Metalle 1

• 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 

• 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 

• 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. 

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

• 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 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

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.

• Leerstellen sind stets vorhanden und nehmen mit steigender Temperatur zu.
• Wichtig für atomater Platzwechselvorgänge -> Diffusion
• Fremdatome -> Legierungen
• Bild

• 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

• 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. 

• 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. 

Zwillingsbildung innerhalb eines Kristalls: Kristalle sind spiegelsymmetrisch angeordnet. -> verzerrungsfreie Korngrenze 

Raumbaufehler: Ausscheidungen weisen Phasengranzflächen auf.

• 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. 

• 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. 

• 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

• 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

• 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

• 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

• 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