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3. Struktur des Festkörpers
3.1 Kristalline und amorphe Strukturen
Amorphe Struktur- Atombindung ist gerichtet - unregelmäßige Anordnungder Atome
- keinen exakten Schmelzpunkt,sondern langsames Erweichen,
- keine Fernordnung(>1000 Atomabstände)
- Gläser, Kunststoffe,
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Kristalline Struktur- Metallbindung und Ionenbindung sind ungerichtet- regelmäßige Atomanordnung über >1000Atomabstände (Fernordnung)
- exakter Schmelzpunkt- sich wiederholende ElementarzelleGitterkonstante ~ Atomdurchmesser ~ 10-10 m
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3.2 Idealer Kristall
- hat keine Fehler oder Störungen(Wärmeschwingungen, Oberflächen)
- kommt nicht vor
- 3-dimensionale periodische Wiederholung seinerElementarzelle (EZ)
- 14 verschiedene EZ-typen (Bravais-Gitter) in7 kristallographischen Achsensystemen
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Technisch relevante GittertypenProf. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau
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Stapelfolge im kfz-Gitter (ABCABC)Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau
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Stapelfolge im hdp-Gitter (ABAB)Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau
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krz - kubisch raumzentriert - Cr, Mo, W, V, -Fe,-Ti,
kfz - kubisch flächenzentriert - Cu, Al, Ni, Ag, Au,-Fe, -Co,
hdp - hexagonal dichtest gepackt - Mg, Cd, Zn, -Ti,-Co,
Polymorphie:Einige Metalle treten temperaturabhängig in zwei oder mehreren Gittertypen auf.
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Packungsdichte (PD)= Volumen d. Kugeln pro EZ / Volumen EZ
krz: PD = 68%
kfz: PD = 74%Stapelfolge: ABCABC
hdp: PD = 74%Stapelfolge: ABAB
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3.3 Realer Kristall3.3.1 Punktfehler (0-dimensionale Gitterfehler)
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3.3.2 Linienfehler (1-dimensionale Gitterfehler)
Stufenversetzung
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Burgersvektor
Ist ein Maß für den Versatz des Gitters verursacht durch die Versetzung.
b
b
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Schraubenversetzung
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Gemischte Versetzung
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Bedeutung der Versetzungen
- Voraussetzung für plastisches Verhalten der Metalle(z.B. Walzen, Biegen, Schmieden)
- äußere Kräfte führen zur Bewegung von Versetzungen- sich bewegende Versetzungen transportieren Material- Versetzungen sind auch die Ursache für Verfestigungund Eigenspannungen
- Versetzungsdichte = Gesamtlänge aller Versetzungslinien pro Volumennormal: 106 - 108 cm-2 , stark kaltumgeformt: 1012 cm-2
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3.3.3 Flächenfehler(2-dimensionale Gitterfehler)
Kleinwinkelkorngrenze
Großwinkelkorngrenze
Antiphasengrenze(kfz-Gitter)
Zwillingsgrenze(krz-Gitter) 37
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3.3.4 Volumenfehler (3-dimensionale Gitterfehler)
Phasengrenze
Ausscheidung,Dispersion Pore,
MikroporeEinschluß
Mikroriß
kohärent
teilkohärent
inkohärent 38
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3.4 Realstruktur und Eigenschaften
Gitter und Gitterfehler beeinflussen Eigenschaften wie
- elektr. und therm. Leitfähigkeit:Bändermodell, Gitteranordnung (Atomabstände)
- Verformbarkeit: Versetzungen bewegen sich aufGleitebenen (= Ebenen dichter Atomanordnung)
- Festigkeit: Bewußte Einschränkung der Bewegung derVersetzungen
- Wärmeausdehnung: Kräfte zwischenGitterbausteinen (= Atomen)
- Diffusion: Gitterlücken
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Gleitsystem (GS) = Gleitebene (GE) + Gleitrichtung
GS mit dichtestgepackter GE:
kfz: 12
hdp: 3
krz: 0
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Richtungsabhängigkeitvon Eigenschaften
Einkristall (a):- besteht aus einem einzigen Korn (=Kristallit)- z.B. Si-Block zur Herstellung von Chips- Turbinenschaufeln
Vielkristall= Polykristall (b):- besteht aus vielenKörnern (=Kristalliten)
- Mehrzahl aller metallischen Werkstoffe
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Anisotropie = Richtungsabhängigkeitder Eigenschaften
gilt für:
Elementarzelle EZKorn (=Kristallit)Einkristall
beispielhaft:
Elastizitätsmodul ESchubmodul G
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Isotropie= Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften
gilt für nichtkristalline Stoffe (=amorph):
- Gläser
- Kunststoffe
- Keramik
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Quasiisotropie= Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften
bedingt durch die beliebige (statistische)Orientierung der Körner in Polykristallen
Textur (=anisotroper Polykristall)= Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften von
Polykristallen bedingt durch mech. Umformung 44
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Fachbereich MaschinenbauAnisotropie durch Textur(Walz-, Zieh-, Schmiedetextur)
Nachweis:Näpfchenziehenr-Wert-Bestimmung
Durch Walzvorgang ausgerichtetes Gefüge (Textur)
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Anisotropie von faserverstärktem Kunststoff
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3.5 Aufbau von Legierungen
Legierungen sind Vereinigungen eines Metalls mit mindestens einem anderen Metall oder Nichtmetall.(z.B. Fe-C, Fe-Ni, Al-Si-Mg, Fe-C-Cr-Ni)
Legierungsphasen:- Mischkristall (Einlagerung, Substitution)
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Fachbereich Maschinenbau
- Überstruktur - IntermetallischeFeCo, AuCu, Fe3Al Phasen
TiN, VC,
Al2Cu, Mg2Si
CuBe2
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Gefüge eines Einlagerungs-Mischkristalles
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Fachbereich Maschinenbau
Gefüge eines Substitutions-Mischkristalles
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Fachbereich Maschinenbau
Gefüge eines Kristallgemisches
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