Werkstoffkunde 2020-2021

INHALT
Einleitung: Definitionen, Werkstoffgruppen, Physikalische Eigenschaften
Metalle
Legierungen
Eisenlegierung

DEFINITION: WERKSTOFFKUNDE

WERKSTOFF-GRUPPEN

Bekanntester Vertreter aus dieser Gruppe ist … mit seinen Legierungen ……… und ……..
Zu den metallischen Eigenschaften zählen:
hohe ……………. bei gleichzeitig guter……………………………
gute ……………... und ………………… Leitfähigkeit
Neben den Eisenlegierungen (……. und ………….) sind die
- die …………….legierungen
die …………….legierungen
…
die …………….legierungen als wichtigster Vertreter
Metalle

Keramiken und Gläser sind Verbindungen von den Nichtmetallen C, N, O, P, S und Metalle.
Typische Vertreter: Al2O3, ZrO2, MgO, SiO2, SiC
Gläser bestehen aus einer Mischung von SiO2, CaO, Na2O.
Eigenschaften: Vergleichbarkeit mit Keramiken, aber durchlässig für ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht
Bsp.: Al2O3
Vorteile gegenüber Al-Metall
chemisch inert
hohe Schmelztemperatur von 2020°C gegenüber 660°C von Al
Nachteile gegenüber Aluminium:
höhe Sprödbruchanfälligkeit
keine plastische Verformbarkeit
=> Einsatzgebiete sind eingeschränkt
Keramiken und Gläser

Keramiken sind wie Metalle ………. aufgebaut, d.h. in einem bestimmten Gitter
Gläser dagegen besitzen eine ………….. Atomanordnung, die als ………… bezeichnet wird.
neue Entwicklung: Glaskeramiken
Wodurch unterscheiden sich Keramiken von Gläsern?

bestehen aus Nichtmetallen.
Das Grundgerüst ist immer eine …………………………- Kette
die übrigen Nichtmetalle findet man z.B. in Acrylen (Sauerstoff), in Polyamiden (Stickstoff), in Silikonen (Silizium)
Eigenschaften:
………… wie Metalle, aber sehr geringere …………
………….
niedriger ……………………
chemischer leichter angreifbar als Keramiken
=> kann als Ersatz für Metalle verwendet werden, wenn …….. und …………. ausreichen
Hochpolymere Werkstoffe (Kunststoffe)

VERBUNDWERKSTOFFE
VW entstehen durch Kombination von unterschiedlichen/unterschiedlich strukturierten Werkstoffen aus einer oder mehreren Werkstoffhauptgruppen
Ziel: …………
Beispiel:
GfK (Glasverstärker Kunststoff) – links / Beton (Aggregatverbundwerkstoff) - rechts

Dimensionen in der Werkstoffkunde

Nach Abwägung aller Gesichtspunkte wird für ein Bauteil der Werkstoff ausgewählt,
der die Funktion des Bauteils und die technischen Anforderungen am besten erfüllt,
dessen Fertigung und Werkstoffpreis am günstigsten ist und der bei der Fertigung
und nach dem Gebrauch keine Belastung für die Umwelt darstellt.
Werkstoffauswahl

VERHALTEN DER WERKSTOFF IN KONTAKT MIT

Schmelzpunkt (Schmelztemperatur)
Elektrische Leitfähigkeit
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

Leiter 1. Klasse (z. B.. Metalle oder Halbmetalle), bei denen eine Temperaturerhöhung zu einer Verringerung der Leitfähigkeit.
Leiter 2. Klasse (z. B.. Isolatoren oder Halbleiter), bei denen genau die umgekehrten Effekte auftreten. Mit der Temperatur nimmt die Leitfähigkeit zu, der Widerstand entsprechend ab.
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

Einleitung der Leiter in Klassen

l1= Ausgangslänge
Δl= Längenänderung
α= Längenaus-
Dehnungskoeffizient
ΔT= Temperaturänderung
T2-T1
Definition des thermischen Längenausdehnungskoeffizient α:
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

Wärmeleitfähigkeit
Definition der Wärmeleitfähigkeit:
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

Elastizität eines Sägeblattes
Plastizität eines Bleistabes
Elastisch-plastische Verformung eines Stabstahls
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe

INHALT
Einleitung: Definitionen, Werkstoffgruppen, Physikalische Eigenschaften
Metalle
Kristallzustand der Metalle
Legierungskunde – Zustandsdiagramme
Kristallplastizität
Diffusion
Kristallerholung und Rekristallisation
…

