Metalle 1
Werkstoffe 2 ETHZ
Werkstoffe 2 ETHZ
Set of flashcards Details
Flashcards | 20 |
---|---|
Language | Deutsch |
Category | Chemistry |
Level | University |
Created / Updated | 24.04.2017 / 21.08.2017 |
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https://card2brain.ch/box/20170424_metalle_1
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Einkristalle - Bindung und Koordination
Primärbindungen: Ionenbingung, Atombindung (kovalente Bindung), Metallbindung
Sekundärbindungen: Van-der-Waals'sche Bindung, Wasserstoffbrücken,...
Eigenschaften:
Primärbindungen: Hohe Bindungsenergie, Abgabe oder Aufnahme von Valenzelektronen
Sekundärbindungen: Niedrige Bindungsenergie, kein Austausch von Valenzelektronen
Ionenbindung
- Beruht auf dem Bestreben der Atome, die äussere Elektronenhülle vollständig mit Elektronen zu besetzen -> Realisierung durch Elektronenaustausch
- Vorzugsweise zwischen Atomen mit fast voller und fast leerer äusserer Elektronenschale (Metalle und Nichtmetalle)
- Negativ und positiv geladene Ionen ziehen sich elektrostatisch an -> Ungerichtete BindungskräfteRadienverhältnisse der Ionen bestimmt Kristallstruktur
Atombindung (konvalente Bindung)
- Tritt hauptsächlich bei Nichtmetallen auf.
- Bildung von gemeinsamen Elektronenpaaren der Atome (Durchdringung der Orbitale) halbgefüllte Orbitale erforderlich.
- Bindungsorbitale sind hochfest und räumlich gerichtet Vorzugsrichtung für Kristallstruktur.
- Stoffe sind schwer verformbar und spröd.
- Bsp: Diamant, Silizium, keramische Werkstoffe
Metallbindung
- Metallatome sind über Metallbindungen zu Molekülen und Metallgittern geordnet .
- Metallgitter aus positiv geladenen Atomrümpfen, während die Valenzelektronen über das ganze Gitter verteilt sind.
- Kein Elektron gehört mehr zu einem bestimmten Kern, Elektronen sind frei beweglich, also nicht an bestimmte Energieniveaus (Orbitale) gebunden, sie befinden sich im „Leitungsband“ und bilden ein „Elektronengas“.
- Anziehung zwischen Elektronengas und Atomrümpfen.
- Bindung schwächer als Ionenbindung und nicht orientiert -> Bestreben zu dichten Packungen.
- Duktil durch metallische Bindung
- Fremdatome können eingelagert werden.
Einkristalle Aufbau und Struktur
Wichtige Gittertyper: Elementarzellen sind die kleinste räumliche Einheit eines Raumgitters, aus der durch wiederholtes Aneinanderreihen ein Raumgitter aufgebaut wird.
kubisch-raum-zentriert KRZ : 68% Locker gepackt, Vertreter: alpha-Fe,Na, Ka, Mo, Cr
kubisch-flächen-zentriert KFZ: 74% dichtest, gamma-Fe, Al, Cu, Pb, Au, Ag, Ni
hexagonal dichtest hdP: 74% dichtest, alpha-Ti, Zn, Mg, Co
Gleitebenen
- Gitterebenen bzw. –richtungen sind Ebenen bzw. Geraden durch Punkte eines Raumgitters. Es sind Ebenen zwischen Atomlagen mit dichtester Packung und grossem Schichtabstand.
- Zu jeder Ebene gibt es unendlich viele parallele Ebenen.
- Die Kennzeichnung der Ebenen und Richtungen erfolgt mit Hilfe der Millerschen Indizes (Ebenen (abc); Richtungen [abc]).
- Viele Vorgänge z.B. bei plastischer Verformung laufen auf ganz bestimmten Gitterebenen ab.
- Bild
Gitterlücken
Gitterlücken sind nicht von Atomen des Grundgitters gefüllter Gitterraum. Es gibt 2 unterschiedlich grosse Typen von Gitterlücken.
Fremdatome können in Gitterlücken eingelagert werden.
Oktaeder-Lücke oder Tetraeder Lücke
Gitterbaufehler
Reale kristalline Festkörper unterscheiden sich erheblich vom Idealzustand.
