Material und Werkstofftechnik Kapitel 1-4

Kapitel 2: Struktur von Festkörpern

• Kristalline und amorphe Strukturen

  • Kristalline Struktur: Regelmäßige Anordnung der Atome, langfristige Ordnung. (z.B. Metalle, Salze, Mineralien wie Quarz)

  • Amorphe Struktur: Keine feine Anordnung, Unterschiede in Bindungsabständen. (Glas, Kunststoffe, Gummi)

• Kristallsysteme: Z.B. Kubisch, Tetragonal. (12)

  • Beeinflusst die Verformbarkeit von Metallen. (kfz > krz > hdp)

    • Kubisch flächenzentriert (kfz)

      • Hohe Verformbarkeit, da die dichte Anordnung der Atome eine einfache Verschiebung während der Verformung ermöglicht.

      • Packungsdichte:74%

      • Beispiele: Eisen (bei hohen Temperaturen), Nickel, Gold.

    • Kubisch raumzentriert (krz)

      • Eingeschränkte Verformbarkeit im Vergleich zu kfz, da die Atome weniger dicht gepackt sind und eine komplexere Struktur vorliegt.

      • Packungsdichte: 68%

      • Beispiele: Eisen (bei niedrigen Temperaturen), Molybdän.

    • Hexagonal dichtest gepackt (hdp)

      • niedrige Verformbarkeit, mit anisotropem Verhalten, das bedeutet, die Verformbarkeit variiert je nach Richtung der Belastung.

      • Packungsdichte: 74%

      • Beispiele: Zink, Magnesium, Titan.

  • Einige Metalle Ändern ihre Kristallstruktur je nach Temperatur

    • Eisen: a-Eisen krz (bis 911°), y-Eisen kfz (ab 911°), S-Eisen krz (ab 1392°)

  • Strukturen des Kohlenstoffs (21)

    • Diamant:

      • Tetraedrische Struktur: Jedes Kohlenstoffatom ist kovalent mit vier anderen Kohlenstoffatomen verbunden. (kfz)

      • Hohe Härte und Festigkeit aufgrund der starken kovalenten Bindungen. (härtester bekannter Werkstoff)

      • Gut darin, Licht zu brechen, was zu seinem Glanz führt.

    • Graphit:

      • Schichtstruktur: Kohlenstoffatome bilden flache Schichten, wobei jede Schicht durch schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten wird.

      • Jede Schicht ist aus hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen aufgebaut.

      • Geringe Härte im Vergleich zu Diamant, dafür gute elektrische Leitfähigkeit und Schmierfähigkeit, da sich die Schichten leicht gegeneinander verschieben können.

Kapitel 3: Defekte in Festkörpern

• gibt keine defektfreien Kristalle

• Arten von Defekten:

  • Nulldimensionale (punktförmige): Leerstelle (26-29)

    • erhöhte Entropie→thermodynamisch begünstigt

  • Eindimensionale (linienförmige): Versetzungen. (30)

    • verursacht durch Fehlanordnung der Atome entlang einer Linie.

    • Typen:

      • Stufenversetzungen: Entstehen durch versetzte Ebenen, die eine zusätzliche atomare Schicht einfügen und somit die Struktur stören.

      • Schraubenversetzungen: Entstehen durch spiralförmige Anordnung der Atome.

    • Einfluss auf Eigenschaften: Versetzungen erleichtern Verformbarkeit und können die Festigkeit erhöhen, da ihre Bewegung durch mechanischen Stress erschwert wird.

  • Zweidimensionale (flächenhafte): Korngrenzen. (32)

    • Grenzflächen zwischen unterschiedlichen kristallinen Körnern in einem Material.

    • Wesentlich für die Korngröße und das Mikrogitterverhalten von Metallen.

    • Einfluss auf Eigenschaften:

      • Hemmung der Versetzungsbewegung: Korngrenzen erhöhen die Festigkeit.

      • Beeinflussen Duktilität und Zähigkeit: Detaillierte Kontrolle über mechanische Eigenschaften.

    • Kornstruktur:

      • Kleinere Körner = höhere Festigkeit (Hall-Petch-Effekt).

      • Körner können unterschiedliche Orientierungen haben, was die Eigenschaften beeinflusst.

    • Ausscheidungen:

      • sammeln sich häufig an Korngrenzen

      • Reduzieren Fetsigkeit (+ Sollbruchstellen)

  • Dreidimensionale (volumenhafte): Poren, Einschlüsse. etc.

• Einfluss von Defekten: Beeinflussen elektrische, optische, magnetische, mechanische Eigenschaften.

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Kapitel 4: Legierungen (36)

• Legierungsbildung

  • Verwendung reiner Metalle:

    • Reine Form, spezifische Eigenschaften.

    • Höhere Duktilität.

  • Verwendung von Legierungen:

    • Kombination aus zwei oder mehr Elementen.

    • Verbessert physikalische und chemische Eigenschaften.

    • Höhere Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

• Mischkristalle (38)

  • Max. Diff. Atomradien von 15%

• Zustandsdiagramme: extra Blatt

• Legierungstypen:

  • Typ 1: vollständige Löslichkeit (fest und flüssig) (42)

    • homogene flüssige Schmelze

  • Typ 2: vollständige Unlöslichkeit. (49)

    • vollst. Löslichkeit in der Schmelze

    • Unlöslichkeit im festen Zustand

      • keine Mischkristallbildung → Erstarrung zu reinen, getrennten Elementen A&B

  • Typ 3: teilweise Löslichkeit. (52)

    • Kristallgemisch aus Mischkristallen

    • vollst. Löslichkeit in der Schmelze

    • weder vollst. löslich noch unlöslich im festen Zustand

    • “Segregatbildung” bevorzugt an Korngrenzen

• Mechanische Eigenschaften: Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit, Duktilität, Härte.

• Zugversuch: Prüfen des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens.

• Bruchzähigkeit: Widerstand gegen Bruch.

• Härtemessung: Brinell-, Vickers-, Rockwell-Prüfungen, Shore-Härte.

• Zyklische Belastung und Ermüdung: Mechanismen der Materialermüdung durch dynamische Belastungen.