METALLE - ALLGEMEIN
Typische Metalle Eigenschaften sind:

METALLE – KRISTALLZUSTAND DER METALLE - LERNZIELE
Das Raumgitter als Idealstruktur bestimmt viele Eigenschaften und Vorgänge von Werkstoffen.
Charakterisierung durch Packungsdichte
Beschreibung durch Millersche Indizes
Zusammenhang zwischen Kristallanisotropie und Textur
Der Gitterbaufehler als Realstruktur ist verantwortlich für die mechanischen und physikalischen Eigenschaften.
Definition von Leerstelle, Zwischengitteratom, Versetzung, Stapelfehler und Korngrenze
Burgersvektor und Stapelfehlerenergie als Grundkenngrößen eines Festkörpers
Unterschied zwischen Mischkristall und Kristallgemisch

IDEALSTRUKTUR – ANORDNUNG DER ATOME
Die Werkstoffeigenschaften werden bestimmt durch
Art und Anordnung der Atome
Störungen des Gleichgewichtszustandes
Die Anordnung von Atomen erfolgt mit unterschiedlichen Ordnungsgrad. Es lassen sich unterschiede Ordnungsstufen unterscheiden.
a/.
b/.
c/.
d/.

RAUMGITTER UND KRISTALLSYSTEME
Gittergerade und Gitterebene (Netzebene)
Raumgitter und Elementarzelle (EZ)
Vektoren a, b und c spannen die EZ ein
6 Gitterkonstante:
Translationsbeträge
Winkel zwischen den Vektoren

RAUMGITTER UND KRISTALLSYSTEME
7 Kristallsysteme
Definition einer EZ

kubisch
tetragonal
orthorhombisch
rhomboedrisch
hexagonal
monoklin
triklin
α = β = γ = 90°
α = β = γ = 90°
α = β = γ = 90°
α = β = γ = 90°
α = β = 90° γ = 120°
α = γ = 90° β = 90
α = β = γ = 90°
Grundlegende Kristallsysteme

GITTERAUFBAU
Gitteraufbau der Metalle (Legierungen) wird durch die Angabe der EZ und Ihrer Größe charakterisiert.
Die Metalle kristallisieren häufig in dichtester Kugelpackung:
Wichtigste Gittertypen (EZ) der Metalle
Kenngrößen der EZ:
Atomanzahl je EZ
Koordinationszahl KZ
Gitterkonstante
Packungsdichte
Übung: Was sind die mögliche Gitteraufbau? Wie sind sie genannt? Zeichnen sie bitte die EZ dieser Gitter?

triklin
Die 14 Bravais-Gitter

kubisch:
primitiv
raumzentriert
flächenzentriert
Tetragonal: primitiv
raumzentriert
Die 14 Bravais-Gitter

rhomboedrisch
Orthorhombisch:
primitv
raumzentriert
basisflächen-zentriert
flächenzentriert
Monoklin:
primitiv
basisflächenzentriert
Die 14 Bravais-Gitter

triklin
Die 14 Bravais-Gitter

kubisch:
primitiv
raumzentriert
flächenzentriert
Tetragonal: primitiv
raumzentriert
Die 14 Bravais-Gitter

rhomboedrisch
Orthorhombisch:
primitv
raumzentriert
basisflächen-zentriert
flächenzentriert
Monoklin:
primitiv
basisflächenzentriert
Die 14 Bravais-Gitter

KENNGRÖSSEN DER KRZ-EZ
Beispiel
KZ des kubisch-primitiven Kristalls:

Zusammenhang: Atomradius – Gitterparametern
kubisch primitiv: a = 2r
Kubisch flächenzentriert: a = 4r/√2
Kubisch raumzentriert: a = 4r/√3

kubisch-flächenzentrierte
ElementarzellePackungsdichte
kubisch-raumzentrierte
Elementarzelle
Packungsdichte – kubische Gitter
?