Störungen im Gitter können nach geometrischen Kriterien eingeteilt werden:
0-dimensional: Punktbaufehler
1-dimensional: Linienbaufehler
2-dimensional: Flächenbaufehler
3-dimensional: Raumbaufehler
Gitterstörungen beeinflussen die Stoffeigenschaften erheblich -> werden gezielt zur Beeinflussung der Eigenschaften eingesetzt.
Linienbaufehler sind z.B. Träger der plastischen Verformungen.
Punktbaufehler
- Leerstellen sind stets vorhanden und nehmen mit steigender Temperatur zu.
- Wichtig für atomater Platzwechselvorgänge -> Diffusion
- Fremdatome -> Legierungen
- Bild
Linienbaufehler
- Linienbaufehler (versetzungen) sind Träger der plastischen Verformungen
- Mechanisches Verhalten wird durch Zahl und Bewegungsfähigkeit der Versetzungen beeinflusst
- Versetzungen werden behindert durch Punkt-, Linien, Flächen- und Raumbaufehler
- z.B. Stufenversetzung oder Straubenversetzung
Polykristalle - Entstehung des Metallgefüges
- Beim Erstarren beginnen Kristalle an vielen Stellen gleichzeitig zu wachsen.
- Kristalle wachsen, bis sie aneinander stossen.
- Kristalle (Körner) sind nun unterschiedlich orientiert.
- Korngrenze = Grenzfläche zwischen Kristallen einer Phase oder unterschiedlicher Phasen.
- Hohe Abkühlgeschwindigkeit -> Feinkörniges Gefüge.
- Langsame Abkühlgeschwindigkeit -> Grobkörniges Gefüge.
- Korngrösse und Ablagerungen an Korngrenzen beeinflussen Materialverhalten.
Polykristalle - Flächenbaufehler (Korngrenzen)
- Kleinwinkel-Korngrenzen oder Kippgrenzen sind aus einer Reihe von Stufenversetzungen aufgebaut.
- Grosswinkelgrenzen (allgemeine Korngrenzen) ab alpha >5°.
- An Phasengrenzen ändern sich Kristallstruktur und Bindungsart, es gibt kohärente, teilkohärente und inkohärente Grenzflächen.
Polykristalle Raumbaufehler
Zwillingsbildung innerhalb eines Kristalls: Kristalle sind spiegelsymmetrisch angeordnet. -> verzerrungsfreie Korngrenze
Raumbaufehler: Ausscheidungen weisen Phasengranzflächen auf.
Legierungen - Wichtige Begriffe 1
- Legierung: Mischung eines Metalls mit einem oder mehreren anderen Metallen/ Nichtmetallen.
- Komponenten: Chemische Bestandteile der Legierung (A,B,C,Cu,Si,Fe).
- Konzentration: Anteilder Komponenten in Masse-%.
- Massengehalt wA einer Komponente A:
wA=ma/m=Masse der Komponente A /Gesamtmasse der Legierung.
Stoffmengengehalt oder Komponentengehalt einer Komponente A:
xA=na/n=Stoffmenge A in Mol/Gesamtstoffmenge in Mol.
- System: Gesamtheit aller Legierungen, welche die Komponenten bilden können.
- Phase: Zusammenfassung aller Bereiche eines Systems mit räumlich konstanten physikalischen und chemischen Eigenschaften (alpha,beta, gamma, Al2O3...).
- Homogen: 1 Phase; Heterogen: 2 oder mehr Phasen.
- Zustand einer Legierung: Bestimmt über Phasen, Phasengehalte, Komponentengehalte.
- Zustandsvariablen: Temperatur T, Druck p, Gehalte xA,xB.
Legierungen - Wichtige Begriffe 2
- Gleichgewicht: Eine Legierung kann sich in 3 verschiedenen Zuständen befinden: Labilem Zustand, Metastabilem Zustand, Stabilem Zustand
•Labiler Zustand -> stabilen oder metastabilen Zustand (Bsp. Unterkühltes Wasser wird schlagartig zu Eis).
•Metastabiler Zustand ist ein Ungleichgewichtszustand, die Umwandlung in einen stabilen Zustand kann länger dauern (Bsp.: Diamant (metastabil) in Graphit (stabil)).
•Stabiler Zustand ist ein Gleichgewichtszustand, der Zustand ändert sich also nicht mehr.
