Materialien und Werkstoffe
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Lernkarten
Nennen Sie die wichtigsten 4 Bindungsarten in einem Festkörper und ordnen Sie
diese gemäss der Bindungsenergie.
• Ionische Bindung • Kovalente Bindung • Metallische Bindung • Van-der-Waals Bindung
Wieso sind Metalle elektrisch leitend?
Metalle verfügen über gemeinsame Valenzelektronen aller beteiligter Atome
(Elektronengas); es handelt sich dabei um eine ungerichtete Bindung zwischen
dem Elektronengas und den positiv geladenen Atomrümpfen. Wird nun ein
externer Strom angelegt, können die frei beweglichen Elktronen sich in einer
Richtung bewegen.
Weisen Sie die korrekten Bezeichnungen zu
x,y,z Kristallographische Punkte
[u,v,w] Kristallographische Richtungen
<uvw> Gesamtheit aller Kristallrichtungen desselben Typs
(hkl) Kristallflächen / Ebenen im Kristallgitter
{hkl} Kristallformen, d. h. die Menge aller symmetrisch äquivalenten Flächen
Welches ist die Stapelfolge in kubisch flächenzentrierten Kristallen, welche in
hexagonal dichtest gepackten?
kfz A-B-C
hdp A-B-A
Nennen Sie eine typische Stapelfolge in einem Zwillingsdefekt
A-B-C-B-A
Welche Art von Metall dominiert auch heute noch den Produktionssektor?
Eisenwerkstoffe
Sie machen auch heute noch 90% der industriell verwerteten Metalle aus
Wie Verhält sich der Energieverbrauch bei der Produktion von Eisen/Stahl zu
Aluminium?
Aluminium benötigt ca. 10x mehr Energie
Wodurch unterscheiden sich Elektronenpaar- und metallische Bindung
Elektronenpaarbindung
Benachbarte Atome bilden aus Valenzelektronen gemeinsame Elektronenpaare.
Die Elektronen sind zwischen den Atomen lokalisiert.
Die Bindungsenergie ist gross (500 - 1300 kJ/mol)
Metallische Bindung
Sämtliche Metalle geben ihre Valenzelektronen in eine frei bewegliche
Elektronenwolke (Elektronengas) ab.
Die Elektronen sind vollständig delokalisiert.
Die Bindungsenergie ist nicht gross (100 - 800 kJ/mol)
Wie heisst der Prozess, bei dem aus Erz Roheisen entsteht und was passiert
dabei, welche ‘Zutaten’ werden benötigt und warum?
• Hochofenprozess
• Redox-Reaktion:
Erz (Eisenoxid, FexOy) wird zu Eisen reduziert
Kohle (Koks) wird zu CO und CO2 oxidiert
• Zutaten
Eisenerz → wird reduziert
Koks/Kohle → wird oxidiert
Heisse Luft → O2 oxidiert C zu CO, CO reduziert FexOy zu Fe
Liefert Bildungsenthalpie ΔGMxOy
Wieso werden beim Hochofenprozess Zusatzstoffe mit hinzugegeben, worum
handelt es sich dabei und wie werden diese genannt?
Zuschlagstoffe (wie z.B. Kies und Kalk) verringern die Schmelztemperatur der
Erze.
Was passiert bei der Umwandlung von Roheisen zu Stahl und wie heisst dieser
Prozess?
Beim Frischen wird in das flüssige Roheisen reiner Sauerstoffeingeblasen; dieser
oxidiert die Eisenbegleitelemente (C, Si, Ca, S, etc.) so dass diese entweder als
Gase entweichen oder als Schlacke auf der Schmelze aufschwimmen.
Da der Prozess exotherm ist, erwärmt sich die Schmelze zunehmend und
erstarrt deshalb nicht. Um die Temperatur zu regulieren wird der Schmelze
fester Stahlschrott zugegeben.
Was sind grundlegende Unterschiede zwischen dem Hochofenprozess und dem
Frischen?
• Hochofen
Kontinuierlich
Feste Reaktionspartner, flüssiges Produkt
Unter Einblasen von (heisser) Luft
Endotherm
• Frischen
Batch-Prozess
Flüssige und gasförmige Reaktionspartner, flüssiges Produkt
Unter Einblasen von reinem Sauerstoff
Exotherm
Ordnen Sie die folgenden Kristallgitter gemäss Ihrer Verformbarkeit
und begründen Sie: krz, kfz, hdp?
kfz > krz > hdp
Zuständig für die plastische Verformung sind die Gleitsysteme (GS); je mehr Gleitsysteme ein
Kristallgitter aufweist, desto leichter lässt es sich verformen (da am ehesten ein GS parallel zu
Fragerichtung ist). Kfz hat mehr GS als krz, hdp hat die wenigsten GS.
Was passiert bei der Umwandlung von Roheisen zu Stahl und wie heisst
dieser Prozess?