KENNGRÖSSEN DER WICHTIGSTEN EZ
Übung Kenngrößen der
Kubisch raum zentriert
Kubisch flächenzentriert

Kristalline Elementstrukturen - Metalle

Kristalline Elementstrukturen - Metalle

Die Raumgitter lassen sich auch als eine Schichten – oder Stapelfolge von in Gitterebenen regelmäßig angeordneten Atomen – als starre Kugeln aufgefasst - darstellen.
Stapelfolge im kubisch-primitiven Gitter
Am dichtest gepackten Ebenen:
kfz
hdP
STAPELFOLGE

Hexagonal dichteste Kugelpackung
Kubisch flächenzentriert
Stapelfolge: A
B
A
B
A
B
A
B
C
A
B
C
A
B
C
Stapelfolge – kfz ⬄ hdp

Stapelfolge – kfz ⬄ hdp

ALLOTROPE UMWANDLUNGEN
Unter allotrope Umwandlungen versteht man die in bestimmten Temperatur- und Druckbereichen auftretenden Änderungen des Gittertyps

Kristalline Elementstrukturen - Polymorphie von Metallen

METALLE – KRISTALLZUSTAND DER METALLE - LERNZIELE
Das Raumgitter als Idealstruktur bestimmt viele Eigenschaften und Vorgänge von Werkstoffen.
Charakterisierung durch Packungsdichte
Beschreibung durch Millersche Indizes
Zusammenhang zwischen Kristallanisotropie und Textur
Der Gitterbaufehler als Realstruktur ist verantwortlich für die mechanischen und physikalischen Eigenschaften.
Definition von Leerstelle, Zwischengitteratom, Versetzung, Stapelfehler und Korngrenze
Burgersvektor und Stapelfehlerenergie als Grundkenngrößen eines Festkörpers
Unterschied zwischen Mischkristall und Kristallgemisch

BEZEICHNUNG VON PUNKTEN UND EBENEN IM RAUMGITTER (MILLERSCHE INDIZES)

BEZEICHNUNG VON PUNKTEN UND EBENEN IM RAUMGITTER (MILLERSCHE INDIZES)
(hkl) wird als Millersche Indizes bezeichnet
Definition der MI: das kleinste ganzzahlige Vielfache der reziproken Abschnitte

Beispiele

Beispiele

Die Millerschen Indizes zur Bestimmung der Kristall- Gitterebenen

Die Millerschen Indizes zur Bestimmung der Kristall- Gitterebenen

BESTIMMUNG DER GITTERRICHTUNGEN

BESTIMMUNG DER GITTERRICHTUNGEN

Die Millerschen Indizes zur Bestimmung der Kristall- Gitterebenen, -richtung

Röntgenographische Untersuchungen an Kristallen
Kristalle zeigen beim Bestrahlen mit Röntgenstrahlen Interferenzerscheinungen, da die Wellenlängen in der Größenordnung der Atomabstände liegen.
Gleichung nach Bragg:
Θ: Winkel
λ: Wellenlänge
d: Netzebeneabstand
n: Beugungsordung (1,…n)
d?

Röntgenographische Untersuchungen an Kristallen

ANISOTROPIE UND TEXTUR
Definition Anisotropie eines Körpers
Kristall – Richtungsabhängigkeit der Kristalleigenschaften
EZ – Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften
Korn – Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften
Metallstück besteht aus vielen Körner, die in der Regel unterschiedliche Richtungen annehmen
=> Es verhält sich quasi-isotrop

ANISOTROPIE UND TEXTUR
Treten im Material die Körner in bestimmten Richtungen bevorzugt auf, so nennt man dies die Textur des Materials
Texturen entstehen durch Verformung (Walzen) z.B.

REALSTRUKTUR: KRISTALLBAUFEHLER
Im Gegensatz zu den Idealkristallen sind die existierenden Realkristalle mit Fehler behaftet.
Man unterscheidet:
Strukturelle Fehlordnung (Gitterbaufehler)
Chemische Fehlordnung
Gitterbaufehler:
1. Punktförmige Fehler – 0. dimensionale
2. Linienförmige Fehler – 1. dimensionale
3. Flächenhafte Fehler – 2. dimensionale
Zur Unterscheidung der Gitterfehler bedient man sich des Burgervektors.

REALSTRUKTUR: KRISTALLBAUFEHLER - BURGERVERKTOR
Burgervektor
Ist die Verbindung zwischen Ausgangspunkt A und Endpunkt E des Burgersumlaufes
Burgersumlauf im
ungestorten Kristall
Burgersumlauf um
Leerstelle; A=E
Burgersumlauf um
Versetzung; A≠E

