Struktur und Eigenschaften der Metalle

Struktur und Eigenschaften der Metalle

1.0 Überblick

• Die Gebrauchseigenschaften metallischer Werkstoffe bestimmen deren praktische Anwendung.
• Chemische Zusammensetzung und Struktur der Festkörper haben großen Einfluss auf technisch nutzbare Eigenschaften.
• Die Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften ist grundlegend für das Verständnis metallischer Stoffe.
• Struktur und Eigenschaften lassen sich technologisch gezielt verändern.
• Wichtige Fragen des Themenkreises:
  • Wie sind die Atome in metallischen Stoffen im festen Zustand räumlich angeordnet?
  • Weshalb bestimmen Gittertyp und Gitterfehler wichtige Eigenschaften?
  • Wie entsteht die Gitterstruktur?
  • Was bewirkt mechanische Beanspruchung?
  • Welche Vorgänge im Gitter werden durch Wärmeenergie ausgelöst?
• Die Auswahl theoretischer Grundlagen und Verfahren orientiert sich an den Bedürfnissen des Maschinenbaus und gilt auch für verwandte Industriezweige.

1.1 Metallbindung und Gitterstruktur

Lernziele

• Der Lernende sollte die Wechselwirkungen zwischen Atomen im Festkörper erläutern können.
• Besonderheiten der Metallbindung benennen.
• Ideal- und Realkristall beschreiben.
• Zusammenhang von Kristallstruktur und Werkstoffeigenschaften erklären.

1.1.0 Übersicht

• Metalle und Legierungen sind im Maschinenbau und verwandten Industriezweigen von großer Bedeutung.
• Fokussierung auf Struktur und Eigenschaften metallischer Stoffe.

1.1.1 Wechselwirkung zwischen Atomen

• Atome bestehen aus einem Atomkern und einer Elektronenhülle.
• Aufbau:
  • Kern: Protonen (positiv), Neutronen (neutral).
  • Elektronenschalen: Hauptquantenzahlen (1, 2, 3, …) und Nebenquantenzahlen (s, p, d, f).

Chemische Bindung

• Bei Elektronenabgabe/-aufnahme entstehen Ionen mit unterschiedlichen Ladungen.
• Chemische Bindungsarten:
  • Ionenbindung (z. B. NaCl).
  • Atombindung (z. B. H2).
  • Metallbindung (z. B. Al).

1.1.2 Kristallstruktur der Metalle

1.1.2.1 Der kristalline Zustand (Idealkristall)

• Metalle sind echte Festkörper mit regelmäßiger atomarer Anordnung.
• Kristallstruktur durch Röntgenstrahlen nachweisbar (Röntgenfeinstrukturanalyse).
• Begriffe:
  • Gittergerade: Linie mit regelmäßig geschlossenen Abständen.
  • Elementarzelle: Kleinste Einheit des Kristallgitters.

1.1.2.2 Besonderheiten der Kristallstrukturen

• Gittertypen im Fokus:
  • Kubisch-raummittig (krz).
  • Kubisch-flächenmittig (kfz).
  • Hexagonal dichteste Packung (hdP).

1.1.2.3 Realstruktur

• Abweichungen vom Idealkristall durch Gitterfehler (Punkt-, Linien-, Flächen- und Raumfehler).
• Versetzungsarten:
  • Stufenversetzungen.
  • Schraubenversetzungen.

1.1.3 Technische Eigenschaften der Metalle

• Physikalische und technische Eigenschaften hängen von der Gitterstruktur und der Art der Gitterfehler ab:
  • Leitfähigkeit, Verformbarkeit, Festigkeit, Diffusion und Wärmeausdehnung.

1.2 Kristallisation

1.2.1 Phasenumwandlungen

• Phasen = homogene Bestandteile eines Stoffsystems.
• Bei Erreichen der Schmelztemperatur hält die Temperatur konstant, da die Energie benötigt wird, um die Bindungskräfte zu überwinden (Schmelzwärme).
• Kreislauf von Abkühlung und Erwärmung zeigt Haltepunkte an.

1.3 Elastische und plastische Verformung

1.3.1 Mechanische Beanspruchung

• Mechanische Beanspruchungen führen zu elastischen oder plastischen Verformungen.
• Spannung = Beanspruchungsgröße (in N/mm² oder MPa).

1.3.2 Elastische Verformung

• Tritt nur unter Beanspruchung auf und kehrt nach Entlastung zur Ursprungsform zurück.

1.3.3 Plastische Verformung

• Bleibende Verformung tritt auf, wenn die Spannung die Fließgrenze übersteigt.

1.4 Thermisch aktivierte Vorgänge

1.4.1 Diffusion

• Platzwechsel der Atome wird als Diffusion bezeichnet und ist temperaturabhängig.
• Triebkräfte für Diffusion:
  • Konzentrationsunterschiede.
  • Temperaturunterschiede.

1.4.2 Rekristallisation

• Rekristallisation nach Kaltumformung führt zu neuen, unverzerrten Kristallstrukturen.
• Kristallgröße beeinflusst die mechanischen Eigenschaften.

2 Legierungen

2.0 Überblick zur Legierung

• Legierungen sind Zusammensetzungen aus mindestens zwei Elementen, wobei der metallische Charakter überwiegt.
• Verstehen der Struktur und Phasen im Gefüge ist entscheidend.

2.1 Aufbau der Legierungen

2.1.1 Mischkristall

• Mischkristalle entstehen, wenn Elemente im festen Zustand löslich sind.
• Unterscheidung in Austausch- und Einlagerungsmischkristalle.

2.1.2 Überstruktur

• Überstrukturen sind spezielle Arten von Austauschmischkristallen mit symmetrischer Atomverteilung.

2.1.3 Intermetallische Verbindungen

• Intermetallische Phasen haben stabile und spezialisierte Gitterstrukturen.

2.1.4 Gefügeaufbau von Legierungen

• Homogene und heterogene Gefüge, bestehen aus verschiedenen Phasen:
  • Reine Kristalle, Mischkristalle, intermetallische Phasen.

2.2 Zustandsdiagramme

2.2.1 Einführung

• Zustandsdiagramme für Zweistoffsysteme veranschaulichen das Verhalten von Legierungen bei Temperatur- und Konzentrationsänderungen.

2.2.2 Typen der Zweistoffsysteme

• Detaillierte Abbildung von Phasen und deren Umwandlungen in Zustandsdiagrammen.