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3. Struktur des Festkörpers

3.1 Kristalline und amorphe Strukturen

Amorphe Struktur- Atombindung ist gerichtet - unregelmäßige Anordnungder Atome

- keinen exakten Schmelzpunkt,sondern langsames Erweichen,

- keine Fernordnung(>1000 Atomabstände)

- Gläser, Kunststoffe,

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Kristalline Struktur- Metallbindung und Ionenbindung sind ungerichtet- regelmäßige Atomanordnung über >1000Atomabstände (Fernordnung)

- exakter Schmelzpunkt- sich wiederholende ElementarzelleGitterkonstante ~ Atomdurchmesser ~ 10-10 m

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3.2 Idealer Kristall

- hat keine Fehler oder Störungen(Wärmeschwingungen, Oberflächen)

- kommt nicht vor

- 3-dimensionale periodische Wiederholung seinerElementarzelle (EZ)

- 14 verschiedene EZ-typen (Bravais-Gitter) in7 kristallographischen Achsensystemen

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Technisch relevante GittertypenProf. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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Stapelfolge im kfz-Gitter (ABCABC)Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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Stapelfolge im hdp-Gitter (ABAB)Prof. Dr.-Ing. Uwe ReinertAbteilung Maschinenbau

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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.

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Packungsdichte (PD)= Volumen d. Kugeln pro EZ / Volumen EZ

krz: PD = 68%

kfz: PD = 74%Stapelfolge: ABCABC

hdp: PD = 74%Stapelfolge: ABAB

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3.3 Realer Kristall3.3.1 Punktfehler (0-dimensionale Gitterfehler)

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3.3.2 Linienfehler (1-dimensionale Gitterfehler)

Stufenversetzung

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Burgersvektor

Ist ein Maß für den Versatz des Gitters verursacht durch die Versetzung.

b

b

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Schraubenversetzung

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Gemischte Versetzung

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Bedeutung der Versetzungen

- 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 Verfestigungund Eigenspannungen

- Versetzungsdichte = Gesamtlänge aller Versetzungslinien pro Volumennormal: 106 - 108 cm-2 , stark kaltumgeformt: 1012 cm-2

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3.3.3 Flächenfehler(2-dimensionale Gitterfehler)

Kleinwinkelkorngrenze

Großwinkelkorngrenze

Antiphasengrenze(kfz-Gitter)

Zwillingsgrenze(krz-Gitter) 37

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3.3.4 Volumenfehler (3-dimensionale Gitterfehler)

Phasengrenze

Ausscheidung,Dispersion Pore,

MikroporeEinschluß

Mikroriß

kohärent

teilkohärent

inkohärent 38

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3.4 Realstruktur und Eigenschaften

Gitter und Gitterfehler beeinflussen Eigenschaften wie

- elektr. und therm. Leitfähigkeit:Bändermodell, Gitteranordnung (Atomabstände)

- Verformbarkeit: Versetzungen bewegen sich aufGleitebenen (= Ebenen dichter Atomanordnung)

- Festigkeit: Bewußte Einschränkung der Bewegung derVersetzungen

- Wärmeausdehnung: Kräfte zwischenGitterbausteinen (= Atomen)

- Diffusion: Gitterlücken

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Gleitsystem (GS) = Gleitebene (GE) + Gleitrichtung

GS mit dichtestgepackter GE:

kfz: 12

hdp: 3

krz: 0

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Richtungsabhängigkeitvon Eigenschaften

Einkristall (a):- besteht aus einem einzigen Korn (=Kristallit)- z.B. Si-Block zur Herstellung von Chips- Turbinenschaufeln

Vielkristall= Polykristall (b):- besteht aus vielenKörnern (=Kristalliten)

- Mehrzahl aller metallischen Werkstoffe

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Anisotropie = Richtungsabhängigkeitder Eigenschaften

gilt für:

Elementarzelle EZKorn (=Kristallit)Einkristall

beispielhaft:

Elastizitätsmodul ESchubmodul G

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Isotropie= Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften

gilt für nichtkristalline Stoffe (=amorph):

- Gläser

- Kunststoffe

- Keramik

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Quasiisotropie= Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften

bedingt durch die beliebige (statistische)Orientierung der Körner in Polykristallen

Textur (=anisotroper Polykristall)= Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften von

Polykristallen bedingt durch mech. Umformung 44

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Fachbereich MaschinenbauAnisotropie durch Textur(Walz-, Zieh-, Schmiedetextur)

Nachweis:Näpfchenziehenr-Wert-Bestimmung

Durch Walzvorgang ausgerichtetes Gefüge (Textur)

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Anisotropie von faserverstärktem Kunststoff

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3.5 Aufbau von Legierungen

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)

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Fachbereich Maschinenbau

- Überstruktur - IntermetallischeFeCo, AuCu, Fe3Al Phasen

TiN, VC,

Al2Cu, Mg2Si

CuBe2

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Gefüge eines Einlagerungs-Mischkristalles

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Fachbereich Maschinenbau

Gefüge eines Substitutions-Mischkristalles

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Fachbereich Maschinenbau

Gefüge eines Kristallgemisches

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