NULL-DIMENSIONALE GITTERFEHLER – THERMISCHE GITTERFEHLER
Auch Gitterlücken oder Schottky Defekte genannt
Die Entstehung einer Leerstelle kann man so beschreiben, dass ein Atom aus einem Gitterplatz entfernt und in der freien Oberflache des Kristalls wieder eingebaut wird
Diese Fehler: thermisch in GW
Mechanismen zur Erzeugung von
Fehlstellen (aus dem thermischen
Gleichgewicht)
Abschrecken von höhen Temperaturen
Bestrahlung mit energetischen Teilchen
Zwischengitteratome entstehen dadurch, dass innerhalb des Gitters ein Atom von einem normalen Gitterplatz auf einen Zwischengitterplatz springt. Ein Fehlstellenpaar, Leerstelle-Zwischengitteratom, wird Frenkel-Defekt genannt.
Leerstellen
Zwischengitteratom

Null-dimensionale Gitterfehler – thermische Gitterfehler
Schottky Defekte
Frenkel Defekte

THERMISCHE ERZEUGUNG VON LEERSTELLEN
Wahrscheinlichkeit, dass ein Gitterplatz vakant ist: Arrhenius-Gleichung: p = A×exp(-E/kT)
A: Normierungsfaktor
E: Anregungsenergie
k: Boltzmannkonstante
T: Temperatur
z.B. Kupfer
300K: p = 3×10-15
1000K: p = 3×10-5
Leerstellenkonzentration als Funktion der Temperatur

THERMISCHE ERZEUGUNG VON LEERSTELLEN
Wahrscheinlichkeit, dass ein Gitterplatz vakant ist: Arrhenius-Gleichung: p = A×exp(-E/kT)
A: Normierungsfaktor
E: Anregungsenergie
k: Boltzmannkonstante
T: Temperatur
z.B. Kupfer
300K: p = 3×10-15
1000K: p = 3×10-5
Leerstellenkonzentration als Funktion der Temperatur

TEMPERATURABHÄNGIGKEIT VON GITTERKONSTANTE UND LÄNGE DES KRISTALLS IN ALUMINIUM
Durch die Entstehung von Leerstellen ist die thermische Ausdehnung des Kristalls größer als das Wachstum der Gitterkonstante

EIN-DIMENSIONALE GITTERFEHLER – VERSETZUNGEN
Abgleitung in einem Kristall: Die Versetzungen erlauben es, dass sich eine Gleitung schrittweise über die Netzebenen fortsetzt.
Stufenversetzung
Geometrisch lasst sich
eine Stufenversetzung durch
Einfugen oder Herausnehmen
einer Halbebene darstellen.

Stufenversetzung 1-dimensionaler Fehler
Burgervektor senkrecht zur Versetzung

WANDERUNG EINER STUFENVERSETZUNG

Stufenversetzung- Definition des Burgers-Vektors
bei der Stufenversetzung steht der Burgersvektor senkrecht zur Versetzungslinie

EIN-DIMENSIONALE GITTERFEHLER – VERSETZUNGEN - SCHRAUBENVERSETZUNG
Schraubenversetzung
Zwischenschritte
bei Versetzungs-
bewegungen

Schraubenversetzung - 1-dimensionaler Fehler

EIN-DIMENSIONALE GITTERFEHLER – SCHRAUBENVERSETZUNG
Gitterebene schrauben sich wendelförmig
In Realität: gemischte Versetzungen, sowohl
Stufen als auch Schraubenkomponente

EIN-DIMENSIONALE GITTERFEHLER
Ursprung von Versetzungen
Zufällige Missorientierung beim Wachstum von Kristallen
Ausscheiden von überschüssigen Leerstellen
Abbau von Spannungen durch Bildung von Versetzungen

ZWEI-DIMENSIONALE GITTERFEHLER - STAPELFEHLER
Der Aufbau der Kristallgitter lässt sich als eine bestimmte Stapelfolge von Gitterebenen denken
hdP Gitter: Stapelfolge ABABABABABA
kfZ Gitter: Stapelfolge ABCABCABCABC
Störungen dieser Stapelfolge werden als Stapelfehler gezeichnet
Stapelfehler erschweren die Versetzungsbewegungen

ZWEI-DIMENSIONALE GITTERFEHLER – KORNGRENZEN UND PHASENGRENZFLÄCHEN
Unter Korngrenze im engeren Sinn versteht man die Grenzfläche zwischen Kristallen einer Phase.
Phasengrenzflächen oder Korngrenzen im weiteren Sinn sind Grenzflächen zwischen Phasen unterschiedlicher Struktur und Zusammensetzung.
Die Korngrenzen werden nach der Hohe des Orientierungsunterschiedes eingeteilt:
Kleinwinkelkorngrenze (Subkorngrenze): Bei diesen weisen die Kristalle Orientierungsdifferenzen von bis zu 5° auf.
Großwinkelkorngrenze: für größere Abweichungen

ZWEI-DIMENSIONALE GITTERFEHLER – KORNGRENZEN UND PHASENGRENZFLÄCHEN
Aufbau einer
Kleinwinkelkorngrenze
Aufbau einer Grosswinkelkorngrenze
meist > 20°
Korngrenzen im Gefügebild:
Die Kleinwinkelkorngrenzen sind nur im
Elektronenmikroskop sichtbar.

