WuF I

Da die Diffusion ein thermisch aktivierter Vorgang ist, lässt sich die Abhängigkeit des Diffusionskoeffizienten zu der Temperatur mit der Arrheniusfunktion beschreiben:

\(D = D0 exp(-{Q\over RT}) \)

D = Diffusionskoeffizient {m²/s] = Grösser je lockerer die Packung ist

D₀ = Frequenzfaktor = Materialkonstante sagt wie häufig  die Atome in extreme Schwingungen kommen

Q = Aktivierungsenergie [J/mol] = Grösser je stärker die Atombindungen sind

R = Gaskontante = 8.314J/(mol K)

T = Temperatur [K]

1. Wagner-Schottky-Mechanismus: Diffusion über Leerstellen: Atome gehen an die Leerstellen nebenan.

2. Frenkel-Mechanismus: Zwischengitterdiffusion in Substitutionsmischkristallen: Ein Atom geht zu einer Leerstelle, einige Stellen weiter weg.

3. Diffusion über die Zwischengitterplätze: Fremdatome, welche zwischen den Gitterplätzen hinduchgleiten.

Bei der Erstarruung werden die Eigenschaften des Materials nochmals beeinflusst. Es entsteht ein charakteristisches Gefüge (Gitterfehler nicht im thermischen GGW wie Korngrenzen, Phasengrenzen oder Versetzungsstrukturen)

In zwei Phasen geht die Struktur der Atome von einer Nahordnung in eine Fernordnung über.

Phase 1. Keimbildung

Phase 2. Wachstum

Zu beginn prallen in der Schmelze zufällig Atome aufeinander und bilden Kluster. Diese können dann mit Unterkühlung zu Keimen anwachsen. Falls nicht genug unterkühlt wird, werden die Keime nicht gross genug und sie lösen sich wieder auf.

Wenn die Keime aber den kritischen Radius erreicht haben und gross genug sind geben sie Energie frei, somit sind sie stabil und lösen sich nicht mehr auf. Vor diesem Zeitpunkt kosten sie dem System noch Energie und sind ungünstig.

Dies entsteh bei grosser Unterkühlung. Je grösser der Temperaturunterschied, desto kleiner ist der kritische Radius und desto mehr Keimbildung gibt es.

In der Realität findet Keimbildung oft an Verunreinigungen oder an Behälterwänden statt, da dort schon ein Oberfläche vorhanden ist, und keine Oberflächenerergie mehr aufgewendet werden muss.

Wenn absichtlich Fremdpartikel in die Schmelze eingefügt werden, sodass sich mehr Keime bilden. Viele Keime bedeuten feines Korn, da jeder Keim ein Ausgangspunkt für eine Fernodnung ist.

Der Wachstumsvorgang hängt vom Abtransport der freigesetzten Wärme ab. 

Bereiche die sich umwandeln, setzen Energie frei und verlangsamen so den Errstarrungsporzess. 

Man unterscheidet zwischen planarem und dendritischem Wachstum.

Ein seigerungsfreier Idealfall. Die Erstarrungsfront verschiebt sich planar. Wenn sie sich anheben würde, gänge sie in die Richtung der wärmeren Temperatur und die Erstarrung käme zum Erliegen. 

Die Schmelze wird unterkühlt, bevor die Erstarrung einsetzt. Die unterkühlte Schmelze ist somit vor der Erstarrung, schon unter der Erstarrungstemperatur. Die Erhebungen an der Grenzfläche gehen somit in den unterkühlten Bereich hinein und können dort schneller wachsen, bevor sie Erstarren. Das schnellere Wachstum führt zu der Bildung der Dendritten.

Feinkristalline: Erste Erstarrungsphase (Berührung der Wand), schnelle Abkühlung, viele Keime, feine Struktur, gute mechanische Eigenschaften.

Stengelkristallite:Grosse Abkühlgeschwindigkeit, Wärmeabfuhr nur in eine Richtung --> stark gestreckten und gerichteten Körnern. Anlagerung an den Feinkristallinen.

Grobkristallite:Kleine Abkühlgeschwindigkeit, kein Einfluss auf die Erstarrungsrichtung.

Bis jetzt wurde vorausgesetzt, dass zuerst ein Konzentrationsausgleich geschieht, bevor die Erstarrung eintrifft. Dies würde zu einem homogenen Gefüge führen.

Normalerweise, gibt es jedoch bei der Erstarrung noch Konzentrationsunterschiede, sodass ein inhomogenes Gefühe entsteht.

Wenn die Diffusionsgeschwindigkeit kleiner ist als die Erstarrungsgeschwindigkeit (normalfall), also wenn der Kristall zuerst erstarrt bevor der Konzentrationsunterschied ausgeglichen wurde, dann tritt die Kristallsegierung auf. Das zuerst erstrarrte Material hat also eine andere Zusammensetzung als das zuletzt Erstarrte.

Die Segierung von Mischkristallen ist umso grösser, wenn:

- je grösser die Abkühlgeschwindigkeit.

- je kleiner die Diffusionsgeschwindigkeit.

- je breiter das Erstarrungsintervall ist.

Um dieses Problem zu umgehen, kann ein Homogenisierungsglühen gemacht werden, oder einfach sehr langsam abkühlen.

Da im Seigerungsfall kein Konzentrationsausgleich stattfinden kann, bleibt die Schmelze länger erhalten und verschiebt die Erstarrung nach unten, sodass sich die Konzentrationen zuerst ausgleichen können. Die Soliduslinie verschiebt sich also nach unten, da der Konzentrationsausgleich Energie frei gibt und somit die Erstarrungstemperatur senkt. 

Nun wird der gesamte Block angeschaut. Da die Schmelze immer in Bewegung ist, gehen die Verunreinigungen in die letzten flüssigen Zonen der Schmelze. Dies führt zu einem Konzentrationsunterschied für das ganze Gusstück. Das ist schlecht und wird durch das Kochen noch verstärkt.

Kochen: Der Sauerstoff, der noch in der Schmelze gebunden war, ist auch noch in den letzten flüssigen Zonen und verbrennt zu CO₂ bei der Erstarrung und steigt in Form von Blasen auf. Dies ist schlecht, weil es dann beginnt zu kochen. Durch die Zugabe von Desoxidationsmitteln, kann der Sauerstoff gebunden und neutralisiert werden bevor er zu CO₂ verbrennt.Dies wird Beruhigung genannt.

e = dl/l

MPa

Wenn das Material zuerst elastisch, dann plastisch auseinandergezogen wird. Mit ReH und ReL

Hook: o = E*e

Ludwikgleichung: Ohne ausgeprägter Steckgrenze: o = Rp0.2 + C * epl^n

Ludwikgleichung: o = ReL + C * (epl -AL)^n

Rm

Rp0.2

ReH und ReL

e-el und e-pl

Al

Ag

Ar

Ae