Zusammenfassung von Julia und Patrick
Kristallzustand:
| Kristallgitter | regelmäßige Anordnung von Atome |
| Elementarzelle (Bravais-Gitter) | – kleinste Raumeinheit eines regelmäßig angeordneten Gitters
– beschreibt vollständig ein Gitter |
| Gitterkonstante | Längen der Kristallgitter (a, b, c) |
| Achsenwinkel | Winkel der Kristallgitter (α, β, γ) |
| Kristallsysteme (7) | kubisch, tetragonal, rhombisch, hexagonal, rhomboedrisches, monoklines, triklines |
| Millerschen Indizes (hkl) | Angabe der Gitterebenen |
| Netzebene | Ebene, die durch drei nicht auf einer Geraden liegenden Punkte eines Punktgitters bestimmt wird[1] |
| Netzebenschar | Parallele Netzebenen |
| Netzebenenabstand | kleinster Abstand zweier Netzebenen |
| Koordinationszahl | – Anzahl der nächsten Nachbarn eines Gitterbausteins
– gibt Packungsdichte an |
| Koordinationszahl 12 | dichteste Kugelpackung bei hdp und kfz |
| hdp | Hexagonal dichteste Kugelpackung (Stapelfolge: ABAB) |
| kfz | kubisch flächenzentriert (Stapelfolge ABCABC) |
[1] Vgl. Spektrum.de, Netzebene <https://www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/netzebene/11113>
Wichtigste Kristallsysteme:
kubisches Kristallsystem (primitiv, raumzentriert und flächenzentriert)
tetragonales Kristallsystem (primitiv und raumzentriert)
hexagonales Kristallsystem
Millersche Indizes (hkl) – Rechnung:
- Bestimmung Achsenabschnitte m,n,p B.: m=6; n=3; p=1
- Kehrwerte bilden 1/m; 1/n; 1/p B.: 1/6; 1/3; 1/1
- Auf Hauptnenner bringen B.: 1/6; 2/6; 6/6
hkl: (126)
Koordinationszahl:
- gibt die Anzahl der nächsten platzierten Nachbarn um einen Gitterbaustein an
- beschreibt wie eng ein Kristallsystem gepackt ist
- je höher die Koordinationszahl, desto höher ist die Packungsdichte des Kristallinen Körpers (max. 12)
- ist von Gestalt der Gitterbausteine, sowie von verschieden geformten Molekülen abhängig
- mit nächstem Nachbarn wird der sogenannte Koordinationspolyeder gebildet -> den Liganden
- die Koordinationszahl wird bei Kugelförmigen Atomaufbauten durch das Atomradienverhältnis bestimmt
kubisch primitiv (KZ=6)
kubisch raumzentriert (KZ=8)
Gitterstörungen:
| Gitterfehler | – Abweichung vom idealen Kristallaufbau
– Erhöhung Energie – werden gezielt erzeugt und genutzt |
| Gitterfehlerarten | punktförmig, linienförmig, flächenhaft und volumenhaft |
0-dimensionale Gitterfehler:
| Leerstellen | – ein Atom löst sich aus dem Gitter und es entstehen freie Gitterplätze
– die Leerstellendichte ist temperaturabhängig – durch Leerstellen wird Diffusion ermöglicht |
| Frenkel-Paar | ein Atom löst sich aus seinem Gitterplatz (Leerstelle) und setzt sich als Interstitionsatom ins Gitter |
| Fremdatom | Atom eines anderen Materials im Gitter |
| Substitutionsatome | – Fremdatome auf regulären Gitterplätzen
– Bedingung für Substitutionsmischkristallbildung: (rfremd-rMetall) / rMetall < 15 % |
| Interstitionsatome | – Fremdatome auf Zwischengitterplätzen
– führen zu Gitteraufweitungen – z. B.: Wasserstoff (H) Stickstoff (N), Kohlenstoff (C) und Bor (B) |
Quelle: Wikipedia
1-dimensionale Gitterfehler:
| Stufenversetzung | eingeschobene Halbkristallebene |
| Schraubenversetzung | wendelförmige Verzerrung |
| Burgersvektor b | gibt Größe und Richtung einer Versetzung an |
| Burgersumlauf | A – F, Versatz entspricht Burgersvektor |
Quelle: hps.hs-regensburg, Das Verformungsverhalten metallischer Werkstoffe
2-dimensionale Gitterfehler:
| Korngrenze | trennt in einem Kristall Bereiche unterschiedlicher Ausrichtung gleicher Kristallstruktur[1] |
| Kleinwinkelkorngrenze | – Übereinanderreihung gleichartiger Stufenversetzungen
– Kippwinkel kleiner 15° |
| Großwinkelkorngrenze | – zufällig orientierte Kristallbereiche, die gegeneinanderstoßen
– Kippwinkel größer 15 ° |
| Phasengrenzen | – Fläche zwischen zwei Phasen
– kohärent, teilkohärent, inkohärent |