ZWEI-DIMENSIONALE GITTERFEHLER – ZWILLINGSGRENZEN
Zwillingskorngrenzen: wenn die Orientierung des einen Kristalls durch Spiegelung an einer Ebene in die Orientierung des andern übergeführt werden kann

0, 1 UND 2-DIMENSIONALE GITTERFEHLER
Zusammenspiel von Versetzungsbewegungen, Leerstelle

METALLE – KRISTALLZUSTAND DER METALLE - LERNZIELE
Das Raumgitter als Idealstruktur bestimmt viele Eigenschaften und Vorgänge von Werkstoffen.
Charakterisierung durch Packungsdichte
Beschreibung durch Millersche Indizes
Zusammenhang zwischen Kristallanisotropie und Textur
Der Gitterbaufehler als Realstruktur ist verantwortlich für die mechanischen und physikalischen Eigenschaften.
Definition von Leerstelle, Zwischengitteratom, Versetzung, Stapelfehler und Korngrenze
Burgersvektor und Stapelfehlerenergie als Grundkenngrößen eines Festkörpers
Unterschied zwischen Mischkristall und Kristallgemisch

GEFÜGE UND LEGIERUNGSSTRUKTUREN
Gefüge: Anordnung von Gitterbaufehler, die nicht im thermodynamischen Gleichgewicht sind: Korngrenzen, Phasengrenzen oder Versetzungen
Legierung: besteht aus Mischung eines Metalls mit einem oder mehrerer anderen Metallen oder Nichtmetallen.

Beim Abkühlen können die Bestandteilen der Legierung
sich entmischen
sich entmischen teilweise
chemische Verbindungen bilden
sind vollständig mischbar.
Mischkristall: Wenn ein Kristall nicht aus einer einzigen Atomart, sondern aus mehreren Atomarten besteht.
Kristallgemisch: Ein Kristallgemisch besteht aus mindestens zwei verschiedenen Phasen, von denen jede für sich betrachtet entweder Mischkristalle oder reine Kristalle darstellt.
GEFÜGE UND LEGIERUNGSSTRUKTUREN

MISCHKRISTALLE
Man unterscheidet zwischen 2 Arten von MK: je nachdem, ob das gelöste Atom
Auf einem regulärem Gitterplatz (Austausch-MK)
Oder auf einem Zwischengitterplatz (Einlagerung-MK)
eingebaut wurde.
Substitutions (Austausch-)Mischkristall
Die Fremdatome sitzen auf Gitterplätzen
unregelmäßig
regelmäßig
Überstruktur

AUSTAUSCH-MISCHKRISTALLE
Lückenlose Mischkristalle Reihe:
Meistens tritt nur eine beschränkte Löslichkeit auf. Aber unter bestimmten Bedingungen ist auch eine unbeschränkte Löslichkeit möglich
Bedingungen für eine lückenlose Mischkristallreihe

EINLAGERUNGS-MISCHKRISTALL
Die Fremdatome sitzen auf Zwischengitterplätzen
Bedingung: Sind Legierungsatome (Radius r1) im Verhältnis zum Atomradius r2 des Grundmetalles kleiner 0.58, so können sie in die im Gitter des Grundmetalles noch vorhandenen Zwischenräume eingelagert werden.
N, O, C, H-Atome sind dafür
besonders geeignet.

Allgemeines: Die physikalische und technische Eigenschaften sind sowohl vom
Grundgitter
Art, Anzahl der Anordnung der Gitterfehler
Und Gitterfremde Bausteine
bestimmt.
Physikalische Eigenschaften die vom Gitterstruktur und Fehlordnung beeinflusst sind:
Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme
Wärmedehnung
Verformbarkeit (Fliessverhalten)
Festigkeitseigenschaften
Diffusionsvorgänge
Strukturen und technischen Eigenschaften

DIFFUSION – ENERGETISCHE BETRACHTUNG
Diffusion eines (Fremd)atoms bzw. einer Leerstelle
Diffusion erfordert die Überwindung einer Energiebarriere mittels thermischer Anregung
auch die Diffusionswahrscheinlichkeit folgt einer Arrheniusgleichung:
p = A×exp(-E/kT)

