Werkstofftechnik 2
Uni Siegen
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Fichier Détails
| Cartes-fiches | 105 |
|---|---|
| Langue | Deutsch |
| Catégorie | Technique |
| Niveau | Université |
| Crée / Actualisé | 21.06.2014 / 31.07.2014 |
| Lien de web |
https://card2brain.ch/box/werkstofftechnik_22
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| Intégrer |
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Wie lautet das erste Fick'sche Gesetz? (Diffusion)
j=-D*gradc
j: Flussdichte (Zahl der Atome/Fläche*Zeit) [1/m²s]
D: Diffusionskoeffizient [m²/s]
c: Konzentration (Zahl der Atome/Volumen)
gradc: Gradient der Konzentration
für den eindimensionalen Fall gilt: j=-D*dc/dx
Die Diffusion erfolgt in Richtung des Konzentrationsgefälles und ist proportional zur Steilheit des Gefälles
Wie lautet das zweite Fick'sche Gesetz?
dc/dt=-divj
t: Zeit [s]
divj: dj/dx+dj/dy+dj/dz [1/m³s]
für den eindimensionalen Fall gilt: dc/dt=D*d²c/dx²
Die Krümmung des Konzentrationsprofils bestimmt, wie sich die Konzentration an der betrachteten Stelle ändert.
Welche Diffusionsmechanismen im Festkörper gibt es? Welche von diesen treten am häufigsten auf? Welche Atome diffundieren häufig? bei welchem Mechanismus?
1. direkter Platzwechsel
2. Leerstellenmechanismus
3. Zwischengittermechanismus
1. ist eher unwahrscheinlich, da in kristallinen Festkörpern meist eine ausreichende Fehlstellendichte vorliegt um Mechanismen 2.&3. zu ermöglichen.
Diffusion im Zwischengitter ist insbesondere für interstitiell gelöste Atome mit geringer Größe ( C,H,N,O,...) von Bedeutung
Wo kann Diffusion überall stattfinden?
Oberflächendiffusion
Volumendiffusion
Korngrenzendiffusion
Versetzungsliniendiffusion
...
Was muss vorliegen, damit Keime wachstumsfähig sind?
Unterkühlung
Woraus besteht die Kristallisation?
Keimbildung + Wachstum
Was ist die Treibkraft der Kristallisation?
Erniedrigung der Energie
Welche beiden Energievorgänge treten bei der Keimbildungsreaktion auf?
a.) Energiegewinn durch Phasenumwandlung
b.) Energieaufwand durch Bildung von Grenzfläche
Wie berechnet sich der Energiegewinn für die Keimbildungsreaktion?
ΔGv=(4/3)πr³Δgv
ΔGv: die Abnahme an Gibbscher freier Enthalpie
(4/3)πr³: Volumen des Keims
Δgv: Wert/Volumeneinheit ??
Näherung: Δgv=α(T-Tu) ►Proportionalitätskonstante
Wie berechnet sich der Energieaufwand bei der Keimbildungsreaktion?
ΔGs=4πr²γ
Es wird eine neue Grenzfläche (Phasengrenze) gebildet. Pro Flächeneinheit ist dazu der Energieaufwand γ (Grenzflächenenergie) erforderlich.
Was erkennt man aus dem Verlauf der Gesamtenergie von Energiegewinn und Energieaufwand bei der Keimbildungsreaktion?
1. für kleine Keime eine Wiederauflösung erfolgt, da diese mit einer Energiesenkung verbunden ist.
2. eine kritische Keimgröße überwunden werden muss damit ein weiteres Wachstum der Keime unter Energiegewinn erfolgt
Wie berechnet sich der kritische Radius?
ΔG=ΔGv+ΔGs=(4/3)πr³Δgv+4πr²γ
Ableiten nach r -> für r=r* gleich Null setzen
nach r* umstellen
r*=-2γ/Δgv
Welche Folgerungen lassen sich aus der Berechnung des kritischen Radius schließen?
- Der kritische Radius ist um so größer, je größer die Grenzflächenenergie ist
- Der kritische Radius ist um so kleiner, je größer die Unterkühlung ist (d.h. je niedriger T ist)
Wie berechnet sich die kritische Keimbildungsenergie?
Einsetzen des kritschen Radius in ΔG ergibt:
ΔG*=16πγ³/3Δgv²
Welche Folgerungen lassen sich aus der Berechnung der kritischen Keimbildungsenergie schließen?
Es werden umso mehr Keime pro Zeiteinheit gebildet, je größer die Unterkühlung ist und um so kleiner die Grenzflächenenergie ist.
Außerdem wird mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit, das entstehende Gefüge feiner.
Welche Arten von Keimbildungen gibt es?
Homogen und Heterogen
Wieso kommt es in vielen Fällen zu einer heterogenen Keimbildung?
Wenn die Keimbildung an einer Ober- oder Grenzfläche zu einem Festkörper erfolgt, kann dadurch häufig Grenzflächenenergie eingespart werden, sodass die Energiebilanz günstiger ist.
Wieso kommt es bei Zufuhr von Fremdkeimen idR zu einem feineren Gefüge?
Durch die Einbringung von Fremdkeimen wird Grenzflächenergie eingespart, sodass die kritische Keimgröße verringert wird.
Wieso kann es bei der heterogenen Keimbildung an der Wand einer Kokille zu Lunkern und Gussporen führen?
Die Ursache dafür ist die Bewegung der Erstarrungsfront vom Rand weg zur MItte und die mit der Erstarrung oft verbunden Volumenreduktion.