Prozess: Frischen
Begleitelement werden (durch Zugabe von reinem Sauerstoff in das flüssige Roheisen) in einem
Oxidationsprozess in Oxide überführt (und entweichen als Gase oder schwimmen als Schlacke
auf dem Rohstahl auf.
Wie ist Stahl definiert (und weshalb)?
Stahl: Fe-C Legierung mit max. 2.06% C
2.06% C = maximale Löslichkeit von C in Fe in der γ-Phase (Austenit).
Was ist bei Metallen ein Korn, das Gefüge und was eine Phase?
Korn Ein ‘abgeschlossener’ Kristall (Einkristall)
Gefüge Gesamtheit aller Körner in einem Metall
Phase Gesamtheit aller Körner, die kristallgraphisch und chemisch identisch sind
Wie funktioniert das Umwandlungshärten von Stahl?
Werkstück erwärmen α-Fe (Ferrit)und Fe3C wird zu γ-Fe (Austenit)
→ aller C gelöst in Fe
Abschrecken von C-reichem Austenit
C kann nicht mehr aus Gitter diffundieren (und Zementit bilden) → Gitter verspannt sich
Gitter ‘klappt um’ zu tetragonal verzerrtem Gitter (Martensit)
→ je schneller abgekühlt wird, desto mehr Martensit wird geformt
Was muss nach dem Härten gemacht werden und weshalb?
Nach dem Härten weist das Werkstück grosse innere Spannungen auf (aufgrund der Volumen-
Unterschiede der verschiedenen Phasen); ds Werkstück ist äusserst spröde und neigt zur
Rissbildung.
Um das Werkstück zu entspannen, wird es auf ca. 200°C – 400°C erwärmt. Dieser Prozess
heisst Anlassen und erlaubt dem C bis zu einem gewissen Grad aus dem Gitter zu diffundieren
und auszufällen.
Welche Gitterfehler (0-, 1- oder 2- oder gar 3-dimensional) sind für
plastische Verformungen zuständig?
Für die plastische Verformung sind 1-dimensionale Gitterfehler, sogenannte Versetzungen,
zuständig.
Wie wirken sich 0-, 2- und 3-dimensionale Defekte auf die plastische
Verformungen aus?
Diese wirken der plastischen Verformung entgegen, indem sie die Versetzungen blockieren,
sodass diese sich weniger gut bewegen können.
Insbesondere 2-dimensionale Defekte (Korngrenzen) bewirken eine Blockierung von
Versetzungen und einen Versetzungsstau.
Was ist der Unterschied zwischen Eutektikum und Eutektoid?
Eutektikum Phasenübergang flüssig → fest
Eutektoid Phasenübergang fest → fest (2 fein verteilte Tieftemperaturphasen aus einer
Hochtemperaturphase)
Was ist Ferrit, was Austenit; wie unterscheiden sich die beiden?
Ferrit α-Phase im Fe-C Diagramm bei rel. tiefen Temperaturen mit bcc-Struktur und
geringer Löslichkeit für C
Austenit γ-Phase im Fe-C Diagramm bei hohen Temperaturen mit fcc-Struktur und hoher
Löslichkeit für C Gefüge
Was muss nach dem Härten gemacht werden und weshalb?
Nach dem Härten weist das Werkstück grosse innere Spannungen auf (aufgrund der Volumen-
Unterschiede der verschiedenen Phasen); ds Werkstück ist äusserst spröde und neigt zur
Rissbildung.
Um das Werkstück zu entspannen, wird es auf ca. 200°C – 400°C erwärmt. Dieser Prozess
heisst Anlassen und erlaubt dem C bis zu einem gewissen Grad aus dem Gitter zu diffundieren
und auszufällen
Was versteht man unter (Kalt-)Verfestigung und was geschieht dabei auf
kristalliner Ebene?
Die Erfahrung zeigt, dass sich die Metalle bei wiederholter plastischer Verformung verfestigen (ihre
mechanische Festigkeit, resp. die Elastizitätsgrenze steigt an). Kaltverfestigung hat keinen Einfluss auf
das E-Modul oder die Zugfestigkeit; angehoben wird lediglich die Elastizitätsgrenze (dies auf Kosten
der Verformbarkeit).
Die Bewegung von Versetzungen wird durch Hindernisse ver- oder behindert. Hindernisse sind z.B.
Korngrenzen; diese bewirken durch ihre abstossende Kraft einen Versetzungsaufstau.
Andere Hindernisse sind z. B. Einschlüsse im Gefüge und Versetzungslinien, die sich nicht bewegen
können oder die beweglichen Versetzungen kreuzen, sog. Waldversetzungen (Bild: bewegliche
Versetzung als Stange, die quer durch einen Wald transportiert werden soll und dabei durch die
Bäume blockiert wird).
Die gegenseitige Beeinflussung der Versetzungen erfordert eine stetige Erhöhung der Spannungen zu
ihrer Bewegung und Erzeugung. ︎Der Widerstand gegen die plastische Verformung steigt, das Metall
verfestigt sich.