DIFFUSION – BEWEGUNG IM GITTER
Diffusion
die thermische Anregung bestimmt die Häufigkeit der Diffusionsschritte
die Richtung der Diffusionsschritte ist willkürlich

DIFFUSION – FICK´SCHES GESETZ
J: Stofffluss durch Diffusion -Teilchenfluss
D: Temperaturabhängige Diffusionskonstante
∂c/ ∂x: Gradient der Konzentration senkrecht zur Fläche

DIFFUSION – FICK´SCHES GESETZ

DIFFUSIONSKONSTANTEN
Darstellung der Diffusionskonstante D für verschiedene metallische Systeme

ABHÄNGIGKEIT DER DIFFUSION VON DER DIMENSION
an Korngrenzen schreitet die Diffusion schneller voran als im Vollmaterial

Fliesseigenschaften des Kristalls
plastische Verformbarkeit der Metall ⬄ Versetzungen in bevorzugten Gleitebenen ermöglicht!
Gleitebenen und Gleitrichtungen ermöglichen das Fließen.
Gitterdeformationen (Gitterdefekte und Fremdatome) blockieren die Bewegung der Versetzungen, sie verhindern die Ausbildung von Gleitebenen
=> Mindestspannung zur Auslösung des Fliessvorganges

Metallverformung beispielhaft anhand eines Biegebalkens

Gleitebenen von Metallen

Übungen: Einfluss auf der mechansiche Eigenschaften
2 Zugstäbchen: 1 Alu (kfz) und 1 Mg (hex.)
Frage: Zugversuch (s.u.) - Ordnen den Stab nach Material.

Übungen: Einfluss auf der mech. Eigenschaften

INHALT
Legierung
Abkühlungskurve
Zustandsdiagramm
vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand
vollständige Löslichkeit im flüssigen und vollständige Unlöslichkeit im festen Zustand
vollständige Löslichkeit im flüssigen und teilweise Löslichkeit im festen Zustand
Legierungseigenschaften
Materietransport und Umwandlung im festen Zustand
Ausscheidungsbildung
Erholung und Rekristallisation

Legierungskunde – Zustandsdiagramme - Lernziel
Bestimmung des Komponentengehalts der Phasen in Zweistoffsystemen
mit Ein-, Zwei- und Dreiphasenräumen mithilfe des Hebelgesetzes und des Gesetzes der wechselnden Phasenzahl
Erkennen und Zeichnen typischer Gefüge (z. B. eutektisch, peritektisch)
Aufstellen von Mengendiagrammen
Anwendung auf das Fe-Fe3C-Diagramm

MEHRPHASIGE WERKSTOFFE - DEFINITIONEN
Komponenten: sind die verschiedenen chemischen Elemente, aus denen das System bzw. die Legierung zusammengesetzt ist.
Phasen: bezeichnen die einzelnen homogenen Bestandteile des Systems.
Gleichgewichtzustand: herrscht dann, wenn bei konstanten p, T, w, sich die Anzahl , die Art und das Mengenverhältnis der vorhandenen Phasen auch nach beliebig langer Zeit nicht ändert.

PHASENUMWANDLUNGEN – BEISPIEL EIS/WASSER/DAMPF

GRUNDLAGEN -THERMODYNAMIK
Enthalpie: Wärmeinhalt eines stofflichen Systems bei konstantem Druck.
Hs: Wärmeinhalt zum Erstarren (Schmelzen)
Hv: Wärmeinhalt zum Kondensieren (Verdampfen)

ENERGIE EINES WERKSTOFFSYSTEMS
Gesamtenergieinhalt E eines Systems
E= Epot + Ekin + Ech + Eth
Im System gespeicherten ΔE bei zugeführtem ΔH:
ΔE = ΔH - A mit ΔE = Ech + Eth
Erfolgt die Zustandsänderung eines Werkstoffs @ p = konstant, nennt man
die aus der Umgebung zugeführte Energie: Enthalpie ΔH
die im System gespeicherte Energie: freie Enthalpie ΔG
ΔG = ΔH – A
Mit A=ΔQ~T
So ist ΔG = ΔH – T . ΔS
Ein Werkstoff ist dann im thermodynamischen ΔG, wenn seine frei Enthalpie gegenüber benachbarten Zuständen minimal ist (ΔG ≤0)

