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Werkstoffkunde Kapitel 1 – Technische Werkstoffe Metalle(kristallin):

-belastbar - formbar - funktionsfähig nach starker Belastung - duktil: Belastung -> elastisch -> plastisch -> reißen

Keramik(kristallin):

- chemisch stabil (Al2O3) - hoher Schmelzpunkt - Spröde - Hochtemperaturwerkstoff, keine Anwendung als Strukturwerkstoff

Oxide: Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid Nichtoxide: Siliziumnitrid (Si3N4)), Strukturkeramik Gläser(nichtkristallin): - Spröde - Durchlässigkeit für Licht - Fensterglas: 72% SiO2, Rest: Na2O CaO - Abkühlgeschwindikeit wichtig zur Herstellung! Polymere:

- Verformbarkeit -geringer Schmelzpunkt - Organische Chemie - Komerzielle Polymere: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) -Zusätz. Elemente: Sauerstoff(O)-> Acryl, Stickstoff(N)->Polyamide, Fluor(F)-> Fluorcarbonate, Silizium(Si)->Silikone -leicht,preisgünstig

Verbundwerkstoffe:

- Alle Elemente außer Edelgase - Als Strukturwerkstoff geeignet-> Nachteile ausgeglichen -z.B.: Glasfaserverstärkter Kunststoff -> kombiniert Eigenschaften: Glasfaser (spröde, zugfest), Kunststoff: duktil, nicht zugfest

Halbleiter:

- leiten schlechter als Metalle -leiten besser als Polymere - gezielte Verunreinigung-> Dotierung (Einstellung der elektr. Leitfähigkeit)

W e

H e r

r s t

k s t

e l u n g

o f f

l

Kapitel 2- Atombindung Bindungsarten:

- Primärbindungen: kovalent, ionisch (200-700KJ/Mol) - Sekundärbindungen: Von-der-Waals(1KJ/Mol), Wasserstoffbrücken(50KJ/Mol)

Ionische Bindung:

-ohne Vorzugsrichtungen, da Ladung in alle Richtungen wirkt

Kovalente Bindung:

-stark Richtungsabhängig, da Elektronen geteilt

Bindung durch äußere Valenzelektronen: - Cl2

Polymere:

- Bildung von Polymerketten durch Trennung der Doppelbindungen, damit Bindungsstelle für anderes Atom frei wird. - starke primäre Bindung - schwache sekundäre Bindungen (von-der-Waals)

Metallische Bindung: - nicht richtungsabhängig - Elektronenverteilung  delokalisierte Elektronen(Elektronengas) - hohe elektrische Leitfähigkeit Von-der-Waals-Kräfte: - 1KJ/Mol - wirken umso stärke, je größer die Moleküle sind - Prinzip: Elektronen des Moleküls in Bewegung  Kurzeitige Ladungsverteilung auf eine bestimmte Seite (Dipol-DipolAnziehung) Wasserstoffbrückenbindungen: - 50KJ/Mol -anziehende Wechselwirkung eines kovalent gebundenen Wasserstoffatoms mit einem freien Elektronenpaar - tritt nur auf wenn H-Atom mit elektronegativeren Stoffen gebunden ist (O, N, F) Schmelzpunkte Bindungsarten: Bindungstyp Kovalent Metallisch Ionisch Kovalent u. Sekundär Sekundär (permanent) Sekundär (induziert)

Schmelztemperatur Verbindung 3600°C Diamant 1100°C Cu (Kupfer) 800°C NaCl (Natriumchlorid) 120°C PE(Polyethylen) 0°C H2O (Wasser) -200°C

Ar (Argon)

Bindungsarten der 5 Typen: - Metall: metallisch - Keramik/Glas: Ionisch/Kovalent - Polymere: Kovalent und Sekundär - Halbleiter: Kovalent/ zw. Ionische-Kovalent

Kapitel 3 – Kristalline Struktur Kristallin:

- gleichmäßig, wiederholend

Kristallgeometrie:

- 7 Kristallsysteme, 14 Kristallgitter

Kristallstruktur:

- Metalle: meist drei einfache Strukturen (a-Fe, Al, Mg) - Keramik: sehr unterschiedlich, Silikate komplex - Glas: nichtkristallin - Polymere: unterschiedlich, 50%-100% nicht kristallin - Halbleiter: komplex, charakt. Struktur: Diamant, kubisch

7 Kristallsysteme:

- kubisch:, tetragonal, otharhombisch, rhomboedrisch, hexagonal, monoklin, triklich

14 Bravaisgitter:

Elementarzelle:

- =Einheitszelle, daraus wird gesamter Kristall zusammengesetzt, besteht aus den 3 Basisvektoren a,b,c und den Winkeln a,ß,y, damit ist ein Quader definiert

Gitterpunkt:

- Sind die Bezugspunkte des Kristallgitters. Sie spannen die Grundvektoren auf

Packungsdichte:

- definiert als das Volumen der Atome, die sich in der Elementarzelle befinden, zum Gesamtvolumen der Elementarzelle  dichteste sind: Kubisch-innenzentrierte, Kubisch-dichteste, Hexagonal-dichteste Kugelpackung

Röntenbeugung:

- Die Beugung der Röntgenstrahlung auf geordnete Strukturen wird dazu benutzt, um die Struktur von Kristallen zu untersuchen

Kubisch-innenzentrierte Kugelpackung: - Ki - 8x 1/8 Atome in den Ecken - 1 Atom in der Mitte

!!!

- 68% Packungsdichte - Bsp.: a-Fe, Cr Kubisch-dichteste Kugelpackung: - Kd - 8x 1/8 Atome in den Ecken - 6x 1/2 Atom im Flächenzentrum

!!!

-74% Packungsdichte - Bsp.: y-Fe, Al Ni,Cu Hexagonal-dichteste Kugelpackung: - Hd - 2 Atoe pro Eckpunkt - 2 Atome pro Elemtarzelle - 74% Packungsdichte - Bsp.: Mg, Zn, a-Ti Cäsiumchlorid:

- kubisch primitiv

!!!

Cristallobit:

- Ein Bsp. für einfache SiO2 Strukturen  Bei Selikaten in Tetraederform, Tetraeder halten durch O-Verbindungen, Anordnung der Tetraeder verändert sich bei unterschiedlicher Temperatur

ß-Cristobalit-Gitter (O = rot, Si = dunkelgrau)

Fluorid:

- Salz der Fluorwasserstoffsäure (HF), enthält in ihrem Ionengitter negative Fluorid-Ionen(F-)  Anionen , Kubisch- dichteste Kugelpackung

Natriumchlorid:

- Kubisch-dichteste Kugelpackung (Kd), Ionenverbindung mit positiv geladenen Na+ Ionen und negativ geladenen Cl- Ionen

kdp der Chloridanionen (grün), OL: Natriumkationen (blau) Quarz:

- chemische Zusammensetzung ist SiO2 und tetragonal, - Die Anordnung der Tetraeder ändert sich

Wurtzit:

Calciumfluorid:

Kaolin:

- kdp, ß-ZnS

- CaF2 Kubisch-dichteste Kugelpackung, mit drei Ionen pro Gitterpunkt

-2(OH)4AL2Si2O5 - hydratisiertes Aluminiumsilikat, Schichtstruktur aus Tetraedern und Oktaedern

Schichtstrukturen:

- Schichten zwischen zwei Verbindungen die sich leicht verschieben lassen, da diese nur von von-de-Waals Kräften gehalten werden

Korund:

- chem. Zusammensetzung: Al2O3 - besteht aus dicht gepackten O2- -Ionen, welche in ihren Zwischenräumen der Schichten 2/3 des Volumens Al3+ - Ionen haben.

Zinkblende:

-Kubisch-dichteste Kugelpackung , Halbleiter, zwei verschieden geladene Ionen pro Gitterplatz, 8 Ionen (4 Zn2+, 4 S2-)pro Zelle

Czochralski-Verfahren: - Herstellung von Silizium-Einkristallen - Behälter wird von außen erhitzt  Es entsteht eine Schmelze - Ein Kristallkeim wird in die Schmelze in Stabform gesetzt und gedreht - Anhaftung der Schmelze an den Keimstab -  Es entsteht eine gleiche Kristallstruktur durch das gleichmäßige aufdrehen

Kapitel 4 - Fehler und Defekte im Kristallgitter Gitterfehler:

- Fehler in der Kristallgitterstruktur. Zum Beispiel fremde Atome/Ionen in einer festen Lösung

Hume-Rothery-Regel: - Bei festen Lösungen können fremde Atome die Gitterplätze des Kristallgitters in einem spezifischen Gitters einnehmen und Atome ersetzen.So entsteht ein Substitionsmischkristall. Nach der Hume-RotheryRegel kann dies nur eintreten wenn: - 1) Unterschiede der Atomradien unter 15% - 2) gleiche kristalline Struktur bei beiden Stoffen vorliegt - 3) Ähnliche Elektronegativität - 4) gleiche Wertigkeit besteht Substiutiv:

- Bei Verbindung einer Lösung ordnen sich die Fremdatome da an wo die Original-atome waren

Interstitiell:

-Fremdatome sezten sich irgendwo zwischen anderen Atomen im Gitter

Interstitielle feste Lösung: - Bedeutet, dass es große Unterschiede in den Atomgrößen der einzelnen Kristallstrukturen gibt. Bsp. : Kohlenstoff ist interstitiell in a-Fe aufgelöst - Erhebliche lokale Belastung

- weniger als 0,02% C ist in a-Fe löslich -C-Atom ist klein genug um sich in die zwischengitterplätze unter benachbarten Fe-Atomen einzulagern

Punktfehler:

 interstitielle Besetzung von einem Atom zw. Andere.  chem. Verunreinigung Entstehung: Vibration im Gitter

Leerstelle:

- Ein unbewohnter regulärer Platz durch thermische Bewegung

Stufenversetzung:

- Zusätzliche Halbebene von Teilchen (Atome, Ionen) die in einem perfekten Kristall eingeschoben sind. Es entsteht eine Stufenversetzung.

Schraubenversetzung: - Kann man sich als Ebene vorstellen, die sich um die Versetzungslinie dreht und der Burgsvektor parallel zur Versetzungslinie verläuft. Dislokation:

- Schrauben-, sowie Stufenversetzung

Hirth-Pound Modell:

- atomares Modell, was die stufenartige Struktur der Oberfläche eines kristallinen Stoffes zeigt.

Korngrenze:

-Trennt in einem Kristall Bereiche(Körner) mit unterschiedlichen Ausrichtungen trotz gleicher Struktur.

Nicht Kristallines Material: - behält die Nahordnung(den dreieckig koordinierten Baustein), verliert aber die Fernordnung wie bei einem Kristallinen System.

Glas:

-Festkörper, amorph, nichtkristallin

Amorph:

-unregelmäßige Strukturen(unkristallin)

Amorphe Metalle:

- schnelles Abkühlen - verhindert Kristallisation

- Beseitigt Korngrenzen - hohe Festigkeit - Verbesserte Korrosionsbeständigkeit Chem. Verunreinigung: - wird dazu benutzt die Eigenschaften eines Materials zu verändern Na+ - Ionen in Glas:

-  steigert Formbarkeit

Kapitel 5 - Diffusion Diffusion:

- Nichtsichtbare thermische Eigenbewegung bei ungleicher Verteilung bewegen sich Teilchen von Bereichen hoher Konzentration zu Bereichen mit niedriger Konzentration. Größenordnung: Volumen > Korngrenze > Oberfläche

Korngrenzendiffusion: - Wanderung des Atoms über Korngrenzen ins andere Korn  gestörte Struktur  mehr Leerstellen  schnelle Diffusion Oberflächendifussion: - Diffusion entlang der Oberfläche eines Stoffes Diffusionskoeffizient: - Ein Maß für die Beweglichkeit der Teilchen. Lässt sich aus in einer bestimmten Zeit zurückgelegten Wegstrecke ermitteln. Konzentrationsgradienten: - Konzentration eines Stoffen an Ort A anders als an Ort B Interstitielle Diffusion: - Zufallsbewegungen, Atome wandern mit Sprüngen zwischen andere Atome. Sie diffundieren zufällig in eine Richtung durch das Material Leerstellenwanderung: - Sprung eines Atoms in eine Leerstelle des Kristallsystems. Bsp. Cu in Ni Aktivierungsenergie:

- Energie, die benötigt wird um eine Reaktion in Gang zu bringen

Thermische Aktivierung: - Aktivierung/Beschleunigung der Diffusion durch thermische Energie Thermische Schwingung: - räumliche und zeitliche Veränderung des Temperaturfeldes Arrhenius- Gleichung: - beschreibt die Geschwindigkeitszunahme von Änderungsprozessen in Abhängigkeit von der Temperatur. Zunahme Temperatur  Zunahme Leerstellen

Aufkohlen:

-Material wird auf hohe Temperatur gebracht und gasförmige Moleküle werden zugesetzt.  Effekt: Zunahme der Härte der Oberfläche, gleichbleibende Zähigkeit im Inneren.

