszustand bleibt)

• Kombinationen daraus

Plastische Verformung

Durch Krafteintrag werden Versetzungen verschoben und Gitterebenen gleiten übereinander.

Plastische Verformung resultiert, und sorgt für Erhöhung der Versetzungsdichte und der Festigkeit.

Je höher die plastische Verformung, umso mehr behindern sich die Versetzungen gegenseitig wodurch der Werkstoff spröde wird.

Rekristallisation

Vorgang bei höheren Temperaturen, bei dem die Versetzungsdichte abgebaut wird und der Werkstoff wieder dehnbarer (zäher/duktiler) wird.

Flächenfehler (zweidimensionale Fehler)

Zwei zueinander schief stehende Gitterebenen.

• Kleinwinkelkorngrenzen (< 15^{\circ}) —> durch gegenseitige Beeinflussung von Versetzungen können sie sich vermehren und flächenhaft aneinander gereiht werden

• Großwinkelkorngrenzen (> 15^{\circ}) —> wachsende Kristallstrukturen die beim Übergang von flüssig zu fest der abkühlenden Schmelze aufeinander stoßen (Viele Großwinkelkorngrenzen erhöhen die Festigkeit eines Werkstoffs, da sie die Versetzungsbewegungen blockieren)

• Zwillingskorngrenzen —> getrennte Kristalle sind spiegelsymmetrisch angeordnet (besonders bei austenitischen nicht rostenden Stählen vertreten)

Volumenfehler (dreidimensionale Fehler)

Einlagerungen fremder Phasen in der Kristallstruktur

• Poren (Gase/Flüssigkeiten)

• Einschlüsse (Feststoffe)

• Ausscheidungen (Unterform der Einschlüsse welche durch den Kristall selbst gebildet werden)

Gleitsystem

Das Produkt aus Gleitebene (Ebene hoher Atomdichte) und Gleitrichtung; bestimmt die plastische Verformbarkeit eines Werkstoffs.

• Atomdichte ist dabei entscheidend für die Ebenen und somit entscheidend für die Verformbarkeit

Zugversuch

Zerstörendes Prüfverfahren zur Ermittlung von Kennwerten wie Streckgrenze, Zugfestigkeit, E-Modul und Bruchdehnung.

Spannung ($\sigma$)

Das Verhältnis von gemessener Widerstandskraft $F$ zur Ausgangsquerschnittsfläche $S_0$ (Einheit z. B. MPa); Formel: $\sigma = \frac{F}{S_0}$.

Dehnung ($\epsilon$)

Die relative Längenänderung eines Prüfstabs; Formel: $\epsilon = \frac{\Delta l}{l_0} \times 100\%$.

• dabei wird die gemessene Längenänderung durch die Ausgangslänge dividiert und dann mit 100% multipliziert.

Hooke'sche Gerade

Der linear ansteigende Bereich im Spannungs-Dehnungs-Diagramm, in dem die Verformung rein elastisch (reversibel) ist.

0,2%-Dehngrenze ($R_{p0,2}$)

Ersatzstreckgrenze für Werkstoffe ohne ausgeprägte Streckgrenze; entspricht der Spannung bei $0,2\%$ plastischer Dehnung. Dient der Ermittlung der Spannung, bei der es zu einem plastischen Übergang der Probe kommt.

• um sie einzuzeichnen, zieht man eine Linie bei 0,2% Dehnung parallel zur Hook‘schen Gerade. Dort wo sie den Graphen schneidet nimmt man die Streckgrenze an.

Obere Streckgrenze (ReH)

Die obere Streckgrenze ist der höchste Spannungswert, den ein Material erreichen kann, bevor es irreversibel deformiert wird.

• erstes lokales Maximum am Graphen

Untere Streckgrenze (ReL)

Lokales Minimum hinter der Hook‘schen Geraden und der oberen Streckgrenze

Zugfestigkeit (Rm)

Globales Maximum des Graphen

Bruchdehnung (A)

Wird berechnet indem man die Länge der Probe nach dem Bruch durch die Ausgangslänge der Probe teilt.

Was ist der Kerbschlagbiegeversuch?

Der Kerbschlagbiegeversuch ist ein Prüfverfahren zur Bestimmung der Zähigkeit von Materialien. Es misst den Widerstand gegen schlagartige Belastungen, indem die Arbeit ermittelt wird, die erforderlich ist, um ein Material durch einen gezielten Schlag an einer definierten Kerbe zu brechen.

Steilabfall

Der Temperaturbereich bei Metallen mit krz-Gitter, in dem das Materialverhalten schlagartig von zäh (Hochlage) zu spröde (Tieflage) wechselt. —> plötzlicher Abfall der duktilität.

Hochlage

Bei Metallen mit kfz-Gittern dauerhaft vertreten, da ihre erforderliche Kerbschlagarbeit temperaturunabhängig ist und somit konstant.

Kerbschlagbiegeversuch bei krz-Gitter

• Verformungsverhalten stark abhängig von der Temperatur

• Typischer Graph weist eine Tieflage bei niedrigeren Temperaturen auf, dann einen Steilabfall und dann eine Hochlage

• In der Hochlage kommt es zu Verformungsbrüchen, in der Tieflage zu einem spröden Verhalten. Im Steilabfall bei der Übergangstemperatur können Mischformen des Bruchs auftreten.

Kerbschlagbiegeversuch bei kfz-Gitter

• dauerhafte Hochlage garantiert ausschließlich Verformungsbrüche —> Werkstoffe brechen Temepraturunabhängig