Was kann man gegen die Gussporen- und Lunkerentstehung bei der heterogenen Keimbildungen tun?
Langsame Erstarrung und Nachlieferung der Schmelze
Nachverdichten bei anschließender Umformung (z.B. Schmieden)
Was passiert bei der Blockseigerung?
Durch eine Erstarrung von den Gefäßwänden her und einen ungenügenden Konzentrationsausgleich innerhalb des erstarrten Bereiches ergibt sich eine Konzentrationsan- oder abreicherung vom Rand zur Mitte hin
Was ist die Kornseigerung?
Bei homogener Keimbildung liegt im Keim (spätere Kornmitte) eine gegenüber dem Kornrandbereich geänderte Konzentration vor.
Wie kann man den Umverteilungseffekt (Seigerung) technisch nutzen?
Bei einem Halbleiter kann man durch eine lokale Aufheizung eine Zonenreinigung vornehmen.
Durch häufiges Wiederholen des Vorganges erzielt man eine hohe Reinheit im Anfangsbereich des Stabes, während sich die Verunreinigungen am Ende des Stabes sammeln.
WIe charakterisieren sich eutektische Systeme?
Eutektische Systeme erstarren ohne Seigerung bei einer Temperatur.
Wie sieht der Zerfall der Schmelze gleichzeitig in zwei feste Phasen aus?
Die beiden Phasen bilden sich benachbart. Die Lamellenpakete wachsen meist ausgehend von den Gefäßwänden in die Schmelze hinein. Auch hier gilt, der Lamellenabstand um so kleiner ist, je größer die Unterkühlung (bzw. die Abkühlgeschwindigkeit) ist.
Was für Umwandlungen können im Festkörper auftreten?
- Umwandlung der Kristallart (alpha → beta)
- Neubildung von beta aus der übersättigten alpha-Phase, welche duadurch in die Gleichgewichtskonzentration übergeht: Ausscheidung
- alpha→beta+gamma eutektoide Reaktion
Was für Voraussetzungen hat der Vorgang der Aushärtung?
- begrenzte Löslichkeit eines Legierungselementes im festen Zustand
- Löslichkeit nimmt mit abnehmender Temperatur ab
- träges Umwandlungsverhalten, so dass bei Abschrecken der übersättigte Zustand erhalten bleibt
Wie lautet die Vorgehensweise beim Aushärten?
1. Homogenisieren
2. Abschrecken
3. Erwärmen
4. Abkühlen
Worin besteht die Gegenläufigkeit von Kinetik und Thermodynamik bei dem Abkühlen?
Thermodynamik: Mit zunehmender Unterkühlung steigt die Triebkraft der Umwandlung, sprich die Keimbildungsrate nimmt zu und die Diffusionswege werden kleiner
Kinetik: Die Umwandlung erfolgt diffusionkontrolliert. Der Difusionkoeffizient steigt stark an mit steigender Temperatur
Wozu führt die Gegenläufigkeit von Kinetik und Thermodynamik in den ZTU-Schaubildern?
Führt zu "nasenförmigen" Kurven für diffusionskontrollierte Umwandlungen in den technische sehr wichtigen ZTU-Diagrammen
Wie werden die Achsen beim ZTU-Schaubild aufgetragen?
Ordinate: Temperatur
Abszisse: logarithmische Zeitachse
Welche zwei Formen von ZTU-Diagrammen gibt es?
isotherm
kontinuierlich
WIe charakterisiert sich die martensitische Umwandlung?
Sie ist diffusionslos, das heißt dass sie sehr schnell ablaufen kann.
Das heißt sie kann zum beispiel durch einen diffusionslosen Umklappvorgang entstehen.
Was ist die Martensithärtung?
Ein kombinierter Effekt aus Mischkristallhärtung (C), Verformungshärtung und Feinkornhärtung.
Was strebt die Natur bezüglich der Grenzflächen an?
Da alle Grenzflächen mit einer Grenzflächenenergie verbunden sind, ist der grenzflächenbehaftete Zustand energetisch immer ungünstiger als der grenzflächefreie. Die Natur strebt deshalb immer eine Reduzierung der Grenzfläche an.
Dies liefert die Triebkraft für viele technisch wichtige Vorgänge
Was versteht man unter dem Sintern?
Sintern ist ein ein Fertigungsverfahren, bei dem aus einem porösen ein dichter Festkörper besteht.
Was sind die zwei Stufen des Sintern?
1. Vorpressen
2. Verdichten
Inwiefern findet sich beim Sintern das Bestreben des Systems Oberfläche zu vermindern wieder?
Beim Vorpressen kommt es zur Halsbildung, zur Abrunden der Zwischenräume und zur Bildung kugelförmiger Poren. Die Porosität bleibt jedoch erhalten
Im zweiten Schritt, dem Verdichten, kommt es zur Schrumpfung des Sinterkörpers durch Abbau der Porosität.
Wie findet sich die Grenzflächenreduzierung beim Kornwachstum wieder?
Im ersten Schritt ziehen sich die Korngrenzen gerade, so dass an Korngrenzentripelpunkten bevorzugt 120°-Winkel im Schliffbild zu beobachten sind.
Im zweiten SChritt erfolgt eine Kornvergröberung, sprich kleinere Körner verschwinden, während die anderen wachsen.
WIe lautet das Zeitgesetz beim Kornwachstum?
rK²-r0²=kt
rK: Mittelwert der Korngröße
r0: Anfangswert der Korngröße
k: temperaturabhängige Konstante
t: Zeit
