Materialien und Werkstoffe

Austenit-Stabilisator im Stahl (→ nicht-magnetischer Stahl)

Erhöht Korrosionsbeständigkeit von rostfreiem Stahl

Gute chemische und thermische Beständigkeit

Anwendungen im Anlagenbau und für Hochtemperaturlegierungen

Hohe Dichte.

Anwendungen im Strahlenschutz.

Giftig!

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

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

Ni-Ti Legierung mit ca. 50% Ni und 50 % Ti

Formgedächtnislegierung

Einwegeffekt

Zweiwegeffekt

Superelastizität

Deformation (<8%) bei T < Mf

Erwärmen auf T > Af → Werkstück nimmt ursprüngliche Form ein

Abkühlen bis T < Mf → Werkstück behält ursprüngliche Form

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.

Werkstück in (neue) Form bringen

Werkstück in (neuer) Form fixieren

Werkstück auf T > Af erwärmen / abkühlen lassen

Es sind reversible Dehnungen von bis zu 10% möglich (20 x mehr als Stahl)

Basiert auf Phasenumwandlung (nicht zwischenatomaren Kräften)

Ist nicht-linear

Weist eine Hysterese auf

Werkstoff liegt zwischen MD und Af vor und MD > Af → metastabile

austenitische Phase

Belastung / induzierte Spannung → Übergang in martensitische Phase (mit

Vorzugsrichtung)

→ Material verformt sich (Dehnung)

Entlastung → Übergang in austenitische Phase (Ursprungsform)

• Pulver (Zusammensetzung & Morphologie)

• Formgebung (→ Beeinflusst die Dichte, etc.)

• Sintern (Temperatur, Zeit, Atmosphäre)

• Pressen

+ günstig (Massenartikel), genau

- teures Werkzeug, keine komplexen Formen)

• Isostatisch pressen

+ gleichmässige Verdichtung, günstige Formen

- teurer Prozess, keine komplexen Formen (entformen !)

• Schlickerguss

+ grosse, komplexe Teile möglich

- langsam, kaum Verdichtung

• Spritzguss

+ günstig (Massenartikel), genau

- sehr teures Werkzeug, nur kleine Teile (70g)

• Herstellung der Masse

Mischen des keramischen Pulvers mit Hilfsstoffen (Plastifizierern, Bindern, etc.),

Feuchtigkeit, etc.

• Formgebung

Masse wird in Form gebracht/verdichtet → Grünling

• Brandvorbereitung

Grünbearbeitung, Trocknen, Vorbrand, Weissbearbeitung

• Sintern

Brennen im Ofen → Verdichtung

• Endbearbeitung

(Mechanische) Bearbeitung des gebrannten Werkstückes (hart !)

• Qualitätsprüfung

• Grünbearbeitung Mechanische Bearbeitung des Grünlings (mit Formgebungshilfen, etc.)

+ Einfache Bearbeitung, da noch nicht hart

– Schwund muss eingeplant werden

• Weissbearbeitung Mechanische Bearbeitung Weisskörpers (Grünling nach nach dem

Vorbrand)

+ Einfache Bearbeitung, da noch nicht hart

– Kaum mechanische Festigkeit, Schwund

• Hartbearbeitung Mechanische Bearbeitung nach dem Brand

+ Endgültige Form (kein Schwund)

– Sehr hart (Spezialwerkzeuge)

• Abrasiv & chemisch beanspruchte Teile (Spraydüsen)

• Mechanisch/tribologisch beanspruchte Teile (Fadenführungen, Kugellager)

• Thermisch beanspruchte Teile (Metallurgie)

• Thermisch & chemisch beanspruchte Teile (Motoren-/Turbinen-Komponenten)

• Elektrische Isolatoren

• Al2O3 Verschleissanwendungen (Hüft-, Kniegelenke)

• CaP / HAK Knochenersatzmaterialien

Keine Möglichkeiten zur plastischen Verformung, da gerichtete Bindungen (ionisch, kovalent)

→ Bindungen können nicht einfach gelöst und gebildet werden → keine Möglichkeit für

Versetzungen, sich durch den Kristall zu bewegen.

• Maximale Verdichtung durch HIPen (→ keine Lunker); HIP = hot isostatic pressing

• Unterschiedliche Kornformen → Flache Plättchen behindern Rissfortschritt

• Verfestigung durch Phasenübergang (Transformation toughening)

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.

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

kfz A-B-C

hdp A-B-A

A-B-C-B-A

Eisenwerkstoffe

Sie machen auch heute noch 90% der industriell verwerteten Metalle aus

Aluminium benötigt ca. 10x mehr Energie

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)

• 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

Zuschlagstoffe (wie z.B. Kies und Kalk) verringern die Schmelztemperatur der

Erze.

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.

• 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

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.

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.

Stahl: Fe-C Legierung mit max. 2.06% C

2.06% C = maximale Löslichkeit von C in Fe in der γ-Phase (Austenit).

Korn Ein ‘abgeschlossener’ Kristall (Einkristall)

Gefüge Gesamtheit aller Körner in einem Metall

Phase Gesamtheit aller Körner, die kristallgraphisch und chemisch identisch sind

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

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.

Für die plastische Verformung sind 1-dimensionale Gitterfehler, sogenannte Versetzungen,

zuständig.

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.