Aufkohlen von Stahl:

-Kohlenstoff dringt in Stahl von außen ein - Kohlenstoff wird als Gas(Kohlenwasserstoff) zugesetzt - hohe Temperatur, ca. 850°C

Kapitel 6 – Mechanische Verhalten Biegemodul:

- Beschreibt die Biegefähigkeit eines Werkstoffs  Biegefestigkeit

Biegefestigkeit:

- Wert für die Biegespannung in einem auf Biegung beanspruchtes Bauteil. Bei dessen Überschreitung der Bruch des Bauteils eintritt

Elastizitätsmodul bei Biegung: - Spannung die ein Material bei Biegung aushält ohne sich plastisch zu verformen oder zu brechen Elastizitätsmodul:

- Spannung die ein Material aushält ohne sich plastisch zu überformen

Zugversuch:

Streckgrenze:

- 0,2% der Zugkraft

- Kennwert bezeichnet die Spannung bis ein Werkstoff, bei Zugbelastung, keine, dauerhafte, plastische Verformung zeigt Dehnung:

-Angabe der relativen Längenveränderung eines Materials unter Belastung

Hookesches Gesetz:

- Beschreibt das elastische Verhalten von Festkörpern, deren, elastische Verformung proportional zur einwirkenden Belastung ist. Stellt den linearen Sonderfall des Elastizitätsmoduls dar, da es nicht die plastische Verformung einberechnet. Es entsteht eine „wahre“ Kurve

Duktilität:

-Die Eigenschaft eines Materials sich vor dem Bruch, bei wirkender Kraft, plastisch zu verformen. Duktil ist das Gegenteil von spröde.

Elastische Verformung: - Verformung eines Materials unter Kraft, welche wieder in die Ursprüngliche Form zurückgeht wenn die Kraft abfällt Plastische Verformung: - irreversible, dauerhafte Verformung - Voraussetzung: umformbar, nicht spröde Steifigkeitsmodul:

- Widerstand eines Körpers gegen elastische Verformung

Elastomere:

-formfeste, aber elastisch verformbare Kunstoffe

Bruchmodul:

- Die maximale Faserspannung bei Bruch  Bruchfestigkeit

Sprödbruch:

- schlagartiges Materialversagen, vor allem bei Materialen mit geringer Duktilität und Zähigkeit - Bruch erfolgt meist ohne dass sich das Material vorher plastisch verformt

Griffith-Rissmodell:

- Das Rissmodell beschreibt wie ein Material mit vorhanden Rissen geschwächt wird. Nach Griffith wird die Spannung an der Riss spitze durch die Geometrie gestärkt auch wenn der Radius der Spitze noch so klein ist

Kriechen (Temperaturabhängigkeit): - Mit Versuchen bei erhöhter Temperatur kann man ableiten und berechnen wie schnell das Kriechen bi niedrigerer Temperatur verläuft  Vorhersagen wann welches Bauteil bricht

Kriechen bei Metallen:

- Ist die Längenänderung bei konstanter Belastung - 3 Phasen:

1) Schnelle Zunahme der Länge 2) Mit der Zeit entsteht eine konstante Längenzunahme 3) Beschleunigte Längenzunahme, da es eine Verjüngung im Material gibt durch konstanter Kraft

- Kriechen ist immer mit der Zerstörung des Material verbunden Kriechen bei Polymeren: - Thermoplaste und Elastomere, welche aus großen verknüllten Molekülen bestehen - Beim Kriechen entknüllen sich diese Moleküle erst einmal  Deshalb viskoelastisches Verhalten. - Große Spannungsrelaxion zu erkennen Entspannungspunkt:

- Ist der der Bereich indem sich das Material durch den „Residual Stress“ entspannen kann

Erweichungspunkt:

- Der Temperaturbereich indem sich das Material plastisch verformen lässt aber trotzdem noch unter dem Schmelzpunkt liegt

Verarbeitungsbereich: - Der Bereich bei dem Materialien bei einer bestimmten Temperatur (die oberhalb der Fließgrenze und unterhalb des Schmelzbereiches liegt) verarbeitet werden. Obere Fließgrenze:

- Die aufzubringende Kraft ab der ein Stoff von der elastischen Verformung in die Streckgrenze übergeht

Untere Fließgrenze:

- aufzubringende grenzwertige Kraft bei der ein Material von einer elastischen- zu einer plastischen- Verformung übergeht

Kaltverfestigung:

- Wahrscheinlichkeit steigt, dass sich die Versetzungen im Kristallgitter treffen und und sich gegenseitig behindern. Dadurch benötigt man eine größere Spannung zur Weiterverformung, was die Dehngrenze und Festigkeit erhöht

Mischkristallverfestigung: - Die Mischkristallverfestigung verändert die Eigenschaft von Festkörpern durch Einbau von Zwischengitteratomen oder Substitutionsatomen  Verzerrung von Molekülen Fremdatome in Kristallstruktur, Punktdefekte  Verzerrungen behindern Gleitbewegungen im Kristall  Metall wird fester Glasübergangstemperatur:

- Bei Überschreiten der Glasübergangstemperatur wandelt sich festes Glas oder Polymer in eine gummiartige bis zähflüssige Schmelze Rockwell-Härte:

- Ergibt sich aus der Eindringtiefe eines Prüfkörpers bei anliegen einer bestimmten Vor- und Prüfkraft. - Verfahren:

1) erst Vorkraft 2) Messuhr nullen 3) Hauptkraft auflegen 4) Hauptkraft aufheben 5) Härtewert ablesen 6) Vorkraft aufheben

Brinell-Härte:

- Verhältnis von Prüfkraft zur Eindruckoberfläche

Scherung:

- Art der Verformung eines Körpers unter Einwirkung von Kraft, die gegenparallel zu parallelen Flächen wirkt.