Tangentenbedingung:
Die Komponente A wird so lange aus der Phase S in die Mk übergehen oder umgekehrt,
bis die auf die Änderung des
Komponentengehaltes bezogene
Änderung der freien Enthalpie gleich ist:
KONSTRUKTION EIN T-W DIAGRAMMES

BINÄRES ZUSTANDSDIAGRAMM
In metallischen Systemen werden die Verhältnisse in Abhängigkeit von Gehalt und Temperatur sogenannte
„Gehalts-Temperaturschaubilder“ oder „Zustandsschaubilder“
dargestellt.
Das Zusandsschaubild besteht aus 3 Teilen:
Reiner Stoff A (Schmelzpunkt TSA)
Reiner Stoff B (Schmelzpunkt TSB)
Bereich zwischen A und B

Reine Stoffe: A, B
Mischkristall: α, β, γ, ε
Schmelze: S
Komponentengehalt der Phasen: wΑα, WΑs
Phasengehalt: Mithilfe des Zustandsschaubildes ist es möglich, den Gleichgewichtzustand einer Legierung K1 zu definieren
Komponentengehalt
Fragen:
Welche und wie viele Phasen?
Wie groß sind die Phasengehalte?
Wie groß sind die Komponentengehalte?
KONVENTION FÜR DIE PHASENBEZEICHNUNGEN

AUFSTELLEN VON ZUSTANDSDIAGRAMMEN
Ziel: Ermitteln der Phasengrenzlinien im T-w Schaubild
Beim Abkühlen:
Haltepunkt (1): die Temperatur der Legierung
bleibt bis zur vollständigen Phasenänderung
Konstant.
Knickpunkt (2): sind typisch für Zustands-
Änderung im Bereich Schmelze/fester Bestandteile
von Legierungen.
Sie entstehen durch die bei der Erstarrung frei werdende Kristallisationswärme.

t
T
T0
TK = Kritallisationstemperatur
TU = Umgebungstemperatur
Schmelze
Kristalle
TK
TU
Abkühlungskurve – reines Metall

ABKÜHLUNGSKURVE

Wie sehen die Abkühlkurven eines reinen Materialles
Gleichgewicht
Beschleunigte Abkühlung
Stark beschleunigte Abkühlung?
Einfluss der Keimzahl auf die Korngrösse
Einfluss der Unterkühlung (=Temperaturdifferenz zwischen Ts un der vorhandenen Temperatur) auf die Anzahl n der Keime
Herstellung fein-, Grobkörniges Gefüge => Einfluss auf die Festigkeit
ABKÜHLUNGSKURVE – REINES METALL

TK = Kritallisationstemperatur
t
T
T0
TK
T
T0
TK1
TK2
t
flüssig
fest
fest + flüssig
fest
flüssig
Vergleich der Abkühlungskurven: reines Metall – Legierung

LEGIERUNG ZUSTANDSDIAGRAMM - VOLLSTÄNDIGE UNLÖSLICHKEIT IM FESTEN UND FLÜSSIGEN ZUSTAND

Fe-Schmelze
Pb-Schmelze
Fe-Kristalle
Pb-Schmelze
Fe-Kristalle
Pb-Kristalle
Zustandsschaubild – Eisen-Blei –
vollständige Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand

Fe-Schmelze
Pb-Schmelze
Fe-Kristalle
Pb-Schmelze
Fe-Kristalle
Pb-Kristalle
t
T
Abkühlungskurve – Eisen-Blei Mischung

AUFSTELLEN VON ZUSTANDSDIAGRAMMEN
Die Phasengrenzen entstehen, indem die von einer Vielzahl von Legierungen gemessen Knick und Haltepunkt in das T-w Diagramm eingetragen werden:

T
A
B
20
40
60
80%
100%A
20%B
40%B
60%B
80%B
100%B
T
Erstarrungskurven und Zustandsschaubild
vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand

α
flüssig
Liquiduslinie
Soliduslinie
Grundsystem I: vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand

Gewichtsprozent
Ni
Cu
L 40%
Beispiel Grundsystem I: Legierung Cu-Ni

Das Hebel Gesetz
Ziel: Ermittlung der Massenanteile der beiden Phasen mit Hilfe des Hebelgesetztes

Das Hebel Gesetz (2/2)
Quantitative Ermittlung der Massenanteil

GRUNDSYSTEM II: VOLLSTÄNDIGE LÖSLICHKEIT IM FLÜSSIGEN UND VOLLSTÄNDIGE UNLÖSLICHKEIT IM FESTEN ZUSTAND

Alles flüssig
Kristallite von B in L
Kristallite von A in L
L eutektisch
Eutektische Mikrostruktur
- feine, abwechselnde Schichten von A und B
Zusammensetzung
Zustandsdiagramm Grundsystem II