| Kohärente Phasengrenze | – Gitterkonstante nahezu gleich
– Gitterebene wird fortgesetzt |
| Teilkohärente
Phasengrenze |
– mit wachsendem Unterschied der Gitterkonstanten wird es energetischer
– Gitterebenen teilweise vorgesetzt |
| Inkohärente
Phasengrenze |
verschiedene Gitterstrukturen |
| Zwillingsgrenze | spiegelsymmetrisch zur Korngrenze |
| Stapelfehler | Unterbrechung in der Stapelfolge |
3-dimensionale Gitterfehler:
| Poren | offene und geschlossene Hohlräume entstanden aus Gasblasen[2] |
| Lunker | offene und geschlossene Hohlräume entstanden aus dem Herstellungsprozess |
| Risse | fertigungsbedingt |
| Einschlüsse | feste Fremdphasen |
| Ausscheidungen | Fremdphase wird aus dem Kristall selbst gebildet |
[1] Vgl. Chemie.de, Korngrenze
[2] Vgl. Chemie.de, Gitterfehler
Thermisch aktivierte Vorgänge:
- Zustandsänderung durch Zugabe von Energie
- Aktivierungsenergie in Form von Temperaturveränderung bewirkt Platzwechsel der beteiligten Atome
- Arrhenius-Gleichung beschreibt Geschwindigkeit thermisch aktivierter Platzwechselvorgänge
Diffusion:
| Diffusion | Temperaturabhängige Wanderung von Atomen, Ionen oder Leerstellen |
| Selbstdiffusion | Platzwechselvorgänge gleicher Teilchen
(keine Konzentrationsänderung) |
| Fremddiffusion | Platzwechselvorgänge unterschiedlicher Teilchen
(bedeutender Konzentrationsunterschied) |
| 1. Ficksches Gesetz | Stoffmenge von Atomen, welche bei einem Konzentrationsgefälle in bestimmter Zeit durch eine senkrecht zur Diffusionsrichtung stehenden Fläche befördert werden |
| 2. Ficksches Gesetz | Örtliche Konzentrationsänderung unter Berücksichtigung der Zeit |
Diffusionsmechanismen:
- Direkter Platzwechsel: Verhältnisse energetisch ungünstig
- Leerstellenmechanismus: Atome wandern über Leerstellen, geringe Aktivierungsenergie, durch Temperaturzufuhr erhöht sich die Schwingungsbreite der Atome
- Zwischengittermechanismus: Atome wandern über Zwischengitterplätze, auftreten bei Energiezufuhr in Form von sehr hoher Energie und kleinen diffundierenden Atomen
Diffusionskoeefizient (D)
- Maßzahl, um Wanderungsbestreben bestimmter Atome zu beschreiben
- Werkstoff- und Temperaturabhängig
Erholung
- Die Kaltverformung erhöht den Energiegehalt des Werkstoffes
- Bedingte Temperaturerhöhung -> Energieabbau durch Umlagern und Ausheilen von Gitterdefekten (Erholung)
- Physische Eigenschaften, bspw. Elektrischer Widerstand werden durch die Erholung wiederhergestellt
- Mechanische Eigenschaften und das mikroskopische Gefüge ändern sich hierbei nicht
Kaltwalzen von Aluminium:
Durch das Walzen entsteht ein Gefüge mit lang gestreckter Körnung, welche sich längs in die Walzrichtung zieht. Zudem nimmt die Härte des Materials zu.
Möglichkeiten zum Ausheilen und Umlagern von Gitterdefekten:
Quelle: Bargel, Schulze
Rekristallisation:
- Eine Rekristallisation des kaltverformten Gefüges entsteht bei weiterer Temperaturerhöhung
- Unverzerrte Kristalle bilden sich durch thermisch aktivierte Platzwechsel
- Korngrenzenbewegung –> Kristallisationsfronten der neuen Körner gehen von Bereichen mit einer hohen Versetzungsdichte aus, welche bei der Kaltverformungen entstanden sind
- Weder Korngröße, Kornform, noch Korngrenze sind identisch mit dem Gefüge des Ausgangsmateriales
Rekristallisierungstemperatur:
- Die Rekristallisierungstemperatur ist die Temperatur, bei der nach einer Stunde die Rekristallisation abgeschlossen ist
- Die Temperatur ist abhängig von:
- Umformgrad
- Glühtemperatur
- Korngröße
- Chemische Zusammensetzung des Materials
- Warmumformen -> Umformen oberhalb der Rekristallisierungstemperatur
- Kaltumformen -> Umformen unterhalb Rekristallisierungstemperatur
- Das Rekristallisierungsdiagramm gibt den Einfluss von Verformungsgrad und Temperatur auf die Korngröße des rekristallisierten Gefüges an (individuell von jedem Material erstellt)