Legierungen metallischer Werkstoffe: Zweistoffgemische
vollständig löslich
- Erstarrungsvorgang: Homogene Schmelze aus A- und B-Atomen, (A+B)- Mischkristalle (MK), eine Kristallart mit zwei Komponenten, feste Lösung!
- Kristallstruktur: Substitutions-Mischkristall, Einlagerungs-Mischkristall
- Voraussetungen:
- Substitutions: Unterschiedlicher Atomradius <15%, gleicher Gittertyp
- Einlagerungs: Atomradius sehr unterschiedlich
- Anzahl Phasen:
- Substitutions: 1 Phase = homogen
- Einlagerungs: homogen
- Beispiele:
- Substitutions: CuNi
- Einlagerungs: C-Atome in Fe
Legierungen metallischer Werkstoffe: Zweistoffgemische
unlöslich
- Erstarrungsvorgang: Homogene Schmelze aus A- und B-Atomen, Legierung ist heterogenes Gemisch aus zwei Kristallarten
- Kristallstruktur: Kristallgemisch, Gemisch aus Mischkristallen
- Anzahl Phasen:
- Kristallgemisch: 2 Phasen = heterogen
- Gemisch aus Mischkristallen: Min. 2 Phasen
- Beispiele:
- Kristallgemisch: PbSn
- Gemisch aus Mischkristallen: AlCu
Legierungen: Zweistoffgemische mit voller Löslichkeit
- Grundlage sind Eigenschaftsmessungen beim Abkühlen von Schmelzen.
- Halte- oder Knickpunkte werden (Beginn und Ende der Erstarrung) ermittelt.
- Zustandsdiagramm stellt eine „Landkarte“ für Zweistoffsysteme dar.
- Es ist eingetragen, welcher Zustand bei gegebener Zusammensetzung und Temperatur stabil, also im Gleichgewicht ist.
- 3 Zustandsfelder:
- Schmelze=flüssig (1 Phase),
- Schmelze+Mischkristall=fest+flüssig (2 Phasen)
- Mischkristalle=fest (1Phase)
- Beispiel: Cu-Ni anschauen
Legierungen: Zweistoffgemische mit keiner Löslichkeit
- Gr. eu=gut tekt=bauen ~das gut gebaute.
- Eutektische Legierungen haben nur einen Schmelzpunkt und keinen Schmelz- und Erstarrungsbereich (Soliduslinie = Liquiduslinie).
- Beim Erstarren scheiden sich gleichzeitig alle Bestandteile in sehr feinen Kristallen ab-> gleichmässiges, feines Kristallgefüge, weist eine charakteristische lamellare Struktur auf und es treten beim Erstarren keine Entmischungen auf.
- Hat eine ganz bestimmte Zusammensetzung.
- Hat eine bestimmte Erstarrungs- bzw. Schmelztemperatur (Eutektische Temperatur), die zugleich die niedrigste der ganzen Legierungsreihe ist (Lötzinn, Schmelzsicherungen, Sprinkleranlagen).
- Folien anschauen
Legierungen: Zweistoffgemische mit begrenzter Mischbarkeit
- Vollständige und keine Löslichkeit sind Grenzfälle, teilweise Mischbarkeit, bei der Komponenten mehr oder weniger ineinander gelöst werden, die Regel. -> Kristalle der reinen Komponenten sind also nicht mehr vorhanden.
- Sind in Grundgitter der Komponente A Atome der Komponente B eingebaut, spricht man von einem alpha-Mischkristall (MK).
- ACDB=Soliduslinie; AEB=Liquiduslinie; Löslichkeitslinien B in A und A in B.
- Unterhalb der Löslichkeitslinie erfolgt bei Abkühlung Segregation an den Korngrenzen (Segregat = Ausscheidung eines festen Bestandteils aus einem anderen festen Bestandteil).
- Der Bereich, bei dem es zur Eutektikumsbildung kommt wird als Mischungslücke bezeichnet.
- Durch schnelle Abkühlung wird Segregation verhindert und es gibt übersättigte Mischkristalle mit stark verzerrtem Gitter. -> härter und spröder als homogene MK (Ausscheidungshärtung).
- Wird auch eutektisches System genannt, Bsp. Für binäre Eutektika: Ag-Si; Pb- Sn
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