Zustandsdiagramm Grundsystem II

Grundsystem III: einseitig beschränkte Löslichkeit im Festenzustand
Werkstoffkunde

GRUNDSYSTEM IV: VOLLSTÄNDIGE LÖSLICHKEIT IM FLÜSSIGEN UND BEIDSEITIG BESCHRÄNKTE LÖSLICHKEIT IM FESTE ZUSTAND
Bei eutektischer Zusammensetzung und bei Te findet die folgende Reaktion statt:

GRUNDSYSTEM IV: VOLLSTÄNDIGE LÖSLICHKEIT IM FLÜSSIGEN UND BEIDSEITIG BESCHRÄNKTE LÖSLICHKEIT IM FESTE ZUSTAND

Zustandsdiagramm Grundsystem IV
18.02.2021
Werkstoffkunde

HEBELGESETZ - GRUNDSYSTEM III

GRUNDSYSTEM IV- ABKÜHLUNGSKURVE DER LEGIERUNGEN K1 UND K2 SOWIE GEFÜGE VON K1

GRUNDSYSTEM IV-PHASENREAKTION UND GEFÜGE DER ERSTARRUNG DER LEGIERUNG K2

GRUNDSYSTEM V - PERITEKTISCHE ERSTARRUNG
Wenn die Schmelztemperaturen der Komponenten sehr verschieden hoch sind, liegt meist die Temperatur des Dreiphasengleichgewichtes dazwischen. Das 3-Phasengleichgewicht wird als peritektisch bezeichnet.

GRUNDSYSTEM V – ABKÜHLUNGSKURVEN DER LEGIERUNGEN K1 UND K2

PHASENREAKTIONEN UND GEFÜGE DER LEGIERUNG K1

GRUNDSYSTEM V – ABKÜHLUNGSKURVEN DER LEGIERUNGEN K1 UND K2

PHASENREAKTIONEN UND GEFÜGE DER LEGIERUNG K2

Umwandlungen in festen Zustand
Eutektoide Reaktion
Analogie zur eutektischen Reaktionen
Statt Zerfall der Schmelze in 2 feste Phasen
S => α + β
jetzt
Zerfall einer festen Phase in 2 andere feste Phasen
γ => α + β
Peritektoide Reaktion
Analogie zur periktischen Reaktionen
Statt Übergang aus Schmelze und fester Phase in eine feste Phase
S + α => β
jetzt Übergang von 2 festen Phasen in eine andere feste γ + β => α

EUTEKTOIDE REAKTION
Werkstoffkunde
18.02.2021

PERIKTOIDE REAKTION
Werkstoffkunde
18.02.2021

ZUSTANDSDIAGRAMME CU-NI UND NIO-MGO

ZUSTANDSDIAGRAMME PB-SN UND AL2O3-ZRO2

ZUSTANDSDIAGRAMME PB-SN UND AL2O3-ZRO2

ZUSTANDSDIAGRAMME AG-PT

ÜBUNGEN

REALES ZUSTANDSDIAGRAMM: FE-FE3C
Eisen
Das Eisen ist das 26.Element im Periodensystem der Elemente
Es gehört zu den Übergangsmetallen
@p=1atm, schmilzt das Eisen bei …….°C und verdampft bei …….°C
Allotrope Formen des Eisen

METASTABILES FE-C-SYSTEM ODER STABILES : FE-FE3C SYSTEM
Fe kann mit Kohlenstoff sowohl
ein metastabiles GG (Zementit)
ein stabiles GG (Graphit) bilden
Obwohl Graphit die stabile Form ist, scheidet sich leichter Fe3C aus, da die Bildung von Zementit durch Diffusion auf viel kürzeren Wegen als bei der Graphitbildung erfolgt.

METASTABILES FE-C-SYSTEM ODER STABILES FE-FE3C SYSTEM
Im Gegensatz zum stabilen System tritt im metastabilen System der Kohlenstoff in der intermetallischen Verbindung Fe3C

Dreiphasenräume
METASTABILES FE-C-SYSTEM ODER STABILES : FE-FE3C SYSTEM

WÄRMEBEHANDLUNG DER EISENWERKSTOFFE
Eisen mit bis zu 2,06% C nennt man Stahl
Eisen mit mehr als 2,06% C wird Gusseisen genannt.