TU Berlin Institut fr Werkstoffwissenschaften und technologien Fachgebiet Keramische Werkstoffe Prof. Schubert

Skript Prozesstechnik (3. Semester) im WS 2007/2008 Skript Prozesstechnik (3. Semester) im WS 2006/2007 .............................................................. 1

bersicht Einleitung ............................................................................................................... 2

Begriffe...................................................................................................................................... 2

Mischkristalle............................................................................................................................. 3

Mischkristallverfestigung........................................................................................................ 3 Keimbildung .............................................................................................................................. 6

Homogene Keimbildung: ....................................................................................................... 6 Heterogene Keimbildung: ...................................................................................................... 6

Rekristallisation ......................................................................................................................... 7

Ausscheidungshrtung.............................................................................................................. 8

Benetzung und Grenzflchenspannung.................................................................................. 11

gasfrmig - flssig................................................................................................................ 11 flssig - fest.......................................................................................................................... 11 fest gasfrmig ................................................................................................................... 12 flssig gasfrmig............................................................................................................... 12 fest - fest .............................................................................................................................. 13

Oberflchenladung.................................................................................................................. 14

Diffusion .................................................................................................................................. 15

Erwrmung / Wrmeleitung..................................................................................................... 17

Mechanismen der Wrmebertragung ................................................................................ 17 Technologie............................................................................................................................. 20

Pressen................................................................................................................................ 20 Foliengieen ........................................................................................................................ 22 Extrudieren .......................................................................................................................... 23 Spritzguss ............................................................................................................................ 24 Sonderformen...................................................................................................................... 24 Thermische Prozesse in der Materialherstellung................................................................. 25

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bersicht Einleitung

Diese Veranstaltung soll Grundlagen und einen ersten Einblick in die Technologie der Werkstoff-Prozesstechnik geben. Sie ist als Querschnitt geplant und wird in den Technologieveranstaltungen sowie in weiteren Modulen im Bereich der Vertiefung konkretisiert und spezialisiert. Wesentliche Voraussetzung ist ein Grundverstndnis der Thermodynamik sowie der Physik und Chemie.

Begriffe

Die meisten Anwendungen knnen nur als offenes thermodynamisches System verstanden werden, so dass die Beschreibung ber die freie Enthalpie (Gibbssche freie Enthalpie, siehe Thermo I) am geeignetsten ist:

G = H - T S

G = freie Enthalpie, entscheidend fr die Bewertung des Energiezustandes der zugrunde liegenden Phase. H = Enthalpie, H = U (innere Energie) + p * V (Druck mal Volumen). T = Temperatur S = Entropie . Fr das Verstndnis der meisten Werkstoffe ist es notwendig, die Funktion G fr mehrere Komponenten zu verstehen, denn nur ganz wenige Werkstoffe sind tatschlich rein elementar aufgebaut. Gerade weil unterschiedliche Eigenschaften miteinander verknpft werden mssen, ist die Bildung von mehrphasigen Werkstoffen bzw. von gemischtkomponentigen Systemen oder Verbindungen gang und gbe. Hierzu wird die freie Enthalpie je als Funktion des Molenbruches x diskutiert (G-x-Kurve). Betrachtet man zuerst zwei chemisch unterschiedliche, d. h. nicht mischbare Komponenten miteinander, so ist die Enthalpie eines Gemisches simpel nach der Mischungsregel mit dem Molenbruch x als Laufvariable zu verstehen.

Die freie Enthalpie eines Gemisches ergibt sich aus der Mischungsregel

G = G(A)*x(A) + G(B)*x(B) mit x(B) = 1 x(A)

G

GA

GB

BA xB

GGemenge

T = const.p = const.

Abb. 1: G-x-Diagramm

Dies entspricht in einem Phasendiagramm einer vollstndigen Entmischung. (Beispiel: Al2O3 ZrO2 unterhalb von 1500C, WC-Co). Chemisch begrndet sich solch eine Entmischung aus einer inkompatiblen Bindungssituation der beiden Komponenten. Bereits aus diesem einfachen Beispiel erkennt man die kausale Kette

Atomistik Thermodynamik / Konstitution Phasengehalt, Gefge Eigenschaften,

also einer Wirkungskette vom Atom zur makroskopischen Eigenschaft.