Was heisst das Eutektoid im Fe-C Phasendiagramm, wodurch zeichnet es sich aus?
Perlit
Feinlamelare Verteilung von α-Ferrit und Zementit (Fe3C) mit sehr guten
mechanischen Eigenschaften.
Zusammensetzung: 0.6% C
Was ist eine ‘Phase’? Nennen Sie Beispiele für 1- und 2-phasige ‘Strukturen’
• Bereich mit identischem Aggregatszustand (flüssig, fest, etc.)
• Bereich mit identischer chemische Zusammensetzung
• Bereich mit identischer (Kristall-)Struktur
• Beispiele für 1 Phase
Flüssige Phase aus 2 oder mehr Metallen (bei Mischbarkeit)
Mischkristall
• Beispiele für 2 Phasen
Gemischter Kristall (2 Kristallarten)
Erstarrungsbereich (flüssige und feste Phase)
Was ist eine Mischkristall, was ein gemischter Kristall/Kristallgemisch?
Mischkristall: Kristall aus mehreren Atom-/Molekül-/Ionenarten
Gemischter Kristall: Struktur aus 2 oder mehr Kristallarten.
Was ist der Unterschied zwischen einer Phase und einem ‘Korn’?
Korn: 1 Kristall(it) in einem (metallischen) Gefüge.
1 Korn enthält eine Phase (Misch-/Kristall) aber 1 Phase kann aus vielen Körnern
bestehen,
Wodurch zeichnet sich Kupfer aus, was ist sein Hauptanwendungsgebiet?
Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit.
Anwendungen in der Elektrotechnik & Elektronik
Wodurch zeichnet sich Nickel aus, was ist sein Hauptanwendungsgebiet?
Austenit-Stabilisator im Stahl (→ nicht-magnetischer Stahl)
Erhöht Korrosionsbeständigkeit von rostfreiem Stahl
Gute chemische und thermische Beständigkeit
Anwendungen im Anlagenbau und für Hochtemperaturlegierungen
Wodurch zeichnet sich Blei aus, was ist sein Hauptanwendungsgebiet?
Hohe Dichte.
Anwendungen im Strahlenschutz.
Giftig!
Was ist ‘Trabecular Metal’ und wie wird es hergestellt?
Schaumartiges Tantal mit Porengrösse ~ Trabekel (~100 - 500 'm)
Herstellung:
Herstellung von ‘vitrified carbon’ Rohlingen aus PU-Schaum
Platzierung von Rohlingen im Reaktor
Im Reaktor bei ~1000°C mittels CVD:
CCl4 löst Ta und scheidet es auf ‘vitrified carbon’ Rohlingen ab
Wodurch zeichnen sich metallische Gläser aus? Wie werden diese hergestellt?
Keine Kristalline Ordnung!
Gute Korrosionsbeständigkeit (keine Fehler im Passivfilm an Korngrenzen)
Gute mechanische Eigenschaften.
Herstellung:
SEHR schnelle Abkühlung (> 106 K/s) durch spritzen des flüssigen Metalls auf
schnell rotierende, gekühlte Kupferscheibe
Was ist Nitinol, wodurch zeichnet es sich aus?
Ni-Ti Legierung mit ca. 50% Ni und 50 % Ti
Formgedächtnislegierung
Welche 3 Effekte werden beim Nitinol typischerweise unterschieden?
Einwegeffekt
Zweiwegeffekt
Superelastizität
Beschreiben Sie den Einwegeffekt?
Deformation (<8%) bei T < Mf
Erwärmen auf T > Af → Werkstück nimmt ursprüngliche Form ein
Abkühlen bis T < Mf → Werkstück behält ursprüngliche Form
Was geschieht beim Einwegeffekt auf kristalliner Ebene?
Deformation unterhalb Mf → Keine echte plastische Deformation
Deformation durch Variantenkoaleszenz (günstige Martensit-Orientierungen
wachsen entlang der Zwillingsgrenzen)
Deformation ohne Versetzungen / Kein Atom wechselt seinen Platz
Beim Erwärmen über Af wird Martensit zu Austenit (ohne Vorzugsrichtung)
Ursprüngliche Form wird wiederhergestellt.
Wie wird die Form beim Einwegeffekt festgelegt?
Werkstück in (neue) Form bringen
Werkstück in (neuer) Form fixieren
Werkstück auf T > Af erwärmen / abkühlen lassen
Beschreiben Sie die Superelastizität (im Gegensatz z.B. zu Stahl)?
Es sind reversible Dehnungen von bis zu 10% möglich (20 x mehr als Stahl)
Wie unterscheidet sich die Superelastizität von Nitinol von ‘echter’ Elastizität?
Basiert auf Phasenumwandlung (nicht zwischenatomaren Kräften)
Ist nicht-linear
Weist eine Hysterese auf