Scherspannung:

- gegenparallele Kraft zu parallelen inneren oder äußeren Flächen eines Körpers. Hat die Dimension eines Drucks, wobei die Kraft entlang der Fläche wirkt.

Kapitel 7 – Wärmeverhalten von Materialien Wärmekapazität:

- Fähigkeit Wärme aus der Umgebung zu absorbieren - Temperatur von Materialien steigt aufgrund Wärmeabsorption aus der Umgebung. C definiert die Wärmemenge menge Q, die benötigt wird um Temperatur um 1°C zu erhöhen. - Wärmekapazität C:

bezieht sich auf mol

C=Q/∆T

- Spezifische Wärmekapazität c:bezieht sich auf kg Wärmeausdehnung:

a=∆L/L x 1/∆T -∆: Differenz zwischen Anfangs und Endzustand -L: Länge in m - T: Temperatur in °C - steigt im zunehmender Temperatur

c=Q/m∆T

Material für T. höher Raumtemperatur Keramiken, Gläser Metalle Polymere

A in 10-6/K Ca. 10 Ca. 20 Ca. 50

Bindungsstärke:

Wärmeleitfähigkeit:

Schwach gebundenen Feststoffe

Stark gebundene Feststoffe

Niedrigschmelzend

Hochschmelzend

Niedriges Elastizitätsmodul

Hohe Elastizitätsmodul

Hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient

Niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient

- Wärmemenge(Q) pro Zeit(t) durch Fläche(A) -Fouriers`s Gesetz

Material Metalle Kupfer Eisen Keramiken, Gläser Polymere Wärmeleitfähigkeit bei Metallen:

K in W/(m*K) für T. höher als Raumtemperatur Ca. 100 -400 Ca. 400 Ca. 100 Ca. 10 Ca. 1

Steigende Temperatur: steigende Atomschwingungen  Abnahme der Wärmeleitfähigkeit(Störung des Wärmetransports) Chemische Verunreinigungen: Metalllegierungen (Störung des Wärmetransports) - Wärmeleitfähigkeit bei Keramiken/Gläser: -Atomschwingungen überwiegen -Gläser haben geringe Wärmeleitfähigkeit als kristalline Keramiken - Für einige Keramiken: -Leitfähigkeit steigt bei Erhöhung der Temperatur - Strahlungswärmeübertragung - Wärmeleitfähigkeit bei Polymeren: - Amorphe haben geringere Wärmeleitfähigkeit als Kristalline

Wärmeleitfähigkeit bei Porosität: - Wärmeleitfähigkeit nimmt bei porösen Keramiken und Polymeren ab Bsp. Hitze-Kachel beim Spaceshuttle: poröses und leichtes Material, Porösität bei 93 Volumenprozent, hochreine Quarzglasfasern Temperaturschock:

- freie Ausdehnung gefolgt von Kompression

Kapitel 8 – Schadenanalyse und- präventation Kerbschlagarbeit/Charpy-Versuch: - ein Pendelhammer der auf ein zu untersuchendes Material trifft, welches mit einer Kerbe versehen ist.  Das Prinzip ist es, dass der Pendelhammer das Material durchschlägt und zerstört und dann die Differenz der Schwingung zu messen.  Je höher der Pendelhammer schwingt, nachdem er das Material durchtrennt hat, desto weniger Bruchzähiger ist das Material. - elastische-, plastische Verformung und Bruch laufen unmittelbar hintereinander ab. Je weniger Kohlenstoff im Stahl desto mehr Schlagenergie Legierung Gussmagnesium Rostfreier Stahl Kohlenstoffstahl Monel 400 (Nickellegierung)

Kerbschlagarbeit (J) 0,8 55 180 298

Kfz- Legierung:

- duktiles Bruchverhalten

Hdp- Legierung:

- sprödes Bruchverhalten

Krz- Legierung:

- niedrige Temperatur: sprödes Bruchverhalten - hohe Temperatur: duktiles Bruchverhalten

Bruchm...