3. Struktur des Festkörpers Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 3.1 Kristalline und amorphe Strukturen Amorphe Struktur - Atombindung ist gerichtet - unregelmäßige Anordnung der Atome - keinen exakten Schmelzpunkt, sondern langsames Erweichen, - keine Fernordnung (>1000 Atomabstände) - Gläser, Kunststoffe, 22 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau Kristalline Struktur - Metallbindung und Ionenbindung sind ungerichtet - regelmäßige Atomanordnung über >1000 Atomabstände (Fernordnung) - exakter Schmelzpunkt - sich wiederholende Elementarzelle Gitterkonstante ~ Atomdurchmesser ~ 10-10 m HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 23 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 3.2 Idealer Kristall - hat keine Fehler oder Störungen (Wärmeschwingungen, Oberflächen) - kommt nicht vor - 3-dimensionale periodische Wiederholung seiner Elementarzelle (EZ) - 14 verschiedene EZ-typen (Bravais-Gitter) in 7 kristallographischen Achsensystemen 24 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 25 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau Technisch relevante Gittertypen HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 26 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau Stapelfolge im kfz-Gitter (ABCABC) HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 27 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau Stapelfolge im hdp-Gitter (ABAB) HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 28 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES krz - kubisch raumzentriert - Cr, Mo, W, V, -Fe, -Ti, kfz - kubisch flächenzentriert - Cu, Al, Ni, Ag, Au, -Fe, -Co, hdp - hexagonal dichtest gepackt - Mg, Cd, Zn, -Ti, -Co, Polymorphie: Einige Metalle treten temperaturabhängig in zwei oder mehreren Gittertypen auf. 29 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Packungsdichte (PD) = Volumen d. Kugeln pro EZ / Volumen EZ krz: PD = 68% kfz: PD = 74% Stapelfolge: ABCABC hdp: PD = 74% Stapelfolge: ABAB 30 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN 3.3 Realer Kristall 3.3.1 Punktfehler (0-dimensionale Gitterfehler) UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 31 Prof. Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 3.3.2 Linienfehler (1-dimensionale Gitterfehler) Stufenversetzung 32 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau Burgersvektor b HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Ist ein Maß für den Versatz des Gitters verursacht durch die Versetzung. b 33 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Schraubenversetzung 34 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Gemischte Versetzung 35 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau Bedeutung der Versetzungen HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES - Voraussetzung für plastisches Verhalten der Metalle (z.B. Walzen, Biegen, Schmieden) - äußere Kräfte führen zur Bewegung von Versetzungen - sich bewegende Versetzungen transportieren Material - Versetzungen sind auch die Ursache für Verfestigung und Eigenspannungen - Versetzungsdichte = Gesamtlänge aller Versetzungslinien pro Volumen normal: 106 - 108 cm-2 , stark kaltumgeformt: 1012 cm-2 36 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN 3.3.3 Flächenfehler (2-dimensionale Gitterfehler) UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Kleinwinkelkorngrenze Antiphasengrenze (kfz-Gitter) Großwinkelkorngrenze Zwillingsgrenze (krz-Gitter) 37 Prof. Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau 3.3.4 Volumenfehler (3-dimensionale Gitterfehler) HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Phasengrenze kohärent teilkohärent Ausscheidung, Dispersion Mikroriß Einschluß Pore, Mikropore inkohärent 38 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN 3.4 Realstruktur und Eigenschaften UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Gitter und Gitterfehler beeinflussen Eigenschaften wie - elektr. und therm. Leitfähigkeit: Bändermodell, Gitteranordnung (Atomabstände) - Verformbarkeit: Versetzungen bewegen sich auf Gleitebenen (= Ebenen dichter Atomanordnung) - Festigkeit: Bewußte Einschränkung der Bewegung der Versetzungen - Wärmeausdehnung: Kräfte zwischen Gitterbausteinen (= Atomen) - Diffusion: Gitterlücken 39 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES GS mit dichtest gepackter GE: kfz: 12 hdp: 3 krz: 0 Gleitsystem (GS) = Gleitebene (GE) + Gleitrichtung 40 Richtungsabhängigkeit von Eigenschaften Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Einkristall (a): - besteht aus einem einzigen Korn (=Kristallit) - z.B. Si-Block zur Herstellung von Chips - Turbinenschaufeln Vielkristall = Polykristall (b): - besteht aus vielen Körnern (=Kristalliten) - Mehrzahl aller metallischen Werkstoffe 41 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau Anisotropie = Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES gilt für: Elementarzelle EZ Korn (=Kristallit) Einkristall beispielhaft: Elastizitätsmodul E Schubmodul G 42 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Isotropie = Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften gilt für nichtkristalline Stoffe (=amorph): - Gläser - Kunststoffe - Keramik 43 Prof. Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau Quasiisotropie = Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften bedingt durch die beliebige (statistische) Orientierung der Körner in Polykristallen HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Textur (=anisotroper Polykristall) = Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften von Polykristallen bedingt durch mech. Umformung 44 Anisotropie durch Textur (Walz-, Zieh-, Schmiedetextur) Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Nachweis: Näpfchenziehen r-Wert-Bestimmung Durch Walzvorgang ausgerichtetes Gefüge (Textur) 45 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau Anisotropie von faserverstärktem Kunststoff HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 46 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau 3.5 Aufbau von Legierungen HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Legierungen sind Vereinigungen eines Metalls mit mindestens einem anderen Metall oder Nichtmetall. (z.B. Fe-C, Fe-Ni, Al-Si-Mg, Fe-C-Cr-Ni) Legierungsphasen: - Mischkristall (Einlagerung, Substitution) 47 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES - Überstruktur FeCo, AuCu, Fe3Al - Intermetallische Phasen TiN, VC, Al2Cu, Mg2Si CuBe2 48 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Gefüge eines Einlagerungs-Mischkristalles 49 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Gefüge eines Substitutions-Mischkristalles 50 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof.Rüdiger Dr.-Ing. Uwe Reinert Prof. Dr.-Ing. Schubert Abteilung Maschinenbau Fachbereich Maschinenbau HOCHSCHULE BREMEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Gefüge eines Kristallgemisches 51
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