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Mischkristalle

Wenn die interatomaren Wechselwirkungen WAB strker werden als die der einzelnen Komponenten WAA und WBB, ergibt sich insgesamt ein Energiegewinn fr das System, der sich als ein positiver Wert fr S und H und als ein negativer Wert fr G darstellt. Die Lage der freien Enthalpie G des Mischkristalls liegt also unter der Mischungsregel. Es ergibt sich also ein Gewinn G

G(x 1) = [ G(A) x1(A) + G(B) 1-x1 (B) ] - G

G

GA

GB

BA xB

GGemenge

T = const.p = const.G

Abb. 2: G-x-Diagramm

Bei hinreichender hnlichkeit zwischen den Bindungsverhltnissen sind Mischkristalle hufig zu finden:

T

A xB B

S

L

xB(S) xB(L)

a b

ab

LMengeSMenge

=

Im Zweiphasengebiet knnen die Mengenanteile der beteiligten Phasen bestimmt werden. ausgehend von der Bruttozusammensetzung werden die Hebelarme a und b gemessen. Aus dem Verhltnis beider Werte ergibt sich das Verhltnis der beiden Phasen zu:

Abb. 3: Phasendiagramm mit vollstndiger Mischbarkeit und die Anwendung des Hebelgesetzes Bei hnlicher Ladung, Atom- oder Ionenradien und Koordination ist mit ausgedehnten Mischbarkeiten zu rechnen.

Mischkristallverfestigung

Bereits die Bildung von Legierungen die simple Mischkristalle sind weisen deutlich vernderte mechanische Eigenschaften auf. Der wichtigste Mechanismus ist die Mischkristallverfestigung. Eine Versetzung Ursache fr das plastische Fliessen erzeugt einen Spannungsdipol mit einem Druckbereich an der Halbebene und einen Zugbereich darunter. Kleiner Fremdatome werden bevorzugt im Druck-, grere im Zugbereich segregiert. Die Versetzung kann sich nur noch mit Diffusion der Fremdatome bewegen.

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Legierungsbildung fhrt zu Verfestigung von Metallen. Warum?

Fremdatome im Wirtsgitter

Differenz der Atomradien

Gitterverzerrungen /Erhhung der Gitterenergie

Spannungsfelder im Gitter

Hemmung der Versetzungsmobilitt

Verfestigung Abb. 4: Fremdatome im Wirtsgitter

Plastische Verformung = Versetzungsbewegung

Wechselwirkung der Spannungsfelder von Fremdatomen und VersetzungenSpannungs- / Energie-Erhhung ntig fr weitere Verformung

Neigung zur Verringerung der Gitterverzerrungen durch Einbau der Fremdatome imVersetzungsbereich (Diffusion):

Kompensation der Spannungsfelderzustzliche Spannungserhhung zum Ablsen der Versetzung von den FA ntigDamit erhht sich die Festigkeit der Legierung.

Abb. 5: Einbau von Fremdatomen und Wechselwirkung mit Versetzungen

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Kriterien fr die Mischkristallverfestigung:

hohe Lslichkeit bei Raumtemperatur gengend groe Fehlpassung der Atomradien

Weitere Einflussparameter:

Bindungsenergie der Fremdatome im Wirtsgitter

Art des MischkristallsEinlagerungs-MK wirkungsvoller als Substitutions-MK

Ordnungsbildung:energiereiche Antiphasengrenzen behindern Versetzungsbewegung

Abb. 6: Mischkristalle und Antiphasengrenzen

Abb. 7: Mischkristallverfestigung

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Keimbildung

bergang vom flssigen in den festen Zustand durch Abkhlen bis unter den Schmelzpunkt

Erstarrungsvorgang beeinflusst die Struktur und die Eigenschaften des Festkrpers durch Form und Gre der Kristallite

Anordnung der Atome geht von Nahordnung in Fernordnung ber

Ablauf in zwei Schritten: Keimbildung und Kristallwachstum

nach der Keimbildung wchst der Festkrper durch Anlagerung von Atomen aus der Schmelze weiter an (planares oder dendritisches Wachstum)

Mit der Bildung eines kleinen Volumenbereiches, der den atomaren Aufbau der Endphase besitzt, ist eine Erniedrigung der freien Entha